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