BIOTECHNOLOGIA W KOSMETOLOGII SŁAWOMIR WIERZBA

Transkrypt

1 BIOTECHNOLOGIA W KOSMETOLOGII SŁAWOMIR WIERZBA

2 TREŚĆ WYKŁADÓW Budowa i biologia skóry. Typy skóry. Funkcje skóry. Układ odpornościowy skóry. Starzenie się skóry. Przenikanie przez skórę. Absorpcja skórna. Systemy nośnikowe kosmetyków. Składniki aktywne w kosmetykach pochodzenia biotechnologicznego: kwasy organiczne, witaminy, aminokwasy, enzymy. Wykorzystanie kultur in vitro do pozyskania substancji stosowanych w kosmetologii Kosmetyki i nutriceutyki. Wzbogacanie żywności. Substancje zapachowe. Pozyskiwanie substancji zapachowych metodami biotechnologicznymi. 2

3 LITERATURA Martini M-C Kosmetologia i farmakologia skóry. Wydawnictwo lekarskie PZWL. Marzec A Chemia kosmetyków. Surowce, półprodukty, preparatyka wyrobów. Wydawnictwo Dom organizatora. Toruń. Peters-Imke B Kosmetyka. Wydawnictwo Rea. Warszawa. Malinka W Zarys chemii kosmetycznej. Volumed sp. z o.o.. Wrocław. Kayser O., Muller R.H Biotechnologia farmaceutyczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa. Ratledge C., Kristiansen B Podstawy biotechnologii. Wydawnictwo Naukowe PWN. 3

4 STRUKTURA BIAŁKA Strukturę białek opisuje się na czterech poziomach: Pierwszo rzędowa Drugorzędowa Trzeciorzędowa Czwartorzędowa 4

5 AMINOKWASY EGZOGENNE I ENDOGENNE Imke P., kosmetyka podręcznik do nauki zawodu. REA, Warszawa 5

6 AMINOKWASY SKŁADNIKI NMF Martini M-C Kosmetologia i farmakologia skóry. Wydawnictwo lekarskie PZWL 6

7 AMINOKWASY W KOSMETOLOGII Działanie poszczególnych aminokwasów : Arginina - przeciwzapalna,przyczynia się do pobudzenia komórek skóry Prolina - ma najwyższą zdolność wiązania wody Glicyna alanina prolina - aktywują syntezę kolagenu Leucyna, alanina, glicyna - antyoksydanty Seryna - reguluje płaszcz hydrolipidowy Lizyna - podnosi odporność skóry na wirusy Kwas glutaminowy - reguluje metabolizm lipidów i poziom glukozy Kwas asparginowy - wpływa na gospodarkę mineralną skóry PCA - silnie nawilżajacy, wiąże i zatrzymuje wodę w naskórku Walina - działa naprawczo Treonina - utrzymuje właściwą równowagę białek w organizmie, jest ważna dla tworzenia kolagenu i elastyny Izoleucyna - pomaga w regeneracji skóry Histydyna - chroni organizm przed uszkodzeniami promieniowania UV, pomaga w usuwaniu metali ciężkich Fenyloalanina - bierze udział w procesie melanogenezy 7

8 PRODUKCJA AMINOKWASÓW Dylewska-Grzelakowska J., Kosmetyka stosowana. WSiP, Warszawa 8

9 GLUTAMINIAN SODU (MSG, E621) Sól sodowa kwasu l-glutaminowego Ponad 50% rocznej produkcji aminokwasów 1,5 mln t/rocznie 9

10 L-LIZYNA t/rocznie D,L-METIONINA t/rocznie dodatek do pasz białkowych (kukurydza, pszenica) 10g/dzień preparatu zwiększa zawartość białka w mleku 8-12% 10

11 PRZEMYSŁOWA PRODUKCJA AMINOKWASÓW Metody produkcji aminokwasów Biosynteza Synteza chemiczna Hydroliza białek 11

12 CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM Corynebacterium lilium Brevibacterium flavum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium divaricatum 12

13 CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM Gram-dodatnie Katalazo-dodatnie O kształcie ziarniaków, krótkich pałeczek lub maczugowców Nieruchliwe Nie wytwarzają spor Szybko rosną w trakcie podziału tworzą charakterystyczne formy V Nie hydrolizują skrobi i celulozy Charakteryzują się słabą aktywnością proteolityczną Należą do mezofili ( C) Niektóre szczepy do wzrostu wymagają biotyny, tiaminy 13

14 CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM 14

15 CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM 15

16 ZASTOSOWANIE CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM Produkcja przemysłowa kwasu glutaminowego Produkcja przemysłowa L-lizyny Produkcja kwasu pantotenowego Bioremediacja arsenu Produkcja biodegradowalnych plastików, 16

17 BIOSYNTEZA KWASU GLUTAMINOWEGO Czynnik wyzwalający (np. zmniejszenie dostępności biotyny, penicylina, Tween 40) Hamowanie ekspresji dehydrogenazy α-ketoglutarowej Nadmierne gromadzenie glutaminianu w komórce Wydzielanie glutaminianu GLUKOZA Fosfoenolopirogronian Karboksylaza fosfoenolopirogronianiu CO 2 Pirogronian Dehydrogenaza pirogronianowa Szczawiooctan Acetylo-CoA Jabłczan Cytrynian CO 2 Bursztynylo-CoA Dehydrogenaza ketoglutarowa α-ketoglutaran Dehydrogenaza L-glutaminowa L-glutaminian 17

18 PRZEMYSŁOWA PRODUKCJA GLUTAMINIANU Fermentacja jednostopniowa hodowla okresowa z zasilaniem Niskie stężenie biotyny do 5 μg/dm 3 Źródło węgla: melasa buraczana o niskim stężeniu biotyny Źródło azotu (siarczan amonu) Odpowiednie warunki procesu: napowietrzanie, temperatura 30 0 C,czas 40-72h Wydajność konwersji sacharozy w glutaminian ok. 50% Stężenie kwasu glutaminowego w pożywce do 100 g/dm 3 18

19 BIOSYNTEZA LIZYNY 19

20 BIOSYNTEZA LIZYNY kinaza asparaginowa dehydrogenaza homoserynowa kinaza homoserynowa 20

21 SYNTEZA PREKURSORÓW LIZYNY 21

22 PRODUKCJA LIZYNY 22

23 OTRZYMYWANIE PREPARATÓW HANDLOWYCH LIZYNY 23

24 INNE AMINOKWASY OTRZYMYWANE DROGĄ FERMENTACJI Treonina rekombinowane szczepy E. coli Kwas asparaginowy immobilizowane w żelu komórki E. coli L-Alanina immobilizowany szczep Pseudomonas dacunhae 24

25 BIAŁKA W KOSMETOLOGII Dipeptydy 2 aminokwasy Oligopeptydy 10 aminokwasów Polipeptydy wiele aminokwasów Proteiny 100 i więcej aminokwasów Dylewska-Grzelakowska J., Kosmetyka stosowana. WSiP, Warszawa 25

26 KOLAGEN Prolina Arginina Lizyna Glicyna Hydroksyprolina Martini M-C Kosmetologia i farmakologia skóry. Wydawnictwo lekarskie PZWL Żelaszczyk D., Waszkielewicz A., Marona H Kolagen struktura oraz zastosowanie w kosmetologii i medycynie estetycznej. Estetol. Med. Kosmetol.. 2(1):

27 ODMIANY KOLAGENU Kolagen naturalny tropokolagen Kolagen bez telopeptydów atelokolagen Kolagen nierozpuszczalny Hydrolizaty kolagenowe Źródła kolagenu: Surowce łącznotkankowe bydła Produkty uboczne uboju trzody chlewnej Surowce łącznotkankowe ryb Martini M-C Kosmetologia i farmakologia skóry. Wydawnictwo lekarskie PZWL Wysocki T., Sacewicz I., Wiktorska M., Niewiarowska J., 2007, Ateokolagen jako potencjalny nośnik terapeutyków. Postępy Hig. Med. Dośw., 61:

28 WYPEŁNIACZE KOLAGENOWE Żelaszczyk D., Waszkielewicz A., Marona H Kolagen struktura oraz zastosowanie w kosmetologii i medycynie estetycznej. Estetol. Med. Kosmetol.. 2(1):

29 INNE BIAŁKA W KOSMETOLOGII Żelatyna hydrolizat kolagenu Elastyna: zawiera specyficzne aminokwasy: desmozynę i izodesmozynę otrzymywana z aort lub wiązadeł bydlęcych stosowana tylko w postaci hydrolizatów Proteoglikany baza dla GAG Lipoproteiny cząsteczki amfifilowe 29

30 PEPTYDY BIOMIMETRYCZNE Syntetyczne modulatory wpływające na przyspieszenie i poprawę mechanizmów naprawczych zachodzących bezpośrednio w komórkach skóry Podstawowym elementem składowym są aminokwasy 30

31 PEPTYDY W każdym łańcuchu peptydowym możemy wyróżnić dwa końce. Jeden z nich zawiera wolną grupę aminową NH2 i nosi nazwę końca N a drugi zawiera grupę COOH i nosi nazwę końca C 31

32 GUNTER BLOBEL zapoczątkował badania dotyczące uzyskania tych substancji. W 1999 r. otrzymał Nagrodę Nobla za pracę nad mechanizmem i identyfikacją wewnętrznych sygnałów kierujących transportem i lokalizacją białek w komórkach 32

33 PEPTYDY BIOMIMETRYCZNE Swoiste substancje modulujące, które warunkują wszystkie procesy zachodzące w żywych organizmach. Wraz z wiekiem ilość naturalnych peptydów maleje lub uszkodzona zostaje ich prawidłowa synteza a kontrolowane przez nie systemy naprawcze ulegają osłabieniu i stopniowo zanikają. Proces ten w konsekwencji prowadzi do obserwowanych zmian związanych m.in. z procesem starzenia się organizmu. 33

34 PEPTYDY BIOMIMETRYCZNE To syntetyczne związki chemiczne działające na zasadzie wiernego naśladowania naturalnych, obecnych w organizmie substancji sterujących procesami metabolicznymi oddziałującymi bezpośrednio na komórki docelowe. Obecnie w medycynie estetycznej jest ponad 300 peptydów biomimetycznych. Około 100 kolejnych jest w fazie badań. 34

35 PEPTYDY BIOMIMETRYCZNE Znalazły zastosowanie ze względu na właściwości: przeciwstarzeniowe przeciwprzebarwieniowe powstrzymujące wypadanie włosów antycellulitowe redukujące tkankę tłuszczową 35

36 PEPTYDY O WŁAŚCIWOŚCIACH ANTI-AGE 36

37 PEPTYDY LIKWIDUJĄCE PRZEBARWIENIA 37

38 PEPTYDY POWSTRZYMUJĄCE PROCES WYPADANIA WŁOSÓW 38

39 PEPTYDY ZWALCZAJĄCE CELLULIT 39

40 MECHANIZM DZIAŁANIA PEPTYDÓW BIOMIMETRYCZNYCH Peptydy sygnałowe Inhibitory neurotransmiterów Peptydy transportujące 40

41 PEPTYDY SYGNAŁOWE Mają zdolność do inicjowania procesów wewnątrzkomórkowych oraz do zwiększania syntezy kolagenu i elastyny w fibroblastach. Są najczęściej fragmentami kolagenu i elastyny wbudowywanymi w czasie biosyntezy tych białek. Dostarczanie tego typu substancji z zewnątrz do skóry właściwej będzie prowadziło do poprawienia wyglądu i napięcia skóry. 41

42 INHIBITORY NEUROTRANSMITERÓW Prekursorem tej grupy peptydów jest toksyna botulinowa stosowana w medycynie estetycznej w celu blokowania połączeń płytki nerwowo-mięśniowej, usuwająca w efekcie zmarszczki mimiczne. Wieloletnie prace badawcze nad działaniem toksyny botulinowej doprowadziły do uzyskania peptydu o nazwie Argirelina. Argirelina heksapeptyd blokujący impuls w obrębie płytki nerwowomięśniowej. Uzyskano zatem pochodną toksyny botulinowej, która nie wykazuje toksyczności a ma do niej zbliżone działanie 42

43 PEPTYDY TRANSPORTUJĄCE Transportują substancje niezbędne do prawidłowych procesów metabolicznych zachodzących w skórze Np. jony miedzi niezbędne w procesach gojenia się ran, kluczowa funkcja w tworzeniu kolagenu i elastyny 43

44 UZYSKIWANIE PEPTYDÓW BIOMIMETRYCZNYCH Dla celów laboratoryjnych w wyniku hydrolizy białek w udziałem enzymów proteolitycznych Dla celów przemysłowych stosuje się wieloetapową syntezę chemiczną. Jest to proces złożony, dość kosztowny. Powstawanie peptydów przez systemy bakteryjne. Po rozszczepieniu peptydu od systemu bakteryjnego zostaje od poddany remodelowaniu biomolekularnemu. Uzyskuje się w ten sposób substancje pozbawione cech antygenowych, wykazujące pełną aktywność biologiczną. 44

45 SCHEMAT SYNTEZY PEPTYDÓW BIOMIMETRYCZNYCH 45

46 WPROWADZANIE PEPTYDÓW DO ORGANIZMU W liposomach. Metodami fizykalnymi: jonoforeza, fonoforeza, elektroforeza. Mezoterapia igłowa Mezoroller

47 CZYNNIKI WZROSTU GFs Substancje o budowie polipeptydowej wydzielane przez niektóre typy komórek. Stymulują inne komórki do proliferacji. Swoje działanie wywierają przez receptory znajdujące się w komórkach docelowych. Po związaniu z receptorem wytwarzane są mediatory przekazujące sygnał przez błonę, co wpływa na ekspresję odpowiednich genów. Obecnie w medycynie estetycznej obecne są dwa rodzaje czynników wzrostu: produkowane w procesie przez systemy bakteryjne pozyskiwane z osocza bogatopłytkowego 47

48 PROCES SYNTEZY CZYNNIKÓW WZROSTU 48

49 ENZYMY NAPRAWCZE DNA Czynniki zewnętrzne Zanieczyszczenia środowiska, np.: dym papierosowy Promieniowanie UV, jonizujące Uszkodzenia DNA Powstawanie dimerów tyminy Utlenianie guaniny Powstawanie dimerów pirymidyny Mechanizmy naprawcze Naprawa bezpośrednia, bez naruszenia ciągłości DNA Naprawa z wycięciem nukleotydu Naprawa z wycięciem zasady Naprawa błędnie sparowanych zasad 49

50 WYKAZ ENZYMÓW NAPRAWCZYCH DNA STOSOWANYCH W KOSMETYKACH Ratz-Łyko A., Składniki aktywne pochodzenia biotechnologicznego w kosmetykach anti-age. WSZKiPZ, Warszawa.. 50