Plyny a jejich kanálky v membráně

Před více než deseti lety byl učiněn významný objev týkající se působení oxidu dusnatého na životní procesy. Tento krátce žijící volný radikál rozšiřuje cévní řečiště a ovlivňuje činnost paměti i mnoha dalších fyziologických procesů.

Doposud se biologové domnívali, že různé plynné látky včetně oxidu dusnatého mohou procházet skrz membránu volnou difuzí. Přitom považujeme za samozřejmé, že jiné důležité látky rozpuštěné v tělesných tekutinách, především malé anorganické ionty (draslík, sodík, vápník, chlorid), procházejí skrz membránu bílkovinnými trubičkami – iontovými kanály (viz např. Vesmír 77, 23, 1998/1, Vesmír 79, 312, 2000/6). Ty se otvírají či zavírají buď elektrickým napětím, nebo chemickými látkami, neuropřenašeči a hormony, ale také fyzikálními podněty, jako jsou zvuk, tlak aj. Dokonce i voda má své kanály – akvaporiny. Jenom o plynech, které v těle vznikají nebo jsou vdechovány, dosud platilo dogma, že žádné kanály nepotřebují. Nedávno ale angličtí vědci z Univerzity v Shefieldu toto dogma zpochybnili.

Pro výzkum si vybrali izolované sekreční žlázky ze žaludku, které vylučují kyselinu solnou a vytvářejí v žaludku kyselost až 0,7 pH. Kyselé prostředí je nutné k aktivaci silných rozkladných enzymů (především pepsinu) pro štěpení bílkovin. Výstelka sekrečních žlázek obsahuje zvláštní buňky, jejichž horní (apikální) část by neměla být propustná pro neutralizační plyny, jako jsou oxid uhličitý nebo amoniak. Potvrdilo se, že tato část buněčné membrány zmíněné plyny skutečně nepropouští, což lze měřit miniaturními pH­metry na té straně, kde je vysoká kyselost. Nejspíš v apikální membráně něco chybí, možná právě specifické kanály pro CO₂ nebo kanálky pro vodu, v níž může být plyn rozpuštěn a díky tomu pronikat do buňky. Jedním z možných vysvětlení je, že tyto žaludeční buňky mají vypnutý genetický kód pro plynové kanály přítomné v jiných buňkách.

Jak to ale dokázat? G. J. Cooper a W. F. Boron se rozhodli studovat, jestli membrána propouští oxid uhličitý. Zkoušeli to v prostředí, kde lze tvorbu proteinů „vyvolat na zakázku“, konkrétně v nezralých vajíčkách (oocytech) žáby drápatky rodu Xenopus. Jako měřítko průchodnosti membrány si zvolili kyselost, která se podle očekávání měla uvnitř vaječných buněk zvyšovat po přidání slabé kyseliny uhličité (sodovky či lépe sycené minerálky) do fyziologického roztoku. Nejprve sledovali, zda vyvolaná tvorba (genetická exprese) proteinů pro některý ze známých typů iontových kanálů zvýší či sníží kyselost v buňkách. Vyzkoušeli geny pro mnoho kanálů, ale teprve když geneticky přinutili oocyty produkovat akvaporin 1, kyselost uvnitř oocytů vzrostla. Vznikly kanálky, které byly propustné nejen pro vodu, ale i pro CO₂. Vedlo to sice k tomu, že vaječné buňky v sodovce nakonec praskly, zato se ale ukázalo, jak důležité takové kanály mohou být.

Badatelé si položili otázku: Proniká CO₂ do oocytů jako uhličitanový anion, nebo jde o samostatnou cestu pro tu část CO₂, která je pouze rozpuštěna? Při hledání odpovědi pomohla molekulární genetika. G. Cooper měnil aminokyselinové složení akvaporinu 1 tak, aby zabránil buď propustnosti pro vodu, nebo propustnosti pro oxid uhličitý. Jedna z  bodových mutací v primárním řetězci akvaporinové bílkoviny (záměna 189. aminokyseliny cysteinu za serin) učinila tento kanál nepropustným pro vodu, ale překvapivě zůstal propustný pro plyn, tedy oxid uhličitý.

Proč přes vodní sloupeček v akvaporinovém kanálku může do buňky vcházet i oxid uhličitý, který je ve vodě rozpustný? Mohlo by jít o difuzi uhličitanového aniontu kanálem naplněným vodou, nejspíš to ale bude jinak, protože i kanál uzavřený pro vodu může propouštět CO₂.

Možná namítnete, že zjištění je teoreticky zajímavé, jenže pro nás, běžné konzumenty kyslíku a vypouštěče oxidu uhličitého, není důležité. To však je omyl! Naše červené krvinky, které přenášejí kyslík ke tkáním a opačným směrem vynášejí oxid uhličitý do plic, se na to dívají jinak. Jejich uhličitanové transportéry lze vyřadit z provozu derivátem stilbenu označovaným DIDS. Přidáním tohoto inhibitoru se z 90 % odstraní průchodnost membrány červených krvinek pro oxid uhličitý. Zasažen je zřejmě opět akvaporin 1 – značná část oxidu uhličitého tedy prochází membránou našich červených krvinek právě tímto kanálem.

Podobné iontové kanály pro plyny byly nalezeny i v membránách bakterií, které pohlcují vzdušný dusík v kořenových hlízách luštěnin a dávají ho k dispozici pro další metabolické využití. Do těchto bakterií se ale naopak nesmí dostat vzdušný kyslík, ten by blokoval enzym nitrogenázu, která je pro fixaci dusíku nezbytná. Membrána těchto bakterií nemůže být volně propustná pro všechny plyny – a skutečně se ukázalo, že není volně propustná pro žádný plyn! Dusík a amoniak, které mají být lapeny, zřejmě procházejí přes bakteriální membránu specifickými kanály. Ty mají v tomto případě všechny rysy jiného kanálu pro vodu, nazývaného nodulin 26.

Výsledky zatím ukazují, že výměna plynů přes buněčné membrány regulovaná pomocí bílkovinných kanálků zdaleka nemusí být jen další hračkou v rukou živočišných a rostlinných fyziologů. Zřejmě nejméně dva z rozhodujících procesů, na nichž závisí náš život – přenos plynů v červených krvinkách a fixace vzdušného dusíku pro stavbu všeho živého – nejsou jen jednoduché difuzní procesy. Spíše jde o další z mnoha pečlivě vyladěných membránových systémů, které rozmetávají mýtus o samovolném vzniku buněčné membrány kolem koacervátů v roztoku jako pouhé fyzikálně-chemické fázové bariéry.