Trudno w to uwierzyć, ale poznanie metabolizmu aminokwasów przyczyniło się do rozwiązania zagadki kryminalnej i to w cale nie tak bardzo dawno temu, bo na początku lat dziewięćdziesiątych. Nikogo też nie zdziwi, że aminokwasy to nie tylko substraty do syntezy białek (zapraszam „Co dalej z białkami…”). Obecnie jest bardzo bogata oferta aminokwasów i ich pochodnych w postaci różnych odżywek. 

Suplementy – odżywki – dokarmianie

Suplement (z ang. uzupełnienie) diety, środek spożywczy, odżywka, której celem jest uzupełnienie normalnej lub czasem zbyt ubogiej diety. Na ogół są to preparaty witamin, składników mineralnych, aminokwasów lub innych substancji wykazujących efekt poprawiający stan fizjologiczny organizmu. (https://pl.wikipedia.org/wiki/Suplement_diety). Zgodnie z zamieszczaną ulotką powinny być spożywane w małych, odmierzonych ilościach jednostkowych. Jako środki spożywcze muszą mieć cechy i spełniać kryteria, za pomocą których charakteryzuje się żywność pod względem jakości sensorycznej, wartości odżywczej i bezpieczeństwa dla zdrowia konsumenta. Suplementy zazwyczaj są produkowane i wprowadzane do obrotu w formie umożliwiającej ich precyzyjne i łatwe dawkowanie, co niestety w połączeniu z często spotykaną sprzedażą w aptekach może sugerować ich związek z lekami. W Unii Europejskiej suplementy diety nie są traktowane jak leki. W Polsce suplementy diety dopuszcza do obrotu Główny Inspektor Sanitarny i podległe mu urzędy, natomiast leki Urząd Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów Biobójczych (URPLWMiPB). Zadaniem suplementów diety jest przede wszystkim nie szkodzić zdrowiu konsumenta i przynosić dochody producentowi. Suplement diety nie zastąpi zróżnicowanej diety.

Znajdujemy różnie skonstruowane hasła reklamowe. Na przykład „preparaty hepatoprotekcyjne”, czyli ochraniające wątrobę (z ang. hepar – wątroba; protection – ochrona; LOLA – aminokwasy L-ornityna L-arginina), zawierają ornitynę i kwas asparaginowy, „spalające tłuszcz” zawierające karnitynę (pochodna aminokwasu lizyny), „lizyna podnosi odporność”. „arginina to preparat wpływający na zdrowie całego organizmu”, „wspomagające siłę mięśni”, Te hasła i wiele innych zachęcają do jedzenia aminokwasów w ich czystej postaci. O tym, jak niebezpieczne może być ich przedawkowanie, napiszę dalej.

L-aminokwasy – ludzkie izomery

Aminokwasy występujące w białkach (zapraszam: „Co dalej z białkami…”) i kilka wolnych ma nazwy zwyczajowe i są one w powszechnym użyciu, a dla innych aminokwasów zaleca się stosowanie nazewnictwa według reguł IUPAC (Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej – międzynarodowa organizacja zajmująca się przede wszystkim standaryzacją symboliki, nazewnictwa i wzorców wielkości fizycznych stosowanych przez chemików na całym świecie): kwas zwykle karboksylowy (grupa -COOH; w środowisku wodnym naszego organizmu zjonizowana do -COO^–) z grupą aminową (-NH₃; w środowisku wodnym naszego organizmu zjonizowana do -NH₃⁺) oraz innymi podstawnikami (R). Z powodu tej jonizacji na kwas glutaminowy mówimy glutaminian, a na kwas asparaginowy asparaginian.

Z pewnością zwraca uwagę brak litery „L” przy nazwie aminokwasu lub jego pochodnej, jaką jest karnityna (powszechnie nazywana „L-karnityną”). Dla mnie jest oczywiste i nie wymagające podkreślanie, że mamy do czynienia z L-aminokwasami, ponieważ nasz organizm używa izomery aminokwasów właśnie z tego szeregu, natomiast cukry z szeregu izomerów „D” i rzadko podkreśla się, że jest to na przykład D-glukoza lub D-fruktoza, a są to właśnie nasze cukry. Konfiguracja D i L (konfiguracja względna) jest to sposób określania i nazywania izomerów (skład chemiczny tych substancji jednakowy, ale inne ułożenie w przestrzeni). Aminokwasy L i D są swoimi odbiciami lustrzanymi. Pokazuję to na poniższym schemacie (Biochemia. Ilustrowany przewodnik – J Koolman, K-H Röhm, PZWL, Warszawa).

Literami greckimi w aminokwasach opisuje się położenie grupy aminowej i karboksylowej przy węglu a (na schemacie w centrum „piramidy”) i położenie przy kolejnych węglach następnymi literami greckimi b, g itd. Na schemacie pokazany jest model L a aminokwasu, ale może być na przykład L b alanina (grupa karboksylowa przy węglu 2.), g karboksyglutaminian (grupa karboksylowa przy węglu 3., ta dodatkowa).

Uzależnienie od składu diety

W naszym organizmie nie są syntetyzowane tak zwane aminokwasy egzogenne (z zewnątrz, ; ang. essential – niezbędne): fenyloalanina, histydyna, izoleucyna, leucyna, lizyna, metionina, walina, treonina, tryptofan. Arginina należy do względnie egzogennych i jej dostarczenie z dietą konieczne jest dla dzieci. Aminokwasy egzogenne między innymi służą do syntezy aminokwasów endogennych.    

Osoby po 60-tce i te, które pracują intensywnie fizycznie oraz sportowcy wymagają suplementacji argininą (zapraszam: „Starzenie a…” i „Obojętny składnik powietrza…”). Przy czym największe dzienne zapotrzebowanie dorosłego człowieka jest na leucynę, a najmniejsze na tryptofan. W poniższej tabeli jest podane zapotrzebowanie dobowe na aminokwasy egzogenne człowieka dorosłego o masie 70 kg niepracującego intensywnie fizycznie. Zalecana dzienne spożycie [mg/kg masy ciała]   (https://basicmedicalkey.com/amino-acid-metabolism-2/) 

*Bardzo dobrym źródłem tryptofanu są migdały i orzechy, zwłaszcza nerkowca, ponieważ ich 100 g zawiera 0,287 g Tryptofanu, ale niestety orzechy niosą ze sobą ponad 500 kcal. Jak to orzechy.   Oczywiście najlepszym źródłem aminokwasów egzogennych jest pokarm mięsny, ale można obyć się bez niego, stosując mądrą dietę.  

Endogenne aminokwasy (wewnętrzne; ang. nonessential – nie niezbędne) są syntetyzowane w organizmie człowieka i należą do nich: glicyna, alanina, prolina, seryna, kwas asparaginowy, asparagina, kwas glutaminowy, glutamina, arginina, Są też aminokwasy względnie endogenne: tyrozyna powstaje z egzogennej fenyloalaniny, cysteina powstaje z egzogennej metioniny i endogennej seryny. Aminokwasów endogenne, czyli te, które są u nas syntetyzowane, to nie tylko aminokwasy białkowe, ale jeszcze kilka innych: cytrulina, homoseryna, homocysteina, kwas d-aminolewulinowy (powstaje na drodze syntezy porfiry, hemu), karnityna (amina czwartorzędowa z gr. karboksylową), kwas gamma-aminomasłowy (GABA), ornityna, beta-alanina, beta-aminoizomaślan (katabolizm pirymidyn), 3-metyloglicyna – betaina (stosowana jest w leczeniu zbyt wysokiego poziomu homocysteiny, a chlorowodorek betainy stosowany jest, jako środek wspomagający trawienie, szczególnie skuteczny u osób z niedostatecznym wytwarzaniem kwasu solnego w żołądku), tauryna (powstaje z Cys gr aminowa przy węglu beta, reszta kwasu sulfonowego H₂SO₃).                          

Jak napisałam (zapraszam: „Co dalej z białkami…”) występują u nas aminokwasy, które są uwalniane ze zmodyfikowanych białek. Jest to hydroksyprolina, karboksyglutaminian. Jednak nie są one później wykorzystywane do syntez.

Do czego są aminokwasy?

Na poniższym schemacie pokazuję zastosowanie aminokwasów w naszym organizmie. W dalszej części omówię ich zalety na wybranych przykładach, zanim dojdę do historii kryminalnej i dreszczowca.

Glukoza i ketony

Znamy oczywiste zalety glukozy, jako substratu energetycznego dla naszych komórek, ale po co nam tak zwane ketony, czyli „ciała ketonowe”? Zarówno glukozy, jak i ciał ketonowych nie powinniśmy mieć za dużo we krwi, a co za tym idzie i w moczu. To nam po prostu szkodzi. Glukozę (cukry) można opisać jako substrat pierwszej linii. Jest ona magazynowana w postaci glikogenu (polimer glukozy) w wątrobie (na potrzeby całego organizmu) i w mięśniach szkieletowych tylko na potrzeby tej tkanki. Kwasy tłuszczowe również są substratami energetycznymi i na przykład dla mięśni szkieletowych lepszymi niż glukoza. Dają więcej energii. „Ciała ketonowe” powstają z niewykorzystanych kwasów tłuszczowych, a ponieważ część aminokwasów po pozbawieniu ich grupy aminowej staje się niewielkimi kwasami tłuszczowymi, przekształcane są one właśnie w „ciała ketonowe” w procesie ketogenezy, ale jak zwykle nie jest to takie proste. Tylko cześć aminokwasów jest prekursorami „ciał ketonowych”. Należą do nich leucyna, lizyna (z nich nie powstanie glukoza), izoleucyna, fenyloalanina, tyrozyna, tryptofan (te i pozostałe białkowe są też prekursorami glukozy). Ciała ketonowe to substraty energetyczne drugiego wyboru. Są produkowane przez wątrobę i udostępniane tkankom podczas głodu. Nieleczona cukrzyca jest też stanem głodu dla tkanek, w którym wchłonięcie przez nie glukozy zależy od insuliny. Stężenie ciał ketonowych może wtedy być tak duże, że oddech cukrzyka pachnie acetonem (jedno z „ciał ketonowych”). Podczas głodu tkanka nerwowa, która w warunkach fizjologicznych „konsumuje” wyłącznie glukozę, przystosowuje się i może korzystać z „ciał ketonowych” – „ostatnia deska ratunku”. Fizjologicznie „ciała ketonowe” występują we krwi i w moczu, ale w zbalansowanych ilościach. Stosując dietę „Kwaśniewskiego” należy uważać, żeby nie zaburzyć tej równowag tak, aby nie przeważała właśnie kwasica ketonowa.

Lepszy nastrój

Wiele aminokwasów pozbawionych grupy karboksylowej staje się aminami, a ponieważ dzieje się to w naszym organizmie, nazywane są aminami biogennymi. Należą do nich te, które poprawiają nam nastrój – dopamina (z tyrozyny) i serotonina (z tryptofanu). Uważa się, że dużo dopaminy jest w tak przez nas lubianej czekoladzie. Pewien pan poprosił złotą rybkę o to, aby chciały go wszystkie kobiety. Zaszumiało, Ziemia zadrżała i stał się pudełkiem z czekoladkami. Niebezpieczne! Tak na poważnie, to należałoby poświęcić aminom biogennym więcej miejsca.

Aminokwas i amina biogenna jednocześnie

Opisywane w reklamach suplementy jako „eliksir młodości” to dipeptydy anseryna, która składa się z β-alaniny i N-metylohistydyny i karnozyna z β-alaniny i histydyny. Ich synteza w naszym organizmie uzależniona jest od dostępności egzogennej histydyna i β-alaniny jako substratów, która może powstać w wyniku degradacji uracylu (składnika RNA) i oczywiście z asparaginianu. Te peptydy pełnią funkcje przeciwutleniające i wpływają na metabolizm histydyny. Karnozyna buforuje spadek pH związany m.in. z powstawaniem kwasu mlekowego w mięśniach w trakcie wysiłku (tak zwane „zakwasy”). Suplementacja β-alaniną zmniejsza zmęczenie fizyczne. Stwierdzono także zwiększenie wielkości całkowitej wykonanej pracy przy maksymalnej mocy (wysiłku) – o 13% po 4 tygodniach suplementacji i o 16% po 10 tygodniach. Z tych powodów β-alanina jest składnikiem odżywek i „stacków kreatynowych”.

Tryptofan – pierwsza historia kryminalna

Nawet nazwa tryptofanu podkreśla jego nieodgadnione do końca działanie. Pochodzi ona z niemieckiego „tryptisch”, co znaczy tajemniczy. Jak już wspomniałam, z tryptofanu powstaje amina biogenna serotonina. Może ona być neurotransmiterem, czyli działać w mózgu, ale może też być – obok pochodzącej też z tryptofanu aminy biogennej tryptaminy – hormonem tkankowym. Serotonina jest także substratem do syntezy melatoniny hormonu syntetyzowanego w szyszynce (niewielkie ilości w oku na jego potrzeby). Melatonina koordynuje pracę nadrzędnego zegara biologicznego, regulującego nasz rytm dobowy, snem i czuwaniem, ponieważ my ludzie nie zależymy pod tym względem od światła dnia i ciemności nocy. Z tryptofanu może też powstawać trochę witaminy B₃, ale zbyt mało, aby nas utrzymać w zdrowiu.   

W tej historii kryminalnej główną rolę odegra właśnie tryptofan, jako suplement diety. Autorka książki „Dieta dla mózgu” Louise Thibault (KDC 2005) uważa, że nasz nastrój zależy od zawartości aminokwasów, szczególnie tych egzogennych, w spożytym białku. W końcu lat 80-tych XX wieku wypuszczono na rynek USA tryptofan, jako suplement diety. Odżywkę używano dość powszechnie i bez specjalnych ograniczeń w dawkowaniu, jako środek wspomagający w leczeniu bezsenności, depresji, różnych zespołów bólowych i nadaktywności. Należy sobie wyobrazić, że w tych wszystkich obszarach metabolicznych, które opisałam, nastąpi zaburzenie spowodowane nadmiarem tryptofanu. Po prostu katastrofa. Zarejestrowano ówcześnie 1500 zachorowań na ciężkie zaburzenia w funkcjonowania mięśni (z ang. – Eosinophilia–myalgia syndrome – EMS). Niestety, aż 37 osób zmarło. Ta tragedia z udziałem tryptofanu spowodowała wycofanie tej odżywki w 1989 roku z aptek w USA i sprawami sądowymi. Dokładna analiza tego suplementu syntetyzowanego przez bakterie wykazała obecność w nim innej obok tryptofanu substancji, która była toksyczna. Po latach preparaty z tryptofanem są dostępne bez recepty, jednak nie we wszystkich krajach. Należy zachować dużą ostrożność w suplementacji tryptofanem, ponieważ nadal zdarzają się przypadki patologiczne przy nadmiernej podaży tej substancji w diecie osób mających określone uwarunkowania genetyczne (rok 2011; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3848710/). Wykazano także, że zjedzenie nadmiernej ilości orzechów nerkowca może spowodować zaburzenie funkcjonowania mięśni (https://en.wikipedia.org/wiki/Eosinophilia%E2%80%93myalgia_syndrome). Za bardziej bezpieczny składnik suplementu diety uważa się syntetyzowany także w naszym organizmie z tryptofanu 5-hydroksy tryptofan. Jest on bezpośrednim substratem do zachodzącej u nas syntezy serotoniny (5-hydroksytryptaminy, amina biogenna, neuroprzekaźnik, hormon tkankowy) (https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2003.12.070). 

Dodam jeszcze, że kwasu 5-hydroksy-indolooctowy (HIIA) – katabolitu tryptofanu – jest dużo w bananach i pomidorach. W celach diagnostycznych oznacza się go w moczu podejrzanych o raka nadnerczy.

Arginina – mocznik, tlenek azotu i wiele innych

Pisałam już o argininie przy okazji przemian azotowych (zapraszam: „Obojętny składnik atmosfery…” i  „Starzenie a na co…” – ostrzegałam przed nadmierną suplementacją).

Teraz dodam, że może ona powstać w cyklu wątrobowym, w którym generowany jest mocznik. Piszę  generowanym, ponieważ jest to cykl prowadzący do powstania mocznika (zbędnego produktu katabolizmu grup aminowych, też tych z aminokwasów) kosztem dużego nakładu energii, a mianowicie na jedną cząsteczkę mocznika (dwie grupy aminowe) zużywane jest aż cztery ATP. Nie jest to prosty katabolizm z wytworzeniem energii, tylko kosztowne oczyszczanie. Na poniższym schemacie przedstawiam cykl mocznikowy.

W wątrobie zachodzi tak zwana „detoksykacja amoniaku”. Jon amonowy jest odłączany podczas degradacji od aminokwasów i zasad azotowych (puryn i pirymidyn z kwasów nukleinowych i różnych koenzymów). Pochodzi także z przemian flory bakteryjnej i żywności. Wszystkie te jony dostają się specjalnymi drogami z krwią do komórek wątroby i tu są użyte do wytworzenia argininy. Cykl mocznikowy w komórce jest rozłożony między mitochondria i cytoplazmę. Jak to cykl, może przyjmować różne związki do przemiany w miarę ich pojawiania się czy dostępności. Drugi jon amonowy znajdujący się na koniec w moczniku pochodzi bezpośrednio z asparaginianu, na który przekazywany jest z innych związków. Z cyklu mocznikowego może odchodzić arginina, a także ornityna jeśli jest na nie zapotrzebowanie komórki w innych obszarach metabolicznych. E1 – E5 to różne specyficzne dla danej reakcji enzymy. Każdy z nich może być dotknięty wadą metaboliczną (zapraszam dalej) i wtedy będzie się kumulował w nadmiarze substrat reakcji i szkodził zdrowiu.

Tak urozmaicone są szlaki metaboliczne, że przypomnę: z argininy może powstać tlenek azotu i cytrulina (zapraszam: „Starzenie a na co…”), a w cyklu mocznikowym pośrednio z cytruliny powstaje arginina. Dawno temu wykrywano cytrulinę poza wątrobą i przypuszczano, że w innych tkankach zachodzi cykl mocznikowy, a tu okazało się, że to generowanie tlenku azotu i cytrulina (przypominam też może powstać z glutaminianu).

Trupi jad – co ma wspólnego z argininą?

Z argininy powstaje aminokwas ornityna, a z niej amina biogenna putrescyna. Nazwa tej substancji pochodzi z łacin (Putrę, dop. putris „zgniły, cuchnący”). Powstaje ona też w wyniku rozpadu białek, np. gnicia przy udziale bakterii beztlenowych. Odpowiada za nieprzyjemny zapach rozkładającej się materii organicznej (mięsa, tkanek, zwłok) oraz za nieświeży oddech  (http://www.phmd.pl/api/files/view/29522.pdf); ^{https://pl.wikipedia.org/wiki/Putrescyna – cite_note-Legrum-4}).Podobnie amina kadaweryna powstaje z lizyny (diamina, NH₂(CH₂)₅NH₂ ), podobnie także jest produktem metabolizmu bakterii (https://en.wikipedia.org/wiki/Cadaverine). Te obie aminy powodują nieprzyjemny zapach moczu i spermy.  

 Z kolei z putrescyny i przy udziale koenzymu z metioniną (SAM – S adenozylo metioniny) powstaje spermina i spermidyna – polimery biorące udział w metabolizmie RNA, DNA i wielu enzymów. Proponuje się spermidynę w postaci suplementu. Oczywiście ma nam pomóc, ponieważ – jak głosi reklama – „pozwala na regenerację komórek mózgowych i zapobiega demencji oraz chorobie Alzheimera”. Jej wysoką zawartość znaleźć możemy m.in. w parmezanie, serze cheddar, czerwonym winie, kalafiorze, owocach cytrusowych, fermentowanej fasoli czy groszku. Ciekawe tylko, czy jesteśmy w stanie ją „wyekstrahować” z tej żywności, wchłonąć i przetransportować do mózgu.

Historycznie rzecz ujmując to nazwa sperminy i spermidyny pochodzi od spermy, ponieważ wchodzi w jej skład i razem z kadaweryną i putrescyną nadaje jej charakterystyczny smak i zapach, natomiast  fizjologicznym zadaniem tych pochodnych aminokwasów jest ochrona DNA plemników przed kwaśnym środowiskiem pochwy, które mogłoby spowodować ich uszkodzenie. Z pewnością wiąże się to z witalnością, ale nie z regeneracją mózgu.

Alergia

Amina biogenna powstająca z histydyny, czyli histamina, bierze udział w reakcjach alergicznych. Podanie glikokortykosteroidu, leku antyhistaminowego, w porę hamuje dekarboksylację histydyny i ta amina nie powstanie. W reakcjach alergicznych histamina jest też wspomagana przez serotoninę (z tryptofanu; w tej sytuacji hormon tkankowy, nie neuroprzekaźnik)

Enzymy, hormony i inne regulatory

Enzymy są białkami (polimerami aminokwasów), a ich centra aktywne są kształtowane przez określone reszty aminokwasowe: te, które stronią od wody (hydrofobowe) i te, wodolubne (hydrofilowe). Reszty cysteiny obecne w tych centrach poprzez obecność w nich grup surfhydrylowych (-SH) mają możliwość uczestniczenia w utlenianiu i redukcji.                                                                               

Mamy hormony białkowe, glikoproteinowe, peptydowe, hormony tkankowe (pochodne aminokwasów – aminy biogenne). Wiele regulatorów metabolizmu ogólnoustrojowego, tkankowego i komórkowego zawiera aminokwasy, czasem tylko dwa (dipeptydy anseryna i karnozyna) lub trzy (glutation, GCSH).  

Z asparaginianu w wyniku dekarboksylacji (odłączenie grupy karboksylowej przy pierwszym węglu) powstaje b-alanina (amina i aminokwas) (zapraszam dalej „D-aminokwas”). Z kolei z treoniny powstaje składnik witaminy B₁₂, z glutaminianu kwas g-aminomasłowy (jest aminą i aminokwasem), będący neurotransmiterem (z ang. gamma amino butyric acide – GABA). Z tryptofanu nasz organizm syntetyzuje trochę witaminy B₃ (ale za mało jest dla nas tej substancji i ciągle pozostaje witaminą), serotoninę (neuroprzekaźnik i hormon tkankowy). Tryptofan, z którego powstaje 5-hydroksytryptofan, a z niego 5-hdroksytryptamina (serotoninę) i z kolei ten związek potrzebny jest do syntezy hormonu melatoniny (N-acetylo-5-metoksytryptamina). Aminokwasy egzogenne służą do syntezy aminokwasów endogennych. Z egzogennej fenyloalaniny powstaje tyrozyna, a z niej noradrenalina, adrenalina i hormon tkankowy tyramina. Tyrozyna potrzebna jest do syntezy tyreoglobuliny w tarczycy, z której następnie powstaje T₃ i T₄ (tyroksyna i trójjodotyronina). Z metioniny może powstać cysteina, ale i homocysteina (zapraszam dalej). Metionina wchodzi w skład koenzymu SAM (S-adenozylometioniny), a enzymy z nim dostarczają grupy metylowe (-CH₃). Aminokwasy i ich pochodne pełnią wiele życiowych funkcji, a do ich syntezy są potrzebne inne aminokwasy i to często egzogenne. Z glutaminanu, cysteiny i glicyny powstaje glutation (GSH – peptyd zaangażowany w utlenianie i redukcję w komórce).

Diagnostyka z przemian aminokwasów 

Dla większości aminokwasów są u nas enzymy odbierające jednym grupę aminową, a tworzące drugie aminokwasy aminotransferazy (nie ma dla lizyny). W celu zdiagnozowania stanu naszej wątroby oznacza się aktywność aminotransferazy alaniny (ALT) i asparaginianu (AST). Markerem wątrobowym jest też GGTP (g-glutamylotranspeptydaza), enzym zaangażowany w transport aminokwasów do komórki.

Przydatny D-aminokwas

Przypominam, że naszymi naturalnymi aminokwasami są izomery – L-aminokwasy. Jednak dużą karierę wśród suplementów diety robi D-kwas asparaginowy (z ang D aspartic acid – DAA). Informuje się w reklamach, że przyczynia się do wzrostu masy mięśniowej, promuje budowanie siły i wytrzymałości mięśni. W sportach sylwetkowych przekładać się to będzie na zmianę kompozycji ciała, wspomagając w utracie zbędnej tkanki tłuszczowej, a uwidocznieniu mięśni. Jako suplement diety występuje w postaci monopreparatu lub składnik boosterów (z ang. booster- wzmacniacz) testosteronu. Aktualne badania naukowe nie w pełni to potwierdzają, ponieważ zastosowanie kwasu D-asparaginowego może być potencjalnie zasadne u osób borykających się z niskim poziomem testosteronu. Do obniżenia produkcji androgenów u mężczyzn dochodzić może w wyniku niehigienicznego trybu życia (zła dieta, niedobór snu), w efekcie stosowania steroidów anaboliczno-androgennych, jak i w przypadku realizowania założeń strategii żywieniowo-treningowych ukierunkowanych na uzyskanie niskiego poziomu zatłuszczenia ciała. W każdej z tych sytuacji jednak DAA stanowi jedynie dodatek, a nie bazę, na której opiera się postępowanie zaradcze (https://szkoleniacss.com/daa-podnosi-czy-obniza-poziom-testosteronu/).    

W pracach z ostatnich lat wykazano, że D-asparaginian ma znaczenie w naszym układzie nerwowym i nawet może odegrać rolę w leczeniu schizofrenii (Frontiers i Psychiatry 9, 559, 2018). 

Dobry smak, czy ból głowy?

W 1994 roku przykre objawy po zjedzeniu dań w chińskich restauracja nazwano „zespołem chińskiej restauracji” (chinese restaurant syndrome), a winą za tę dolegliwość obarczono glutaminian (kwas glutaminowy; E 620), a dokładnie sól sodową kwasu glutaminowego – glutaminian sodu (z ang. – monosodium glutamate – MSG – E621). Ból głowy występuje w ciągu godziny po spożyciu dania i jest połączony z co najmniej dwoma objawami alergicznymi. Okazało się w wyniku badań, że zespół chińskiej restauracji to rodzaj alergii pokarmowej, której objawy pojawiają się po zjedzeniu tzw. chińszczyzny nie samego MSG. Danie „bez glutaminianu sodu” to chwyt reklamowy, dla mnie podobny, jak „olej bezcholesterolowy”, czy „ryż bezglutenowy”. Kwas glutaminowy w środowisku wodnym naszego organizmu występuje, jak wszystkie kwasy w postaci zjonizowanej, a więc „glutaminian” i jest aminokwasem endogennym. Wchodzi w skład białek (z niego powstają reszt Gla – zapraszam „Co dalej z tym białkiem…”), peptydów w tym GSH (g-glutamylpcysteiliglicyna). Bierze udział w detoksykacji jonu amonowego, „dowożąc” go do cyklu mocznikowego. Jest neuroprzekaźnikiem, substratem energetycznym, aminokwasem glukogennym, substratem do syntezy glutaminy, ornityny, proliny, argininy, N-acetyloglutaminianu (regulatora cyklu mocznikowego), elementem cyklu g-glutamylowego (transport aminokwasów przez błony do komórki).

W dodatku glutaminian ma dla nas specyficzny smak. Na początku XX wieku profesor Kikunae Ikeda z Tokyo Imperiał University zastanawiał się, jaka substancja łączy w sobie smak szparagów, pomidorów, sera i mięsa, ale nie jest jednym z dobrze znanych smaków słodkim, kwaśnym, gorzkim ani słonym. W Japonii takie przecudne smaki miała tradycyjna zupa z rośliny morskiej – algi kombu (Laminaria digitata). Ikeda zbadał tę zupę i otrzymał ze 100 g suszonego wodorostu 1 g MGS. Nazwał ten smak „umami„ – smakowity ( J. Neurosci. 16, 3817-3826, 1996; Annals NY Acad Sci 855, 393-397 1998).     

Minęło blisko 100 lat i dopiero w 2000 r opisano receptor dla Glu (mGluR4) znajdujący się w naszych kubkach smakowych przekazujący smak „smakowity” (umami) do ośrodkowego układu nerwowego.  

Jak przed laty opowiadał o tym receptorze w „Polityce” (2005) profesor Przemysław Bieńkowski, bardzo wysokie stężenie glutaminianu jest w kobiecym mleku– „umami” – „jak u mamy”. Okazuje się, że glutaminian w komórkach nabłonkowych jelita jest wykorzystywany w 96% na ich metabolizm, a dopiero powstała z niego cytrulina (aminokwas niebiałkowy, także powstający w uwalnianiu tlenku azotu z argininy i metabolit cyklu mocznikowego) trafia do krwiobiegu. Jak wiadomo cytrulina nie wywołuje „zespołu chińskich restauracji”.
E621 dodany do wielu potraw poprawia ich smak (główny składnik sosu sojowego, przyprawy „maggi”).
Dodany do dań podnosi ich smakowitość. W zachodniej diecie najwięcej MG jest w parmezanie, kawiorze, truflach. Trufle z białą czekoladą, podobnie jak kawior, są przesmakowite. W kuchni azjatyckiej obok wywaru z alg Kombu do przygotowania sosu nazywanego „bombą MGS” dodaje się płatki suszonego tuńczyka (z ang. bonito flackes), jeżowca i mątwę.

Częstowałam studentów MGS kupionym w sklepie z azjatycką żywnością. Po jednym kryształku tej soli „smakowity” smak utrzymywał się bardzo długo.

Detoksykacja – „upłynnianie”

Do naszego organizmu różnymi drogami dostają się obce ciału substancje – ksenobiotyki. Musimy sobie z nimi poradzić i przetworzyć je tak, aby rozpuszczone w wodzie opuściły nas z moczem. W wątrobie – naszej wielkiej oczyszczalni – znajdują się mechanizmy przetwarzające zbędne dla nas substancje egzogenne i te, które powstały u nas, ale powinny być wydalone. Wiele z nich jest źle rozpuszczalnych w wodzie. W wątrobie na drodze zwiększenia ich rozpuszczalności znajdują się specjalne układy enzymatyczne hydroksylujące (I Faza) i system sprzęgania (II Faza) właśnie z aminokwasami: glicyną, tauryną, glutaminą, ornityną, argininą oraz glutationem (tripeptydem). Nowo powstałe związki są rozpuszczalne w wodzie i dzięki temu wydalamy je z moczem.

Kreatynina wskaźnik diagnostyczny – o co chodzi?

Zanim kreatynina, nietypowy aminokwas niebiałkowy, zagości w mięśniach, jej synteza z argininy i glicycny rozpoczyna się w nerce (to nie ten związek jest potem w moczu; na razie jest półprodukt – związek pośredni). Następnie produkt pośredni ulega przemianie w wątrobie i tu potrzebny jest koenzym z metioniną. Ostatecznie w mięśniach powstaje substancja kumulująca energię dla ich pracy, a mianowicie fosfokreatyna – fosfagen. Reakcja fosforylacji kreatyny jest katalizowana przez kinazę kreatynową. Aktywność tego enzymu jest markerem uszkodzenia mięśni. Występują izomery tej kinazy charakterystyczne dla różnych tkanek mięśniowych. Kiedyś aktywność kinazy kreatynowej z mięśnia serca była markerem zawału. Obecnie oznaczane są bardziej czułe wskaźniki metaboliczne. Jednak nadal oznacza się w celach diagnostycznych aktywność kinazy kreatynowej mięśni szkieletowych. Jest to parametr szczególnie przydatny dla oceny uszkodzenia mięśni szkieletowych z powodu przyjmowania statyn (leków antycholesterolowych; zapraszam do artykułów „Polub swój cholesterol”). Fosfokreatyna nieenzymatycznie po oddaniu energii przekształca się w kreatyninę i to jest substancja lądująca w moczu i oznaczanie stężenia właśnie tego związku jest wykorzystane w diagnostyce nerek.  

Klirens karnityny – przesączanie kłębuszkowe (estimated glomerular filtration rate – eGFR) to wskaźnik wydolności wydalniczej nerek. Wynik uzyskuje się przez pomiar wydalonej w ciągu pewnego okresu kreatyniny (zwykle doba). Klirens kreatyniny jest to taka objętość moczu, która została oczyszczona z kreatyniny w ciągu minuty:

 Oblicza się według wzoru  C = Q/P [ml/min]

Gdzie: C – klirens kreatyniny [zwykle w ml/min], Q – ilość wydalonej kreatyniny w jednostce czasu (U – stężenie kreatyniny w moczu [mg/ml] x V – wielkość diurezy minutowej [ml/min]), P – stężenie kreatyniny w surowicy (zwykle w mg/dl).

Jak wynika ze wzoru potrzebna jest zbiórka moczu i surowica. Jest to pomiar wiarygodny, ale uciążliwy, zwykle w praktyce klinicznej stosuje się szacunkowy pomiar na podstawie stężenia kreatyniny w surowicy, płci, wieku i masy ciała według wzoru Cockcrofta-Gaulta.  

Klirens kreatyniny u zdrowego, dorosłego człowieka przyjmuje wartości w zakresie 95-160 ml/min. Ma tu znaczenie wiek. Obecnie znacznie częściej do obliczania eGFR stosuje się wzór MDRD, zgodnie z którym wartość tę oblicza się na podstawie stężenia kreatyniny w surowicy, wieku, płci i rasy badanego. U osób zdrowych wartości eGFR są uzależnione od płci, wieku i powierzchni ciała – powinny być większe od 90 ml/min/1,73 m² (120 ml/min/1,73 m² u kobiet i 130 ml/min/1,73 m² u mężczyzn).

Do aminokwasów egzogennych należy lizyna aminokwas białkowy. Z lizyny powstaje L-karnityna (zapraszam dalej). W kolagenie jej reszty są hydroksylowane (hydroksylizyna) i dzięki temu powstają wiązania krzyżowe między łańcuchami w tym białku, powodujące jego trwałość. Z kolei nadmiar tego aminokwasu powoduje zaburzenia neurologiczne. Zawsze należy pamiętać o tym, że zarówno niedobór, jak i nadmiar zaburzają nasz metabolizm i są w konsekwencji szkodliwe. 

Park Jurajski – druga historia kryminalna Do aminokwasów egzogennych należy lizyna aminokwas białkowy. Z lizyny powstaje L-karnityna (zapraszam dalej). W kolagenie jej reszty są hydroksylowane (hydroksylizyna) i dzięki temu powstają wiązania krzyżowe między łańcuchami w tym białku, powodujące jego trwałość. Z kolei nadmiar tego aminokwasu powoduje zaburzenia neurologiczne. Zawsze należy pamiętać o tym, że zarówno niedobór, jak i nadmiar zaburzają nasz metabolizm i są w konsekwencji szkodliwe.

Lizynę możemy zjeść z soczewicą, pestkami dyni, pistacjami, quinoa, seitanem (specjalnie wypłukana w wodzie mąka, ale lizyna się nie wypłucze, ponieważ jest związana w białkach, jej reszty i dopiero nasze enzymy trawienne ją uwolnią na nasz pożytek), czarnej fasoli, szpinaku.

 W 1993 roku wyprodukowano film „Park Jurajski” (reżyser Stephen Spielberg) oparty na powieści M. Crichtona (1990 rok) (https://en.wikipedia.org/wiki/Lysine). Dinozaury były genetycznie uszkodzone, tak że ich organizm nie syntetyzował lizyny. Zawsze musiała być podawana w pokarmie lub w wodzie. Przypominam rzeczywistość, że dla nas lizyna jest aminokwasem egzogennym i podobnie – jak dinozaury – musimy ją pobrać z zewnątrz (zapraszam do tabeli wyżej). Nie traktujemy tego jako upośledzenia. Po prostu tacy wszyscy jesteśmy. Z dinozaurami chodziło o to, aby nie mogły żyć tam, gdzie im się nie dostarczy lizyny. Ciekawe gdzie dla nas są takie ograniczenia? Pamiętamy, że hodowla dinozaurów w parku nie powiodła się. Ale, jak zareagowało na to społeczeństwo? Czy „wystąpienie” lizyny w filmie miało znaczenie marketingowe? Nie wiadomo, ale już wkrótce po filmie w 1996 roku (dla przemysłu trzy lata to niedługo) lizyna osiągnęła najwyższą z oczekiwanych cen rynkowych w USA.  

Lizyna była i jest dodawana w dużych ilościach do paszy zwierząt hodowlanych (świnie, kurczaki) podczas produkcji mięsa dla ludzi, aby im ostatecznie też dostarczyć ten egzogenny aminokwas. Dla tych celów na skalę przemysłową lizyna produkowana jest w nowoczesnym procesie z wykorzystaniem mikroorganizmów.

W 1996 roku sztucznie podniesiono cenę lizyny dodawanej do paszy. Była to największa zmowa cenowa w historii USA. Gdy wyszło to na jaw, Firma Archer Daniels Midland musiała zapłacić 100 milionów dolarów grzywny, a trzech z jej dyrektorów wykonawczych zostało skazanych na karę więzienia. Innymi skazanymi w tej sprawie były też dwie firmy z Japonii (Ajinomoto, Kyowa Hakko) i jedna z Południowej Korei (Sewon). Tajne nagrania video ukazujące skazanych w trakcie ustawiania cen dostępne są online lub po skontaktowaniu się z antymonopolowym wydziałem Amerykańskiego Departamentu Sprawiedliwości. Sprawa ta została opisana w powieści non-facto przez Kurta Eichenwalda Intrygant („The Informant!”), a w 2009 roku według niej powstał film pod tym samym tytułem wyreżyserowany przez Stevena Soderbergha.

L-karnityna

Szeroko rozpowszechniona w reklamach suplementów diety „spalających tłuszcz” jest karnityna. Oczywiście u człowieka może działać tylko izomer L- karnityna (przypominam, że nam potrzebny jest tylko izomer L) została wyizolowana na początku 20 wieku z mięśni, stąd jej nazwa od łacińskiego słowa carnis (mięso).      

W możliwość syntezy karnityny wyposażona jest wątroba, nerka i mózg. Do pozostałych narządów karnityna dostarczana jest z krwią. Do wnętrza komórek karnityna trafia za pomocą transportu aktywnego. Jak opisuję poniżej synteza karnityny wymaga dobrej diety (Biochemical Journal 361(Pt 3):417-29 2002, Synteza i metabolizm  International Union of Biochemistry and Molecular Biology Life 62(5):357-62  2010).      

Reszta lizyny w białkach ulega przekształceniu przy udziale odpowiednich enzymów poprzez metylację trzema grupami -CH₃ grupy e-aminowej. Reszty metylowe pochodzą z metioniny (SAM –  S adenozylometionina, zapraszam dalej). Nie jest to takie bezpośrednie i należy zwrócić uwagę na to, że zarówno lizyna, jak i metionina to aminokwasy egzogenne. Po to, aby je mieć w naszych białkach, musimy pobrać z pokarmem białka z lizyną i metioniną. Potem białka są trawione (zapraszam „Co dalej z białkiem…”), a aminokwasy wchłaniane, transportowane do komórek i wbudowywane w nasze białka. Metionina wchodzi w skład koenzymu (nukleotydu – S-adenozylometioniny), będącego dawcą grup metylowych w różnych reakcjach. W procesie obróbki potranslacyjnej białka mogą też być metylowane. Metylowana jest reszta lizyny z wytworzeniem reszt trimetylolizynowych (TML). Potem białka ulegają hydrolizie w lizosomach (zapraszam „Co dalej z białkiem…”) i uwalniane jest TML. Ten związek staje się substratem do syntezy karnityny. Do jego przetworzenia potrzebne są cztery enzymy oraz jony żelaza, witamina C, witamina B₃ (jak widomo pochodzące z diety). Jeszcze do tego potrzebny jest endogenny alfa-ketoglutaran (może pochodzić z katabolizmu aminokwasów), a uwalniana jest glicyna. Organizm musi się napracować. Prościej i „taniej” dla nas jest pobrać karnitynę z diety.    Dzienne zapotrzebowanie organizmu zdrowej, dorosłej osoby na karnitynę wynosi średnio 15 mg i jest pokrywane przez endogenną syntezę oraz dietę. Organizm dorosłego człowieka o masie 70 kg jest w stanie zsyntetyzować 11–34 mg karnityny dziennie (160–480 µg/kg masy ciała). Ilość karnityny dostarczana codziennie z dietą wynosi średnio 20–200 mg. Przy diecie z dużą zawartością wołowiny może ona dochodzić do 300 mg/dziennie. W przypadku wegetarian ilość ta jest dużo mniejsza i stanowi mniej niż 1 mg/dzień. Przy prawidłowej diecie 75% dziennego zapotrzebowania na L-karnitynę pokrywa dieta, pozostałe 25% powstaje w wyniku endogennej syntezy.   

                                   

U wegan i niektórych wegetarian ilość karnityny w pożywieniu jest dużo mniejsza i wynosi ok. 1 mg/dzień i oczywiste jest, że ich dieta musi zawierać odpowiednią ilość lizyny i metioniny, z których właśnie zsyntetyzują sobie karnitynę. U tych osób, z powodu małych jej ilości w diecie, aż do 90% karnityny może pochodzi z jej biosyntezy w organizmie.

Karnityna nie podlega katabolizmowi i po użyciu w naszych komórkach ulega wydaleniu z moczem. U osób zdrowych biosynteza i codzienna dieta zaspokaja potrzeby organizmu.  

Na poniższym schemacie pokazuję podstawową funkcję karnityny, a mianowicie udział w transporcie kwasów tłuszczowych do mitochondriów, gdzie ulegają katabolizmowi.

Kwasy tłuszczowe ogólnie nazywane są „acylami” (z ang. acyl group). Kwas tłuszczowy na terenie cytoplazmy jest enzymatycznie łączony z koenzymem i powstaje acyloCoA, a następnie jest przenoszony właśnie na karnitynę. Potem enzymy znajdujące się w błonie mitochondrialnej stanowiące tak zwane „wahadło karnitynowe” przenoszą ostatecznie acyl na koenzym A mitochondrialny (acyloCoA). Tak zaktywowany kwas tłuszczowy – acyl jest wkręcany w szlak kataboliczny nazywany „b-oksydacja”. Nazywa się beta utlenianie, ponieważ w acylach cięcie następuje po drugim węglu (a, b), a jednostki dwuwęglowe połączone z koenzymem cetaylo-CoA (reszty kwasu octowego – CoA) ulegają dalszemu katabolizmowi w mitochondriach. W samej b-oksydacji powstają też przenośniki energii oddające ją w wyniku dalszych przemian z wytworzeniem ATP (uniwersalny dawca energii).     

Karnityna spełnia również inne funkcje ( https://phmd.pl/api/files/view/26227.pdf). Przenosi produkty b-oksydacji z peroksysomów do mitochondriów, gdzie skrócony kwas tłuszczowy ulega dalszej b-oksydacji. Pełni rolę antyoksydanta, zapobiegając kumulacji końcowych produktów peroksydacji lipidów. Działa chelatująco, przyczyniając się do zmniejszenia stężenia żelaza w cytoplazmie komórek. Wpływa na stabilizację błon komórkowych (głównie erytrocytów). Jest lekiem, który wykorzystuje się do leczenia: wrodzonych niedoborów karnityny, chorób układu krążenia, mięśni szkieletowych, nerek, wątroby, a także neurodegeneracyjnych chorób ośrodkowego układu nerwowego. Nałogowe spożywanie alkoholu prowadzi do funkcjonalnego niedoboru karnityny, co powoduje zahamowanie działania karnityny, mimo jej dostępności w diecie.

Sportowcy wyczynowi (np. chodziarze) mają zwiększone zapotrzebowanie na karnitynę, która optymalizuje procesy energetyczne i przyspiesza okres regeneracji po wysiłku. Ma to swoje uzasadnienie, ponieważ w sportach wytrzymałościowych chodzi o zwiększenie wytrzymałości siłowej i tlenowej u sportowców w oparciu o wykorzystanie bardziej energetycznych związków – tłuszczów, a zachowaniu w mięśniach zasobów węglowodanów (glikogen jest magazynowany). Na podstawie tych danych wydaje się, że korzyści z suplementacji karnityną mogliby odnieść również zawodnicy z obniżonym poziomem mięśniowej karnityny. Opracowywane są diety dla sportowców uwzględniające również suplementację karnityną. Ich celem jest nasilenie w organizmie takich przemian energetycznych, które pozwolą na wydłużenie czasu treningu i zwiększenie intensywności wysiłku fizycznego. Jednak kwestia suplementacji karnityną jako sposobu zwiększania zdolności do wysiłku sportowców jest w dalszym ciągu dyskusyjna i wymaga intensywnych badań doświadczalnych i obserwacji klinicznych.  

Stosowanie karnityny przede wszystkim zapobiega jej niedoborom i zapewnia wyrównanie jej niedoborów związanych z nadmiernym zużyciem w przemianach biochemicznych. Stosowana jest z powodzeniem w chorobach mięśnia sercowego (Postepy Hig Med Dosw. (online), 2005; 59: 9-19).

Siarka

Do aminokwasów zawierających siarkę należy metionina (egzogenna) oraz powstająca z niej cysteina i homocysteina (obie wtedy już endogenne). Cysteina i metionina są aminokwasami białkowymi, a homocysteina nie.   

Metionina, jak już wspomniałam, wchodzi w skład koenzymu metylującego (oddaje grupę  -CH₃) – S-adenozylometioniny, zapoczątkowuje każdą translację (biosynteza białka). Z niej pochodzi też grupa metylowa w metylotetrahydrofolianie – istotnym koenzymie (pochodna kwasu foliowego) dla metabolizmu całego organizmu.

Reszta cysteiny występuje w układach utleniających i redukujących ze względu na możliwość obecnej w jej cząsteczce grupie sulhydrylowej (-SH) może redukować lub utleniać (-SS-). Przykładem takiej struktury jest glutation (g-glutamylocysteiloglicyna). 

Podwyższone stężenie homocysteiny w osoczu krwi (hiperhomocysteinemię) uznano za niezależny czynnik ryzyka rozwoju: chorób sercowo-naczyniowych (zakrzepicy żylnej, niedokrwienia mięśnia sercowego oraz udaru mózgu), chorób neurodegeneracyjnych (m.in. choroby Alzheimera oraz Parkinsona), wad rozwojowych płodu spowodowanych uszkodzeniem cewy nerwowej, zagrożenia poronieniem oraz nowotworów (szczególnie raka jelita grubego, Niezależny czynnik ryzyka rozwoju m.in.: miażdżycy, zawału serca, udaru mózgu, zmian zakrzepowych (https://neolifeclinic.com/blog/is-homocysteine-the-new-cardiovascular-risk-factor-of-the-century/?lang=en). Pokazuję to na poniższej ilustracji:                                                                

Do wzrostu stężenia homocysteiny prowadzą: czynniki genetyczne, palenie tytoniu, przewlekłe nadużywanie alkoholu, nadmierne spożycie kawy, niektóre leki, niedobór witamin (nieprawidłowa dieta) B₆, B₁₂, kwasu foliowego. Właściwie stężenie cysteiny może być markerem niedoboru tych witamin.   

Niestety, suplementacja witaminowa nie przynosi efektów u osób po zawale mięśnia sercowego. Szacuje się, że co dziesiąty mieszkaniec Europy ma zbyt wysokie stężenie homocysteiny w osoczu krwi, co wiąże się przede wszystkim ze zwiększonym ryzykiem występowania chorób układu krążenia, takich jak zawał mięśnia sercowego udar niedokrwienny mózgu.   

U kobiet ciężarnych hiperhomocysteinemia dodatkowo stanowi czynnik ryzyka powstawania nadciśnienia oraz wad rozwoju płodu.                                                                                    

Podwyższony poziom homocysteiny występuje u pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek, niedoczynnością tarczycy, różnymi typami nowotworów, niedokrwistością złośliwą, schorzeniami wątroby, ale również u osób wykazujących niedobory żywieniowe, szczególnie kwasu foliowego.                              

Obniżenie stężenia homocysteiny w osoczu krwi o 25%, może spowodować spadek ryzyka choroby niedokrwiennej serca o 11%, udaru mózgu o 19% oraz znacznie obniżyć częstość występowania wad rozwojowych płodu.  

 Mamy do dyspozycji jeszcze coś z cysteuną -ACC – lek, w którym substancją czynną jest acetylocysteina. Jest to pochodna aminokwasu cysteiny. Acetylocysteina zwiększa wydzielanie śluzu w drogach oddechowych, zmniejsza jego lepkość i powoduje upłynnienie zalęgającej wydzieliny oraz ułatwia jej transport (poprawia czynność nabłonka oddechowego). W ten sposób wspomaga oczyszczanie dróg oddechowych, ułatwia odkrztuszanie, nie zaburza naturalnego odruchu kaszlowego. Acetylocysteina stosowana jest także jako odtrutka w przypadku zatrucia paracetamolem.

„Red Bull”                                                                                                  

Kwas 2-aminoetanosulfonowy to tauryna – nasz aminokwas endogenny, niebiałkowy. W przeciwieństwie do innych aminokwasów nie ma kwasowej grupy karboksylowej, lecz grupę sulfonową. Tauryna jest β-aminokwasem (grupa aminowa i sulfonowa są rozdzielone 2 atomami węgla). Nie zawiera atomów asymetrycznych, nie wykazuje więc aktywności optycznej (nie jest ani L ani D). Synteza tauryny z cysteiny w naszym organizmie jest procesem angażującym kilka enzymów (Postepy Hig Med Dosw. (online), 2008; 62; 75-86);  

Taurynę wyizolowano pierwszy raz na początku XIX wieku z żółci byka i jej nazwa pochodzi od łacińskiej nazwy gatunkowej tego zwierzęcia – Bos taurus taurus. Zainteresowanie tauryną wzrosło we wczesnych latach siedemdziesiątych XX wieku, gdy stwierdzono degenerację siatkówki u kociąt z niedoborem tego aminokwasu w diecie (dla kotów tauryna jest egzogenna). Obecnie tauryna jest obiektem intensywnych badań. Odkrywane są coraz to nowe funkcje, jakie pełni ona w rozwoju i fizjologii, oraz potencjalne korzyści z zastosowania tauryny w terapii. 

Nazwa napoju energetyzującego „red bull” pochodzi podobno od tauryny, której zawiera aż 0,4 %. W Tajlandii, gdzie powstał, napój nazywał się on „Czerwony bizon”, a na rynku europejskim „Czerwony byk” (w Polsce od 1995 roku). Są kraje, w których jego sprzedaż jest ograniczona tylko do aptek, a to ze względu właśnie na wysoką zawartość tauryny, ale nie tylko, bo także kofeiny. Zwracam uwagę na fakt, że tauryna daje przede wszystkim dużą moc finansową producentowi „Red Bulla”, który sponsoruje wielu sportowców.  

Tauryna jest znaczącym aminokwasem w tkance nerwowej, leukocytach, mięśniach i w siatkówce oka, gdzie wykrywa się jej szczególnie dużo, bo aż 50% wszystkich znajdujących się tam aminokwasów, przy czym rozmieszczenie nie jest równomierne w jej strukturze. Bogata w taurynę jest zewnętrzna warstwa siatkówki, w której znajdują się komórki fotoreceptorowe, a także warstwa komórek Müllera i komórek dwubiegunowych. Najważniejszymi funkcjami tauryny są ochrona przed stresem oksydacyjnym wywołanym promieniami świetlnymi, zapobieganie peroksydacji lipidów i uszkodzeniom DNA oraz wpływ na różnicowania się komórek siatkówki w czasie rozwoju fotoreceptorów. Tauryna bierze udział w organizacji i funkcjonowaniu zdrowej oraz regenerującej się siatkówki. Wielkość spadku stężenia tauryny po uszkodzeniu świetlnym fotoreceptorów koreluje ze stopniem degeneracji siatkówki. Udowodniono, że tauryna przyspiesza odbudowywanie się siatkówki po uszkodzeniu nerwu wzrokowego, a nawet, jak się wydaje, jej obecność w odpowiednim stężeniu determinuje prawidłową regenerację tkanki.

Tauryna pełni w organizmie funkcję osmolitu regulując objętość komórki, w związku z czym zmiany uwodnienia komórki wpływają zarówno na tempo syntezy jak i determinują kierunek transportu tego aminokwasu. Odgrywa rolę w modulowaniu stężenie wewnątrzkomórkowego jonów wapnia i tak, jak już wspomniałam, bierze udział w II Fazie detoksykacji w wątrobie. Tauryna pomaga transportować kreatynę do mięśni, co powoduje jej efektywniejsze wykorzystanie, a także przyśpiesza regenerację mięśni po wysiłku. W miarę wysiłku organizm przestaje wytwarzać wymagane ilości tauryny i następuje jej niedobór.

U nas wchłanianie tauryny z przewodu pokarmowego jest powolne i dlatego, jeśli istnieje potrzeba suplementacji, to stosowane dawki powinny wynosić powyżej 3 g na dzień (w jednym „Red Bullu” jest 1 g). W celu zwiększenia przenikalności przez błony komórkowe próbuje się syntetyzować kompleksy tauryny o właściwościach lipofilnych uwalniające taurynę dopiero we wnętrzu komórek. Z kałem może być wydalana tauryna wolna, związana w koniugatach z kwasami tłuszczowymi oraz tauryna znajdująca się w komórkach mikroorganizmów. Straty tauryny z kałem zwiększają się przy stosowaniu diety z dużą zawartością białka, szczególnie sojowego, co jest związane ze zwiększonym wydzielaniem cholecystokininy, wzmagającej wytwarzanie i wydzielanie żółci do jelit.  

Znaczenie tauryny w naszym organizmie, a zwłaszcza suplemantacja nią, nie jest do końca wyjaśniona. Dla cierpliwych polecam pracę poglądowa z 2020 roku (Amino Acids volume 52, pages329–360; 2020).

Wada metaboliczna co to jest?

Brak, niewłaściwa budowa lub za mała ilość konkretnego białka w organizmie powoduje wadę metaboliczną.  Często ten problem dotyczy enzymów, które przecież są białkami. Wtedy przemiany nie zachodzą i substancja nieprzetwarzana gromadzi się w toksycznej ilości.

Opisałam bardzo pobieżnie przetwarzanie aminokwasów w naszym organizmie. Na tych drogach metabolicznych, jest określony enzym na ogół z towarzyszącą mu pochodną odpowiedniej witaminy. Znowu na przemiany w naszym organizmie wpływa substancja pochodząca z diety.

Tyrozyna

Endogennym aminokwasem powstającym z fenyloalaniny jest tyrozyna. W fenyloketonurii (wadzie metabolicznej, z ang. Phenylketonuria – PKU) nie ma lub jest za mało aktywności enzymu katalizującego te przemianę. Pojawia się nadmiar fenyloalaniny, a jej metabolizm przechodzi na inne tory, w których powstają toksyczne produkty. Jest to najczęściej występująca wada w przemianie aminokwasów. Średnia częstość jej występowania wynosi około 1 na 15 000 urodzeń, ale pomiędzy różnymi populacjami występują różnice; przykładowo w Irlandii choroba występuje w 1 przypadku na 4500 urodzeń, a wśród ludności Finlandii w mniej niż 1 przypadku na 100 000 urodzeń. Można uniknąć przykrych konsekwencji tej wady, kiedy już matka w ciąży będzie na specjalnej diecie i oczywiście potem dziecko. Trzeba zawsze być czujnym. Czasem niepożądany związek może być ukryty tak, jak fenyloalanina w powszechnie stosowanym słodziku aspartamie (dipeptyd, metyloaspartylofenyloalanina, metyloAspFen). Na produktach spożywczych oznaczany jest kodem E951.

Trzecia historia kryminalna – aminaocyduria metylomalonowa

Okazuje się, że brak wiedzy i rzetelnych możliwości diagnostycznych może spowodować powstanie kryminalnej zagadki opisanej w publikacjach naukowych i stać się scenariuszem do filmu (Science 254 931 (1991); https://en.wikipedia.org/wiki/Patricia_Stallings). Dopiero naukowe śledztwo rozstrzygnęło, czy miało miejsce tajemnicze morderstwo. Jego inicjatorem stał się naukowiec i to w dodatku po obejrzeniu dokumentalnego serialu telewizyjnego (emitowanego w Polsce).                                       Wyjaśnienie opisanej zagadki kryminalnej wymaga szczegółów metabolicznych. Fizjologicznie, jak to jest pokazane na poniższym schemacie.

Metionina, treonina, izoleucyna (aminokwasy egzogenne) ulegają katabolizmowi po odłączeniu grupy aminowej i w wyniku szeregu przemian enzymatycznych przekształcane są w trzywęglowy kwas przyłączony do koenzymu A, czyli propionylo-CoA. Ten związek z kolei jest karboksylowany. Enzym katalizujący tę reakcję zawiera biotynę (witaminę) i zużywa energię z ATP do przedłużenia cząsteczki o jeden węgiel. Powstaje czterowęglowy metylomalonylo -CoA. Do tego też związku jest katabolizowana walina (też aminokwas egzogenny). Następnie metylomalonylo-CoA ulega przekształceniu w bursztynylo-CoA, także czterowęglowy, ale o innym ułożeniu w przestrzeni. Z kolei enzym katalizujący tę reakcję posiłkuje się witaminą B₁₂. Nowo powstały bursztynylo-CoA może ulec katabolizmowi, gdy jest w komórce zapotrzebowanie na energię. Jednak jeżeli komórka ma możliwości energetyczne do prowadzenia syntezy, to właśnie ten czterowęglowy związek stanie się substratem do syntezy porfiryn lub pójdzie w kierunku syntezy glukozy.                                                                              

 Brak aktywności enzymów biorących udział w opisanych przemianach powoduje kumulację kwasu propionowego (3 węgle), kwasu metylomalonowego (4 węgle), hiperglicynemię, kwasicę mleczanową, hiperamonemię i wtórny deficyt karnityny. Znanych jest siedem biochemicznych form kwasicy metylomalonowej. Są to choroby dziedziczone – uwarunkowane genetycznie (autosomalne recesywne), a częstość ich występowania szacuje się na 1 na 100 000 1 do 50 000 osób. Należy dodać, że propionylo – CoA powstaje też w degradacji cholesterolu i nienasyconych kwasów tłuszczowych.                                 W diagnostyce kwasicy mewalonowej wykrywa się podwyższone stężenie glicyny we krwi i w moczu, podwyższone stężenie w moczu kwasu metylomalonowy, a obniżone kwasu 3-hydroksypropionowego, metylocytrynowego i innych metabolitów propionylo-CoA. Ostateczną diagnozę opiera się na określeniu aktywności enzymów w hodowli fibroblastów (komórki tkanki łącznej) i identyfikacji genetycznej (S. Richards, Genet Med. 2015 May;17(5):405-24,     https://warsawgenomics.pl/components/com_warsawgenomics/api/panel-pdf/kwasica-metylomalonowa).

Leczy się kwasicę malonową podając domięśniowo hydroksykobalaminę (witamina B₁₂) i suplementując karnityną (Andersson and Shapira, 1998). 

Prawda może być czasami dziwniejsza niż fikcja. Otóż Patricia Stallings (PS) została skazana na dożywocie za zamordowanie swego niemowlęcia. Jej straszna historia rozpoczęła się latem 1989, kiedy przywiozła swojego 3-miesięcznego syna Ryana do izby przyjęć w Cardinal Glennon Children’s Hospital w St Louis USA. Dziecko miało kłopoty z oddychaniem, wymioty i bóle brzucha. Lekarz toksykolog stwierdził zatrucie. Objawy wskazywały na zatrucie glikolem etylenowym, składnikiem płynu do chłodnicy. Niestety, ten wniosek potwierdzono laboratoryjnie.   

Zatrucie glikolem etylenowym następuje po wypiciu zawierającego go odmrażacza, farby lub płynu chłodzącego (https://pl.wikipwdia.org/wiki/Zatrucia_glikolem_etylowym). Glikol etylenowy jest szybko wchłaniany z przewodu pokarmowego. Średnia dawka śmiertelna glikolu etylenowego to około 70–100 ml.Ulega w organizmie metabolizowaniu przez dehydrogenazę alkoholową. Ten związek chemiczny sam w sobie nie jest toksyczny, ale jego produktami przemiany są: aldehyd glikolowy, kwas glikolowy, kwas glioksalowy, a także kwas szczawiowy. Tu zwracam uwagę, na fakt, że żaden z nich nie powstaje u człowieka. Początkowe objawy zatrucia przypominają upojenie alkoholowe, później dołączają się bóle brzucha, zaburzenie oddechu, które prowadzą do rozwoju ciężkiej kwasicy metabolicznej, a także uszkodzenie nerek, serca i ośrodkowego układu nerwowego. Kończą się śmiercią. Odtrutką w zatruciach glikolem etylenowym jest alkohol etylowy oraz fomepizol. Etanol prowadzi do nasycenia dehydrogenazy alkoholowej, a drugi związek jest jej inhibitorem, przez co blokują metabolizm glikolu etylenowego, ich stosowanie może wystarczyć do wyleczenia chorego, jeśli nie doszło do wystąpienia ciężkiej kwasicy. Wyrównać ją można przez dożylne zastosowanie wodorowęglanu sodu. W przypadku ciężkiego zatrucia stosuje się hemodializę.

Na czas rekonwalescencji dziecko PS umieszczono w rodzinie zastępczej. Rodzice mogli je odwiedzać pod nadzorem. Jednak po wizycie, kiedy synek został na chwilę sam z matką, jego stan drastycznie się pogorszył i wkrótce umarł. Matkę uznano za winną morderstwa pierwszego stopnia i zamknięto w areszcie bez możliwości wyjścia za kaucją.                                                                                     Szczęśliwie poza świadomością PS pojawił się dowód jej niewinności. W lutym 1990 roku urodziła następnego syna David jr. Niezwłocznie został on umieszczony w domu opieki, ale matka mogła go odwiedzać. Po tych odwiedzinach w ciągu dwóch tygodni pojawiły się u noworodka objawy zatrucia takie, jak u Ryana. Po badaniach została u niego wykryta rzadka wada metaboliczna: kwasica metylomalonowa (z ang methylmalonic acidemia – MMA). Upraszczając zasady genetyki to recesywne zaburzenie danej cechy uwarunkowane jest przez gen matki i ojca pół na pół; pochodząca od jednego z rodziców informacja może być dominująca i wtedy ta słabsza (recesywna) nie ujawni się, natomiast gdy spotkają się dwie recesywne, to ujawni się ta „głębiej schowana” właściwość. Nie zawsze jest źle. Na przykład niebieskie oczy są cechą powstałą w wyniku spotkania się dwóch „słabszych” genów.

To recesywne zaburzenie genetyczne w przemianie aminokwasów (MMA) występuje u 1 na 48 tysięcy noworodków i daje objawy identyczne z zatruciem etylenem glikolowym (opisane w 1967 roku). PS, która nigdy nie przyznała się do winy, nie miała możliwości otrucia drugiego syna, ale prokurator stanu Missouri nie uznał nowego odkrycia i sąd nie wziął pod uwagę diagnozy MMA u drugiego syna urodzonego w areszcie.  Ostatecznie w styczniu 1991 roku PS została skazana na dożywocie za otrucie pierwszego synka Ryana. Jej cierpienie nie miało granic.  

I tu zadziałała magia, a właściwie siła mediów. William Sly, szef Zakładu biochemii i biologii molekularnej Uniwersytetu St. Louis podczas oglądania w telewizji programu „Nierozwiązane zagadki” (z ang – „Unsolved Mysteries”) zwrócił uwagę na opisane w nim wydarzenie PS. Zainteresował przebadaniem krwi Ryana, pierwszego syna PS, Jamesa Shoemakera dyrektora laboratorium metabolicznego w Uniwersytecie St Louis (z ang – Metabolic Screening Lab) (J Pediatr, 120(3) 417-21, 1992). Nie wykryto w niej etylenu glikolowego. Potwierdzono, że Ryan cierpiał na MMA. Glikol etylenowy nie jest ludzkim metabolitem nawet w MMA. Obaj naukowcy skontaktowali się z Piero Rinaldo ekspertem od chorób metabolicznych w Yale University School of Medicine, który miał odpowiednio wyposażone laboratorium do wykrycia MMA w próbce krwi nieżyjącego już Rayna. Często przechowuje się długo zamrożone próbki krwi (osocze lub surowicę). Okazało się, że w surowicy Rayana wykryto wysokie stężenie kwasu metylomalonowego. Jak już napisałam, jest to produkt przemian międzyinnymi aminokwasów – izoleuzyny, waliny, treoniny i metioniny. Dziecko z MMA nie ma enzymu przekształcającego dalej powstały z nich metylomalonian w bursztynian. Doprowadza to u niego do toksycznego stężenia ketonów (tak zwanych “ciał ketonowych”). Niestety dwa laboratoria podczas procesu PS pomyliły się, ponieważ ta substancja nie mogła zniknąć, gdyby oczywiście była w surowicy chłopca. Wykryto w niej nieznaną substancję i zakwalifikowano ją jako glikol etylenowy i tylko dlatego, że płyn do chłodnicy (prawdopodobna substancja występująca w krwi chłopca) znajdował się w garażu oskarżonej PS. Nie pomyślano o tym, że może w ogóle nie miała motywu do zarzuconej jej zbrodni. Dzięki interwencji naukowców po blisko dwóch latach więzienia we wrześniu 1991 PS została uniewinniona. Jak wiele musiała wycierpieć PS i w dodatku urodziła drugiego syna z taką samą wadą metaboliczną, jak pierwszy. Próbki Rayana były przebadane przez wiele laboratoriów i niestety mniej więcej połowa nie zdiagnozowała ich poprawnie. Szczęśliwie drugi syn urodzony przez PS w 1990 roku w więzieniu uratował swoją matkę przed dożywociem, a i sam dożył 23 lat mimo tak ciężkiej wady metabolicznej, która była ostatecznie przyczyną jego śmierci.  Jak napisałam, aminokwasy mogą występować w filmach, być bohaterami prawdziwych historii kryminalnych (tryptofan, lizyna, treonina, izoleucyna, metionina i walina) oraz pomagać w zdobywaniu fortuny (tauryna). Warto zawsze być ostrożnym w stosowaniu różnych odżywek oraz suplementów diety. Niestety, nadmiar może być tak samo szkodliwy jak niedobór, a czasami nawet bardziej. Z kolei ocena tego, że mamy za mało aminokwasów egzogennych, musi być zawsze łączona z analizą podaży witamin i innych niezbędnych składników odżywczych dla naszego organizmu dostarczanych z dietą.

Korzystałam także z https://pl.wikipedia.org

Do napisania tego artykułu zainspirowała mnie informacja w mediach dotycząca badań nad nowym lekiem – antidotum na COVID19. W połowie marca 2020 laureat Nagrody Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej prof. Marcin Drąg z Politechniki Wrocławskiej z zespołem rozpracował enzym – proteazę, której działanie może być kluczowe dla walki z koronawirusem SARS-CoV-2 (z wywiadu z profesorem Marcinem Drągiem  https://biotechnologia.pl/biotechnologia/kolejny-przelom-w-badaniach-prof-draga-kluczowy-enzym-sars-cov-2-bardzo-podobny-do-enzymu-sars-cov-1,19706). Od kilku lat pracował nad proteazą PLpro z pierwszego wirusa SARS. To była pierwsza wirusowa proteaza, którą badał w swojej karierze. Dzięki temu wiedział, kto jest ekspertem w tych białkach i z kim nawiązać współpracę. Jak informuje profesor Drąg, jego praca nie polegała na wypreparowaniu białka enzymatycznego, ale na zrozumieniu jego działania. Uruchomił wszystkie kontakty, które miał na świecie, aby dostać ten enzym do badań. I udało się – laboratorium profesora Shauna Olsena z Karoliny Południowej w USA pracowało trzy tygodnie, aby przygotować białko. Enzym przyleciał do Polski w Wielki Piątek.

SARS-CoV-2 tworzy 29 różnych białek, w tym dwie proteazy – SARS-CoV-Mpro oraz SARS-CoV-2-PLpro.  Proteazy są uważane za wprawdzie trudny, ale bardzo dobry cel do poszukiwania leków. Na przykład niektóre leki na HIV, na wirusowe zapalenie wątroby typu C, na cukrzycę typu drugiego, czy leki przeciwnowotworowe nowej generacji. Proteaza SARS-Cov-2-PLpro, którą zbadał prof. Drąg, jest nie tylko niezbędna do replikacji wirusa, ale także blokuje mechanizm obrony organizmu przed tym patogenem. Enzym ten powstrzymuje mechanizmy prowadzące do śmierci zainfekowanej komórki. – Koronawirus wykorzystuje go do oszukiwania ludzkich komórek, a przez to może replikować i tworzyć olbrzymią liczbę swoich kopii. Zablokowanie jego aktywności mogłoby więc, jak się wydaje, wspomóc organizm w walce z wirusem. Wyniki badań profesora Drąga znalazłam w „Activity profiling of SARS-CoV-2-PLpro protease provides structural framework for anti-COVID-19 drug design”  bioRxiv preprint The copyright holder for this preprintthis version posted April 29, 2020.  https://doi.org/10.1101/2020.04.29.068890doi: (which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission). Ta wspaniała wiadomość o sukcesie polskiego naukowca zainspirowała mnie do wyjaśnienia przemianom białek w naszym organizmie, ponieważ, jak mi się wydaje, bez podanej przeze mnie wiedzy trudno byłoby zrozumieć to odkrycie. Na poniższym schemacie pokazuję komórkę zainfekowaną przez COVID19 (https://pl.wikipedia.org/wiki/SARS-CoV-2) (patrz: „COVID19 – poszukiwanie antidotum”).

Zastosowany przez profesora Drąga inhibitor enzymu proteolitycznego zahamował proteolizę białek prowadzącą do powstania w komórce gospodarza białek NSP (z ang. non structural protein – nie strukturalne proteiny/białka) potrzebnych do powielenia COVID19. Enzym będący celem SARS2Lpro jest proteazą cysteinową papainopodobną ( z ang.papain-like protease (PLpro). Odłącza on ubukwitynę (Ub) od białek. W dużo dalszej części wytłumaczę, co to jest i po co jest ubikwityna. W każdym razie jest to (ubikwityna??) białko przyłączone do innego białka i w celu jego odłączenia potrzebny jest enzym proteolityczny (Hydrolaza, patrz: „Działanie bez sił witalnych – enzymy”). SARS-CoVPLpro uszkadza naturalną reakcję immunologiczną człowieka. Z tego też powodu ten enzym  jest ważnym celem molekularnym w walce z infekcją wirusową. W opracowaniu leku istotne jest nie tylko odkrycie inhibitora enzymu komórkowego, ale także opracowanie właściwej drogi podania go człowiekowi. W takiej formie, która dotrze do miejsca docelowego – do wnętrza komórki zakażonej COVID19.

   Papaina (EC 3.4.22.2) to enzym z podklasy proteaz o niskiej specyficzności substratowej (proteoliza zachodzi niezależnie od tego, jakie aminokwasy sąsiadują z wiązaniem peptydowym), otrzymywany z mleczka zielonych owoców i liści melonowca właściwego – papai (od którego łacińskiej nazwy gatunkowej pochodzi nazwa papainy) (https://link.springer.com/article/10.1007/s13337-020-00585-z). Jest to substancja podobna do ludzkiej pepsyny (enzym u nas w żołądku, patrz „Gdy zjemy białko…”). Uczestniczy w degradacji białek. Do osiągnięcia pełni aktywności enzymatycznej papaina musi mieć wolną grupę -SH(stąd ta cysteina w centrum aktywnym enzymu) i lekko kwaśne środowisko. Jest składnikiem sosów nadających kruchość potrawom mięsnym, soli zmiękczającej mięso oraz produktów kosmetycznych (peelingi chemiczne).

Po to, aby zrozumieć białka, należy zorientować się jakim przemianom metabolicznym ulegają one w naszym organizmie.

Z czego biorą się białka

W artykule „Gdy zjemy białko – …” opisałam niszczenie struktur białka, poprzedzając to omówieniem ich wielorzędowej budowy (I, II, III, a nawet IV rzędowej). Z polimerów białek prostych w przewodzie pokarmowym podczas trawienia uwalniane są aminokwasy, a z białek złożonych jeszcze dodatkowo towarzyszące im cząsteczki lub jony. Białka, które trafiły do nas wraz z pokarmem zostały zsyntetyzowane przez inne organizmy zdolne do wytworzenia z aminokwasów pobranych z otoczenia lub osobiście utworzonych z innych substancji. Krótko mówiąc, aby powstało białko muszą być najpierw odpowiednie aminokwasy i muszą one dotrzeć do naszych komórek. W błonach komórkowych znajdują się specjalne transportery (struktury białkowe) dla aminokwasów. Są one wyspecjalizowane w kierunku transportu aminokwasów o określonej budowie chemicznej. Dzięki ogromnemu rozwojowi biologii molekularnej dokładnie jest poznana budowa i funkcjonowanie tych transporterów w różnych obszarach naszego organizmu. Na poniższym schemacie pokazuję transportery znajdujące się w komórce nabłonkowej nerki (Moret C et al. Am J Physiol Renal Physiol 2007;292:F555-F566).

SLC (ang. – SoLute Carrier  – zgodnie z funkcją można to przetłumaczyć – przenośnik rozpuszczonych) są grupą białek transbłonowych dokładnie sklasyfikowanych (rozpracowanych) przez HUGO (z ang Human Genom Organisation – Organizacje Ludzkiego Genomu). Towarzyszące skrótowcowi cyfry i litery precyzują funkcję danego transportera. Z kolei inne skrótowce to: AA⁺ – aminokwasy o charakterze dodatnim (kationowe), AA⁰– aminokwasy neutralne, CssC – cystyna (powstała z dwóch cysteine), PDG – glutaminaza zależna od fosforanu, GDH – dehydrogenaza glutaminianowa, αKG, α-ketoglutaran. Gln – glutamine, Glu – kwas glutaminowy, Cys – cysteina). W transporcie aminokwasów przez błony biorą też udział kationy (Na⁺, K⁺, H⁺).

   Wracam do aminokwasów nazywanych białkowymi, czyli wchodzącymi w skład proteiny. Jest ich dwadzieścia. Wszystkie możemy pozyskać z pokarmu. Część z nich nasz organizm produkuje i te nazywane są „endogenne”. Problem pojawia się wtedy, gdy tych, których nie potrafimy zsyntetyzować (nazywane „egzogenne”), jest w pokarmie dostarczanym zbyt mało lub nie ma wcale. Przypominam tu podział na białka pełnowartościowe, które mają dla nas aminokwasy egzogenne i niepełnowartościowe, które pewnych aminokwasów nie mają lub mają je w niewystarczającej dla nas ilości (niektóre białka roślinne, na przykład kukurydza).

Na poniższym schemacie pokazuję 20 aminokwasów białkowych, czyli takich, które biorą udział w jego biosyntezie. Należy też zwrócić uwagę na aminokwas dodatkowy – selenocysteinę, ale o niej będzie dalej.

Biosynteza białka

Wszystkie organizmy komórkowe i bakterie są wyposażone w „fabrykę” produkującą białka. Pierwotną informacją jest DNA (kwas deoksyrybonukleinowy – podwójna spirala) znajdujący się u nas w jądrze komórkowym i w mitochondriach. Biosynteza tej struktury jest semikonserwatywna; w nowej cząsteczce jest zawsze jedna nić pierwotna (matryca) i jedna potomna. Proces nazywa się replikacja i wymaga zaangażowania wielu enzymów i białek. Podkreślam – zachodzi w jądrze komórkowym i w mitochondriach. Według DNA jest syntetyzowane RNA (kwas rybonukleinowy, który bywa jedyną informacją genetyczną dla niektórych wirusów, w tym COVID19). Proces biosyntezy RNA nazywa się transkrypcją i zachodzi w jądrze komórkowym (miejsca intensywnej transkrypcji – jąderka) oraz w mitochondriach. Po wyprodukowaniu odpowiednich RNA dochodzimy do miejsca biosyntezy białka, która to zachodzi w cytoplazmie lub w połączeniu z błonami wewnątrz komórki (retikulum endoplazmatyczne, układ Golgiego) i błoną komórkową oraz w mitochondriach. Ciekawostką jest fakt, że na białka wyprodukowane w mitochondriach jest zapotrzebowanie w cytoplazmie i odwrotnie. Proces biosyntezy białka nazywa się translacja. Nie jest on prostym „tłumaczeniem”, ale skomplikowanym procesem, w którym biorą udział rybosomy (struktury z rybonukleoproteiny), mRNA (kwas rybonukleinowy informacyjny – z ang, mesenger – jest zapisem dla kolejności aminokwasów) i aminokwasy białkowe zaktywowane do syntezy poprzez przyłączenie do odpowiednich tRNA. Jest to kwas rybonukleinowy transportujący – odczytujący kod na mRNA i dowożący tam odpowiedni aminokwas. Do utworzenie wiązań peptydowych potrzebna jest też energia pochodząca z powstałych w przemianach katabolicznych związkach wysokoenergetycznych. Pierwszym aminokwasem, czyli na N końcu białka jest metionina (Met-tRNA) lub formylometionina (OCH-Met-tRNA w mitochondriach), rozpoczynające translację.  Na poniższym schemacie ilustruję drogę od informacji przekazanej z DNA na mRNA i dalej do białka.    

Jak zwykle nie jest tak prosto, jakby się wydawało. Wiele lat temu poznano działanie białek z selenem – selenoprotein, ale dopiero jak rozwinęła się genetyka molekularna wykryto mechanizm powstawania tych struktur. Jak już wspomniałam o selenocysteinie, co jest oczywiste występuje selen. Tylko skąd on się tam bierze? Siarka to wiadomo z metioniny i cysteiny, a tu selen. Okazuje się, że z pobieranych z pokarmem  selenin i selenianów (nieorganiczne), czyli z diety, w której może też być tak zwany selen organiczny w postaci selenocysteiny i selenometioniny (magazyn selenu). Jednak wspomniane aminokwasy nie biorą udziału w translacji. Dla utrudnienia podam, że selenocysteina występuje w naszych selenoproteinach, a selenometionina nie. Okazało się, że z dostarczonego selenu budujemy sobie własną selenecysteinę, ale w jedyny wyszukany sposób tylko dla tego aminokwasu. Proces, jakby „dbał” o to, aby przypadkiem selen się nie „zmarnował” na inne cele poza powstaniem wyposażonego w niego białka (http://www.sel-brca1.pl/wp-content/uploads/2011/12/SELEN-artykuł.pdf). Na poniższym schemacie przedstawiam syntezę Sec-RNA, czyli zaktywowanego do biosyntezy białka aminokwasu z selenem.

Najpierw powstaje Ser-tRNA (aktywowana jest seryna), a potem w wyniku przemian wymagających nakładów energetycznych (ATP à ADP + Pi) powstaje selenocysteina-tRNA. Nie zawiera siarki jak cysteina, ale zamiast niej selen.

Reszta selenocysteiny występuje w znaczących dla naszego metabolizmu białkach – enzymach. Peroksydaza glutationowa dba o właściwą regulację poziomu wolnych rodników (patrz „Tajemnicze tlenki azotu”) w komórkach. Oksydaza jodotyroninowa ma swój udział w metabolizmie jodowanych hormonów tarczycy, a reduktaza tioredoksyny (układ tioredoksyny) chroni nas przed stresem oksydacyjnym i przeciwdziała nowotworom. Korzystna dla nas suplementacja selenem nie jest.

Jeżeli białko ma znajdować się w błonie komórkowej lub w siateczce śródplazmatycznej (to też błona) to rybosomy wiążą się z receptorami w danej błonie i syntetyzowane białka wchodzą do tych struktur (interkalują błony), a gdy jest taka potrzeba i taka na nie informacja genetyczna, to przechodzą za te struktury i mogą nawet opuścić komórkę (są wydzielane). Biosynteza białek błonowych zachodzi na rybosomach przyczepionych do siateczki śródplazmatycznej (tzw. szorstkiej z powodu ich obecności). Przypominam tu o aparacie Golgiego. Jest to organellum występujące powszechnie w komórkach eukariotycznych, służące chemicznym modyfikacjom wytwarzanych przez komórkę substancji, ich sortowaniu oraz dystrybucji w obrębie komórki, a także przyczyniające się do wydzielania produkowanych w komórce substancji. Składa się ze stosu spłaszczonych cystern, od których mogą odrywać się pęcherzyki. Organellum zostało odkryte przez Camilla Golgiego w roku 1898 i od jego nazwiska pochodzi nazwa struktury (https://pl.wikipedia.org/wiki/Aparat_Golgiego). Zaobserwowano, że w komórkach zaatakowanych przez COVID19 powstaje nadnaturalne rozbudowanie sieci cystern.

Białka opiekuńcze

Nowo syntetyzowane białka, które nie osiągnęły jeszcze oczekiwanego ułożenia w przestrzeni (patrz „Gdy zjemy białko…”), właściwego dla siebie pofałdowania, są chronione przed rozpoznaniem za wadliwe i degradacją przez inne białka. Te białka opiekuńcze nazywane są chaperony (czytaj „szaperon, z fr. – chaperon – opiekun). Nazywane one też są białkami szoku cieplnego ( z ang. Heat shock proteins – HSP), ale ta nazwa nie wiąże się z żadnym przeżyciem psychicznym tylko metodami ich preparatyki. Chaperony okrywają przejściowo z „młode” białko i doprowadzają je do właściwej konformacji. 

Wiele białek po translacji jeszcze nie jest gotowych do swej aktywności. Ich łańcuchy polipeptydowe mogą ulegać wielu modyfikacjom. Wiąże się to z charakterem występujących w nich reszt aminokwasowych, a potrzebne jest do spełnienia ich funkcji.

Modyfikacje potranslacyjne – uzdatnianie

Białka pełniące funkcje biologiczne na ogół różnią się od bezpośredniego produktu translacji. Przede wszystkim nie ma na ich N końcu formylometioniny – jest odcięta, a także – gdy nie jest potrzebna – odcinana jest metionina. Obróbka potranslacyjna może wiązać się z przyłączeniem cukru (glikozylacja), lipidu (acylacja – reszta kwasu tłuszczowego), reszty prenylowej (pochodna izoprenowa – prenylacja – patrz „Polub swój chol…”), ADP-rybozylacja, reszty metylowej( -CH₃ – metylacja), hydroksylacje (grupa -OH^–), karboksylacja (grupa -COOH) lub reszty nieorganicznej fosforanowej i siarczanowej. Modyfikacje te mogą prowadzić do powstania nowych aminokwasów, które nie są tak zwane „białkowe”, ale występują ostatecznie w białku. Zauważono te modyfikacje, gdy odkryto aminokwasy, które nie biorą udziału w translacji, a znajdują się w hydrolizacie białka, wtedy gdy zniszczone są wiązania peptydowe i mamy do czynienia z wolnymi aminokwasami. Przykładem tego są wiązania dwusiarczkowe między nawet odległymi od siebie w łańcuchu polipeptydowym resztami cysteiny (patrz „Gdy zjemy białko” , budowa insuliny). Wykryto istnienie cystyny, czyli aminokwasu zbudowanego z dwóch cystein – dimeru (oznacza się ją w moczu w celach diagnostycznych). Miernikiem nadmiernego niszczenia w organizmie kolagenu jest wzrastające stężenie hydroksyproliny. Okazało się, że ta hydroksylacja, czyli przyłączenie grupy -OH do reszty proliny wystającej z pojedynczego białka zachodzi na pierwotnej pojedynczej nici kolagen. Takiej hydroksylacji w kolagenie ulega też reszta lizyny. W procesach tych hydroksylacji niezbędnych dla utworzenia kolagenu bierze udział witamina C. W związku z tym, że kolagenu jest dużo w naszym organizmie, istotna dla nas w diecie jest witamina C (jedzmy witaminę C).

Kolejnym aminokwasem, którego reszta ulega modyfikacji w białku, jest reszta kwasu glutaminowego.  Powstaje reszta Gla bogatsza o jedną grupę karboksylową w porównaniu z kwasem glutaminowym. W ten proces karboksylacji zaangażowana jest witamina K. Tą drogą wpływa ona na krzepnięcie krwi i właściwy skład macierzy tkanki kostnej. Białka zawierające tę modyfikację nazywane są „Gla-proteiny”. Na poniższym schemacie pokazuję przemiany reszt proliny i kwasu glutaminowego.                                                         

 Hydroksylacje kolagenu są niezbędne do utworzenia silnej białkowej liny, a z kolei karboksylacja z utworzeniem Gla-protein potrzebna jest białkom do wiązanie jonów wapnia, jakby łapania go. Jon wapnia jest dwudodatnim kationem, a reszta Gla ma dwie anionowe grupy karboksylowe i to jest potrzebne na przykład dla budowania macierzy kostnej oraz dla procesu krzepnięcia krwi.

Anabolizm przechodzi w katabolizm, a ten z kolei w anabolizm i tak na okrągło. Jest to swego rodzaju sprzężenie zwrotne, a w odniesieniu do tkanek: resorpcja-budowanie-resorpcja-budowanie…. Jeden proces napędza drugi. Podobnie, jak z popytem i podażą. Ważne jest dla dorosłego człowieka, aby te procesy były w równowadze. Nasze białka zostały stworzone w wyniku wielkiego wysiłku metabolicznego. Przypomnę: pozyskanie pokarmu, rozbicie białek na aminokwasy w procesie trawienia, wchłonięcie aminokwasów, transport do komórek, a potem z krwią, transport przez błony komórkowe. Duża grupa aminokwasów tych endogennych jest syntetyzowana w naszych komórkach (nakłady energetyczne). Mamy tez aminokwasy z „odzysku”. Te wszystkie aminokwasy, różnego pochodzenia mogą być użyte w biosyntezie białka. Nareszcie translacja. Hurra! Mamy już białka. Teraz muszą one spełnić swoje biologiczne/metaboliczne funkcje. Niestety „żyją” krótko i przychodzi ich kres. Przy czym pojęcie czasu jest trudne do ogarnięcia. Należałoby zastąpić je przydatnością i tempem przemian metabolicznych zależnym od wielu czynników. Wszakże jesteśmy układem otwartym, a także niestety tempo naszych przemian zależny od naszego wieku. Gdy rośniemy przeważa proces budowania, a na strość resorpcji.

Białka niewykorzystywane, zbędne lub już wykorzystane są degradowane przy jednoczesnym zwiększeniu biosyntezy innych białek, które w danych warunkach są potrzebne. Zachowanie homeostazy proteomu komórki (proteostasis) wymaga regulacji na poziomie kwasów nukleinowych, biosyntezy, jak również i degradacji. Utrzymanie korzystnej dla organizmu proporcji między wytwarzaniem białek (anabolizmem), a ich degradacją (katabolizmem) zależy od fałdowania, potranslacyjnych modyfikacji, polimeryzacji, prawidłowego sortowania i aktywności mechanizmów degradacyjnych oraz dostępności witamin i innych substancji pochodzących z diety (na przykład aminokwasy egzogenne). Z zaburzeniami funkcjonowania białek powiązano wiele chorób. Białka uszkodzone i źle sfałdowane mogą wchodzić w niepożądane interakcje z innymi cząsteczkami, tworzyć w komórkach agregaty i nabierać toksycznego charakteru (patrz: „Gdy zjemy białko…”). Szybkie rozpoznanie i pozbycie się tego typu zagrożeń jest szczególnie ważne w przypadku błony cytoplazmatycznej, gdzie nawet kilka wadliwych białek transmembranowych może zaburzyć homeostazę lipidowo-białkową (błona komórkowa jest strukturą białkowo-lipidową) doprowadzając do destabilizacji i śmierci komórki. Funkcjonalne białka również podlegają nieustannemu cyklowi syntezy i proteolizy – wyjątkiem są m.in. krystaliny soczewki oka, które nigdy nie ulegają wymianie ani degradacji (soczewka oka rośnie przez całe nasze życie, a jej bardzo powszechna patologia jest nadal nieuleczalne zmętnienie – zaćma; można tylko naszą soczewkę zastąpić implantem). W zależności od funkcji, fazy cyklu komórkowego i panujących warunków środowiskowych, białka charakteryzują się różnym czasem przetrwania w naszym organizmie (Postepy Hig Med Dosw (online), 2018; tom 72: 512-525). Czasem „pamięć” o nich może pozostać na całe życie – przeciwciała.

Degradacja – katabolizm białek

W naszych komórkach są dwie drogi degradacji białek – degradacja w proteasomie oraz proteoliza lizosomalna. Uszkodzone i niepotrzebne białka cytozolowe, po rozpoznaniu, są kierowane na drogę degradacji proteasomalnej, choć w warunkach stresu głodowego mogą wybiórczo ulegać autofagii (w uproszczeniu to zamknięcie w pęcherzyku) i następnie trafiać do lizosomu. W proteasomie są hydrolizowane również białka zewnętrznej błony mitochondrialnej oraz  z siateczki śródplazmatycznej. Otoczone podwójną błoną mitochondria, jako jedyne organella, wykształciły własny system proteolityczny – macierz mitochondrialna oraz błona wewnętrzna nie mają dostępu do cytoplazmatycznego systemu degradacji.

Białka błony komórkowej, które podlegają kilkuetapowemu transportowi do lizosomu, gdzie wraz z fragmentami błony są degradowane przez proteazy i lipazy (hydroliza lipidowych elementów). Biorąc pod uwagę różnorodność białek błonowych (np. transportery, receptory, kanały) zaburzenia procesu  regulacji ich degradacji doprowadzają do zmian w sieci odpowiedzi wewnątrzkomórkowej (down stream signaling pathways), a to wpływa na fizjologię komórki. Może to bezpośrednio lub pośrednio powodować rozwój wielu chorób np. nowotwory, choroby serca, neurodegeneracyjne czy metaboliczne (Foot N., Henshall T., Kumar S.: Ubiquitination and the regulation of membrane proteins. Physiol. Rev., 2017; 97: 253-281).

„Pocałunek śmierci”

Modyfikacja białek w procesie ubikwitynacji (ang. ubiquitous – wszechobecny) polega na przyłączaniu do reszt lizylowych danego białka grupy karboksylowej C-końca reszty glicyny niewielkiego białka ubikwityny (8,6 Da). Ubikwityna została opisana po raz pierwszy przez Gideona Goldsteina w 1975 roku. Za badania przeprowadzone w latach 80. XX wieku, które doprowadziły do odkrycia procesu degradacji białek z udziałem ubikwityny w komórkach, trzej badacze: Irwin Rose, Awram Herszko i Aaron Ciechanower w 2004 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Ubikwitynacja białka może prowadzić do jego proteolizy – degradacji – to właśnie nazywane jest „pocałunkiem śmierci”.

Zanim białko zostanie ubikwitynowane, musi zostać rozpoznane jako przeznaczone do degradacji. Pozwalają na to sygnały degradacyjne, tzw. degrony, zawarte w samej strukturze tych białek. Degronami mogą być krótkie sekwencje, na przykład region bogaty w reszty aminokwasów: prolinę, gutaminian, serynę i treoninę, czyli  PEST, wolne grupy α-aminowe, motywy z charakterystycznie ufosforylowanymi resztami serynowymi/treoninowymi, a także odsłonięte reszty hydrofobowe (Rechsteiner M., Rogers S.W.: PEST sequences and regulation by proteolysis. Trends Biochem. Sci., 1996; 21: 267-271). Na poniższym schemacie pokazuję proces ubikwitynacji, jak widać jest to proces enzymatyczny.

Znakowanie białka ubikwityną (Ub)

1. rozpoczyna się od aktywacji wybranego białka przez aktywujący enzym E1 (Klasa Syntetazy; inaczej Ligazy – starsza nazwa), który korzysta z energii uwalnianej z ATP (ATP à ADP + Pi).
2. Aktywna ubikwityna jest substratem dla enzymu E2.

Ligaza E3, tak nazywany jest ten enzym należący do klasy Syntetaz (patrz: „Działanie bez sił witalnych – enzymy” , syntetazy katalizują proces łączenia z użyciem enregii na ogół z ATP; łączenie to ligacja i stąd ta nazwa) łączy ubikwitynę z białkiem-substratem). Powstaje Ub-białko.

1. Do białka może być przyłączona z różna liczba ubikwityn – od mono do multiubikwitynacji

Proces ubikwitynacji jest odwracalny. Cząsteczki ubikwityny ulegają recyklingowi. Za uwolnienie ubikwityny są odpowiedzialne swoiste izopeptydazy nazywane deubikwitynazami (DUBs, deubiquitinating enzymes)

(Foot N., Henshall T., Kumar S.: Ubiquitination and the regulation of membrane proteins. Physiol. Rev., 2017; 97: 253-281).

Odkrycie ubikwityny i wyjaśnienie procesu ubikwitynacji było ważne w biologii molekularnej. Szybko zaobserwowano, że jakiekolwiek zaburzenia ubikwitynacji prowadzą do zaburzeń w homeostazie proteasomu komórkowego i w konsekwencji wielu chorób. Ubikwitynacja wpływa na regulowanie czasu obecności danego białka w błonie, bezpośrednio reguluje aktywność takich białek, jak kanały jonowe, transportery czy receptory. Zaburzenia regulacji wpływają na aktywację wewnątrzkomórkowych szlaków sygnałowych i mają różny wpływ na fizjologię komórki. Obecnie poznano wiele patologii związanych z zaburzeniami ubikwitynacji białek błonowych doprowadzających do nowotworzenia, rozwoju chorób neurodegeneracyjnych i układu krążenia, nadciśnienia czy mukowiscydozy (Foot N., Henshall T., Kumar S.: Ubiquitination and the regulation of membrane proteins. Physiol. Rev., 2017; 97: 253-281). Ukierunkowane blokowanie ligaz ubikwityny mogłoby stworzyć szansę na leczenie np. chorych z mukowiscydozą, dlatego tak ważne jest ustalenie mechanizmów regulujących ubikwitynację, a przy tym i degradację białek błonowych.

Podkreślam, że katabolizm białek nie jest procesem przypadkowym. Poniżej pokazuję na schemacie udział ubikwitynacji podczas powstawania białek błonowych, które stanowią 20% proteomu komórki (https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/physrev.00012.2016?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori%3Arid%3Acrossref.org&rfr_dat=cr_pub++0pubmed&).

W komórce w aparacie Golgiego, wewnątrz jego cystern zachodzą potranslacyjne modyfikacje białek i innych substancji. Wiąże się to w dużym stopniu z wytwarzaniem błony komórkowej oraz umieszczaniu hydrolaz w endosomach (póżny Endosom to Lizosom). Zapewnia również odzyskiwanie składników błony komórkowej, a te zostają do niej powtórnie włączone. Zjawisko określane jest jako recyklizacja błony.

Opis schematu

1. W sieci cystern gotowe proteiny są poddawane systemowi kontroli jakości (ERQC – ang. endoplasmic reticulum quality control).

Białka o nieprawidłowej budowie lub niepożądane rozpoznawane są w systemie degradacji związanym z siateczką śródplazmatyczną (z ang ER-associated degradation), a wyznakowywanie ubikwityną kieruje je do degradacji w proteasomie. Powstaje hydrolizat białka/proteiny – proteolizat – drobne peptydy i wolne aminokwasy.

2. Białka, które przeszły kontrolę jakości przesuwają się do aparatu Golgiego i tu poddawane są drugiej kontroli jakości. Jeżeli są nieprawidłowe, mogą być odesłane transportem wstecznym zamknięte w pęcherzykach z powrotem do siateczki śródplazmatycznej.

3. Nieprawidłowe białka z aparatu Golgiego mogą być na jego terenie wyznakowane ubikwityną i zamknięte w pęcherzyku (endosomie) podążającym w kierunku degradacji w lizosomie (o nim opowiem w dalszej części).

4. Jeżeli białko przejdzie powyższe kontrole dostaje się do swojego miejsca docelowego, tam gdzie będzie pełnić przypisaną mu funkcje metaboliczne. Jeśli nie jest już potrzebne ulega wchłonięciu (internalizacji), a ubikwitynacja „adresuje” je do degradacji.

5. Jest też droga alternatywna – białko z ubikwitynowane może opuścić komórkę w mikropęcherzyku.

6. Białko może też być uwolnione od ubikwityny i ponownie weziąć udział w metabolizmie błonowym. Okazuje się, że ubikwitynacja nie zawsze jest „pocałunkiem śmierci”, jest też rodzajem regulacji, ale to pokazują współczesne badania.

7. Białko błonowe może być po wchłonięciu (internalizacji) skierowane poprzez transport w (ang – multivesicular bodies – MVBs) do degradacji w lizosomie.

8. W lizosomie następuje degradacja (powstaje proteolizat).

9. Białko niekoniecznie musi być zdegradowane, może dostać następną szansę metaboliczną i być wydzielone z komórki – egzocytoza.

Proteasom

Białkowy wielkocząsteczkowy proteasom jest „agregatem” enzymatycznym o masie cząsteczkowej ok. 2 MDa, polimerem białkowym złożonym z kilku rodzajów proteaz tworzących kształt cylindra. (https://pl.wikipedia.org/wiki/Proteasom). Występuje w jądrze komórkowym i w cytoplazmie. Tworzy centrum proteolityczne komórki. Proteasomy składają się z podjednostek białkowych, wśród których są enzymy hydrolizujące białka. Proteasom składa się z katalitycznej cząstki rdzeniowej i cząstek regulacyjnych (https://pl.encyclopediaz.com/immunoproteasome-796187#menu-3). Każdy pierścień proteasomu to kompleks siedmiu różnych białek. Po dołączeniu dwóch cząsteczek aktywatora (podstawy i pokrywy) powstaje aktywny kompleks hydrolizujący wiązania peptydowe. To proteasomy degradują białka poliubikwitynowane do małych peptydów. W przebiegutej degradacji zużywana jest energia z ATP. W związku z tym, że proteasom nie pasował do kategorii znanych enzymów proteolitycznych, jego precyzyjna natura cząsteczkowa była przez wiele lat niejasna. W drugiej połowie lat 80. cząstka proteasomu 20S została najpierw wyizolowana i nazwana „proteasomem”, a analiza pierwotnej struktury eukariotycznego przez klonowanie cDNA trwała około 15 lat. Na poniższym schemacie pokazuję proteasom (Biochemia. Ilustrowany przewodnik – J Koolman, K-H Röhm, PZWL, Warszawa 2005).

Aktywne miejsca katalityczne proteasomu otrzymały nazwy zależnie od swojej swoistości substra­towej. Aktywność przypominająca tę, jaką wykazuje chy­motrypsyna, czyli enzym hydrolizujący białka w naszym przewodzie pokarmowym. Została ona nazwana aktywnością chymotryp­synopodobną (CT-L – chymotrypsin-like). Na tej samej zasadzie scharakteryzowano aktywność trypsynopodob­ną, której wynikiem jest rozpoznawanie reszt aminokwa­sów zasadowych i rozcinanie wiązań przy tych resztach (T-L – trypsin-like) oraz kaspazopodobną, działającą analogicznie, lecz dla reszt kwasowych (z ang. C-L – caspase­-like lub PGPH – post-glutamyl peptide hydrolizing). Poza tymi dobrze poznanymi aktywnościa­mi odkryto, iż proteasom ma jeszcze dwie: preferują­cą aminokwasy o rozgałęzionych łańcuchach bocznych (z ang. BrAAP – branched-chain amino acid-preferring) oraz preferującą niskocząsteczkowe aminokwasy neutralne (z ang. SNAAP – small neutral amino acid-preferring). Kolejne badania udowodniły, że każda z wymienionych aktywności jest przyporządkowana do innej podjednost­ki w katalitycznej części proteasomu. Podjed­nostki nie działają indywidualnie, lecz rozpad nastę­puje jako multikatalityczna sekwencja zdarzeń. Ustalono także hierarchię aktywności proteasomu i ich znaczenie dla wzrostu komórek. Za najważniejszą z punktu widze­nia przydatności, jako cel oddziaływania czynników te­rapeutycznych, przyjęto uważać aktywność chymotryp­synopodobną, następnie trypsynopodobną, natomiast za najmniej ważną – kaspazopodobną (kaspazy z ang. caspases, akronim od słów cysteine, aspartic, proteases – enzymy z grupy proteaz cysteinowych, które po aktywacji przez sygnały apoptozy- naturalnej śmierci komórki – degradują białka komórkowe, przecinając wiązanie peptydowe za resztą asparaginianu). Hierarchia ta została ustalona na podstawie przeżywalności mutantów z de­fektami poszczególnych aktywności.

Proteasomy mają również swoje odpowiedniki wystę­pujące głównie w narządach układu immunologicznego, zwane immunoproteasomami, które charakteryzują się aktyw­nością proteolityczną i służą do wytwarzania polipeptydów. Te ostatnie są następnie prezentowane jako antygeny w ramach MHC I (opowiem o tym w dalszej części). Swoisty typ immunoproteasomu wykryto w grasicy i na­zwano tymoproteasomem, którego produkty są zaangażowane w działanie określonych komórek układu immunologicznego/obronnego organizmu (limfocyty T CD8⁺) (Proteasom choroby Postepy Hig Med Dosw. (online), 2013; 67: 90-106)

Lizosm

„Ciałko lizujące” – lizosom – organellum wytwarzane przez aparat Golgiego, występujące licznie w naszych komórkach (https://pl.wikipedia.org/wiki/Lizosom). Są to niewielkie pęcherzyki o średnicy ok. 0,5 μm (rzadko 0,1–1 μm), otoczone pojedynczą błoną lipidowo–białkową o grubości ok. 7 nm. Zawierają kwaśne hydrolazy (działają w kwaśnym środowisku) degradujące białka, kwasy nukleinowe, węglowodany i tłuszcze. Kwaśność, czyli pH (patrz „Gdy zjemy białko …”) wewnątrz lizosomu ma wartość optymalną dla występujących w nim enzymów, równą około 5. Dzięki przystosowaniu enzymów do kwaśnego środowiska ich przypadkowe wydostanie się do cytoplazmy (pH ≈ 7,2 – dezaktywacja) nie stanowi większego zagrożenia dla komórki, jednak wyciek z dużej liczby lizosomów może zniszczyć komórkę poprzez jej samostrawienie. Niskie pH zapewnia wbudowana w błonę lizosomu H⁺-ATPaza, pompującą protony do jego wnętrza (podobnie, jak w soku żołądkowym – patrz „Gdy zjemy białko…”. W terapii stosuje się inhibitory tego enzymu. W lizosomach odbywa się niszczenie pochłoniętych na drodze endocytozy substancji i usuwanie obumarłych części cytoplazmy (katabolizm). Lizosomy wykorzystują również swoje enzymy w celu odzyskania przez komórkę materiału organicznego (przeprowadzają autofagię). Autofagia, za wyjaśnienie której Yoshinori Ohsumi został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny w 2016 roku, jest niezbędnym dla nas procesem swoistego „komórkowego sprzątania”. Na poniższym schemacie pokazuję wyodrębnianie lizosomu z aparatu Golgiego (https://www-1sciencedirect-1com-100001ah70120.han3.wum.edu.pl/science/article/pii/S1096719211006524?via%3Dihub#f0005).

Potem w aparacie Golgiego syntetyzowany jest enzym proteolityczny ( hydrolaza  katepsyna – opowiem o tym dalej). Białko enzymatyczne musi mieć przyczepiony „znaczek” w postaci fosforanu mannozy (M6P – mannozo-6-fosforanu) i dzięki temu odnajduje adres w lizosomie.. Jak już wspomniałam do aktywności lizosomalnych hydrolaz konieczne jest pH 5 i powstaje ono we wnętrzu lizosomu dzięki obecności enzymu wpompowującemu jony H⁺ do wnętrza tego organellum z wykorzystaniem energii z ATP (ATP-aza ).  Na poniższym schemacie pokazuję lizosom w akcji hydrolizy.

Zwracam uwagę na to, że w błonie lizosomu znajdują się transportery dla aminokwasów uwalnianych z proteolizatu. Są to aminokwasy z odzysku.

Katepsyny

Enzymy naszego organizmu hydrolizujące białka (proteazy, enzymy proteolityczne) w kwaśnym pH 5 (klasa enzymów Hydrolazy, E3) to katepsyny. Polska nazwa pochodzi z angielskiego Cathepsin (CTS,) a ta z kolei z greckiego – kata- ang. – down,  hepsein – ang – boil – wychodzi z tego trawić. Nazwie katepsyna towarzyszy litera, która ją kategoryzuje. Tu przypominam różną konstrukcję centrum aktywnego proteaz. Na poniższym schemacie przypominam enzymy proteolityczne, które mają w centrum aktywnym określone reszty aminokwasów, a należą do nich katepsyny. O tych z jonem metalu będzie w dalszej części (Nature 459, 371 – 378 (2009).

Na schemacie jest proteaza serynowa z resztą seryny w centrum aktywnym. Do tej grupy należy katepsyna A i G.  Z resztą kwasu asparaginowego w centrum aktywnym jest katepsyna D i E, a z resztą cysteiny katepsyna B, C, F, H, K, L, O, S, V, W, X.  Z tych powodów określa się proteinazy “serynowa”, “asparaginianowa” i “cysteinowa”.

Lizosomalne proteazy, biorąc udział w hydrolizie wiązań peptydowych w białkach, są zaangażowane w wiele ważnych fizjologicznych procesów komórkowych, takich jak proliferacja i różnicowanie się komórek, przemiany tkanki chrzęstnej i kostnej, czy apoptoza (naturalna śmierć komórki) (Postępy Hig Med Dośw, online, 2018; 72: 253-263 e-ISSN 1732-2693). Opisano także ich udział w procesach patologicznych, jak progresja nowotworów, zapalenie i neurodegeneracja. Ponadto proteazy kontrolują główne funkcje wrodzonej i nabytej odpowiedzi immunologicznej, takie jak: adhezja i migracja komórek, przetwarzanie i prezentacja antygenu limfocytom T oraz regulują oporność na zakażenia bakteryjne i wirusowe. Spośród licznych peptydaz zaangażowanych w fizjologiczne oraz patologiczne procesy odpowiedzi immunologicznej największą uwagę naukowców w ciągu ostatnich lat zwróciły katepsyny cysteinowe. Katepsyny B, C, F, H, L, K, O, S, V, W i X są proteazami cysteinowymi z rodziny papainy i tworzą największą i najbardziej znaną klasę katepsyn. W tym miejscu przypominam o początku artykułu, to co było dla mnie inspiracja do napisania go. Mianowicie wystąpienie profesora Drąga z informacją o tym, że odkrył działanie substancji hamującej katepsynę właśnie tego typu i zaangażowaną w infekcję, a właściwe rozwój COVOD19 w zaatakowanych komórkach. Droga tłumaczenia jego odkrycia długa, bo i trudna.

Obecność katepsyn, ich ilość oraz swoistość różni się w zależności od umiejscowienia w komórce, co sugeruje, że poszczególne katepsyny pełnią bardzo swoiste funkcje komórkowe. Wszystkie katepsyny są syntetyzowane jako prerenzymy (zymogeny) i aktywne są dopiero po odcięciu niewielkiego peptydu z ich białka, co daje dostęp substratowi do centrum katalitycznego enzymu. Przetwarzanie nieaktywnego proenzymu w katalitycznie aktywny enzym zwykle występuje w lizosomie za pomocą innych aktywnych proteaz, autokatalizy w odpowiednich warunkach, np. w niskim pH lub w obecności glikozaminoglikanów. Niektóre z nich występują powszechnie w różnych komórkach i tkankach, natomiast inne, takie jak katepsyna F, K, O, S, X, V lub W znajdują się tylko w szczególnych typach komórek. Katepsyna K (o tej katepsynie będzie jeszcze w dalszej części artykułu) jest uwalniana przez osteoklasty podczas resorpcji kości. W tkance kostnej, podobnie jak w innych, zachodzi naprzemiennie odbudowa i resorpcja. W resorpcje są zaangażowane specyficzne komórki „żerne” osteoklasty. Na poniższym schemacie pokazuję, jak katepsyna K uwalniana jest do macierzy tkanki kostnej. Substancji białkowo mineralnej, a tym minerałem jest hydroksyapatyt – fosforan wapnia o specjalnej strukturze. Właśnie katepsyna K hydrolizuje białka macierzy (kolagen I) oczywiście w pH 5, które tworzy specjalna pompa protonowa (VATP-aza – wakuolarna) (Bone Research (2013) 1: 11-26. www.boneresearch.org).

Na poniższym schemacie pokazuję udział katepsyny K i pompy protonowej w metabolizmie tkanki kostnej ( https://www3.unifr.ch/apps/med/elearning/de/stuetzgewebe/knochen/zellen/(d-osteoklast.php).                            

Osteoporoza – choroba – jest zaburzeniem proporcji między odbudową a resorpcją macierzy tkanki kostnej. Następuje nadmierna proteoliza białek macierzy. Wiedzę na temat katepsyny K wykorzystano w leczeniu tej choroby. Opracowano przeciwciało (Odanacatib, balicatib) wiążące ten enzym, kiedy znajduje się on już na zewnątrz komórki ( https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmed.2017.00234/full doi: 10.3389/fmed.2017.00234). Podanie takiego leku tak, aby dotarł do miejsca docelowego, nie jest proste. Terapia z zastosowaniem leku, jakim jest przeciwciało, który będzie działał na inne wybrane katepsyny wewnątrz lizosomu, wydaje się być przyszłością medycyny.

Katepsynę O wykryto w ludzkich komórkach raka piersi, natomiast ekspresję katepsyny. W zidentyfikowano w limfocytach T CD8+. Katepsyna V jest enzymem swoistym dla tkanek i znajduje się w grasicy oraz jądrach, a katepsyny F i X występują bardziej powszechnie. Ponadto aby zapobiec aktywności proteolitycznej katepsyn, ich aktywność jest ściśle regulowana przez cystatyny – endogenne, czyli naturalne polipeptydy będące inhibitorami lizosomalnych protez cysteinowych. Działanie cystatyn jest odwracalne, a ich aktywność na ogół jest nieswoista wobec poszczególnych katepsyn. Katepsyny występują w postaci monomerów, z wyjątkiem tetramerycznej katepsyny C. Wszystkie katepsyny charakteryzują się podobną sekwencją aminokwasów. Wśród katepsyn cysteinowych wyróżniono endopeptydazy (katepsyny D, E, F, G, K, L, S i V), które hydrolizują wiązania wewnątrz łańcucha peptydowego oraz egzopeptydazy (katepsyny A, C i X), które odszczepiają tylko aminokwasy na N- lub C-końcu łańcucha peptydowego. Katepsyna B oraz H mogą działać zarówno jako endopeptydazy, jak i egzopeptydazy. Wraz z odkrywaniem i charakterystyką nowych przedstawicieli proteaz cysteinowych możliwe staje się poznawanie ich roli zarówno w wyspecjalizowanych procesach fizjologicznych, jak i patologicznych. Ze względu na to, iż katepsyny pełnią rolę podczas replikacji i rozprzestrzeniania się wirusów oraz bakterii, stanowią istotny cel w przypadku leczenia, podczas których ich funkcja fizjologiczna zostaje rozregulowana.

Katepsyny odgrywają istotną funkcję w różnych procesach układu odpornościowego, a ich działanie jest ściśle kontrolowane przez odpowiednie inhibitory, aby nie doszło do patologicznego uszkodzenia komórek lub tkanek.

Obrona przed inwazją – prezentowanie antygenu

Termin „antygen” ewoluował razem z pojęciem „przeciwciało” i nie jest jasne, kto użył go po raz pierwszy. Zwykle uważa się, że pojęcie zostało wprowadzone w 1899 roku przez Ladislasa Deutscha (Laszlo Detre), a upowszechnił je noblista Paul Ehrlich (Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny za rok 1908 za prace nad immunologią). Antygen (źródłosłów niejasny: stgr. ἀντί anti, przeciw, γένος genos, ród, rodzaj; przytaczane także ang. antigen = antibody generator, generator przeciwciał) – substancja, która wykazuje: immunogenność, czyli właściwość wywołania przeciw sobie odpowiedzi odpornościowej (komórkowej i/lub pobudzającej produkcje przeciwciał) lub antygenowość, czyli właściwość wiązania się ze swoistymi przeciwciałami.

W bardziej ogólnym sensie antygen to każdy związek chemiczny, który może być wykryty za pomocą swoistych przeciwciał w różnych metodach diagnostycznych. Pojęcie antygenu jest szerokie i zależne od kontekstu – mianem antygenu można określić całą komórkę bakteryjną lub tylko jedno z białek na jej powierzchni (https://pl.wikipedia.org/wiki/Antygen).

Udział katepsyn w regulacji wrodzonej odpowiedzi immunologicznej a mechanizmy odporności wrodzonej

Główny układ zgodności tkankowej, MHC (od ang. major histocompatibility complex) – zespół białek odpowiedzialnych za prezentację antygenów limfocytom T. Swoją nazwę zawdzięczają temu, że odkryto je jako pierwsze i najważniejsze białka decydujące o utrzymaniu się lub odrzuceniu przeszczepu, zatem odpowiadające za zgodność tkanek dawcy i biorcy (http://pl.wikipedia.org/wiki/Główny_układ_zgodności_tkankowej).

Można ten temat przybliżyć na podstawie grup krwi. Grupa krwi 0 nie prezentuje „wypustki” (antygenu) na swej powierzchni i dlatego taka krew może być podana wszystkim, ponieważ nie wywoła u nich reakcji alergicznej, czyli pobudzenia powstawania przeciwciał i niszczenia podanych krwinek. Z kolei osoba mając grupę krwi AB może przyjąć krew o grupie A, grupie B, grupie 0 i oczywiście AB, ponieważ „wypustki” na błonie komórek dawców są jej układowi immunologicznemu już znane i nie zareaguje na nie, jak na intruza. Antygeny charakterystyczne dla krwinek w układzie grup krwi AB0 są na zawsze i nie ma tu zjawiska przejściowego prezentowania antygenu. Układ MHC powoduje pojawienie się na powierzchni komórki  „wypustki” (antygenu) lub nie w zależności od sytuacji.

Wyróżnia się trzy klasy MHC I, II, III, które różnią się pełnionymi funkcjami. MHC klasy I prezentują antygen na powierzchni komórki, a z kolei nasz układ immunologiczny rozpoznaje antygen i może nastąpić jeden z dwóch scenariuszy. Jeśli komórka jest „zdrowa”, to nic się nie stanie, gdyż limfocyt T nie stwierdzi obecności obcego białka na powierzchni komórki, a jeśli komórka zawiera patogen, jego białka będą cięte przez znany nam  już proteasom i umieszczone na białku MHC klasy I. Układ immunologiczny rozpozna taki obcy peptyd, po czym zabije zakażoną komórkę razem z patogenem (zostaje ona poświęcona dla dobra całego organizmu).               

Prezentacja z udziałem MHC klasy I wpływa na odporność przeciwko patogenom wewnątrzkomórkowym. Wynika to z faktu, że białka patogenów, które znajdują się w komórce, są ubikwitynowane i cięte na fragmenty tak samo, jak własne białka komórki. W ten sposób patogen nie może ukryć się we wnętrzu komórki w celu uniknięcia reakcji układu odpornościowego. Nie jest on wprawdzie osiągalny dla przeciwciał, ale limfocyty Tc (nie produkują przeciwciał, ale niszczą rozpoznane wadliwe komórki) są często wystarczająco silną bronią, powstrzymującą rozwój choroby. Ma to znaczenie w przypadku wirusów, gdyż często przestawiają one syntezę białek w komórce na swoje potrzeby. Znaczny odsetek białek wewnątrzkomórkowych stanowią białka wirusowe, dlatego pojawiają się one w dużych ilościach na komórce w postaci kompleksów z MHC klasy I.

Limfocyty Tc dzięki rozpoznaniu kompleksu antygenu z cząsteczką MHC klasy I nie zawsze są w stanie ograniczyć zakażenie. Wraz z eliminacją komórki docelowej może dojść do uwolnienia np. potomnych wirusów z jej wnętrza. Dlatego też, zwłaszcza na późniejszym etapie odpowiedzi przeciwwirusowej, przeciwciała odgrywają istotną rolę w mechanizmie obronnym organizmu.

O znaczeniu odpowiedzi na obce antygeny prezentowane przez cząsteczki MHC klasy I świadczy fakt, że wiele patogenów wewnątrzkomórkowych stara się wpłynąć na ich działanie albo poprzez jej ograniczenie, albo przez zamianę cząsteczek MHC klasy I na inne, podobne białka, ale nierozpoznawane przez limfocyty Tc. Wtedy jednak mogą zadziałać komórki NK (ang. Natural Killer – naturalni zabójcy), niszczące takie komórki jądrzaste.

Prezentacja antygenu przez MHC klasy II dotyczy jedynie antygenów egzogennych (zewnętrznych z punktu widzenia komórki).

Katepsyny a odporność wrodzona regulujące wnikanie wirusów do komórek gospodarza

W działaniu naszego układu immunologicznego mają znaczenie poza proteasomem również katepsyny (Postepy Hig Med Dosw (online), 2018; tom 72: 253-263). Odnosi się to do odporności wrodzonej i nabytej, włączając adhezję i migrację komórek, przetwarzanie i prezentację antygenu oraz oporność na liczne zakażenia wirusowe. Niektóre katepsyny (B i L) wpywają na struktury komórkowe biorące udział w rozpoznawaniu wirusowych kwasów nukleinowych. Ponadto katepsyny bezpośrednio stymulują lub hamują wydzielanie cytokin, zaangażowanych w regulację wrodzonej odpowiedzi przeciwwirusowej. Podkreśla się ważną rolę katepsyn we wnikaniu filowirusów, reowirusów, retrowirusów oraz innych wirusów do wnętrza komórek gospodarza. Liczne wirusy osłonkowe wymagają obecności katepsyn do skutecznej fuzji z błonami zakażonej komórki, a zahamowanie ich aktywności znacznie obniża wydajność wirusowej replikacji. Wirusy wykorzystują  mechanizmy komórkowe do skutecznej penetracji do wnętrza komórki, takie jak endocytoza lub niskie pH wewnątrz endosomów, demontażu kapsydu oraz innych etapów produktywnego cyklu replikacyjnego. Dlatego lepsze zrozumienie funkcjonalnej roli katepsyn w patogenezie zakażeń wirusowych powinno się przyczynić do rozwoju nowych metod terapii w zwalczaniu patogenów szczególnie groźnych dla człowieka. Wiele patogenów wymaga obecności katepsyn do efektywnej fuzji z błoną zakażanej komórki, a zahamowanie ich aktywności obniża wydajność replikacji wirusów.Ponadto wiele wirusów wykorzystuje mechanizmy komórkowe, takie jak endocytoza czy niskie pH wewnątrz endosomu (lizosomu), w celu efektywnego przedostawania się do wnętrza komórki oraz intensywnej replikacji(patrz: COVID19 – poszukiwanie antidotum). Zatem poznanie mechanizmów regulujących udział katepsyn we wczesnych etapach wnikania wirusów do wnętrza komórek jest ważne. Dokładne określenie funkcji tych enzymów może się przyczynić do rozwoju nowatorskich metod terapii przeciwwirusowej. Tu należy zwrócić uwagę na osiągnięcia profesora Drąga.

Rozprzestrzenianie się komórek

Łatwo jest zrozumieć fakt, że krew transportuje erytrocyty i limfocyty komórki, które należą do tej tkanki (krew jest jedną z tkanek łącznych), ale – jak zwykle – życie jest bardziej skomplikowane. Otóż transportuje także komórki, które powstały w szpiku kostnym i są prekursorami komórek zasiedlających inne tkanki łączne. Takie bardziej „stałe” w porównaniu z płynna krwią. Należą do nich nawet komórki tkanki kostnej. Okazuje się, że komórki wędrują między tkankami i jeśli nie są to przerzuty nowotworowe wszystko układa się należycie.

Metalproteinazy macierzy komórkowej

Macierz komórkowa jest substancją naszego organizmu, która otacza komórki tkanki łącznej. Szczególne i skrajne przykłady tej macierzy to osocze dla komórek we krwi i ta porównywana ze skałą macierz tkanki kostnej zawierające hydroksyapatyt. W macierzy występują metaloproteinazy (ang. matrix metalloproteinase – MMP) , czyli te enzymy, które zawierają w swym centrum aktywnym jon metalu – cynk (Zn⁺⁺). Odgrywają one rolę w zachowaniu się komórek związanym z rozrostem, wędrówką (przyleganie/rozproszenie, różnicowaniem, angiogenezą (tworzenie naczyń), apoptozą (naturalna śmierć komórki), mechanizmami obronnymi.

Tak jak wspomniałam, dla udanego metabolizmu ważna jest równowaga między anabolizmem i katabolizmem. Tak i w przypadku metaloproteinaz są u nas w stosunku do nich naturalne tkankowe inhibitory (ang. – tissue inhibitor of metalloproteinase – TIMP). TIMB są białkami. Opisano cztery, które kontrolują 23 MMP. Zarówno te enzymy, jak i ich inhibitory niestety mogą być produkowane przez komórki nowotworowe i to może powodować rozprzestrzenianie się ich tak zwane przerzuty. .

Syntetyzowane są w komórkach w formie preproenzymu i uwalniane do przestrzeni międzykomórkowej w formie nieaktywnej, jako proenzymy (proMMP) (https://pl.wikipedia.org/wiki/Metaloproteinazy_macierzy_pozakomórkowej). Aktywacja enzymu następuje przez proteolityczne cięcie w rejonie propeptydu. Aktywność metaloproteinaz jest precyzyjnie regulowana na poziomie ich transkrypcji, translacji oraz poprzez inhibitory endogenne, w tym α2-makroglobulinę i tkankowe inhibitory metaloproteinaz (TIMP). W warunkach fizjologicznych uczestniczą one w embriogenezie, an (??) giogenezie, gojeniu się ran, agregacji płytek, a także regulują metabolizm jonów (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0002944011008984). Zmiany aktywności metaloproteinaz zaobserwowano w wielu stanach patologicznych, między innymi w procesach zapalnych, chorobach degeneracyjnych i nowotworach. MMP odgrywają istotną rolę w progresji nowotworu, poprzez pobudzanie wzrostu komórek raka, migrację, inwazję, tworzenie przerzutów i nowych naczyń krwionośnych. Wydzielanie i aktywność metaloproteinaz są zwiększone prawie we wszystkich typach nowotworów u ludzi i korelują ze stopniem zaawansowania, większą inwazyjnością, zdolnością do przerzutów, a także z krótszym okresem przeżycia.

MMP odznaczają się swoistością substratową. Podzielono je na trzy klasy: kolagenazy, żelatynazy i stromolizyny. Nowo odkryta grupa metaloproteinaz błonowych (MT-MMP), która w odróżnieniu od trzech poprzednich jest zakotwiczona w błonie komórkowej, została zaliczona do odrębnej klasy związków (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0945053X15000554#f0010). U nas poznano ich sześć.

MT-MMP odgrywają istotną rolę w rozwoju nowotworów oraz powstawaniu przerzutów guzów różnego pochodzenia.

MMP są używane jako markery nowotworowe. Znalezienie odpowiednich w stosunku do nich inhibitorów oraz poznawanie mechanizmu ich działania daje możliwość znalezienia nowych strategii terapeutycznych.

Na poniższym schemacie pokazuję rozprzestrzenianie się komórek   (https://www.nature.com/articles/nrc745).

Jak zaznaczyłam na schemacie komórka rakowa uwalnia MMP1, 3, 7,9,13, a hamuje je TIMP1.

Teraz należy się poważnie zastanowić, czy suplementowanie się cynkiem będzie sprzyjać MMP naszej, czy tej z komórki rakowe.

Opisałam różne przemiany metaboliczne białek, w których znaczącą rolę odgrywają przetwarzające je enzymy. Wracając do mojej inspiracji – walka z COVID19 i jego enzymami trwa.  Rozumiem, że znowu bardzo dużo szczegółów, ale „diabeł tkwi” właśnie w nich i to jest piękne w czytaniu mądrych ksiąg o odkryciach ważkich dla ludzkości i dzielenia się nimi z czytelnikami.

Dziwny twór, a jednak biologiczny. Patogen – czynnik chorobotwórczy uważany przez wielu za strukturę nieożywioną, bez życia – tak jak każdy pasożyt poza organizmem żywiciela – wirus (łac. – virus – trucizna). Przypominam: pasożytnictwo jest rodzajem wzajemnego oddziaływania między osobnikami różnych gatunków, z których jeden (pasożyt) odnosi korzyści kosztem drugiego (żywiciela – gospodarz mimo woli). Zawsze chodzi o to, aby choć krótko pożyć i koniecznie się rozmnożyć/powielić, czyli utrzymać w należytej lub jeszcze lepszej formie informację genetyczną (kwas nukleinowy) na temat istnienia swego gatunku. Pasożyty mogą mieć różnych żywicieli pośrednich, a w ostatecznym tak formują swe struktury, aby jak najlepiej się przystosować do opanowania kolejnej ofiary i wykorzystać ją do cna. Poniżej przedstawiam schemat wędrówki miedzy gatunkowej koronawirusów. Początek to Bat Cov od nietoperza, a potem SARS-CoV –  ciężki, ostry zespół oddechowy (ang. severe acute respiratory syndrome) od cywety, fretki; MERS-Cov (Middle East Respiratory Syndrom Coronavirus) zakażenie dróg oddechowych od dromaderów; kolejnym Koronawirusem (Coronaviridae) atakującym człowieka jest COVID19(od ang. Coronavirus Disease 2019) – ostra choroba zakaźna układu oddechowego (DOI: (10.1021/acs.jproteome.0c00129).

Wirusy przepełnione są siłą informacyjną z ukierunkowaniem na rozmnożenie (powielenie) kosztem ofiary, nawet za cenę, która go w ogóle nie obchodzi, jej życia. Ta cena jest ważna dla nas ludzi. Choć wirusy wiodą „życie” pasożyta, nie należą do nich. Jak wspomniałam, nie spełniają wszystkich kryteriów żywych organizmów. Nie tworzą komórek, jak Prokariota (bakterie) lub Eukariota (komórki z organellami, jądrem komórkowym, mitochondriami i innymi). Nie istnieją poza żywicielem, nie produkują gamet. Istnieją tylko dzięki żywicielowi i gdy znajdą kolejnego, to go zagospodarowują. Znamy choroby powodowane przez wirusy, które już nie występują, ponieważ udało się zniszczyć ten konkretny wirus ją powodujący. Prawdopodobnie tak jest z prawdziwą ospą (czarną ospą). Ostatni przypadek ospy prawdziwej miał miejsce w 1978, a choroba ta została uznana za eradykowaną (łac. eradicatio – eradykcja – całkowite usunięcie patogenu z organizmów ludzkich, zwierzęcych i innych elementów środowiska (https://sjp.pl/eradykacja) w 1980^. (https://pl.wikipedia.org/wiki/Ospa_prawdziwa).

Odkrycia szczepionki (wariolizacji) przeciw ospie dokonał Edward Jenner. Podawał wirus atakujący inny gatunek – wirus ospy krowiej, potocznie nazywanej „krowianką” – chłopcu w 1796 roku ( https://pl.wikipedia.org/wiki/Edward_Jenner)”. W Polsce powszechny obowiązek szczepień przeciwko ospie czarnej wprowadzono w 1951 roku, a zniesiono w 1980.

W 1988 roku WHO postulowało o eradykcję polio. Tu należy przypomnieć profesora Hilarego Koprowskiego, odkrywcę i twórcę pierwszej w świecie (1950 rok), skutecznej szczepionki przeciwko wirusowi polio, wywołującemu chorobę Heinego-Medina. Otrzymał on atenuwane wirusy od szczurów. Atenuowana odmiana patogenu ma znacznie obniżoną wirulencję (zjadliwość, zdolność wniknięcia, namnożenia się oraz uszkodzenia tkanek zainfekowanego organizmu przez dany typ patogenu przy równoczesnym zachowaniu jego oddziaływania immunologicznego na organizm, czyli pobudzenia układu immunologicznego/obronnego do działania i zapamiętania patogenu). Tyle tytułem wstępu.

Czym jest COVID19?

Patogen składa się z białek, w tym złożonych (glikoprotein) (patrz „Gdy zjemy białko…”), kwasu rybonukleinowego (RNA), a w jego otoczce poza białkami jest jeszcze składnik lipidowy. Nasza główna informacja genetyczna – nasz genom – to kwas deoksyrybonuklelinowy – DNA. Obecne w naszych komórkach RNA jest syntetyzowane w jądrze komórkowym (proces nazywa się transkrypcja) i służy nam do biosyntezy białek (translacja). Podkreślam określenie „naszych białek”, ponieważ po inwazji wirus wymusza w naszych komórkach syntezę jego białek i jego elementów składowych/budowy. Na stronie Protein Data Bank Japan (https://pdbj.org/featured/covid-19) można dowiedzieć się więcej na temat budowy białek wirusa i obejrzeć w kolorze modele poszczególnych białek.

Na poniższym schemacie przedstawiam budowę wirionu COVID19, czyli pojedynczego sferycznego patogenu osiągającego średnicę 120 nm (10 do minus 9 metra) (https://viralzone.expasy.org/764?outline=all_by_species). Tak na marginesie – w związku tą wielkością, aby maska ochronna spełniała swoje zadanie, czyli zatrzymywała ten wirus, powinna mieć odpowiednio mniejsze otwory tak, aby go nie przepuścić.

Na wierzchu otoczki wirionu znajdują się struktury białkowe odpowiedzialne za fuzję, czyli połączenie się z błoną komórkową gospodarza – glikoproteina fuzyjna – proteina S (z ang. spike – szpikulec, strzykawka), będąca trimerem (budowa 4. rzędowa – patrz „Gdy zjemy białko…”).  Zewnętrzne liczne białka wchodzą w skład membrany – białka M i białka okrywy E. Są one istotne w inwazji. Wewnątrz wirionu znajduje się spiralny nukleokapsyd składający się z białek nuklokapsydu N i informacji genetycznej w postaci RNA dochodzącego swą wielkością do 32000 nukleotydów. Informacja genetyczna jest w formie ssRNA(+) i to znaczy, że zawarty w niej jest gotowy mRNA (z ang. mesenger RNA – informacyjny RNA), który po przyłączeniu się do rybosomów zainfekowanej komórki weźmie udział w biosyntezie (translacji) białek „pracujących” na rzecz wirusa. Intruz wykorzystuje cały czas wszystkie substraty z komórki gospodarza.

Zarażenie wirusem jest możliwe tylko wtedy, gdy odnajdzie on w naszej komórce receptor. Receptor jest strukturą, która ma charakter zamka w drzwiach, a wirus ma klucz idealnie do niego dopasowany i właśnie otwiera sobie nim drzwi w celu inwazji.

Infekcja COVID 19 rozpoczyna się od odnalezienia odpowiedniego receptora na błonie komórkowej gospodarza (człowieka) w nabłonku płuc i przewodu komórkowego oraz w tkance nerwowej, a następnie połączeniu się z nim. Zaangażowane w ten proces są struktury otoczki wirusa i błony komórkowej komórki zakażanego: glikoproteiny, cukry błonowe, lipoproteiny. „Rozpoznają” one receptor komórki, powodują fuzję z błoną komórkową i dezintegrację receptora. COVID 19 rozpoznaje receptor błonowy, którym jest enzym proteolityczny i różni się tym od SARS (pandemia w 2002 roku), że grupa białek fuzyjnych S (spike protein) jest cięta (hydroliza) jeszcze dodatkowo przez następną proteinazę TMPRSS2 (ang. Transmembran Protein Receptor Spike Spike2 – białko transbłonowe receptor dla białek fuzyjnych wirionu). Jest to proteinaza serynowa.

Tytułem wyjaśnienia – enzymy proteolityczne, proteinazy, proteazy (Hydrolazy) wewnątrz komórek nazywają się katepsyny lub występują w specjalnych strukturach komórkowych – proteasomy. Wśród enzymów hydrolizujących białka poza nimi i tymi, które biorą udział w trawieniu białek z pokarmu (patrz: „Gdy zjemy białko…”), w naszym organizmie są jeszcze takie, które nazywają się konwertazy (konwersja – zmiana, przekształcenie) i powodują one uczynnienie jakiegoś białka lub peptydu poprzez odcięcie od niego jego fragmentu. Generalnie enzymy proteolityczne tną białka w specyficznych miejscach tak, jak to pokazałam na przykładzie enzymów trawiennych (między konkretnymi aminokwasami). W celu właściwego działania są wyposażone w centra aktywne o różnej budowie. Na poniższym schemacie pokazuję podział na proteinazy ze względu na obecność określonej reszty aminokwasowej właśnie w centrum aktywnym, a nie substracie jakim jest peptyd, polipeptyd, czy białko zbudowane też z aminokwasów wśród, których jest seryna, cysteina, asparaginian. Może to być też jon metalu na przykład cynku. Na poniższej lustracji pokazuję proteazy.

Konweratzy normalnie są nam potrzebne do uzdatniania naszych własnych aktywnych biologiczne peptydów i białek.

Zasadniczym substratem dla konwertaz ACE jest angiotensyna I. (z ang. Angiotenisine Conwerting Enzyme). Są dwie ACE: ACE1 (nazywna tylko ACE) i ACE2 (odkryta wiele lat później. ACE1 należy do metaloprotein i potrzebny do jej aktywności jest jon dwuwartościowy cynku (Zn⁺⁺). Nadciśnieniowcy wiedzą, że zażywane przez nich inhibitory ACE1 dbają o to, aby ich ciśnienie nie było zbyt wysokie (bardzo popularne leki). ACE2 jest proteinazą serynową. ACE1 i ACE2 mają różne mechanizmy aktywności enzymatycznej.

Od angiotensynogenu – białka – jest odłączana angiotensyna 1 (peptyd składający się z 10 aminokwasów) przez enzym z nerki reninę. Następnie biorą się za ten dekapeptyd konweratazy ACE1 i ACE2. W wyniku działania ACE1 powstaje oktapeptyd (8 aminokwasów) Angiotensyna II (Angiotensyna 2), a ACE2 daje peptydy siedmio- i dziewięcio- aminokwasowe. Zwracam na nie uwagę, ponieważ zastosowanie inhibitorów konwertazy ACE (inhibitory ACE1na nadciśnienie) ma wpływ na cały nasz metabolizm, jak również wpłynie na aktywność ACE2. Dla ACE2 będzie więcej substratu i w efekcie powstanie więcej krótszych peptydów niż Angiotensyna II. Na poniższym schemacie przedstawiam udział obu tych konwertaz ACE 1 i ACE2 w naszym metabolizmie (Vaibhav B. Patel. Circulation Research. Role of the ACE2/Angiotensin 1–7 Axis of the Renin–Angiotensin System in Heart Failure, Volume: 118, Issue: 8, Pages: 1313-1326, DOI: (10.1161/CIRCRESAHA.116.307708).

Pokazuję tak dokładnie, aby podkreślić, jak skomplikowane i trudne będzie dla ludzkiego organizmu leczenie poprzez zastosowanie inhibitorów konwertazy angitensyny 2. W oparciu o ten schemat zwracam uwagę na to, jak ważne dla ogólnoustrojowego metabolizmu jest zachowanie odpowiednich proporcji w regulacji aktywności obu konweratz i z tym związanego oddziaływania na nasz organizm pochodnych angiotensyny I (Ang I), a mianowicie peptydów 8 aminokwasowego (angiotensyna II.) i pozostałych 7(Ang 1-7) i 9 (Ang 1-9) aminokwasowych. Receptory dla nich znajduja się w wielu tkankach i ich działanie w naszym organizmie jest szerokie. Wiązanie COVID19 z aktywnością biologiczną/enzymatyczną jest zbyt dalekim uogólnieniem. Osoby, które przyjmują leki hamujace działanie ACE1 nie powinny być bardziej narażone na infekcję tym wirusem niż inni.   

Należy dodać, że jest jeszcze jedna grupa enzymów: furyny. Tną one białka przy aminokwasie arginina (Arg) (Arg-X-(Arg/Lys) -Arg’). Prawdopodobnie mogą też być zaangażowane w zakażenie COVID19, ponieważ znane jest ich działanie w inwazji wielu nieujarzmionych wirusów (https://en.wikipedia.org/wiki/Furin).

Wracając do wirionu COVID19, ma on na swej powierzchni białko fuzyjne – proteinę S (z ang. spike – kolec, strzykawka). Na poniższym schemacie pokazuję złożoność interakcji wirionu z receptorem ludzkiej komórki gospodarza.

Obecna w naszej błonie komórkowej proteaza serynowa (TMPRSS) najpierw przycina ACE2 – fragment białka tego enzymu. Pozostała w błonie komórkowej gospodarza reszta z ACE2 stanowi receptor dla wirionu. Proteaza serynowa przycina także białka fuzyjne – S. Wyeksponowana staje się domena (domena to określony strukturalnie i funkcjonalnie fragment białka – patrz „Gdy zjemy białko…”) wirionu z receptorem (z ang. RBD – Receptor Binding Domain). Do przystosowanego już białka receptora (zdegradowane ACE2) wystającego z błony komórkowej gospodarza przyłacza się wirion poprzez odpowiednią domenę proteiny S.  

W wyniku tego procesu następuje fuzja („zlanie się”) z błoną komórkową żywiciela i wstrzyknięcie zawartości wirionu. W efekcie w zakażenie wirusem zaangażowanych jest kilka białek gospodarza – enzymy i białka strukturalne.

Endocytoza – wchłonięcie

W wyniku fuzji otoczki wirionu z błoną komórki zawartość wirusa dostaje się do komórki gospodarza wraz z fragmentem błony komórkowej żywiciela. Proces ten to endocytoza receptorowa. Ilustruję go na poniższym schemacie.

Penetracja składowych wirionu do komórki gospodarza dzieje sięna drodze endocytozy receptorowej. Białka osłonki wirionu ulegają połączeniu (fuzji) z błoną komórki i następuje wpuklenie. Od strony cytoplazmy obudowują to wpuklenie specjalne białka. Tworzy się pęcherzyk – endosom, który w  kontakcie z lizosomem zostaje wyposażony w enzymy hydrolityczne i odpowiednie środowisko o pH 5 (patrz „Gdy białko…”). Jest to sytuacja korzystna dla COVID19. Zakwaszenie i działanie enzymów hydrolitycznych sprzyja uzdatnianiu do dalszej inwazji składowych wirionu. Niestety, w przypadku COVID 19 sprzyja to jego zjadliwości.   

Co się dzieje we wnętrzu komórki

Zdegradowane wiriony nabierają słusznej aktywności i podporządkowują sobie metabolizm komórki gospodarza. Rozpoczynają swe niecne działanie od biosyntezy potrzebnych im białek. Na poniższym schemacie pokazuję te procesy (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4060729/).

Genom wirionu jest uwalniany do cytoplazmy i tu RNA wirusa napotyka rybosomy gospodarza – struktury na terenie cytoplazmy, na których przebiega biosynteza białek. Teraz zostaną one podporządkowane informacji wirionu i będą syntetyzować jego białka. Wykorzystuje on system biosyntezy białka dla syntezy własnych struktur białkowych i enzymów. Następnie białka te wirusowe biorą udział w replikacji genomu wirusa.

1.Powielenie materiału genetycznego przy użyciu składowych komórki gospodarza. COVID19 podporządkowuje sobie błony siateczki endoplazmatycznej komórki żywiciela tworząc obłonione pęcherzyki – DMV (z angDMV – double membrane vesicle). Potrzebuje tych struktur to prowadzenia biosyntezy swych składowych i dlatego wykorzystuje układ błon wewnątrz komórki – układ Golgiego.

2.Intensywna synteza białek wirusa

3.Dojrzewanie wirionu poprzez tworzenie białek strukturalnych i RNA oraz łączenie ich w gotowy wirion przygotowany do pączkowania poprzez egzocytozę.

Dla cierpliwych i spragnionych historycznej wiedzy o koronawirusie polecam opracowanie z 2014 roku zamieszczające odniesienia do jeszcze starszej literatury (po angielsku) https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2014.00296/full

Genom COVID19 koduje białka niestrukturalne (ang. nonstructural proteins lub nsp; potrzebne do replikacji), strukturalne oraz pomocnicze (ang. accessory proteins). Podobnie jak inne koronawirusy, COVI19 musi wytworzyć cztery złożone białka strukturalne.

S (ang. spike) – białko fuzyjne – glikoproteina powierzchniowa – odpowiedzialne za interakcję z receptorem na powierzchni komórek gospodarz/żywiciela;                                                    E (ang. envelope) – białko płaszcza – odpowiedzialne między innymi za formowanie wirionów;               M (ang. membrane) – białko błonowe lub membranowe – główne białko macierzy wirusa;      N (ang. nucleocapsid) – białko nukleokapsydu – pełniące funkcję ochronną dla dużej cząsteczki RNA oraz uczestniczące w modyfikacji procesów komórkowych i replikacji wirusa.

Gotowe do zakażenia, wiriony (sfery o średnicy 120 nm) dostają się do aparatu Golgiego (systemu wewnątrzkomórkowych błon – stanowiących komórkowy układ wydzielniczy) i wraz z jego pączkowaniem na drodze egzocytozy wydostają się na zewnątrz ludzkiej komórki. Uwolnione poszukują kolejnej ofiary – żywiciela. Zakażają.

Odtrutka – poszukiwania

Obecnie w leczeniu ludzi zainfekowanych COVI19 stosuje się leki działające wewnątrz komórki, do której wdarł się wirus i „rządzi”. Na poniższym schemacie przedstawiam miejsca działania w komórce gospodarza dla wirusa następujących leków: chloroqune, lopinavir/ritonavir, darunavir/cobicistat oraz remdesivir i favipiravir.

Chloroquine

Normalnie w endosomie i lizosomie pH jest około 5 (patrz „Gdy zjemy białko…”) i takie zakwaszenie sprzyja działaniu zawartych w nich hydrolaz (patrz „Działanie bez sił witalnych…”). Powodują one destrukcję dużych cząsteczek – białek, polimerów cukrów i innych substancji, które dostały się do komórki lub już nie są komórce potrzebne. Okazało się, że ta naturalna „obróbka” sprzyja zjadliwości wirusa i daje ona możliwość jego składowym do podporządkowania komórki swoim niecnym działaniom. Chloroquine podnosi pH w endosomach i lizosomach, w których znajduje się wirus na początku swej inwazji na terenie komórki. Tym samym hamuje działanie enzymów hydrolizujących. Lek ten sprzyja także wchłanianiu cynku (działając na jonofor – kanał błonowy) i to prawdopodobnie hamuje enzym biorący udział w metabolizmie kwasów nukleinowych wirusa (polimeraza RNA wirusa zależna od RNA), zatrzymuje w rezultacie powstanie materiału genetycznego wirusa.

Lopinavir/ritonavir i darunavir/cobicistat

Te leki, które są inhibitorami proteaz aspartylowych w wirionie, uszkadzają dojrzewanie wirionu i uniemożliwiają egzocytozę.

Remdesivir i favipiravir

Jako analogi adenozyny – nukleotydu RNA (adenina wchodzi w skład RNA), hamują syntezę (transkrypcję) wirusowej informacji genetycznej – RNA.

Arbidol (umifenovir)

Jest to lek produkowany w Rosji. Substancja ta stymuluje reakcję humoralną organizmu poprzez indukcję produkcji przeciwciał, interferonu, działania makrofagów w ich funkcji żernej (https://en.wikipedia.org/wiki/Umifenovir).

Ivermectin

W publikacji z 3 kwietnia 2020 opisano działanie Ivermectin (iwermektyna). Jest to lek o szerokim działaniu w komórce zainfekowanej i nie dopuszczający do namnożenia się wirusa w zainfekowanej nim komórce gospodarza, ale na razie są to badania in vitro (w szkle czyli w hodowli komórkowej) (https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2020.104787)

Enzym

Wracając do enzymu – proteazy TRMRSS, biorącej udział w receptorowej fuzji wirionu (patrz wyżej), to już od jakiegoś czasu wiadomo, że w dużych ilościach występuje w gruczole krokowym (prostacie) (Chun-Jung Ko et al. Cancer Res 2015;75:2949-2960). Jest go trzykrotnie mniej w błonach komórek nabłonkowych jelita, a ośmiokrotnie w nabłonku płuc. Dowiedziono, że androgeny sprzyjają zwiększonej ilości tego białka w prostacie, a także tego, że sprzyja ono rozwojowi raka tego gruczołu. W terapii ludzi chorych na raka prostaty obniża się stężenie androgenów, ograniczając w ten sposób zawartość TRMRSS w tkankach. Obecnie wiadomo, że bardziej podatni na COVID19 są mężczyźni, a mało jest chorych dzieci. Może to ma związek z androgenami, których stężenie u dzieci jest niezwykle niskie. Prowadzone są prace nad odkryciem inhibitora tego enzymu i zastosowaniu go w terapii przeciw COVID2 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1684118220300827). Zastosowanie takiej substancji w terapii ludzi nie dopuszczałoby zakażeniu wirionem (uszkadzałoby system łączenia wirionu z receptorem).

Powyżej opisałam pokrótce leki stosowane w leczeniu zakażonych COVI19. Są to leki znane wcześniej, przed pandemią COVID 19i stosowane z powodzeniem w leczeniu chorych z powodu inwazji innych wirusów (SARS, MERS, Ebola), pierwotniaków (malaria) a nawet robaków (iwermektyna).

Osocze

Ostatnio próbuje się stosować w leczeniu chorych z powodu COVID19 osocze  ozdrowieńców w nadziei, że będzie ono zawierało przeciwciała niszczące wirus.

Szczepionka

Można podsumować, że leki te są antidotum, ale ciągle chcielibyśmy, aby pojawiły się czynniki prewencyjne, pozwalające na normalny kontakt z naszymi bliźnimi. Czekamy na szczepionkę.

Poniżej przedstawiam najnowsze przedsięwzięcia i pomysły zaangażowane właśnie w prewencję (http://www.mdpi.com/1422-0067/21/7/2657/htm#B39-ijms-21-02657) Int.Mol. Sci. 2020, 21(7), 2657; https://doi.org/10.3390/ijms21072657 (registering DOI). Otrzymane: 12 March 2020 / Revised: 7 April 2020 / zaakceptowane: 8 April 2020 / Opublikowane: 10 April 2020). Proszę o zwrócenie uwagi na fakt, że jest to praca zrecenzowana i w dodatku bardzo „świeża”.

Przypomnę, że szczepionka to preparat biologiczny imitujący naturalną infekcję i prowadzący do rozwoju odporności analogicznej do tej, którą uzyskuje organizm w czasie pierwszego kontaktu z prawdziwym drobnoustrojem – bakterią lub wirusem (https://pl.wikipedia.org/wiki/Szczepionka). Szczepionka zawiera antygen (antygen to substancja, która wprowadzona do organizmu wywołuje u niego reakcję immunologiczną, która polega na zwiększeniu liczby limfocytów i wytworzeniu się swoistych przeciwciał) stymulujący układ odpornościowy do indukcji swoistej odpowiedzi immunologicznej przeciw określonemu drobnoustrojowi. Dzięki wytworzeniu pamięci immunologicznej w przypadku kolejnego kontaktu z antygenem wtórna odpowiedź immunologiczna szybciej i skuteczniej eliminuje patogen, co uniemożliwia naturalny przebieg choroby, wraz z wykształceniem się typowych dla niej objawów klinicznych. W skład szczepionki może wchodzić żywy, o osłabionej zjadliwości (atenuowany) lub zabity drobnoustrój, a także inne fragmenty jego struktury, czy metabolity. Szczepionkę podaje się w celu ochrony przed ciężkim przebiegiem choroby i powikłaniami. Uzyskanie odporności nabytej w wyniku szczepienia jest znacznie bardziej bezpieczne niż w wyniku „naturalnego” zachorowania, które może być groźnie dla życia. Przy szczepionkach stosowanych w Polsce jeden niepożądany odczyn poszczepienny występuje przeciętnie raz na 10 000 szczepień.

Odkrycie szczepionki na COVID19 jest ogromnym wyzwanie dla ludzkości, ponieważ ma zahamować pandemię. Genom wirusa jest już poznany, jak również jego mechanizm zakażenia. Niestety, prace nad otrzymaniem szczepionki wydają się być procesem długofalowym. Najlepszym kandydatem do „rozpracowania” pod tym kątem jest proteina S – białko fuzyjne („szpikulec”) wirusa.

W tym miejscu przypominam o fazach badań klinicznych mających I, II i III. etap. Każdy z etapów badania klinicznego jest niezbędny do pozytywnego zakończenia całej procedury. Zły wynik na jednym etapie uniemożliwia przejście do kolejnego. Badania kliniczne rządzą się jasno ustalonymi zasadami i mechanizmami, których przestrzeganie pomaga utrzymać wysoki poziom, bezpieczeństwo i skuteczność. Niektórzy wskazują także IV fazę badań klinicznych, która jest prowadzona po tym, jak nowy lek uzyska pozwolenie na wprowadzenie do obrotu. Ten etap ma na celu przepisanie leku przez lekarzy przyjmujących pacjentów w placówkach służby zdrowia i zebranie wyników w oparciu o znacznie większą grupę badanych. Faza ta nie jest stricte związana z badaniami klinicznymi, dlatego też przede wszystkim ważne są etapy I, II i III.

mRNA-1273

Na początku stycznia 2020 został zsekwencjonowany, czyli określono skład RNA COVID19, genomu SARS-CoV-2. Otrzymano już syntetyczne mRNA (mRNA-1273), które koduje proteinę S (zawiera na nią informacje genetyczną). Po podaniu go domięśniowo człowiekowi oczekuje się immunologicznej reakcji bezpośrednio przeciw proteinie S. Synteza tej substancji i podanie jej w lipidowych nanokapsułkach (typu liposomy) nie wymaga preparowania samego wirusa. Jest to relatywnie bezpieczne i gotowe do sprawdzenia. Obecnie ta metoda z mRNA-1273 przechodzi I-fazę badań klinicznych.     

INO-4800

INO-4800 jest szczepionką z DNA proponowaną przez Inovio Pharmaceuticals. Ta genetyczna szczepionka ma być podana do tkanek ludzi. Tam ma spowodować kolejno syntezę odpowiedniego RNA do biosyntezy białka (translacji), a potem białek, które powinny wywołać reakcję immunologiczną/obronną organizmu. Formą podania ma być plazmid (kolista cząsteczka DNA).

ChAdOx1 nCoV-19

Ta szczepionka jest proponowana przez Uniwersytet Oksfordzki. Wykorzystany jest fragment nie replikowany adenowirusa (do komórek ludzi można między innymi wprowadzać obce geny za pośrednictwem wirusów – tzw. wektory wirusowe) z dodaną genetyczną informacją dla proteiny S. Ten projekt jest I/II fazie badań klinicznych. To, że podaje się niereplikowalny fragment wirusa stwarza relatywne bezpieczeństwo dla dzieci i osób obciążonych chorobami. Poza tym ten wektor wirusowy chętnie wiąże się z nabłonkiem w drogach oddechowych i przewodu pokarmowego, gdzie występuje dużo ACE2 receptorów dla COVID19. Oczywiście skuteczność wywołania reakcji immunologicznej/obronnej tej szczepionki wymaga dalszych badań. O tego typu szczepionce wspomina ostatnio onkolog profesor Jan Walewski.

Stabilizowana podjednostka wirusa.

Dzięki inżynierii genetycznej otrzymano białka rekombinowane otoczki wirusa o budowie IV rzędowej – podjednostkowej, które są stabilne. W Uniwersytecie Queensland zastosowano metodę „molecular clamp” (zacisk molekularny – klamry aminokwasowe), powodującą stabilność błonowych białek wirusa (z ang. stabilizowana podjednostka szczepionek – Stabilized Subunit Vaccines ). Takie stabilne białka mogą wchodzić w skład szczepionki, która wywoła silną reakcje obronną/immunologiczną organizmu. Naukowcy z University of Queensland próbują stworzyć szczepionkę przy użyciu tej metody. Projekt został sfinansowany przez Coalition for Epidemic Preparedness Innovations, które z kolei otrzymały fundusze od Fundacji Gatesa oraz rządów Norwegii, Japonii i Niemiec. 

Szczepionka z nanocząstek

Zastosowanie nanocząstek jest alternatywną formą wprowadzenie antygenu. Nanocząstka może być sprzężona z elementem wirusa (antygenowym epitopem) i udawać wirion. Dzięki temu  spowoduje reakcję układu immunologicznego w kierunku produkcji białek obronnych (cytokin). Taka szczepionka mogłaby być podawana wziewnie do nosa lub w aerozolu doustnym. Novavax, Inc. wyprodukował szczepionkę z zastosowaniem nanocząstek mających w sobie jako białko antygenowe proteinę S (białko fuzyjne wirionu). Pierwszy etap badań klinicznych rozpocznie się latem.

Sztuczne struktury prezentujące antygen będący specyficznym patogenem (Pathogen-Specific Artificial Antigen-Presenting Cells)

Wiadomo, że specyficzne w stosunku do określonego antygenu limfocyty T są zdolne do zwalczenia komórek rakowych i infekcji wirusowej. Jeżeli sztuczną strukturę wyposażymy w odpowiedni antygen, to pobudzi ona do aktywności komórki odpornościowe zdolne do jej unicestwienia. Sztuczne „komórki” mające na swej powierzchni (prezentujące) genetycznie zmodyfikowany antygen wirusa podane człowiekowi mogą spełnić funkcje szczepionki. Badania w tym kierunku zostały rozpoczęte.(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5560309).

Na poniższym schemacie pokazuję streszczenie dotyczące zakażenia COVID19 (https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S2095177920302045-fx1_lrg.jpg)

Inwazja wirusa COVID19 jest sama w sobie niekorzystna dla ludzkich komórek, zabójcza. Wywołuje ona silną reakcję całego organizmu w postaci syntezy i wyrzutu ogromnej liczby różnych cytokin (https://pl.wikipedia.org/wiki/Cytokiny). Cytokiny to białka wpływające na wzrost, proliferację i pobudzenie komórek biorących udział w odpowiedzi odpornościowej oraz komórek hemopoetycznych. Cytokiny mogą wybiórczo pobudzać odpowiedź komórkową lub humoralną, co w połączeniu z ich ilością (ponad 100 opisanych cytokin i wciąż odkrywane nowe) powoduje, że powstaje niezwykle skuteczny, ale także bardzo skomplikowany i czuły system powiązań pomiędzy komórkami układu odpornościowego, tzw. sieć cytokin. Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że cytokiny wpływają nie tylko na leukocyty, ale także na inne komórki organizmu, stymulując powstawanie gorączki, regulując morfogenezę komórek i tkanek, czy też biorąc udział w procesach patologicznych i działając cytotoksycznie. Dodatkowo należy wziąć pod uwagę oddziaływania pomiędzy cytokinami. Te i inne fakty nakazują spojrzeć na cytokiny nie tylko jako na białka działające lokalnie, ale także jako na grupę cząsteczek o kluczowym znaczeniu dla funkcjonowania danego organizmu. Niestety, COVID19 wywołuje tzw. burzę cytokin, ich nadprodukcję, która dodatkowo utrudnia leczenie zakażonych.

Jak przedstawiłam, bardzo wielu naukowców i wiele firm farmaceutycznych walczy o to, aby jak najszybciej i najskuteczniej opanować pandemię COVID19. Stosowane są bardzo nowatorskie techniki badawcze i supernowoczesne metody produkcyjne. Bądźmy dobrej myśli.

Korzystałam także z https://pl.wikipedia.org i z  Biochemia – JM Berg, JL Tymoczko, L Stryer PWN, Warszawa, 2005

„ 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

O tym, jak natura i farmakologia radzą sobie z nadmiarem cholesterolu, czyli preparaty  farmaceutyczne i nutraceutyczne. Czasem lepiej, a czasem wcale. Zawsze należy pamiętać o tym, że cholesterol jest niezbędny do naszego funkcjonowania. Przypomnę, że na przykład ponad 20% tłuszczów w błonach komórek mózgu to właśnie cholesterol. Bez niego nie funkcjonujemy. Nawet kompletne wyeliminowanie tego lipidu z diety – dieta wegańska (bez produktów ze ssaków, ptaków, ryb i skorupiaków tudzież innych bezkręgowców) – nie powstrzyma naszej własnej produkcji. Polubmy go, ponieważ jest dla nas niezbędnym składnikiem, substratem do syntezy hormonów steroidowych, w tym kalcytriolu (wit. D) i kwasów żółciowych (patrz „Polub swój cholesterol 2. część).

Na poniższym schemacie pokazuję, jak wielorakie mogą być działania farmakologiczne w kierunku obniżenia stężenia cholesterolu w organizmie. W dalszej części po kolei je omówię.

Kontynuuj czytanie

Jak tryby w maszynie, jak kręcące się koła zębate od najmniejszych po olbrzymie, wszystkie znaczące w konsekwencji działania maszyny, tak metabolizm cholesterolu pozostaje zależny od innych substancji występujących w naszym organizmie. Jeżeli komuś się wydaje, że przechytrzy ten skomplikowany i precyzyjny ustrój, to przegra. W pierwszej części „Polub swój cholesterol” poradziłam, jak przygotować się do diagnostyki cholesterolu i „profilu lipidowego”. Okazuje się, że nie jest to takie łatwe. Sąsiad (już uświadomiony, ale nie do końca świadomy) na 12 godzin przed oddaniem krwi do analizy zjadł porcję ryżu (miła kolacja z winkiem) i jakie było jej zdziwienie, że nie dość, iż glukoza podskoczyła to i cholesterol był zbyt wysoki. Niestety, trzeba pamiętać, że pokarm nie jest trawiony natychmiast i to w całości. Ryż jest daniem wysoko węglowodanowym. Pobieramy z niego dużo glukozy, a ta z kolei podnosi stężenie insuliny we krwi, ponieważ nie mogłaby bez niej dostać się do komórek tkanek obwodowych. Jednak insulina wpływa nie tylko na stężenie glukozy we krwi, pobudza ona także syntezę naszego cholesterolu. W efekcie ta „mała miska ryżu” zjedzona nie w porę wpłynie na zafałszowanie naszej diagnostyki cholesterolu i „profilu lipidowego”.  

Trochę historii

Kontynuuj czytanie

Kardiolodzy, dietetycy i reklamy w mediach ostrzegają przed groźnym cholesterolem. Moja 86-letnia babcia już trzydzieści lat temu bała się cholesterolu. A tymczasem jest to substancja lipidowa (tłuszczowa) niezbędna dla naszego organizmu.  

Kontynuuj czytanie

Starzenie – a na co nam to? Resweratrol RSV

Jak przestrzegał nas Goethe, opisując problemy doktora Henryka Fausta (Faust Johann Wolfgang von Goetego, 1833), w stosunku do starzenia należy być ostrożnym. Najlepiej to pogodzić się z procesem starzenia i przemijania. Przypadkowo trafiłam na film, którego tytułu niestety nie pamiętam (i reżysera również) przedstawiający życie w miasteczku, obok którego przepływała woda o specjalnych własnościach. Utrzymywała ona mieszkańców w dobrym zdrowiu i co należy szczególnie podkreślić z młodym wyglądem do 90. urodzin. W tym dniu uroczyście topiono jubilata w fontannie z cudowną wodą. Odbierano życie osobie w zaawansowanym wieku, ale w pełni sił. Młoda para bohaterów (około 30.) w konsekwencji samochodowej kolizji trafiła do tego miasteczka. Cudowną wodą błyskawicznie usunięto wszelkie zadrapania. Mogli zostać w miasteczku i cieszyć się młodością aż do 90. urodzin. Proszę sobie wyobrazić, że uciekli do naszego zwyczajnego świata, do starzenia i niepewności sił witalnych. Może jest i jakiś morał z tego filmu? Należy też przypomnieć film Paolo Sorentino „Youth” (2015) i Francisa F. Coppoli „Młodość stulatka” (1996) i „Jack” (2007) oraz Roberta Zemeckisa „Ze śmiercią jej do twarzy” (1992).

Przy okazji starzenia, które jest konsekwencją życia, chcę wspomnieć o progerii. Progeriajest to „przedwczesna starość” – rzadki, genetycznie uwarunkowany zespół, charakteryzujący się przyspieszonym procesem starzenia (https://pl.wikipedia.org/wiki/Progeria). W wyniku tej choroby białko, które stabilizuje błonę otaczającą jądro komórkowe, jest wadliwe. Średnia długość życia osób z progerią wynosi 13 lat, bo nie ma na tę chorobę lekarstwa.          Naukowcy szczególnie interesują się progerią, gdyż badania nad tą chorobą mogą nie tylko pomóc chorym na nią, ale także ujawnić informacje dotyczące procesu starzenia. Osoby z tą chorobą zaistniały w świecie mediów. Sam Berns, ur. 23 października 1996 r. chłopiec, który cierpiał na progerię, był najbardziej znaną osobą z tą chorobą. Zmarł w wieku 17 lat i pomógł podnieść świadomość społeczną o swojej chorobie. Powstał z jego udziałem film dokumentalny „Świat według Sama” (2013); w reżyserii Sean Fine i Andrea Nix. Następną znaną osobą była Hayley Okines, ur. 3 grudnia 1997 r., Brytyjka zmarła w wieku 17 lat z powodu zapalenia płuc. Z kolei Adalia Rose, ur. 10 grudnia 2006 r., pochodząca z Teksasu, została poznana dzięki teledyskowi Gangnam Style południowokoreańskiego wokalisty PSY, do którego tańczyła w 2012 roku. Obecnie robi filmiki na Facebooku − ma ponad 14 milionów obserwatorów. Beandri, ur. 2005 r., dziewczynka pochodząca z południowej Afryki, ma własny profil na Facebooku, który nazywa się Beandri, our inspiration. Leon Botha, ur. 4 czerwca 1985 r. w Kapsztadzie, znany w RPA didżej i malarz, współpracował między innymi z Die Antwoord, wystąpił w wideoklipie do utworu Enter the Ninja. Zmarł dzień po swoich 26. urodzinach, 5 czerwca 2011 r, co czyniło go jedną z najdłużej żyjących osób z tym schorzeniem (www.wikipedia pl.)

W poprzednim opracowaniu (8 października 2019) pisałam o wysoce reaktywnych formach tlenu i tlenków azotu. W zrównoważonych ilościach substancje te są potrzebne naszemu organizmowi. Niestety, u starzejącego się człowieka zaczynają przeważać związki niepożądane.

Procesy zachodzące w naszym organizmie podczas starzenia udaje się naukowcom, a za nimi farmaceutom, opóźnić i choć trochę złagodzić. Rozwija się geriatria, ponieważ żyjemy dłużej i chcemy też dobrze się czuć.

Co z tym reseweratrolem RSV?                                                                       RSV jest jedną z wielu substancji proponowanych jako „lek na starość”. Wielu badaczy uważa, że związek ten jest odpowiedzialny za „francuski paradoks” – tzn. wyjątkową w Europie Zachodniej średnią długość życia Francuzów, mimo ich teoretycznie niezbyt zdrowej, zbyt tłustej diety i picia dużej ilości alkoholu. Alkohol ten jest jednak spożywany głównie w formie czerwonego wina, w którym występuje wysokie stężenie RSV (J. Agric. Food Chem. 20. 56, s. 9362–9373, 2008. DOI: 10.1021/jf801791d.⁾

Wiele badań nad RSV przeprowadził zespół Davida Sinclaira z Uniwersytetu Harvarda. Założył on firmę Sirtris Pharmaceuticals, Inc., obecnie własność GlaxoSmithKline. Napotkano komplikacje w fazie badań klinicznych i w związku z tym nie ma w aptekach leku RSV.

RSV jest związkiem organicznym (polifenolem, flawonoidem) produkowanym przez rośliny. Jak już wspomniałam (tekst z 9 października), aminokwasy i cukry występują w postaci izomerów L i D, natomiast RSV w naturze jest izomerem trans. Jest to jego forma biologicznie aktywna oddziałująca na gen SITR1 (wyjaśnię to dalej).

Według: http://pl.wikipedia.org/wiki/Resweratrol

Stanowi on dla roślin naturalną obronę przed infekcjami. Ze względu na jego budowę chemiczną uważa się, że może zapobiegać w naszym organizmie szkodliwym reakcjom z „agresywnymi” formami tlenu i tlenków azotu, działać antyrakotwórczo, wpływać pozytywnie na układ odpornościowy, hamować wzrost bakterii, zmniejszać skłonność do tworzenia zakrzepów oraz przeciwdziałać chorobom neurodegeneracyjnym. Właściwie może być tabletką na wszelkie kłopoty ze zdrowiem człowieka w XXI wieku. Jednak mimo tego, że po raz pierwszy został wyizolowany w 1939 roku i naukowcy opisali jego działanie na podstawie różnych eksperymentów w ponad 20 000 prac (Biomol Ther 27(1), 1-14 (2019)), ciągle nie wszedł do użytku jako sprawdzony lek. Wyizolował go Michio Takaoka z korzenia Veratrum grandiflorum. Nazwa prawdopodobnie pochodzi od słowa: res – rezorcynol (odczynnik do preparowania), veratr – od nazwy rośliny i -ol (od grup hydroksylowych w cząsteczce -OH). Jest tylko proponowany w niskiej dawce jako suplement diety razem z probiotykiem inuliną (polifruktozą) i leucyną (aminokwasem). Dawka w suplementach diety jest tak niska (w granicach 50 mg), że wydaje się być pozostająca bez wpływu na ludzki organizm. Naukowcy sądzą, że dopiero dawka powyżej 500 mg jest terapeutyczna (Nutrients 2019, 11, 143; doi:10.3390/nu11010143).

Najstarsza praca o znaczeniu RSV (rok 1993) jest o jego wpływie na metabolizm lipidów  (E.N.FrankelA.L.WaterhouseJ.E.Kinsella Inhibition of human LDL oxidation by resveratrol, Volume 341, Issue 8852, 24 April 1993, Pages 1103-1104), a ostatnia, która ukaże się w przyszłym roku (Front Biosci (Elite Ed). 2020 Jan 1;12:139-149), dopiero zapowiedziana, jest o znaczeniu tej substancji w leczeniu choroby Alzcheimera, Pokazuje to szeroki wachlarz zainteresowania tą substancją, a z drugiej strony jej rozległą użyteczność w terapii. Co ciągle pozostawia pole do popisu dla naukowców.

W oparciu o „francuski paradoks” kardiolodzy zalecają tylko 100 ml czerwonego wytrawnego wina dziennie. I przestrzegają przed kumulacją na koniec tygodnia. Rzeczywiście winogrona są najlepszym naturalnym źródłem RSV, a czerwone zawierają go więcej niż zielone. W świeżych skórkach winogron występuje 50-100 mg tego związku na 1 g, co stanowi 5-10 % ich biomasy (jedzmy rodzynki, ale może są zbyt kaloryczne?).

Kontynuuj czytanie

Do napisania tego artykułu zainspirowała mnie rozmowa o suplemencie diety, jakim jest arginina (L-arginina, L-Arg). Dla mnie jest oczywiste, że „L”, ponieważ organizm człowieka używa izomery aminokwasów właśnie z tego szeregu, natomiast cukry z szeregu izomerów „D” i rzadko podkreśla się, że jest to na przykład D-glukoza (na przykład w diagnostyce).

Wiadomo od dawna, że podawanie argininy osobom po 60-tce poprawia ich komfort życia. Ten aminokwas jest potrzebny w kilku przemianach metabolicznych. W dalszej części opowiem o tej – związanej z chorobą niedokrwienną serca – dysfunkcją naczyń krwionośnych, nadciśnieniem.

Kontynuuj czytanie

Noblista z 1907 roku chemik Eduard Buchner prowadził badania w zakresie biochemii i odkrył, że fermentacja może zachodzić bez udziału sił witalnych, czyli bez żywych komórek. To był początek odkrycia enzymów.                       

Należy podkreślić, że enzymy mogą działać poza organizmem, ale organizmy nie będą żyły bez własnych enzymów, ponieważ są one niezbędne w metabolizmie. Biorą czynny udział  w przetwarzaniu substratu w produkt. Substraty to substancje metaboliczne, które są przyłączane przez dany enzym (każdy enzym ma centrum aktywne) i przy jego udziale przekształcane w produkty. Enzymy są białkami (proteinami), którym towarzyszą jony nieorganiczne, a także związki organiczne często pochodzące z witamin dostarczanych organizmowi z pokarmem.

Kontynuuj czytanie