Mastné kyseliny omega-6 a omega-3 – vývojové aspekty a jejich význam pro zdraví

Overview

Polynenasycené mastné kyseliny (omega-6 a omega-3) hrají zásadní roli ve vývoji a funkci centrálního nervového systému. Nerovnováha jejich příjmu se může podílet na řadě neurovývojových poruch. Klasicky se polynenasycené mastné kyseliny (PUFA) považovaly za relativně inertní strukturální složky mozku, které jsou velmi důležité pro tvorbu buněčných membrán. V posledních letech však byly prokázány další specifické funkce těchto membránových komponent. Bylo prokázáno, že hlavně omega-3 polynenasycené mastné kyseliny (n‐3 PUFA) chrání novorozenecký mozek před hypoxickým/ischemickým poškozením. Jedním z hlavních determinantů zranitelnosti mozku je permeabilita hematoencefalické bariéry (HEB). Ukazuje se, že HEB je patologicky propustná u řady chorobných stavů, vč. schizofrenie, epilepsie, traumatického poranění mozku, autismu a některých kognitivních poruch. n‐3 PUFA jsou nezbytné pro tvorbu těsných spojení mozkových cévních endotelových buněk a současně tlumí aktivaci matrix metaloproteináz, které jsou jedním z faktorů snižujících těsnost HEB. Přispívají tak k udržení integrity hematoencefalické bariéry, a tím ke stabilitě vnitřního prostředí mozku. Tkáně s vysokou rychlostí metabolického obratu jsou bohaté na polynenasycené mastné kyseliny. Aktivita oxidativních procesů je spojena s činností mitochondrií a v nervové tkáni je mimořádně vysoká (20 % klidové metabolické přeměny). n‐3 PUFA je součástí mitochondriálních fosfolipidů, hlavně v lipidové dvojvrstvě vnitřních membrán, nezbytných pro oxidativní fosforylaci a uchování energie ve formě ATP. Mitochondriální dysfunkce hraje důležitou roli při stárnutí mozku, v patogenezi neurodegenerativních onemocnění, v důsledku ischemických cévních mozkových příhod, případně při jiných formách kognitivní dysfunkce. Jednou z prokázaných pozitivních důsledků podávání PUFA tedy může být obnova mitochondriální struktury i funkce HEB. Klinické důkazy naznačují, že PUFA může mít příznivé účinky na mozkové funkce. Vzhledem k rozsahu předkládané problematiky je kladen hlavní důraz na oblasti, kde autoři mají vlastní experimentální zkušenosti.

Klíčová slova:

omega-6 polynenasycené mastné kyseliny – omega-3 polynenasycené mastné kyseliny – buněčné membrány – hypoxicko/ischemické poškození mozku – permeabilita hematoencefalické bariéry – mitochondriální fosfolipidy

Úvod

Máme-li psát o zmíněných mastných kyselinách ve zmíněných souvislostech, považujeme za vhodné zmínit se o některých skutečnostech ze „života mastných kyselin“, které jsou nepochybně dokonce zásadně důležité, a to nejen pro náš život, ale pro život obecně. Přestože se ví o jejich významu, jsou brány za samozřejmost, a to i v odborné společnosti. Na prvním místě bychom mohli uvést vznik savců: ten se datuje přibližně před 300–250 miliony let. Jejich první „pseudomléko“ bylo generováno (pravděpodobně) změněnou apokrinní žlázkou. Ta fungovala v soustavě žlázek vázaných na sexuální oblasti, a tedy na proces rozmnožování s produkcí atraktivních pachů, vč. antibakteriální složky. Následný vývoj laktace byl dlouhodobý a „pravá“ mammalia datujeme až někdy v období před 150 miliony let [1]. Existujeme spolu s ohromným vějířem savců díky mateřskému mléku, které kromě celé řady významných složek obsahuje (u člověka) i kolem 3–4 % tuků. Tuky představují především energetické jištění naší existence. Ve spektru mastných kyselin jsou však také kyseliny omega-3 (kyselina dokosahexaenová –⁠ DHA) a omega-6 (kyselina arachidonová –⁠ AA), a to v zajímavém poměru. V kolostru je dokonce poměr kyselin AA: DHA v 1 : 1, ve zralém mateřském mléce pak přibližně 4 : 1 [2,3].

Druhým příkladem významných vlastností mastných kyselin je HYDROFOBIE. Tato jejich fyzikální vlastnost se přijímá jako samozřejmost a úvahy o ní v učebnicích buď ani nenajdete, nebo mají jen povrchní interpretaci. Tato vlastnost, která je dána konstrukcí orbitálních atomů vodíku na uhlík, znemožňuje jakýmkoliv způsobem tvorbu vodíkových můstků s molekulami vody [4]. Je proto jednou vůbec z nejzákladnějších podmínek vzniku života, protože umožňuje vznik izolovaného prostoru ve vodném prostředí, důležitém pro existenci budoucí buňky. Soustava fosfolipidové dvojvrstvy eukaryotické buňky má právě svůj neoddiskutovatelný základ v mastných kyselinách, tvořících tzv. prostorovou hydrofobní fluiditu membrán.

Uvedli jsme pouze tyto dvě základní vlastnosti mastných kyselin umožňující vznik života i jeho další existenci. Je jich mnohem více (viz další text). Mastné kyseliny si proto zaslouží mnohem více respektu, uznání a vděčnosti než dosud.

 

Role PUFA ve vývoji mozku a možný význam při rozvoji neuropsychických poruch

Především musíme zaznamenat jednu z dalších důležitých vlastností mastných kyselin. Nesou v sobě totiž svůj vlastní vývoj –⁠ spojený s diferenciací (selektivitou) účinků [4]. Je to proces tzv. elongace a vznik dvojných vazeb. To představuje současně jejich další významnou vlastnost, a to tzv. katenaci (tvoření řetízků). Mastné kyseliny začínají totiž již od kyseliny mravenčí (jeden uhlík!) přes sekvenci krátkých mastných kyselin, tzv. SCFA (short-chain-fatty acids), až ke kyselině máselné (čtyři uhlíky) a valérové (pět uhlíků). Překvapivé jsou rovněž nálezy o jejich poměrně rozsáhlých účincích [5]. Pak nastupují již známé sekvence saturovaných, monoenových, PUFA omega-6 a finálně (nejmladší skupina) omega-3. Elongace znamená akceptace uhlíku se dvěma atomy vodíku. Základem omega-6 a -3 nenasycených mastných kyselin jsou kyselina linolová (18 uhlíků + 2 dvojné vazby –⁠ pro omega-6) a kyselina linolenová pro omega-3 (18 uhlíků + 3 dvojné vazby). Zde se objevuje (prvé) mysterium –⁠ vzájemná provázanost vzniku dvojných vazeb: u monoenové kyseliny, např. palmitoolejová, se dvojná vazba –⁠ jako jediná dvojná vazba –⁠ realizuje na 9. uhlíku od karboxylového konce kyseliny. U kyseliny linolové u 9. a následně u 12. uhlíku, u kyseliny linolenové (omega-3) u uhlíků 9, 12, a konečně 15. Tedy tyto „vstupní/určující“ dvojné vazby jsou přesně postupně lokalizovány do uhlíkového řetězce a dávají základ v odlišnosti účinků.

Na onen jednoduchý „řetízek“ mastné kyseliny se vůbec nesmíme dívat jako na statickou, primitivní strukturu. Spojení C-C je realizováno typem tzv. SIGMA kovalentní vazby [5] umožňující ROTACI, a to po 60°. To současně znamená možné následné změny úhlů, tj. změnu prostorové konformace –⁠ a to jsou vlastnosti, které představují důležité (možná i rozhodující) faktory pro ultrastrukturu, a tím i kvalitu membrány.

Elongace či naopak zkrácení řetízků mastných kyselin má ovšem ještě jeden důležitý aspekt. Elongace totiž představuje současně i fakt, že mastná kyselina se stává akceptorem dvou atomů vodíku (v molekule CH2), a naopak zkrácení představuje skutečnost, že mastná kyselina odevzdává molekulu CH2. Mastná kyselina se tedy jednou stává donorem, jednou akceptorem jednoho páru vodíkových atomů. Tato skutečnost je totiž jedním z rozhodujících mechanizmů pro naši energetickou rovnováhu. Nesmíme totiž nikdy zapomenout, že vodík je právě tím prvkem, který dává (za složitých okolností) vznik energetického pole [6].

Rovněž vznik dvojné vazby přináší do dané molekuly dynamické změny. Především zkracuje vzdálenost mezi C-C, zesiluje (energeticky tuto vazbu = zpevnění) a konečně ji uvádí do odlišného směru (úhel změny představuje asi 35°). Máme tedy něco, co ani aminová kyselina či celulózová molekula nedokáže. Není pochyb o tom, že popsané dynamické vlastnosti jsou vlastnostmi –⁠ sine qua non –⁠ pro fluiditu, tj. přesněji pro ultrastrukturní stav plazmatické membrány a z toho plynoucí i bezvadné fungování membránové bariéry (bilayeru) savčích buněk. K uvedeným vlastnostem ještě nutno přiřadit tuto: řetízková forma mastné kyseliny totiž velmi snadno umožňuje vytváření dalších prostorových útvarů (např. 6 uhlíkových cyklických molekul atd.) [7].

 

Funkční rozdíly řady omega-6 a omega-3

Jestliže měříme u laboratorní krysy typu Wistar podíl kyseliny dokosahexaenové (22 : 6 omega-3) z celkového obsahu mastných kyselin, nalezneme v šedé kůře mozkové a v prodloužené míše během postnatálního vývoje následující obrázek (obr. 1). Ze startujících hodnot 5. dne postnatálního života, kdy zastoupení DHA je v mozkové kůře i prodloužené míše přibližně totožné, v dospělosti (60 dní) je naprosto propastný rozdíl: téměř 20% zastoupení této PUFA v mozkové kůře proti 9% zastoupení ze všech mastných kyselin v mozkovém kmeni. Přesně tentýž pokus, a to s měřením zastoupení kyseliny arachidonové (20 : 4 omega-6) viz obr. 2. U 5denních jedinců se hodnoty zastoupení statisticky významně neliší (15 a 13 %) a de facto u dospělých nalézáme zcela analogická čísla (12 a 10 %). To může svědčit o odlišném funkčním významu obou kyselin v průběhu vývoje [8,9].

Jedním z nejdůležitějších membránově fixovaných enzymů je Na⁺ –⁠ K⁺ stimulovaná ATPáza. Při poměrně vysoké energetické spotřebě –⁠ pracuje permanentně –⁠ udržuje iontový rozdíl (Na vně, K uvnitř), a tím i membránový potenciál (plus vně ve srovnání se stavem uvnitř). Nemusíme zdůrazňovat, že se jedná o aktivitu zcela zásadního významu. Je zřejmé, že přirozený nárůst aktivity tohoto enzymu v mozkové kůře (Wistar) je zcela paralelním trendem s vývojem zastoupení kyseliny DHA. Proč tomu tak je, dosud nevíme, nicméně je relevantní domněnka, že DHA se svou velmi rozsáhlou možností prostorových variací může představovat pro zmíněný enzym (a pravděpodobně nejen pro něj!) přesnou prostorovou lokalizaci a její následnou fixaci.

Dá se předpokládat, že PUFA omega-3 jako vývojově následovná soustava mastných kyselin bude i citlivější na mnoho vnitřních i zevních faktorů –⁠ bude tedy „vulnerabilnější“ –⁠ než vývojově systém PUFA omega-6. To se ukázalo okamžitě a velmi zřetelně v oblasti rizikových novorozenců. Prokázali jsme, že čím je porodní hmotnost novorozenců menší (předčasně narozené děti), tím je nižší zastoupení PUFA omega-3 (obr. 3) [10]. Tento vztah je vysoce statisticky významný. Totéž např. platí i pro těhotné s diagnostikovaným gestačním diabetem. Zde např. v třetím semestru mají tyto ženy obsah PUFA omega-3 v séru na hodnotě 54 % proti „normě“. Jestliže za těchto stavů současně nalézáme stav PUFA omega-6 nezměněn, pak tím více vynikají funkční odlišnosti obou zmíněných skupin. Je velmi dobře známa a identifikována proinflamatorně působící široká frakce metabolitů kyseliny arachidonové. Jako další stupeň se prokázala ještě jejich následná stimulace proinflamatorně působících molekul nemajících strukturální vztah k PUFA omega-6 (jedná se např. o cytokiny generované makrofágy, T-lymfocyty a v mozku patrně mikroglií) [11]. Celá oblast metabolitů kyseliny arachidonové je poměrně rozsáhle zpracována a o jejich proinflamatorních účincích existují stovky publikací. Obtíže nastávají v okamžiku zařazení zmíněných dějů do historického „kontextu“ a následných návazností. U kyseliny arachidonové existuje víceméně přijímaná představa o případném patogenním podnětu, následovaném téměř okamžitě aktivací PLA2, tj. fosfolipázou A2. Ta uvolňuje mastné kyseliny z druhého místa fosfolipidové molekuly membrány, tedy právě kyselinu arachidonovou. Pak následují již dobře popsané procesy lipoperoxidace či působení cyklooxygenázy [12,13]. Efekt produktů připomíná prastarý poznatek „rubor, dolor, calor, functio laeza“, tedy soubor příznaků signalizujících zánět. Zánět, jakožto prvotní (a svým způsobem jednoduchou) obranu živého organizmu proti dezintegrujícímu činiteli [14].

Další mechanizmy působení mastných kyselin omega-6 a -3

Jak bylo výše zmíněno, omega-3 polynenasycené mastné kyseliny (n‐3 PUFA) hrají ve vyvíjejícím se mozku důležitou roli, mimo jiné chrání novorozenecký mozek před hypoxickým/ischemickým poškozením. Jedním z faktorů, které mohou vést k vyšší zranitelnosti mozku, je optimální permeabilita hematoencefalické bariéry (HEB). Ukazuje se, že vyšší a méně selektivní permeabilita HB je na jedné straně podmínkou vývoje mozku, může však být i součástí neuropatologických změn při novorozeneckém hypoxicko/ischemickém poškození mozku a také v celé řadě chorobných stavů, vč. schizofrenie, epilepsie, traumatického poranění mozku, autismu a některých kognitivních poruch. Experimentální a některá klinická pozorování ukázala, že omega-3 mastné kyseliny přispívají k udržení integrity hematoencefalické bariéry, a tím přispívají ke stabilitě vnitřního prostředí mozkové tkáně [15].

Jednou ze struktur podmiňujících funkci HEB jsou dynamická spojení buněk, mezi která patří i těsná spojení (tight junctions) a od nich odvozené struktury. V jejich funkci dominují proteinové komplexy zajišťující i mezibuněčné spojení a interakci s extracelulární matrix. Patří mezi ně i occludin, který spolu s claudinem reguluje tvorbu, udržování a funkci těsných spojení a společně regulují selektivní propustnost HB a dalších epiteliálních a endoteliálních bariér. Occludin je transmembránový protein, který je přítomen nejen v epiteliálních/endoteliálních buňkách, ale také v buňkách, které nemají těsná spojení, tedy v pericytech, neuronech, astrocytech a dalších gliových elementech. Jeho expresi regulují polynenasycené mastné kyseliny n‐3 PUFA, které také modulují interakci s extracelulární matrix (prostřednictvím aktivace matrix metaloproteináz). Tím se tyto mastné kyseliny zařazují mezi faktory řídící růst a větvení neuronálních výběžků (růstové vrcholy) i tvorbu a remodelaci synapsí –⁠ tedy mechanizmy vývojové, adaptivní i obnovné plasticity [15,16].

Další oblastí, kde má PUFA omega-3 výraznější úlohu, je buněčná energetika. Je známo, že DHA z potravy se rychle zabudovává do mitochondriálních membrán a že tkáně s vysokou rychlostí oxidačního metabolizmu jsou na DHA bohaté [17]. V nervové tkáni je aktivita oxidativních procesů spojená s činností mitochondrií mimořádně vysoká (20 % klidové metabolické přeměny). Mitochondriální membrána, hlavně její vnitřní lipidová dvojvrstva, obsahuje vysoký podíl n‐3 PUFA umožňující zakotvení mitochondriálních fosfolipidů nezbytných pro oxidativní fosforylaci a uložení energie ve formě ATP.

PUFA ovlivňují mitochondrie několika mechanizmy: (a) mění složení lipidů vnitřní membrány, a tím i účinnost elektronového transportního řetězce (ETC) a přenos protonů; (b) mohou být substráty pro lipidovou peroxidaci; (c) enzymatická oxygenace PUFA generuje bioaktivní mediátory (dokosanoidy), které modulují zánět a jsou součástí mitochondriální signalizace. Porucha mitochondrií je často ústředním bodem neurodegenerativních procesů [18].

Různé formy mitochondriální dysfunkce hrají roli při stárnutí mozku, v důsledcích ischemických cévních mozkových příhod a v patogenezi neurodegenerativních onemocnění, případně při jiných formách kognitivní dysfunkce. Jedním z prokázaných pozitivních důsledků obohacení diety o PUFA tedy může být obnova mitochondriální struktury i funkce [19].

Samostatnou kapitolou vztahu PUFA k humorální signalizaci jsou bioaktivní deriváty tvořené z DHA –⁠ dokosanoidy. V podmínkách oxidativního stresu jsou uvolňovány z membránových fosfolipidů působením fosfolipázy2 a dalších enzymů. Pro jejich prohomeostatický, protizánětlivý a neuroprotektivní účinek jsou označovány jako protektiny, resolviny a maresciny. K jejich účinku patří inhibice tvorby interleukinů a dalších faktorů provázejících zánětlivou reakci.

Zánět je pravděpodobně časnou fází Alzheimerovy choroby (AD) a vede k tvorbě amyloidního b peptidu, který přispívá k nervovému poškození. Podílejí se na tom i dysfunkce gliových buněk snižující jejich schopnost odstraňovat amyloidní b peptidy. Je proto diskutována možnost využití DHA a/nebo jejích derivátů u osob s rizikem vzniku AD [20].

I samotné mastné kyseliny omega-6 a omega-3 mohou působit jako transkripční faktory, tj. v daném čase řídit aktivitu určitých genů, a tím i tvorbu příslušného genového produktu (RNA, funkční protein) [21]. Jsou tak součástí regulace energetického metabolizmu, buněčné proliferace, diferenciace a apoptózy, buněčné signalizace a komunikace. Diety obohacené o PUFA vedou k významným změnám v expresi několika genů v centrální nervové tkáni a zdá se, že tyto účinky jsou převážně nezávislé na jejich účincích na složení membrán [22].

PUFA také mohou fungovat jako signální molekuly. Omega-3 PUFA je řazena mezi modulátory několika konvergujících drah v neurodegeneraci. Přes receptor TRPA1 (transient receptor potential ankyrin 1), který je spřažen s iontovým kanálem, se mohou podílet na čichové percepci, nocicepci a řízení gastrointestinálních funkcí [23]. PUFA však mohou být i součástí receptorů monitorujících např. smykové tření v tepnách (shear stress receptors), a tedy mohou stát na začátku rozvoje cévní dysfunkce [24]. Ve fotoreceptorech jsou PUFA součástí membrán vysoce obohacených o fosfolipidy a jsou nezbytné pro funkci rodopsinu [25]. Se změnami v metabolizmu lipoproteinů je proto spojován vznik oční poruchy retinitis pigmentosa.

Svým způsobem signální úlohu mohou představovat tzv. volatilní mastné kyseliny a jejich deriváty –⁠ kyselina valérová (C: 5), octadecenol (C: 18 H38O) a další, které podmiňují prchavou vůni květů nebo jako feromony slouží ke specifické komunikaci ve hmyzí a živočišné říši [26].

 

Význam PUFA pro zdraví a možnosti jejich využití v medicíně

Polynenasycené mastné kyseliny (PUFA), zejména omega-3 a omega-6, patří k esenciálním lipidům s významným vlivem na zdraví nervové soustavy. Jsou integrální součástí fosfolipidů buněčných membrán, ovlivňují jejich tekutost, propustnost a funkci membránových proteinů. Jsou nezbytné pro vývoj mozku, synaptickou plasticitu a neurogenezi.

Nerovnováha v jejich příjmu a potřebě v daném stupni ontogenetického vývoje je spojována s vyšší prevalencí některých neuropsychických poruch a neurodegenerativních onemocnění. PUFA působí neuroprotektivně díky svým antioxidačním, protizánětlivým a snad i dalším účinkům. Optimální poměr omega-6/omega-3 (často uváděn kolem 4 : 1) je důležitý pro rovnováhu mezi pro -⁠ a protizánětlivými mechanizmy. Přestože suplementace PUFA vykazuje potenciál v prevenci a doplňkové léčbě některých neuropsychiatrických onemocnění, výsledky klinických studií jsou variabilní a zatím nepodporují jejich univerzální doporučení jako standardní terapie.

Závěry

Polynenasycené mastné kyseliny (PUFA) byly považovány za relativně inertní strukturální složky mozku, které jsou velmi důležité pro tvorbu buněčných membrán. V posledních letech však byly prokázány další specifické funkce těchto základních chemických jednotek.

Omega-3 mastné kyseliny hrají zásadní roli ve vývoji a funkci centrálního nervového systému. Nerovnováha v jejich příjmu se může podílet na řadě neurovývojových poruch. Savci nemohou syntetizovat mastné kyseliny omega-6 ani omega-3 PUFA de novo, a jsou tedy odkázáni na jejich příjem v potravě. Výsledkem je, že složení membránových fosfolipidů může být silně ovlivněno jejich množstvím a poměrem omega-6 a omega-3 PUFA ve stravě.

Zdá se tedy, že interpretace obecně benefičního charakteru kyselin omega-3 (DHA a EPA), je vhledem k jejich mnohočetnému mechanizmu působení velmi obtížná. Představují jednak jednu ze zásadních základních složek buněčných membrán, mají však i specifické modulační účinky, působí jako signální molekuly, komponenty receptorů, a mohou dokonce řídit genovou expresi. Jejich všeobecné pozitivní účinky jsou ostřeji vnímány i proto, že populace (a některé její rizikové složky) nemá adekvátní příjem PUFA, a zvláště omega-3, trvale zajištěný.

Neexistuje tedy jen obecně ohrožený nebo nemocný člověk, ale existuje i „nemocná“ buněčná membrána. Přítomnost PUFA omega-3 může být určitou vývojovou korekcí a nepředstavuje nic jiného, než tlak samotné přírody („entélechiá“ –⁠ Aristoteles, „vis vitalis“ –⁠ Driesch) na realizaci jednoho z axiomů, a to přežití.

 

Grantová podpora

Práce byla finančně podpořena grantem Progres Q35/LF1.