Syrop glukozowo-fruktozowy: cichy zabójca czy czarna legenda?

Czytając etykiety produktów spożywczych łatwo się przekonać, jak wiele produktów zawiera syrop glukozowo-fruktozowy (high-fructose corn syrup, HFCS; syrop G-F). Dużo się mówi o jego szkodliwości; ukazywały się publikacje dowodzące, że jest głównym winowajcą epidemii otyłości, zespołu metabolicznego i cukrzycy. Ile w tym jest prawdy? Żeby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba najpierw wyjaśnić różnice między glukozą i fruktozą.

Glukoza i fruktoza

Są to cukry proste zaliczane do heksoz (bo mają 6 atomów węgla). Glukoza jest aldozą, a fruktoza ketozą, co znaczy, że glukoza zawiera grupę aldehydową, a fruktoza ketonową (Ryc. 1).

Ryc. 1. Glukoza i fruktoza, wzory w projekcji Fishera (A) i Hawortha (B). Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Różnica w budowie powoduje, że fruktoza jest ok. dwukrotnie słodsza od glukozy. Wiąże się to z różną dostępnością grup hydroksylowych, które we fruktozie bardziej „wystają”, powodując lepsze oddziaływania z receptorami smaku słodkiego (pisałem o nich we wpisie o smaku).

Chyba wszyscy lubią słodki smak, ale aż do początków ery przemysłowej jedynym dostępnym słodkim pokarmem był miód. Produkcja cukru z trzciny cukrowej była wprawdzie znana już w starożytności, ale roczne spożycie takiego cukru w Europie nie było większe niż 1 łyżeczka na rok. Dopiero na początku XIX wieku rozpoczęła się przemysłowa produkcja cukru, najpierw z trzciny cukrowej, którą uprawiano głównie w Indiach Zachodnich (czyli na wyspach Morza Karaibskiego), a później z buraków cukrowych (to już w Europie). Jaki to był cukier? Sacharoza, czyli α-D-glukopiranozylo-(1→2)-β-D-fruktofuranoza. Nazwa skomplikowana, ale jest to po prostu połączenie glukozy z fruktozą w stosunku 1:1 (Ryc. 2).

Ryc. 2. Sacharoza. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Sacharoza była podstawową substancją używaną do słodzenia aż do lat 70 XX wieku, kiedy opracowano technologię produkcji syropu glukozowo-fruktozowego. Dziś jego spożycie w USA zrównało się ze spożyciem sacharozy. W Europie sacharoza wciąż dominuje.

Jak powstaje syrop glukozowo-fruktozowy?

Ze skrobi, czyli polimeru glukozy (Ryc. 3). Głównym źródłem skrobi do produkcji syropu w USA, które są jego największym producentem na świecie, jest kukurydza. W Europie powstaje głównie z pszenicy. Po ok. 40-godzinnym namoczeniu zmielonych ziaren kukurydzy lub pszenicy w temperaturze 50oC następuje mechaniczne rozdzielenie skrobi od białek, a następnie jej enzymatyczna degradacja na podjednostki glukozowe. Powstaje w ten sposób syrop składający się wyłącznie z glukozy, który ma jedną wadę ( z punktu widzenia producenta): jest stosunkowo mało słodki. Dlatego w następnym kroku dodaje się enzym o nazwie izomeraza glukozowa, która przerabia glukozę na fruktozę. W pierwszym etapie procesu powstaje syrop o zawartości fruktozy 42% (HFCS-42). Dodaje się go do większości przetworzonych produktów spożywczych. Zawartość fruktozy może być dalej zwiększona do 90% (za pomocą tego samego enzymu). Taki syrop nie jest jednak stosowany bezpośrednio, ale mieszany z syropem 42%. Powstały w wyniku tego syrop o zawartości 55% (HFCS-55) jest używany do słodzenia napojów.

Ryc. 3. Podjednostka skrobi: cząsteczki glukozy połączone wiązaniami β1→4. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Fruktoza czyli cukier owocowy

Tak więc syrop glukozowo-fruktozowy to mieszanina glukozy i fruktozy, przy czym fruktozy może być 42% albo 55%. Dla porównania, miód pszczeli składa się z 25 -35% glukozy, 35 – 40% fruktozy, oraz maltozy (dimer glukozy, 2%) i sacharozy (3%). Sacharoza, jak to już było wspomniane, składa się w 50% z glukozy i w 50% z fruktozy. Wszystkie te produkty zawierają glukozę i fruktozę, a różnice w ich wzajemnym stosunku są niewielkie. A jakie mogą być skutki spożywania glukozy i fruktozy? Czy jeden cukier jest „zdrowszy” od drugiego?

Glukoza jest ważnym paliwem dla naszych komórek i jedynym, z którego może korzystać nasz mózg i czerwone krwinki. Rozkład glukozy (czyli glikoliza) prowadzi do powstania pirogronianu, z którego z kolei powstają dwuwęglowe jednostki. Z nich w ramach cyklu Krebsa otrzymujemy elektrony o wysokiej energii, które służą do produkcji ATP, jedynego nośnika energii dla naszych komórek. Odbiorcą tych elektronów jest tlen; jeżeli jest dostępny, mamy do czynienia z tlenowym rozkładem glukozy. Jeżeli go nie ma (np. w pracujących mięśniach, kiedy naczynia krwionośnie nie mogą go dostarczyć), to powstaje mleczan. Tak więc glukoza może być łatwo i szybko przekształcana w energię przez wszystkie komórki naszego ciała.

Inaczej ma się rzecz z fruktozą. Jedynym narządem, który może ją efektywnie rozkładać, jest wątroba. Ze względu na to, że rozkład fruktozy omija podstawowy etap regulatorowy glikolizy (katalizowany przez fosfofruktokinazę), fruktoza jest w stanie prawie całkowicie zatrzymać rozkład glukozy w wątrobie. Inaczej mówiąc, jeżeli zjemy taką samą ilość glukozy i fruktozy, to fruktoza ulegnie rozkładowi jako pierwsza. Ponadto, fruktoza spożyta w dużej ilości powoduje „zalanie” szlaków metabolicznych w wątrobie. Skutkiem jest podwyższenie syntezy kwasów tłuszczowych, ich estryfikację (w jej wyniku powstają tłuszcze) i zwiększone wydzielanie cząstek LDL (low-density lipoprotein). Cząstki LDL rozprowadzają tłuszcze i cholesterol po naszym organizmie, ale w nadmiarze mogą odkładać się w naczyniach powodując miażdżycę. LDL to jest właśnie tzw. „zły” cholesterol. Jeżeli stężenie LDL w surowicy wynosi powyżej 135 g/100 ml, to zaleca się jego obniżenie.

Syrop glukozowo-fruktozowy, słodzone napoje i soki owocowe

Problemem nie jest więc sam skład syropu glukozowo-fruktozowego, ponieważ sacharoza, którą znamy od lat, zawiera prawie tyle samo fruktozy (czyli ok. 50%). Problem leży gdzie indziej: nasze organizmy nie są przystosowane do spożywania dużej ilości prostych węglowodanów w krótkim czasie. Najwięcej łatwo przyswajalnych prostych węglowodanów jest w słodzonych napojach, chociaż przemysł spożywczy słodzi wszystko co może, nawet ketchupy czy „serki wiejskie”. Popatrzmy na tabelę przedstawiającą zawartość glukozy i fruktozy w szklance napoju:

Jak widać, szklanka coca-coli zawiera ok 26,5 g węglowodanów (są to dwie stołowe łyżki cukru). Jeżeli jest słodzona sacharozą, to 12,5 g z tego stanowi fruktoza, a jeżeli syropem glukozowo-fruktozowym, to 13,7 g. Tak więc cola słodzona syropem G-F zawiera minimalnie więcej fruktozy niż słodzona sacharozą, ale nie tak dużo więcej: 1,1 g, czyli ok. 1/5 łyżeczki cukru. Nie zmienia to faktu, że fruktozy jest w niej dużo. Za dużo. Ta fruktoza (a także glukoza, której jest prawie tyle samo) bardzo szybko wchłania się w naszym jelicie cienkim i trafia do krwiobiegu. Jeżeli uprawiamy akurat sport, to glukoza zostanie wykorzystana przez mięśnie. Co innego fruktoza: ta w całości trafia do wątroby, która jest w stanie przetworzyć 25 g fruktozy dziennie z wytworzeniem „klasycznych” produktów glikolizy. Mogą one posłużyć do wytwarzania ATP. Każda ilość fruktozy powyżej tej wartości zostaje przetworzona na tłuszcze, rozprowadzane w organizmie przez cząstki LDL. Bardzo podobny mechanizm ma miejsce w wyniku spożywania alkoholu etylowego. Oczywiście fruktoza nie ma jego właściwości wpływających na nasz mózg, ale metabolicznie całkiem go przypomina. Uważa się, że fruktoza (a raczej jej nadmiar) jest główną przyczyną niealkoholowej stłuszczeniowej choroby wątroby (NAFLD), która jest najczęstszą chorobą przewlekłą wątroby, dotykającą nawet 20% populacji krajów rozwiniętych.

Co z sokami owocowymi?

Tu jest jeszcze gorzej, ponieważ wprawdzie całkowita zawartość węglowodanów jest minimalnie niższa niż w napojach typu cola (tabela), ale zawartość fruktozy może być nawet wyższa. W szklance soku jabłkowego jest o 20-30% fruktozy więcej niż w coli (16,3 g w soku wobec 13,7 w coli). Dla porównania, 100-gramowe jabłko zawiera ok. 6 g fruktozy.

W szklance soku pomarańczowego fruktozy jest wprawdzie 10-15% mniej niż w coli, ale to jest nadal bardzo dużo. Tak czy inaczej, dwie szklanki coli (wszystko jedno, czym słodzonej) albo dwie szklanki soku to nasz dobowy limit na „zdrowy” metabolizm fruktozy. Jeżeli spożyjemy jej więcej, nie jest to nic dobrego dla naszego organizmu.

Wniosek jest następujący: jednym z winowajców w wielu problemach zdrowotnych, które trapią naszą cywilizację (otyłość, zespół metaboliczny, cukrzyca, choroba wieńcowa serca) są oczyszczone proste cukry: glukoza i fruktoza. Z tej pary fruktoza jest gorsza.

A co z syropem glukozowo-fruktozowym? To raczej czarna legenda. Słodzi się nim zamiast sacharozą, bo jest od niej tańszy. Ale wcale nie jest od niej gorszy, a w porównaniu do soków owocowych może być nawet lepszy, bo te zawierają więcej fruktozy. Ale to wszystko zależy od ilości. Nikomu nie zaszkodzi szklanka soku (czy coli) wypita od czasu do czasu. Ale jeżeli takie napoje wchodzą w skład naszej codziennej diety, to nie jest to nic dobrego dla naszego zdrowia.

Literatura dodatkowa

Czym jest, a czym nie jest syrop glukozowo-fruktozowy

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0002916523233948

Zawartość glukozy i fruktozy w napojach

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0899900714001920?via%3Dihub

Skład miodu pszczelego

https://www.jandonline.org/article/S0002-8223(06)00879-0/fulltext

Fizjologia smaku (4): kapsaicyna, czyli ogień w gębie

Papryczki chili. Źródło: Wikipedia, Cliff Hutson. Licencja CC BY-SA 2.0.

To już czwarty tekst na temat odczuwania smaku. W poprzednich pisałem o receptorach smaku, substancjach powodujących cierpkość, takich jak taniny i substancjach, które powodują, że jedzenie ma doskonały smak, co nazywamy efektem kokumi.

A co z potrawami o ostrym smaku, czyli takich, po których pali w ustach i w gardle? Przeważnie zawierają owoce różnych gatunków ostrej papryki. Papryka (Capsicum) to roślina z rodziny psiankowatych (Solanaceae), a więc krewna ziemniaka i pomidora. Pochodzi z Ameryki Środkowej i Południowej. Jest wiele jej gatunków, a wśród nich chyba najbardziej znana jest papryka chili. Nazwa chili pochodzi z języka Indian Nahuatl, którzy nazywali tak gatunek papryki uprawiany przez Azteków już 3000 lat przed naszą erą. Zawiera kapsaicynę, która jest organicznym związkiem chemicznym zaliczanym do alkaloidów (Ryc. 1).

Ryc. 1. Kapsaicyna. Grupa waniloidowa w czerwonym kółku. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Skala Scoville’a

Czy ostry smak potrawy da się ilościowo zmierzyć? Służy do tego skala ostrości nazywana skalą Scoville’a. Wprowadził ją amerykański chemik Wilbur Scoville w 1912 r. Podawał osobom testującym roztwory ostrych substancji o różnym rozcieńczeniu, a one raportowały, kiedy zaczynają odczuwać pieczenie. Wartość Scoville’a dla czystej kapsaicyny wyznaczono na 16 000 000 jednostek, nazywanych jednostkami Scoville’a (Scoville Heat Units, SHU). Dziś wartości Scoville’a wyznacza się za pomocą wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej, ale skala pozostaje ta sama. W Tabeli 1 wymieniono niektóre przyprawy i związki chemiczne o piekącym działaniu i ich wartości Scoville’a. Jak widać, kapsaicyna nie jest wcale najbardziej piekącą substancją; rezynyferatoksyna, produkowana przez roślinę Euphorbia resinifera jest od niej 1000 razy mocniejsza.

Tabela 1. Wartości Scoville’a dla różnych substancji i przypraw. Źródło: Wikipedia.

Jak działa kapsaicyna?

Wiąże się do białka o nazwie TRPV1 (waniloidowy receptor przejściowego potencjału 1; transient receptor potential vanilloid 1). Jest to jeden z dwóch receptorów smaku słonego.

Ale TRPV1 występuje nie tylko w receptorach kubków smakowych, ale także (a raczej przede wszystkim) na obwodowych zakończeniach włókien nerwowych. Receptory te biorą udział w powstawaniu i przewodzeniu uczucia bólu, a także sygnalizują, kiedy temperatura wzrasta powyżej 43oC (co też jest bolesne).

Białko TRPV1 składa się z sześciu fragmentów przebijających błonę komórkową (czyli transmembranowych). We fragmencie N-końcowym znajduje się domena wiążąca ankyrinę, która jest białkiem szkieletu komórkowego. We fragmencie C-końcowym jest domena TRP, która reaguje na podwyższenie temperatury (Ryc. 2).

Ryc. 2. Schemat budowy receptora TRPV1, fragmenty transmembranowe S1-S6 pokazano w postaci walców. ARD: domena wiążąca ankyrinę, TRP: domena wyczuwająca przejściowe zmiany potencjału, np. w podwyższonej temperaturze.  Źródło: Tang F., Zheng J., Protein Cell 2017, 8:169–177. Licencja CC BY-SA 4.0.

Kanał sodowo-wapniowy w białku TRPV1 jest zazwyczaj zamknięty, ale może otworzyć się pod wpływem kilku czynników. Może to być temperatura wyższa niż 43oC, a także czynniki powstające w wyniku uszkodzenia tkanki, takie jak bradykinina. Do agonistów TRPV1, czyli substancji łączących się z receptorem i powodujących jego aktywację zalicza się też neurotoksyczne peptydy wchodzące w skład jadu niektórych pająków (np. ptasznika trynidadzkiego czyli Psalmopoeus cambridgei). Toksyny te noszą nazwę wanilotoksyn, ponieważ w ich skład wchodzi grupa waniloidowa. Grupa ta jest obecna w wanilinie, jednym ze składników zapachowych wanilii. Kapsaicyna też ją zawiera (Ryc. 1). Zarówno wanilotoksyny, jak kapsaicyna i jej pochodne wiążą się do transmembranowego fragmentu S4, co powoduje przemieszczenie fragmentu S6 i otwarcie kanału dla jonów Na+ i Ca2+ (Ryc. 3).

Ryc. 3. A: Struktura TRPV1 (błona lipidowa pokazana w postaci jasnoniebieskich dysków). B: Miejsce wiązania kapsaicyny (CAP) do transmembranowego fragmentu S4. C: Związanie kapsaicyny (CAP) do fragmentu S4 powoduje przemieszczenie (fioletowa strzałka) transmembranowego fragmentu S6 (pokazane w postaci czerwonych walców) i otwarcie kanału dla jonów (niebieska strzałka). Źródło: Tang F., Zheng J., Protein Cell 2017, 8:169–177. Licencja CC BY-SA 4.0.

Otwarcie kanału powoduje, że jony Na+ i Ca2+ wpływają do wnętrza komórki, powodując powstanie potencjału czynnościowego, który przemieszcza się do mózgu powodując odczucie bólu oraz gorąca. Takie receptory nazywane są nocyceptorami, bo po łacinie „nocere” to szkodzić (Ryc. 4).

Ryc. 4. Aktywacja TRPV1 przez różne czynniki powoduje przesłanie sygnału do mózgu. Źródło: Anand P., Bley K., Br. J. Anaesthesia 2011, 107: 490–502. Licencja CC BY-SA 4.0.

Tak więc obecność kapsaicyny powoduje aktywację receptorów bólowych. Pojawia się też nieprzyjemne odczucie gorąca, o czym może zaświadczyć każdy, kto jadł naprawdę ostre danie (po angielsku na takie dania mówi się „hot”).

Dlaczego papryka wytwarza kapsaicynę? Żeby odstraszyć potencjalnych amatorów jej owoców, takich jak roślinożerne zwierzęta, a także grzyby pasożytnicze. Większość zwierząt (w tym owady) jest wrażliwa na kapsaicynę, z tym że u ptaków ta wrażliwość jest stosunkowo niska ze względu na trochę odmienną w stosunku do ssaków budowę TRPV1. Dlatego ptaki chętnie jedzą papryczki chili, przyczyniając się to ich rozsiewania. Wśród ssaków ciekawy jest przypadek wiewiórecznika o nazwie tupaja północna (Tupaia belangeri). Jej TRPV1 ma punktową mutację, przez wrażliwość na kapsaicynę jest podobna jak u ptaków. Okazało się, że tupaje jedzą jeden z gatunków pieprzu, Piper boehmeriaefolium, który zawiera dużo związków spokrewnionych z kapsaicyną.

Nagroda Nobla 2021 r.

Piekące właściwości papryki znane były już Aztekom, a od lat 70. XX wieku postulowano, że kapsaicyna musi się wiązać do jakiegoś receptora (tylko wtedy go jeszcze nie znano). W 1997 r. zespół Davida Juliusa z Uniwersytetu Kalifornijskiegotworzy kompleks z receptorem w San Francisco sklonował i scharakteryzował taki receptor z neuronów szczura i wykazał, że jest to jonowy kanał reagujący na podwyższoną temperaturę, a także obecność kapsaicyny. Ponieważ jego sekwencja była podobna do innych białek z rodziny TRP (transient receptor potential), nazwano go TRPV1. W 2002 r. ten sam zespół oraz niezależnie od niego grupa  Ardema Patapoutiana z centrum badawczego Scripps w Kalifornii scharakteryzowały receptor TRPM8, który jest kanałem jonowym otwierającym się w niskiej temperaturze. Aktywatorem TRPM8 jest mentol, substancja nadająca smak i zapach mięcie. Dlatego jedząc miętówki albo żując gumę o smaku peppermint odczuwamy zimno: zawarty w nich mentol aktywuje receptory zimna (w tym TRPM8) na podobnej zasadzie, na której kapsaicyna aktywuje receptory ciepła. Rok później zespół Davida Juliusa scharakteryzował receptor TRPA1, który podobnie jak TRPV1 jest przekaźnikiem bólu, a ponadto ulega aktywacji przez izotiocyjanian allilu, który jest substancją odpowiedzialną za ostry smak musztardy i chrzanu. Dlatego TRPA1 nazywa się też receptorem Wasabi (Ryc. 5).

Ryc. 5. Izotiocyjanian allilu. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Artem Patapoutian z zespołem odkryli jeszcze jeden receptor o nazwie Piezo 2, który jest kanałem jonowym aktywowanym przez siłę mechaniczną i wchodzi w skład komórek odpowiadających za dotyk, takich jak komórki Merkla. David Julius i Artem Patapoutian otrzymali Nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny w r. 2021 (Ryc. 6).

Ryc. 6. Mechanizm działania receptorów bólu i temperatury (TRPV1) oraz dotyku (Piezo2). Według: Wikipedia, Guido 4. Licencja CC BY-SA 4.0.

Kapsaicyna jako lek?

Kapsaicyna wchodzi w skład wielu maści i plastrów rozgrzewających o lokalnym działaniu przeciwbólowym. Uważa się, że jej mechanizm działania polega na „odczuleniu” receptorów bólowych. Ale jej potencjalne zastosowanie to także leczenie bólów przewlekłych, ponieważ  białko TRPV1 tworzy kompleks z receptorem opioidowym µ, znanym też jako MOR1. Jest to główny receptor opioidowy: związanie morfiny przez ten receptor powoduje zniesienie odczuwania bólu. Oba białka kooperują ze sobą w przesyłaniu sygnału. Długotrwałe stosowanie morfiny powoduje jednak internalizację (czyli wciągnięcie do wnętrza komórki) receptorów MOR1. Pojawia się wtedy tolerancja wobec tej substancji, a skutkiem jest konieczność stosowania coraz większych dawek morfiny dla uzyskania tego samego efektu. Wydaje się więc, że połączenie morfiny i kapsaicyny może dać dobre wyniki terapeutyczne.

Literatura dodatkowa

Odczuwanie ostrego smaku

https://www.mdpi.com/2304-8158/12/12/2317

Budowa i funkcja TRPV1

https://phmd.pl/api/files/view/1453758.pdf

Nagroda Nobla z fizjologii lub medycyny 2021

https://link.springer.com/article/10.1007/s00424-022-02667-x

Uniewinniona dzięki genetyce. Sprawa Kathleen Folbigg (2)

W poprzednim wpisie napisałem o sprawie Kathleen Folbigg, która została oskarżona o zamordowanie czwórki swoich dzieci i przesiedziała 20 lat w więzieniu. Dzięki badaniom genetycznym udało się wykazać, że dzieci zmarły z powodu rzadkich mutacji genetycznych. Jedna z nich dotyczyła kalmoduliny, białka wiążącego jony wapnia i odgrywającego dużą rolę w skurczu mięśnia.

Jak działają mięśnie prążkowane?

Jak wiemy ze szkoły, mięśnie dzielą się na gładkie i prążkowane, a te ostatnie dodatkowo na szkieletowe i wchodzące w skład mięśnia sercowego. Skurcz mięśnia prążkowanego następuje w wyniku wzajemnego przesunięcia kompleksów białkowych nazywanych filamentami. Są ich dwa rodzaje: cienkie i grube. W skład cienkich wchodzą następujące białka: aktyna, troponiny (są ich trzy rodzaje) i tropomiozyna, a w skład grubych głównie miozyna. Grube filamenty są zakotwiczone w błonie komórkowej za pomocą tytyny, która jest największym znanym białkiem. Pisał o niej Piotr Gąsiorowski. Prążki widoczne w mięśniu pod mikroskopem są wynikiem obecności regularnie rozmieszczonych grubych i cienkich filamentów. Ich kompleks zdolny do skurczu nosi nazwę sarkomeru (Ryc. 1).

Ryc. 1. Struktura sarkomeru mięśnia sercowego. Według: Wikipedia, Mohamed Elshennavy.  Licencja CC BY 4.0.

Kiedy ma miejsce skurcz mięśnia? Kiedy w sarkomerze pojawią się jony wapnia. Pod wpływem impulsu nerwowego (zwanego bardziej prawidłowo potencjałem czynnościowym) następuje uwolnienie jonów Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej zwanej też retikulum sarkoplazmatycznym. Jest to obecny w każdym mięśniu prążkowanym system połączonych zbiorników, którego głównym zadaniem jest gromadzenie jonów Ca2+ i rozprowadzanie ich za pomocą kanalików T i cystern brzeżnych. Jony wapnia powodują związanie główek miozyny z aktyną, a wzajemne przesuwanie filamentów jest spowodowane hydrolizą ATP w  główkach miozyny (Ryc. 2).

Ryc. 2. Przekrój przez mięsień szkieletowy z widocznymi kanalikami T biegnącymi do wnętrza komórki między dwie cysterny brzeżne, od których odchodzą kanaliki siateczki sarkoplazmatycznej. Sarkolemma to błona komórkowa komórki mięśniowej czyli miocytu. Według: Wikipedia, OpenStax, Licencja CC BY 4.0.

O czego zależy skurcz mięśnia? W przypadku mięśni szkieletowych od naszej woli. W odpowiedzi na „polecenie” wygenerowane we fragmencie czołowego płata kory mózgowej powstaje potencjał czynnościowy, który za pośrednictwem nerwów odśrodkowych trafia do odpowiedniego mięśnia szkieletowego. Przyczyną powstawania potencjałów czynnościowych są zmiany w przepuszczalności błony komórkowej neuronów, spowodowane otwieraniem i zamykaniem się białek przenoszących jony Na+ i K+, czyli kanałów sodowych i potasowych. Ponieważ stężenie jonów Na+ na zewnątrz komórki jest wyższe niż wewnątrz (w przypadku jonów K+ jest odwrotnie), otwarcie kanałów jonowych powoduje chwilową depolaryzację błony komórkowej: różnica potencjałów po obu stronach błony (czyli napięcie) zmienia się z ok. -60 mV na  ok. +30 mV. Stały potencjał komórkowy jest utrzymywany przez pompę sodowo-potasową zależną od ATP (NKA). Pisałem o tym w moim wpisie na temat układu nerwowego. Ta zmiana potencjału powoduje uwolnienie jonów Ca2+ z siateczki śródplazmatycznej, a w konsekwencji skurcz mięśnia.

W mięśniu sercowym za skurcze odpowiadają potencjały czynnościowe generowane przez węzeł zatokowo-przedsionkowy. Znajduje się on w ścianie prawego przedsionka serca i jest generatorem wyładowań elektrycznych, które rozpoczynają i kończą każdy cykl akcji serca (możemy badać te cykle za pomocą EKG). Podobnie jak w przypadku mięśnia szkieletowego, powodują one uwolnienie jonów Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej.

W mięśniu prążkowanym, który się nie kurczy, miozyna nie może związać się z aktyną, ponieważ tropomiozyna skutecznie blokuje dostęp. Ale kiedy z siateczki sarkoplazmatycznej zostaną uwolnione jony Ca2+, wiążą się one do troponiny C zmieniając strukturę kompleksu troponina-tropomiozyna. Aktyna odsłania się i miozyna może się do niej związać. Teraz korzystając z energii zawartej w ATP miozyna zaczyna wędrówkę po filamencie aktynowym, i będzie to robić tak długo, jak będą obecne jony Ca2+. (Ryc. 3).

Ryc. 3. Mechanizm skurczu mięśnia na przykładzie pojedynczego filamentu w sarkomerze. Jony Ca2+ wiążą się do troponiny C, powodując zmianę struktury kompleksu troponina-tropomiozyna. W wyniku tej zmiany struktury główka miozyny wiąże się do aktyny. Zapoczątkowuje to przesuwanie się grubego filamenty po cienkim filamencie, w wyniku czego sarkomer ulega skróceniu. Energia potrzebna do wzajemnego przesuwania się filamentów pochodzi z hydrolizy ATP. Według: Havey C. et al.,  Cells 2023, 12:  2526. Licencja CC BY 4.0.

Jony wapnia jako klucz do skurczu mięśnia (nie tylko sercowego)

Potencjał czynnościowy przemieszczający się wzdłuż kanalików T powoduje otwarcie kanałów dla sodu i wapnia (NCX). Zewnątrzkomórkowe jony Ca2+ wnikają do komórki, a podwyższenie jego stężenia jest wyczuwane przez receptory rianodynowe (RyR) w błonie siateczki sarkoplazmatycznej. Nazwa pochodzi od alkaloidu z rośliny Ryania speciosa z rodziny wierzbowatych, który mają zdolność do ich blokowania. Receptory RyR są białkami transportującymi wapń: po otwarciu wprowadzają do cytoplazmy jony Ca2+ znajdujące się w siateczce sarkoplazmatycznej. Jony wapnia wiążą się do troponiny i następuje skurcz mięśnia.

Do przerwania skurczu potrzebne jest natomiast obniżenie stężenia jonów Ca2+.  Teraz do gry wchodzi pompa wapniowa zależna od ATP (sarco/endoplasmic reticulum ATPase, SERCA), która korzystając z energii ATP przepompowuje jony Ca2+ z powrotem do siateczki sarkoplazmatycznej. Cześć jonów Ca2+ jest też usuwana z komórki przez transporter wymieniający jony Na+ na Ca2+. Spadek stężenia Ca2+ powoduje zmianę struktury troponina-tropomiozyna. Miozyna znów nie może związać się z aktyną, co powoduje relaksację mięśnia. Na tej zasadzie działają zarówno mięśnie szkieletowe, jak mięsień sercowy (chociaż są między nimi pewne różnice). Transportery jonów biorące udział w skurczu mięśnia sercowego pokazano na Ryc. 4. Mięśnie gładkie działają trochę inaczej i zasługują na osobny wpis.

Ryc. 4. Transportery jonów biorące udział w skurczu mięśnia sercowego. Według: Wikipedia, PeaBrainC, Licencja CC BY 4.0.

Kalmodulina i jony wapnia

Tak więc jony wapnia stanowią podstawę regulacji skurczu mięśnia. Jego stężenie jest kontrolowane przez dwa rodzaje białek: te, które transportują jony Ca2+ przez błonę komórkową oraz te, które wiążą te jony wewnątrz komórki. Najważniejszym wewnątrzkomórkowym czujnikiem jonów Ca2+ jest wspomniana kalmodulina, białko składające się ze 148 aminokwasów. Sekwencja aminokwasowa kalmoduliny jest taka sama u wszystkich kręgowców, tak więc można ją uznać za jedno z najbardziej konserwatywnych ewolucyjnie białek. U człowieka, podobnie jak u innych kręgowców, kalmodulina jest kodowana przez trzy geny o nazwach CALM1, CALM2 i CALM3, znajdujące się na chromosomach 14, 2 i 19. Układ intronów (czyli fragmentów genu, które nie kodują białka) i sekwencja aminokwasowa jest taka sama. Różne są natomiast sekwencje promotorów, czyli fragmentów genu odpowiadających za transkrypcję (przepisanie DNA na mRNA). Dzięki tym różnicom poziom transkrypcji (a więc pośrednio ilość białka) jest różny w różnych komórkach. Chociaż sekwencja aminokwasowa tych trzech genów jest taka sama, to sekwencje nukleotydowe wykazują spore różnice. Uważa się na przykład, że dzięki tym różnicom różna jest stabilność (czyli trwałość) mRNA w różnych komórkach. Dzięki temu na przykład w spermatydach, czyli komórkach, z których powstają plemniki, najwięcej jest mRNA dla CALM3, który jest najtrwalszy.

Ze względu na wielopoziomową regulację, poziom mRNA przepisanego z trzech genów może być różny w różnych tkankach. Najwyższa ekspresja genu CALM1 ma miejsce w adipocytach, czyli komórkach tkanki tłuszczowej, genu CALM2 w komórkach płuc, a genu CALM3 w spermatydach. W porównaniu do tych komórek, poziom ekspresji wszystkich trzech genów kalmoduliny w komórkach serca jest stosunkowo niski (ok. 1/3 tego, co wymienionych wyżej genów). Schemat regulacji ekspresji genów kodujących kalmodulinę pokazano na Ryc. 5.

Ryc. 5. Geny kodujące kalmodulinę i regulacja ich ekspresji. Według: Munk M. et al., Cell Calcium 2022, 107:102656. Licencja CC BY 4.0.

Struktura kalmoduliny

Cząsteczka kalmoduliny zawiera cztery miejsca wiążące jony Ca2+. Związanie wszystkich czterech jonów powoduje zmianę jej struktury: łańcuch białkowy w okolicy związanych jonów zmienia położenie, odsłaniając dwa ukryte dotąd fragmenty. Właśnie za pośrednictwem tych fragmentów kalmodulina wiąże się do innych białek, modulując ich działanie. Jakie to białka? Znamy ich dzisiaj ponad 300, mogą to być enzymy, białka szkieletu komórkowego czy pompy jonowe. Wykazano na przykład, że różnice w długości dzioba u tzw. zięb Darwina, czyli w grupie kilkunastu podobnych do siebie gatunków ptaków opisanych przez Karola Darwina na wyspach Galapagos są spowodowane różną ekspresją kalmoduliny. Wyższa ekspresja kalmoduliny powoduje wydłużenie dzioba, a u ptaków z krótszym dziobem kalmoduliny powstaje mniej. Uważa się, że kalmodulina oddziałuje z białkiem BMP4 (4 białko morfogenetyczne kości, bone morphogenetic protein 4) powodując wydłużenie struktur kości dzioba. Kalmodulina może więc być modulatorem rozwoju struktur twarzowo-czaszkowych, a jest to tylko jedna z jej licznych funkcji.

W komórkach mięśni prążkowanych kalmodulina wiąże się do białek transportujących jony Ca2+, blokując ich działanie i biorąc tym samym udział w wygaszaniu sygnału spowodowanego przez jony wapnia. Można więc porównać kalmodulinę do człowieka, który ma obie ręce sprawne, z tym że te ręce pojawiają się dopiero po związaniu jonów Ca2+ (Ryc. 6).

Ryc. 6. Struktura kalmoduliny przed i po związaniu jonów wapnia (niebieskie kółka). Gwiazdkami oznaczono fragmenty, za pomocą których kalmodulina wiąże się do innych białek. Odsłaniają się po związaniu czterech jonów Ca2+. Źródło: Wikipedia, PDB. Licencja CC BY 4.0.

Mutacje w genach kodujących kalmodulinę

Co dzieje się w przypadku mutacji w genach kodujących kalmodulinę? Mogą one wpływać na zdolność tego białka do wiązania jonów Ca2+. Jeżeli kalmodulina może związać tylko trzy jony Ca2+, to jej struktura nie zmieni się w dwóch miejscach, a tylko w jednym. To trochę tak, jakby człowiek miał tylko jedną sprawną rękę. Taka kalmodulina może związać tylko jeden fragment innego białka, tak więc nie może go skutecznie blokować.

Najczęściej spotykane mutacje kalmoduliny przedstawiono na Ryc. 7. Niektóre z nich powodują, że jon Ca2+ nie może zostać związany w danym miejscu, tak jak np. zamiana asparaginy w pozycji 98 na serynę (skrótowa nazwa takiej mutacji to N98S). Wykazano, że taka mutacja może spowodować nagłą śmierć łóżeczkową (sudden infant death, SID). Z kolei zamiana kwasu asparaginowego w pozycji 130 na serynę (D130) może spowodować zespół długiego QT (long QT syndrome, LQTS). Nazwa pochodzi od wydłużenia odstępu QT w elektrokardiogramie. Może to prowadzić do arytmii i migotania komór. Mutacje takie mogą zajść w każdym z trzech genów kodujących kalmodulinę i każda taka mutacja może wywołać poważne skutki kliniczne.

U Kathleen Folbigg i jej dwojga dzieci znaleziono mutację w genie CALM2 polegającą na zmianie glicyny w pozycji 114 na argininę (G114R). Ta glicyna znajduje się dość daleko od miejsca wiązania jonów Ca2+, więc teoretycznie jej zamiana na inny aminokwas nie powinna mieć dużego wpływu na wiązanie. Opisano jednak mutację G114W w genie CALM3, w której glicyna w tej samej pozycji została zastąpiona przez tryptofan. Dzieci, u których znaleziono tę mutację (rodzeństwo), zmarły nagle w wieku 4 i 5 lat. Przyczyną zgonu było migotanie komór i zatrzymanie akcji serca albo nagła śmierć łóżeczkowa. Tak więc glicyna w pozycji 114 ma (pośredni) wpływ na wiązanie jonów Ca2+, chociaż nie bierze w nim bezpośredniego udziału.

Ryc. 7. Struktura kalmoduliny i mutacje powodujące obniżenie jej zdolności do wiązania jonów Ca2+. Po prawej stronie pokazano niektóre mutacje kalmoduliny i przyczyny zgonu dzieci, u których je znaleziono. SID: nagła śmierć łóżeczkowa (sudden infant death), LQTS:  zespół długiego QT (long QT syndrome), CA: zatrzymanie akcji serca (cardiac arrest). Podano wiek dziecka w chwili śmierci. Według: Brohus M et al. Europace 2021, 23. 441–450. Licencja CC BY 4.0.

W komórkach mięśni prążkowanych kalmodulina działa jak czujnik podwyższonego stężenia jonów Ca2+. Jeżeli jest ich dużo, to wiąże się do kanałów wapniowych powodując ich zablokowanie. Jeżeli jednak zawiera mutacje takie jak opisane wyżej, to kanał wapniowy nie zostanie zablokowany w sytuacji wysokiego stężenia jonów Ca2+. Taki niezablokowany kanał dalej transportuje jony Ca2+ nawet w sytuacji, gdy skurcz już się skończył i jony Ca2+ są wypompowywane z komórki z powrotem do siateczki sarkoplazmatycznej. W prawidłowej komórce mięśniowej powoduje to znaczne obniżenie ich stężenia, ale w komórce osoby z mutację stężenie jonów Ca2+ nie spada, a więc skrurcz trwa. Pamiętamy, że są trzy geny (czyli sześć alleli) kodujących kalmodulinę, a wzajemny stosunek mRNA dla genów CALM1, CALM2 i CALM3 to 15:25:60. Jeżeli jeden allel genu CALM2 zawiera mutację, to ok. 12,5% cząsteczek kalmoduliny (czyli połowa puli mRNA z genu CALM2) nie działa prawidłowo. I to może wystarczyć, aby zakłócić pracę mięśnia sercowego (Ryc. 8). A co z mięśniami szkieletowymi? Tam też może dojść do podobnej sytuacji, ale skutkiem może być najwyżej lokalny skurcz mięśnia. W jego wyniku raczej nikt raczej nie umrze.

Dlaczego osoby z takimi mutacjami mogą mieć problemy z sercem?

Ryc. 8. Kalmodulina jako modulator kanałów wapniowych. Mutację G114R znaleziono u dzieci Kathleen Folbigg. Zdolność do wiązania tylko trzech (zamiast czterech) jonów Ca2+ powoduje, że kalmodulina z mutacją G114R (kolor czerwony) słabiej wiąże się do białek transportujących wapń: receptora rianodynowego (RyR2) i kanału wapniowego (CaM). Skutkiem jest „przepuszczanie” jonów Ca2+ przez te białka. Według: Brohus M et al., Europace 2021, 23. 441–450. Licencja CC BY 4.0.

Dlaczego Kathleen Folbigg nie miała problemów z sercem?

Uważny czytelnik zapyta: dlaczego dwoje dzieci z mutacją G114R zmarło, podczas gdy ich matka, po której one tę mutacje odziedziczyły, była zdrowa? Dlatego, że mutacje w kalmodulinie nie zawsze dają objawy kliniczne. Przyczyną mogą być mutacje w innych genach, które chronią ich nosicieli przed problemami kardiologicznymi. Przykładami mogą być mutacje w genie KCNQ1, który koduje kanał potasowy bramkowany napięciem, albo w genie NOS1AP, który koduje białko adaptorowe syntazy tlenku azotu. Obecność takich mutacji powoduje, że nawet jeżeli kalmodulina nie działa do końca prawidłowo, to jest to równoważone przez inne czynniki (np. wyższe stężenie tlenku azotu). Takie geny nazywa się genami modyfikującymi (modifier genes). Prawdopodobnie nosicielką jednego z nich jest Kathleen Folbigg.

Literatura dodatkowa

Mechanizm skurczu mięśnia

https://doi.org/10.3390/cells12212526

Rola kalmoduliny w wydłużaniu dzioba u zięb Darwina

https://www.nature.com/articles/nature04843

Rola kalmoduliny w skurczu mięśnia sercowego

https://doi.org/10.1111/febs.12337

Mutacje w genie kalmoduliny związane z arytmią

https://doi.org/10.3390/ijms21041418

Ekspresja kalmoduliny w różnych tkankach

https://doi.org/10.1016/j.ceca.2022.102656

Geny modyfikujące działanie kalmoduliny

https://doi:10.1093/eurheartj/ehy502