Kategoria: fizjologia

O niebezpieczeństwach związanych z jedzeniem bobu

Marcin CzerwińskiLeave a comment

Nadszedł czerwiec i każdy smakosz bobu może delektować się tym warzywem przyrządzonym na różne sposoby. Niewystępujący w formie dzikiej wyka bób (Vicia faba) to roślina z rodziny bobowatych (Fabaceae, dawna nazwa motylkowate). Uprawiany w basenie Morza Śródziemnego już 10 000 lat temu, był prawdopodobnie jedną z pierwszych udomowionych roślin. Wymieniony dwukrotnie w Biblii (Druga Księga Samuela, Księga Ezechiela), był ceniony przez starożytnych Rzymian (Ryc. 1). Jego nasiona są bogate w białko i błonnik, zawierają też dużo kwasu foliowego (100 g bobu zaspokaja 44% dziennego zapotrzebowania). Przy tych wszystkich zaletach jego spożycie może spowodować przykre konsekwencje, o czym prawdopodobnie wiedział Pitagoras, zabraniając członkom swojego towarzystwa jedzenia bobu. Dlaczego bób ma takie dziwne właściwości, które ujawniają się tylko u niektórych osób? Ma to związek z malarią, która jest jedną z najbardziej niebezpiecznych chorób zakaźnych. Osoby, u których po zjedzeniu bobu występują objawy choroby zwanej fawizmem (o czym poniżej), są na malarię w mniejszym lub większym stopniu oporne.

Ryc. 1. Wyka bób (Vicia faba). Żródło: Otto Wilhelm Thomé, Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz 1885, Gera, Germany. Domena publiczna.

Co jest złego w bobie?

Nasiona bobu zawierają pirymidynowe glikozydy (czyli pirymidynowe pierścienie z przyłączonymi cukrami) o nazwach wicyna i konwicyna (Ryc. 2). Nazwa pochodzi od łacińskiej nazwy bobu. Zależnie od odmiany może ich być do 2% suchej masy. Młody bób zawiera ich najwięcej. Jelitowe enzymy zwane glukozydazami odłączają cukry, tworząc pirymidynowe związki o nazwach diwicyna i izouramil. Są one silnymi utleniaczami, co daje im właściwości bakterio- i grzybobójcze. Te enzymy są też obecne w bobie, dlatego jego nasiona nie gniją. Ale spożycie bobu może u niektórych ludzi spowodować chorobę zwaną fawizmem.

Ryc. 2. Wicyna i konwicyna. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Fawizm

Fawizm jest chorobą spowodowaną spożyciem bobu u osób z niedoborem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (G6PD). Jest to najczęściej występująca na świecie enzymopatia, czyli choroba genetyczna spowodowana przez mutację w genie kodującym enzym. Szacuje się, że ma ją ok. 400 milionów ludzi na świecie. Objawy fawizmu to wymioty, gorączka, bóle głowy, ból brzucha, żółte zabarwienie skóry i ciemne zabarwienie moczu. Wszystkie są spowodowane niewłaściwym działaniem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej. A jaką rolę pełni ten enzym?

Dehydrogeneza glukozo-6-fosforanowa i szlak pentozofosforanowy

Dehdrogenaza glukozo-6-fosforanowa (kodowana przez gen G6PD) to pierwszy enzym szlaku pentozosforanowego, który przekształca glukozę w rybozę. Glukoza jest heksozą, czyli zawiera sześć atomów węgla, a ryboza jest pentozą, czyli zawiera pięć atomów węgla. Ryboza i jej kuzynka deoksyryboza wchodzą w skład nukleotydów, a te z kolei w skład kwasów nukleinowych (DNA i RNA). ATP, nasz główny przenośnik energii, też zawiera rybozę. Dlatego synteza pentoz jest niezbędna do życia (Ryc. 3).

Ryc. 3. Szlak pentozofosforanowy. Rybulozo-5-fosforan może przekształcić się w rybozo-5-fosforan w reakcji katalizowanej przez izomerazę fosfopentozową. Źródło: Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L, Biochemistry. Licencja CC BY 3.0.

Szlak pentozofosforanowy jest też głównym producentem NADPH, czyli fosforanu NADH. O NADH jako przenośniku elektronów pisałem w tekście o cyklu Krebsa. Jaka jest różnica miedzy NADH i NADPH? Ten drugi ma dodatkową resztę fosforanową przyłączoną do drugiego atomu węgla rybozy. Jego funkcja też jest inna: dostarcza elektronów w reakcjach anabolicznych, czyli związanych z syntezą złożonych cząsteczek. NADPH jest konieczny w syntezie kwasów tłuszczowych, sterydów, neuroprzekaźników i cholesterolu. Różni się tym od NADH, który przenosi elektrony w reakcjach katabolicznych, czyli związanych z wytwarzaniem ATP (Ryc. 4).

Ryc. 4. Przenośniki elektronów NADH i NADPH. Domena publiczna.

Reaktywne formy tlenu

Tlen jest niezbędny do życia, bo przeniesienie elektronów ze związków organicznych na tlen zapewnia nam energię w postaci ATP. Proces ten nazywany jest oddychaniem komórkowym i zachodzi w mitochondriach. Cząsteczka tlenu może ulegać w nich czteroelektronowej redukcji, a energia uwolniona podczas tego procesu wykorzystywana jest do syntezy ATP. Pewna jednak liczba cząsteczek tlenu w procesie oddechowym ulega redukcji jednoelektronowej. W wyniku takiej redukcji powstaje anionorodnik ponadtlenkowy O2• (czyli cząsteczka tlenu z jednym niesparowanym elektronem). Ogólnie, 0,1% – 2% pobieranego tlenu ulega przekształceniu do tego rodnika. Jest on najważniejszym źródłem rodników O2• w większości komórek aerobowych, czyli używających tlenu do pozyskiwania energii. Takie rodniki nazywane są reaktywnymi formami tlenu (Ryc. 5). 

Ryc. 5. Powstawanie reaktywnych form tlenu. Źródło: Agnieszka Szuster-Ciesielska, wykład.

Reaktywne formy tlenu są to związki zawierające atom tlenu z niesparowanym elektronem lub wiązania O-O. Mogą one utleniać białka, lipidy i kwasy nukleinowe, prowadząc do trwałego uszkodzenia struktur komórkowych, a nawet  śmierci komórki. Nasze komórki dysponują licznymi mechanizmami likwidacji takich form i na ogół robią to całkiem sprawnie, ale czasem dochodzi do stanu braku równowagi między działaniem reaktywnych form tlenu a zdolnością do ich szybkiej likwidacji. Sytuację taką nazywamy stresem oksydacyjnym.

Stres oksydacyjny i glutation

Nasze komórki mają kilka mechanizmów obrony przed stresem oksydacyjnym. Do najważniejszych należą związane z glutationem. Jest to peptyd składający się z trzech reszt aminokwasowych: glutaminianu, cysteiny i glicyny. Może występować w dwóch formach: utlenionej czyli dimerycznej (GSSH), i zredukowanej czyli monomerycznej (GSH). Stosunek formy zredukowanej do utlenionej jest miarą stresu oksydacyjnego w komórce. W zdrowych komórkach 90% glutationu jest w formie zredukowanej. Reakcja neutralizacji nadtlenków wygląda następująco:

2 GSH + R2O2 → GSSG + 2 ROH (gdzie R = H lub alkil)

Reakcja neutralizacji wolnych rodników tak:

GSH + R• →  ½ GSSG + RH.

Czyli zredukowany glutation (GSH) „wyłapuje” reaktywne formy tlenu i zamienia się w utleniony glutation (GSSG). Takie właśnie reaktywne formy tlenu powstają w wyniku działania substancji zawartych w bobie. Jak ten utleniony glutation zmienić z powrotem w zredukowany? Tę reakcję katalizuje reduktaza glutationowa, która wymaga NADPH jako donora elektronów. Jeżeli stężenie NADPH jest niskie, reduktaza glutationowa nie może zredukować glutationu i komórki stają się bezbronne wobec reaktywnych form tlenu (Ryc. 6).

Ryc. 6. Reakcja katalizowana przez reduktazę glutationową. Źródło: Wikipedia,  Licencja CC BY 3.0.

Skutki niedoboru dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej

Głównym producentem NADPH w komórce jest dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa. Znamy ponad 170 mutacji w tym genie: większość z nich to mutacje missensowne, czyli takie, które powodują zmianę jednej reszty aminokwasowej na inną. Enzymy z takimi mutacjami przeważnie działają, ale na ogół mniej wydajnie. Skutkiem jest brak NADPH, który może się dać we znaki po spożyciu bobu. Zwłaszcza w krwinkach czerwonych, które są narażone na stres oksydacyjny ze względu na stały kontakt z tlenem. Co się dzieje? Reaktywne formy tlenu generowane przez diwicynę i izouramil powodują utlenienie białek i lipidów; utleniają też kationy Fe3+ w hemie do Fe4+, co powoduje destabilizację hemoglobiny prowadzącą do jej agregacji. W wyniku tych przemian powstają widoczne pod mikroskopem agregaty hemoglobiny nazywane ciałkami Heinza (Ryc. 7). Wiążą się one białka transmembranowe krwinek czerwonych, w tym przede wszystkim tzw. białko pasma trzeciego, co powoduje aktywację białek dopełniacza (kompleksu białek odpowiedzialnych za nieswoistą odpowiedź odpornościową) i niszczenie takich krwinek przez śledzionę. Dochodzi do uwolnienia dużych ilości hemu, które mogą spowodować zażółcenie skóry (a także białek oczu) i ciemne zabarwienie moczu. Jednym z objawów fawizmu jest też przejściowa anemia, czyli obniżenie liczby krwinek czerwonych.

Ryc. 7. Ciałka Heinza w erytrocytach, barwienie fioletem krystalicznym. Źródło: Northern Alberta Institute of Technology, licencja CC BY 4.0.

Kto jest narażony na fawizm?

Gen G6PD znajduje się na chromosomie X. Mężczyźni mają tylko jeden chromosom X, więc mutacje w genie G6PD mogą u nich spowodować objawy chorobowe. Kobiety mają dwa chromosomy X, dlatego u nich fawizm występuje znacznie rzadziej.

Fawizm, geografia i malaria

W jakich krajach te mutacje występują najczęściej? Popatrzmy na mapę na Ryc. 8. Wszędzie tam, gdzie obecna jest malaria, zakaźna choroba przenoszona przez komary, powodowana przez pasożytnicze protisty z rodzaju Plasmodium (polska nazwa: zarodziec). Zarodźce namnażają się w naszych krwinkach powodując ich zniszczenie, a masowa liza krwinek powoduje ataki gorączki charakterystyczne dla malarii. Jeżeli w krwince jest dużo reaktywnych form tlenu, obecność zarodźców powoduje zwiększoną aktywację białek układu odpornościowego (przede wszystkim dopełniacza). Krwinki ulegają likwidacji w śledzionie wraz z pasażerami na gapę. Można więc powiedzieć, że mutacje w genie D6GP są swoistym dopalaczem dla naszego układu odpornościowego, ponieważ umożliwiają naszemu układowi odpornościowemu lepsze rozpoznawanie zakażonych krwinek.

Daje to osobom z niedoborem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej duży stopień oporności na malarię: mogą się wprawdzie zarazić, ale objawy są na ogół łagodne i ustępują samorzutnie. Prawie nigdy też nie umierają na malarię (a umiera na nią rocznie ok. 650 000 ludzi na świecie). Tak więc na terenach, gdzie malaria występuje endemicznie, niedobór G6PD dawał  zdecydowana przewagę ewolucyjną. Dlatego właśnie tam mutacje w genie kodującym ten enzym spotyka się nawet u 30% ludzi.

W Polsce częstość niedoboru dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej szacuje się na 0,1%, co znaczy, że ok. 35 000 osób może mieć problemy po zjedzeniu bobu.

Ryc. 8. Częstość mutacji w genie kodującym dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową na terenach endemicznych dla malarii (nie znaczy to, że na innych terenach mutacji nie ma). Źródło: von Seidlein et al. Malaria Journal 2013, 12:112. Licencja CC BY 2.0.

Dlaczego osoby z niedoborem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej są zdrowe?

Podchwytliwe pytanie dla zaawansowanych: jeżeli dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa jest tak ważnym enzymem, to dlaczego osoba dotknięta jego niedoborem jest w zasadzie zdrowa (dopóki nie zje bobu)? Jak syntezuje pentozy niezbędne do syntezy kwasów nukleinowych, a także kwasy tłuszczowe i cholesterol, do czego potrzebny jest NADPH?

Nie ma problemu z pentozami, bo mogą powstawać z heksoz w reakcjach katalizowanych przez transaldolazę i transkatalazę. Ale co z NADPH? Bez niego nie ma życia. Nic straconego, bo w naszych komórkach produkują go cztery enzymy. Oprócz znanej nam dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej jest jeszcze inny enzym szlaku pentozofosforanowego, czyli dehydrogenaza 6-fosfoglukonianowa. Jeżeli jednak pierwszy enzym szlaku (czyli G6PD) nie działa, to i ten też nie będzie działał. W takim razie mamy jeszcze w odwodzie dwa enzymy będące homologami enzymów cyklu Krebsa. Są to: dehydrogenaza izocytrynianowa zależna od NADPH i dehydrogenaza jabłczanowa zależna od NADPH. Działają podobnie jak enzymy o tej samej nazwie wchodzące w cykl Krebsa, ale robią to w cytosolu, a nie w mitochondriach, i uzyskane elektrony przenoszą na NADP+, a nie na NAD+. Ale ich aktywność jest dużo niższa niż aktywność enzymów szlaku pentozofosforanowego. Dlatego jeżeli ten szlak nie działa dobrze (z powodu mutacji w genie G6PD), to może brakować NADPH. Skutki poczujemy po zjedzeniu bobu.

Fawizm jako sprytny zabieg ewolucji

Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej można uznać za idealny zabieg ewolucji w walce z jedną z najgroźniejszych dla ludzkości chorób, czyli malarią. Ludzie żyjący na terenach endemicznych dla malarii przystosowali się do jej obecności poprzez mutacje w wielu genach. Na przykład w genach kodujących hemoglobinę, które powodują choroby takie jak anemia sierpowatokrwinkowa lub talasemia. Dają one wprawdzie oporność na malarię, ale skutkami ubocznymi są często poważne choroby, a nawet śmierć. Na tym tle niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej to wada kosmetyczna: trzeba zjeść bób, żeby cokolwiek się wydarzyło. A większość ludzi z tym niedoborem nigdy bobu nie jadło, bo nie rośnie on w krajach tropikalnych. Może dlatego takich ludzi jest na świecie 400 milionów?

Literatura dodatkowa

Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej i malaria

https://malariajournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/1475-2875-12-112

Mutacje w genie G6PD

https://www.mdpi.com/1422-0067/17/12/2069

Synteza NADPH

https://iubmb.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/iub.1017

Fawizm, wpływ wieku i płci na objawy

https://www.mdpi.com/2072-6643/15/2/343

Cykl Krebsa dla opornych: zmora egzaminów z biochemii czy fundament życia? (1)

Marcin Czerwiński5 komentarzy

Żaden egzamin z biochemii nie może się obyć bez cyklu kwasu cytrynowego, zwanego też cyklem Krebsa. Najlepiej ze wzorami. Niewielu jednak wykładowcom udaje się dobrze wytłumaczyć, na czym polega znaczenie cyklu Krebsa dla naszego metabolizmu, i dlaczego ten cykl jest tak ważny. Postaram się wypełnić tę lukę.

Po co jest cykl Krebsa?

Nasz organizm wymaga stałego dopływu energii. Jest tylko jeden związek chemiczny, który służy wszystkim komórkom jako źródło energii: adenozynotrójfosforan (według nowej nomenklatury adenozynotrifosforan), czyli ATP. Przeciętny człowiek produkuje go ok. 40 kg na dobę, i tyle samo zużywa na trzy główne cele: ruch (czyli skurcze mięśni), aktywny transport cząsteczek i jonów, oraz syntezę makrocząsteczek z prostych związków. Każda komórka wytwarza ATP na własne potrzeby, i każda musi mieć dostęp do substancji, z których może wytworzyć ten związek.

Skąd czerpiemy energię do produkcji ATP?

Wyłącznie z tego co zjadamy. Są organizmy, jak np. rośliny, które produkują ATP w wyniku pochłaniania energii Słońca. Natomiast zwierzęta, a zwłaszcza ptaki i ssaki jako organizmy stałocieplne, potrzebują o wiele więcej energii, i nawet gdyby miały zdolność do fotosyntezy (a w tym celu musiałyby produkować chlorofil i godzinami przesiadywać na słońcu), to zaspokoiłaby ona najwyżej 5% potrzeb energetycznych. Dlatego musimy zjadać inne organizmy. Albo to, co one wytworzą, na przykład tłuszcz. Pokrywa on 75% naszych potrzeb energetycznych i jest niezbędny do życia (wbrew antytłuszczowej propagandzie). Węglowodany zaspokajają 25% zapotrzebowania, a białka nie odgrywają roli w bilansie energetycznym. Mogą wprawdzie generować pewną ilość ATP, ale zawierają azot, którego musimy się pozbyć w ramach (energochłonnego) cyklu mocznikowego. Ale białka są niezbędne do życia, bo dostarczają nam aminokwasów egzogennych, czyli tych, których sami nie możemy wytworzyć.

W jaki sposób produkujemy ATP?

ATP można produkować na dwa sposoby: beztlenowy i tlenowy. Beztlenowy nazywany jest inaczej fermentacją; stosują go np. drożdże rozkładając glukozę i wytwarzając alkohol, albo bakterie typu Lactobacillus zakwaszając mleko. Zwierzęta, w tym ludzie, też mogą wytwarzać ATP w ten sposób, ale może ona pokryć najwyżej 5% zapotrzebowania (z tym, że nasz organizm nie potrafi produkować alkoholu). Ale większość organizmów eukariotycznych używa do produkcji ATP tlenu, a proces ten nazywamy oddychaniem komórkowym. Zachodzi on wyłącznie w mitochondriach, które są głównym źródłem ATP w komórkach. To tam mają miejsce reakcje cyklu Krebsa.

Co jest głównym produktem cyklu Krebsa?

Cykl Krebsa wytwarza niewiele ATP, ale uwalnia z dwuwęglowych cząsteczek elektrony o wysokiej energii. Te dwuwęglowe jednostki przekształcają się w dwutlenek węgla. Te elektrony, transportowane przez przenośniki elektronów NAD i FAD, trafiają na białka łańcucha oddechowego. Przepływ elektronów przez te białka na tlen generuje gradient jonów H+, który z kolei napędza enzym o nazwie syntaza ATP. To właśnie on jest głównym dostarczycielem ATP dla komórek. Tak więc głównym produktem cyklu Krebsa są elektrony o wysokiej energii. Cykl Krebsa można więc porównać do elektrowni, która spalając węgiel wytwarza prąd. Z tym że my nie możemy przesyłać elektronów przewodami; służą nam do tego wspomniane przenośniki elektronów NAD i FAD. Są jeszcze inne przenośniki (koenzym Q i cytochrom C), ale one działają już w łańcuchu oddechowym.

Jak działa cykl Krebsa?

Jest to główny ośrodek metaboliczny komórki. Trafiają do niego związki, które mogą być przetworzone w grupy acetylowe, ale także wiele innych cząsteczek. Grupa acetylowa (-COCH3)zawiera dwa atomy węgla, i właśnie przekształcenie tych dwuwęglowych cząsteczek w dwutlenek węgla jest podstawą tego cyklu. Nie jest to jednak przekształcenie bezpośrednie, to znaczy reszta acetylowa nie zostaje utleniona do CO2 w jednej reakcji; proces ten zachodzi w ośmiu reakcjach katalizowanych przez osiem enzymów. Reakcje te pokazałem na Ryc. 1. W skrócie, cykl polega na przyłączeniu grupy acetylowej związanej z przenośnikiem o nazwie koenzym A do czterowęglowej cząsteczki kwasu szczawiooctowego. Tu uwaga nomenklaturowa: ponieważ kwasy organiczne w komórkach występują przeważnie w postaci soli (sodu lub potasu), lepiej jest używać nazwy szczawiooctan, a nie kwas szczawiooctowy (dotyczy to też innych kwasów organicznych).

Powstaje w ten sposób cytrynian, który daje nazwę całemu cyklowi. Cytrynian zostaje następnie przekształcony w izocytrynian. Oba te związki mają trzy grupy karboksylowe, podczas gdy pozostałe sześć kwasów w cyklu Krebsa ma dwie takie grupy. Paradoksalnie, jedna z angielskich nazw cyklu Krebsa to TCA (tricarboxylic acid cycle, cykl kwasów trójkarboksylowych). Powinno być raczej DCA, bo kwasów dwukarboksylowych jest więcej?

Izocytrynian zostaje następnie przekształcony w α-ketoglutaran z uwolnieniem pierwszej cząsteczki CO2 i przeniesieniem 2 elektronów na NAD+ z wytworzeniem NADH (o NADH i FADH2 jeszcze będzie). α-ketoglutaran ulega dalszej dekarboksylacji (czyli reakcji odłączenia CO2) do bursztylyno-koenzymu A, i tu powstaje następna cząsteczka CO2 (a także kolejny NADH). Bursztynylo-koenzym A przekształca się w bursztynian, i tu powstaje pierwsza (i jedyna) cząsteczka ATP lub jego odpowiednika GTP. U roślin i bakterii powstaje ATP, u ssaków raczej GTP, chociaż w niektóre tkanki preferują ATP. Natomiast wszystkie podręczniki podają GTP, chociaż nie jest to wcale wyłączny produkt tej reakcji.

Te pierwsze pięć reakcji (szczawiooctan>cytrynian>izocytrynian>bursztynylo-CoA>bursztynian) skutkuje rozkładem dwuwęglowej cząsteczki do 2 cząsteczek CO­2 z wytworzeniem dwóch cząsteczek NADH i jednej cząsteczki ATP (lub GTP). Teraz trzeba bursztynian, który jest czterowęglowym kwasem dwukarboksylowym (to znaczy, że ma dwie grupy COOH) przekształcić w szczawiooctan, który też ma cztery atomy węgla i dwie grupy COOH, ale dodatkowo też grupę karbonylową (C=O). Dlaczego ta grupa karbonylowa jest taka ważna? Bo do atomu węgla tej grupy przyłącza się grupa acetylowa i cały cykl może kręcić się w kółko.

Do odtworzenia szczawiooctanu służą trzy reakcje: szczawiooctan>fumaran z wytworzeniem FADH, fumaran>jabłczan i jabłczan>szczawiooctan z wytworzeniem NADH. (Ryc. 1, 2).

Ryc. 1. Schemat cyklu Krebsa i dalsze losy elektronów w białkach łańcucha oddechowego (Electron transport chain). ATP powstaje w wyniku fosforylacji oksydacyjnej (OXPHOS).

Metabolity cyklu Krebsa: Citrate, cytrynian; Isocitrate, izocytrynian; αKG, α-ketoglutaran; Succinyl-CoA, bursztynylo-CoA; Succinate, bursztynian; Fumarate, fumaran; Malate, jabłczan; Oxaloacetate, szczawiooctan. Enzymy: CS, syntaza cytrynianowa, ACO2, akonitaza; IDH3, dehydrogenaza izocytrynianowa; OGDH, dehydrogenaza α-ketoglutaraniwa; SCS, syntetaza bursztynylo-CoA; SDH, dehydrogenaza bursztynianowa; FH, fumaraza; MDH2, dehydrogenaza jabłczanowa.

Przenośniki elektronów: NAD/NADH, dinukleotyd niktynamidoadeninowy; FAD/FADH2: dinukleotyd flawinoadeninowy; Q, koenzym Q, Cyt.C, cytochrom C.

Źródło: Arnold PK and Finley LWS, J. Biol. Chem. 2023, 299: 102838. Licencja CC BY 4.0.

 

 

Ryc. 2. Cykl Krebsa ze wzorami. Źródło: Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L, Biochemistry. Licencja CC BY 3.0

Acetylo-koenzym A jako prekursor cyklu Krebsa

Podstawową funkcją cyklu Krebsa jest utlenianie grup acetylowych. Nie występują one jednak luzem, ale są związanie z koenzymem A, organiczną cząsteczką, która je przenosi (Ryc. 3). Skąd biorą się grupy acetylowe? Z tego, co zjadamy, a przede wszystkim z glukozy i kwasów tłuszczowych. Kwasy tłuszczowe ulegają rozkładowi do grup acetylowych w procesie zwanym β-oksydacją, który zachodzi wyłącznie w mitochondriach. Dlatego rozkład kwasów tłuszczowych jest możliwy wyłącznie w obecności tlenu, bo mitochondria to miejsce, gdzie zachodzi oddychanie komórkowe.

Glukoza, a także inne cukry, też może przekształcić się w grupy acetylowe. Ten proces nazywa się glikolizą, zachodzi w cytoplazmie i nie wymaga tlenu. Glukoza w wyniku dziesięciu reakcji enzymatycznych rozkłada się do pirogronianu (który zawiera trzy atomy węgla). Jeżeli tlen nie jest dostępny, pirogronian może ulec redukcji do mleczanu (ma to miejsce np. w mięśniach podczas intensywnych skurczów). Jeżeli tlen jest dostępny, pirogronian zostaje przeniesiony do mitochondrium, gdzie po dekarboksylacji i przyłączeniu do koenzymu A powstaje z niego acetylo-koenzym A (Ryc.3).

Ryc. 3. Koenzym A. Do grupy tiolowej (-SH) merkaptoetyloaminy przyłącza się grupa acetylowa, acylowa (w czasie β-oksydacji kwasów tłuszczowych), albo karboksylowy atom węgla w bursztynylo-CoA. Domena publiczna.

NAD i FAD jako główni gracze w cyklu Krebsa

NAD (dinukleotyd niktynamidoadeninowy) i FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy) to przenośniki elektronów, niezbyt prawidłowo nazywane nukleotydami, bo nimi nie są, chociaż zawierają adeninę. Odbierają elektrony od enzymów przeprowadzających utlenianie (w chemii utlenianie to odbieranie elektronów) i przekazują je na białka łańcucha oddechowego. Każdy przenosi po parze elektronów: NAD+ po przyłączeniu pary elektronów przekształca się się NADH, a FAD – w FADH2. Obie te formy nazywamy formami zredukowanymi (bo przyłączyły elektrony, czyli się zredukowały).  Energia elektronów przenoszonych przez FADH2 jest nieco mniejsza niż tych przenoszonych przez NADH. Wszystkie elektrony, po przepłynięciu przez białka łańcucha oddechowego, trafiają w końcu na tlen (pisał o tym Lucas Bergowsky, a końcowym produktem oddychania komórkowego jest woda. Różnica energii między elektronami, które wchodzą do szlaku oddechowego, i tymi, które odbiera tlen, służy (bez wchodzenia w szczegóły, bo to temat na osobny tekst) do wytworzenia ATP.

W skład NAD i FAD wchodzą dwie witaminy: NAD zawiera witaminę B3, czyli niacynę, a FAD witaminę B2, czyli ryboflawinę. Niedobór witaminy B2  zdarza się rzadko, ale brak witaminy B3 może spowodować pelagrę, chorobę dawniej występującą często w rejonach, gdzie je się dużo kukurydzy. Objawy to zmiany skórne (stąd nazwa: szorstka skóra), biegunka i demencja. Kukurydza zawiera wprawdzie niacynę, ale w formie zablokowanej. Jeżeli niacyna nie zostanie odblokowana w procesie nazywanym nikstamalizacją, jedzenie dużych ilości kukurydzy grozi zachorowaniem na pelagrę. Jest nawet hipoteza, że kultura Majów upadła z powodu konsumpcji nadmiernej ilości kukurydzy (Ryc. 4).

Ryc. 4. NADH i FADH2. Czerwonymi kółkami zaznaczone atomy wodoru, które zostają przyłączone wraz parami elektronów. Domena publiczna.

Bilans cyklu Krebsa

Każda para elektronów przenoszona przez NADH  po przepłynięciu przez białka łańcucha oddechowego powoduje syntezę 2,5 cząsteczki ATP. Para elektronów przenoszona przez FADH2 daje 1,5 cząsteczki ATP. Ponieważ w jednym „obrocie” cyklu Krebsa powstają trzy cząsteczki NADH i jedna FADH2, to łatwo wyliczyć, że jedna grupa acetylowa generuje 2,5 x 3 + 1,5 = 9 cząsteczek ATP. Pamiętamy, że każdy „obrót” cyklu Krebsa wytwarza 1 cząsteczkę ATP (lub GTP), czyli z jednej grupy acetylowej otrzymujemy w sumie 10 cząsteczek ATP. Ponieważ z jednej cząsteczki glukozy powstają dwie grupy acetylowe, to w sumie cząsteczek ATP powstaje 20, a po doliczeniu tych, które powstają w czasie glikolizy i w wyniku redukcji pirogronianu, otrzymujemy 30 cząsteczek ATP. Starsze podręczniki podają 36, ale ta różnica jest związana ze stratami w transporcie ATP z mitochondrium (gdzie ATP powstaje) do cytoplazmy (gdzie jest potrzebny). Bilans przedstawiam na Ryc. 5.

Ryc. 5. Bilans cyklu Krebsa. Opracowanie własne.

A co z tłuszczami? Jedna cząsteczka kwasu palmitynowego generuje 106 cząsteczek ATP. Ponieważ jedna cząsteczka trójglicerydu zawiera trzy takie cząsteczki, to łącznie otrzymujemy 318 cząsteczek ATP, Dodać tu należy 13 cząsteczek ATP, które powstają w wyniku utlenienia glicerolu. Tak więc w sumie jedna cząsteczka trójglicerydu (z kwasem palmitynowym) daje 331 cząsteczek ATP, czyli ponad 10 razy więcej niż cząsteczka glukozy. Dlatego tłuszcz jest tak dobrym źródłem energii, chociaż ma swoje wady. Można go rozłożyć wyłącznie tlenowo, a niektóre komórki (np. neurony) w ogóle nie mogą używać tłuszczu jako źródła energii.

W następnym odcinku napiszę o osobliwościach cyklu Krebsa, jego regulacji i roli cyklu Krebsa w regulacji ekspresji genów. Będzie też o tym, jak głód wpływa na cykl Krebsa, i kilka uwag historycznych.

Literatura

Współczesne spojrzenie na cykl Krebsa

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925822012819?via%3Dihub

Szczęka Habsburgów: geny, chrząstki i agrekan

Marcin CzerwińskiLeave a comment

Zapewne wiele osób słyszało o tzw. szczęce Habsburgów, czyli wystającej żuchwie, którą mieli przedstawiciele tej dynastii. Habsburgowie wywodzą się z Bryzgowii (dzisiejsza Badenia-Wirtembergia), a u szczytu potęgi byli w XVI wieku, kiedy rządzili połową Europy (w tym Hiszpanią i Rzeszą Niemiecką), a w ich państwach słońce nie zachodziło.

Karol II Habsburg

Upadek zaczął się po koniec XVII wieku, kiedy w wyniku bezpotomnej śmierci Karola II (1661–1700), króla Hiszpanii, Habsburgowie utracili władzę w tym kraju. Utrzymali się w Austrii, gdzie rządzili jeszcze do 1918 r. Uważa się, że w upadku hiszpańskiej gałęzi rodu dużą rolę odegrało kojarzenie krewniacze: aby nie dopuścić do oddania władzy w obce ręce, Habsurgowie zawierali związki małżeńskie między sobą. I tak, matka Karola II była siostrzenicą jego ojca, co znaczy, że jego rodzice mieli 1/4 takich samych genów. Dziadkowie i pradziadkowie Karola II ze strony ojca byli kuzynami I stopnia (1/8 takich samych genów), a dziadkowie ze strony matki – kuzynami II stopnia (1/16 takich samych genów). Po wielu pokoleniach mogło to powodować nagromadzenie się negatywnych cech, które ujawniły się w końcu u Karola II. Władca ten uchodził za opóźnionego umysłowo i fizycznie; sekcja zwłok wykazała liczne patologiczne zmiany, m.in. jedną nerkę, wodogłowie i niedorozwój narządów płciowych.

Prognatyzm żuchwy

Charakterystyczną cechą hiszpańskich Habsburgów była wystająca dolna szczęka, czyli żuchwa (Ryc. 1). Miał ja Karol II, jego ojciec Filip IV, a także wielu innych członków tej rodziny. Fachowo nazywa się to prognatyzmem żuchwy i jest to cecha determinowana genetycznie. Istnieje co najmniej kilkanaście genów, których sekwencje mogą wpływać na kształt żuchwy. Ja opowiem tylko o jednym genie, który wydaje się odgrywać najważniejszą rolę w  powstawaniu prognatyzmu. Ten gen to ADAMTS1; koduje on białko o nazwie metaloproteinaza z motywem 1 trombospondyny (A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs 1).

Ryc. 1. Habsburgowie: A. Cesarz Karol V (1500-1558). Lucas Cranach, Thyssen-Bornemisza Museum. Domena publiczna. B. Filip IV (1605-1665). Diego Velázquez, National Gallery, London. Domena publiczna. C. Karol II (1661-1700), syn Filipa IV. Juan Carreño de Miranda, Museo Nacional del Prado. Domena publiczna.

Metaloproteinazy

Jak sama nazwa wskazuje, metaloproteinazy to enzymy, które degradują (czyli rozkładają) inne białka, a w ich centrach aktywnych (odpowiedzialnych za aktywność enzymatyczną) znajdują się jony metalu. Przeważnie jest to cynk, czasem kobalt. Ich główna funkcja to degradacja białek macierzy pozakomórkowej (extracellular matrix, ECM). A macierz pozakomórkowa to wszystko to, co znajduje się między naszymi komórkami. Są to białka takie jak kolageny (o nich za chwilę) i wielocukry (np. siarczan chondroityny). Te elementy macierzy pozakomórkowej powstają przez cały czas w ciągu naszego życia, i muszą być w odpowiedni sposób degradowane (czyli niszczone). Zaburzenia w działaniu metalproteinaz mogą powodować liczne choroby, takie jak przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP), reumatoidalne zapalenie stawów (RZS), marskość wątroby czy tętniak aorty. U człowieka znanych jest 28 różnych metaloproteinaz.

Agrekan

Jednym ze składników macierzy pozakomórkowej jest agrekan. Jest to główny proteoglikan chrząstki stawowej: stanowi 90% jej suchej masy. A proteoglikan to białko, do którego przyłączonych jest wiele łańcuchów cukrowych: masa cząsteczkowa tych łańcuchów jest wyższa niż masa samych łańcuchów białkowych. Te łańcuchy cukrowe to przeważnie glikozaminoglikany, czyli polisacharydy składające się z powtarzających się podjednostek dwucukrowych. W takiej podjednostce jeden cukier to zawsze kwas uronowy (czyli cukier z grupą karboksylową), a drugi to aminocukier, czyli cukier zawierający grupę aminową. Przeciętny łańcuch glikozaminoglikanu ma kilkadziesiąt monocukrów. W przypadku agrekanu, głównymi (90%) łańcuchami cukrowymi przyłączonymi do białka są cząsteczki siarczanu chondroityny. Jego podjednostki to kwas glukuronowy i siarczan N-acetylogalaktozaminy. Około 10% łańcuchów cukrowych agrekanu stanowi siarczan keratanu: podjednostki to galaktoza i siarczan N-acetyloglukozaminy. Obecność tak wielu łańcuchów cukrowych powoduje, że agrekan ma wyjątkową strukturę: można ją porównać do elastycznej sprężyny (Ryc. 2).

Ryc. 2. Struktura agrekanu. Łańcuch białkowy zaznaczono na czarno, siarczan chondroityny (CS) na fioletowo i zielono, siarczan keratanu  (KS) na brązowo. G1,G2 i G3 to regiony globularne (bez cukrów). HA to hialuronian, z którym agrekan tworzy kompleks. Źródło: Roughley PJ, Mort JS, J. Exp. Orthop. 2014, 1:8. Licencja CC BY-SA 4.0.

Chrząstka stawowa, czyli kolageny, agrekan i hialuronian

Chrząstka stawowa jest tkanką pokrywającą powierzchnię stawów. Zbudowana jest głównie chondrocytów, czyli komórek produkujących proteoglikany i kolageny, oraz proteoglikanów. Oprócz siarczanu chondroityny i siarczanu keratanu jest jeszcze jeden: kwas hialuronowy, zwany też hialuronianem. To polimer kwasu glukuronowego i N-acetyloglukozaminy. W odróżnieniu od wymienionych polisacharydów, nie tworzy wiązania kowalencyjnego z białkiem i występuje samodzielnie. W stawach pełni ważną funkcję, bo jest podstawowym składnikiem tzw. mazi stawowej, dzięki któremu nasze stawy nie skrzypią (chociaż czasem się to zdarza).

W skład macierzy pozakomórkowej wchodzą też białka: kolageny i elastyna.

Kolageny (a jest ich u człowieka 14 rodzajów) i elastyna to białka wchodzące w skład macierzy pozakomórkowej. Nadają tkankom odporność na rozciąganie, wchodzą w skład skóry, ścięgien, kości i naczyń krwionośnych. Mutacje w genach kodujących kolageny lub elastynę mogą być przyczyną chorób genetycznych, np. wrodzonej łamliwości kości.

Jak wytrzymać obciążenie 5 ton?

Chrząstka stawowa ma bardzo odpowiedzialne zadania: zapobiega ścieraniu się kości, zapewnia poślizg i zmniejsza tarcie. Ale przede wszystkim musi znosić ogromne obciążenia, bo o ile kości, które są zbudowane głównie z hydroksyapatytu (hydroksyfosforanu wapnia), stanowią rusztowanie o dużej wytrzymałości, to stawy zbudowane są z tkanek miękkich. Obciążenia stawów wynoszą przeciętnie między 11 i 55 kg/cm2, a w przypadku niektórych stawów (np. skokowego) mogą wynieść do 500 kg/cm2. Dzieje się tak np. wtedy, gdy zeskakujemy z dużej wysokości i staw skokowy musi znieść obciążenie rzędu kilku ton.

Jak chrząstka daje sobie radę z takim wyzwaniami?

Ze względu na silną hydrofilowość (dużo łańcuchów cukrowych), agrekan i hialuronian silnie chłoną wodę. Ta woda, wraz z cząsteczkami agrekanu i hialuronianu, jest zamknięta wewnątrz włókien z kolagenu. Jeżeli taka klateczka z kolagenu zostanie poddana ciśnieniu (np. w czasie lądowania po zeskoczeniu z dużej wysokości), to woda zostaje z niej „wypchnięta”. Skutkiem jest zmniejszenie objętości takiej klateczki. Działa więc ona jak materac wypełniony wodą, na który ktoś skacze: lokalne zmniejszenie objętości pozwala na amortyzację lądowania. Właśnie dzięki takiej budowie chrząstka jest odporna na duże obciążenia (Ryc. 3).

Ryc. 3. Jak ciśnienie wpływa na elastyczność chrząstki stawowej. Agrekan i hialuronian są zamknięte wewnątrz włókien kolagenu. Ciśnienie powoduje wyparcie wody z takiej „klateczki”. Źródło: Roughley PJ, Mort JS, J. Exp. Orthop. 2014, 1:8. Licencja CC BY-SA 4.0.

No dobrze, ale co wspólnego ma chrząstka stawowa z Habsburgami i ich szczękami?

Komórki grzebienia nerwowego

Ma i to dużo, bo chrząstka jest prekursorem kości, a czaszka kręgowców powstaje w czasie rozwoju zarodkowego z tzw. komórek grzebienia nerwowego (cranial neural cells). Są to komórki zdolne do dzielenia się i przekształcania w różne, często bardzo zróżnicowane i odległe fenotypowo komórki. Komórki te migrują przez ciało zarodka, zasiedlając w nim różne miejsca, w których potem powstają zawiązki zwojów nerwowych mózgu, rdzenia kręgowego, a także komórki czaszki. U człowieka proces ten rozpoczyna się w czwartym tygodniu życia płodowego. A rozwój całej czaszki zaczyna się od tzw. kłykcia chrząstki żuchwy, czyli tego miejsca, gdzie żuchwa styka się z resztą czaszki, w bezpośrednim sąsiedztwie stawu skroniowo-żuchwowego. Tak więc można powiedzieć, że o kształcie czaszki (a już na pewno żuchwy) decydują pierwsze tygodnie życia płodowego, a w szczególności aktywność enzymów w komórkach, które tworzą zawiązki kłykcia chrząstki żuchwy (Ryc. 4).

Ryc. 4. Powstawanie i migracja komórek ludzkiego grzebienia nerwowego. A. Embrionalna cewa nerwowa (czyli zawiązek układu nerwowego) z zaznaczonym śródmózgowiem (mesencephgalon), tyłomózgowiem (metecephalon) oraz rombomerami (segmenty wchodzące w skład tyłomózgowia). B. Strzałkowy (boczny) widok embriona wraz ze ścieżkami migracji komórek. C. Strzałkowy widok czaszki osoby dorosłej, pochodzenie fragmentów zaznaczone kolorami. Źródło: WikiMedia Commons, BIOL331 CNC, Licencja CC BY-SA 3.0.

Fundamentem prawidłowego rozwoju tkanki jest równowaga między syntezą białek i proteoglikanów, które ją tworzą (kolageny, agrekan) i ich rozkładem. Nadmiar agrekanu może spowodować zmiany w dojrzewaniu chrząstki i hipertrofię (czyli nadmierny rozrost) kości, które z niej powstają. Jeżeli z jakichś przyczyn agrekan nie jest rozkładany dostatecznie sprawnie, dojdzie właśnie do hipertrofii żuchwy. Tak może być, kiedy gen kodujący któryś z enzymów rozkładających agrekan (czyli właśnie wspomniany gen ADAMTS1) zawiera mutacje, które powodują obniżenie aktywności enzymu.

Przypuszczalnie tak właśnie było w przypadku hiszpańskich Habsburgów, chociaż tu trzeba zastrzec, że genów wpływających na kształt żuchwy jest wiele. ADAMTS1 jest tylko jednym, chociaż dość prawdopodobnym kandydatem. Czy dowiemy się kiedyś jak było naprawdę? Trzeba by w tym celu poznać sekwencje ich genomu. Komisja bioetyczna się na to raczej nie zgodzi (nie mówiąc o rodzinie Habsburgów).

A czy na fatalny stan zdrowia Karola II mogła wpłynąć mutacja w genie ADAMTS1? Raczej nie. Prawdopodobnie Karol II miał jeszcze wiele innych mutacji, które były wynikiem kojarzenia krewniaczego, czy też używając terminologii hodowlanej, chowu wsobnego. Spowodowany przez mutacje w genie ADAMTS1 prognatyzm żuchwy to cecha recesywna, która ujawni się, jeżeli oba allele genu będą zawierały mutacje. Hiszpańscy Habsburgowie (prawdopodobnie w w wyniku chowu wsobnego) mieli prawdopodobnie oba allele z mutacjami, i dlatego ich szczęki były tak masywne. Ale austriaccy Habsburgowie zawierali małżeństwa także z przedstawicielami innych rodów, i może dlatego ich żuchwa była już mniej wystająca. Chociaż i w tej rodzinie zdarzały się przypadki ograniczeń umysłowych (cesarz Ferdynand I).

I jeszcze jedno: czy osoby mające dużo agrekanu mają z tego jakąś korzyść? Na przykład, czy ich stawy są bardziej wytrzymałe? Dziś znanych jest wiele osób z mutacjami w genie ADAMTS1, które poza rozrostem żuchwy są całkiem zdrowe. Być może ich stawy są bardziej odporne na obciążenia, ale trudno wyobrazić sobie takie badania od strony etycznej.

Literatura dodatkowa

Szczęka Habsburgów

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/distinctive-habsburg-jaw-was-likely-result-royal-familys-inbreeding-180973688/

Metaloproteinazy

https://www.mdpi.com/2073-4409/9/5/1076

Agrekan

https://jeo-esska.springeropen.com/articles/10.1186/s40634-014-0008-7

Komórki grzebienia nerwowego

https://www.mdpi.com/1422-0067/22/3/1315