Układ grupowy Duffy, czyli jak uciec przed malarią

Piotr Gąsiorowski w swoim doskonałym cyklu na temat ewolucji napisał o mutacjach ograniczających podatność na malarię, takich jak np. niedokrwistość sierpowatokrwinkowa. Choroba ta jest wynikiem mutacji w genie kodujących hemoglobinę β. Na obszarach endemicznych dla malarii co czwarty człowiek jest nosicielem takiego genu; osoby takie są oporne na malarię. Obecność dwóch alleli z mutacją (w Afryce Zachodniej jest 3% takich osób) powoduje, że krwinki czerwone mają sierpowaty kształt (stąd nazwa), co podwyższa ich skłonność do rozpadu czyli hemolizy. Takie osoby chorują na anemię i mają inne komplikacje zdrowotne. Nosiciele (czyli osoby, którzy mają jeden zmutowany allel) nie mają poważnych dolegliwości, chociaż mogą mieć problemy z nerkami. Można więc powiedzieć, że 3% objawowych homozygot (czyli osób z dwoma zmutowanymi allelami) które chorują na anemię to koszt dostosowania się do środowiska, w którym malaria jest stale obecna.

Piotr Gąsiorowski wspomniał o jeszcze jednej mutacji, która ogranicza podatność na malarię. Jest nią mutacja w genie kodującym antygen Duffy. Czym jest to białko? O tym w poniższym wpisie.

Grupy krwi Duffy a i Duffy b

Jak już pisałem w moim wpisie o grupach krwi, podział krwi na grupy jest metodą klasyfikacji krwinek czerwonych na podstawie obecności na ich powierzchni cząsteczek zwanych antygenami grupowymi, które mogą być wykrywane przez przeciwciała. Przeciwciała takie mogą spowodować aglutynację (czyli zlepianie się) krwinek; jeżeli osobie, która ma takie przeciwciała, przetoczy się krwinki przez nie rozpoznawane, to może nastąpić tzw. ostra reakcja poprzetoczeniowa grożąca śmiercią. Tak więc jeżeli osoby mają tę samą grupę krwi, to znaczy, że na ich krwinkach są takie same antygeny. Antygeny te na podstawie podobieństwa sklasyfikowane są w grupach, nazywanych układami grupowymi. U człowieka znanych jest obecnie (2024 r.) 45 układów grupowych zawierających 362 antygeny. Są wśród nich dobrze znane, jak ABO czy Rh, ale też rzadziej wspominane, jak właśnie Duffy. Antygeny tego układu znajdują się na białku Duffy obecnym na komórkach śródbłonka, który “wyściela” nasze naczynia krwionośne. To samo białko jest też na krwinkach czerwonych. Jaka jest jego rola?

Duffy czyli DARC

Białko Duffy, znane też jako DARC (Duffy Antigen Receptor for Chemokines, czyli receptor dla chemokin z antygenem Duffy) składa się z 336 reszt aminokwasowych. Przebija błonę komórkową 7 razy i ma 3 łańcuchy cukrowe (Ryc. 1). Jest kodowane przez gen ACKR1 znajdujący się na chromosomie 1.

Ryc. 1. Struktura białka Duffy (DARC). DARC składa się z 336 reszt aminokwasowych (oznaczonych jednoliterowymi symbolami). Polimorfizm Fya/Fyb to glicyna (G)/kwas asparaginowy (D) w pozycji 42. Pokazano też polimorfizmy w pozycjach 89 i 100: zastąpienie cysteiny (C) przez argininę (R) oraz alaniny (A) przez treoninę (T) powoduje powstanie fenotypu Fyx. CHO to łańcuchy cukrowe przyłączone do reszt 16, 27 i 33. Zaznaczono też immunogenny fragment białka o nazwie Fy6.

Według: Łukasik E. i Waśniowska K., Post. Hig. Med. Dośw. 2016, 70:143-171. Licencja CC BY 4.0.

Z białkiem Duffy związane są dwa antygeny grupowe o nazwach Duffy a i Duffy b (w skrócie Fya i Fyb). Przyczyną ich powstania jest różnica w sekwencji aminokwasowej: w pozycji 42 łańcucha polipeptydowego jest glicyna w Fya i kwas asparaginowy w  Fyb. Kodowane są przez dwa allele o nazwach FY*A i FY*B. Jeżeli oba allele są obecne, to mamy fenotyp Fy(a+b+). Jeżeli tylko jeden, to Fy(a+b-) lub Fy(a-b+). U osób o fenotypie Fy(a+b+) połowa antygenów Duffy stanowią cząsteczki Fya (czyli z glicyną w pozycji 42), a połowę – Fyb (z kwasem asparaginowym w tej pozycji). W przypadku osób o fenotypie Fy(a+b-) i Fy(a-b+), 100% cząsteczek białka Duffy to odpowiednio białka typu Fya i Fyb.

Około 1% ludzi ma allel FY*B. Koduje on białko, w którym reszty aminokwasowe w pozycjach 89 i 100 są zastąpione innymi resztami (wyjaśnione na Ryc. 1). Obecność dwóch takich alleli powoduje powstanie fenotypu Fyx znanego też jako Fyweak: białko Duffy jest wprawdzie obecne, ale w bardzo niewielkiej ilości.

W przeciwieństwie do grup A/B/O, większość ludzi nie ma przeciwciał rozpoznających antygeny Duffy. Przeciwciała takie mogą być jednak obecne u osób, którym wielokrotnie przetaczano krew. Jest tak dlatego, że nasz układ odpornościowy może rozpoznać antygen Duffy, którego nie mamy, jako coś obcego. Tak właśnie było w przypadku Richarda Duffy (zmarł w 1956 r.), który chorował na hemofilię, miał grupę Fy(a-b+) i w wyniku wielokrotnych transfuzji wytworzył przeciwciała anty-Fya. Od jego nazwiska pochodzi nazwa całego układu grupowego.

Antygen Fya występuje trochę częściej u mieszkańców Azji (ma go 99% mieszkańców), a antygen Fyb  u mieszkańców Europy (83% mieszkańców). W Afryce jest ciekawa sytuacja: większość jej mieszkańców nie ma ani antygenu Fya ani Fyb, co jest wynikiem obecności częstego w Afryce allelu FY*BES (Ryc. 2). Fenotyp taki nazywany jest Fy(a-b-). Jaka jest przyczyna tego zjawiska? Żeby to wyjaśnić, trzeba opisać funkcję pełnioną w naszym organizmie przez białko Duffy.

Ryc. 2. Częstość występowania alleli FY*A, FY*B i FY*BES. Źródło: Howes R.E. et al., Nat. Commun. 2010, 2:266. Licencja CC BY 4.0.

Duffy i chemokiny

Białko Duffy jest receptorem dla chemokin, czyli niewielkich białek (masa cząsteczkowa 8-12 kDa) produkowanych przez komórki naszego organizmu w sytuacjach stresowych. Chemokiny należą do rodziny cytokin, czyli białek regulujących odpowiedź odpornościową organizmu. Ich rola jest szczególna: odpowiadają za chemotaksję, czyli reakcję ruchową na bodźce chemiczne. Większość receptorów dla chemokin to białka związane z białkiem G (pisałem o tym białku we wpisie o receptorach smaku). Po związaniu chemokin białka te przesyłają sygnał do komórki, zmuszając ją do reakcji (w tym przypadku ruchu). Znanych jest ponad 50 rodzajów chemokin i ponad 20 rodzajów receptorów, które je rozpoznają.

Chemokiny wiążą się do receptorów na powierzchni komórek i powodują, że komórki te przemieszczają się w stronę wyższego stężenia chemokin. Ma to wielkie znaczenie dla obrony naszego organizmu przez patogenami. Przykładowo, jeżeli skaleczymy się w rękę, bakterie wnikają do rany i zaczynają się namnażać. W odpowiedzi na obecność bakterii, komórki skóry bądź nabłonka wytwarzają cytokiny, których zadaniem jest informowanie komórek układu odpornościowego (takich jak leukocyty, makrofagi czy granulocyty) o obecności bakterii. Te same komórki wytwarzają też chemokiny, które stanowią coś w rodzaju drogowskazów dla komórek układu odpornościowego. Obecność chemokin to sygnał dla tych komórek, że mają przemieszczać się w kierunku, gdzie chemokiny powstają.

Białko Duffy nie jest typowym receptorem dla chemokin, ponieważ nie tworzy kompleksu z białkiem G i nie może przesyłać sygnału do komórki. Dlatego jest nazywane „receptorem zlewowym” (sink receptor). Jego rola to wiązanie chemokin na powierzchni komórek, co powoduje obniżenie stężenia chemokin w osoczu. Ponieważ krwinki czerwone to najliczniejsze komórki w naszym organizmie (jest ich 29 x 1012 wobec 7 x 1012 wszystkich pozostałych komórek), białko Duffy na czerwonych krwinkach pełni rolę „magazynu” chemokin.

No dobrze, ale co to ma wspólnego z malarią?

Duffy i malaria

Malaria jest zakaźną chorobą przenoszoną przez komary, a powodowaną przez pasożytnicze protisty  z rodzaju Plasmodium (polska nazwa: zarodźce). Człowiek jest żywicielem pośrednim dla pięciu gatunków, z których najgroźniejsze są dwa: Plasmodium falciparum, czyli zarodziec sierpowaty, i Plasmodium vivax, czyli zarodziec ruchliwy. Ok. 260 milionów ludzi zapada rocznie na malarię, z czego ok. 600 000 (w większości dzieci) umiera. Większość zachorowań jest powodowana przez P. vivax, ale 90% ofiar śmiertelnych powoduje P. falciparum.

Zakażenie rozpoczyna się, gdy samica komara przekłuwa skórę, wstrzykując zakaźne formy zarodźca nazywane sporozoitami. Trafiają one do wątroby, gdzie w ciągu kilku dni przekształcają się w merozoity, które infekują krwinki czerwone (Ryc. 3).

Ryc. 3. Cykl życiowy zarodźca malarii. Według: Wikimedia Commons. Licencja CC BY 4.0.

Merozoity namnażając się w krwinkach czerwonych i co 48 godzin rozrywają je, co powoduje ataki gorączki. Podatność na malarię zależy od wielu czynników, w tym m.in. od grup krwi układu ABO. Osoby o grupie krwi O są nieco bardziej oporne na malarię powodowaną przez P. falciparum, dlatego wśród mieszkańców terenów endemicznych dla malarii przeważają osoby z grupą O.

Ale ten mechanizm nie działa w przypadku P. vivax, dlatego ewolucja zastosowała tu inny wybieg. Białko Duffy jest jednym z dwóch receptorów dla merozoitów P. vivax (drugim jest receptor dla transferyny). Znaczy to, że zarodziec może infekować krwinki tylko wtedy, gdy te mają na powierzchni białko Duffy. Jak wspomniałem, istnieją dwie grupy krwi, Fya i Fyb, przy czym antygen Fya jest trochę gorzej rozpoznawany przez merozoity P. vivax. Dlatego osoby o fenotypie Fy(a+b-) są nieco bardziej oporne na zakażenia tym pasożytem. Ale naprawdę dużą oporność wykazują osoby, u których białko Duffy w ogóle nie występuje na powierzchni krwinek. Takie osoby mają fenotyp Fy(a-b-), który jest wynikiem obecności dwóch alleli o nazwie FY*BES. Allele te kodują prawidłowe białko Duffy, które ulega ekspresji wyłącznie na komórkach śródbłonka, natomiast nie ma go na powierzchni krwinek czerwonych. Jest to wynik punktowej mutacji w promotorze tego genu, czyli we fragmencie genu odpowiadającym za uruchomienie  transkrypcji (czyli przepisania sekwencji DNA na mRNA). Zamiana jednego nukleotydu (tyminy na cytozynę) w pozycji -67 sekwencji nukleotydowej allelu FY*B powoduje, że erytroidalny czynnik transkrypcyjny GATA-1, który odpowiada za ekspresję białka Duffy na krwinkach czerwonych oraz ich prekursorach nie może się przyłączyć do odpowiedniego fragmentu w promotorze. Skutkiem jest nieobecność białka Duffy na krwinkach. Allel z taką mutacją to właśnie FY*BES (od ES czyli erythroid silent, nieobecny na komórkach erytroidalnych). Częstość tego allelu to 90% u rdzennych mieszkańców Afryki i 68% u Afro-Amerykanów.

Osoby z dwoma takimi allelami mają prawie 100% oporność na zakażenia P. vivax. Prawie, bo zahamowanie ekspresji białka Duffy na krwinkach czerwonych nie jest jednak całkowite i na niedojrzałych krwinkach występuje niewielka ilość tego białka. Takie młode krwinki mogą być „tylnymi drzwiami”, przez które zarodziec wnika powodując malarię. Ochrona jest jednak znacząca, i prawdopodobnie dlatego częstość fenotypu Fy(a-b-) w Afryce wynosi od 8% w Sudanie do 86% w Botswanie (Ryc. 2). Uważa się, że mutacja powodująca powstanie allelu FY*BES pojawiła się w Afryce ok. 60 000 – 30 000 lat temu i rozpowszechniła się w wyniku presji ze strony zarodźca P. vivax.

Co ciekawe, w Europie Środkowej (Polska, wschodnie Niemcy) kilka do kilkunastu procent ludzi jest nosicielami allelu FY*BES (Ryc. 2). Może to powodować pewne problemy w transfuzjologii, bo osoby o fenotypie Fy(a-b-), którym przetoczy się krwinki Fy-dodatnie, mogą wytworzyć przeciwciała anty-Duffy. Jeszcze do lat 50. ubiegłego wieku malaria powodowana przez P. vivax była obecna w Europie, i być może to spowodowało rozpowszechnienie się tego allelu?

Czy fenotyp Fy(a-b-) to same zalety?

Tak jak w przypadku anemii sierpowatokrwinkowej, fenotyp Fy (a-b-) też może powodować pewne negatywne skutki. Ponieważ białko Duffy stanowi „podręczny magazyn” chemokin, a najwięcej jest go na krwinkach czerwonych, to brak tego białka na krwinkach powoduje podwyższenie stężenia chemokin w osoczu. Może mieć to szczególne znaczenie w przypadku chemokin angiogennych, czyli stymulujących powstawanie nowych naczyń krwionośnych. Guzy nowotworowe potrzebują naczyń krwionośnych do rozwoju, dlatego podwyższone stężenie takich chemokin może stymulować ich rozwój. Przekłada się na wyższą częstość niektórych chorób nowotworowych, zwłaszcza raka prostaty (drugi co do częstości nowotwór u mężczyzn). U Afro-Amerykanów, wśród których większość stanowią osoby o fenotypie Fy(a-b-), zachorowalność na raka prostaty w porównaniu do osób o pochodzeniu europejskim  jest wyższa o ponad 60%, a śmiertelność o 100%.

Literatura dodatkowa

Podstawowe wiadomości o białku Duffy

https://phmd.pl/api/files/view/116837.pdf

Białko Duffy i malaria

http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.102014

Fenotyp Duffy-ujemny i zakażenia P. vivax

https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.10.019

Rubisco, najważniejszy enzym na Ziemi. Czy pomoże nam uratować planetę?

Ten wpis dedykuję pamięci mojego Taty, Witolda Czerwińskiego, miłośnika gór, badacza roślin i autora podręcznika „Fizjologia Roślin” (Pierwsze wydanie: PWN 1976).

Fotosynteza i asymilacja

Słońce jest źródłem energii dla wszystkich organizmów. Te, które mają zdolność do fotosyntezy (jak rośliny i niektóre bakterie) wykorzystują światło słoneczne jak źródło energii dla procesów życiowych. Nazywamy je organizmami samożywnymi. Inne organizmy uzyskują energię w wyniku zjadania innych organizmów, w tym zdolnych do fotosyntezy (jak np. rośliny). Czym jest fotosynteza? Jest to proces wytwarzania związków organicznych w komórkach zawierających chlorofil (lub bakteriochlorofil) przy wykorzystaniu energii światła. Fotosynteza zachodzi w dwóch etapach: faza jasna polega na absorpcji światła w kompleksach białek zwanych fotosystemami. Energia światła pochłonięta przez fotosystemy zostaje zamieniona na energię wiązań chemicznych w postaci ATP i NADPH. Jednocześnie woda zostaje rozłożona do jonów H+ i cząsteczkowego tlenu. W fazie ciemnej (zwanej też fazą przemiany substancji) energia ATP i NADPH zostaje wykorzystana do syntezy związków organicznych. Są to węglowodany (głównie glukoza, skrobia i sacharoza). Obie te fazy zachodzą jednocześnie. Tak więc fotosynteza polega na przemianie dwutlenku węgla i wody w węglowodany oraz tlen. W roślinach proces ten zachodzi w wyspecjalizowanych organellach zwanych chloroplastami (Ryc. 1).

Ryc. 1. Fotosynteza i mechanizm działania  Rubisco. Energia światła zostaje zaabsorbowana w chloroplastach przez fotosystemy I i II z wytworzeniem ATP i NADPH oraz tlenu jako produktu ubocznego (faza jasna fotosyntezy). ATP i NADPH służą jako źródło energii w fazie ciemnej (niezależnej od światła), gdzie Rubisco katalizuje przyłączenie CO2 do rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) z wytworzeniem 2-fosfoglicerynianu (3PG), który zostaje przekształcony w aldehyd 3-fosfoglicerynowy (G3P) w ramach cyklu Calvina. Rubisco wiąże też O2 w procesie nazywanym fotooddychaniem. Według: Y.J.Bhat et al., Fr. Mol.Biosci. 2017, 4:20. Licencja CC BY 4.0.

Jakie organizmy wykorzystują fotosyntezę? Jest to większość roślin (wyjątkiem są rośliny pasożytnicze i saprofityczne), a także niektóre protisty oraz część archeonów i bakterii. Jak pisał Piotr Gąsiorowski, wśród tych ostatnich największe znaczenie mają sinice, ponieważ to ich przodkowie zaczęli wykorzystywać energię światła słonecznego ok. 2 miliardy lat temu.

Z energii światła słonecznego mogą też korzystać inne organizmy, które same fotosyntezy nie przeprowadzają, ale współpracują z sinicami w ramach symbiozy.

Ja jednak chciałbym się skupić na enzymie, dzięki któremu przemiana energii światła w związki organiczne jest w ogóle możliwa. Tym enzymem jest karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu znana pod akronimem Rubisco.

Rubisco: główne białko na Ziemi?

Asymilacja CO2, czyli jego przyłączanie do rybulozo-1,5-bisforanu, ma miejsce w procesie zwanym cyklem Calvina-Bensona-Basshama lub w skrócie cyklem Calvina. Cykl składa się z trzech etapów, przy czym wiązanie CO2 zachodzi w pierwszym etapie. Kluczowym reagentem jest rybulozo-1,5-bisfosforan, który jest rybulozą z dwoma cząsteczkami fosforanów. Wszyscy chyba słyszeli o rybozie, która jest pięciowęglowym cukrem wchodzącym w skład kwasu rybonukleinowego (RNA). Rybuloza ma podobną budowę, z tym że grupa C=O znajduje się między innymi atomami węgla, a nie na skraju cząsteczki. Jest to więc grupa ketonowa, a nie aldehydowa i dlatego rybuloza jest ketozą, a ryboza aldozą. Na podobnej zasadzie glukoza jest aldozą, a fruktoza ketozą.

Przyłączenie dwutlenku węgla do rybulozo-1,5-bisfosforanu powoduje powstanie nietrwałej cząsteczki 1,5-bisfosfo-2-karboksy-3-ketoarabitolu, która natychmiast rozpada się na dwie cząsteczki 3-fosfoglicerynianu. Rybuloza ma pięć atomów węgla, 3-fosfoglicerynian trzy, tak więc po przyłączeniu jednego atomu węgla do pięciowęglowej cząsteczki powstają dwie cząsteczki trójwęglowe. 3-fosfoglicerynian ulega redukcji do aldehydu 3-fosfoglicerynowego, przy czym energia w postaci ATP i elektrony (transportowane przez NADPH) pochodzą z „fazy jasnej” cyklu Calvina-Bensona-Basshama. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy może być następnie przekształcony w glukozę i stać się początkiem syntezy skrobi lub sacharozy. Część aldehydu 3-fosfoglicerynowego zostaje przekształcona w rybulozo-1,5-bisfosforan w skomplikowanym procesie obejmującym cząsteczki 3-, 4-, 5- i 7-węglowe i nazywanym tasowaniem cukrów (sugar shuffle). Taki rybulozo-1,5-bisfosforan może przyłączać kolejne cząsteczki CO2. Wymaga to pięciu cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego, czyli tylko jedna cząsteczka tego związku na sześć wytworzonych może być wykorzystana do produkcji węglowodanów. (Ryc. 2). Sumaryczne równanie reakcji cyklu Calvina-Bensona-Basshama jest następujące:

6CO2 + 18ATP + 12NADPH → C6H12O6 + 18ADP+ 18Pi + 12NADP+ + 6H2O

Ryc. 2. Reakcje cyklu Calvina-Bensona-Basshama. Otrzymane za pomocą BioRender.com.

Cała ta skomplikowana operacja jest katalizowana przez jeden enzym, karboksylazę/oksygenazę rybulozo-1,5-bisfosforanu czyli Rubisco. Nazwę tę wymyślił David Elsenberg w 1979 r., co było akronimem nazwy ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase, a także żartobliwym odniesieniem do producenta ciastek i słonych przekąsek Nabisco (National Biscuit Company, obecnie własność amerykańskiego koncernu Mondelēz International). Rubisco składa się z 8 identycznych dużych podjednostek, kodowanych przez genom chloroplastu, oraz z 8 małych podjednostek, kodowanych przez genom jądrowy (Ryc. 3). Do jego aktywności niezbędne są jony Mg2+. Rubisco ma liczne zalety (przede wszystkim zdolność do wiązania CO2), ale ma też wady. Jedną z nich jest niewielka szybkość działania. Rubisco jest w stanie przyłączyć maksymalnie 3 cząsteczki CO­na sekundę, co znaczy, że jest bardzo wolnym enzymem. Inne enzymy przetwarzają przeciętnie co najmniej 100 cząsteczek na sekundę, a rekordzistką jest katalaza, która rozkłada nadtlenek wodoru do wody i tlenu: ta jest w stanie rozłożyć 40 milionów cząsteczek na sekundę.

Ryc. 3. Struktura Rubisco. Duże podjednostki oznaczono jako LA – LH , małe podjednostki jako SA – SH. Pokazano miejsca aktywne ze związaną cząsteczką 1,5-bisfosfo-2-karboksy-3-ketoarabitolu (która natychmiast się rozpada). Według: Studer RA et al., PNAS USA 2014, 111:2223-2228. Licencja CC BY 4.0.

Rubisco pracuje więc bardzo wolno nawet w optymalnych warunkach, ale jego rzeczywista wydajność jest znacznie niższa. Obliczenia przeprowadzone dla całej Ziemi wykazują, że enzym zawarty w roślinach morskich przyłącza średnio 0,6 cząsteczki CO2 na sekundę, a enzym roślin lądowych 0,03 cząsteczki, co stanowi ok. 1% jego teoretycznej wydajności. Dlaczego tak mało? Są dwie przyczyny. Po pierwsze, aktywność enzymu ściśle zależy od stężenia ATP i NADPH, a te powstają tylko w świetle dziennym. W nocy Rubisco nie pracuje. Jeżeli światła jest mało, jak np. w poszyciu gęstego lasu albo w pochmurne dni, wydajność Rubisco też jest niska.

Po drugie, aktywność Rubisco ściśle zależy od temperatury, której optimum to 25oC. Każdy stopień powyżej lub poniżej tej wielkości oznacza obniżenie aktywności enzymu.

Dlatego każda roślina potrzebuje dużej ilości cząsteczek tego enzymu. Jego zawartość w liściach może wynosić od 2% w liściach drzew do 16% w roślinach zielnych. W mikroalgach Rubisco może stanowić nawet 50% suchej masy. Aby przeżyć, rośliny muszą syntetyzować znaczne ilości tego enzymu, co stanowi dla nich znaczne obciążenie, ponieważ synteza białek jest bardzo kosztowna pod względem energetycznym. Całkowita masa tego enzymu we wszystkich organizmach fotosyntetyzujących na Ziemi jest szacowana na 0,7 Gt na lądzie i 0,03 Gt w oceanach (czyli odpowiednio 700 i 30 milionów ton), tak więc Rubisco jest prawdopodobnie najliczniej występującym białkiem na Ziemi.

Fotooddychanie: główny hamulcowy fotosyntezy?

Druga i nawet chyba większa wada Rubisco to jego zdolność do przyłączania tlenu zamiast dwutlenku węgla. Zjawisko to nazywane jest fotooddychaniem: enzym przyłącza do cząsteczki rybulozo-1,5-bisfosforanu nie dwutlenek węgla, a tlen (stąd nazwa: karboksylaza/oksygenaza). Zamiast dwóch trójwęglowych cząsteczek 3-fosfoglicerynianu powstaje jedna dwuwęglowa cząsteczka 2-fosfoglikolanu i jedna (trójwęglowa) 3-fosfoglicerynianiu. Z 3-fosfoglicerynianem nie ma problemu, bo podobnie jak w przypadku przyłączenia CO2 może służyć do produkcji węglowodanów. Ale 2-fosfoglikolan jest toksyczny dla roślin i musi być przetworzony w węglowodany w ramach skomplikowanego szlaku metabolicznego, w który zaangażowane są oprócz chloroplastów także inne organella: peroksysomy i mitochondria. Proces ten wymaga ATP, a jednym z produktów jest dwutlenek węgla. Jest to więc ewidentna niedoskonałość katalityczna, bo na ogół powstanie CO2 wiąże się z produkcją ATP. Tak jest np. w czasie oddychania komórkowego, kiedy komórki produkują dwutlenek węgla, ale powstaje też ATP. W przypadku fotooddychania jest inaczej, i jest to prawdopodobnie pozostałość z okresu, kiedy stężenie tlenu w atmosferze było jeszcze bardzo niskie. Nie było więc presji selekcyjnej, aby uczynić enzym wiążący CO2  bardziej selektywnym. Dziś stężenie tlenu w atmosferze wynosi 21%, a stężenie CO2 0,04%. Tak  więc na jedną cząsteczkę CO2 przypada ponad 500 cząsteczek tlenu. Nic dziwnego, że Rubisco, które niewiele zmieniło się od czasów kiedy stężenie tlenu wynosiło poniżej 1%, ma problemy z wyborem „właściwej” cząsteczki.

Innym negatywnym skutkiem fotooddychania jest powstawanie glicyny jako produktu pośredniego w procesie utylizacji 2-fosfoglikolanu. Glicyna zostaje rozłożona z odłączeniem kationu amonowego (NH4+). Utrata azotu w postaci jonów amonowych jest zjawiskiem niekorzystnym dla roślin, które nie potrafią samodzielnie przyswajać azotu z powietrza (gdzie występuje w postaci N2). Odzyskiwanie utraconego NH4+ jest jednak procesem wymagającym ATP, a to przekłada się na wyższy koszt energetyczny fotooddychania.

Ryc. 4. Fotooddychanie. Według: Wikipedia, Yikrazuul.  Licencja CC BY 3.0.

Nawet w optymalnej temperaturze 25oC, Rubisco przyłącza jedną cząsteczkę tlenu na trzy cząsteczki przyłączonego dwutlenku węgla. Oznacza to, że fotooddychanie obniża wydajność fotosyntezy o 25% nawet jeżeli warunki są optymalne. Jeżeli temperatura przekracza 30oC, to fotooddychanie zaczyna przeważać nad fotosyntezą. Wtedy produkcja CO2 jest wyższa niż jego pochłanianie.

Rubisco i izotopy węgla

Węgiel ma masę atomową 12, ale w przyrodzie występuję też jego stabilny izotop o masie 13, który stanowi ok. 1,1% całego węgla. Rubisco rozróżnia te dwa izotopy i wiąże 12CO2 nieco bardziej wydajnie niż 13CO2. W zależności od typu metabolizmu (są trzy typy asymilacji CO2 o nazwach C3, C4 i CAM, o czym w następnym odcinku), przewaga izotopu 12C nad 13C może wynosić od 1 do 3,5%. Dlatego tkanki roślin zawierają więcej 12C, niżby to wynikało z zawartości tego izotopu w atmosferze. A jak wygląda zawartość dwutlenku węgla z tymi izotopami w powietrzu? Wszyscy wiemy, że zawartość CO2 w atmosferze rośnie od ok. 160 lat w związku ze spalaniem paliw kopalnych, które są szczątkami dawno rosnących na Ziemi roślin. Jednocześnie stężenie dwutlenku węgla zawierającego izotop 13C spada. Jest to jeszcze jeden dowód na to, że dwutlenek węgla uwalniany do atmosfery w wyniku spalania ropy i węgla pochodzi z paliw kopalnych, czyli z roślin, które kiedyś go zaabsorbowały (Ryc. 5).

Ryc. 5. Stężenie CO2  (kolor niebieski) i 13CO2 (kolor czerwony) w atmosferze w latach 1850-2010. Źródło: Liu B. et al., Biogeosciences 2021, 18: 4389–4429. Licencja CC BY 4.0.

Czy możemy pozbyć się fotooddychania?

Ocieplenie klimatu spowodowane spalaniem paliw kopalnych stanowi coraz większy problem dla ludzi na całym świecie. Nie zanosi się jednak, żeby ludzkość była w stanie obniżyć produkcję gazów cieplarnianych (w tym dwutlenku węgla) w dającej się przewidzieć przyszłości. Istnieją techniczne możliwości wychwytywania i magazynowania tego gazu, ale nie wyszły one poza stadia prób pilotowych. Tak więc na razie za ponad 99% dwutlenku węgla usuwanego z atmosfery  odpowiadają rośliny, a konkretnie jeden roślinny enzym, czyli Rubisco. Jak starałem się wyjaśnić, nie jest to enzym doskonały. Gdyby udało się zlikwidować jego aktywność związaną z fotooddychaniem, to rośliny związałyby dodatkowo ok. 40 Gt (4000 milionów ton) dwutlenku węgla rocznie. Tyle mniej więcej produkujemy spalając paliwa kopalne. Oczywiście trudno sobie wyobrazić przerobienia wszystkich roślin na Ziemi na metabolizm C4, ale może chociaż te najczęściej występujące, czyli uprawiane w dużych ilościach? Badania nad takimi modyfikacjami prowadzi się w licznych ośrodkach, ale jak dotąd wyniki nie napawają optymizmem. Jest tak dlatego, że fotooddychanie jest ściśle związane z innymi procesami metabolicznymi i jego zahamowanie wpływa negatywnie na wzrost roślin. Ponadto, niektóre związki wytwarzane w tym szlaku pełnią funkcję ochronną i dlatego rośliny, u których ten szlak został zmodyfikowany, są podatne na różne choroby. Tak więc na razie nie ma szans na modyfikację fotooddychania.

To może polepszyć wiązanie CO2? Rośliny C4 wytyczają kierunek.

Jak wspomniałem, istnieją trzy rodzaje asymilacji CO2: C3, w którym dwutlenek węgla jest wiązany do rybulozo-1,5-bisfosforanu, oraz C4 i jego odmiana CAM. W mechanizmach C4 i CAM dwutlenek węgla zostaje najpierw przyłączony do fosfoenolopirogronianu (PEP, 3 atomy węgla) z wytworzeniem szczawiooctanu (4 atomy węgla, stąd nazwa metabolizmu). Podobnie jak w przypadku szlaku C3, ma to miejsce w komórkach mezofilu (miękiszu), który jest główną tkanką liścia.  Szczawiooctan ulega redukcji do jabłczanu (4 atomy węgla), a jabłczan zostaje przesłany do komórek pochwy okołowiązkowej, gdzie ulega rozkładowi na pirogronian (3 atomy węgla) i dwutlenek węgla. Umożliwia to bardziej efektywne gromadzenie dwutlenku węgla, bo w pochwie okołowiązkowej jest dużo chloroplastów, a więc i dużo Rubisco. Jest jednak bardziej kosztowny pod względem energetycznym, bo regeneracja fosfoenolopirogronianu wymaga ATP. Dlatego synteza jednej cząsteczki glukozy wymaga w procesie C4 30 cząsteczek ATP wobec 18 w szlaku C3. Ponieważ jednak wiązanie CO2 jest bardziej wydajne, rośliny C4 rosną szybciej. A dlaczego jest bardziej wydajne, skoro związanie CO2 wymaga dodatkowego szlaku? Dlatego, że w tym procesie lokalne stężenie CO2 jest znacznie wyższe: ok. 10 µmol/l CO2 w roślinach C3 wobec ok. 160 µmol/l CO­2 w roślinie C4. Tak więc można porównać mechanizm C4 do turbodoładowania w silniku spalinowym, z tym że zamiast wyższego stężenia tlenu mamy wyższe stężenie dwutlenku węgla. Rubisco ma więc ułatwione zadanie, bo nie musi znaleźć cząsteczki CO2 wśród 500 cząsteczek tlenu, ale najwyżej wśród 50. Dzięki temu w roślinach C4 praktycznie nie zachodzi fotooddychanie (Ryc. 6).

Ryc. 6. Porównanie szlaków C3 i C4. Dwutlenek węgla zostaje związany do fosfoenolopirogronianu (PEP). Powstały szczawiooctan ulega redukcji do jabłczanu, który dyfunduje do komórek pochwy okołowiązkowej. Tam po dekarboksylacji uwalnia CO2, który zasila cykl Calvina. Regeneracja PEP wymaga ATP. Według: Wang C. et al. BMC Systems Biology 2012, 6 (Suppl 2):S9. Licencja CC BY 4.0.

Komórki liści roślin C3 i C4 różnią się pod względem anatomicznym: w roślinach C4 są tylko dwie komórki mezofilu między wiązkami przewodzącymi (żeby umożliwić dyfuzję jabłczanu), w roślinach C3 jest ich więcej. W roślinach C4 komórki pochwy okołowiązkowej są większe i zawierają więcej chloroplastów. Taką budowę liścia nazywa się anatomią typu Kranz (bo po niemiecku Kranz to wieniec, Ryc. 7).

Ryc. 7. Porównanie anatomii liścia rośliny C3 i C4. Według: Cui H. Fr. Plant. Sci. 2021, 12:715391. Licencja CC BY 4.0.

Szlak C4 wyewoluował stosunkowo niedawno, bo pierwsze takie rośliny powstały ok. 35 milionów lat temu. Jednymi z pierwszych organizmów C4 były trawy. Około 30 milionów lat temu umożliwiło to ekspansję trawożernych gatunków ssaków, takich jak antylopy, bydło czy koniowate, co miało wielkie skutki dla ekosystemów Ziemi. Dziś 60% gatunków C4 to trawy, dominujące głównie na stepach i sawannach w ciepłych klimatach. Co ciekawe, badania molekularne wykazują, że szlak C4 wyewoluował niezależnie u co najmniej 66 grup roślin, co jest dobrym przykładem konwergencji, czyli niezależnej ewolucji tej samej cechy. Obecnie znanych jest ok. 8100 gatunków roślin C4, co stanowi mniej niż 2% znanych gatunków roślin (ok. 440 000). Rośliny C4 stanowią ok. 5% biomasy całej Ziemi, ale odpowiadają za wiązanie 23% dwutlenku węgla. W szczególności są to trzy gatunki o dużym znaczeniu gospodarczym: kukurydza (Zea mays),  trzcina cukrowa (Sacchatum officinarum) i sorgo dwubarwne (Sorghum bicolor). Szlak C4 jest wykorzystywany także m.in. przez ciborę papirusową (Cyberus papyrus), której w starożytności używano do wyrabiania papirusu.

CAM, czyli kaktus i ananas

Odmianą cyklu C4 jest CAM (Crassulacean acid metabolism, metabolizm kwasowy gruboszowatych), w którym wiązanie dwutlenku węgla przez fosfoenolopirogronian zachodzi w nocy, a jego uwalnianie i wiązanie przez rybulozo-1,5-bisfosforan –  w dzień (Ryc. 8). Korzystają z niego przede wszystkim rośliny żyjące w gorącym klimacie. W dzień aparaty szparkowe umożliwiające wymianę gazową są zamknięte, co zmniejsza straty wody w warunkach wysokich temperatur. Do roślin korzystających z metabolizmu CAM należą m.in. kaktusy, skalne rośliny z rodziny gruboszowatych (stąd nazwa), takie jak rozchodnik (Sedum). Z roślin uprawnych najbardziej znany jest ananas jadalny (Ananas comosus) i wanilia płaskolistna (Vanilla planifolia).

Ryc. 8. Porównanie szlaków C3, C4 i CAM. Otrzymane za pomocą BioRender.com.

Ryż C4 i inne projekty

Skoro szlak C4 jest tak wydajny, to może „przerobić” rośliny C3 na C4? Gdyby udało się to zrobić dla roślin uprawianych na dużą skalę, to mielibyśmy jednocześnie wyższe plony i mniej dwutlenku węgla w atmosferze. W przeszłości zdarzyło się już coś podobnego : 10 milionów lat temu stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wynosiło 0,8%, i to właśnie ekspansja roślin C4 spowodowała obniżenie jego stężenia do 0,028% na początku ery przemysłowej. Dziś nie mamy już do dyspozycji milionów lat na ograniczenie zmian klimatycznych, ale zawsze możemy taki proces rozpocząć, zgodnie z chińskim przysłowiem: nawet 1000-milowa podróż zaczyna się od pierwszego kroku.

Sprawa nie jest jednak łatwa. Nawet gdyby udało się zwiększyć aktywność Rubisco o 100%, to całkowita wydajność fotosyntezy (a więc i asymilacja dwutlenku węgla) wzrosłaby najwyżej o 10-15%. Wszystko dlatego, że fotosynteza jest bardzo skomplikowanym mechanizmem i nie można jej ulepszyć za pomocą prostych zabiegów.

Najbardziej zaawansowane badania dotyczące wprowadzenia szlaku C4 do roślin C3 dotyczą ryżu (Oriza sativa), który stanowi podstawę wyżywienia dla ponad połowy ludzkości. „Project C4 Rice” otrzymał wsparcie finansowe od Bill and Melinda Gates Foundation i jest realizowany przez konsorcjum jednostek naukowych z Uniwersytetem Oksfordzkim na czele. Zmodyfikowany ryż ma być gotowy w 2030 r., ale na razie wyniki nie są spektakularne. W wyniku włączenia pięciu genów kodujących enzymy szlaku C4 udało się uzyskać „ryż pierwszej generacji”, który jednak wcale nie daje wyższych plonów ani nie wiąże więcej dwutlenku węgla. Wydaje się, że ma to związek z niewystarczająco wydajnym transportem metabolitów w liściu. Konieczna jest więc zmiana budowy liści na „anatomię typu Kranz”, a to wymaga co dodatkowego wprowadzenie co najmniej 20 genów regulujących wielkość i ułożenie komórek w liściu. Wprowadzenie tak dużej liczby genów też nie jest prostą sprawą z tej prostej przyczyny, że każdy gen trzeba wprowadzać oddzielnie i potem czekać aż taka roślina wyrośnie (chociaż pracuje się nad metodami pozwalającymi na wprowadzanie wielu genów jednocześnie).

Gdyby się to wszystko się udało, byłaby to “druga zielona rewolucja” (pierwsza to wprowadzenie nawozów sztucznych i nowoczesnych odmian w drugiej połowie XX wieku). Tylko czy taka zmodyfikowana roślina dalej byłaby ryżem i czy taki “ryż C4” nadawałby się do jedzenia? I jak zareagowaliby ludzie, skoro boją się szczepionek mRNA i telefonii 5G? Nie ma łatwych odpowiedzi na te pytania. Ale prędzej czy później ludzkość będzie musiała się do nich odnieść.

Literatura dodatkowa

Jak zwiększyć wydajność fotosyntezy?

https://postepybiochemii.ptbioch.edu.pl/index.php/PB/article/view/100

Fotosynteza i fotooddychanie

https://www.mdpi.com/2223-7747/10/5/908

Masa Rubisco na Ziemi

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1816654116

Zawartość różnych izotopów węgla w atmosferze

https://bg.copernicus.org/articles/18/4389/2021

Ewolucja Rubisco

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/tpj.14669

Czy da się przerobić rośliny C3 na C4?

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/plb.13446

Semaglutyd: uwaga na podróbki!

W poprzednim wpisie opisałem, jak działa semaglutyd, sprzedawany przez producenta (duńską firmę Novo Nordisk) pod nazwami Ozempic, Rybelsus i Wegovy. Zaprojektowany jako lek na cukrzycę typu 2, okazał się też skuteczny w zwalczaniu nadwagi i otyłości. Sukces rynkowy semaglutydu spowodował jednak pojawienie się na rynku podróbek tego leku (zwrócił na to uwagę nasz autor Tomasz Kubowicz). W Wielkiej Brytanii niektóre wersje zawierały insulinę zamiast semaglutydu, co mogło spowodować poważne skutki ze śmiercią włącznie.

Po czym poznać podróbki? W Brazylii, USA i Wielkiej Brytanii sfałszowany Ozempic ma takie numery partii i serii:

i) sfałszowany numer partii (batch number) LP6F832;

ii) sfałszowany numer partii NAR0074 i numer serii (serial number) 430834149057;

iii) numer partii MP5E511 jest prawdziwy, ale zawartość jest sfałszowana.       

Tzw. pióro (czyli ministrzykawka do podawania leku) w podróbkach też wygląda nieco inaczej. Dlatego najlepiej sprawdzić numer serii i numer partii oraz porównać, jak wygląda „oryginalna” strzykawka. Poniżej prawdziwe i podrabiane opakowanie Ozempic oraz prawdziwa i podrabiana strzykawka. Źródło: https://tinyurl.com/mr9nxxxs

Komunikat WHO

https://www.who.int/news/item/19-06-2024-medical-product-alert-n-2-2024–falsified-ozempic-(semaglutide)