Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Vápnik v bunke

Prečo hormóny okrem vstupu vápnika z mimobunkového priestoru podporujú aj uvoľnenie vápnika z vnútorných zdrojov
 |  5. 9. 1997
 |  Vesmír 76, 508, 1997/9

Ióny vápnika spolu s inými biologicky aktívnymi látkami zohrávajú vo vnútrobunkovej signalizácii významnú úlohu. Zúčastňujú sa na regulácii najrôznejších fyziologických procesov, ako sú rast a vývoj bunky, tvorba bielkovín, sťah svalových vlákien, či prenos signálu medzi nervovými bunkami. Preto neprekvapí, že sa vápnik teší mimoriadnej pozornosti a vedci venujú nemálo úsilia, aby odhalili jeho tajomstvá.

Kvôli názornejšej predstave na úvod ukážeme, akú úlohu zohráva vápnik pri činnosti svalu. K tomu, aby sa pokojný kostrový sval stiahol, čo je jeho hlavnou úlohou, musí byť stimulovaný nervom. Z podráždeného nervu sa v blízkosti svalového vlákna vylieva signálna látka (acetylcholín). Na membráne svalového vlákna sa nachádzajú receptory pre túto látku spojené s vápnikovými kanálmi. Len čo sa na receptory naviaže acetylcholín, vápnikové kanály sa otvoria, a vápnik z mimobunkového prostredia (kde je vo vysokej koncentrácii) začne prenikať do svalovej bunky (kde je koncentrácia vápnika o mnoho nižšia). Ca2+ ióny prenikajúce do svalového vlákna podnecujú kontraktilné bielkoviny k tomu, aby sa stiahli. Súčasný sťah veľkého množstva kontraktilných bielkovín sa prejaví ako sťah celého svalového vlákna.

Základom úspechu je veľmi jemná regulácia koncentrácie vápnika v bunke

Koncentrácia Ca2+ vnútri bunky dosahuje hodnoty nižšie ako 0,1 mol/l, v mimobunkovom prostredí viac ako 2 mmol/l. Aby bunka udržala takú nízku pokojovú hladinu vápenatých iónov v cytoplazme, musí ich neustále odčerpávať. Vylučuje ich sčasti cez plazmatickú membránu do mimobunkového prostredia a sčasti ich naberá do vnútrobunkových zásobníkov, najmä do endoplazmatického retikula. Toto prečerpávanie je aktívnym procesom (čerpadlá pri svojej práci spotrebúvajú ATP – bunkové platidlo) a sprostredkúvajú ho membránové bielkoviny – vápnikové pumpy a sodíkovo-vápnikový výmenník.

Pre riadne fungovanie bunky je nevyhnutné, aby v pravej chvíli hladina vápnika v cytoplazme stúpla. Vstup Ca2+ iónov z mimobunkového prostredia do bunky umožňujú vápnikové kanály – bielkovinové komplexy lokalizované v plazmatickej membráne. Ich priepustnosť pre ióny vápnika môže byť regulovaná buď zmenami elektrického potenciálu na bunkovej membráne (hovoríme o napätím riadených kanáloch) alebo informačnými molekulami – poslami – nachádzajúcimi sa či už v mimobunkovom alebo vo vnútrobunkovom prostredí (v tomto prípade sa jedná o chemicky riadené kanály). Spravidla je vstup vápnika riadený kombináciou viacerých signálov. Hoci u buniek existuje tento mechanizmus pre vstup vápnika, využívajúci jeho stabilnú a takmer bezlimitnú zásobu v mimobunkovom prostredí, vyvinula sa aj iná signálna cesta. Je založená na uvoľnení vápnika z vnútrobunkových rezervoárov, najmä endoplazmatického retikula. Vyvstáva otázka, aká je úloha vnútrobunkových zdrojov vápnika, a aké prinášajú bunkám výhody. Odpoveď je viac menej hypotetická, je však založená na nasledujúcich argumentoch.

Mobilizácia vápnika z vnútorných zdrojov je lacnejšia než jeho vtok z mimobunkového prostredia

U väčšiny eukaryotických buniek je hlavná časť intracelulárneho Ca2+ uchovaná v endoplazmatickom retikule (ER). Celková koncentrácia vápnika v tejto organele sa pohybuje v rozmedzí 2 – 5 mmol/l. Časť tohoto množstva je viazaná na špeciálne bielkoviny, preto nemožno presne určiť koncentráciu voľného ionizovaného Ca2+ vo vnútri ER, dá sa však predpokladať, že dosahuje úroveň medzi stovkami mol/l prípadne až mmol/l. Koncentrácia voľného vápnika v ER je teda porovnateľná s koncentráciou vápnika v mimobunkovom prostredí. Na plazmatickej membráne oddeľujúcej bunku od vonkajšieho prostredia sa neustále udržuje napätie (-40 – - 90 mV). Vonkajšia strana membrány nesie kladný náboj, vnútorná záporný. Detailnejšie vysvetlenie príčin tohoto javu presahuje rozsah nášho článku. Pre nás je v tejto chvíli zaujímavé, že na membráne ER takéto napätie neexistuje. Vápnikové katióny prečerpávané z cytoplazmy cez plazmatickú membránu von z bunky musia prekonávať existujúci gradient elektrického náboja, na rozdiel od vápenatých katiónov prečerpávaných z cytoplazmy do ER. Uskladnenie Ca2+ iónov v ER je preto energeticky menej náročné než ich uskladnenie v mimobunkovom priestore.

Mobilizácia vápnika z ER umožňuje rýchlejší vzostup jeho koncentrácie v hlbších partiách bunky

V dôsledku prítomnosti už spomínaných bielkovín viažúcich vápnik v cytoplazme je rýchlosť difúzie Ca2+ v bunke až tridsaťnásobne nižšia ako v čistej vode. Zistilo sa, že už vo vzdialenosti 100 nm od otvoreného Ca2+ kanála poklesne hladina Ca2+ až o 63 %. Aby došlo k dostatočnému nárastu koncentrácie Ca2+ hlboko v bunke, musela by koncentrácia vápnika v bezprostrednom okolí kanála dosiahnuť veľmi vysoké hodnoty, ktoré by mohli pôsobiť toxicky. Mobilizácia Ca2+ z ER poskytuje riešenie tohoto problému. Membrána ER obsahuje dva typy vnútrobunkových Ca2+ kanálov, jeden citlivý na cyklickú adenozíndifosfátribózu (cADPR) a druhý kanál, ktorý je stimulovateľný lipidickým druhým poslom inozitol-1,4,5-trisfosfátom (IP3). Oba kanály sú štrukturálne podobné a otvárajú sa, ak sa na ne naviaže IP3 respektíve cADPR. Molekuly IP3 a cADPR vznikajú, ak hormón stimuluje receptor nachádzajúci sa na bunkovej membráne. Rýchlosť difúzie IP3 a pravdepodobne aj cADPR je asi dvadsaťkrát vyššia ako rýchlosť difúzie samotného Ca2+, to umožňuje rýchly prenos signálu z plazmatickej membrány na membránu endoplazmatického retikula, a teda skoršie zvýšenie koncentrácie Ca2+ v cytoplazme. Je zaujímavé, že oba kanály môžu byť regulované spätnou väzbou – reagujú na zvýšenú hladinu Ca2+ jednak vo vnútri ER a taktiež v cytoplazme. Takto poskytuje tzv. spoločná regulácia oboch typov kanálov extrémnu možnosť časovej, ale najmä priestorovej organizácie bunkového signálu.

Endoplazmatcké retikulum zabezpečí rýchlejší návrat k pokojovej hladine vápnika

Pre normálne fungovanie buniek je nevyhnutné, aby po rýchlom vzostupe koncentrácie vápnika, vyvolanom mimobunkovým signálom, došlo k dostatočne rýchlemu návratu hladiny vápnika na pokojovú úroveň. Jednou z možností okamžitého zníženia koncentrácie voľného Ca2+ je jeho naviazanie na špeciálne bielkoviny. Tento mechanizmus však neumožňuje dostatočne rýchle zmeny koncentrácie Ca2+. Alternatívou je mechanizmus aktívneho transportu Ca2+ z cytoplazmy pomocou endoplazmatickej vápnikovej pumpy na úkor metabolickej energie vo forme ATP. Keďže u väčšiny buniek povrch ER presahuje celkový povrch plazmatickej membrány (niekedy až 38krát), je táto organela ideálnym a dostatočne rýchlym uchovávačom na strane jednej a zdrojom Ca2+ v bunke na strane druhej.

Intracelulárne signálne cesty musia mať schopnosť reagovať na opakujúce sa stimuly, nasledujúce v krátkom časovom intervale za sebou. Znamená to, že tvorba posla (IP3) nesmie byť taká rýchla, aby spôsobila okamžité vyprázdnenie vnútrobunkových zásobníkov Ca2+ iónov. Ak porovnáme počet a vodivosť vápnikových kanálov (umožňujúcich uvoľňovanie vápnika z endoplazmatického retikula) s efektívnosťou pumpy, ktorá umožňuje spätné naberanie vápnika do ER, zistíme, že aktivácia už malého percenta receptorov by aj napriek 100% fungovaniu vápnikovej pumpy spôsobila veľmi rýchle a kompletné vyprázdnenie Ca2+ zásobníkov. Odpoveď na otázku, ako rýchlo mobilizovať Ca2+ z ER bez toho, aby došlo naraz ku kompletnému vyprázdneniu Ca2+ zásobníka, poskytuje nezvyklá kinetika IP3 kanála (podobne sa správa aj cADPR kanál). Aj pri maximálnej koncentrácii IP3 sa uvoľní len časť vápnika z IP3 citlivých kalciových zdrojov. Hoci mechanizmus tohoto javu ostáva zatiaľ tajomstvom, je už dnes zrejmé, že sa dôležitou mierou podieľa na realizácii rýchlej a stupňovitej mobilizácie vápnika z vnútrobunkových zdrojov a tak zabezpečuje odpoveď bunky na hormonálnu stimuláciu.

Vápnik je len jedným z kamienkov v mozaike vnútrobunkových fyziologických procesov, a súčasnou úlohou výskumníkov je postupne objavovať kamienky ďalšie. Na dobu, kedy budeme môcť vzhliadnuť mozaiku v celej jej nádhere, si ešte nejaký čas počkáme. V každom prípade nám však bolo potešením poodkryť mechanizmy, ktoré umožňujú tajomstvami zahaleným živočíšnym bunkám vykonávať spoľahlivo ich úlohy v organizme.

Citát

STEVEN HASSAN: Jak čelit psychické manipulaci zhoubných kultů, nakladatelství Tomáše Janečka, Brno 1994, str. 65-67, 72-73

„Kulty“ nejsou nic nového pod sluncem. Nadšenci kolem charismatických vůdců nejrůznějšího zaměření se vyskytovali ve všech dobách. V posledních letech však vzniklo ještě něco navíc: cílevědomé využití moderních psychologických technik za účelem oslabení vůle a kontroly myšlení, cítění a chování.

Přestože obvykle spojujeme „kulty“ s náboženstvím (Websterův slovník je definuje jako „náboženskou praxi, bohoslužbu, uctívání“, jde ve skutečnosti o něco naprosto světského. Webster definuje kult též jako „většinou malý nebo úzký kroužek lidí, které spojuje oddanost nebo nadšení pro nějaký umělecký či intelektuální program, snahu, cíl nebo osobnost (omezenějšího vlivu)“. [...] Kvůli stručnosti budeme nadále používat slova kult pouze pro takové skupiny, které lze označit jako destruktivní neboli zhoubné. [...]

Asi před čtyřiceti lety se začalo v psychologii experimentovat s individuální a skupinovou dynamikou, a to s nejlepšími úmysly: zbavit člověka ohlupujících myšlenkových stereotypů a ukázat mu, že může být zcela jiný. Koncem šedesátých let získala popularitu skupinová terapie, známá jako „umění jednat s lidmi“. V těchto kroužcích se lidem doporučovalo, aby s ostatními účastníky probírali své nejintimnější soukromé problémy. Velmi oblíbená byla metoda „horkého křesla“, kdy jeden člen skupiny seděl uprostřed ostatních a odpovídal na jejich otázky ohledně svých nedostatků a potíží. Je zbytečné zdůrazňovat, že bez vedení zkušeného psychiatra se tato technika může zvrhnout ve velmi nepříjemnou záležitost. Jiný jev, který začal ovlivňovat řadu lidí, byla popularizace hypnózy, zejména v podobě neurolingvistického programování, [...] Metod skupinové terapie se většinou používalo pouze u dobrovolníků, a to s pozitivními výsledky. Brzy však tyto techniky pronikly do obecného povědomí populární psychologie, kde jich mohl kdekdo zneužít. Mnozí je začali bezohledně praktikovat, aby získali peníze, moc, [...] Proč je veřejnost vůči psychické manipulaci zhoubných kultů tak shovívavá? [...] všichni jsme přesvědčeni o vlastní nezranitelnosti. Pomyšlení, že by někdo mohl ovládnout naše myšlenky, je příliš děsivé...

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Biochemie

O autorech

Ján Lehotský

Peter Račay

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné