Siła słabości – rzecz o wiązaniu wodorowym

Nie będzie zapewne dużej przesady, jeśli napiszę, że jedno ze zdecydowanie najsłabszych wiązań – wiązanie wodorowe – jest tym, dzięki któremu istniejemy zarówno my, jak też cały świat żywy na Ziemi.
Wyjaśnię, co jest w nim takiego specjalnego. Skupię się najpierw na jednej z najprostszych cząsteczek, a mianowicie na oksydanie. Pewnie wielu z was zastanawia się nad tą nazwą. Oksydan? W szkole nie uczyli. Cóż, to aktualna nazwa formalna, ale zapewne wielu z was zna nazwę „woda”. Tak, zwykła H2O. Proponuję przed czytaniem rzucić okiem na układ okresowy i odnaleźć te dwa pierwiastki – wodór i tlen. Dobrze by było, aby w tym układzie był też taki element, jak elektroujemność pierwiastków. Co to takiego? Otóż jest to miara tego, jak atom danego pierwiastka przyciąga elektrony. Jest to wymyślony parametr praktyczny, użyteczny w analizie wiązań i innych zachowań atomów. Wodór ma elektroujemność 2,1, a tlen 3,5. Im większa elektroujemność, tym chętniej atom przyjmie elektrony. Jak widać z układu, najchętniej będą to robić fluorowce, a najmniej chętnie litowce. To raczej jasne, bo litowce, które mają jeden elektron na ostatniej powłoce, znacznie chętniej oddadzą elektron. I teraz – im większa różnica elektroujemności, tym bardziej jonowe będzie wiązanie (im mniejsza, tym bardziej kowalencyjne). Dla układu H-O różnica ta wynosi 1,4. Oznacza to (mówiąc skrótowo), że elektron, który wodór oddaje do wiązania, woli przebywać w okolicy tlenu niż wodoru. Gdybyśmy zmierzyli tzw. gęstość elektronową, okazałoby się, że atom wodoru niesie ze sobą cząstkowy ładunek dodatni, a więc konsekwentnie – tlen ma cząstkowy ładunek ujemny. Wiązanie ma więc charakter polarny, czyli biegunowy. Z lekcji fizyki wiemy, że siła przyciągania elektrostatycznego jest potężna, ale tu mamy tylko ładunek cząstkowy, stąd niezbyt duża energia wiązania. Dlatego też we wzorach zaznacza się je zwykle linią kropkowaną albo przerywaną. No i mamy już sporą część wiedzy o wiązaniu wodorowym.

Budowa cząsteczki wody wraz z wiązaniami wodorowymi (zaznaczone kropkami)
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Jedziemy dalej. Tlen ma na ostatniej orbicie 6 elektronów. Oddaje po jednym po to, aby związać się z dwoma atomami wodoru. A więc mamy jeszcze cztery, czyli dwie pary, bo elektrony lubią się trzymać parami. I tu musimy się odwołać do pewnego wpisu Lucasa.
Hybrydyzacja – słowo kluczowe. W tym przypadku mamy do czynienia z hybrydyzacją sp3, podobnie jak w przypadku metanu (CH4). Całość wpisuje się w znaną strukturę czworościanu (tetraedru).

Cząsteczka wody wpisana w tetraedr. Widoczne dwa atomy wodoru oraz dwie pary elektronowe. Hybrydyzacja atomu tlenu sp3

Tak więc trójatomowa cząsteczka wody nie ma struktury liniowej, przypomina raczej bumerang, i to częściowo naładowany elektrycznie, z nierównomiernie rozłożonym ładunkiem. Środek „bumerangu” ma cząstkowy ładunek ujemny, a dwa końce – cząstkowy dodatni. Jeśli więc do jednej cząsteczki wody zbliży się druga, para elektronowa zaczyna oddziaływać z atomem wodoru tamtej drugiej – i w ten sposób powstaje wiązanie wodorowe. Jedno. A ponieważ mamy dwie wolne pary elektronowe, może powstać drugie takie wiązanie. Z kolei każdy z atomów wodoru może wejść w interakcję z parą elektronową sąsiedniej cząsteczki wody. W efekcie każda z tych cząsteczek może utworzyć łącznie cztery wiązania. Cztery to w zasadzie niedużo, ale… Wyobraźmy sobie maleńką kropelkę wody, np. taką, która tworzy mgiełkę. Nie ciężką mgłę, ale delikatną mgiełkę. Jedna kropla ma średnicę ok. 10µm. Znajduje się w niej ok. 30 bilionów (tysięcy miliardów) cząsteczek wody. A więc w tej jednej, niemal niewidocznej kropelce może się znaleźć nawet 120 bilionów wiązań wodorowych! Dużo.
Popatrzmy też na kropelkę wody na liściu. Zauważymy, że jest ona wypukła, nie rozlewa się na powierzchni. Ten efekt też częściowo wynika z obecności wiązań wodorowych. Ich istnienie wewnątrz kropli powoduje, że woda jest ściślej związana. Te oddziaływania są na tyle silne, że inne, z otoczeniem, nie mają szans.
Teraz być może tytuł tego odcinka będzie jaśniejszy – siła tego niepozornego wiązania tkwi w jego wszechobecności. Dodam też, że siła wiązania (każdego!) ma konkretny wymiar, mianowicie energii. Typowe wiązanie wodorowe ma energię zaledwie kilku kcal/mol. Klasyczne wiązanie kowalencyjne jest kilkadziesiąt razy silniejsze. Jednak wiązania wodorowe praktycznie nie występują pojedynczo – i w tym tkwi ich moc.

Temperatura topnienia i wrzenia substancji chemicznych jest zależna od ich masy molowej. Im większa masa, tym wyższa temperatura. Rozważmy trzy znane związki: metan (CH4), amoniak (NH3) i wodę (H2O). W pierwszym ze związków nie ma wiązań wodorowych, w drugim są, ale dość słabe, a trzeci już omówiliśmy. Porównajmy temperatury wrzenia: dla metanu jest to -161°C, dla amoniaku -33°C, a dla wody 100°C. Gdyby nie istniały wiązania wodorowe, woda (i amoniak) miałaby temperaturę wrzenia podobną do metanu. Nie byłoby rzek, jezior, oceanów. Powiedzmy sobie wprost – życia też by nie było. Warto też uświadomić sobie, że żadna cząsteczka wody nie występuje pojedynczo (chyba że w kosmosie). W szklance, rzece czy jeziorze połączone są miliardy. Jeśli gotujemy wodę w czajniku, przekształca się ona w parę wodną. Gdy przyjrzymy się dzióbkowi, zauważymy, że tuż przy wylocie nie widać typowej mgiełki, ona tworzy się nieco dalej. Para wodna jest niewidoczna, przezroczysta. Ale oczywiście woda jako związek tam jest. Ba, jest też obecna cały czas w powietrzu, którym oddychamy. W każdym m3 powietrza jest jej co najmniej kilka gramów. Czy są to swobodne cząsteczki H2O? Absolutnie nie. Woda ma tendencję do skupiania się w tzw. klastry połączone wiązaniami wodorowymi. Nawet w gorącej parze wodnej znajdziemy głównie dimery wody. Woda jest po prostu bardzo towarzyska.

Jednym z ciekawych zjawisk, na które wpływ mają wiązania wodorowe, jest tzw. zjawisko kontrakcji. Badał je jako pierwszy Dymitr Mendelejew (tak, ten od układu okresowego). Co więcej – jego badania uratowały od carskiego więzienia kierownika fabryki wódek. Był on podejrzany o kradzież sporej ilości alkoholu ze swojej wytwórni. A on przecież tylko mieszał spirytus z wodą. Mendelejew wykazał, że fizykochemia działa inaczej niż matematyka. 50+50 nie równa się 100. Okazało się, że jeśli zmieszamy 50 ml spirytusu i 50 ml wody, uzyskamy ok. 96,3 ml roztworu. Zjawisko to nazywamy właśnie kontrakcją objętości. Zarówno woda, jak i alkohol tworzą wiązania wodorowe – także między sobą. Powoduje to skrócenie odległości między cząsteczkami, a co za tym idzie, zmniejszenie łącznej objętości roztworu. Dodam tylko dla porządku, że kontrakcja dotyczy objętości, a nie masy. Masa roztworu będzie oczywiście równa sumie mas obu roztworów.

Tak naprawdę sens wiązań wodorowych możemy poznać, analizując ich występowanie w przyrodzie. Zacznijmy od białek. Łańcuchy połączonych aminokwasów zawierają elementy, które mogą się łączyć wiązaniami wodorowymi. W efekcie powstaje tzw. struktura drugorzędowa – albo jest to helisa α, albo harmonijka β. W obu tych przypadkach wiązania wodorowe powstają pomiędzy grupą karbonylową (C=O) a grupą iminową (N-H). Te słabe z natury wiązania zupełnie wystarczą do stabilizacji struktury białka.

Wiązania wodorowe między łańcuchami białka
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Dużo wiązań wodorowych znajdziemy też w takich biomolekułach, jak celuloza. Występują tam zarówno wiązania wodorowe wewnątrzcząsteczkowe, jak też międzycząsteczkowe, które łączą całe łańcuchy tych węglowodanów. Także tutaj słabiutkie wiązania manifestują swoją siłę dzięki ich liczbie – są ich tam dziesiątki tysięcy.
Ale dla mnie najbardziej spektakularnym przykładem wiązań wodorowych występujących w biomolekułach jest struktura DNA.

Uproszczona struktura DNA – pomiędzy nićmi widoczne wiązania wodorowe adenina-tymina i guanina-cytozyna
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Przypomnijmy: cząsteczka DNA składa się z dwóch nici, które w procesie replikacji dają nici potomne. Wiązania wodorowe łączą z sobą tzw. pary zasad komplementarnych: adeninę z tyminą (dwa wiązania) oraz guaninę z cytozyną (trzy wiązania). Łącznie w jednej helisie DNA mamy miliardy takich wiązań. Wiążą one obie nici trwale, ale pojedyncze wiązania są na tyle słabe, że bez problemu zostają zerwane w procesie replikacji.

Na koniec mogę dodać, że wiązania wodorowe czasami mają swój aspekt praktyczny. Sporo prac prowadzi się w tematach przewodników jonowych oraz półprzewodników organicznych. Jest to obecnie bardzo obiecujący kierunek badań, które mogą dać potencjalnie bardzo ciekawe zastosowania we współczesnej elektronice.

Fizjologia smaku (5): mapa języka, czyli czym jest prawda w nauce?

“Mapa języka”. Według: Wikipedia, MesserWoland. Licencja CC BY-SA 3.0.

To już piąty (a zarazem ostatni) odcinek mojego cyklu o fizjologii smaku. Pisałem jak wyczuwamy różne smaki i jak złożony może być mechanizm tego zjawiska:

1. Jak wyczuwamy smak.

2. Cierpkość czyli taniny.

3. Pełność czyli kokumi.

4. Ostrość czyli kapsaicyna.

Na koniec tego cyklu coś, co do dziś budzi kontrowersje: mapa języka. Chyba każdy słyszał o  o ściśle określonym rozkładzie receptorów smaku na języku, nazywanym mapą jezyka. Zgodnie z nią smak słodki jest wyczuwany przez przednią część języka, smak słony i słodki przez jego boczne części, a smak gorzki przez tylną część. Była uznawana za obowiązującą aż do początku XXI wieku, kiedy oficjalnie stwierdzono, że nic takiego nie istnieje. Ale czy na pewno? Sprawa nie jest wcale jednoznaczna. Zacznijmy od chronologii wydarzeń.

Historia badań nad odczuwaniem smaku

Wszystko zaczęło się w 1892 r., kiedy L. E. Shore z Uniwersytetu w Cambridge opublikował pracę na temat zagadkowych właściwości liści Gymnema sylvestre, która jest rośliną z rodzaju Gymnema występującą na subkontynencie indyjskim. Ma ciekawą cechę: żucie jej liści powoduje, że przestaje się czuć słodki smak. Autor stwierdził, że faktycznie tak jest: odczuwanie słodkiego smaku znika na około godzinę. Ale przy okazji zbadał też, jak różne części języka reagują na substancje o różnym smaku. Sporządził seryjne rozcieńczenia roztworów gliceryny, chininy, kwasu siarkowego i soli kuchennej (które mają odpowiednio słodki, gorzki, kwaśny i słony smak) i  wyznaczył dla każdej z tych substancji tzw. próg pobudzenia na przedniej, bocznej i tylnej części języka. Próg pobudzenia to najniższe stężenie substancji, przy którym smak staje się wyczuwalny. I tak, glicerynę (smak słodki) wykrywał w stężeniu 0,5% na przodzie języka, 2,5% na bocznej, a 1,5% na jego tylnej części. Z chininą (smak gorzki) było odwrotnie: 0,025% na przodzie języka, 0,005 na bocznej i 0,001% na tylnej części. Kwas siarkowy wykrywał w stężeniu 0,01% na przodzie języka, 0,05% na bocznej i 0,02% na tylnej części. Tak więc próg pobudzenia dla smaku słodkiego na przedniej części języka był 3 razy niższy, niż w tylnej części. W przypadku smaku gorzkiego było odwrotnie: próg pobudzenia na tylnej części był 25 razy niższy niż na przedniej. Autor nie stwierdził żadnych różnic w wykrywaniu smaku słonego (L.E. Shore, J. Physiol. 1892).

Dziewięć lat później David Pauli Hanig wyznaczył 29 miejsc na języku i badał progi pobudzenia w tych miejscach u pięciu osób (jedna z nich nazywała się Dr Moebius). Uzyskane przez niego dane były w zasadzie podobne do wyników Shore’a. Określony przez niego próg pobudzenia dla gliceryny to 0,33% na przodzie języka i 1,3% na jego tylnej części (u Shore’a 0,5% i 1,5%). Dla chininy progi te wynosiły odpowiednio 0,00045% i 0,00007% (u Shore’a 0,025% i 0,01; widać chinina Haniga była lepiej oczyszczona). Próg dla smaku kwaśnego wynosił 0.04% na przodzie i z tyłu języka, ale 0,02% z boku. Podobnie jak u Shore’a, nie było różnic w wykrywaniu smaku słonego.

Autor przedstawił wyniki w postaci wykresu zależności odwrotności progu pobudzenia (oś Y) od lokalizacji na języku (oś X). Ponieważ wartości progów były różne dla różnych substancji, przyrównał wszystkie te wielkości do wyników dla smaku gorzkiego, gdzie odwrotności były najwyższe (D.P. Hanig, Philosoph. Studien 1901, Ryc. 1A).

Jego dane zmodyfikował w 1942 r. E.G. Boring, który podzielił odwrotność progu pobudzenia uzyskaną dla każdej lokalizacji przez maksymalną odwrotność progu. Przykładowo w miejscu, gdzie próg był najniższy dla smaku słodkiego (przód języka, 0,33%) odwrotność progu była najwyższa (3,03). W ten sposób zdolność do wyczuwania czterech smaków można było przedstawić na jednym wykresie. Z wykresu Boringa wynika, że zdolność do wyczuwania smaku słodkiego jest najwyższa na przodzie języka, a smaku gorzkiego z tyłu. Nie było różnic dla smaku kwaśnego i słonego. 

Ale z wykresu tego można wyciągnąć jeszcze jeden, całkiem fałszywy wniosek: w miejscach, gdzie wartość Y wykazuje minimum (tył języka dla smaku słodkiego, przód dla smaku gorzkiego) w zasadzie nie ma żadnej wrażliwości na dany smak. Tymczasem taka wrażliwość jest najwyżej 4 razy niższa niż w miejscu maksymalnie wrażliwym (Ryc. 1B).

Ryc. 1. A. Mapa języka według Haniga i progi pobudzenia w różnych miejscach języka (kolory dodane przez mnie, Haning D.P., Philosoph. Studien 1901).

B. Dane Haniga zmodyfikowane przez Boringa (Boring E.G., Sensation and Perception in the History  of Experimental Psychology1942 r.). Według: Spence C., Curr. Res. Food Sci. 2022, 5:598-610. Licencja CC BY-SA 4.0.

Taką “mapę języka” spopularyzował A.J. Haagen-Smit, który w artykule opublikowanym  w “Scientific American” w 1952 r. pokazał różną wrażliwość fragmentów języka na słodki, gorzki i kwaśny smak. Ten sam autor stwierdził też, że wrażliwość na smak słony jest najwyższa w przednio-bocznej części języka, chociaż nie pokazał tego żaden z wymienionych autorów (Ryc. 2A).

“Mapa języka” Haagen-Smita, mimo że co najmniej w części pozbawiona jakichkolwiek podstaw doświadczalnych, została powtórzona w licznych podręcznikach fizjologii. Tam już otwartym tekstem pisano, że słodki smak czujemy przednią częścią języka, gorzki tylną, a słony i kwaśny boczną. Również polskie podręczniki do fizjologii (np. Władysław Z. Traczyk, Fizjologia Człowieka w Zarysie) pokazywały taką mapę (Ryc. 2B).

Ryc. 2. Lokalizacja regionów wrażliwych na smak słodki, gorzki, kwaśny i słony.

A. Regiony języka wrażliwe na cztery smaki (Haagen-Smit A.J., Scientific American, 1952).

B. „Mapa języka”, którą znamy z podręczników fizjologii (Schiffman P.R. The skin, Body and Chemical Senses, 1995). Według: Spence C., Curr. Res. Food Sci. 2022, 5:598-610. Licencja CC BY-SA 4.0.

Błędna interpretacja wyników Haniga wzięła się z niezrozumienia różnic pomiędzy progiem pobudzenia, czyli najniższym stężeniem substancji wywołującym reakcję, odwrotnością progu pobudzenia czyli wrażliwością i względną wrażliwością. Wrażliwość jest proporcjonalna do liczby receptorów dla danego smaku w danym regionie języka. Natomiast względna wrażliwość umożliwia porównanie względnych wrażliwości na jednym wykresie, ale nie można na jej podstawie wyciągać wniosków o ilości receptorów dla danego smaku w różnych regionach języka. Pokazuję to na Ryc. 3.

Ryc. 3. Próg pobudzenia, wrażliwość (1/próg pobudzenia) i względna wrażliwość (1/próg pobudzenia podzielony przez maksymalną wartość 1/próg pobudzenia) dla smaku słodkiego. Dane: Haning D.P., Philosoph. Studien 1901.

O manipulacji danymi przedstawianymi na wykresach pisał Wiesław Seweryn.

Mapy języka nie ma?

Wątpliwości na temat „mapy języka” narastały jednak od lat. Doświadczenia wykonywane na transgenicznych myszach pozbawionych receptorów dla poszczególnych smaków sugerowały, że komórki receptorowe dla poszczególnych smaków są rozmieszczone równomiernie na języku. Kluczowa publikacja na ten temat ukazała się w 2006 r. Stwierdzono w niej, że każdy kubek smakowy zawiera pięć rodzajów komórek receptorowych odpowiedzialnych za wykrywanie pięciu rodzajów smaków. Aktywacja tych komórek receptorów substancjami o smaku słodkim, kwaśnym, gorzkim, słonym i umami powoduje powstanie potencjałów czynnościowych przesyłanych do mózgu. Tak więc żadnej „mapy języka” nie ma. I tak wydawało się, że sprawa jest już definitywnie załatwiona.

Czy może jednak jest coś na rzeczy?

Badania nad wrażliwością na poszczególne smaki ciągle wykazywały jednak istnienie pewnych (chociaż niezbyt dużych) różnic w wyczuwaniu smaków. Dotyczyło to zwłaszcza smaku słodkiego, gorzkiego i umami. Tak jak pokazali to Shore i Hanig, większość osób wyczuwa smak słodki lepiej na przedniej części języka, a smak gorzki i umami na jego tylnej części. Jaka może być przyczyna tych różnic? Jedną z nich może być różnica w unerwieniu: przednia część języka  (ta, która zawiera brodawki grzybopodobne) jest unerwiona przez nerw o nazwie struna bębenkowa (chorda tympani). Tylna i boczna część, zawierająca brodawki liściaste i obwodowe jest unerwiona przez nerw językowo-gardłowy (nervus glossopharyngeus). Nerwy te przesyłają sygnał do różnych płatów kory mózgowej, co może skutkować różnym odczuwaniem tych smaków. Wiele badań potwierdza, że smak słodki daje silniejszą odpowiedź w strunie bębenkowej, a smak gorzki w nerwie językowo-gardłowym. W 1985 r. uczeni badający fizjologię mózgu suma (Silurus glanis) zaproponowali teorię, że są dwa systemy związane z odczuwaniem smaku: przód języka odpowiada za wybór pożywienia, a tył za wchłanianie i ochronę przed truciznami. U człowieka może mieć miejsce podobny mechanizm.

O ile smaki słodki, gorzki i umami mogą być wyczuwane w zróżnicowany sposób przez kubki smakowe rozlokowane w różnych regionach języka, to na pewno nie ma różnic w wyczuwaniu smaku słonego i kwaśnego. Co mają ze sobą wspólnego te smaki? Za ich odczuwanie odpowiadają kanały jonowe. Można spekulować, że aktywacja komórek receptorowych za pomocą takich kanałów zachodzi szybciej niż tych, które muszą związać cząsteczkę żeby aktywować białko G (tak jak to ma miejsce w przypadku smaku słodkiego, gorzkiego i umami). Może się to przekładać na różnice w progach aktywacji dla różnych miejsc języka.

Należy też brać pod uwagę ilość śliny w różnych miejscach jamy ustnej. Dzienna produkcja śliny to 0,6 – 1,5 litra, a bez niej nie jesteśmy wyczuć żadnego smaku. Uważa się, że substancje słodkie lepiej rozpuszczają się w ślinie niż substancje o smaku gorzkim i umami, co może powodować wyższą zdolność wyczuwania tych ostatnich w tylnej części języka (bo zdążyły się już rozpuścić).

I jeszcze jedno: wyczuwanie smaku jest ściśle powiązane z wyczuwaniem zapachu. W czasie jedzenia uwolnieniu ulegają wonne substancje, które aktywują receptory węchowe w jamie nosowej. Większość doznań związanych z jedzeniem to wrażenia zapachowe, a nie smakowe. Dlatego np. jedząc budyń o smaku bananowym mamy wrażenie smaku bananów, chociaż taki budyń zawiera jedynie związek chemiczny nadający bananom charakterystyczny zapach (octan izoamylu). Smak budyniu zawierającego ten związek i budyniu, który go nie zawiera, jest dokładnie taki sam. Dlatego mówiąc o odczuwaniu smaku nie możemy skupiać się tylko na aktywacji receptorów smakowych, bo wrażenia węchowe są z nimi ściśle powiązane.

Podsumowanie

“Mapa języka” jest przykładem procesu, w którym złożony problem starano się przedstawić w uproszczony sposób, a skutkiem było zupełne wypaczenie pierwotnego odkrycia. Pierwsze doniesienia na temat różnej zdolności do wykrywania smaków w różnych miejscach języka ulegały w kolejnych publikacjach takim przekształceniom, że w końcu powstał fałszywy obraz rzeczywistości w który wszyscy uwierzyli. Dziś wiemy, że „mapa języka”, którą przedstawiały podręczniki w XX wieku, nie istnieje. Każda brodawka smakowa zawierająca kubki smakowe (liściasta, grzybopodobna i obwodowa) zawiera sześć (bo w międzyczasie doszedł smak tłusty) komórek receptorowych odpowiadających za wyczuwanie sześciu podstawowych smaków. Nie znaczy to jednak, że odczuwanie różnych smaków przez różne regiony języka jest dokładnie takie samo, bo wpływ na to ma wiele dodatkowych czynników, takich jak unerwienie języka, wytwarzanie śliny czy zróżnicowane powinowactwo receptorów wobec różnych cząsteczek. To już element psychofizyki, czyli nauki badającej zależności między fizycznymi właściwościami bodźców a psychicznymi wrażeniami, które one powodują. Sprawa jest bardzo skomplikowana i może nigdy nie dowiemy się, jak jest naprawdę. Jak powiedział Karl Popper (austriacko-brytyjski filozof i teoretyk nauki): teorię naukową można jedynie obalić, ale nigdy nie można jej udowodnić. W naukach biologicznych chyba tak właśnie jest.

Literatura

Mapa języka: współczesne poglądy

https://doi.org/10.1016/j.crfs.2022.02.004

O równym rozmieszczeniu receptorów smaku

https://www.nature.com/articles/nature05401

Dwa systemy odbierania wrażeń smakowych

https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.3969566

Rola śliny i zapachu w percepcji pokarmu

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.8b01998

Uniewinniona dzięki genetyce. Sprawa Kathleen Folbigg (1)

Kathleen Folbigg i jej czworo zmarłych dzieci (fair use). Źródło: https://justiceforkathleenfolbigg.com

Kathleen Folbigg (ur. 1967 r.), mieszkanka Newcastle w stanie Nowa Południowa Walia (Australia), była szczęśliwą kobietą do 1989 r., kiedy jej pierwsze dziecko, Caleb, zmarło nagle mając 19 dni. Uznano, że miała miejsce „nagła śmierć łóżeczkowa” (sudden infant death syndrome), czyli nagła śmierć pozornie zdrowego niemowlęcia w czasie snu. Przyczyną takiej nagłej śmierci mogą być wady serca, niedobór serotoniny czy ucisk tętnicy kręgowej.

Ale jej następne dziecko urodzone rok później, Patrick, zmarło równie nagle w wieku 4 miesięcy. Jej kolejne dzieci też umierały z niewiadomych powodów: Sara zmarła w 1993 r. w wieku 10 miesięcy, a Laura w 1999 r. w wieku 18 miesięcy. W tym samym roku Kathleen została oskarżona przez swojego (byłego już) męża o zamordowanie czwórki dzieci. Aresztowana w 2001 r, po dwuletnim śledztwie została uznana winną zamordowania trojga dzieci (Patrick, Sara i Laura), nieumyślne spowodowanie śmierci czwartego (Caleb) i skazana na 40 lat pozbawienia wolności na podstawie precedensowego „prawa Meadowa”. Autor tej koncepcji prawniczej, brytyjski pediatra Roy Meadow, uważał że wielu przypadków nagłej śmierci łóżeczkowej nie można wyjaśnić inaczej, niż zaniedbaniem czy wręcz zbrodnią („Jedna nagła śmierć łóżeczkowa to tragedia, dwie są podejrzane, a trzy to zbrodnia, chyba że udowodni się, że było inaczej”).

Kathleen Folbigg nigdy nie przyznała się do morderstwa i utrzymywała, że dzieci zmarły nagle z niewiadomych powodów. W 2003 r. rozpoczęła odbywanie kary z możliwością przedterminowego zwolnienia nie wcześniej niż w 2033 r. I zapewne nikt by już nie słyszał o sprawie Kathleen Folbigg, gdyby nie Carola Vinuesa, genetyczka pracująca w Narodowym Uniwersytecie Australii w Canberze. W 2018 r. skontaktował się z nią jej były student, który zrobił też studia prawnicze i doradzał prawnikom Kathleen Folbigg. Carola Vinuesa była tu odpowiednią osobą, ponieważ uprzednio opisała podobny przypadek nagłej śmierci łóżeczkowej u dziecka w Macedonii. Przyczyną była rzadka mutacja w genie kodującym kalmodulinę. Po przeczytaniu akt sprawy Carola nabrała przekonania że Kathleen Folbigg jest niewinna. Udało jej się pobrać próbkę DNA skazanej i wykazać, że w genie CALM2 kodującym kalmodulinę jest rzadka mutacja, powodująca zamianę glicyny na argininę w pozycji 114 łańcucha polipeptydowego (skrócona nazwa tej mutacji to G114R). Kalmodulina (calcium-modulating protein) to białko wiążące wapń, które bierze udział w licznych procesach komórkowych, wpływając na wzrost, podział, różnicowanie się i ruchliwość komórek. Kalmodulina odgrywa też ważną rolę w regulacji skurczu mięśni, w tym także mięśnia sercowego.

Badanie DNA zmarłych dwóch córek Kathleen Folbigg wykazało, że obie odziedziczyły tę mutację. Nie znaleziono jej u zmarłych wcześniej synów, ale na tej podstawie obrońcy wnieśli o wznowienie procesu. Jednak zdaniem sądu poszlaki te były zbyt wątłe, ponieważ nikt nie udowodnił, że mutacja wpływa na aktywność kalmoduliny, a co dopiero na akcję serca. Wniosek odrzucono.

Ale Carola Vinuesa nie poddawała się. Zebrała międzynarodowy zespół uczonych, który wykazał, że mutacja G114R rzeczywiście wpływa na aktywność kalmoduliny i powoduje patologiczne zmiany w tkance serca, a więc mogła spowodować nagłą śmierć córek Kathleen Folbigg. Publikacja ukazała się w 2022 r. i stała się podstawą do wniosku do gubernatora stanu o zastosowanie prawa łaski. Gubernator skorzystał z niej 5 czerwca 2023 r. i w tym samym dniu Kathleen Folbigg została zwolniona z więzienia.

W osobnym badaniu wykazano, że zmarli synowie mieli rzadkie mutacje w genie BSN, który koduje białko związane z transportem pęcherzykowym (Bassoon Presynaptic Cytomatrix Protein). Odziedziczyli je po matce i ojcu. Jeżeli białko BSN nie działa prawidłowo, może to spowodować śmiertelne napady epilepsji, i tak prawdopodobnie stało się w przypadku obu synów.

W związku z tym obrońcy wystąpili z wnioskiem o kasację wyroku, którą sąd oficjalnie ogłosił 14 grudnia 2023 r., powołując się na „uzasadnione wątpliwości co do winy oskarżonej”. Wiadomo już, że prawnicy Kathleen Folbigg szykują wniosek o jej uniewinnienie, a także o odszkodowanie za 20 lat spędzone w więzieniu oraz straty moralne spowodowane przez pobicie przez inne osadzone. Kwota odszkodowania prawdopodobnie przekroczy 10 milionów dolarów australijskich i będzie  najwyższa w historii Australii.

Dlaczego zamiana jednego aminokwasu w kalmodulinie może spowodować tak fatalne skutki? Żeby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba zrozumieć podstawy działania komórek mięśnia prążkowanego i mięśnia sercowego. Kalmodulina odgrywa tam ważną rolę. O tym w następnym wpisie.

Literatura dodatkowa

https://www.focus.pl/artykul/kathleen-folbigg-skazana-genetyka

https://www.science.org/content/article/how-geneticist-led-effort-free-mother-convicted-killing-her-kids