Autor: Marcin Czerwiński

Czy w wyniku inwazji kleszczy staniemy się wegetarianami?

Marcin Czerwiński10 komentarzy

Kleszcz pospolity (Ixodes ricinus) i kleszcz amerykański  (lone star tick, Amblyomma americanum). Źródło: Wikipedia, Licencja CC BY 4.0.

Przyszła wiosna, a wraz z nią kleszcze. Jest ich dużo na łąkach czy w lasach, a wiosna to okres ich najwyższej aktywności. Kleszcze (Ixodida) są pasożytniczymi pajęczakami z gromady roztoczy. Żywią się krwią gospodarza, a przy okazji mogą przenosić bakterie i wirusy powodujące różne choroby, takie jak borelioza albo kleszczowe zapalenie mózgu. Ale ich ukąszenie może spowodować jeszcze coś: alergię na czerwone mięso, a także inne produkty zwierzęce. Taka alergia nazywana też zespołem α-Gal (alpha-Gal syndrome), zdarza się coraz częściej. Czym jest zespół α-Gal? Trzeba zacząć od wyjaśnienia, czym jest antygen α-Gal.

Antygen α-Gal i grupy krwi

Antygen α-Gal, bardziej prawidłowo zwany antygenem Galα1→3, jest cukrem składającym się z dwóch galaktoz, połączonych wiązaniem α. Znaczy to, że grupa -OH, która łączy „pierwszą” galaktozę z drugą galaktozą, jest skierowana w dół w stosunku do płaszczyzny tego cukru. Tego typu połączenie cukrowe występuje u bakterii, protistów i większości ssaków, ale nie mają go rośliny, ryby, płazy, gady i ptaki. Za jego powstanie odpowiedzialny jest enzym o nazwie α1,3-galaktozylotransferaza, kodowany przez gen GGTA1, który jest aktywny u większości ssaków. Ale u człowieka i małp wąskonosych (Catarrhini), gen ten nie koduje aktywnego białka, ponieważ ok. 28 milionów lat temu pojawiły się w nim mutacje powodujące utratę aktywności. Dlatego człowiek oraz małpy Starego Świata, takie jak goryle, pawiany czy makaki, nie mają antygenu α-Gal. Dlaczego tak się stało? Nie znamy jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie, ale prawdopodobnie miało to związek z silną presją ewolucyjną, której były poddane organizmy należące do naczelnych. Można zauważyć, że presja ta musiała zaistnieć tylko w Europie, Azji i Afryce (czyli w Starym Świecie), ponieważ naczelne Nowego Świata nie utraciły epitopu α-Gal. Przyczyną tej presji była prawdopodobnie obecność antygenu Galα1-3Gal na powierzchni patogenów takich jak bakterie Escherichia, Neisseria, Klebsiella i Salmonella, a także protistów, takich jak Trypanosoma i Plasmodium. Brak antygenów α-Gal na powierzchni komórek umożliwił powstawanie przeciwciał anty-α-Gal (ponieważ na ogół nie produkujemy przeciwciał przeciw własnym antygenom), a to z kolei przełożyło się na podwyższenie oporności wobec tych patogenów.

Ubocznym skutkiem braku antygenu α-Gal u człowieka jest brak możliwości przeszczepiania narządów od innych ssaków. Świnia, której narządy mogłyby się nadawać do przeszczepiania człowiekowi ze względu na podobne rozmiary i podobieństwo metaboliczne, nie może być dawcą narządów właśnie z powodu obecności antygenów α-Gal. Dopiero niedawno stworzono genetycznie modyfikowaną świnię pozbawioną antygenów α-Gal, a jej nerkę udało się z sukcesem przeszczepić człowiekowi.

Antygen α-Gal przypomina trochę ludzki antygen grupowy B krwi (Ryc. 1).

Jest jednak różnica: w antygenie B „druga” galaktoza (czyli ta, do której pierwsza galaktoza jest związana) ma przyłączony jeszcze jeden cukier: fukozę związaną wiązaniem α1→2. Jej obecność jest koniecznym warunkiem przyłączenia galaktozy: jeżeli jej nie ma, antygen B nie powstaje. Za przyłączenie galaktozy do galaktozy powodującej powstanie antygenu B odpowiada enzym o nazwie α1,3-N-acetylogalaktozaminotransferaza/α1,3-galaktozylotransferaza (kodowana przez gen ABO), i to właśnie mutacje w tym genie odpowiadają za powstawanie grup krwi A i B.

Tak więc antygen grupowy B i antygen α-Gal, chociaż podobne, powstają w wyniku działania różnych enzymów kodowanych przez różne geny.

Ryc. 1. Budowa antygenów α-Gal i A/B/H. Gal: Galaktoza, Fuc: fukoza, GalNac: N-acetylogalaktozamina, GlcNac: N-acetyloglukozamina. Według: Wilson JM et al., Allergy. 2024 Jun;79(6):1440-1454. Licencja CC BY 4.0.

Kleszcze i przeciwciała

Od około 15 lat narastającym problemem w USA, ale również w Europie, jest alergiczna reakcja na produkty pochodzenia zwierzęcego (zwłaszcza czerwone mięso), po uprzednim ukąszeniu przez kleszcza. W USA zanotowano jak dotąd ok. 450 000 takich przypadków, z tym że przeważnie objawy były dość łagodne i ograniczały się do podrażnienia skóry. Objawy, pojawiające się po 2-6 godzinach od zjedzenia mięsa, to bóle brzucha, wysypka skórna, obrzęk naczyniowy i trudności z oddychaniem. W najcięższych przypadkach może mieć miejsce tzw. wstrząs anafilaktyczny polegający na przyspieszonej akcji serca, skróceniu oddechu i bólu brzucha połączonym z biegunką. Wstrząs taki może prowadzić do zgonu i wymaga natychmiastowej hospitalizacji (Ryc. 2).

Ryc. 2. Objawy reakcji alergicznej na produkty pochodzenia zwierzęcego. Według: Wilson JM et al., Allergy. 2024 Jun;79(6):1440-1454. Licencja CC BY 4.0.

Dlaczego ukąszenie przez kleszcza może spowodować reakcję alergiczną na mięso i inne produkty pochodzenia zwierzęcego? Przyczyną są obecne w ślinie kleszczy antygeny α-Gal, których dużo jest też w produktach spożywczych pochodzenia zwierzęcego, a zwłaszcza w czerwonym mięsie. Białka i lipidy, które kleszcz wstrzykuje nam w czasie karmienia się naszą krwią, mogą uruchomić reakcję alergiczną po spożyciu różnych produktów pochodzenia zwierzęcego. Jaki jest mechanizm tego zjawiska? Główną rolę odgrywają tu przeciwciała rozpoznające antygen α-Gal.

Przeciwciała to białka produkowane przez komórki naszego układu odpornościowego. Można je podzielić na pięć rodzajów (nazywanych klasami): IgG, IgM, IgD, IgA i IgE. Różnią się one budową, a także rolą odgrywaną w odpowiedzi odpornościowej. Można je porównać do drogowskazów, które umożliwiają komórkom układu odpornościowego rozpoznanie wroga i zniszczenie go. Przeciwciała wiążą się do patogenów (a także białek czy cukrów) i są na ogół swoiste wobec obcych antygenów, ale zdarza się czasami, że rozpoznają komórki należące do gospodarza (wtedy mamy do czynienia z chorobą autoimmunizacyjną). Mogą też rozpoznawać nieszkodliwe cząsteczki (jak np. pyłki kwiatów), co powoduje alergię. Z taką właśnie sytuacją mamy do czynienia w przypadku alergii na produkty zwierzęce spowodowaną przez kleszcze. Głównymi graczami w tym procesie są właśnie przeciwciała klasy IgE.

Mechanizm uczulania przez kleszcze

Kleszcz w czasie ukąszenia wstrzykuje nam ślinę zawierającą m.in. czynniki zapobiegające krzepnięciu krwi (gdyby krew skrzepła w przewodzie pokarmowym kleszcza, byłby to jego koniec). W ślinie kleszcza są białka i lipidy zawierające antygen α-Gal, które są rozpoznawane przez przeciwciała anty-α-Gal. Przeciwciała te produkuje większość ludzi, z tym że osoby z grupą krwi B i AB mają ich trochę mniej, ponieważ antygen B jest podobny do antygenu α-Gal (zawiera dodatkową fukozę). Dlatego alergia pokarmowa na czerwone mięso po ukąszeniu przez kleszcza występuje u osób z grupą krwi B i AB ok. 4-krotnie rzadziej w porównaniu z osobami o innych grupach krwi.

Przeciwciała rozpoznające antygen α-Gal znajdują się na powierzchni limfocytów B, i to właśnie one rozpoznają glikoproteiny z antygenem α-Gal. Kleszcz wstrzykuje też glikolipidy z antygenem α-Gal, i te są rozpoznawane przez inny rodzaj komórek: jest to odmiana limfocytów T o nazwie NKT (Natural Killer T Cells). Po związaniu antygenów α-Gal komórki te wysyłają sygnał do głównych graczy w adaptacyjnej odpowiedzi odpornościowej, czyli limfocytów T. Limfocyty B robią to bezpośrednio, prezentując limfocytom T cząsteczki z antygenami α-Gal, a komórki NKT pośrednio, za pomocą interleukiny 4. Interleukina 4 jest jedną z cytokin (białek pobudzających komórki układu odpornościowego) i ma szczególną właściwość: potrafi wymusić na limfocytach B, czyli komórkach wytwarzających przeciwciała, zmianę klasy z IgG na IgE. Ma to wielkie znaczenie w alergii, ponieważ to właśnie przeciwciała klasy IgE są główną przyczyną problemów w reakcjach alergicznych. Potrafią np. spowodować, że komórki tuczne, które są jakby magazynami histaminy, uwalniają ją do krwiobiegu. A histamina jest jednym z głównych mediatorów procesów zapalnych powodującym m.in. skurcz mięśni gładkich i zwiększenie przepuszczalności naczyń żylnych, czego skutkiem może być np. powstawanie obrzęków czy wysięk osocza (co powoduje katar sienny). Liście pokrzywy i jad pszczeli też zawierają histaminę.

W przypadku aktywacji limfocytów B przez antygeny α-Gal wstrzyknięte nam przez kleszcz, mechanizm reakcji też opiera się na histaminie. Limfocyty B, które produkują przeciwciała anty-α-Gal klasy IgG, pod wpływem interleukiny 4 zaczynają produkować przeciwciała o tej samej swoistości, ale klasy IgE. Przeciwciała te wiążą się do specjalnych receptorów na powierzchni granulocytów zasadochłonnych (bazofili) i komórek tucznych i czekają na kontakt z alergenem, czyli w tym przypadku z antygenem α-Gal. Taka osoba staje się więc uczulona na antygen α-Gal (tylko przeważnie jeszcze o tym nie wie). Jeżeli zje coś, co zawiera takie antygeny (a najwięcej ich jest w czerwonym mięsie), to lipidy zawierające te antygeny przenikają przez komórki jelita cienkiego po uprzednim zdegradowaniu przez lipazy i w naczyniach krwionośnych zostają włączone do białkowo-lipidowych kompleksów nazywanych chylomikronami. Takie chylomikrony zostają związane przez wspomniane wyżej bazofile i komórki tuczne, które uwalniają histaminę powodując reakcję alergiczną (Ryc. 3).

Ryc. 3. Jak kleszcze powodują reakcję alergiczną na produkty pochodzenia zwierzęcego? 

A. Kleszcz wstrzykuje antygeny zawierające α-Gal. Glikoproteiny z α-Gal są rozpoznawane przez limfocyty (komórki pamięciowe) B, które mają na powierzchni receptory anty- α-Gal. Glikolipidy z α-Gal są rozpoznawane przez limfocyty NKT, które w odpowiedzi produkują interleukinę 4 (IL-4). Limfocyty B degradują glikoproteiny zawierające α-Gal i prezentują je limfocytom T, powodując ich aktywację. Pod wpływem IL-4 limfocyty B zaczynają produkować przeciwciała klasy IgE rozpoznające α-Gal. Przeciwciała te wiążą się do bazofili i komórek tucznych. Taka osoba staje się uczulona na α-Gal.

B. Pożywienie zawierające białka i lipidy z α-Gal.

C. W jelicie cienkim enzymy trzustkowe (lipazy) uwalniają lipidy zawierające α-Gal, które poprzez enterocyty (komórki jelita cienkiego) zostają przekazane do naczyń krwionośnych, gdzie zostają włączone do chylomikronów.

D. W naczyniach krwionośnych chylomikrony z α-Gal napotykają bazofile i komórki tuczne z przeciwciałami anty-α-Gal klasy IgE. Powoduje to degranulację komórek tucznych, uwolnienie histaminy i reakcję alergiczną

Według: Román-Carrasco P. et al., Front Allergy. 2021 Dec 16;2:783279. Licencja CC BY 4.0.

Tak więc w podsumowaniu: kleszcz nas kłuje, wpuszcza nam obce dla nas antygeny α-Gal, które powodują, że zaczynamy produkować „alergiczne” przeciwciała klasy IgE. U osób z dużą ilością takich przeciwciał może to spowodować lokalne swędzenie oraz wysypkę. Jeżeli zjemy coś, co zawiera dużo antygenów α-Gal (zwłaszcza czerwone mięso) to może zajść reakcja alergiczna. Przeważnie ma formę wysypki skórnej, ale objawy mogą być poważniejsze, nawet wymagające hospitalizacji.

Najwięcej przypadków uczuleń powoduje występujący w Ameryce Amblyomma americanum, znany pod potoczną nazwą lone star tick (ponieważ ma pojedynczą jasną plamę na odwłoku przypominającą gwiazdę). Dlatego w USA i Kanadzie alergia na czerwone mięso po ukąszeniu przez kleszcza zdarza się najczęściej. Ale inne gatunki kleszczy, w tym najbardziej rozpowszechniony w Polsce Ixodes ricinus również mogą powodować reakcje alergiczne.

Co może je wywołać? Przede wszystkim mięso wołowe i wieprzowe, zwłaszcza tłuste (bo w tłuszczu jest dużo lipidów zawierających antygen α-Gal), ale także produkty mleczne, a nawet żelatyna, bo ona też jest pochodzenia zwierzęcego. Problemem klinicznym może być reakcja na niektóre leki, np. Cetuximab (Erbitux), preparat stosowany w leczeniu niektórych nowotworów. Jest tak dlatego, że Cetuximab to przeciwciało monoklonalne produkowane w komórkach chomika chińskiego, a chomik produkuje antygen α-Gal.

Czy na taką alergię pokarmową jest jakaś rada? Były próby odczulania, ale niespecjalnie się powiodły. Tak więc na razie jedyne, co można zalecić, to powstrzymanie się od jedzenia mięsa, zwłaszcza wołowego i wieprzowego (baranina też zawiera dużo antygenów α-Gal). Drób i ryby można jeść, bo one nie produkują antygenów α-Gal.

Skąd się wzięła u ludzi reakcja alergiczna na antygeny α-Gal?

Obecność antygenu α-Gal u kleszczy jest zagadkowa, ponieważ występuje on tylko u ssaków (i to nie wszystkich, ludzie i małpy wąskonose go nie mają). Poza ssakami jest jedynie u kleszczy (Ixodida) i komarów z rodzaju widliszków (Anopheles). Co wspólnego ze sobą mają te dwie grupy? Należące do nich gatunki są pasożytami, żywią się krwią (u komarów tylko samice) i oba  mogą przenosić patogeny. U komarów są to protisty zarodźca (Plasmodium) powodujące malarię, a u kleszczy bakterie: Borrelia burgdorferi powodujące boreliozę i Anaplasma phagocytophilum, które powodują anaplazmozę. Borelioza może spowodować zapalenie stawów lub zapalenie mięśnia sercowego, a anaplazmoza – gorączkę oraz bóle mięśni i stawów. Choroby te można leczyć za pomocą zestawów antybiotyków, ale często jest to utrudnione z powodu trudności z prawidłową diagnozą tych chorób. Tak się składa, że zarówno B. burgdoferi, jak A. phagocytophilum mają na powierzchni antygeny α-Gal. Tak więc przypuszcza się, że powstanie lokalnej reakcji odpornościowej na antygeny α-Gal umożliwiło ludziom i małpom wąskonosym lepsze zwalczanie infekcji powodowanej przez przenoszone przez kleszcze patogeny: B. burgdoferi i A. phagocytophilum. Taka zdolność nosi nazwę klendualności (klendusity): z greckiego κλειδόω (kleidóō, “zamykać”) i ἔνδυσις (éndusis, “wchodzić”). Oznacza to odporność na infekcje w wyniku utrudniania wniknięcia patogenom. Przykładem klendualności u roślin jest obniżona zawartość ligniny u soi, co czyni ją odporną na choroby powodowane przez grzyby z rodzaju Sclerotinia. W przypadku ludzi i kleszczy klendualność polega na tym, że osoby z alergiczną nadwrażliwością na kleszcze (np. silną wysypką zaraz po ukąszeniu) są bardziej odporne na boreliozę. Tak więc obecność przeciwciał anty-α-Gal daje nam „wczesne ostrzeżenie” przed kleszczami i odporność na patogeny przez nie przenoszone. Ale niejako przy okazji, te same przeciwciała IgE które pomagają nam w ochronie przed boreliozą i anaplazmozą, mogą też spowodować alergię na czerwone mięso.

Po co to kleszczom?

Pozostaje jeszcze pytanie: skąd u kleszczy antygen α-Gal? Gen GGTA1, który koduje enzym odpowiedzialny za jego syntezę (α-1,3-galaktozylotransferaza), występuje wyłącznie u ssaków, przy czym u człowieka i małp wąskonosych gen ten nie koduje aktywnego białka. Badanie sekwencji genomu kleszczy wykazało, że mają one odpowiednik (w biologii molekularnej mówi się: homolog) ludzkiego (czy raczej ssaczego) genu A4GALT, który koduje α-1,4-galaktozylotransferazę. U człowieka gen ten jest aktywny, a mutacje w nim odpowiadają za powstawanie grup krwi P1 i P2 (jest to jeden z 47 układów grupowych krwi u człowieka).

Enzym ten działa podobnie jak α-1,3-galaktozylotransferaza, ale przyłącza galaktozę nie do grupy hydroksylowej nr 3 (wtedy powstaje antygen α-Gal), ale nr 4. Jest to w zasadzie niewielka różnica, ale wymagająca zmian w sekwencji aminokwasowej, a więc i w sekwencji genu. Takie zmiany musiały zajść, żeby enzym z takimi mutacjami zaczął produkować antygeny α-Gal. Wszystkie stawonogi mają aktywny gen kodujący α-1,4-galaktozylotransferazę, ale tylko u kleszczy (i widliszków) zmienił on swoistość i zaczął przyłączać galaktozę od innej galaktozy wiązaniem α-1,3 zamiast α-1,4.  Jednocześnie „przodek” genu A4GALT u kleszczy wielokrotnie się zduplikował, tak że obecnie I. ricinus ma 8 kopii tego genu, które prawdopodobnie kodują kilka rodzajów enzymów syntezujących wiązanie Galα-1,3, a być może też α-1,4. Po co mu tyle? Jest tylko jedno logiczne wytłumaczenie: do ochrony przed rozpoznaniem przez komórki układu odpornościowego u tych wszystkich gatunków, które produkują antygeny α-Gal. Czyli praktycznie u wszystkich ssaków z wyjątkiem niektórych małp i ludzi. Poprzez pokrycie (czy „udekorowanie”) białek obecnych w ślinie antygenami α-Gal , białka te stały się praktycznie niewidzialne dla układu odpornościowego tych zwierząt. Zwierzęta te nie czują, że przyczepił się do nich kleszcz, więc nie starają się go usuwać, choćby poprzez czochranie się o drzewo. Daje to kleszczom większe szanse napicia się krwi do syta.

U ludzi akurat te antygeny są rozpoznawane jako obce, co umożliwia nam, po pierwsze, wcześniejsze wyczucie „wkłutego” kleszcza (bo miejsce zaczyna swędzieć), i po drugie, ochronę przed patogenami w rodzaju B. burgdoferi i A. phagocytophilum, które też mają na powierzchni antygeny α-Gal. Układ odpornościowy, odpowiednio wcześnie zaalarmowany przez białka śliny kleszcza, ściąga na miejsce wkłucia posiłki w postaci limfocytów i bazofili.  A że przy okazji możemy mieć alergię na czerwone mięso? To chyba niewielka cena do zapłacenia (amatorzy steków wybaczą).

Literatura dodatkowa

Antygen α-Gal i ewolucja

https://www.researchgate.net/publication/49592831_Why_humans_and_Catarrhini_lack_the_Gala1-3Gal_epitope_related_to_xenograft_rejection

Mechanizm powstawania zespołu α-Gal

https://www.frontiersin.org/journals/allergy/articles/10.3389/falgy.2021.783279/full

Kleszcze i klendulencja

https://portlandpress.com/biochemj/article/478/9/1783/228649/Tick-human-interactions-from-allergic-klendusity

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/all.16003

Lewoskrętna witamina C: fakty i mity

Marcin Czerwiński2 komentarze

W moim poprzednim wpisie napisałem o chiralności, czyli właściwości niektórych cząsteczek polegającej na tym, że cząsteczka i jej lustrzane odbicie nie są identyczne. Przykładem obiektów chiralnych są lewa i prawa dłoń (nazwa pojęcia wywodzi się z greckiego χείρ  – ręka). Cząsteczkami chiralnymi są aminokwasy, cukry i lipidy, ale też witaminy, jak np. witamina C. Przedrostek nazwy cząsteczki chiralnej (konfiguracja D lub L) bierze się stąd, że jeżeli we wzorze aminokwasu, w którym grupa -COOH jest na górze, grupa NH2 znajduje się po lewej stronie (łac. laevus, lewy), to jest konfiguracja L. Jeżeli grupa ta jest po prawej stronie, to mamy do czynienia z konfiguracją D (dexter, prawy).

Cząsteczki chiralne są optycznie czynne, to znaczy że skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo lub w prawo. Można je nazywać optycznie lewo- i prawoskrętnymi, z tym że nie ma to nic wspólnego z konfiguracją L i D. A jak ma się do tego „lewoskrętna witamina C”, która miałaby stanowić panaceum na liczne schorzenia? Najpierw kilka słów o witaminie C.

Czym jest witamina C?

Witamina C, inaczej kwas askorbinowy, jest związkiem chemicznym z grupy alkoholi polihydroksylowych. Jest cząsteczką chiralną, czyli może występować w formach D i L. Wszystkie organizmy eukariotyczne potrzebują kwasu askorbinowego i większość syntezuje go samodzielnie. Do wyjątków należą: człowiek, małpy i nietoperze, a także niektóre gryzonie, jak świnka morska i kapibara. Jest to spowodowane mutacjami w genie GULO kodującym enzym o nazwie oksydaza L-gulonolaktonowa, która jest prekursorem kwasu L-askorbinowego. U przodków wyraków i małp (a zatem i człowieka) gen ten utracił zdolność kodowania aktywnego białka ok. 63 miliony lat temu. Dlatego kwas L-askorbinowy jest dla nas niezbędnym elementem pożywienia i dlatego znamy go pod nazwą witaminy C (termin „witamina” wprowadził polski chemik Kazimierz Funk).

Brak witaminy C powoduje m.in. szkorbut, co odkrył w 1747 r. szkocki lekarz James Lind. Było to jedna z pierwszych badań klinicznych. Nazwa „kwas askorbinowy” wywodzi się z łacińskiej nazwy szkorbutu (scorbutus), która jest szesnastowieczną latynizacją francuskiego słowa scorbut albo jego wcześniejszej formy niderlandzkiej (francuski zapożyczył to słowo z języków germańskich). Tak więc a-scorbutus to czynnik przeciwdziałający szkorbutowi. Związek ten został po raz pierwszy wyizolowany z papryki przez Alberta Szent-Györgyi w latach 1928-1932 (Nagroda Nobla w 1937 r.). Nadano mu nazwę witamina C, ponieważ witamina A (rozpuszczalna w tłuszczach) i witamina B (rozpuszczalna w wodzie) były już znane. Przemysłowy proces produkcji witaminy C w bakteriach został opracowany w 1933 r. przez Tadeusza Reichsteina, który urodził się we Włocławku i pracował w Szwajcarii (Nagroda Nobla w 1950 r. za odkrycie hormonów kory nadnerczy, wspólnie z Philipem Henchem i Edwardem Kendallem). Ta metoda wytwarzania witaminy C jest stosowana do dziś i nosi nazwę procesu Reichsteina.

Jak działa witamina C?

Kwas askorbinowy dostarcza elektronów innym cząsteczkom. Chemicy mówią w takim przypadku, że ma działanie redukcyjne. Wiąże się z wieloma enzymami, które biorą udział w syntezie hormonów rdzenia nadnerczy (noradrenalina), niektórych aminokwasów (arginina, tyrozyna), karnityny (która jest niezbędna do utleniania kwasów tłuszczowych), a także regulują ekspresję genów. Co najmniej 15 enzymów u ssaków wymaga obecności kwasu L-askorbinowego. Witamina C jest też niezbędna do przyswajania żelaza i ochrony przez reaktywnymi formami tlenu, które mogą spowodować uszkodzenie komórek.

Najpoważniejsze problemy pojawiają się jednak, kiedy w wyniku braku kwasu L-askorbinowego przestają prawidłowo działać hydroksylaza prolinowa i hydroksylaza lizynowa. Enzymy te modyfikują aminokwasy, z których składają się białka, dodając grupy hydroksylowe (-OH) do prolin i lizyn. Tak zmodyfikowane aminokwasy są z niezbędnymi elementami kolagenu, białka stanowiącego podstawę substancji międzykomórkowej u wszystkich zwierząt. Kolagen nadaje tkankom wytrzymałość na rozciąganie, a kościom odporność na złamania. W organizmach kręgowców kolagen stanowi 1/3 masy wszystkich białek. Bez kolagenu kość można złamać jednym lekkim uderzeniem. Jeżeli kolagen nie zawiera hydroksyproliny ani hydroksylizyny, jego struktura jest o wiele mniej stabilna, co powoduje typowe dla szkorbutu objawy. Należą do nich krwawienia z dziąseł i stan zapalny dziąseł, połączony z wypadaniem zębów, bóle mięśni i stawów w wyniku mikrowylewów, łamliwość kości oraz słabe gojenie się ran (Ryc. 1). Dawniej chorowali na szkorbut marynarze w czasie długich podróży morskich, ale dziś już praktycznie nie występuje, chociaż jeszcze w latach 40. i 50. ubiegłego wieku była to powszechna choroba wśród więźniów rosyjskich łagrów (znana tam jako cynga).

Ryc. 1. Dziąsła u osoby chorej na szkorbut. Trójkątne obszary między zębami są patologicznie zmienione. Źródło, Wikipedia, domena publiczna.

Skąd brać witaminę C?

Wszystkie organizmy wielokomórkowe potrzebują kwasu askorbinowego do zwalczania reaktywnych form tlenu. Najwięcej potrzebują go rośliny, które korzystając z energii światła rozkładają wodę z wytworzeniem tlenu cząsteczkowego. Powstają wtedy reaktywne formy tlenu, których usuwaniu sprzyja wysokie stężenie kwasu askorbinowego. U zwierząt takie formy też powstają, ale w znacznie mniejszym stopniu niż u roślin, dlatego zawartość kwasu askorbinowego w tkankach zwierzęcych jest niższa niż w roślinnych.

Dzienne zapotrzebowanie na witaminę C to 40-90 mg w zależności od wieku i płci (mężczyźni potrzebują trochę więcej). Palenie tytoniu powoduje podwyższone „zużycie” witaminy C, więc zapotrzebowanie na nią u palaczy jest o ok. 40 mg dziennie wyższe.

Zawartość witaminy C w owocach i warzywach wynosi od kilku mg na 100g w jabłkach, kilkunastu mg w pomidorach, do 200 mg w czarnych porzeczkach, które stanowią najbogatsze źródło witaminy C wśród owoców łatwo dostępnych u nas. Ale niektóre egzotyczne owoce zawierają wielokrotnie więcej witaminy C, np. śliwka kakadu  (Terminalia ferdinandiana), owoc drzewa występującego w Australii, zawiera 1000-5300 mg/100 g witaminy C (Ryc. 2). Dla porównania, w pomarańczy jest to 60 mg/100 g. W warzywach zawartość witaminy C też może być wysoka (brukselka 80 mg/100 g, kalafior 40 mg/100g), ale po ugotowaniu niewiele z tego zostaje. Kiszona kapusta zawiera ok. 40 mg witaminy C/100 mg (mniej więcej tyle samo jest w surowej kapuście, ale kiszona kapusta jest smaczniejsza).

Ryc. 2. Śliwka kakadu (Terminalia ferdinandiana). Źródło: Wikpiedia, Licencja CC BY 4.0.

Kwas L-askorbinowy i D-askorbinowy

Jedyną czynną biologicznie konfiguracją kwasu askorbinowego jest forma L. Tylko ona może wchodzić w interakcje z enzymami, i tylko ona chroni przed szkorbutem (Ryc. 3).

Ryc. 3. Struktura kwasu L- i D-askorbinowego. Według: Malik H. et al, Heart Fail. Rev. 2021, 26: 699-709. Licencja CC BY 4.0.

Obie formy, D i L, są natomiast aktywnymi przeciwutleniaczami, czyli chronią produkty żywnościowe przed utlenieniem. Dlatego kwas L-askorbinowy oraz jego sole (sodowa, wapniowa i potasowa), a także ester kwasu palmitynowego, są stosowane jako dodatki do żywności o numerach E300-E304. Ponieważ produkcja kwasu D-askorbinowego jest tańsza, jest on również dodawany  do żywności jako E315 (kwas D-askorbinowy) lub E316 (jego sól sodowa). Taka forma kwasu askorbinowego jest nieaktywna w naszych komórkach, ale działa jako czynnik chroniący żywność (zwłaszcza wędzone mięso) przed utlenieniem. Jego struktura jest na tyle odmienna od struktury kwasu L-askorbinowego, że nie wpływa na jego działanie w komórkach.

Czy witamina C leczy choroby?

Witamina C jest niezbędna do produkcji kolagenu, ale także do ochrony przed reaktywnymi formami tlenu. Można więc nazwać ją lekiem, ponieważ „lek to substancja przeznaczona do leczenia chorób u ludzi lub do zapobiegania chorobom” (Art. 168 Traktatu o Unii Europejskiej). Nie możemy żyć bez witaminy C, ale czy jej duże dawki są w stanie leczyć choroby? Są doniesienia sugerujące że tak jest, np. w przypadku przeziębienia zażywanie witaminy C może skrócić okres choroby o kilkanaście procent. Były też badania wykazujące, że zażywanie witaminy C obniża prawdopodobieństwo zachorowania na niektóre nowotwory, np. raka płuc. Niektóre publikacje sugerują dobroczynny wpływ witaminy C na układ sercowo-naczyniowy. Nie ma jednak twardych dowodów, że witamina C może zapobiegać chorobom (oprócz szkorbutu). Na pewno witamina C nie leczy raka, tak jak to sugerują różni „alternatywni” terapeuci.

Co z lewoskrętnością?

„Lewoskrętna witamina C” stale pojawia się w reklamach różnych dziwnych specyfików jako coś lepszego od „zwykłej” witaminy C. Wyjaśnijmy: jedyna aktywna konfiguracja kwasu askorbinowego (kwas L-askorbinowy) skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo (tak więc można powiedzieć, że jest prawoskrętna). Jej lustrzane odbicie, czyli forma D, skręca płaszczyznę w lewo (czyli jest lewoskrętna). Nie ma ona jednak żadnej aktywności biologicznej. Dlaczego „lewoskrętna witamina C” jest tak popularna na portalach sprzedających różne szemrane specyfiki? Tego nie wiemy. Może od konfiguracji L w aktywnej formie kwasu askorbinowego? Każda witamina C sprzedawana w aptekach ma taką konfigurację i każda jest aktywna biologicznie. „Lewoskrętna witamina C”, sprzedawana na niektórych portalach, nic się od niej nie różni.

Literatura dodatkowa

Witamina C: biochemia i fizjologia

https://www.mdpi.com/2072-6643/13/2/615

Witamina C i nowotwory

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ajco.12173

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5381428

Co Alicja odkryła po drugiej stronie lustra, czyli blaski i cienie lustrzanej biologii (2)

Marcin Czerwiński6 komentarzy

W poprzednim wpisie napisałem o metodach, które mogą umożliwić nam stworzenie lustrzanej bakterii, która będzie produkowała lustrzane białka złożone z D-aminokwasów i L-cukrów. Ale czy stworzenie lustrzanych bakterii to nowa i zupełnie bezpieczna dziedzina biotechnologii? Wielu ekspertów ma na ten temat wątpliwości. W czasopiśmie „Science” z 20.12.2024 r. ukazał się artykuł, którego autorzy przestrzegają przed niebezpieczeństwami związanymi z powstaniem lustrzanych organizmów i proponują, żeby wstrzymać się z ich tworzeniem do czasu gruntownej analizy możliwych zysków i strat. Dlaczego lustrzane organizmy mogą być niebezpieczne?

Lustrzane życie i zagrożenia dla środowiska

W naturalnym środowisku bakterie nie mogą namnażać się do woli, bo padają ofiarą drapieżników. Są to przeważnie protisty, czyli organizmy posiadające jądro komórkowe niebędące roślinami, grzybami ani bakteriami. W wodnych ekosystemach to właśnie protisty wchodzące w skład planktonu kontrolują namnażanie się bakterii. Robią to za pomocą fagocytozy, czyli procesu polegającego na pobieraniu ze środowiska pokarmów stałych i degradacji ich w lizosomach. Uważa się, że lustrzane bakterie nie będą rozpoznawane przez protisty, ponieważ ich powierzchniowe białka i cukry nie przypominają cząsteczek, z którymi organizmy te stykają się na co dzień. Jeżeli nawet lustrzane bakterie zostałyby przez nie wchłonięte, to na pewno nie ulegną degradacji wewnątrz komórki, ponieważ nie ma enzymów degradujących D-białka i L-cukry.

Drugim regulatorem bakterii w naturalnym środowisku są bakteriofagi, czyli wirusy bakteryjne. Pisał o nich na blogu Piotr Gąsiorowski. Mogą one zabijać bakterie za pomocą swoistych mechanizmów, dlatego dziś, kiedy coraz więcej bakterii jest oporne na antybiotyki, wiąże się z nimi duże nadzieje, bo mogą kiedyś zastąpić antybiotyki.

Lustrzane bakterie będą jednak całkowicie niewidoczne dla bakteriofagów, a to (w połączeniu z ich niewrażliwością na zabijanie przez protisty) może spowodować drastyczne zmiany w ekosystemach Ziemi. Mogą one opanować w krótkim czasie wszystkie nisze ekologiczne, a skutki tego mogą być nieobliczalne.

Wspomniałem o antybiotykach. Może dałoby się zwalczać lustrzane bakterie za pomocą znanych obecnie antybiotyków? Niestety nie. Większość antybiotyków to cząsteczki chiralne: wykazano, że ich lustrzane formy nie wykazują żadnej aktywności bakteriobójczej. W związku z tym większość znanych obecnie antybiotyków nie będzie skuteczna w walce z lustrzanymi bakteriami. Owszem, są achiralne cząsteczki o działaniu przeciwbakteryjnym, jak np. chinolony czy sulfonamidy. Mogą one być skuteczne przeciw lustrzanym bakteriom, ale związków takich jest chyba za mało, żeby skutecznie walczyć z nową klasą bakterii.

Rośliny odgrywają ogromną rolę w ekosystemie Ziemi, przede wszystkim pochłaniając dwutlenek węgla i wytwarzając tlen. Bez nich życie na Ziemi nie byłoby możliwe. Jednocześnie rośliny zapewniają (pośrednio lub bezpośrednio) wyżywienie dla ośmiu miliardów ludzi na Ziemi. Połowę kalorii niezbędnych ludziom do życia zapewniają tylko cztery gatunki: ryż, pszenica, soja i kukurydza. Rośliny mają zaawansowany system oporności na patogeny bakteryjne, ale system ten nie będzie działać wobec lustrzanych bakterii. Nawet niewielkie procentowo straty w plonach spowodowane przez lustrzane bakterie mogą mieć ogromne skutki dla wyżywienia ludzkości.

Lustrzane życie i zagrożenia dla człowieka

Nasze zdrowie zależy od sprawności układu odpornościowego, którego odpowiedź na patogeny można podzielić na wrodzoną i adaptacyjną. Jednak pierwszą linią obrony przed patogenami są naturalne bariery, takie jak skóra czy błony śluzowe. Produkują one wiele białek i peptydów zdolnych do zabijania bakterii (np. lizozym). Dużą rolę w rozpoznawaniu patogenów jeszcze przed wniknięciem do organizmu mają też przeciwciała klasy IgA. Cząsteczki te rozpoznają jednak wyłącznie naturalne (czyli nie-lustrzane) białka. Lustrzane bakterie będą dla nich niewidoczne, co ułatwi im drogę do wnętrza naszego ciała.

Jeżeli bakterie pokonają fizyczne bariery utrudniające dostęp do naszego ciała, to uruchamia się wrodzona reakcja odpornościowa. Jaki jest jej mechanizm? Wyspecjalizowane komórki (np. makrofagi i granulocyty) rozpoznają wzorce molekularne związane z patogenami (pathogen-associated molecular patterns, PAMP). Są to elementy ściany komórkowej drobnoustrojów takie jak peptydoglikany i lipopolisacharydy bakteryjne, a także np. dwuniciowe RNA wirusów. Są one rozpoznawane przez białka na powierzchni makrofagów czy granulocytów; komórki te wtedy uruchamiają produkcję cytokin prozapalnych, czyli białek wpływających na wzrost i proliferację komórek układu odpornościowego. Produkowane są też małe białka zwane chemokinami, których zadaniem jest „zwabianie” komórek układu odpornościowego do miejsca zakażenia (Ryc. 1).

Ryc. 1. Dlaczego lustrzane bakterie stanowią zagrożenie dla ludzkiego organizmu? Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.

Osobną formą odpowiedzi wrodzonej jest aktywacja białek dopełniacza, które są w stanie lizować (niszczyć) bakterie. W normalnych warunkach taka wrodzona obrona chroni nas dość dobrze przed inwazją patogenów. Wszystko razem powoduje, że większość bakterii jest zabijana natychmiast po wniknięciu do naszego ciała. Dotyczy to jednak wyłącznie naturalnych bakterii.

Co się stanie się, kiedy do naszego ciała wnikną lustrzane bakterie? W najlepszym przypadku odpowiedź wrodzona będzie słaba, a w najgorszym żadna. Większość wzorców molekularnych będzie dla naszych komórek niewidoczna, ponieważ będą to lustrzane odbicia cząsteczek, z którymi nasze komórki mają na co dzień do czynienia. Dotyczy to zarówno lustrzanych białek, które składają się z D-aminokwasów, jak polisacharydów, w których skład wchodzą L-cukry. Tak więc uruchomienie odpowiedzi wrodzonej wobec lustrzanej bakterii może się skończyć podobnie jak próba włożenia lewej nogi do prawego buta.

A co z adaptacyjną odpowiedzią odpornościową, czyli przeciwciałami i limfocytami T? Jej podstawą jest prezentacja małych fragmentów białek produkowanych przez patogeny pomocniczym limfocytom T. Służą do tego specjalne białka nazywane białkami MHC, które wiążą te małe fragmenty (czyli peptydy) i prezentują je limfocytom T. Ich działanie wyjaśniła na blogu Agnieszka Szuster-Ciesielska. Pobudzone w ten sposób limfocyty T aktywują limfocyty B do produkcji przeciwciał. Każdy z nas produkuje przeciwciała o prawie wszelkich możliwych swoistościach, czyli mogących rozpoznać (prawie) każdy patogen, z którym mieliśmy do czynienia (dlatego szczepionki działają).

Białka MHC wiążą peptydy, które powstały z białek patogenów zdegradowanych przez proteazy. Naturalne proteazy nie rozpoznają jednak lustrzanych białek, tak więc białka MHC nie otrzymają żadnych lub prawie żadnych peptydów do prezentowania limfocytom T. Ponadto, białka MHC są przystosowane do wiązania peptydów złożonych z L-aminokwasów. Lustrzane odbicia tych peptydów prawdopodobnie będą słabo się z nimi wiązać, co dodatkowo obniży szanse na skuteczną odpowiedź odpornościową (Ryc. 2).

Ryc. 2. Porównanie aktywacji limfocytów T przez naturalne i lustrzane bakterie. Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.

Wszystko  razem może spowodować, że wobec lustrzanych bakterii będziemy tak bezbronni, jak ludzie dotknięci ciężkim wrodzonym niedoborem odporności wobec naturalnych bakterii. Zaburzenie to polega na nieprawidłowym rozwoju i różnicowaniu limfocytów B i T, a dotknięte nim osoby są całkowicie nieodporne na zakażenie bakteryjne, wirusowe i grzybicze. Jedyną terapią jest przeszczep szpiku kostnego. Bez niej mogą przeżyć tylko w sterylnych warunkach (Ryc. 3).

Ryc. 3. David Vitter, chłopiec dotknięty ciężkim złożonym niedoborem odporności, w bańce z tworzywa sztucznego, która chroniła go przed patogenami. Licencja CC BY 1.0.

Tak więc zarówno wrodzona, jaki i adaptacyjna odpowiedź odpornościowa może okazać się nieskuteczna w przypadku kontaktu z lustrzanymi bakteriami. Konsekwencje mogą być bardzo groźne.

Inżynieria genetyczna: rzeczywiście tak niebezpieczna? Trochę historii

Żywe organizmy zaczęto modyfikować genetycznie w latach 70. ubiegłego wieku i od początku budziło to kontrowersje. W lipcu 1974 r. czasopismo „Science” zamieściło apel czołowych biologów molekularnych z USA.

Jego autorzy przestrzegali przed zagrożeniami związanymi ze świeżo powstałą wtedy technologią rekombinacji genów. W swoim apelu zwracali uwagę na to, że podstawowa bakteria stosowana w tej technologii, Escherichia coli, jest stałym rezydentem ludzkiego układu pokarmowego, gdzie może wymieniać materiał genetyczny z innymi bakteriami, w tym patogennymi. Jeżeli ludzie wprowadzą do bakterii nowe (obce dla nich) DNA, to takie szczepy mogą żyć własnym życiem, stanowiąc zagrożenie dla innych żywych organizmów. Bakterie te mogą okazać się oporne na wszystkie znane antybiotyki. Ponadto, rekombinacja DNA onkogennych wirusów może stworzyć nowe i niebezpieczne dla człowieka wirusy. Dlatego autorzy prosili o moratorium na eksperymenty związane z rekombinacją DNA.

Czas pokazał, że przewidywania te się nie spełniły. Rekombinacja DNA okazała się całkowicie bezpieczną dziedziną biotechnologii. Sami autorzy listu przyznali to w artykule, który ukazał się 20 lat później.

Może więc dzisiejsze obawy przed lustrzanym życiem też są przesadzone? Takie lustrzane bakterie raczej nie będą zdolne do życia poza laboratorium, podobnie jak szczepy bakterii dziś używane do rekombinacji DNA. Więc może lustrzane bakterie nie będą jednak takie groźne? A jeśli tak, to może zacząć planowanie nad otrzymaniem lustrzanego kręgowca (np. myszy), złożonej z D-białek, D-lipidów, L-cukrów i L-nukleotydów. Taka mysz powinna być odporna na wszystkie znane patogeny.

A lustrzany człowiek, odporny na wszystkie znane choroby? Dziś stworzenie takiego człowieka jest niemożliwe z przyczyn technicznych (nie mówiąc o etycznych). Ale w przyszłości? Ciekawe, czy większość takich ludzi byłaby leworęczna?

Literatura dodatkowa

Zagrożenia związane z rozwojem lustrzanej biologii

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads9158

Zagrożenia związane z rekombinacją DNA. List do Science z lipca 1974 r.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.185.4148.303

Kontrowersje związane z rekombinacją DNA w 20 lat później (1994 r.)

https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.92.20.9011