II. Metabolizmus aminokyselin u onemocnění jater
Summary
An amino acid pool in an amount of 300–500 g represents all degraded and synthesised amino acids in the human body. Liver is a central organ for amino acid metabolism and its pathology can lead to liver encephalopathy. A positive supportive role in this point could be in a supplemented parenteral branched chain amino acid followed by a decrease of aromatic amino acids and ammonium levels. In inflammatory bowel diseases disturbances of amino acids with liver cachexia could be managed preferentially in children by modular enteral nutrition.
Key words: branched chain amino acids, encephalopathy, enternal nutrition
Metabolizmus aminokyselin v organizmu
Souhrn všech aminokyselin v těle nazýváme aminokyselinový pool. U zdravého dospělého člověka je asi 300–500 g proteinů denně degradováno na aminokyseliny formou proteolýzy. Dalším zdrojem aminokyselin jsou proteiny obsažené v potravě, které představují přibližně 70–100 g za den. Posledním zdrojem aminokyselinového poolu je biosyntéza neesenciálních aminokyselin tvořící denně 30–40 g aminokyselin. Kolem 120 g aminokyselin denně se tak degraduje. Přibližně stejné množství aminokyselin, jako uvolňuje proteolýza, se zpětně inkorporuje do proteinů, jedná se o proces tzv. proteosyntézy (Wu, 2009; Deutz, Boirie, Roth & Soeters, 2011; Teplan, 2000; Rose, 1949; Szitanyi et al., 2014).
Proteolýza je kompletní degradace proteinů na volné aminokyseliny. V průběhu proteolýzy se uplatňují enzymy proteázy a peptidázy, které nacházíme jak v trávicím traktu, tak i v každé buňce – lyzosomy. Základní dělení peptidáz rozlišuje:
1. exopeptidázy – amino- a karboxypeptidázy – štěpící proteiny/peptidy na koncích jejich řetězců,
2. endopeptidázy – trypsin, chymotrypsin či pepsin – štěpící vnitřní vazby proteinů/peptidů.
Některé proteiny se degradují pomocí tzv. ubikvitin-proteazomové cesty. Ubikvitin, malý buněčný protein, se vyskytuje ve všech eukaryotních buňkách. Slouží jako marker, který předurčuje protein k jeho degradaci v proteazomech – proces nazýváme ubikvitinace (popřípadě polyubikvitinace – pokud je navázáno více molekul ubikvitinu).
Za objev rozkladu bílkovin iniciovaného ubikvitinem obdrželi v roce 2004 Nobelovu cenu za chemii („for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation”) Aaron Ciechanover, Avram Hershko a Irwin Rose.
Játra a jejich funkce
Funkce jater je mnohostranná a mnohočetná, většina procesů v nich probíhajících sice souvisí s metabolizmem a detoxikací, kromě toho jsou však játra též exokrinní i endokrinní žlázou a zasahují také do dalších dějů (Rose, 1949; Szitanyi et al., 2014).
Metabolické děje probíhající v játrech
V hepatocytech probíhají vzájemné přeměny živin, jejich syntézy, degradace a resorpce z krve.
• Metabolizmus sacharidů: jaterní buňky vychytávají glukózu z portální krve, skladují ji jako glykogen (až 60 g/kg jaterní hmoty), nebo přeměňují na lipidy. V játrech probíhají vzájemné přeměny hexos, tedy pentózový cyklus a přeměna laktátu na glukózu (Coriho cyklus), a přeměna alaninu na glukózu (alaninový cyklus). Při hladovění je z jater glukóza uvolňována po glykogenolýze, nebo syntetizována v procesu glukoneogeneze. Ke zpracovávání glukózy jsou jaterní buňky vybaveny specifickými enzymy (glukokináza, fruktokináza a galaktokináza). Játra udržují stálou glykemii.
• Metabolizmus lipidů: v játrech probíhá syntéza, beta-oxidace a peroxidace mastných kyselin, syntéza triacylglycerolů, cholesterolu a fosfolipidů, tvorba ketolátek (acetacetát, beta-hydroxymáselná kyselina, aceton). Jaterní buňky tvoří také lipoproteiny, VLDL, které transportují lipidy do tkání, a HDL, pomocí kterého se cholesterol dostává z tkání do jater. V játrech jsou též zpracovávány chylomikrony, ve kterých jsou tuky transportovány ze střeva.
• Metabolizmus aminokyselin: játra pomáhají udržovat stálou hladinu aminokyselin v krevní plazmě, vychytávají glukoplastické aminokyseliny (alanin, serin, threonin), syntetizují neesenciální aminokyseliny a také v nich probíhá katabolizmus většiny esenciálních aminokyselin (výjimku tvoří ty s rozvětveným řetězcem).
• Detoxikace amoniaku: volný amoniak narušuje acidobazickou rovnováhu organizmu a je neurotoxický. V těle je tvořen při deaminaci aminokyselin a také činností střevní mikroflóry – játra jsou proto vybavena dvěma účinnými systémy na jeho odstranění. Prvním systémem je ornitinový cyklus, při kterém je syntetizována močovina. Je to energeticky nákladný proces, probíhá proto v 1., periportální zóně jaterního acinu. Takto je detoxikována většina amoniaku. Druhým systémem detoxikace je syntéza glutaminu (z glutamátu a amonného iontu), která se odehrává v perivenózních hepatocytech. Amoniak z glutaminu je následně uvolněn v ledvinách a vyloučen močí. Regulací zastoupení těchto dvou systémů na detoxikaci amoniaku zároveň získávají játra silný nástroj k řízení poměru kyselin a bází v organizmu.
• Degradace cholesterolu: v játrech se degraduje přebytečný cholesterol. Při tomto procesu vznikají primární žlučové kyseliny – kyselina cholová a kyselina chenodeoxycholová. Ty jsou dále konjugovány s taurinem nebo glycinem.
• Degradace hemu: hem z rozpadlých červených krvinek je navázán na protein hemopexin a transportován do jater, kde je vzniklý komplex fagocytován Kuppferovými buňkami. V nich dochází k přeměně hemu na biliverdin a dále na bilirubin. Bilirubin se váže na další protein krevní plazmy, albumin, odkud je vychytáván hepatocyty. Ve vazbě na protein ligandin se dostává do endoplazmatického retikula, kde je konjugován na bilirubindiglukosiduronát. Ten je pak aktivním transportem vyloučen do žluči.
• Detoxikační funkce: v játrech jsou hydrofobní cizorodé molekuly, které proto nemohou být vyloučeny močí, oxidovány cytochromem p450 a konjugovány s hydrofilními látkami, jako jsou kyselina glukuronová, kyselina sírová a další. Vzniklé molekuly jsou pak vyloučeny do žluče nebo do krevní plazmy, odkud jsou odstraněny v ledvinách.
• Tvorba hormonů: játra produkují angiotenzinogen, který má vliv na hospodaření s vodou, solemi a udržování krevního tlaku. Dále syntetizují somatomedin, jehož prostřednictvím působí růstový hormon, a v malém množství v nich vzniká též erytropoetin, který zajišťuje erytropoézu.
• Degradace a inaktivace hormonů: v játrech se likvidují hormony, jako jsou inzulin, steroidní hormony a další.
• Syntéza plazmatických proteinů: v játrech jsou syntetizovány všechny plazmatické proteiny kromě imunoglobulinů (tzn. protilátek) a von Willebrandova faktoru. Za 24 hodin se v jaterní tkáni vytvoří až asi 50 g plazmatických bílkovin. Při poruše jaterních funkcí se proto po vyčerpání funkčních bílkovin v krvi objeví poruchy srážlivosti krve (nejsou syntetizované koagulační faktory) a dále otoky způsobené sníženým onkotickým tlakem v cévách, jenž je následkem poruchy tvorby albuminu v játrech.
• Zásobní funkce: játra jsou depo lipidů (až 10 % jejich hmotnosti), glykogenu, železa (ve formě ferritinu) a vitaminů A, D, K a B12.
• Orgán krvetvorby: během embryonálního vývoje savců jsou játra orgánem, kde probíhá krvetvorba. V případě těžkého poškození kostní dřeně se může tvorba krevních elementů v játrech obnovit i u dospělých jedinců.
Další metabolické funkce jater
• Hepatocyty mají zcela výjimečné postavení v intermediárním metabolizmu. Hrají zásadní roli při udržení stálosti vnitřního prostředí (homeostázy), při vzájemné přeměně živin, při regulaci skladování a uvolňování energie, při modifikaci hormonů a vitaminů, či při detoxikaci škodlivých látek (biotransformace xenobiotik). Játra mají také sekreční úlohu – tvoří žluč nezbytnou pro efektivní trávení lipidů a současně umožňující vylučování mnoha látek z těla. Játra jsou i orgánem důležitým pro imunitní procesy (např. syntéza reaktantů akutní fáze, Kuppferovy buňky) a endokrinním orgánem – produkují např. erytropoetin (10 %, zbylé množství se tvoří v ledvinách), kalcidiol, insulin-like growth factors – somatomediny.
• Mnoho funkcí jater je vysoce energeticky náročných. Hepatocyty se proto při získávání energie soustředí především na proces aerobní fosforylace. Játra spotřebovávají 20–30 % veškerého kyslíku a 90 % z něj použijí k tvorbě makroergních fosfátů. Za normálních podmínek získávají játra většinu energie z β-oxidace mastných kyselin a degradace aminokyselin.
Metabolizmus sacharidů
• Pro organizmus je životně důležité udržovat hladinu krevní glukózy ve fyziologickém rozmezí 3,3–5,6 mmol/l. Jednou z nejdůležitějších funkcí jater je krátkodobá (hodiny) i dlouhodobá (dny, týdny) regulace glykemie – tzv. glukostatická funkce jater. V hepatocytech probíhá řada metabolických drah, které jsou „zapínány“ a „vypínány“ v závislosti na tom, jestli glykemie stoupá, či klesá. Toto zapínání a vypínání řídí převážně hormony (produkované například endokrinním pankreatem či nadledvinami). Jaterní glykogen slouží jako „pufr” umožňující játrům rychle reagovat na výkyvy glykemie. Zcela klíčový význam má fakt, že hepatocyty obsahují enzym glukóza-6-fosfatázu (odštěpuje fosfát z glukózy-6-P), díky němuž dovedou uvolnit „čistou” glukózu do krevního oběhu. Játra jsou součástí dvou významných meziorgánových propojení metabolických drah – Coriho cyklu a glukózo-alaninového cyklu.
• Vysoká hladina glukózy v portální krvi po jídle vede ke spuštění syntézy glykogenu v játrech – hepatocyty vychytávají glukózu a tvoří z ní glykogen. Při vysokém nadbytku glukózy (a nasycení zásob glykogenu) dochází k přeměně glukózy na mastné kyseliny a následně na TAG.
• Po přerušení příjmu potravy, při lačnění, když začne klesat glykemie, dochází nejprve k rozkladu glykogenu (glykogenolýze) a následnému uvolnění glukózy do krve.
• Pokud organizmus lační po mnoho hodin a zásoby glykogenu se ztenčují, nezačnou játra vychytávat glukózu z krve pro vlastní potřebu, ale naopak zahájí proces tvorby glukózy z necukerných substrátů (laktát, glukogenní aminokyseliny, glycerol) – glukoneogenezi.
Metabolizmus proteinů a aminokyselin u chorob jater
1. Deaminace a transaminace aminokyselin s následnou konverzí uhlíkového skeletu na glukózu či lipidy
Játra kontrolují hladinu aminokyselin v plazmě. Aminokyseliny přicházejí do jater jako produkty trávení bílkovin nebo z degradace tělesných proteinů. V hepatocytech aminokyseliny podstupují specifické reakce – např. deaminaci (odstranění aminoskupiny), dekarboxylaci (odstranění -COOH skupiny) či transaminaci (výměna aminoskupiny s α-ketokyselinou).
Typický příklad transaminační reakce skýtá reakce alaninu (Ala) a α-ketoglutarátu za vzniku pyruvátu a glutamátu (Glu), katalyzovaná enzymem alaninaminotransferázou (ALT). Další transaminační reakci představuje reakce aspartátu (Asp) a α-ketoglutarátu za vzniku oxalacetátu a glutamátu za katalýzy aspartátaminotransferázou (AST). Oba zmíněné enzymy ALT i AST bývají užívány jako diagnostické markery poškození jaterních buněk.
Jednotlivé aminokyseliny jsou degradovány unikátními katabolickými drahami, ale jejich uhlíkaté kostry se přeměňují na některou ze sedmi sloučenin: pyruvát, acetyl-CoA, acetoacetyl-CoA, α-ketoglutarát, sukcinyl-CoA, fumarát a oxalacetát. Ty se dále mohou přeměnit na sacharidy či lipidy.
2. Syntéza neesenciálních aminokyselin
V lidském těle nemůžeme syntetizovat esenciální aminokyseliny – Phe, Trp, Val, Leu, Ile, Met, Thr a Lys. Ostatní aminokyseliny řadíme mezi neesenciální aminokyseliny a mnoho z nich se tvoří v játrech.
Detoxikace amoniaku a jeho odstraňování z těla
Při metabolizmu aminokyselin se uvolňuje určité množství pro organizmus (zvláště pro CNS) toxického amoniaku, jehož hlavním zdrojem je deaminace aminokyselin. Část amoniaku pochází i z hydrolýzy glutaminu na amoniak a glutamát. Detoxikaci amoniaku zajišťuje syntéza močoviny (močovinový cyklus) či tvorba glutaminu.
Jaterní cirhóza a aminokyseliny
Jaterní cirhóza je chronické jaterní onemocnění, při kterém postupně dochází k přestavbě jaterní tkáně a cévního řečiště jater. Jaterní cirhóza je chronický proces, vedoucí k nekróze jater a následně ke zvýšené tvorbě vaziva (fibrotizace) a k uzlovité přestavbě jaterních buněk (Plauth, 2011; Kinny-Köster, Bertels, Becker, Scholz, Thiery, Ceglarek & Kaiser, 2016; Holeček, 2010;. Toshikuni, Arisawa & Tsutsumi,2014).
Kompenzovaná cirhóza svými projevy připomíná chronický zánět jater. Nemocní si stěžují na nespecifické příznaky, jako například pocity plnosti po jídle, změny stolice, lehké otoky v oblasti kotníků a noční močení. U žen se mohou objevit poruchy menstruačního cyklu ve smyslu vynechání, nebo úplného vymizení menstruace. Lékařské vyšetření prokáže zvětšení jater a postupně také zvětšení sleziny. Onemocnění pozvolna přechází ve fázi dekompenzace. Dekompenzovaná cirhóza má poměrně pestré projevy. Někdy převažují projevy poškození jaterní tkáně (ikterus, krvácivé projevy, hypoalbuminémie se zadržováním tekutin, ascitem a otoky), jindy naopak projevy poškození cévního řečiště (ascites, jícnové varixy, portosystémová encefalopatie). Nemocní si stěžují na nepřekonatelnou únavu, slabost, vyčerpanost, nechutenství, úbytek svalové hmoty, zvětšování břicha a otoky. U žen jsou časté poruchy menstruačního cyklu, muži si stěžují na pokles libida a potence. Časté jsou bolesti kloubů a páteře.
Závažné onemocnění jater má významný vliv na jejich porušenou metabolickou funkci, protože játra hrají klíčovou roli v metabolizmu aminokyselin. Změněné spektrum aminokyselin se zvýšeným podílem aminokyselin aromatických může představovat zvýšené riziko vzniku jaterní encefalopatie. Poměr mezi rozvětvenými AMK (leucin + izoleucin + valin) a aromatickými (fenylalanin + tyrozin + tryptofan) označovaný jako tzv. Fischerovo skóre byl užíván k predikci rizika encefalopatie. V organizmu pacienta s pokročilou cirhózou však dochází k řadě dalších metabolických poruch, které ovlivňují jeho prognózu. U některých forem jaterní cirhózy s méně vyjádřenou složkou imunoreaktivity byly zaznamenány povzbudivé výsledky parenterálního podávání směsi rozvětvených aminokyselin s ohledem na snížený výskyt jaterní encefalopatie, možné regenerace jaterního parenchymu a snížení výskytu tzv. jaterní kachexie. Byly významně snížené hladiny aromatických amionokyselin, amoniaku a zvýšená hladina glutaminu (Holeček, 2010).
V kontextu s rozvojem programu transplantace jater bylo k predikci prognózy pacientů s jaterní cirhózou zavedeno tzv. Melt skóre (Model of End-Stage Liver Disease), využívající hodnot sérového kreatininu, bilirubinu a INR. V posledních letech je nahradilo Child-Pugh skóre dle klasifikace americké transplantační sítě (UNOS).
Bylo opakovaně ukázáno, že u nemocných se závažným onemocněním jater je porušena hladina rozvětvených aminokyselin a významně deficitní mohou být hladiny valinu i ve vztahu k predikci prognózy nemocných. Klesá tudíž i proteosyntetická funkce jater a zvyšuje se riziko sarkopenie. Samotné podání roztoků obsahujících preferenčně rozvětvené aminokyseliny se snížením aminokyselin aromatických však jednoznačně pozitivní výsledek nepřineslo. Překvapivě významné však bylo prokázané zmenšení sarkopenie adekvátním aerobním cvičením s úpravou proteozom-ubikvitinové kaskády.
Perorální podávání aminokyselin včetně jejich ketoanalog má, podobně jako u nefrologických nemocných, svoje limity v procesu transaminace závislé na metabolické funkci jater. Pokud tato klesá pod 20 %, je perorální podávání aminokyselin a jejich ketoanalog neúčinné a může paradoxně vést ke zvýšení poolu katabolického dusíku. Méně časté jsou metabolické poruchy aminokyselin u jiných forem poškození jater.
V souvislosti s rozvojem metabolického syndromu je nyní časté postižení jater formou steatofibrózy – postižení jater u nemocných s obezitou, cukrovkou, poruchami metabolizmu tuků a bílkovin, vzácněji u nemocných po operacích vyřazujících část tenkého střeva, s dlouhodobou nitrožilní výživou nebo vzácně u osob užívajících některé léky (např. metydopa, amiodaron, blokátory kalciových kanálů, estrogeny). Tyto vedou ke střádání tuků v jaterních buňkách, u menší části nemocných se rozvíjí chronický zánět, který během let vede ke změnám podobným jako u incipientní fáze jaterní cirhózy. Méně časté progresivní pochody poškozující jaterní parenchym jsou spojeny s výskytem primární sklerozující cholangitidy – chronického autoimunitního zánětu větších žlučových cest (buď uvnitř jater – intrahepatální cesty, nebo žlučovodu odvádějícího žluč z jater do dvanáctníku –extrahepatální cesty) – což vede k městnání žluči a následné přestavbě jater. U většiny nemocných dochází současně k postižení střeva nespecifickým střevním zánětem, nejčastěji ulcerózní kolitidou či kardiální cirhózou – vzniká u nemocných s chronickým pravostranným srdečním selháním či konstriktivní perikarditidou v důsledku výrazného dlouhodobého překrvení jater.
prof. MUDr. Vladimír Teplan, DrSc.
Subkatedra nefrologie IPVZ Praha
Interní klinika FN Ostrava a Interní katedra Ostravské univerzity
e-mail: vladimir.teplan@seznam.cz
LITERATURA
• Deutz, N. E. P., Boirie, Y., Roth, E., & Soeters, P. B. (2011). Proteins and amino acid metabolism. In Sobotka, L. (ed). Basics in clinical nutrition (4th ed., pp. 115–127). Praha, Czech Republic: Galen.
• Holeček, M. (2010). Three targets of branched-chain amino acid supplementation in the treatment of liver disease. Nutrition, 26(5), 482–490.
• Kinny-Köster, B., Bertels, M., Becker, S., Scholz, M., Thiery, J., Ceglarek, U., & Kaiser, T. (2016). Plasma amino acid concentrations predict mortality in patients with end-stage liver disease. Plos One, 13, 1–13.
• Plauth, M. (2011). Nutritional support in liver dinase. In Sobotka, L. (ed). Basics in clinical nutrition (4th ed., pp. 466–473). Praha, Czech Republic: Galen.
• Rose, W. C. (1949). Amino acid requirements in man. Fed Proc, 8(2), 546 – 552.
• Szitanyi, P., et al. (2014). Současné trendy v klinické výživě a intenzivní metabolické péči (p. 120). Praha, Czech Republic: IPVZ.
• Teplan, V. (2000). Poruchy metabolizmu bílkovin a aminokyselin. In Teplan, V. a kol. (eds.). Metabolizmus a ledviny (pp. 35–42). Praha, Czech republic: Grada
Avicenum.
• Toshikuni, N., Arisawa, T., & Tsutsumi, M. (2014). Nutrition and exercise in the management of liver cirrhosis. World J Gastroeneterl, 20(23), 7286–7297.
• Wu, G. (2009). Amino acid metabolism, functions, and nutrition. Amino Acids, 37, 1–17.
