HRVATSKO PRIRODOSLOVNO DRU[TVO (OSNOVANO

Transcription

1 HDBMB 40 GODINA Priroda HRVATSKO PRIRODOSLOVNO DRU[TVO (OSNOVANO 1885.) Mjese~nik za popularizaciju prirodnih znanosti ISSN Godina 106., Broj / KUNA Priroda izlazi od godine

2 MEMBRANSKI PRIJENOSNICI U ZDRAVLJU I BOLESTI Ivana VRHOVAC MADUNI, Dean KARAICA, Ivan SABOLI, Davorka BRELJAK, Zagreb Stanice sisavaca obavijene su stani nom membranom koja služi kao selektivna barijera ulasku razli itih molekula u stanicu i njihovom izlasku iz stanice. Osnovnu strukturu stani ne membrane ini fosfolipidni dvosloj, koji je propustan za nepolarne (O 2, CO 2, alkoholi, tvari topljive u mastima) i hidrofobne molekule (kolesterol, masne kiseline), a slabo propustan za male polarne molekule (H 2 O). Za ve inu u vodi topljivih molekula, uklju uju i ione (organski anioni i kationi) i druge nabijene (aminokiseline) ili velike elektroneutralne molekule (glukoza i drugi še eri), stani na membrana je nepropusna. Prolazak (ulazak i izlazak) tih molekula kroz stani nu membranu posredovan je specifi nim proteinima, tzv. prijenosnicima (transporteri), koji su smješteni u stani nim membranama razli itih organa sisavaca. Njihova osnovna funkcija je održavanje sastava citoplazme, tj. reguliranje ulaska i izlaska mnogobrojnih endogenih (metaboli ki produkti) i egzogenih tvari (hranjive tvari, toksini, lijekovi). Time se održava homeostaza u stanicama, tkivima, organskim sustavima i organizmu u cijelosti. Do danas je u ljudi otkriveno 395 razli itih membranskih prijenosnika koji su razvrstani u 52 obitelji otopljenih tvari. Poznate su i bolesti koje nastaju zbog poreme aja aktivnosti ili genetskih pogrešaka pojedinih membranskih prijenosnika. Do sada su otkrivena 84 prijenosnika ija je disfunkcija ili promjena povezana s razli itim bolestima koje slijede Mendelove zakone naslje ivanja. Neki membranski prijenosnici važni su za dijagnostiku i terapiju bolesti u ljudi i životinja te za razvoj novih lijekova. U da ljnjem tekstu ovog lanka podrobnije emo se osvrnuti na trenuta ne spoznaje o fiziološkoj važnosti i ulozi prijenosnika glukoze u patofiziologiji akutnog proljeva (dijareja) i še erne bolesti (dijabetes) te prijenosnika oksalatnog iona u nastanku bubrežnih kamenaca (nefrolitijaza). Prijenosnici glukoze i dijabetes Glukoza je glavni izvor metaboli ke energije potrebne za mnogobojne funkcije stanice i tako ima važnu ulogu u održavanju stani ne homeostaze. Glukoza se prenosi kroz stani nu membranu posredstvom dvaju tipova specifi nih prijenosnika: 1) prijenosnici glukoze neovisni o natriju, GLUT-ovi (engl. Glucose transporters), te 2) prijenosnici natrija i glukoze, SGLT-ovi (engl. Sodium-glucose cotransporters). Do danas je u ljudi i životinja prona eno 26 razli itih prijenosnika glukoze (14 GLUT-ova i 12 SGLT-ova). Fiziološko objašnjenje za tako velik broj prijenosnika glukoze u stanicama sisavaca je nejasno; mogu e je da se temelji na prirodi glukoze kao glavnom metaboli kom gorivu i potrebi za više takvih prijenosnika, od kojih je svaki specifi an za odre eni tip stanica u kojima postoje jedinstvena regulacijska svojstva. Prijenosnici glukoze SGLT1 i SGLT2 imaju važnu ulogu u održavanju normoglikemije, tj. normalne vrijednosti razine glukoze u krvi (GUK; do 6,1 mmol/l); prvi prijenosnik sudjeluje u procesu apsorpcije glukoze iz hrane u tankom crijevu (sl. 1.), a u bubrezima oba prijenosnika sudjeluju u procesu reapsorpcije glukoze i tako sprje avaju gubitak glukoze urinom (sl. 2.). Fiziološka važnost prijenosnika glukoze SGLT1 otkrivena je u pacijenata oboljelih od malapsorpcije glukoze i galaktoze (engl. Glucose Galactose Malabsorption, GGM). GGM je nasljedni metaboli ki poreme aj koji se o ituje u estalim dijarejama i dehidracijom ve od prvog dana života. Može biti smrtonosan ako se laktoza, saharoza, glukoza i galaktoza ne uklone iz prehrane. U lumenu tankog crijeva laktoza se razgra uje na glukozu i galaktozu, a saharoza na glukozu i fruktozu, a zatim protein SGLT1 prenosi glukozu i galaktozu iz lumena crijeva u epitelne PRIRODA SIJE ANJ/VELJA A

3 stanice. U osoba s GGM taj prijenos izostaje jer zbog mutacije gena SGLT1 nastaje skra ena forma proteina SGLT1, koja se ne ugra uje u etkastu membranu te je stoga onemogu en prijenos glukoze i galaktoze u stanice. Nadalje, prijenosnik glukoze SGLT1 ima vrlo važnu ulogu u uspješnom lije enju akutne dijareje terapijom oralne rehidracije (engl. Oral Rehydration Therapy, ORT). Ugledni svjetski asopis The Lancet opisao je ORT kao najvažniji medicinski napredak u 20. stolje u. Procijenjeno je da ORT godišnje spasi više od milijun djece koja boluju od kolere, davanjem otopine glukoze i natrijeva klorida. Princip oralne rehidracijske terapije jest taj da, putem SGLT1, glukoza stimulira unos natrija kroz etkastu membranu enterocita u crijevima i to dovodi do neto apsorpcije glukoze, soli i vode. Jedan od važnih izazova u proteklom desetlje u u podru ju klini ke farmakologije bio je razvoj nove klase antidijabetskih lijekova. Dijabetes (lat. diabetes mellitus) ili še erna bolest je endokrina bolest kojoj je glavno obilježje povišena razina glukoze u krvi (GUK > 6,1 mmol/l), a nastaje uslijed smanjene sekrecije inzulina ili otpornosti tkiva na inzulin. Jedna je od naj eš ih kroni nih bolesti današnjice. Prema podatcima Me- unarodne federacije za dijabetes, danas u svijetu od dijabetesa boluje oko 383 milijuna osoba, a prema procjenama broj obo- Slika 1. Shematski prikaz apsorpcije glukoze u enterocitima tankog crijeva. Glavnina glukoze (oko 80 %) apsorbira se u enterocitima tankog crijeva putem SGLT1 u etkastoj/luminalnoj membrani i GLUT2 u kontraluminalnoj/bazolateralnoj membrani. U bazolateralnoj membrani stanica nalazi se Na + /K + -ATPaza, stani na crpka koja izbacuje 3 Na + iz stanice u zamjenu za 2 K + i tako uspostavlja i održava stalni gradijent Na + (izvana > unutra) i membranski potencijal. Preuzeto i modificirano iz Wright i sur., Slika 2. Shematski prikaz reapsorpcije glukoze u proksimalnim kanali ima bubrega. Glavnina glukoze (oko 97 %) reapsorbira se u po etnim odsje cima (S1/S2) proksimalnih kanali a, putem SGLT2 u etkastoj i GLUT2 u kontraluminalnoj membrani stanica. Preostalih 3 % glukoze reapsorbira se u dubljim odsje cima (S3) proksimalnih kanali a putem SGLT1 u etkastoj i GLUT1 u kontraluminalnoj membrani stanica. Na bazolateralnoj membrani stanica nalazi se Na + /K + -ATPaza, stani na crpka koja izbacuje 3 Na + iz stanice u zamjenu za 2 K +. Tako se uspostavlja i održava stalni gradijent Na + i membranski potencijal. Preuzeto i modificirano iz Marsenic, PRIRODA SIJE ANJ/VELJA A 2016.

4 FIZIOLOGIJA Slika 3. Stani na lokalizacija proteina SGLT1 u tankom crijevu, jetri, plu ima i srcu ovjeka. Protein se nalazi u etkastoj membrani enterocita u tankom crijevu, u luminalnoj membrani žu nih kanali a u jetri, u Clara stanicama bronhiola u plu ima i u krvnim kapilarama u srcu (ozna eno strelicama). ljelih do godine mogao bi porasti na 592 milijuna. Godišnje u svijetu umre oko 5 milijuna osoba od posljedica dijabetesa tako da ova bolest postaje glavni rastu i zdravstveni i ekonomski problem. U Republici Hrvatskoj dijabetes se nalazi na osmom mjestu me u vode im uzrocima smrti. S obzirom na to da je dijabetes rastu i svjetski zdravstveni problem te da prijenosnici glukoze (SGLT1 i SGLT2) imaju klju nu ulogu u regulaciji homeostaze glukoze, posljednjih se godina intenzivno istražuju u inci nove generacije antidijabetskih lijekova. Rije je o tzv. inhibitorima prijenosnika glukoze SGLT1 i SGLT2. Prema hipotezi, inhibicija aktivnosti prijenosnika glukoze SGLT smanjit e apsorpciju glukoze u tankom crijevu ili reapsorpciju glukoze u bubrezima. U bubrezima bi se tako poja alo izlu ivanje glukoze urinom i snizio GUK na tašte i poslije obroka. Sadašnja konvencionalna terapija antidijabeticima oslanja se na sekreciju inzulina pa njihova u inkovitost tijekom vremena može nestati zbog disfunkcije stanica koje lu e inzulin u guštera i (b-stanice) ili zbog pada osjetljivosti na inzulin (naro ito starenjem). Terapija specifi nim inhibitorima SGLT1/SGLT2 ne bi trebala imati takve nedostatke, jer bi njihovo djelovanje bilo neovisno o inzulinu. U okviru te problematike izuzetno je važno odrediti precizni stani ni smještaj prijenosnika glukoze SGLT1 i SGLT2 u organima i tkivima kako bi se procijenila specifi nost djelovanja takvih inhibitora. Dok se protein SGLT2 nalazi samo u bubrezima ljudi, naši najnoviji podaci ukazuju da se protein SGLT1 u ovjeka, osim u bubrezima, nalazi i u tankom crijevu, jetri, plu ima i srcu (sl. 3.). Novootkrivena prisutnost proteina SGLT1 u razli itim organima ukazuju na neke nove uloge ovog prijenosnika, koje imaju fiziološku i biomedicinsku važnost. Potencijalni novi lijekovi, inhibitori SGLT1 mogli bi, PRIRODA SIJE ANJ/VELJA A osim u bubrezima i tankom crijevu, inhibirati i prijenos glukoze u drugim, SGLT1-pozitivnim organima i tako dovesti do bitnih poreme aja funkcije tih organa, pa ak i do smrti ovjeka. Prijenosnici oksalatnog iona i bubrežni kamenci Bolest bubrežnih kamenaca (nefrolitijaza) je sistemska bolest povezana s nizom patoloških stanja poput kroni ne bolesti bubrega, bolesti kostiju, povišenog krvnog tlaka, bolesti koronarnih arterija, metaboli kog sindroma, še erne bolesti, pretilosti i dislipidemije. U svijetu se broj oboljelih od nefrolitijaze pove ava pri emu je, u srednjoj životnoj dobi, njezina u estalost 2-3 puta ve a u muškaraca nego kod žena. Ako se ne lije i, nakon stvaranja i uklanjanja prvog bubrežnog kamenca, nefrolitijaza postaje kroni na bolest s vjerojatnoš u ponovne pojave u više od 50 % slu ajeva tijekom perioda od deset godina. Iako se struktura bubrežnih kamenaca razlikuje ovisno o razli itim egzogenim (okolišnim) i endogenim (geneti kim) initeljima, najve u u estalost pojave ( 80 %) imaju bubrežni kamenci gra eni od kristala kalcijeva oksalata (sl. 4.) s manjim udjelom kalcijeva fosfata. Najmanje esti kamenci gra eni su od kristala struvita (magnezijeva amonijeva fosfata), aminokiseline cistina, amonijevih soli i teško topljivih metabolita ili nekih lijekova (npr. aciklovir, amoksicilin i sulfonamidi). Oksalatni ion jedan je od glavnih initelja koji doprinosi razvoju nefrolitijaze u ljudi i nalazi se u sastavu naju estalijeg kristala bubrežnih kamenaca (kalcijeva oksalata). Endogeni ioni oksalata nastaju kao krajnji produkti metabolizma glioksilata u stanicama jetre. Egzogeni izvor oksalatnih iona, koji može uzrokovati pove anu razinu oksalata u urinu (hiperoksaluriju), 51

5 je biljna hrana bogata oksalatom poput špinata i ostalog lisnatog povr a. Ostali zna ajni izvori egzogenog oksalata su okolada, aj i sokovi od vo a (brusnice, naran e), te za ini kao što su cimet i kurkuma. Spomenuti endogeni i egzogeni initelji podjednako su važni u podizanju razine oksalatnog iona u krvnoj plazmi i urinu te u stvaranju uvjeta za formiranje kristala kalcijeva oksalata u bubrežnim kanali ima. Mnogobrojna istraživanja ukazuju na to da i okolišni initelji, poput lokalne klime, godišnjeg doba, zanimanja i izloženosti stresu, tako er mogu doprinijeti pove anom riziku od razvoja nefrolitijaze. Život i rad u vru oj okolini te prakticiranje redovitog napornog vježbanja mogu dovesti do dehidracije organizma te tako i do koncentriranog urina smanjenog volumena, pove avaju i rizik od stvaranja bubrežnih kamenca. Slika 4. Kristali kalcijeva oksalata u urinu štakora Stvaranju kalcijevih oksalatnih bubrežnih kamenaca doprinose razli iti patofiziološki mehanizmi koji, osim op e dehidracije organizma, uklju uju poreme aje ph-vrijednosti urina, pove- anu razinu mokra ne kiseline u urinu, smanjeno izlu ivanje citrata u urinu, pove anu razinu kalcija u urinu i pove anu razinu oksalata u urinu. Me u navedenim poreme ajima, pove ana razina oksalata u urinu zastupljena je u 10 do 50 % svih osoba s kalcijevim bubrežnim kamencima. Dosadašnja istraživanja ukazuju na to da su kalcijevi ioni uz oksalatne ione podjednako važni u procesu zasi enja i kristalizacije soli kalcijeva oksalata u urinu. Patofiziološki mehanizmi koji dovode do pojave oksalatnih kamenaca u urinu uklju uju: 1) pove anu sintezu oksalata kao posljedicu uro ene pogreške u metabolizmu glioksilata, 2) pove ani unos oksalata hranom i osiguravanje njegove biodostupnosti u organizmu i 3) pove anu apsorpciju iona oksalata u crijevima. Za uro ene pogreške u metabolizmu glioksilata (prete a oksalata), koje vode pove anom stvaranju oksalata u stanicama jetre, te nastanku primarne hiperoksalurije tipa I i II, odgovorne su mutacije u genima za enzime alanin-glioksilat-aminotransferazu i glioksilat/hidroksipiruvat-reduktazu. Procjenjuje se da 80 % oksalata u krv dospijeva kao nusprodukt endogenog metabolizma u stanicama jetre, dok je preostalih 10 do 15 % oksalata apsorbirano iz hrane u gastrointestinalnom traktu. Tako su otkriveni proteini koji imaju sposobnost vezanja i prijenosa oksalatnih iona kroz stani nu membranu epitelnih stanica u razli itim organima sisavaca. Rije je o trima membranskim prijenosnicima: Slika 5. Lokalizacija proteina Cfex i Na + /K + -ATPaze u hepatocitima štakora. Cfex u kanalikularnim membranama hepatocita obojen je crveno, a sinusoidalne membrane hepatocita obojene su zeleno na Na + /K + -ATPazu. Sli na sinosoidalna lokalizacija postoji i za Sat-1 (Brzica i sur., 2009). 1) Sat-1 (engl. Sulfat anion transporters), 2) DRA (engl. Down regulated in adenoma) i 3) Cfex (engl. Chloride/formate exchanger). Ovisno o razini njihove ekspresije te afinitetu za vezanje i prijenos oksalatnog iona, ovi prijenosnici imaju zna ajnu fiziološku ulogu u regulaciji razine oksalatnog iona u sisavaca. U miševa s inaktiviranim genom za Cfex razvija se pove ana razina oksalata u krvi i urinu te pojava kristala kalcijeva oksalata u urinarnom traktu. Naime, u tankom crijevu normalnih miševa Cfex posreduje izlu ivanje oksalata, a pri nedostatku proteina Cfex, to izlu ivanje bude smanjeno, a apsorpcija oksalata u krv pove ana, te se filtriranjem takve krvi u bubrezima pove ava mogu nost zasi enja ultrafiltrata (prve teku ine koja nastaje 52 PRIRODA SIJE ANJ/VELJA A 2016.

6 filtriranjem plazme u bubrezima) oksalatnim ionima. Tako zasi ena otopina predstavlja pogodan medij za stvaranje kristala soli kalcijeva oksalata koji, ako se»usidre«na površini epitelnih stanica u bubrežnim kanali ima, mogu izrasti u bubrežne kamence ve ih dimenzija (nefroliti). Navedena istraživanja tako ukazuju na zaštitnu ulogu prijenosnika Cfex u regulaciji razine oksalata i stvaranju bubrežnih kamenaca u organizmu sisavaca. Rezultati naših istraživanja pokazuju da su proteini, koji prenose oksalatne ione (Cfex i Sat-1), smješteni u razli itim membranskim domenama polarnih epitelnih stanica tankog crijeva i bubrega (Cfex u luminalnoj, a Sat-1 u bazolateralnoj membrani) i jetre (Cfex u kanalikularnoj, a Sat-1 u sinusoidalnoj/bazolateralnoj membrani hepatocita) (sl. 5.). Takav smještaj prijenosnika oksalatnih iona u navedenim organima sisavaca upu uje na mogu nost njihova zajedni kog djelovanja u izlu ivanju oksalatnih iona iz stanica jetre u krv i žu, te kona nom izlu ivanju iz organizma putem bubrega i crijeva. Suprotno tome, analiza miševa s inaktiviranim genom DRA, pokazala je da istoimeni protein u crijevima ima ulogu u transepitelnoj apsorpciji oksalata te u odre enoj mjeri doprinosi pove anju razine ovog iona u krvi, a potom i u urinu. Unato ovim saznanjima, to an mehanizam ulaska oksalata iz lumena crijeva u krv još uvijek nije poznat. Stoga su neophodna budu- a istraživanja koja bi u potpunosti objasnila taj fenomen. Podatci iz naših i nedavno objavljenih istraživanja na štakorima pokazuju da bi se razlika u u estalosti pojave bubrežnih kamenaca me u spolovima (mužjaci > ženke) mogla objasniti u inkom spolnog hormona testosterona na ekspresiju proteina Cfex, ali i drugih imbenika koji doprinose stvaranju kristala kalcijeva oksalata u urinu. Uo eno je da testosteron uzrokuje: 1) pove anje ekspresije enzima glikolat-oksidaze u jetri što pove ava sintezu glioksilata (prete e oksalata), 2) pove anje aktivnosti enzima NADPH-oksidaze, što pove ava razinu oksidacijskog stresa i ošte enja epitela bubrežnih kanali a i 3) pove anje ekspresije prijenosnika Cfex u bubrežnim kanali ima. TKO SU AUTORI OVOG LANKA Dr. sc. Ivana Vrhovac Maduni, dr. sc. Dean Karaica, dr. sc. Ivan Saboli i dr. sc. Davorka Breljak su suradnici u Jedinici za molekulsku toksikologiju Instituta za medicinska istraživanja i medicinu rada. Njihovi istraživa ki interesi su a) lokalizacija i regulacije ekspresije mrna i proteina razli itih membranskih prijenosnika za organske anione i katione, glukozu, vodikove ione i vodu, koji su smješteni u epitelnim stanicama sekrecijskih i (re)apsorpcijskih (bubrezi, jetra, gastrointestinalni trakt) te drugih organa pokusnih životinja (miševi i štakori) i ovjeka, b) spolne i vrsne razlike u ekspresiji tih prijenosnika i c) odnos razine ekspresije tih prijenosnika i funkcije organa. Dakle, iz dosadašnjih podataka razvidno je da bolest bubrežnih kamenaca u sisavaca ima složen patofiziološki mehanizam u koji su nedvojbeno uklju eni i prijenosnici oksalatnih iona poput proteina Cfex i Sat-1. Dio istraživanja opisanih u ovom lanku sponzoriran je sredstvima Hrvatske zaklade za znanost u okviru projekta IP Literatura 1. Balen D. i sur. (2008) Revised immunolocalization of the Na + -Dglucose cotransporter SGLT1 in rat organs with an improved antibody. Am J Physiol Cell Physiol 295: C475 C Marsenic O. (2009) Glucose control by the kidneys- an emerging target in diabetes. Am J Kidney Dis 53: Saboli I. i sur. (2012) Expression of Na + -D-glucose cotransporter SGLT2 in rodents is kidney-specific and exhibits sex and species differences. Am J Physiol Cell Physiol 302: C1174 C Vrhovac I i sur. (2014) Glucose transporters in the mammalian blood cells. Per Biol 116: Vrhovac I. i sur. (2015) Localizations of Na + -D-glucose cotransporters SGLT1 and SGLT2 in human kidney and of SGLT1 in human small intestine, liver, lung, and heart. Pflügers Arch 467: Wright E. (2013) Glucose transport families SLC5 and SLC50. Mol Aspects Med 34: Wright E. i sur. (2011) Biology of human sodium glucose transporters. Physiol Rev 91: Alper S.L. i Sharma A.K. (2013) The SLC26 gene family of anion transporters and channels. Mol Aspects Med 34: Aronson P.S. (2006) Essential roles of CFEX-mediated Cl - -oxalate exchange in proximal tubule NaCl transport and prevention of urolithiasis. Kidney Int 70: Brzica H. i sur. (2013) Oxalate: from the environment to kidney stones. Arh Hig Rada Toksikol 64: Johri N. i sur. (2011) Renal stone disease. Medicine (Baltimore) 35: Liang L. i sur. (2014) AR enhances kidney stone-caox crystal formation via modulation oxalate biosynthesis/oxidative stress. Mol Endocrinol 28: Lin L. i sur. (2015) SLC transporters as therapeutic targets: emerging opportunities. Nat Rev Drug Discov 14: Ramaswamy K. i Shah O. (2014) Metabolic syndrome and nephrolithiasis. Transl Androl Urol 3: Romero V. i sur. (2010) Kidney stones: a global picture of prevalence, incidence, and associated risk factors. Rev Urol 12: e86 e Sakhaee K. (2009) Recent advances in the pathophysiology of nephrolithiasis. Kidney Int 75: Sakhaee K. i sur. (2012) Clinical review. Kidney stones 2012: pathogenesis, diagnosis, and management. J Clin Endocrinol Metab 97: Brzica H. i sur. (2009) The liver and kidney expression of sulfate anion transporter sat-1 in rats exhibits male-dominant gender differences. Pflugers Arc Eur J Physiol 457: PRIRODA SIJE ANJ/VELJA A

7 ŽELITE LI KUPITI OVAJ BROJ»PRIRODE«JAVITE NAM SE TELEFONOM ( ) ILI ELEKTRONIČKOM POŠTOM (priroda hpd.hr). POŽURITE BROJ PRIMJERAKA JE OGRANIČEN. ŽELITE LI PODRŽATI ČASOPIS»PRIRODA«, JEDAN OD STARIJIH ČASOPISA ZA POPULARIZACIJU ZNANOSTI U SVIJETU, POSTANITE NAŠ PRETPLATNIK! KAKO ]ETE POSTATI PRETPLATNIK»PRIRODE«? 1. Po{aljite nam svoju adresu obi~nom po{tom (^asopis Priroda, Hrvatsko prirodoslovno dru{tvo, Trg žrtava fašizma 10, Zagreb), telefonom ( ) ili elektroničkom po{tom (priroda hpd.hr). 2. ^ekajte da vam do e prvi broj Prirode s uplatnicom. Kada je uplatite, postali ste na{ pretplatnik!