O złocie, żółci, chlorze i wielowymiarowości kolorów

Lucas Bergowsky wytłumaczył tu niedawno, dlaczego złoto jest złote. Dzięki temu dowiedzieliśmy się, że złoto zawdzięcza swój unikatowy kolor efektom relatywistycznym. Sprawa koloru złota ma jednak również inne aspekty, w tym biologiczny, kognitywny i językoznawczy.

Jak postrzegamy kolory i jak nas oko łudzi

Zacznijmy od biologii. Podobnie jak pozostałe małpy wąskonose (i niezależnie od nich niektóre szerokonose) Homo sapiens może się poszczycić widzeniem trichromatycznym, korzystającym z trzech receptorów barw: przestrzeń rozpoznawalnych przez nas kolorów jest dzięki temu trójwymiarowa, a nie dwuwymiarowa, jak u innych łożyskowców (trichromatyzm występuje również u części torbaczy). Mimo to jesteśmy kalekami w porównaniu z większością pozostałych kręgowców. Ich wspólny przodek miał widzenie tetrachromatyczne (czteroreceptorowe), zachowane u większości linii potomnych – bezszczękowców, ryb, płazów, gadów i ptaków. Wczesne ssaki prawdopodobnie straciły jeden z odziedziczonych receptorów, a u przodków stekowców oraz (niezależnie) torbaczy i łożyskowców zanikł jeden z pozostałych. Zwykle tłumaczy się to nocnym trybem życia mezozoicznych ssaków. Przy słabym świetle wyraźne widzenie barw nie ma wielkiego znaczenia dla przeżycia i sukcesu reprodukcyjnego, dlatego przypadkowe mutacje uszkadzające geny kodujące receptory barw nie były surowo karane przez dobór naturalny i mogły się utrwalić w populacji naszych dalekich przodków, żyjących w cieniu wielkich dinozaurów.

Można tu i ówdzie przeczytać w popularnych źródłach, że ludzkie oko analizuje barwy w systemie RGB, czyli że w czopkach (komórkach siatkówki oka odpowiedzialnych za rozróżnianie barw), występują receptory wrażliwe na czerwień (red), zieleń (green) i kolor niebieski (blue). Trzeba sprostować tę informację. Oto co się stało i co z tego wynikło.

Przodek naczelnych miał dwa pigmenty wzrokowe wybiórczo wrażliwe na barwy. Były to światłoczułe białka nazywane SWS1 (short-wave sensitive) i LWS (long-wave sensitive). Każde z nich reagowało na dość szeroki zakres długości fal elektromagnetycznych. Białko SWS1 było pobudzane przez fale o długości ok. 355–445 nm, a LWS – ok. 500–570 nm. Pierwszy zakres odpowiada mniej więcej monochromatycznemu światłu fioletowemu (ale zahacza też o nadfiolet), a drugi – zielonemu. Nie oznacza to, że posiadacze takich receptorów widzą tylko fiolet i zieleń. Ich oko i mózg rozpoznają np. kolor niebieski jako światło, które silniej pobudza receptor SWS1 niż receptor LWS, a kolor żółty jako światło, które dość silnie pobudza LWS, ale na które zupełnie nie reaguje SWS1. Brak im jednak receptorów, które umożliwiłyby na przykład zróżnicowanie reakcji na odcienie od ciepłej zieleni przez barwy żółtą i pomarańczową do czerwonej.

U przodka małp wąskonosych gen kodujący receptor LWS (położony na chromosomie płciowym X)1 uległ przypadkowej duplikacji, po czym każda z kopii zaczęła ewoluować niezależnie. Kilka drobnych mutacji doprowadziło do tego, że dziś białka receptorowe kodowane przez każdą z kopii różnią się trzema spośród 364 aminokwasów. To z pozoru niewiele (białka są identyczne w 99,2%), ale ta drobna różnica ma znaczenie dla ich światłoczułości. Wskutek tego oko ludzkie zawiera trzy receptory wrażliwe na następujące długości fali świetlnej: S (krótkie), M (średnie) i L (długie). M i L powstały wskutek wspomnianej wyżej duplikacji, natomiast S kontynuuje wprost dawne SWS1, odziedziczone po przodkach kręgowców. S reaguje najsilniej na fale o długości ok. 420 nm (fiolet), M – ok. 530 nm (chłodna zieleń wpadająca w cyjan), a L – ok. 560 nm (ciepła zieleń wpadająca w żółć). Zauważmy, że nie posiadamy białka wyspecjalizowanego w reagowaniu na czerwień (zakres 625–740 nm). Skąd zatem mózg wie, że światło docierające do oka jest czerwone? Dlatego, że zakres wrażliwości receptora L sięga aż po granicę widzialności światła długofalowego, natomiast wrażliwość M szybko spada w zakresie odpowiadającym barwie pomarańczowej. Zatem czerwień (w odróżnieniu od żółci czy zieleni) pobudza niemal wyłącznie receptor L, podczas gdy np. dla barwy żółtozielonej L pobudzany jest maksymalnie, ale M również silnie. Porównując te reakcje, mózg kalkuluje, z jakim światłem ma do czynienia.

Ryc. 1.

W ogóle barwy od zielonej do żółtej najintensywniej oddziałują na ludzkie oko, bo pobudzają jednocześnie dwa blisko spokrewnione receptory. Złoto znakomicie odbija światło żółte, pomarańczowe i czerwone, a także promieniowanie podczerwone, nieco słabiej światło zielone, a najsłabiej – niebieskie i fioletowe. Choć zatem odbite od złota światło zbliżone do białego, np. słoneczne, jest mieszaniną dużego zakresu długości fal, receptory M i L reagują tak samo, jak gdyby to światło monochromatyczne pomarańczowożółte (ok. 590 nm).

Trzeba pamiętać, że oko nie odróżnia barw monochromatycznych od mieszanki światła o różnej długości fal wywołującej taki sam efekt fizjologiczny. Dlatego dajemy się oszukać monitorom kolorowym, stwarzającym np. iluzję barwy żółtej przez addytywne mieszanie światła czerwonego i zielonego (emitowanego przez dwa spośród trzech subpikseli składających się na każdy element obrazu). Istnieją barwy mieszane, którym nie odpowiada żadna długość fali światła monochromatycznego. Łącząc w równych proporcjach światło czerwone i niebieskie, otrzymujemy kolor purpurowy, który nasz mózg odbiera jako naturalne domknięcie „koła barw” między czerwienią a fioletem. Pobudzane są wtedy receptory L i S z pominięciem M, a przecież żadna „czysta” fala elektromagnetyczna o określonej długości nie mogłaby wywołać takiego efektu. Dlatego percepcji koloru nie można utożsamiać wprost z fizycznymi parametrami fali świetlnej.

Ryc. 2.

A zatem złoto nie jest w zasadzie żółte w sensie fizycznym. Odbite of niego światło stanowi kontinuum odcieni żółtych, pomarańczowych i czerwonych z niejaką domieszką zieleni (nie wspominając o niewidzialnych odcieniach podczerwieni). Z percepcyjnego punktu widzenia ta mieszanka jest jednak równoważna barwie pomarańczowożółtej, na którą oko i mózg (interpretujący „odczyty” receptorów siatkówki) zareagowałyby tak samo. Ekran komputera lub telewizora wywołuje ten sam efekt, mieszając światło czerwone i zielone w stosunku 255 : 215 (bez dodawania barwy niebieskiej).

Widzenie barw a ewolucja nazw kolorów

Zważywszy, że charakterystyki pobudzenia receptorów M i L w znacznym stopniu nakładają się na siebie, trudno się dziwić, że są języki, w których kolor żółty i zielony (a przynajmniej jego ciepłe odcienie) są zaliczane do tej samej „barwy podstawowej” określanej za pomocą jednego słowa. Tak jest np. w języku kwaḱwala (kwakiutl) z rodziny wakaszańskiej, używanym nad Cieśniną Królowej Charlotty w zachodniej Kanadzie. Słowo łanxa [ɬənχa] oznacza w nim zarówno kolor zielony, jak i żółty. Podobnie w starożytnym języku akadyjskim z rodziny semickiej (Mezopotamia) przymiotnik warqum [warkʼum] odnosił się do obu kolorów.

Nie inaczej było w języku praindoeuropejskim. Istniał w nim rdzeń leksykalny *ǵhelh3.2 Zachował się on w językach bałtyjskich w funkcji czasownika o znaczeniu ‘zazielenić się’ (litewskie žélti, łotewskie zelt), można więc sądzić, że pochodzące od niego rzeczowniki i przymiotniki odnosiły się pierwotnie do koloru młodej roślinności, a może też niedojrzałych owoców (nie tylko w języku polskich zwanych „zielonymi”, niekoniecznie w zgodzie ze stanem faktycznym). Weźmy na przykład derywat przymiotnikowy *ǵhl̥h3‐ró‐ (z tzw. stopniem zanikowym rdzenia: wskutek utraty samogłoski spółgłoska *l stała się sylabiczna). Rozwinął się on w klasyczne greckie khlōrós, słowo oznaczające różne odcienie zielonego, ale także kolor miodu lub piasku, zatem pokrywające się znaczeniowo z naszą koncepcją koloru zarówno zielonego, jak i żółtego. Przymiotnika tego, po konsultacji z kolegami, użył sir Humphry Davy w roku 1810, aby nazwać nowo odkryty pierwiastek, żółtozielony gaz – chlor (angielskie chlorine).

Ryc. 3.

Losy spółgłoski *ǵh w językach potomnych były dość skomplikowane, bo ona sama miała skomplikowaną artykulację. Była spalatalizowana (zmiękczona) w porównaniu ze „zwykłym” *g, a jednocześnie wymawiana z przydechem (dźwięcznym, a zatem należała do tzw. spółgłosek „dyszących”). Oprócz starogreckiego kh jej refleksami były np. łacińskie h (na początku wyrazu) i pragermańskie *g (z utratą przydechu). W językach bałtosłowiańskich i indoirańskich palatalność zaczęła dominować nad tylnojęzykowym charakterem *ǵh, czego skutkiem był jej rozwój w spółgłoskę zwartoszczelinową *h. Przydech zachował się w językach indoaryjskich (w sanskrycie *h zmieniło się w dźwięczne h [ɦ]), znikł natomiast w irańskich (rezultatem było np. staroperskie d, awestyjskie z) i w bałtosłowiańskich, gdzie z * powstało litewskie ž [ʒ] oraz łotewskie, staropruskie i słowiańskie [z]. Była też drobna komplikacja: w linii prowadzącej do języków bałtosłowiańskich w stopniu zanikowym morfemu *ǵhelh3, czyli *ǵhl̥h3, spółgłoska początkowa w pozycji przed sylabicznym * mogła utracić palatalność, czyli ulec stwardnieniu, zmieniając się w *gh, a następnie (po utracie przydechu) w *g. Wrócimy jeszcze do tego faktu.

Tymczasem jednak zawieśmy na chwilę wątek bałtosłowiański i spójrzmy na języki germańskie, gdzie zachował się m.in. przymiotnik *ǵhelh3‐wó‐ > pragermańskie *gelwa‐ ‘żółty’ (Germanie dorobili się nowego, wyspecjalizowanego przymiotnika o znaczeniu ‘zielony’, więc znaczenie starej nazwy koloru uległo zawężeniu). Jego refleksem było staroangielskie ġeolu (dopełniacz ġeolwes). Kropka nad g oznacza, że w tej pozycji (przed samogłoską przednią) spółgłoska staroangielska uległa zmiękczeniu i zaczęła być wymawiana jako [j] – dlatego dzisiaj ta nazwa koloru brzmi yellow (ale w niemieckim mamy gelb). Istniał też inny pokrewny wyraz, przymiotnik odczasownikowy: *ǵhl̥h3‐tó‐ (o pierwotnym znaczeniu ‘zmieniający kolor na zielony/żółty’). Można go było przerobić na rzeczownik (rodzaju nijakiego), przesuwając akcent na pierwszą sylabę: *ǵhĺ̥h3tom ‘coś zielonego/żółtego’. Po utworzeniu tego słowa zadziałały charakterystyczne pragermańskie zmiany spółgłosek, określane zbiorowo jako prawo Grimma, oraz kilka innych regularnych zmian. Ich rezultatem było pragermańskie *gulþą > staroangielskie gold (i niemieckie Gold). Tu, w pozycji przed samogłoską tylną, zmiękczenie nie zaszło. Zapamiętajmy zatem, że germańskie złoto to ‘coś żółtego, żółty metal’.

W językach bałtosłowiańskich przymiotnik *ǵhl̥h3‐tó‐ utrzymał się, ewoluując w *gl̥Hto‐ (ze wspomnianym wyżej stwardnieniem), a następnie *gilHta‐ (ze specyficznie bałtosłowiańskim rozwojem spółgłoski sylabicznej w sekwencję *il). W języku prasłowiańskim *g uległo zmiękczeniu przed *i i powstała forma *žьltъ, będąca przodkiem polskiego słowa żółty. A zatem żółty i angielskie gold różniły się kiedyś tylko miejscem akcentowania, ponieważ jedno z nich było przymiotnikiem, a drugie – utworzonym od tego przymiotnika rzeczownikiem.

Przodkowie Bałtosłowian także utworzyli pokrewny rzeczownik rodzaju nijakiego od przymiotnika *ǵhl̥h3tó‐, ale w odrobinę inny sposób niż ich pragermańscy krewni. Wstawili mianowicie wewnątrz rdzenia samogłoskę *o. Powstała w ten sposób forma *ǵholh3tom, która rozwinęła się regularnie w prasłowiańskie *zolto (tym razem bez stwardnienia początkowej spółgłoski, bo nie zachodziło ono przed samogłoską). Regularnym refleksem formy prasłowiańskiej jest polskie złoto. A zatem – podsumowując – złoto jest bliskim krewnym angielskiego gold. Oba zostały urobione od tego samego prajęzykowego przymiotnika, zachowanego zresztą w polskim jako żółty.

Na tym jednak nie koniec, bo rdzeń helh3 (czyli bałtosłowiańskie *dźelH‐ > słowiańskie *zel‐) pozostał także produktywnym źródłem słów oznaczających kolor zielony i różne zielone obiekty. Wystarczy wspomnieć prasłowiańskie *zelenъ > polskie zielony albo rzeczownik zbiorowy *zelьje ‘masa zieleni’ > polskie ziele. A zatem nazwy kolorów zielonego i żółtego, choć różne, pozostają w naszym języku spokrewnione, podobnie jak geny kodujące receptory M i L. Od tego samego rdzenia mamy też nazwę żółci (nie koloru, ale substancji produkowanej przez woreczek żółciowy). Występuje ona w językach słowiańskich w dwóch wariantach, *zьlčь i *žьlčь wskutek nieco nieregularnego rozwoju spowodowanego kontaminacją (wpływem skojarzeniowym wyrazów bliskoznacznych) lub odpodobnieniem fonetycznym spółgłosek trudnych do wymawiania w bliskim sąsiedztwie. Z obu tych powodów *žьlčь dało w polskim żółć zamiast oczekiwanego *żółcz (nazwę wydzieliny skojarzono z rzeczownikiem abstrakcyjnym oznaczającym ‘kolor żółty’).3

Listę wyrazów pokrewnych oznaczających rozmaite rzeczy żółte i zielone w językach indoeuropejskich można by było ciągnąć jeszcze długo. Ograniczę się tylko do przykładu z języków indoirańskich: mamy staroindyjskie híraṇyam, staroperskie daranija i awestyjskie zarańiiəm. Wszystkie one pochodzą od praindoirańskiego *hr̥Hanyam < *ǵhl̥h3‐en‐jo‐m. Obok nich istniał przymiotnik *ǵholh3‐i‐ lub *ǵhelh3‐i‐ > indoirańskie *harHi‐ > staroindyjskie hari‐ ‘zielony/żółty’ (także ‘płowy’ lub ‘brązowy’). Stąd pochodzi współczesne perskie zar ‘złoto’.

Ta językowa gra kolorów z udziałem zieleni, żółci i złota jest ciekawą konsekwencją faktu, że około 30 mln lat temu u przodka małp wąskonosych zduplikował się pewien gen na chromosomie X, oraz tego, że nasz mózg dysponuje bardzo niepełną informacją o składzie światła padającego na siatkówkę oka. Do tego dołożyły się oczywiście efekty relatywistyczne zachodzące na zewnętrznej powłoce elektronowej atomu złota.

Przypisy

  1. Ma to podstawowe znaczenie dla zrozumienia, dlaczego mężczyźni wielokrotnie częściej niż kobiety bywają dotknięci zaburzeniami widzenia barw. Każda kobieta ma dwa chromosomy X, a zatem dodatkowe kopie genów kodujących receptory M i L. Jeśli nawet któryś z nich ulegnie uszkodzeniu, pozostaje jego w pełni funkcjonalny odpowiednik na drugim chromosomie X. Mężczyzna, jako posiadacz tylko jednego chromosomu X, nie ma „kopii zapasowej”, która mogłaby zastąpić wadliwy gen. ↩︎
  2. *h3 było jedną z tzw. spółgłosek laryngalnych (oznaczanych *h1, *h2, *h3), których dokładna wymowa pozostaje dyskusyjna i nie musi nas tu interesować. Wystarczy wiedzieć, że była to tylnojęzykowa spółgłoska szczelinowa, która w większości języków indoeuropejskich zanikła, pozostawiając tu i ówdzie ślady swojej obecności w postaci wpływu na sąsiednie głoski. W prezentowanych tu rekonstrukcjach bałtosłowiańskich i indoirańskich *H oznacza taki fonetyczny ślad dawnej spółgłoski laryngalnej ↩︎
  3. O tym, czym były i jak brzmiały samogłoski *ь i *ъ, czyli tzw. prasłowiańskie jery, pisałem tutaj. ↩︎

Opisy ilustracji

Ryc. 1: Znormalizowany wykres reakcji ludzkich receptorów S, M i L na światło o różnej długości fali (w nanometrach). Autor: Vanessaezekowitz. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY 3.0).
Ryc. 2: Powiększenie fragmentu ekranu laptopa z ikonką aplikacji MS Word. Widoczne są subpiksele odpowiedzialne za mieszanie barw. Wrażenie koloru białego i odcieni szarości powstaje wskutek addytywnego składania barwy czerwonej, zielonej i niebieskiej w równych proporcjach. Foto: Piotr Gąsiorowski.
Ryc. 3: Młode liście dębu szypułkowego (Quercus robur). Foto: Dimìtar Nàydenov. Żródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 4.0).

Dlaczego Bruce Lee zmarł nagle w wieku 32 lat, czyli o roli akwaporyn w naszym życiu (2)

Akwaporyny, czyli białka przenoszące wodę przez błonę

W poprzednim odcinku napisałem jak umarł Bruce Lee, i co oficjalnie było przyczyną zgonu. Bezsprzecznie miał kłopoty z nerkami. Wydaje się, że zbyt silnie zagęszczał mocz, przez co w jego osoczu stężenie sodu było zbyt niskie. A co jest fundamentem prawidłowego zagęszczania moczu, czyli także transportu wody w nerkach? Błony komórkowe są niepolarne, więc stanowią zaporę dla wody, która jest polarna. Niewielka jej ilość może przenikać przez błony w wyniku dyfuzji, ale do transportu większej ilości potrzebne są specjalne białka transportujące wodę nazywane akwaporynami. Te białka są odpowiednikami kanalizacji burzowej w miastach. Mały deszcz może wsiąknąć w ziemię. Ale przy dużej ulewie mogą nas uratować tylko kanały burzowe, które mogą odprowadzić dużą ilość wody.

U człowieka znanych jest 9 akwaporyn, kodowanych przez geny AQP1AQP11. Ich łańcuch polipeptydowy przebija błonę komórkową 6 razy. Powstaje w ten sposób hydrofilowy, wewnętrzny kanał, przez który woda przenika bez przeszkód. Wszystkie akwaporyny mają podobną sekwencję aminokwasową (Ryc. 1).

Ryc. 1. Schemat akwaporyny wraz błoną komórkową i cząsteczkami wody (biało-czerwone). Autor: Opossum58. GNU Free Documentation License.

Trochę historii

Od dawna podejrzewano, że białka transportujące wodę przez błonę komórkową istnieją, ale nikt nie mógł wpaść na ich trop. Dobrym  modelem okazała się ropucha. Kiedy przemieszkuje w wodzie, absorbuje wodę przez skórę i gromadzi ją w pęcherzu moczowym. Kiedy wyjdzie na ląd, używa tej wody do nawadniania organizmu. Można powiedzieć, że ropucha nosi przy sobie zapas butelkowanej wody, tylko zamiast butelki ma własny pęcherz. W 1958 r. wykazano, że cały proces jest regulowany przez hormon o nazwie wazotocina, która jest odpowiednikiem wazopresyny. Wniosek? Ten hormon w jakiś sposób wymusza pojawienie się w komórkach pęcherza nieznanych białek, które przenoszą wodę.

Ich szukanie zajęło 30 lat. W 1988 r. Peter Agre z Johns Hopkins University w Baltimore odkrył, że w oczyszczanym przez niego preparacie białka Rh(D) z krwinek (pisałem na ten temat) jest stale obecne dodatkowe białko o nieznanej funkcji. Takie samo białko znaleziono w kanalikach nerkowych. W 1992 r. udało się wykazać, że ma ono zdolność do przenoszenia wody przez błonę komórkową.  Peter Agre nazwał je akwaporyną, a 10 lat później odebrał w Sztokholmie Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za odkrycie białek przenoszących wodę.

Gdzie są akwaporyny?

Na wszystkich komórkach naszego ciała, bo każda komórka musi prowadzić gospodarkę wodną. Ale najwięcej jest ich w nerkach, bo tam ruch wody jest największy. W kanalikach proksymalnych  jest głównie akwaporyna 1 (AQP1), i to ona odpowiada za odzyskiwanie 90% wody z moczu pierwotnego. Są też akwaporyny 7, 8 i 11. W kanalikach dystalnych i zbiorczych najwięcej jest akwaporyny 2 (AQP2), plus akwaporyny 3, 4, 5 i 6. Akwaporyna 2 jest wyjątkiem wśród akwaporyn, ponieważ jej aktywność jest regulowana przez wazopresynę. Właśnie ona odpowiada za fakultatywne zagęszczanie moczu: działa tylko wtedy, gdy stężenie soli rośnie i każda kropla wody się liczy. Jej aktywność jest uruchamiana w wyniku związania się wazopresyny do receptora dla wazopresyny (V2R), który jest obecny na komórkach kanalików zbiorczych (Ryc. 2).

Ryc. 2. Obecność akwaporyn AQP1-AQP11 w kanalikach nefronu. Created with BioRender.com.

Akwaporyny i grupy krwi

Oprócz nerek, akwaporyny 1 i 3 są obecne w większej ilości na krwinkach. Wchodzą tam w skład szkieletu komórkowego i tworzą kompleks m.in. z białkami układów grupowych Rh i RhAG. Właśnie dlatego Peter Agre zauważył, że istnieją.

Krwinki są bardzo wrażliwe na zmiany osmolalności. Akwaporyny chronią je przed zniszczeniem, np. w nerkach, gdzie w kłębuszkach nerkowych osmolalność zmienia się bardzo szybko. Dwie główne akwaporyny krwinek to akwaporyna 1 i 3. Na akwaporynie 1 znajdują się antygeny układu grupowego krwi Colton (Co). Różnice między antygenami Colton to pojedyncze reszty aminokwasowe niewpływające na aktywność białka. Ale u niewielkiej liczby ludzi (mniej niż 0,01%) stwierdza się fenotyp Coltonnull: polega on na braku akwaporyny 1. Osoby takie mają obniżoną zdolność do zagęszczaniu moczu. Ma to duże znaczenie w warunkach małej dostępności wody, np. w czasie wędrówki przez pustynię, bo grozi szybkim odwodnieniem. Osoby takie są zdrowe, muszą tylko pamiętać o odpowiednim nawadnianiu się w czasie upałów.

Na akwaporynie 3 znajdują się antygeny układu grupowego Gill. Tu też, podobnie jak w przypadku układu Colton, niewielkie różnice w sekwencji aminokwasowej nie wpływają na aktywność białka. Osoby z fenotypem Gillnull, u których akwaporyna 3 jest nieaktywna, mają obniżoną zdolność do transportu glicerolu przez błonę komórkową krwinek. Poza tym nie mają żadnych patologicznych objawów. Może poza suchością skóry, bo to główna akwaporyna skóry. Ale na to wystarczą odpowiednie kremy nawilżające. Dba o to przemysł kosmetyczny.

Akwaporyny: konieczne do życia czy jednak nie?

Oprócz nerek i krwinek, akwaporyny są obecne na komórkach splotu naczyniówkowego mózgu, gdzie pełnią ważną rolę w utrzymaniu stałej osmolalności płynu mózgowo-rdzeniowego. Są też w płucach, gdzie biorą udział w transporcie wody przez błonę komórkową pęcherzyków płucnych. Ważną rolę pełnią w oku, gdzie m.in. regulują ciśnienie wewnątrz gałki ocznej.

Paradoksalnie, mutacje w większości genów kodujących akwaporyny na ogół nie mają poważnych skutków. Jest tak prawdopodobnie dlatego, że mamy 9 rodzajów akwaporyn, które mogą się nawzajem zastępować. Wyjątkiem jest akwaporyna 2: ta, której aktywność jest regulowana przez wazopresynę. Jeżeli nie jest aktywna, to kanaliki zbiorcze w nerkach są praktycznie nieprzepuszczalne dla wody. Skutkiem może być moczówka prosta, choroba, w której nerki wydzielają duże ilości rozcieńczonego moczu (nawet do 25 litrów dziennie). Grozi to wzrostem poziomu sodu (hipernatremią) i uszkodzeniem krążenia. Z kolei nadmierna ekspresja akwaporyny 2 grozi hiponatremią, czyli obniżeniem poziomu sodu, która też może mieć poważne konsekwencje.

Dlaczego Bruce Lee miał problemy z gospodarką wodną?

Jego śmierć w wyniku hiponatremii i obrzęku mózgu pozostaje zagadką. Należy raczej wykluczyć wpływ marihuany (znaleziono bardzo małą ilość), czy reakcję na środek przeciwbólowy, bo czuł się źle jeszcze przed jego zażyciem. Nie miał też raczej fenotypu  Coltonnull (brak akwaporyny 1), bo wtedy nie zagęszczałby moczu, czyli tracił dużo wody. Skutkiem byłaby hipernatremia, czyli nadmierne stężenie sodu (powyżej 145 mmol/l). A u niego sodu było za mało.

Głównym podejrzanym jest akwaporyna 2. Jeżeli jest jej zbyt dużo, mocz ulega silnemu zagęszczeniu, czemu towarzyszy utrata sodu. W rezultacie wydalamy mało moczu o wysokim stężeniu sodu. A jednocześnie osmolalność naszego osocza (czyli także stężenie sodu) spada.

Dlaczego więc Bruce Lee gromadził wodę i wydalał sód, co skończyło się obrzękiem mózgu? Prawdopodobnie akwaporyny 2 w jego kanalikach nerkowych było za dużo. Co mogło rozregulować aktywność akwaporyny 2? Zaburzenia w wydzielaniu wazopresyny, spowodowane np. problemami z podwzgórzem lub przysadką mózgową. Mamy wtedy do czynienia z zespołem Schwartza-Barttera (zespół nieprawidłowego wydzielania hormonu antydiuretycznego (SIADH,  syndrome of inappropriate antidiuretic hormone secretion). Zbyt duża ilość wazopresyny powoduje nadmierną ekspresji akwaporyny 2, a to z kolei powoduje hiponatremię. Skąd nadmierna ilość wazopresyny? Jest wiele możliwych przyczyn: nowotwory, stan zapalny organizmu, nadwrażliwość na niektóre leki, a także zatrucie litem. Sekcja zwłok niczego podobnego nie wykazała.

Inną możliwością są  mutacje w genie kodującym receptor dla wazopresyny. Gen ten znajduje się na chromosomie X, który u mężczyzn występuje w pojedynczej kopii. Mężczyzna dziedziczy chromosom X zawsze po matce. Jeżeli będzie na nim gen z mutacją, to ta mutacja może dać znać o sobie, chociaż matka mogła być całkiem zdrowa. Opisano wiele mutacji w genie kodującym ten receptor, w tym wiele wpływających na aktywność akwaporyny 2. Jak było u Bruce’a Lee? Tego już się nie dowiemy.

Literatura dodatkowa

Historia badań nad akwaporynami:

https://www.karger.com/Article/FullText/463061

Peter Agre, wykład noblowski:

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2003/agre/lecture/

Akwaporyny i gospodarka wodna:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304416513005291

Dlaczego Bruce Lee zmarł nagle w wieku 32 lat, czyli o roli akwaporyn w naszym życiu (1)

Kim był?

Bruce Lee (1940-1973) był aktorem i mistrzem sztuk walki (Ryc. 1). Uważa się go za największego mistrza sztuk walki wszech czasów i ikonę popkultury XX wieku. Film z jego udziałem „Wejście Smoka” (Enter the Dragon) zarobił 400 milionów dolarów przy budżecie 850 000. Zmarł nagle w Hong Kongu w czasie nagrywania dźwięku do filmu „Wejście Smoka” w wieku 32 lat.

Ryc.1. Bruce Lee w filmie  „Fists of Fury”. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Dlaczego tak młodo umarł?

Jest na ten temat wiele hipotez. Oficjalnie przyczyną śmierci była nadwrażliwość na lek przeciwbólowy Equagesic, ale nie ma ten temat żadnego raportu toksykologicznego. Wśród fanów panuje przeświadczenie, że zginął od „ciosu wibrującej pięści” (Dim Mak), co miało być zemstą za ujawnienie tajemnic sztuk walki lub za groźby skierowane pod adresem mafii. Mówi się też o klątwie rodzinnej: syn Bruce’a Lee zginął w wieku 28 na planie filmu w wyniku przypadkowego strzału, a starszy brat zmarł w wieku 3 miesięcy w tajemniczych okolicznościach. Są też hipotezy o nadużyciu narkotyków (marihuana, kokaina), ale nie potwierdzają tego wyniki sekcji zwłok. Ponieważ wykazała ona obrzęk mózgu, zajmijmy się tym wątkiem.

Obrzęk mózgu i hiponatremia

Bruce Lee miał już w życiu epizod z obrzękiem mózgu: było to dwa miesiące przed śmiercią. Poczuł się słabo, miał bóle i zawroty głowy oraz trudności z chodzeniem. W końcu zwymiotował i stracił przytomność. W szpitalu w Hong Kongu stwierdzono znacznie podwyższony poziom mocznika we krwi, co sugerowało uszkodzenie nerek. Po wyrównaniu poziomów elektrolitów Bruce poczuł się lepiej i opuścił szpital.

Ale coś było nie w porządku, bo zaczął pić coraz więcej płynów. Stopniowo zmienił swoją dietę, która zaczęła składać się głównie z warzyw i soków owocowych. W ciągu dwóch miesięcy stracił 15% masy ciała. Wiadomo, że zażywał leki moczopędne (czyli odwadniające). Lubił też zapalić skręta (ślady marihuany znaleziono w jego żołądku w czasie sekcji). Dzień jego śmierci (20.07.1973) był bardzo upalny, nawet jak standardy Hong Kongu. Bruce pracował cały dzień przy nagrywaniu dźwięku do filmu, ale po południu zaczął się uskarżać na ból i zawroty głowy. O 19.30 zażył niesteroidowy lek przeciwbólowy Equagesic, wypił dużo wody i położył się do łóżka. O 21.30 jego przyjaciółka Ting Pei stwierdziła, że jest nieprzytomny. Wezwany lekarz próbował go reanimować, ale po przewiezieniu do szpitala stwierdzono zgon. Sekcja zwłok nie wykazała żadnych obrażeń wewnętrznych, ale masa mózgu była znacznie podwyższona (1575 g wobec 1400 g). Sugerowało to obrzęk mózgu, i taką przyczynę wpisano w akcie zgonu. Ale skąd obrzęk mózgu?  W najnowszych opracowaniach na temat jego śmierci pisze się, że prawdopodobną przyczyną obrzęku mózgu była hiponatremia, czyli zbyt niskie stężenie sodu (poniżej 135 mmol/l). Skąd z kolei hiponatremia? Tu trzeba wyjaśnić, jak nasz organizm gospodaruje wodą.

Gospodarka wodna naszego organizmu

Woda to podstawa życia. Wprawdzie składamy się z 60% z wody, ale musimy nią rozsądnie gospodarować, żeby z jednej strony nie zgromadzić jej nadmiaru, a z drugiej strony nie odwodnić się. Przy czym stężenie soli (głównie chlorku sodu) musi utrzymywać się na stałym poziomie. Wodę wchłaniamy w postaci żywności i napojów (trochę też sami produkujemy), a wydalamy głównie w postaci moczu (60%). Tracimy ją też przez skórę (20%) i w ramach wymiany gazowej w płucach (12%). Ok. 8% wody tracimy w kale. Tak więc nasza gospodarka wodna zależy głównie od nerek. Jak działają?

Nerki i filtracja osocza

Nerki filtrują osocze w kłębuszkach nerkowych: krew z tętnicy nerkowej przepływa przez nie z prędkością 1,2 litra na minutę. Dzięki filtracji pozbywamy się produktów metabolicznych, szkodliwych lub w najlepszym razie bezużytecznych. Są to głównie związki azotu (mocznik, kwas moczowy, jony amonowe), a także barwniki żółciowe i urobilina (pochodna rozkładu hemoglobiny), które nadają moczowi kolor i zapach. W czasie filtracji powstaje tzw. mocz pierwotny, którego powstaje ok. 170 litrów na dobę. Ten mocz zostaje natychmiast zagęszczony w kanalikach nerkowych, i wtedy powstaje mocz wtórny (ten, który wydalamy). Jego dobowa produkcja to ok. 1,5 litra na dobę. Aby wytworzyć  mocz wtórny, musimy:

  1. Zagęścić mocz, czyli odzyskać wodę;
  2. Odzyskać jony (sodu, wapnia, potasu, chloru) oraz metabolity, takie jak glukoza czy aminokwasy.

Oba te procesy podlegają ścisłej regulacji przez hormony. Najważniejsza jest wazopresyna, ale działa też renina, aldosteron, angiotensynę i przedsionkowy czynnik natriuretyczny (atrial natriuretic peptide, ANP).

Zagęszczanie moczu polega na odzyskiwaniu wody. Dzieje się to w kanalikach nerkowych, które można podzielić na proksymalne, dystalne i zbiorcze.  Ok. 90% wody odzyskiwane jest w kanalikach proksymalnych. Jest to tzw. resorpcja obligatoryjna. Pozostałe 10% jest odzyskiwane w kanalikach dystalnych i zbiorczych w ramach resorpcji fakultatywnej. Stopień odzyskania wody zależy tu od osmolalności osocza. Jest to stężenie substancji czynnych osmotycznie (głównie soli i glukozy). Miarą osmolalności jest osm: liczba moli substancji czynnych osmotycznie rozpuszczonych w 1 kg rozpouszczalnika. Osmolalność rośnie, kiedy jest gorąco i tracimy wodę, np. pocąc się. W odpowiedzi podwzgórze powoduje uczucie pragnienia (szukamy czegoś do picia), a jednocześnie (za pośrednictwem przysadki) wydziela hormon antydiuretyczny, zwany także wazopresyną. Ten hormon powoduje wchłanianie wody w kanalikach dystalnych i zbiorczych (Ryc. 2).

Niezdolność do zagęszczania moczu powoduje moczówkę prostą (diabetes insipidus). Choroba ta objawia się wydalaniem dużej ilości niezagęszczonego moczu (5 – 25 litrów dziennie), postępującym odwodnieniem i hiponatremią.

Ryc. 2. Schemat powstawania moczu. Liczby wewnątrz kanalików oznaczają osmolalność w mOsm/kg. Autor: Michał Komorniczak, licencja CC BY-SA 3.0.

Jest całkiem możliwe, że Bruce Lee cierpiał na chorobę nerek, o której nie wiedział. Spowodowało to hiponatremię i obrzęk mózgu. W następnym odcinku napiszę, jaką rolę mogły odegrać białka przenoszące wodę przez błonę komórkową, czyli akwaporyny.

Literatura dodatkowa: hipoteza hiponatremii

https://academic.oup.com/ckj/article/15/12/2169/6546216