Tag: hemoglobina

Czy można żyć bez hemoglobiny?

Marcin Czerwiński7 komentarzy

Pisałem już, jak ludzie żyjący na dużych wysokościach w Himalajach lub Andach przystosowali się do życia w środowisku, gdzie tlenu jest mało. Kluczem do tego przystosowania jest hemoglobina, białko, które przenosi tlen z płuc do tkanek. Wydawałoby się więc, że nie ma życia bez hemoglobiny: każdy kręgowiec ją produkuje. Ale są wyjątki: niektóre antarktyczne ryby nie mają hemoglobiny, a żyją zupełnie normalnie. Dlaczego?

Bielankowate, czyli ryby bez hemoglobiny

Rodzina Channichthyidae (bielankowate, białokrwiste); rząd: okoniokształtne (Perciformes), podrząd: nototeniowate (Notothenioidei) liczy 16 gatunków. Są to jedyne kręgowce pozbawione hemoglobiny. Żyją w Oceanie Południowym (czyli morzu okalającym Antarktydę). Dorastają do 75 cm. Do tej rodziny należy m.in. znana nam ze smażalni kergulena (Ryc. 1).

Ryc. 1. Kergulena, bielanka kerguleńska (Champsocephalus gunnari). Autor: C.T. Regan (1913). Domena publiczna.

Ocean Południowy: trudne miejsce do życia

Ocean Południowy, zwany też Antarktycznym, rozpościera się od wybrzeża Antarktydy do równoleżnika 60o. Jest głęboki na 4000-5000 m, z nielicznymi płytszymi miejscami. Wody Oceanu Południowego są najzimniejsze na Ziemi: od 1,5oC pod powierzchnią wody, do -2,1oC. Woda nie zamarza z powodu wysokiej zawartości soli.

Stałym elementem Oceanu Południowego jest Prąd Wiatrów Zachodnich, najsilniejszy prąd morski na Ziemi. Powoduje przepływ wody wokół Antarktydy z zachodu na wschód, czyli zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara (patrząc od strony bieguna południowego). Transportuje co najmniej 100 milionów m3 wody na sekundę. Prąd stabilizuje cały klimat Ziemi, jednocześnie izolując Antarktykę przed dopływem ciepłych wód z północy. Ponieważ w tym rejonie wieją najsilniejsze wiatry na Ziemi (do 300 km/h), które mogą generować fale o wysokości do 25 m, żeglowanie jest trudne i niebezpieczne (Ryc. 2).

Ryc. 2. Prąd Wiatrów Zachodnich. Źródło: NASA, domena publiczna.

Antifreeze, czyli rybie Borygo

Mimo to wiele gatunków przystosowało się do życia w takich warunkach. Co robić, kiedy temperatura wody spada poniżej 0oC? To (dosłownie) może mrozić krew w żyłach. Ryby z podrzędu Notothenioidei, do których należą bielankowate, produkują duże ilości białek o zbiorczej nazwie antifreeze. Są to odpowiedniki płynu Borygo w chłodnicy samochodu, ponieważ hamują krystalizację wody, czyli zamianę wody w lód. Wiążą się też do błon komórkowych i chronią ją przed uszkodzeniem przez kryształki lodu. Wiele ryb produkuje takie białka, ale u bielankowatych liczba genów, które je kodują (140) jest znacznie wyższa niż u innych ryb (nie więcej niż 30) (Ryc. 3).

Ryc. 3. Struktura białka antifreeze z flądry Pseudopleuronectes americanus. Źródło: RCSB PDB, numer 4KE2.

Hemoglobina i jej brak

Ale najciekawszy jest brak hemoglobiny. Krew bielankowatych jest bezbarwna i pozbawiona  krwinek, a w ich mięśniach nie ma mioglobiny (stąd nazwa). Taka krew może przenosić tylko ok. 10% tlenu w porównaniu z krwią ryb „czerwonokrwistych”. Ponieważ w niskich temperaturach tlen dobrze rozpuszcza się w wodzie, ryby są w stanie przeżyć (Ryc. 4).

Ryc. 4. Krew Chaenocephalus aceratus z rodziny bielankowatych (z lewej) i „czerwonokrwistej” ryby Notothenia coriiceps. Źródło: Joshua T. Butcher i współpr., Free Rad. Biol. Med. 2014, 73: 136-142. Licencja  CC-BY-NC-ND.

Krew bielankowatych przenosi mało tlenu, więc logiczne jest, że jej objętość jest kilkukrotnie większa niż u innych ryb o porównywalnej wielkości. Większe też jest serce i naczynia krwionośne. Bardziej wydajna praca łańcucha oddechowego (który generuje ATP) wiąże się z większą liczbą mitochondriów. Tak duże serce zużywa ok. 20% energii całego organizmu; u „czerwonokrwistych” ryb jest to nie więcej niż 5%.

Bielankowate oszczędzają energię mało się ruszając, a żywią się innymi rybami oraz krylem (pisał o nim ostatnio Piotr Gąsiorowski).

Największa na świecie kolonia ryb

Niedawno u wybrzeża Antarktydy odkryto ogromną kolonię ryb Neopagetopsis ionah (rodzina: bielankowate). Na głębokości 500 m było ok. 60 milionów gniazd. W każdym gnieździe było przeciętnie 1700 jaj, i każde było strzeżone przez jedną rybę. Powierzchnia kolonii wynosiła ok. 240 km2 (Ryc. 5).

Ryc. 5. Kolonia ryb Neopagetopsis ionah na głębokości 500 m. Źródło: Purser A i współpr., Curr. Biol. 2022, 32:842-850. Licencja  CC-BY-NC-ND. 

Genom bielankowatych

Jakie zmiany zaszły w genomie bielankowatych? U większości kręgowców homoglobina składa się z dwóch podjednostek o nazwie α i β, które są kodowane przez geny hba i hbb. Analiza genomu przedstawiciela tej rodziny wykazała, ze gen hbb zanikł zupełnie, a gen hba istnieje tylko w postaci fragmentu. Zaniknęły też geny kodujące białka obecne w krwinkach (np. spektryna), a także gen kodujący haptoglobinę, która u wszystkich innych kręgowców wiąże wolną hemoglobinę, co zapobiega utracie żelaza z moczem.

Bielankowate są bardziej niż inne ryby podatne na stres oksydacyjny związany z wytwarzaniem reakcyjnych form tlenu (ROS), czyli wolnych rodników. Żeby się przed nimi chronić, liczba niektórych genów kodujących białka związane z unieszkodliwianiem takich związków uległa zwiększeniu. Przykładowo, bielankowate mają 5 genów sod kodujących dysmutazę ponadtlenkową (inne ryby mają 3). Liczba genów nqo (dehydrogenaza NADP(H):chinon(1)) to 33 u bielankowatych i 2-10 u innych ryb.

Co wspólnego mają bielankowate z ludzkim układem grupowym krwi Scianna?

U ryb bielankowatych nie ma genu bty, który jest rybim homologiem (czyli odpowiednikiem) ludzkiego genu ERMAP. U człowieka gen ten koduje białko związane z błoną erytroblastów (czyli prekursorów krwinek) o nazwie erythroblast membrane-associated protein (ERMAP). Białko to wydaje się odgrywać rolę w tworzeniu krwinek w szpiku, nie dziwi więc brak jego homologu u bielankowatych. U człowieka białko to jest nosicielem antygenów układu grupowego Scianna (Sc). Większość ludzi ma antygen SC1, a ok. 0,01% ma antygen SC2. Różnica to jedna reszta aminokwasowa (glicyna lub arginina w pozycji 57). Jest też rzadki fenotyp Scianna(null), gdzie białko ERMAP w ogóle nie jest obecne. Teoretycznie powinno to powodować brak krwinek, podobnie jak u bielankowatych (ewentualnie anemię), ale takie osoby są całkiem zdrowe. Być może inne białka przejmują jego funkcję? Fenotyp ten jest niezwykły rzadki w Europie, ale dość częsty w Papui-Nowej Gwinei. Dlaczego? Nie wiadomo.

Dlaczego hemoglobina zaniknęła u bielankowatych?

Wydaje się, że główną przyczyną był niski poziom żelaza w wodach Oceanu Południowego. Żelazo jest koniecznie potrzebne do życia, ponieważ wchodzi w skład wielu enzymów, a przede wszystkim hemu. Ok. 70% żelaza w organizmach kręgowców znajduje się w krwinkach. Skoro można przeżyć bez hemoglobiny, i w ten sposób oszczędzać żelazo, to dlaczego nie skorzystać z okazji?

Kiedy bielankowate mogły stracić zdolność do produkcji hemoglobiny? Ocean Południowy ochłodził się do dzisiejszej temperatury ok. 6 milionów lat temu. Ale 8 milionów lat temu temperatura wody nie była już wyższa niż 5oC, i to mniej więcej wtedy mogły mieć miejsce pierwsze mutacje w genach kodujących hemoglobinę i inne białka związane z transportem tlenu. Proces ten musiał być stopniowy, bo najbliżsi krewni bielankowatych, czyli nototeniowate (np. Notothenia coriiceps) są w stanie przeżyć obniżenie hematokrytu (czyli stosunek objętości krwinek do objętości pełnej krwi) z 40% do 5%. Inny przedstawiciel tej rodziny, trematoma lodowa (Pseudotrematomus bernacchii), może mieć 95%  karboksyhemoglobiny, czyli hemoglobiny związanej z tlenkiem węgla. U człowieka 40% to wielkość śmiertelna (pisał o tym Mirosław Dworniczak). Tak więc wydaje się, że ryby Oceanu Południowego stopniowo uzyskiwały zdolność do życia bez hemoglobiny. Zmianom tym sprzyjały niska temperatura wody i niskie stężenie żelaza w wodzie.

Literatura dodatkowa

Genom ryb bielankowatych

https://www.nature.com/articles/s41559-019-0812-7

Brak żelaza jako czynnik wymuszający brak hemoglobiny

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2019.01389/full

Utrata hemoglobiny u bielankowatych

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378111902006911?via%3Dihub

Największa na świecie kolonia ryb

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982221016985

Góry, tlen i hipoksja

Marcin Czerwiński7 komentarzy
Widok z Piz Boè (Dolomity, grupa Sella, 3152 m). Na ostatnim planie Antelao, Monte Pelmo, Civetta i Marmolada. Fotografia własna (2012 r.).

Dlaczego w górach mamy krótki oddech?

Każdy, kto był w wysokich górach, zna to uczucie: zadyszka, przyspieszony puls i to, że nawet kilka kroków pod górę wymaga odpoczynku. Dlaczego tak się dzieje? Im wyżej, tym ciśnienie atmosferyczne jest niższe. Dlatego ciśnienie parcjalne tlenu, które na poziomie morza wynosi 21 kPa, też spada. Na wysokości 4500 m jest go już o połowę mniej. Przekłada się to na nasycenie naszej hemoglobiny tlenem, które zaczyna dość ostro spadać powyżej 4500 m. Ponieważ bez tlenu nie ma życia, nasz organizm musi się jakoś zaadoptować do warunków obniżonego stężenia tlenu, które ogólnie nazywamy hipoksją. Ma na to kilka sposobów.

Tabela 1. Ciśnienie parcjalne tlenu na różnej wysokości i przeciętne nasycenie hemoglobiny tlenem u zdrowej osoby.

Ciśnienie parcjalne to ciśnienie, jakie wywierałby dany składnik mieszaniny gazów, gdyby w tej samej temperaturze sam zajmował objętość całej mieszaniny.

Wysokość [m]Ciśnienie parcjalne tlenu [kPa]Kategoria wysokościPrzykład [m]Nasycenie hemoglobiny tlenem
021niskaGdynia (0)99
50019,6niskaŁysica (614)98
150017,3średniaBabia Góra (1725)97
200016,8średniaKasprowy Wierch (1987)96
250015,3dużaRysy (2503)95
310014,6dużaPiz Boè (3152)92
450011,9bardzo dużaMatterhorn (4478)90
550010,9bardzo dużaElbrus (5642)78
60009,9ekstremalnaDenali (6190)75
75008,2ekstremalnaGhankhar Puensum (7570)65
80007,6strefa śmierciAnnapurna (8091)62
90006,5strefa śmierciMount Everest (8848)60

Jak nasz organizm reaguje na spadek stężenia tlenu?

Przyspieszenie oddychania.

Ośrodek oddechowy w rdzeniu przedłużonym (część mózgowia, który łączy rdzeń kręgowy z mostem) odbiera dane z chemoreceptorów obwodowych, czyli komórek, które „wyczuwają” stężenie tlenu i dwutlenku węgla w osoczu. Jeżeli stężenie tlenu spada, to ośrodek oddechowy pobudza mięśnie międzyżebrowe do szybszego oddychania. Jednocześnie częstość skurczów serca też się zwiększa. W ten sposób organizm stara się zrekompensować obniżenie stężenia tlenu w powietrzu.

Modyfikacja hemoglobiny

Hemoglobina odpowiada za 98% tlenu rozprowadzanego przez naszą krew (pozostałą część przenosi osocze). Hemoglobina doskonale wiąże tlen w płucach, ale już nie tak dobrze oddaje go w tkankach, czyli tam, gdzie stężenie tlenu jest niskie. Można powiedzieć, że część tlenu zabiera z powrotem do płuc. Wszystko dlatego, że powinowactwo hemoglobiny wobec tlenu (czyli siła, z jaką ona wiąże tlen) może być w pewnych okolicznościach zbyt wysokie. Żeby je obniżyć, krwinki wytwarzają związek o nazwie 2,3-bisfosfoglicerynian (2,3-BPG). Powstaje w wyniku glikolizy, czyli rozkładu glukozy – a glukoza jest jedynym źródłem energii dla krwinek. To dzięki glikolizie krwinki wytwarzają adenozytrifosforan (ATP), który jest niezbędnym źródłem energii. Inne komórki mogą wytwarzać ATP również (czy raczej przede wszystkim) w wyniku cyklu Krebsa i fosforylacji oksydacyjnej. Ale krwinki nie mają mitochondriów i są skazane na glikolizę.

2,3-BPG powstaje w ramach tzw. skrótu Rapoporta-Luberinga w procesie glikolizy. Jego powstanie jest w zasadzie niekorzystne, bo wiąże się z utratą jednej cząsteczki ATP (z dwóch, które powstają w wyniku rozkładu jednej cząsteczki glukozy). Ale 2,3-BPG w krwinkach pełni ważną rolę: wiąże się do hemoglobiny i obniża jej powinowactwo wobec tlenu. Im więcej 2,3-BPG, tym hemoglobina chętnie rozstaje się z tlenem. A w górach produkcja 2,3-BPG wzrasta.

Czyli: brak tlenu na dużej wysokości > wzrost stężenia 2,3-BPG > obniżenie powinowactwa hemoglobiny wobec tlenu > lepsze oddawanie tlenu w tkankach.

Trzeba dodać, że obniżenie powinowactwa hemoglobiny przez 2,3-BPG wobec tlenu praktycznie nie ma wpływu na wiązanie tlenu w płucach, za to znacząco polepsza jego odbieranie przez tkanki.

A dlaczego w górach jest więcej 2,3-BPG?

Tu przechodzimy do białek HIF (nie mylić z HIV, czyli wirusem niedoboru odporności).

Czynniki indukowane hipoksją (Hypoxia-Inducible Factors, HIF)

Są to trzy białka o funkcji czynników transkrypcyjnych. Znaczy to, że wiążą się do DNA w części genu nazywanej regionem promotorowym i regulują syntezę mRNA, czyli transkrypcję. Najważniejszy z nich jest HIF-1. Składa się z podjednostek α i β, i ma szczególną właściwość: dwie reszty aminokwasowe wchodzące w skład podjednostki α  ulegają modyfikacji, kiedy tlenu jest dużo. Są to proliny o numerach 402 i 564, do których specjalny enzym o nazwie hydroksylaza prolinowa przyłącza grupy -OH. Jeżeli te grupy są obecne, HIF-1 ulega szybkiej degradacji w tzw. proteasomie, który można porównać do kosza na śmieci połączonego z niszczarką dokumentów. W procesie tym bierze też udział białko VHL (von Hippel-Lindau protein). Mutacje w genie kodującym białko VHL mogą powodować nowotwory, a cecha ta jest dziedziczna. Bezpośrednio za degradację HIF-1 odpowiada ubikwityna, małe białko, którego zadaniem jest znakowanie takich przeznaczonych do zniszczenia białek (Ryc. 1)

Ryc. 1. Struktura czynnika indukowanego hipoksją 1 (HIF-1). Autor: Jawahar Swaminathan and MSD staff at the European Bioinformatics Institute. Domena publiczna.

Co innego, kiedy tlenu zaczyna brakować. Wtedy grupy -OH nie mogą być przyłączone (bo nie ma tlenu), HIF-1 wnika do jądra komórki i zaczyna działać jako czynnik transkrypcyjny. Reguluje ono ekspresję ponad 100 genów, które kodują białka mogące zniwelować skutki braku tlenu (Ryc. 2).

Ryc. 2. Mechanizm aktywacji genów w wyniku hipoksji. Czynnik indukowany hipoksją (HIF-α) w obecności tlenu ulega hydroksylacji, a po przyłączeniu białka VHL i ubikwityny ulega degradacji w proteasomie. Jeżeli tlenu jest mało, HIF-α wnika do jądra i wiąże się do regionów promotorowych genów kodujących białka związane z erytropoezą, metabolizmem i angiogenezą. Autor: Dr. Guido Hegasy. Licencja CC A-S 3.0.

Są trzy grupy białek, na ekspresję których wpływa HIF-1: związane z produkcją hemoglobiny i erytrocytów, regulujące metabolizm i związane z ukrwieniem tkanek.

HIF-1 i krwinki

Chyba wszyscy słyszeli o erytropoetynie, hormonie, który stymuluje produkcję krwinek czerwonych. Było o niej głośno z powodu jej używania przez nieuczciwych sportowców jako środka dopingującego. To właśnie wytwarzanie erytropoetyny jest stymulowane przez czynnik indukowany hipoksją. Ma to sens: jeżeli tlenu jest za mało, trzeba wytworzyć więcej krwinek, żeby lepiej transportować ten, który jest dostępny. Dlatego mieszkańcy Andów żyjący na wysokości ponad 3500 m mają poziom hemoglobiny wyższy o ok. 30% w porównaniu z mieszkańcami nizin. Ale w Tybecie już tak nie jest, tam mechanizm przystosowawczy był inny.

Stężenie adenozyny, związku o wielu funkcjach (nośnik energii, składnik kwasów nukleinowych, neuroprzekaźnik), też zwiększa się w wysokich górach. Skutkiem jest rozszerzenie naczyń krwionośnych, a także senność, bo tak właśnie działa adenozyna w ośrodkowym układzie nerwowym. Można temu przeciwdziałać pijąc kawę lub napoje energetyczne, ponieważ działanie adenozyny jest blokowane przez kofeinę (taki związek nosi nazwę antagonisty). Pisała o tym Tatiana Pandora Saternus. Są i inne sposoby na przeciwdziałanie zmęczeniu i senności w górach: mieszkańcy Andów żują liście koki, która działa pobudzająco.

Ale najważniejszym skutkiem podwyższonego stężenia adenozyny jest wzrost produkcji 2,3-bisfosfoglicerynianu. Skutkiem jest opisane wyżej polepszenie działania hemoglobiny, które lepiej oddaje tlen w tkankach. A jakie białko powoduje podwyższenie stężenia adenozyny? HIF-1, poprzez hamowanie ekspresji kinazy adenozynowej, enzymu, który przerabia adenozynę na adenozyno-1-monofosforan (AMP). Jeżeli jest dużo adenozyny, to 2,3-BPG też jest dużo.

HIF-1 i metabolizm

Podstawowe źródło energii dla naszych komórek, czyli ATP, może być produkowane na dwa różne sposoby: tlenowy i beztlenowy. Jak sama nazwa wskazuje, tlenowy wymaga tlenu. Ok. 95% ATP produkujemy właśnie w ten sposób: są to procesy znane jako cykl Krebsa (inaczej: cykl kwasu cytrynowego) i fosforylacja oksydacyjna.

Pozostałe 5% ATP powstaje w wyniku rozkładu glukozy zwanego glikolizą. Ten szereg reakcji nie wymaga tlenu, ale jego wydajność jest niska. Z jednej cząsteczki glukozy uzyskujemy 30 cząsteczek ATP na drodze tlenowej i 2 cząsteczki ATP na drodze beztlenowej. Tak więc żeby beztlenowo wyprodukować taką samą ilość ATP jak na drodze beztlenowej, potrzebujemy 15 razy więcej glukozy.

HIF-1 wpływa na ekspresję genów kodujących niektóre enzymy związane z glikolizą, wymuszając na komórkach zwiększenie beztlenowego rozkładu glukozy. Pośrednio powoduje też obniżenie wydajności produkcji ATP związanej z tlenem, chociaż tu sprawa jest bardziej skomplikowana i wykracza poza ramy tego artykułu. A wniosek praktyczny jest jeden: organizm w górach potrzebuje dużo więcej glukozy. Czekolada nieodzowna!

HIF-1 i naczynia krwionośne

Jeżeli tlenu jest mało, to dobrze byłoby polepszyć ukrwienie tkanek, tak żeby ten tlen, który mamy do dyspozycji, mógł dotrzeć nawet do najskromniejszej komórki. A jak zwiększyć ukrwienie tkanek? Najlepiej wyprodukować więcej czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (Vascular endothelial growth factor [VEGF]). To białko bierze udział w tworzeniu sieci naczyń krwionośnych (czyli angiogenezie). HIF-1 wpływa wzrost jego ekspresji, czego skutkiem jest lepsze ukrwienie tkanek. Tak więc jeżeli tlenu jest mało, to chociaż naczynia krwionośne mogą lepiej go dostarczać.

Nagroda Nobla z medycyny i fizjologii w 2019 r.: Gregg Semenza, Peter Ratcliffe i William Kealin

Na początku lat 90. ubiegłego wieku Gregg Semenza z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Baltimore badał myszy z dodatkowym genem kodującym ludzką erytropoetynę i wykrył, że ekspresja tego genu zależy od stężenia tlenu. Okazało się, że jest to wynikiem obecności białka reagującego na stężenie tlenu, który nazwał Hypoxia-Inducible Factor. Do bardzo podobnych wniosków doszedł Peter Ratcliffe z Uniwersytetu w Oxfordzie badając nerki szczurów. William Kaelin z Dana-Farber Institute w Bostonie wykazał rolę białka VHL w tym procesie i udowodnił, że HIF-1 i VHL wpływają na rozwój naczyń krwionośnych w nowotworach. Guz nowotworowy szybko rośnie i cierpi na niedobór tlenu, dlatego ekspresja HIF-1 jest mu potrzebna do stymulowania rozwoju naczyń krwionośnych. Stąd już niedaleko do hamowania ekspresji HIF-1 jako terapii przeciwnowotworowej. Ale to temat na osobny artykuł (Ryc. 3).

Ryc. 3. Laureaci Nagrody Nobla z medycyny i fizjologii w 2019 r. (źródło: Nobel Foundation, domena publiczna).

Literatura dodatkowa

HIF-1 w fizjologii i medycynie:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2012.01.021

https://www.jci.org/articles/view/90055

Zmiany w krwinkach pod wpływem hipoksji:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8900923/

Nagroda Nobla z medycyny i fizjologii w 2019 r. (video):

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/prize-announcement/