glikozylacja – Eksperyment Myślowy

W poprzednim wpisie napisałem o niebezpieczeństwach związanych z jedzeniem bobu, który zawiera niskocząsteczkowe związki mogące wywołać chorobę zwaną fawizmem. Ale rośliny, zwłaszcza strączkowe, zawierają białka, które mogą spowodować także inne problemy zdrowotne. Tymi białkami są lektyny.

Lektyny i glikokoniugaty

Lektyny są to białka, które mają zdolność wiązania cukrów. Jakich cukrów? Najczęściej obecnych na powierzchni komórek, bo większość komórek bakteryjnych czy eukariotycznych pokryta jest cukrami. Wirusy z osłonką lipidową, które powstały w wyniku „wypączkowania” z błony komórkowej, też mają je na powierzchni. Takie cukry, które mogą być związane z białkami lub lipidami, nazywamy glikokoniugatami. Pełnią one wiele funkcji: u bakterii, archeonów i grzybów wchodzą w skład ściany komórkowej i regulują ciśnienie osmotyczne wewnątrz komórki. U organizmów eukariotycznych zapewniają połączenia między komórkami i ułatwiają komunikację między nimi. Składają się też na tzw. glikokaliks, czyli węglowodanową warstwę pokrywającą powierzchnię błon komórkowych, która chroni komórki przed uszkodzeniem. Proces przyłączania cukrów do białek czy lipidów jest nazywany glikozylacją. Powstają w ten sposób glikolipidy oraz glikoproteiny, które mogą zawierać glikany związane z resztami asparaginy (nazywane N-glikanami) lub z resztami seryny albo treoniny (nazywane O-glikanami). Większość białek wydzielanych przez komórki oraz wchodzących w skład błony komórkowej jest glikozylowana.

W skład glikokoniugatów może wchodzić kilkadziesiąt rodzajów cukrów prostych (monosacharydów) połączonych w złożone struktury. Każda z takich struktur może być swoiście rozpoznawana przez inną lektynę, a obecnie znamy kilkaset lektyn o zbadanej swoistości (Ryc. 1).

Ryc. 1. Glikokoniugaty na powierzchni komórki eukariotycznej: N-glikany, O-glikany i glikolipidy. Źródło: Li Y et al. Fr. Immunol. 2023, 12: 638753. Licencja CC BY 4.0.

Lektyny i ich struktura

Wszystkie lektyny mają zdolność wiązania cukrów. Robią to za pomocą specjalnej kieszeni, to której dany cukier pasuje. Taka kieszeń może być jedna, ale większość lektyn ma je dwa albo cztery. Przykładem może być lektyna z fasoli (Phaseolus vulgaris), o której jeszcze będzie (Ryc. 2). Dzięki temu lektyny mogą powodować aglutynację, czyli zlepianie się krwinek (ponieważ na powierzchni krwinek jest dużo glikokoniugatów, które te lektyny mogą rozpoznawać).

Ryc. 2. Struktura przestrzenna lektyny PHA-L z czerwonej fasoli (Phaseolus vulgaris) i rozpoznawany przez nią oligosacharyd. Widoczne są cztery podjednostki lektyny, każda z nich może związać cukier przedstawiony po prawej stronie. Obecność niektórych cukrów (+/-) nie jest konieczna. Źródło: Wikipedia, domena publiczna. Oligosacharyd narysowany za pomocą BioRender.com.

Trochę historii

Nazwa „lektyna” (z łaciny „lectus” czyli wybrany) została wprowadzona po raz pierwszy w 1954 r. przez Williama Boyda i Elizabeth Shapleigh na określenie roślinnych białek, które mogą swoiście aglutynować czerwone krwinki. Ale pierwsze doniesienie na temat lektyn pochodzi z 1888 r., kiedy Peter Hermann Stilmark przedstawił na uniwersytecie w Dorpacie (obecnie Tartu w Estonii) pracę doktorską pod tytułem: „O rycynie, trującym składniku nasion Ricinus communis i innych nasion roślin z rodziny wilczomleczowatych (Euphorbiaceae)”. Autor wyizolował ten składnik (dziś znany jako rycyna albo lektyna z Ricinus communis, w skrócie RCA) z rącznika pospolitego i wykazał, że ma on zdolność do aglutynacji krwinek czerwonych.

Rycyna jest silną trucizną: uważa się że śmiertelna dawka dla człowieka wynosi ok. 1 mg/kg masy ciała. Składa się z dwóch podjednostek A i B, przy czym podjednostka B jest właściwą lektyną, która rozpoznaje galaktozę, a podjednostka A jest toksyną usuwającą adeninę z RNA i należy do białek inaktywujących rybosomy. Ponieważ w rybosomach zachodzi synteza białka, podjednostka A rycyny potrafi w krótkim czasie ją zahamować, powodując śmierć komórki. Związanie podjednostki A z receptorem cukrowym na powierzchni komórki powoduje, że rycyna wnika do jej wnętrza. Skutki mogą być fatalne: u człowieka zatrucie rycyną powoduje śmierć w ciągu kilkudziesięciu godzin (Ryc. 3).

Ryc. 3. Rącznik pospolity (Ricinus communis). Źródło: Franz Eugen Köhler, Köhler’s Medizinal-Pflanzen. Domena publiczna.

Olej rycynowy, który uzyskuje się z nasion rącznika w wyniku tłoczenia na zimno, jest znanym od starożytności środkiem o działaniu przeczyszczającym. Olej ten nie jest trujący, ponieważ lektyna się w nim nie rozpuszcza, a ponadto w czasie produkcji olej podgrzewa się do 80°C, co skutecznie deaktywuje lektynę.

Rycyna jest jednak wyjątkiem na tle innych lektyn. Większość z nich ma jedynie zdolność do wiązania cukrów i nie zawiera żadnej toksyny.

Lektyny w królestwie życia

Lektyny występują u wszystkich rodzajów organizmów. Wirusowe lektyny, które w tym przypadku nazywa się hemaglutyninami, służą wirusom do przyłączania się do glikokoniugatów na powierzchni komórki, które infekują. Dużo ostatnio mówi się o wirusach grypy, których szczepy noszą nazwy HXNY, gdzie H oznacza hemaglutyninę, N neuraminidazę, a X i Y to numery oznaczające subtypy tych białek. Hemaglutynina to lektyna, która umożliwia wirusowi przyłączenie się do cukru (w tym przypadku kwasu sjalowego) na powierzchni komórki, a neuraminidaza to enzym powodujący odłączenie się wirusa od tego receptora. Przykładowo, wirus ptasiej grypy H5N1 (ostatnio o nim głośno) to szczep z hemaglutyniną typu 5 i neuraminidazą typu 1.

Podobną funkcję mają lektyny bakteryjne, nazywane adhezynami: umożliwiają bakteriom kontakt z powierzchnią komórek w czasie infekcji. Lektyny występują też powszechnie u zwierząt, gdzie pełnią wiele funkcji, takich jak regulacja adhezji między komórkami, przesyłanie sygnału czy udział w odpowiedzi odpornościowej. U roślin modulują adhezję międzykomórkową i chronią przed patogenami, ale najwięcej lektyn znamy u roślin strączkowych (rodzina bobowatych, Fabaceae). Strączkowe żyją w symbiozie z bakteriami brodawkowatymi z rodzaju Rhizobium, które mają zdolność do wiązania azotu z powietrza i przetwarzaniu go w amoniak (NH₃). W ramach symbiozy bakterie dostarczają roślinom jonów NH₄⁺, a w zamian otrzymują od roślin węglowodany potrzebne do produkcji ATP. Proces wiązania azotu z powietrza jest bowiem bardzo energochłonny: żeby zredukować jedną cząsteczkę N₂ do dwóch cząsteczek NH₃, potrzeba 16 cząsteczek ATP.

Lektyny produkowane przez rośliny strączkowe rozpoznają swoiście glikokoniugaty na powierzchni bakterii. Oddziaływania te są gatunkowo swoiste (to znaczy, rośliny danego gatunku wiążą tylko jeden gatunek bakterii). Znanych jest ponad 60 gatunków bakterii Rhizobium i ponad 19 000 gatunków bobowatych, co daje wyobrażenie o zróżnicowaniu lektyn produkowanych przez rośliny należące do tej rodziny (Ryc. 4).

Ryc. 4. Wiązanie bakterii Rhizobium przez lektyny korzenia rośliny z rodziny bobowatych. Źródło: Ahemad M, Biochem. Mol. Biol. 2013, 1: 53-75. Licencja CC BY 3.0.

Lektyny w żywności

Roślinne lektyny są stosunkowo odporne na działanie enzymów trawiennych w naszym przewodzie pokarmowym, co oznacza, że mogą znaleźć się w naszych jelitach w stanie aktywnym. Mogą się tam związać do komórek i spowodować ich uszkodzenie. Najwięcej lektyn zawierają rośliny strączkowe, i to one są najbardziej niebezpieczne: np. czerwona fasola zawiera do 30 mg lektyn na jeden gram nasion (3% suchej masy). Są to dwie lektyny o nieco różnej swoistości, o nazwach PHA-E i PHA-L. Nazwa pochodzi od łacińskiej nazwy fasoli (Phaseolus vulgaris) i komórek, do których te lektyny się wiążą: erytrocytów i leukocytów. Wiązanie to jest ubocznym skutkiem swoistości lektyn wobec bakterii Rhizobium: przez przypadek na powierzchni naszych komórek są takie same cukry, jak w bakteriach. Biała fasola zawiera ok. 3 razy mniej lektyn niż czerwona, a bób najwyżej 5% tej ilości (Ryc. 5).

Ryc. 5. Nasiona czerwonej fasoli. Źródło: Prathyush Thomas, Wikipedia. Licencja GNU Free Documentation License, Version 1.2.

Zatrucie lektynami

Objawy zatrucia lektynami roślin strączkowych to zawroty głowy, wymioty i biegunka połączone z bólem brzucha. Objawy te na ogół mijają po kilku godzinach i nie stwarzają zagrożenia dla życia. Jak ich uniknąć? Lektyny są wrażliwe na obróbkę termiczną: 10-minutowe gotowanie likwiduje 98% ich aktywności. Amerykańska administracja żywności i leków zaleca 5-godzinne namoczenie fasoli w wodzie i 30-minutowe gotowanie. Pomimo to, zatrucia niedogotowaną fasolą zdarzają się: np. w Chinach fasolą zatruło się w latach 2004-2013 ponad 7000 osób, co stanowiło tam 40% zatruć trującymi roślinami. Gotowanie fasoli w popularnych ostatnio slow-cookerach też może się źle skończyć (dla konsumenta), bo temperatura w nich nie jest wyższa niż 75°C, a to za mało, żeby spowodować deaktywację lektyn.

Niektóre lektyny mogą rozpoznawać antygeny grupowe krwi, pisałem o tym w tekście o układzie grupowym ABO. I tak fasola półksiężycowa (Phaesolus lunatus) zawiera lektynę o swoistości anty-A, czarna fasola afrykańska (Griffonia simplicifolia) anty-B, a głąbigroszek szkarłatny (Lotus tetragonolobus, anty-H(O). Obecność lektyn o swoistości grupowej w różnych pokarmach spowodowała powstanie teorii o „diecie zależnej od grup krwi”. Nie ma ona żadnych podstaw naukowych: lektyny o swoistości grupowej są obecne tylko w niektórych pokarmach, które przeważnie gotujemy przed spożyciem.

A co z roślinami, które jednak jemy na surowo? Z rodziny bobowatych jest to np. zielony groszek (Pisum sativum). Zawiera lektynę o dość szerokiej swoistości, ale w nasionach groszku jest jej stosunkowo niewiele. Tak więc możemy jeść groszek na surowo w rozsądnych ilościach bez obawy, że nam zaszkodzi. To samo dotyczy pomidora (Lycopersicon Esculentum), którego owoce (uważane u nas za warzywa) zawierają niewiele lektyn. Co innego liście pomidora, bo te oprócz lektyn zawierają alkaloidy takie jak tomatyna i solanina, które zjedzone w większej ilości mogą być szkodliwe. Alkaloidy te, podobnie jak lektyny, znajdują się też w liściach kuzyna pomidora, czyli ziemniaka (Solanum tuberosum). Dlatego liści ziemniaka lepiej nie jeść (chyba nikt tego nie robi), a bulwy obrobić termicznie, co ułatwia trawienie, a przy okazji deaktywuje lektyny.

Lektyny jako leki?

O zastosowaniu lektyn jako leków (np. przeciwnowotworowych) mówi się od lat, ale jak dotąd wyniki badań klinicznych nie są zbyt zachęcające. Niemniej warto wspomnieć o czosnku (Allium sativum), który zawiera stosunkowo dużo lektyn, bo do 10% suchej masy bulwy. Rozpoznają one glikokoniugaty o wysokiej zawartości mannozy, a takich cukrów jest na naszych komórkach stosunkowo niewiele. Mają je za to często wirusy (np. wirus grypy czy HIV), dlatego są przesłanki, że lektyny z czosnku mogą mieć aktywność przeciwwirusową. To samo dotyczy lektyny z banana (Musa acuminata), która ma podobną swoistość. Wykazano, że lektyna ta hamuje namnażanie wirusa HIV, ale wyniki te uzyskano stosując oczyszczoną lektynę o wysokim stężeniu. Trzeba by zjeść bardzo dużo bananów, żeby uzyskać podobny efekt.

W podsumowaniu: wiele roślin zawiera lektyny, które maja potencjalne zastosowanie jako leki, ale przeważnie jest ich zbyt mało.

Lektyny i alergie

Alergia to patologiczna odpowiedź tkanek na obecność substancji zwanych alergenami, które często same w sobie są nieszkodliwe. Pisała o tym Agnieszka Szuster-Ciesielska. Wiele lektyn może powodować alergie pokarmowe, przy czym najbardziej znana jest lektyna z orzeszków ziemnych (Arachis hypogaea). Ale lektyny mogą wpływać na komórki układu odpornościowego bezpośrednio, wiążąc się do cukrów na powierzchni komórek, co może spowodować ich aktywację. Tak czy inaczej, lepiej unikać roślin zawierających duże ilości lektyn, w tym przede wszystkim czerwonej fasoli na surowo.

Fasola i gazy jelitowe

Po spożyciu fasoli lub innych nasion roślin z rodziny bobowatych często pojawia się problem gazów jelitowych. Skąd się biorą? Nie jest to sprawa lektyn, ale złożonych cukrów o nazwach rafinoza i stachioza, które są obecne w dość dużych ilościach w nasionach fasoli i innych strączkowych (0,2-1% suchej masy). Rafinoza jest trisacharydem i składa się z galaktozy, glukozy i fruktozy, przy czym galaktoza przyłączona jest wiązaniem α1→6 (Ryc. 6). Glukoza i fruktoza połączone są wiązaniem α1↔2β, podobnie jak w sacharozie. Stachioza zawiera jeszcze jedną galaktozę przyłączoną do galaktozy wiązaniem α1→6 , czyli jest tetrasacharydem. Cukry złożone podlegają w naszym układzie pokarmowym hydrolizie w wytworzeniem cukrów prostych, takich jak galaktoza czy glukoza. Produkujemy w tym celu odpowiednie enzymy. Z rafinozą i stachiozą jest problem, bo nasz układ pokarmowy nie wytwarza α-galaktozydazy, czyli enzymu odszczepiającego α-galaktozę. Tak więc oba cukry przechodzą przez nasze jelito cienkie nienaruszone, i dopiero w jelicie grubym degradują je enzymy produkowane przez obecne tam bakterie. Skutek jest taki, że bakterie te (nazywane mikrobiotą) dostają zamiast zwyczajowych resztek naszego pokarmu pełnowartościowe cukry. Wykorzystują je natychmiast do pozyskiwania energii w ramach fermentacji, a produktami ubocznymi są gazy: metan, wodór i dwutlenek węgla. Czy jest na to jakaś rada? Rafinoza i stachioza stosunkowo dobrze rozpuszczają się w wodzie. Dlatego wodę, w której fasola została namoczona przed gotowaniem, dobrze jest wylać (można to powtórzyć kilka razy). Są też preparaty ograniczające powstawanie gazów, takie jak Espumisan czy Beano. Ten ostatni zawiera enzym trawiący rafinozę i stachiozę, a jego wynalazca jest laureatem alternatywnego Nobla (czyli tzw. Ig Nobla) w 1991 r.