„ Życie jest formą istnienie białka …..”(tekst Agnieszki Osieckiej. https://www.tekstowo.pl/piosenka,skaldowie,nie_ma_szatana.html). Z punktu widzenia metabolizmu człowieka rzeczywiście – nie ma życia bez białka. Wytwarza je nasz organizm, ale także musimy korzystać z białek pochodzących z pokarmu. Wszystkie organizmy komórkowe i bakterie są wyposażone w„fabrykę” produkującą białka. Wirusy (łac. – virus – trucizna), które często są tylko nukleoproteinami (kwas nukleinowy i białko), do tego celu wykorzystują zainfekowany organizm, ponieważ są pasożytami. Proteiny (greckie protos – pierwszy, najważniejszy) można otrzymać na drodze syntezy organicznej, ale jest to bardzo skomplikowane (https://www.ibuk.pl/fiszka/5627/bialka-i-peptydy.html) i dlatego do tego celu zaangażowano inżynierię genetyczną a w niej maszynerię bakteryjną. Tą drogą produkuje się hormon wzrostu, insulinę i inne białka używane do celów terapeutycznych. U człowieka białka stanowią 20% masy ciała i potrzebne nam są do wielu funkcji: strukturalno-mechaniczna – na przykład błony komórkowe; enzymy – kataliza; transport – na przykład transporter żelaza w osoczu, lipoproteiny; transport przez błony i wewnątrz komórek; ruch uporządkowany – skurcz mięśni; immunologiczna – przeciwciała; regulatorowa – na przykład niektóre hormony; przetwarzanie sygnału i impulsu nerwowego; reprodukcja; hemostaza – zahamowanie krwawienia, skrzep; homeostaza – regulacja stałych parametrów wewnętrznych i utrzymanie ich na stałym poziomie fizjologicznym; wiązanie wody; wiązanie nadmiaru glukozy (podczas nieleczonej cukrzycy) jest to nieenzymatyczny proces obronny organizmu (w wykrywaniu cukrzycy – diagnostyce – oznacza się stopień wysycenia glukozą białka – hemoglobiny). W diagnostyce medycznej oznacza się białka, które są wskaźnikami stanu naszego zdrowia. Na przykład różne enzymy, hormony, przeciwciała, markery nowotworowe.
W celach badawczych i opisowych stworzono nowoczesne pojęcie proteom, które odnosi się do grupy białek. Określenie stworzone przez analogię do genomu – grupy genów. Z kolei nauka z grupy omicznych, proteomika zajmuje się badaniem białek. (www.phmd.plPostepy Hig Med Dosw. (online), 2009; 63: 549-563 e-ISSN 1732-2693)
Białka – polimery aminokwasów – nazywamy prostymi, gdy zbudowane są wyłącznie z aminokwasów (związki organiczne zawierające grupę aminową (-NH2) oraz grupę karboksylową (−COOH) i mogą tych aminokwasów zawierać nawet kilkadziesiąt tysięcy. Na przykład pełna sekwencja genu ludzkiej tytyny koduje aż 38 138 reszt aminokwasowych. Tytyna (konektyna) to bardzo długie białko mięśni poprzecznie prążkowanych. Nazwy chemiczne białek tworzy się wpisując sekwencję aminokwasów w kolejności ich występowania w polipeptydzie. Aminokwasy mają symbole jednoliterowe (dawniej trzyliterowe – na ogół od trzech pierwszych liter nazwy). Długość nazwy chemicznej tytyny jest rzędu 200 tys. liter. Masa cząsteczki białka podawana jest w Daltonach (Da). Jednostka masy atomowej „Dalton” pochodzi od nazwiska twórcy współczesnej teorii atomowej, Johna Daltona – Da – będąca jednostką masy stała fizyczna w przybliżeniu równa masie atomu wodoru, ale ze względów praktycznych zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla 12C. Tytyna ma masę cząsteczkowej około 4 MDa (4 x 106 D).
Białka nazywamy złożonymi, gdy zawierają nie tylko aminokwasy. Wtedy niewielkie grupy organiczne związane z białkiem na stałe nazywane są grupą prostetyczną, a te naprzemiennie odłączające się (oddysocjowujące) i przyłączające się, jak w enzymach nazywane są koenzymami. Wśród białek złożonych są lipoproteiny (na przykład te opisane w „Polub swój cholesterol – 2. część”), glikoproteiny (z cukrami), porfirynoproteiny (z porfiryną, hemem), nukleoproteiny (z kwasami nukleinowymi) lub metaloproteiny (z jonami metali) czy fosfoproteiny (z resztami kwasu fosforowego).
Białka mają trzy różne poziomy organizacji w przestrzeni, a niektóre nawet cztery (białka czwartorzędowe). W białku aminokwasy są połączone wiązaniami peptydowymi, tak jak w peptydach (struktury o mniejszej liczbie reszt aminokwasowych nawet tylko dwóch – dipeptydy).
Wiązania peptydowe powstają w wyniku połączenia węgla grupy karboksylowej z azotem grupy aminowej. W tym wiązaniu elektrony przesuwają się tak, że staje się ono bardzo mocne i nie skręca się. Jest rozłożone w płaszczyźnie kartki. Dzięki niemu powstaje struktura pierwszorzędowa warunkująca dalsze struktury. Wiązanie peptydowe można zniszczyć na drodze chemicznej tylko w „drastycznych” warunkach (bardzo wysoka temperatura, żrąca zasada lub kwas). Jednak natura daje sobie z tym radę, a mianowicie w organizmie robią to enzymy proteolityczne (proteazy) należące do Hydrolaz (patrz „Działanie bez sił witalnych – enzymy”). To, który aminokwas znajduje się za którym, warunkuje informacja genetyczna. Do dyspozycji jest 20 aminokwasów (+ jeden – ale o tym patrz „Losy białek i aminokwasów w naszym organizmie”), co daje możliwość ogromnej liczby kombinacji. Na schemacie poniżej pokazuję powstawanie wiązania peptydowego i jego orientację w przestrzeni. Za resztą drugiego aminokwasu (na rysunku Aminokwas 2) przyłączony będzie następny i kolejne. Zawsze będzie na początku polipeptydu N koniec od grupy aminowej, a zwieńczy go C koniec od grupy karboksylowej.
Kolejna struktura – drugorzędowa – to pierwotne ułożenie proteiny w przestrzeni. Między wiązaniami peptydowymi fragmentów polipeptydu powstają wiązania wodorowe. Wyróżniamy dwa typy struktur drugorzędowych. W jednym białku mogą one występować pojedynczo lub po trochu każdej. Całe białka lub ich fragmenty układają się w spiralę i wtedy wiązania wodorowe są równoległe do osi długiej cząsteczki. Ta struktura nazywa się a-helisa (spirala a). Z kolei b harmonijka (b kartka) jest wtedy, gdy łańcuchy są położone w stosunku do siebie równolegle (dwa końce C i dwa końce N razem) lub antyrównolegle (koniec C obok końca N), a wiązania wodorowe są prostopadłe do osi długiej cząsteczek. Na poniższym schemacie przedstawiam zwijanie się struktury pierwszorzędowej w drugorzędową.
Na następnym schemacie pokazuję struktury drugorzędowe białek, wśród których także znajduje się specyficzna struktura pojedynczego polipeptydu ostatecznie wchodzącego w skład kolagenu (Biochemia. Ilustrowany przewodnik – J Koolman, K-H Röhm, PZWL, Warszawa 2005). Kolagen jest białkiem o strukturze czwartorzędowej i na jego cząsteczkę składają się trzy takie łańcuchy. Różnią się od spirali a tym, że łańcuch jest bardziej rozciągnięty (ma większy skok). W efekcie przylgnięcie do siebie trzech takich polipeptydów daje bardzo wytrzymałą strukturę cząsteczce kolagenu stanowiącej „linę”.
W przestrzeni łańcuchy polipeptydowe również zakręcają, aby lepiej upakować się w środowisku. W tych zakrętach znajdują się określone aminokwasy. Z kolei wystające pętle mogą sprzyjać „dobrym” kontaktom z innymi białkami i elementami naszego organizmu.
Łańcuchy polipeptydowe zaginają się i zwijają w rozmaity sposób tak aby utworzyć struktury „super drugorzędowe” – domenowe. Są to konformacje strategiczne metabolicznie. Pokazuję je na poniższym schemacie.
Stworzono dla nich określenia wprost z życia wzięte: „spinka do włosów”, „dywan” czy „klucz grecki”. Z kolei na następnej ilustracji pokazuję przykłady różnorodności w wymieszaniu domen w białkach. Chodzi o to, aby jak najlepiej dopasować się do struktur towarzyszących, a także grup niebiałkowych.
Na strukturę trzeciorzędową poza sekwencją aminokwasów (informacją genetyczną) ma wpływ środowisko i przyłączane substancje. Dochodzi tu do oddziaływań między resztami różnych aminokwasów i w konsekwencji zostaje upleciona miedzy nimi sieć. Powstają wiązania kowalencyjne, które są rozbijane tylko enzymatycznie, ale też słabsze wodorowe oraz mają miejsce oddziaływania hydrofobowe. Obecne są w białkach reszty różnych aminokwasów, tych które „lubią wodę” (środowisko głównie wodne naszego organizmu, hydrofilowe) i hydrofobowe. Białka mogą z części hydrofobowych wypchnąć wodę i powstanie wtedy w przybliżeniu kula (globula) z jądrem hydrofobowym, otoczonym przez polimer peptydowy. Są to białka globularne. Miewają one różne bruzdy i kieszenie potrzebne do aktywności enzymatycznej lub kanały do transportu przez błony. W odróżnieniu od białek globularnych istnieją białka fibrylarne (włókienkowe), na przykład kolagen i keratyna.
Najbardziej rozbudowana proteina ma strukturę czwartorzędową (poniżej schemat powstawania insuliny aktywnej biologicznie) (Biochemia Ilustrowany przewodnik – J Koolman, K-H Röhm, PZWL, Warszawa 2005) i wtedy cząsteczka białka składa się z co najmniej dwóch oddzielnie syntetyzowanych łańcuchów polipeptydowych. Mogą one być takie same lub różne. W zależności od informacji genetycznej i za tym idącej roli białka w metabolizmie.
Powstaje długa cząsteczka preinsuliny, z której usuwany jest Peptyd C – fragment polipeptydowy, a następnie powstałe dwie części łączą się w strukturę trzeciorzędową połączoną wiązaniami kowalencyjnymi (trwałymi). W obecności jonu cynku (Zn++) sześć takich struktur trzeciorzędowych tworzy strukturę czwartorzędową – aktywna metabolicznie insulinę. Poniżej przedstawiam dwa białka złożone – porfirynoproteiny. Jednoniciową (monomeryczną) mioglobinę mającą strukturę trzeciorzędową i polimeryczną hemoglobinę o strukturze czwatrorzędowej. Mioglobina znajduje się w mięśniach i przechowuje dla nich tlen. Hemoglobina występująca w erytrocytach najpierw wiąże tlen, który potem oddaje tkankom.
Białka podlegają zjawisku allosterii (gr. ἄλλως allos, inny, oraz στερεός stereós, przestrzeń) – zmianie struktury przestrzennej. Polega ono na tym, że przyłączenie do proteiny niewielkiej cząsteczki (efektora allosterycznego) powoduje zmiany w jej orientacji przestrzennej (konformacji). Struktura czwartorzędowa, czyli podjednostkowa, pozostaje, ale położenie łańcuchów względem siebie zmienia się, może temu towarzyszyć też zmiana liczby podjednostek. Allosteria dotyczy często enzymów, ale także hemoglobiny. Przyłączenie do niej cząsteczki tlenu (O2) powoduje zmiany w odległościach między łańcuchami polipeptydowymi i każda następna cząsteczka tlenu jest przyłączana łatwiej. Nie zawsze zjawisko allosterii towarzyszy aktywacji biologicznej. W przypadku niektórych enzymów powoduje inhibicję.
Wydawałoby się, że świat białek jest uporządkowany przestrzennie zgodnie z oczekiwaniami organizmu i oczywiście naszą informacją genetyczną. Przecież w ten porządek rzeczy zaangażowana jest ogromna maszyneria metaboliczna. Jednak przyroda jest kapryśna. Istnieją białka odbiegające od schematu budowy przedstawionego powyżej i są to białka inherentnie, z natury rzeczy nieuporządkowane (ang. Intrinsically Disorder Proteins, IDPs), których struktura nie jest ściśle zdefiniowana. Już w latach 60. i 70. XX wieku, zauważono odstępstwa od wcześniej obowiązującego paradygmatu strukturalno-funkcjonalnego białek. Jednak początkowo informacje dotyczące IDPs były lekceważone, a badacze, którzy napotykali na niepasujące do paradygmatu właściwości białek/domen, albo obserwacje te traktowali jako błędne, albo je ignorowali. (Postępy Biochemii 58 (1) 2012).
Poniżej pokazuję schemat ilustrujący różnice między IDP i białkiem mającym wszystkie struktury aż do trzeciorzędowej obecnej we wszystkich białkach jednołańcuchowych (jednocząsteczkowych – monomerycznych) (https://weisgroup.ku.edu/intrinsically-disordered-proteins).
Białka inherentnie nieuporządkowane (IDPs) w przeciwieństwie do innych białek, w warunkach natywnych (zapewniających aktywność metaboliczną), pozbawione są stabilnej struktury trzeciorzędowej. Charakteryzuje je nadzwyczajna plastyczność i dynamika konformacji (ułożenia w przestrzeni). Czasem dotyczy to tylko fragmentu polipeptydu. Bywa to jego funkcjonalna część. Dzięki swym niezwykłym właściwościom IDPs mogą łatwo przyjmować odmienne stany konformacyjne w reakcji na zmianę warunków środowiska, czy na skutek oddziaływania z rozmaitymi cząsteczkami. Dodatkowo duża labilność i ekspozycja łańcucha polipeptydowego IDPs sprawia, że białka te stanowią cel licznych modyfikacji i to umożliwia regulację ich aktywności. Z tego powodu IDPs zaangażowane są w rozmaite szlaki regulacyjne i procesy, podczas których dochodzi do składania supramolekularnych kompleksów. Odkrycie IDPs ujawniło nieznane oblicze białek i stanowi nowe wyzwanie dla proteomiki.
Jak już wspomniałam IDPs charakteryzuje je brak ustalonej struktury trzeciorzędowej i pewnie w związku z tym mają specyficzną, dynamiczną budowę i często ulegają procesom błędnego fałdowania i agregacji. Obecnie wydaje się, że wszystkie choroby neurodegeneracyjne są związane z patologią i kumulacją białek. Białka to podstawowe składniki, zarówno strukturalne jak i funkcjonalne, każdej komórki, a ich funkcje związane są z ich składem aminokwasowym i ze strukturą przestrzenną. Prawidłowe ich funkcjonowanie jest więc konieczne dla poprawnego działania całego systemu, którym jest organizm. W przypadku zaburzeń struktury przestrzennej białek, może dochodzić do rozwoju procesów patologicznych. Nagromadzenie patologicznych białek jest toksyczne dla komórek nerwowych i jest przyczyną neurodegeneracji. Białka odpowiedzialne za proces patologiczny występują w stanie fizjologicznym w organizmie, dopiero ich nieoczekiwane ułożenie w przestrzeni lub utrata organizmu zdolności do usuwania ich staje się problemem. (Postepy Hig Med Dosw (online), 2012; 66: 187-195 e-ISSN 1732-2693).Wybrane choroby związane z IDPs i nazwy białek dotkniętych patologią: choroba Alzheimera – amyloid β i białko Tau choroba Parkinsona – α-synukleina; pląsawica Huntingtona – huntingtyna; encefalopatia gąbczasta – prion Wybrane choroby związane z IDPs i nazwy białek dotkniętych patologią: choroba Alzheimera – amyloid β i białko Tau choroba Parkinsona – α-synukleina; pląsawica Huntingtona – huntingtyna; encefalopatia gąbczasta – prion (o tym w dalszej części); ataksja rdzeniowo móżdżkowa – ataksyna; cukrzyca typu II. – amylina; rak rdzeniasty tarczycy – kalcytonina
Jedną z przyczyn choroby Alzheimera jest nagromadzenie nieprawidłowego białka w mózgu (Ann Clin Transl Neurol. 2017 Dec; 4(12): 931–942. Published online 2017 Oct 30. doi: 10.1002/acn3.469). W tym roku ogłoszono zastosowanie w leczeniu osób z tą chorobą przeciwciał monoklonalnych eliminujących nadmiar b-amyloidu z mózgu. Można otrzymać przeciwciała monoklonalne wyszukujące konkretne białko i to stosuje się w zestawach do ich oznaczania. Jednak trudne jest stosowanie takiego przeciwciała jako leku podanego człowiekowi. Na szczęście w medycynie znane są takie terapie prowadzone z powodzeniem.
Białka jako pokarm
Interesujący jest fakt, że białka mają taką samą kaloryczność, jak cukry (węglowodany). 100 gramów białka i 100 gramów cukru dają nam 4 kcal (DIETETYKA ŻYWIENIE ZDROWEGO I CHOREGO CZŁOWIEKA, H. Ciborowska, A Rudnicka, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2010, ISBN978-83-200-4257-3). W dodatku z białek mogą powstać w naszym organizmie cukry. Ale o tym opowiem w „Losy białek i aminokwasów w naszym organizmie”.
Jak wspomniałam białka mają swoją kaloryczność i w okresie głodu lub nadczynności tarczycy i innych chorób mogą być wykorzystywane w naszym organizmie jako źródło energii. Jednak normalnie są nam bardzo potrzebne z innego powodu. Mianowicie zawierają aminokwasy niezbędne dla naszego metabolizmu, niestety te, których nie potrafimy dla siebie wyprodukować. Dorośli potrzebują 8, seniorzy i pracujący intensywnie fizycznie 9, a dzieci nawet 10 z 20 aminokwasów białkowych (patrz „Losy białek i aminokwasów w naszym organizmie”). W przyrodzie są rośliny, które produkują pełnowartościowe, czyli zawierające te aminokwasy białka. Oczywiście białka zwierzęce są pełnowartościowe. W dobie różnych diet musimy zwracać uwagę na pokarmy roślinne, ponieważ niektóre zawierają tylko białka niepełnowartościowe lub zbyt mało pełnowartościowych i dlatego czasem propagowane są informacje, że białka roślinne mają mniejszą wartość odżywczą niż zwierzęce. Otóż kaloryczność mają taką samą, ale niektóre roślinne nie będą miały wszystkich potrzebnych nam aminokwasów.
Ciekawym przykładem jest kukurydza. Bardzo rozpowszechniona szczególnie w Ameryce Południowej. Białko kukurydzy zeina nie zawiera aż trzech potrzebnych nam aminokwasów. Sprytna natura, a ją podpatrzył człowiek, już Aztekowie, znalazła wyjście z tej sytuacji. Okazało się, że na kolbach kukurydzy rośnie grzyb uzupełniający braki aminokwasowe poprzez produkcję swoich białek. Grzybem jest głownia guzowata kukurydzy – hiutlacoche. Dla jednych jest pasożytem niszczącym uprawy, a w Meksyku jest daniem. Jada się zniszczoną kolbę razem z grzybem. W Polsce można kupić konserwę kukurydzy z hitulacoche. Rynkowo nazywa się go nawet truflą meksykańska, ale nie jest aromatyczną przyprawą, jak trufla. Nie dziwmy się jadamy przecież różne grzyby.
Z kolei gluten – białka zbóż (gliadyna i glutenina) – pszenicy, jęczmienia, żyta, dające elastyczność ciastu i pyszną skórkę są pełnowartościowe. Na całym świecie gluten jest dobrym źródłem białka. Niestety, niektórzy z powodu immunologicznej dysfunkcji nie mogą jeść tej mąki. Na szczęście na rynku jest teraz dużo innych mąk (DIETETYKA ŻYWIENIE ZDROWEGO I CHOREGO CZŁOWIEKA, H. Ciborowska, A Rudnicka, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2010, ISBN978-83-200-4257-3).
Trawienie białek
Podczas trawienia wszystkie opisane wyżej struktury i wiązania w białkach zostaną zniszczone, czy to pod wpływem środowiska (kwas i denaturacja), czy enzymatycznie w wyniku hydrolizy – proteolizy (Hydrolazy).
Według Jeana-Jacouses’a Rousseau „Szczęście to konto w dobrym banku, zręczny kucharz i dobre trawienie”. Należy do tego dodać, że także ważne dla nas jest wchłanianie, a potem to co organizm z substancji uwolnionych z pokarmu wytworzy na nasz użytek.
Zjadamy sucharek z mąki zawierającej białko pełnowartościowe i co dalej? Rozdrabniamy go i nasycamy śliną, przecież bez tego nie połknęlibyśmy nawet tak skromnego dania.
Przed opisaniem, co dalej z białkami w naszym przewodzie pokarmowym, pozwolę sobie przypomnieć, co to jest kwasowość przedstawiana jako pH (ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych – niezbędnego składnika każdego kwasu). Przedstawienie kwasowości w tej formie ułatwia opis. Podawanie w sposób naturalny stężenie jonów wodorowych jest żmudne, ponieważ na przykład pH 3 to stężenie 0,001(10-3) mola na litr roztworu i tak dalej. Jaką siłę w sobie ma pH 7,0? Jest neutralne, a pH powyżej 7,0 zasadowe (gorzki smak), a z kolei poniżej 7,0 kwasowe (kwaśny smak). Coca cola ma pH 3,5 podobnie, jak grzybki w occie. W ustach – ślina ma pH neutralne, ale w procesie naszego trawienia pojawia się pH 1, a nawet niższe, czyli o bardzo wysokiej kwasowości – żrące w żołądku.
Kwasowość zmienia się w zależności od odcinka przewodu pokarmowego. Na schemacie pokazuję zmieniające się pH w naszym przewodzie pokarmowym.
Skąd się bierze tak duże stężenie jonów wodorowych i kwasu solnego w żołądku? Podlega to precyzyjnej regulacji metabolicznej. Na poziomie komórek wygląda tak, jak przedstawiłam to na schemacie (Biochemia. Ilustrowany przewodnik – J Koolman, K-H Röhm, PZWL, Warszawa 2005).
Po pierwsze potrzebny jest dwutlenek węgla (ten, który produkujemy w procesach katabolicznych) i enzym anhydraza węglanowa (z jonem cynku – Zn++). W reakcji z wodą (zawsze obecną w naszym organizmie) uwalniany jest jon wodorowy (H+). Jest on następnie transportowany do soku żołądkowego, tam gdzie dostaje się pokarm i mikroorganizmy. Ten transport wymaga nakładów energetycznych ze strony komórki (ATP). Transporterem jest enzym błonowy (ATP-aza H+/K+), który może być hamowany przez dostępne w aptece leki na nadkwaśność w żołądku. Zawsze musi być zachowane stężenie plusów i minusów (jonów) po obu stronach błony komórkowej, a więc jon wodorowy do trawienia, a jon potasowy (K+) do komórki okładzinowej (wyściełającej żołądek). Jony chlorkowe (Cl–) drugi składnik kwasu solnego są transportowane drogą wymiany z jonem HCO3– (wodorowęglanowym) powstałym w wyniku działania także anhydrazy węglanowej. Niskie pH niszczy białka natywne (mające aktywność biologiczną) i aktywuje enzym proteolityczny pepsynę, która hydrolizuje zdenaturowane białka. Do następnego odcinka przewodu pokarmowego – dwunastnicy – trafiają peptydy o różnej długości.
Podczas trawienia ważny jest czas i tak w jamie ustnej pokarm jest dosyć krótko – jesteśmy tego świadomi podczas posiłku. Z kolei w żołądku nadtrawione dania mogą być do 3 godzin. W dwunastnicy, gdzie kwaśna treść żołądka jest neutralizowana przez docierający do niej zasadowy sok trzustkowy, już tylko około 30 minut. W bardzo długim (5 – 6 metrów, przy średnicy 3 cm – to duża powierzchnia kontaktowa – osiąga ona nawet do 400 metrów kwadratowych) jelicie cienkim treść pokarmowa gości nawet do 5 godzin. Dalej w jelicie grubym zasiedlonym przez symbiotyczną florę nawet do kilku dni (Margit Kossobudzka i wsp., „Człowiek na bakterie”, Agora SA, Warszawa 2018, ISBN:978-83-268-2690-0). Z jelita grubego są też wchłaniane różne produkty pracy bakterii (https://radioklinika.pl/jelito-cienkie-trawienie-uklad-odpornosciowy).
Kwaśne środowisko w żołądku niszczy struktury drugo-, trzecio- i czwartorzędową, a pepsyna dobiera się do wiązań peptydowych (struktura pierwszorzędowa). Nadtrawione peptydy przesuwają się do dwunastnicy i tu działają na nie enzymy z soku trzustkowego, a w dalszej części jelita cienkiego – kolejne Hydrolazy. Enzymy degradujące białka – proteolityczne – mają swoje specyficzne miejsca działania. Chodzi tu o określone końce w łańcuchu polipeptydowym, przypomnę, N koniec -z tej strony atakują aminopeptydazy i C koniec – karboksypeptydazy lub wnętrze endopeptydazy. Na poniższym schemacie pokazuję działanie kilku z nich: trypsyny, chymotrypsyny, elastazy i karboksypeptydaz (reszty aminokwasów – skrótowce trzyliterowe).
Ostatecznie ze zhydrolizowanych białek są uwalniane aminokwasy. Właśnie to one są wchłaniane do komórek nabłonka jelita (enterocytów) i trafiają dalej do krwi dzięki obecności specjalnych transporterów błonowych dedykowanych tylko dla nich. Nasze trawienie możemy wspomagać owocami, które zawierają enzymy proteolityczne. Wiadomo, że nie uda się galaretka z ananasem, kiwi, czy papają. Oczywiście ta galaretka na żelatynie (produkt degradacji kolagenu), ponieważ zniszczy ją bromelina z ananasa, aktynidyna z kiwi, papaina z papai. Polecam za moimi babciami owocowe galaretki na agarze (to z kolei polimer cukrowy).
Tu pada pytanie, a co z „przepuszczalnością jelita”?
Ostatnio są to modne tematy. „Pobierzemy” ze zjedzonych białek potrzebne nam aminokwasy, które zasilą nasz organizm. Jednak nie zawsze życie pisze proste scenariusze.
Co z celiakią i alergiami pokarmowymi indukowanymi przez białka z pokarmu, straszenie glutenem? Podkreślam, że białka zawarte w glutenie są pełnowartościowe, a przy okazji jedzenia mąki zaopatrujemy nasz organizm w różne niezbędne dla nas składniki pochodzenia roślinnego, jak witaminy i minerały. Otóż celiakia jest wadą uwarunkowana genetycznie, w której jest problem między innymi z enzymem transglutaminazą biorąca udział w tworzeniu białkowych „sieci”. W diagnostyce celiakii są wykrywane przeciwciała anty transglutaminazie 2.
Tak na marginesie to, transglutaminaza jest enzymem dosłownie sklejającym kawałki produktów zawierających białka, ponieważ tworzy wiązania krzyżowe między resztami aminokwasów z łańcucha polipeptydowego. Ma ona zastosowanie w przemyśle spożywczym (mleczarski, wędliniarski, piekarniczy), a także w Kuchni Molekularnej, kiedy kucharz wymyśla dziwne potrawy i skleja mięso białej ryby z krwistą wołowiną aby powstał kotlet szachownica.
Niestety u niektórych osób produkt pochodzący z trawienia glutenu odpowiada za uruchomienie odpowiedzi autoimmunologicznej organizmu prowadzącej do rozwoju enteropatii (uszkodzenia nabłonka jelita).
Za panią profesor Bożeną Cukrowską podaję, że celiakia to choroba o podłożu autoimmunizacyjnym. Polega ona na tym, że u osób z predyspozycją genetyczną, spożywanie glutenu (czyli grupy białek znajdujących się w zbożach) wywołuje nieprawidłową odpowiedź układu immunologicznego. Nie należy mylić celiakii z alergią na gluten, gdyż patomechanizm tych dwóch chorób jest zupełnie inny. W przypadku alergii na gluten diagnostyka opiera się na ocenie swoistych przeciwciał w klasie IgE. W celiakii głównymi czynnikami aktywującymi układ immunologiczny do nieprawidłowej odpowiedzi są geny i gluten. Głównymi, ale nie jedynymi. Wskazuje na to różny wiek zachorowania na celiakię, mimo że w Polsce gluten wprowadzamy do diety niemowląt około 5.-6. miesiąca życia i spożywamy go niemal codziennie. Nie do końca potrafimy odpowiedzieć na pytanie, co powoduje, że zaczynamy chorować dopiero jako osoby dorosłe. Możliwe, że są to np. infekcje wirusowe lub bakteryjne, stosowanie antybiotyków, zmiana diety lub inne czynniki, które powodują tzw. dysbiozę jelitową, czyli zaburzenia składu mikroorganizmów zasiedlających nasze jelita (https://euroimmun.pl/blog/diagnostyka-celiakii-w-swietle-najnowszych-rekomendacji-wywiad-z-prof-bozena-cukrowska-2/).
Objawy przypominające alergię pokarmową mogą powodować również znajdujące się w żywności mikroorganizmy czy toksyny. Za pseudoalergię pokarmową odpowiadają substancje dodawane do żywności (konserwanty, barwniki), a nawet jej naturalne składniki (np. tzw. aminy biogenne, takie jak histamina czy tyramina). Nadmierne spożycie serów czy ryb zawierających histaminę może skutkować wystąpieniem pokrzywki, zasłabnięciem, nudnościami, wymiotami, biegunką, bólem głowy, a nawet drgawkami. Tyramina, znajdująca się w czekoladzie, śledziach czy czerwonym mięsie, może wyzwalać migrenowy ból głowy, kołatanie serca i wzrost ciśnienia krwi.
Od alergii pokarmowej należy odróżnić także tzw. nietolerancję pokarmową, spowodowaną mechanizmami niealergicznymi.
(https://www.mp.pl/pacjent/alergie/chorobyalergiczne/choroby/57574,alergia-pokarmowa).
Generalnie to korzystne jest, jeżeli białka zostaną zdegradowane do aminokwasów, a grupy połączone z białkami złożonymi zostaną uwolnione. Na przykład porfiryny (hem) z diety „oddadzą” nam żelazo i uważa się, że są najwydajniejszym jego źródłem. Poza monomerami z białek mogą też być wchłaniane peptydy składające się z dwóch i trzech aminokwasów (Best Pract Res Clin Gastroenterol. 2016 Apr; 30(2): 145–159).
Bakterie są „cwane” i niestety, a może i dobrze, że nie wszystkie mikroorganizmy zostaną zniszczone najpierw przez kwas w żołądku, a potem przez enzymy hydrolityczne. Nasze dobre bakterie są komensalami (komensalizm – współbiesiadnictwo z łac. commensalis – współbiesiadnik; com – współ i mensa – stół) i żyją z nami w symbiozie. Korzystamy z ich „usług”. Niestey mogą przeżyć też te chorobotwórcze (Margit Kossobudzka i wsp., „Człowiek na bakterie”, Agora SA, Warszawa 2018, ISBN:978-83-268-2690-0).
W jelicie wchłaniane są poza resztkami z naszego pokarmu również produkty przemian naszej flory bakteryjnej. Drastycznym przykładem takich przemian jest „choroba niebieskich pieluch” (NATURE COMMUNICATIONS| (2018) 9:3294 |DOI: 10.1038/s41467-018-05470-4|www.nature.com/naturecommunications) zdarzające się niezwykle rzadko upośledzenie uwarunkowane genetycznie. Wada dotyczy zaburzenia we wchłaniania tryptofanu, niezbędnego dla nas aminokwasu pochodzącego z diety białkowej. Jego nadmiar przetwarzają bakterie jelitowe w pochodną, która jest wchłaniana. Z kolei ten związek dociera do nerek i jest wydalany z moczem, który barwi pieluchy na niebiesko.
„Przepustowość” ścian jelita jest przedmiotem ciągłych badań i w pewnej części ciągle pozostaje zagadką (Nutrients 2019, 11, 2325 ). Utrzymanie zdrowia wiąże się w przewodzie pokarmowym z istnieniem mechanizmów pozwalających na tolerowanie naturalnej mikroflory, przy jednoczesnym zachowaniu stanu gotowości do zwalczania zagrożenia. Produkowane są bakteriobójcze białka – defensysny (http://www.phmd.pl/api/files/view/2836.pdf).
Na poniższym schemacie pokazuję obecność innych komórek niż tylko enterocyty w ścianach jelita (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27890914).
W przewodzie pokarmowym jest daleko posunięta „tolerancja pokarmowa”, czyli brak reakcji organizmu na pojawiające się z pokarmem obce substancje. Jednak układ immunologiczny/obronny jest w ciągłej gotowości, ponieważ komórkom nabłonka jelita (enetrocytom) towarzyszą wzdłuż ich linii grupy innych wyspecjalizowanych komórek. Na przykład komórki dendrytyczne potrafią wcisnąć swoje wypustki między enterocyty i wyłapać zagrażających nam intruzów, powodując ich unicestwienie bez szkody dla nas. Mobilizując przy tym komórki żerne (makrofagi) lub inne mechanizmy obronne.
Ściana jelita zawiera największe w całym organizmie skupiska tkanki limfatycznej, przede wszystkim grudek chłonnych, które są zgrupowane w ok. 30 pasmach zwanych kępkami Peyera. Zdeponowane w kępkach Peyera limfocyty systematycznie przez całe życie eksponowane są na kontakt z antygenami (antygeny to substancje, które pobudzają do działania obronnego nasz organizm, pobudzają syntezę przeciwciał w stosunku do siebie i łączą się z nimi, także w układach biologicznych poza organizmami) pochodzącymi z treści pokarmowej. Codziennie ogromna liczba różnych antygenów wprowadzana jest do jelita w sposób bezpieczny dla nas m.in. dzięki zabójczemu dla drobnoustrojów środowisku żołądka (pH 1), są one przetwarzane na naszą korzyść lub nas opuszczają.
Między enterocytami znajdują się także komórki M (z ang. – microfold cells)), przed laty nazywane „wrotami” do naszego organizmu. Mają one możliwość wchłaniania różnych antygenów (– bakterii, wirusów, pasożytów i białek. Powiadamiają o tych „intruzach” nasz układ immunologiczny/obronny w celu ich zniszczenia lub wywołania odporności na nie.
Wśród komórek nabłonkowych jelita znajdują się też komórki w kształcie kubka – kubkowe (z ang – goblet cells; nie należy ich mylić z kubkami smakowymi), produkujące istotny składnik śluzu mucynę (glikoproteinę) (https://pl.wikipedia.org/wiki/Komórki_kubkowe ). Ich liczba w jelitach rośnie wraz z kolejnymi jego odcinkami – najmniej w dwunastnicy, a najwięcej w jelicie grubym.
Oprócz produkcji śluzu, komórki kubkowe współdziałają z systemem odpornościowym, poprzez wydzielanie immunoglobulin IgA i komunikowanie się z komórkami dendrytycznymi. Niestety, komórki kubkowe są wykorzystywane przez bakterię Listeria monocytogenes (powodujące sepsę) do wniknięcia do organizmu człowieka. Jak widać jest cienka granica miedzy barierą komórkową naszych jelit, a ich przepustowością dla patogenów. Jak widać wśród komórek wyspecjalizowanych w wyodrębnianiu i pobieraniu składników dla nas odżywczych z trawionego pokarmu znajdują się też te, które współpracują z naszym układem obronnym/immunologicznym, ale niestety czasem wpuszczą jakiegoś wrednego intruza (patogen).
Można bez większego oporu przyjąć istnienie czynników chorobotwórczych takich, jak wiroidy, złożonych wyłącznie z kwasu nukleinowego pozbawionego białkowej osłonki tzw. kapsydu – to w końcu kwas nukleinowy jest nośnikiem informacji genetycznej. Trudno jednak przyjąć, że czynnik zakaźny składa się wyłącznie z białka i tak jest w przypadku prionów. Priony powodują choroby układu nerwowego zwierząt (m.in. scrapie u owiec i bydła) i ludzi (m.in. chorobę Creutzfelda-Jacoba i kuru). Dużym wstrząsem w 1996 roku było podejrzenie, że chorobą Creutzfelda-Jacoba ludzie mogą zarażać się poprzez zjedzenie mięsa od tzw. szalonych krów (chorych na BSE). Okazało się, że czynnikiem powodującym chorobę są priony. Za badania nad prionami i sformułowanie rewolucyjnej teorii, że białka mają charakter infekcyjny, Stanley B. Prusiner otrzymał w 1997 roku Nagrodę Nobla z dziedziny medycyny.
Czy zjedzenie białka jest bezpieczne?
To jest trudne pytanie. Z jednej strony białka są dla nas niezbędne, szczególnie te pełnowartościowe, a z drugiej mogą wywołać alergię lub inną chorobę (czasem bardzo ciężką). Jemy sobie te białka jemy, aż tu nagle trafia się białko należące do inherentnie nieuporzatkowanych, a mianowicie prion. Priony (ang. prion, od łac. proteinaceous infectious particle – cząsteczki infekcyjne białka) to białka występujące powszechnie w każdym organizmie i całkowicie niegroźne do czasu, gdy zmieniają one swoją naturalną konformację (ułożenie w przestrzeni) stają się białkiem prionowym infekcyjnym. Można bez większego oporu przyjąć istnienie czynników chorobotwórczych (takich jak wiroidy) złożonych wyłącznie z kwasu nukleinowego pozbawionego białkowej osłonki (tzw. kapsydu) – to w końcu kwas nukleinowy jest nośnikiem informacji genetycznej. Trudno jednak przyjąć, że czynnik zakaźny składa się wyłącznie z białka, że tak jest w przypadku prionów. Priony powodują choroby układu nerwowego zwierząt (m.in. scrapie u owiec i bydła) i ludzi (m.in. chorobę Creutzfelda-Jacoba i kuru). Dużym wstrząsem w 1996 roku było podejrzenie, że chorobą Creutzfelda-Jacoba ludzie mogą zarażać się poprzez zjedzenie mięsa od tzw. szalonych krów (chorych na BSE). Okazało się, że czynnikiem powodującym chorobę są priony. Za badania nad prionami i sformułowanie rewolucyjnej teorii, że białka mają charakter infekcyjny, Stanley B. Prusiner otrzymał w 1997 roku Nagrodę Nobla z dziedziny medycyny.
Prawidłowe białko prionowe (PrPc) to a helisa, glikoproteina (208 aa, cukry na N-końcu), a chorobotwórcze (PrPsc) zawiera domeny b kartki. Nie ma między nimi, PrPC a PrPsc, różnicy w sekwencji aminokwasów. Na poniższym schemacie przedstawiam różnicę miedzy tymi białkami jeżeli chodzi o ułożenie w przestrzeni.
PrPc występuje głównie w neuronach mózgu i rdzenia kręgowego, w mniejszych ilości w komórkach gleju oraz innych komórkach poza centralnym układem nerwowym, m.in. leukocytach oraz niedojrzałych immunocytach. Funkcja tego białka, jak dotąd nie została poznana. Ma ono zdolność zmieniania się z normalnego białka prionowego w białko prionowe chorobotwórcze. Występuje ryzyko przenoszenia się ich ze zwierząt na ludzi. Priony w odróżnieniu od wielu białek są odporne na działanie kwasów, zasad, wysokiej temperatury, UV.
Dostanie się prionów do organizmu jest bezobjawowe i nie włączają się mechanizmy obronne. Poniżej przedstawiłam możliwy mechanizm infekcji białkami prionowymi.
Priony powodują rozfałdowanie normalnego białka i zmianę konformacji oraz jego agregację uszkadzającą w rezultacie komórkę, a potem tkankę i całego człowieka.
Na poniższym obrazku pokazuję schemat inwazji układu nerwowego przez priony.
W
przebiegu chorób prionowych (PrD – ang. Prion Disease) można wyróżnić trzy fazy
1. Infekcja i replikacja prionów w obwodowym układzie nerwowym.
2. Transmigracja i neuroinwazja.
3. Neurodegeneracja.
Choroby prionowe(PrD) są to przenoszone encefalopatie gąbczaste (TSE). Należą do nich: choroba Creutzfeldta-Jakoba (CJD), śmiertelna rodzinną bezsenność (FFI), choroba Gerstmanna-Sträusslera-Scheinkera (GSS) oraz kuru.
Creutzfeldta-Jakoba (CJD) dotyczy osób w wieku 55-65 lat i powoduje postępującą demencję, ataksję, zaburzenie widzenia. CJD, która jest skutkiem spożycia przez człowieka mięsa bydła chorego na encefalopatię gąbczastą dotyka osoby poniżej 40. roku życia daje objawy takie, jak: depresja, lęk, agresywność, urojenia, demencja i inne.
Kuru jest chorobą zakaźną występującą tylko u członków plemienia Fore w Papui Nowej Gwinei, jej przekazywanie miało związek z rytuałami kanibalistycznymi, chorowały kobiety i dzieci powyżej 4 lat. Powodowała zaburzenia równowagi, drżenie, dyzartria oraz dysfagia.
Narażenie naszego organizmu na brak białka w diecie jest nie do przyjęcia. Jesteśmy układem otwartym, ale nie jesteśmy z pewnością tym co jemy. Mam nadzieję, że przekonałam Państwa co do tego, że białka są degradowane, aby były przez nasz organizm zaakceptowane (nie wywołały alergii). Następnie uwolnione z nich, a wchłonięte przez nas aminokwasy, są dla nas substratem w różnych przemianach metabolicznych i także do budowy, podkreślam, naszych osobistych białek. O tym będę opowiadać w „Losy białek i aminokwasów w naszym organizmie” – zapraszam. Optymistycznie omijajmy pokarmy zainfekowane, nie jedzmy mózgu nawet wroga i nie obawiajmy się diety wysokobiałkowej.
Korzystałam także z https://pl.wikipedia.org i z Biochemia – JM Berg, JL Tymoczko, L Stryer PWN, Warszawa, 2005