Kategoria: biochemia

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

Galaretki okiem chemika

Mirosław DworniczakLeave a comment

Większość dzieci, ale też sporo dorosłych, lubi galaretki owocowe. Kiedyś zrobienie takiego deseru wymagało nieco pracy. Dziś sprawa jest dziecinnie prosta: kupujemy opakowanie galaretki o wybranym smaku, rozpuszczamy w gorącej wodzie i czekamy, aż zastygnie. Gotowe.
Ale czasem mamy ochotę tę galaretkę nieco ulepszyć, np. dodając do niej owoce – świeże lub mrożone. Jeśli weźmiemy truskawki, wiśnie czy jabłka, sprawa jest prosta, wszystko musi się udać. Jednak w przypadku niektórych owoców napotkamy problem. Każdy, kto próbował użyć do zrobienia galaretki czegoś takiego jak świeże mango, ananas, papaja czy kiwi mógł się zdziwić, ponieważ galaretka pozostaje płynna. Wiele gospodyń (i gospodarzy) domowych doskonale o tym wie.
No ale dlaczego tak się dzieje? Głównym składnikiem galaretki jest żelatyna. Zazwyczaj pozyskuje się ją z odpadów zwierzęcych (przede wszystkim wieprzowych) zawierających kolagen, jedno z najbardziej powszechnych białek, występujących także w organizmie człowieka. I właśnie żelatyna jest tu problemem.

Chemia i biochemia galaretek owocowych

Spróbujmy sobie wyjaśnić, co takiego się dzieje, że galaretka nie chce przejść ze stanu płynnego w stały. A w ogóle z czego jest galaretka? Podstawowym surowcem do jej otrzymania jest żelatyna. Skąd się ona bierze? Surowcem do jej uzyskania jest kolagen, zazwyczaj wieprzowy (wołowy został w zasadzie wycofany w związku z epidemią choroby szalonych krów – BSE). Kolagen to powszechnie występujące, stosunkowo proste białko, bogate w niektóre aminokwasy (glicyna, prolina). Żelatyna to też mieszanina podobnych białek, ale o znacznie krótszych łańcuchach. W skrócie można powiedzieć, że to jest tak, jakby długie łańcuchy kolagenowe zostały pocięte na mniejsze kawałki. Zwykle dokonuje się tego w procesie chemicznej hydrolizy przy pomocy kwasów albo zasad, albo też po prostu dłuższego gotowania. Tak czy inaczej uzyskany produkt ma ciekawe właściwości. Żelatyna bezwodna przypomina kryształki, czasami są one uformowane w listki. Pod działaniem ciepłej wody mieszają się one, tworząc gęstą jednorodną ciecz, naukowo zwaną zolem. Gdy ona ostygnie, zmienia się w żel, czyli właśnie w galaretkę. Dostępne na rynku galaretki spożywcze poza żelatyną zawierają regulator kwasowości (zwykle kwas cytrynowy), aromaty i barwniki spożywcze.

Te podstępne enzymy!

Jak pisałem, galaretka zrobiona z dostępnych na rynku porcji zastygnie, jeśli się ją po rozpuszczeniu ochłodzi. Dodatek świeżych owoców może ją uatrakcyjnić, ale tu musimy uważać. Jeżeli użyjemy truskawek, pomarańcz czy agrestu – wszystko będzie dobrze. Czasem jednak chce się uatrakcyjnić skład i używa np. ananasów czy kiwi. I wtedy pojawia się problem – galaretka pozostaje płynna i nawet kilkugodzinne chłodzenie nie pomaga. Co to za dziwne zjawisko?


I tu pojawia się znane zapewne słowo „enzymy”. Są to dość złożone cząsteczki chemiczne występujące w naturze, w organizmach zwierzęcych i roślinnych. W tym przypadku mamy do czynienia ze specjalną klasą enzymów. Omówię ją pokrótce na przykładzie ananasa. Zawiera on cały szereg enzymów, z których bardzo istotna jest bromelaina (zwana też bromeliną). W zasadzie jest to mieszanina grupy enzymów proteolitycznych (proteaz). Wiem, trudne słowo, więc postaram się je rozszyfrować. „Proteo-” odnosi się do białka, „lysis” to z kolei „rozkład, rozpuszczanie”. Tak więc enzymy proteolityczne „rozpuszczają”, czyli w zasadzie degradują białka.
Atakują one występujące w łańcuchach aminokwasów wiązania peptydowe, tnąc je na mniejsze kawałki. Proces ten sprawia, że łańcuchy białkowe w żelatynie robią się znacznie krótsze, co zmienia także ich właściwości fizyczne, m.in. przechodzenie z zolu w żel. Jeśli wrzucimy plasterki ananasa (czy też papai albo kiwi) do płynnej galaretki, bromelaina atakuje łańcuchy białkowe i tnie je na kawałki.
Tylko tyle i aż tyle. Czy da się jednak zrobić galaretkę z ananasem? Jasne, że tak.

Na wszystko jest sposób

Jak wspomniałem, enzymy to dość złożone cząsteczki chemiczne. Zwykle jest tak, że coś złożonego jest jednocześnie dość delikatne, łatwe do zniszczenia. Tak jest i tutaj. Aby unicestwić obecne w tych owocach proteazy, wystarczy przez krótki czas sparzyć owoce. Po prostu zalewamy wrzątkiem na kilka(naście) sekund, żeby potem bez problemów galaretka stężała. Enzymy zostaną zniszczone, a owoce zachowają kolor i smak. Ewentualnie można też użyć owoców z puszki – one też są wcześniej obrabiane termicznie, a więc enzymy są tutaj także nieaktywne.
Jest jeszcze jeden sposób – po prostu nie używać żelatyny. Na rynku można dostać inne substancje, które mogą z powodzeniem ją zastąpić. Są to np. pektyny oraz agar, substancje pochodzenia roślinnego (ważne dla wegetarian i wegan), niebędące białkami. Z chemicznego punktu widzenia są to polisacharydy (wielocukry), całkowicie niewrażliwe na enzymy proteolityczne. Tak tylko jako ciekawostkę dodam, że pektyny są otrzymywane głównie z jabłek i cytrusów, natomiast agar to produkt uzyskiwany z wodorostów.

Pozostaje mi tylko życzyć smacznego.

Dlaczego podręczniki do biochemii wymagają modyfikacji? Kilka słów o mitochondriach i fosforylacji oksydacyjnej

Marcin CzerwińskiLeave a comment

Skąd bierzemy energię do życia?

Każdy żywy organizm potrzebuje stałego dopływu energii. Energię tę można pozyskiwać np. ze światła słonecznego (jak robią rośliny, albo z rozkładu związków chemicznych takich jak tłuszcze, węglowodany czy białka. Tę energię zużywamy na trzy główne cele: ruch, utrzymanie stałego potencjału błon komórkowych i synteza złożonych związków z prostych prekursorów. Jedynym związkiem chemicznym, z którego komórki organizmów żywych mogą czerpać energię, jest adenozynotrifosforan (ATP). Każda komórka produkuje ATP wyłącznie na własne potrzeby. Za 90% produkcji ATP odpowiada proces zwany fosforylacją oksydacyjną, który w komórkach organizmów eukariotycznych ma miejsce w mitochondriach. Energia uwolniona w czasie tego procesu zostaje przetworzona właśnie w ATP. Nie dzieje się tak jednak bezpośrednio. Najpierw złożone związki zostają przekształcone w dwuwęglowe podjednostki, z których w ramach cyklu kwasu cytrynowego (zwanego też cyklem Krebsa) powstaje dwutlenek węgla. Elektrony o wysokiej energii uzyskane w ramach tego cyklu zostają przeniesione na przenośniki elektronów o nazwie NAD i FAD, a z nich na tlen, który jest ostatecznym akceptorem elektronów. Przeniesienie elektronów z NAD i FAD na tlen ma miejsce w mitochondriach i to dzięki temu procesowi powstaje ATP.

Jak działa mitochondrium?

Mitochondria są organellami komórkowymi o rozmiarach 2–8 µm, otoczonymi podwójną błoną lipidową (czyli dwuwarstwą lipidową). To w nich zachodzi oddychanie komórkowe, które polega na utlenianiu związków organicznych. Mitochondrium składa się z dwóch błon, zewnętrznej i wewnętrznej, które zbudowane są z dwuwarstwy lipidowej i znajdujących się w niej białek. Procesy związane z utlenianiem związków chemicznych mają miejsce w wewnętrznej części mitochondrium, nazywanej macierzą mitochondrialną albo matrix. Wewnętrzna błona mitochondrium jest silnie pofałdowana, a jej fałdy nazywane są grzebieniami (Ryc. 1). Mitochondrium ma swój własny genom, który u człowieka składa się z 38 genów, z czego 13 genów koduje białka związane z transportem elektronów (pozostałe to geny kodujące tRNA i rRNA). Liczba mitochondriów w komórkach może się wahać od 3 w limfocytach do 100 000 w komórkach jajowych (dojrzałe erytrocyty ssaków nie zawierają mitochondriów).

Ryc.1. Mitochondrium. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Jaki jest mechanizm działania mitochondrium? Elektrony uwolnione ze związków chemicznych w ramach cyklu Krebsa trafiają na przenośniki elektronów NAD i FAD, które przekazują je na kolejny przenośnik elektronów, którym jest koenzym Q (ubichinon). W odróżnieniu od polarnych i rozpuszczalnych w wodzie NAD i FAD, jest on związkiem niepolarnym i jego zadaniem jest dostarczyć elektrony w poprzek błony komórkowej na ostatni już w tym łańcuchu przenośnik, którym jest cytochrom c. Z niego za pośrednictwem oksydazy cytochromowej elektrony trafiają na tlen jako ostateczny akceptor. Białka, które pośredniczą w transporcie elektronów, tworzą wielosegmentowe kompleksy o nazwach I, II, III i IV (Ryc. 2).

Ryc. 2. Łańcuch transportu elektronów w mitochondrium. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

W czasie wędrówki elektronów ich energia zostaje wykorzystana do wypompowywania jonów H+ z macierzy do przestrzeni międzybłonowej. Po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrium powstaje więc gradient, czyli różnica stężeń jonów H+. Błona jest dla nich nieprzepuszczalna, więc mogą one wrócić do macierzy mitochondrialnej jedynie za pomocą specjalnych kanałów białkowych. Energia uwalniana w czasie przepływu jonów H+ zostaje wykorzystana do produkcji ATP, noszą więc nazwę syntaz ATP (bo syntezują ATP).  Cały proces, który nosi nazwę chemiosmozy, został po raz pierwszy zaproponowany w 1961 r. przez Petera D. Mitchella z Uniwersytetu Cambridge (Nagroda Nobla w 1978 r.).

Kompleksy białek przenoszących elektrony (I-IV) noszą nazwę łańcucha transportu elektronów (ETC, electron transport chain). W skład łańcucha wchodzi łącznie 36 białek, w większości kodowanych przez geny zlokalizowane w genomie jądrowym. O tym, jak ważny dla naszego życia jest ten łańcuch, świadczą trujące właściwości cyjanków. Związki te wiążą się z pierścieniem hemu wchodzącym w skład oksydazy cytochromowej, co powoduje, że transport elektronów zatrzymuje się, a wraz z nim produkcja ATP. Pozbawiona źródła energii komórka umiera w ciągu kilku minut. Pisał o tym Lucas Bergowsky w tekście „Na scenę wchodzi pruski”.

Problem z jonami wodoru

Tak więc przepływ elektronów przez białka łańcucha transportu elektronów powoduje wypompowanie jonów H+ z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. Jony te wracają z powrotem do macierzy, generując ATP. Można to porównać do elektrowni szczytowo-pompowej, w skład której wchodzą dwa zbiorniki wody położone na różnych wysokościach. Woda zostaje przepompowywana ze zbiornika dolnego do górnego, a po jego napełnieniu wraca do dolnego generując energię elektryczną. W Polsce jest sześć takich elektrowni, a największa z nich, pokazana na Ryc. 3 elektrownia Żarnowiec, ma moc 700 MW.

Ryc. 3. Zbiorniki zespołu elektrowni szczytowo-pompowych Żarnowiec. Źródło: PGE Energia Odnawialna, domena publiczna.

Łańcuch transportu elektronów działa na podobnej zasadzie, z tym że pompuje nie wodę, a jony H+. Przeniesienie ich przez błonę mitochondrium z macierzy do przestrzeni międzybłonowej (ściśle: do grzebieni mitochondrium) powoduje powstanie siły protonomotorycznej (Δp), która składa się z komponenty chemicznej (ΔpH) oraz elektrycznej (ΔΨ).  I tu pojawia się problem, na ogół pomijany w podręcznikach biochemii. Komponenta elektryczna (ΔΨ), którą można też określić jako różnicę potencjałów po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrium, wynosi ok. 150 mV i nie da się tej różnicy wytłumaczyć wyłącznie różnicą między stężeniem jonów H+ w przestrzeni międzybłonowej i w macierzy mitochondrialnej (czyli ΔpH), która wynosi ~0,1-0,2 jednostki pH. Sprawa była niejasna do listopada 2024 r, kiedy autorzy publikacji w czasopiśmie Cell wykazali, że w skład kompleksu I wchodzi transporter jonów Na+, który wymienia je na jony H+. Jest to tzw. moduł P kompleksu CI, a jego pełna nazwa to mitochondrialne białko swoiste wobec Na+ wymieniające jony Na+ na H+ (mitochondrial Na+ -specific Na+/H+ exchanger, mNHE). Białko to wykorzystuje część gradientu H+, żeby wprowadzić do przestrzeni międzybłonowej jony Na+. I to właśnie one są odpowiedzialne za co najmniej połowę komponenty elektrycznej (ΔΨ) w mitochondriach. Ta dodatkowa różnica potencjałów wymusza szybszy transfer jonów H+ przez syntazy ATP (Ryc. 4).

Ryc. 4. Porównanie dwóch modeli gradientu elektrochemicznego. Pokazano kompleksy I, II, III i IV. W skład kompleksu I (CI, kolor zielony) wchodzi białko wymieniające jony H+ na Na+ (Na+/H+ exchanger, NHE), które wymienia jony H+  na Na+. WT: komórki prawidłowe; LHON: dziedziczna neuropatia nerwów wzrokowych Lebera. Według: Hernansanz-Agustín P. et al., Cell 2024, 187: 6599-6613.e21. Licencja CC-BY-NC-ND .

Dziedziczna neuropatia nerwów wzrokowych Lebera

Jeżeli różnica potencjałów po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrium jest w co najmniej w połowie generowana przez różnicę stężeń jonów Na+, to co stanie się, kiedy stężenie tych jonów będzie takie samo po obu stronach błony i za różnicę potencjałów będą opowiadać wyłącznie jony H+? Takie zjawisko ma miejsce w przypadku dziedzicznej neuropatii nerwów wzrokowych (Leber hereditary optical neuropathy, LHON). Jest to rzadka choroba genetyczna powodująca utratę ostrości widzenia oraz zdolności rozróżniania kolorów (w Europie zdarza się z częstością 1:40 000). Pierwsze objawy pojawiają się najczęściej między 15. i 35. rokiem życia; choroba ma charakter postępujący i często prowadzi do całkowitej utraty wzroku. Mogą też mieć miejsce inne objawy neurologiczne, takie jak zaburzenia koordynacji ruchu, zaburzenia rytmu serca czy objawy podobne do stwardnienia rozsianego. Choroba jest spowodowana mutacjami w genach kodujących białka kompleksu I łańcucha transportu elektronów. Geny kodujące te białka o nazwach MT-ND1, MT-ND4, MT-ND6 wchodzą w skład genomu mitochondrialnego. Ponieważ mitochondria dziedziczymy wyłącznie po matce, neuropatię Lebera również można odziedziczyć wyłącznie po matce. Autorzy publikacji wykazali, że zmiany w neuronach u osób dotkniętych tą chorobą są spowodowane niezdolnością do utrzymywania prawidłowej różnicy potencjałów w mitochondrium. Jeżeli kompleks I w wyniku mutacji w genie kodującym białko NHE nie może wymieniać jonów H+ na Na+, za całą różnicę potencjałów po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrium odpowiadają jony H+. Wytwarzana przez nie różnica potencjałów jest zbyt mała, żeby efektywnie „napędzać” produkcję ATP. Skutkiem jest spowolnienie transportu elektronów przez białka łańcucha oddechowego i obniżenie zużycia tlenu. Neurony są komórkami o dużym zapotrzebowaniu na energię (mózg zużywa 20% energii produkowanej przez nasz organizm), ale stosunkowo skromnych możliwościach jej wytwarzania. Dlatego nawet niewielkie zmiany w wydajności produkcji ATP mogą z czasem powodować niedobór energii prowadzący do śmierci neuronów.

Literatura dodatkowa

Dlaczego podręczniki do biochemii powinny być zmodyfikowane?

https://doi.org/10.1016/j.tibs.2024.11.002

Gradient sodowy w grzebieniach mitochondriów

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.045

Dziedziczna neuropatia nerwów wzrokowych Lebera

https://doi.org/10.3389/fopht.2022.1077395