Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Bílkoviny poškozené cukrem

Neenzymová glykosylace (glykace)
 |  5. 11. 2009
 |  Vesmír 88, 713, 2009/11

Poslední modely funkčních bílkovin názorně ukazují, jak je pro jejich fyziologickou a biochemickou činnost nesmírně důležitý neustálý kmitavý pohyb, jakýsi molekulární „třes“ jejich jednotlivých segmentů a podjednotek, který se děje v řádu nano- a pikosekund. Takový iontový kanálek o pěti podjednotkách se chová jako pugét pěti snítek šeříku v rukou třesoucího se staříka.1)

Jestliže protein ochlazujeme, kmitání se zpomaluje a bílkovina zpomaluje také svoji aktivitu, například katalýzu nějaké důležité biochemické reakce, jde-li o enzym, nebo schopnost otevírat svá vnitřní vrátka pro průchod či čerpání iontů přes buněčné a nitrobuněčné membrány. K takovému zpomalení může vést také sled chemických reakcí, které se označují jako glykace (nebo neenzymové glykosylace), je-li přítomen nějaký redukující sacharid, ať už aldóza,2) D-glukóza nebo ketóza,3) D-fruktóza či maltóza a xylóza.

Milovníci sladkostí rychleji stárnou

I když glukóza nepatří z tohoto hlediska k těm nejreaktivnějším sacharidům (a proto se zřejmě stala prvořadým metabolickým cukrem), její přítomnost v krvi a tkáních může být nebezpečná, protože je jí nejvíc. A čím větší je koncentrace, tím rychleji se mohou bílkoviny glykovat, což má významné, především negativní důsledky. Jedno z největších nebezpečí diabetu spočívá právě v tom, že občas, nebo dokonce často roste po jídle koncentrace glukózy v krvi nad běžných 3,3–5,6 mmolů/l a během této hyperglykemie jsou poškozovány bílkoviny téměř v každé části těla. Diabetici a milovníci sladkostí pak rychleji stárnou a mohou se u nichobjevit různá, často kombinovaná onemocnění.4)

Poškozené, málo pohyblivé a bídně fungující bílkoviny jsou označovány obrannými buněčnými mechanismy pro odstranění. Likvidovány jsou nejen nitrobuněčné, ale i membránové proteiny, které jsou jakýmisi tykadly a okénky do buněk. Proces jejich zániku začíná vchlípením buněčné membrány s poškozeným proteinem dovnitř. Vlastní štěpení a doslovná fyzická likvidace poničených bílkovin se pak realizuje buď v drobounkých kyselých organelách lyzozomech, nebo v odpadkovém koši zvaném proteazom (viz Vesmír 86, 383, 2007/6) poté, co se k nim přes aminokyselinu lyzin (její volný konec – NH2) připojí krátké informační proteiny ubikvitiny (viz Vesmír 84, 73, 2005/2). Připojování ubikvitinů na proteiny slouží vlastně jako molekulární hodiny, které určují stáří proteinu a provázejí ho na cestě do buněčného hrobu. Je ale jasné, že se odstraněné poškozené bílkoviny musejí také rychleji nahrazovat novými, což buňky vyčerpává a zkracuje jejich životnost. Rychleji se vyčerpá i telomerami určený počet buněčných dělení tam, kde se tkáně obnovují a celý organismus se rychleji blíží zániku. Poškozují se ovšem nejen enzymy, pumpy a kanálky, ale i strukturální dlouhé bílkoviny, jako je třebas kolagen, a ty se obnovují mnohem pomaleji a mohou dlouho setrvávat v tomto stavu v našich tkáních. Proto glykace vede k jejich nefyziologickému propojování a síťování, ztrátě pružnosti, a naše tkáně (šlachy, klouby, pokožka) stárnou. Na kůži přibývají vrásky. Kdyby šlo ale jen o povadlejší pokožku, vrásky by nám to asi moc nedělalo (myslím nám mužům). Ovšem když v důsledku cukrem navozené glykace postupně ztrácejí pružnost třebas plíce, je to už skutečný zdravotní problém.

Pokročilé koncové produkty

Konkrétně stav kolagenu lze v tkáních poměrně dobře studovat; s věkem a glykací narůstá specifická fluorescence bílkovin, která je navozena právě těmito neenzymovými modifikacemi kolagenu glukózou. Výsledné fluoreskující produkty vedou k zesíťování proteinů a ztrátě pružnosti kolagenu.5) Při studiu změn fluorescence v plicích se prokázalo, že koncových produktů glykace v plicích přibývá s věkem a v průběhu neléčeného diabetu. Glykace má mnoho podob. Některé glykované proteiny spouštějí například nenormální reakci bílých krvinek ze skupiny mikrofágů, aktivují výlev interleukinu-1 a faktoru nekrotizujícího tumor (TNF), který působí dál na trombocyty (krevní destičky) a na cévní endotel. Odtud jsou uvolněny další cytokiny a růstové faktory (TGFβ, βFGF), které podněcují růst endotelu a vedou k poškození cévní stěny. Vznikají křehké výdutě (aneurysmata), jejichž prasknutí může být fatální.6) Častá je ateroskleróza věnčitých tepen v srdci a jinde s bezbolestnými infarkty a nedokrevností končetin. Hrozí bércové vředy a amputace končetiny. Někdy je paradoxně zvýšena taková jakoby kompenzační tvorba kapilár, které jsou ale nekvalitní a často krvácejí (např. vzniká hemorrhagie oční sítnice). Zhoršuje se i obrana tkání proti volným radikálům.

Pro praktické účely se v klinických laboratořích měří stupeň ohrožení glykací a poškození bílkovin na vzorové bílkovině s pravidelnou obměnou – na krevním hemoglobinu. Nízká hodnota glykovaného hemoglobinu (kolem 5 %) ukazuje, že je případný diabetes dobře kompenzován a k výkyvům glukózy nedochází. Platí to pro období 3 měsíců před tímto stanovením, protože se erytrocyty s hemoglobinem zhruba každé 3 měsíce obměňují.

Děsivý proces glykace

O co vlastně při tomto děsivém procesu jde? Neenzymová glykace patří obecně k posttranslačním modifikacím bílkovin, k nimž dochází v každé buňce s jádrem až po přeložení kódu z RNA do přesného pořadí aminokyselin. Glykace začíná spontánní reakcí některého z cukrů s volnými aminoskupinami bílkovinných řetězců, které z nich vystupují jako štětičky na všechny strany kolem centrální dvoušroubovice nebo skládaného lístku, podle toho, jak je bílkovina uspořádána. Reakci cukrů a proteinů popsal jako prvý francouzský fyziolog a chemik Louis Camille Maillard (1878–1936) in vitro jako „neenzymové hnědnutí“ potravin. Je to ta křuplavá kůrčička na pečivu potřeném vajíčkem, na koblize nebo na bramborovém čipsu, ano, je to i to božské grilované, voňavé a nasládlými ochucovadly potřené žebírko či bifteček. Maillardovy produkty jsou dokonce i v kokakole a dalších tmavých limonádách, kam bývají přidávány jako ochucovadla a barviva. Při těchto „exogenních“ kuchyňských glykacích (urychlených teplotou nad 120 °C) vznikají nejen koncové produkty, ale i nebezpečný akrylamid v důsledku reakce cukrů a asparaginu v proteinech, což se nyní snaží hlídat potravinářští chemici a technologové.

Je zajímavé, že malým dětem zpočátku tmavé kůrky nechutnají. Až později se po nich můžou „utlouct“ v důsledku pochutinového systému stravování odkoukaného od nás dospělých. U brambůrků smažených doma můžeme riziko takové exogenní kulinářské glykace snížit, když hranolky 10–15 minut máčíme, a až po osušení je vhodíme do fritovacího hrnce.

Vraťme se ale k „endogenní“, vnitřní glykaci. Prvním krokem neenzymové glykace je reakce mezi redukujícím cukrem a volnou aminoskupinou bílkoviny, vzniká Schiffova báze, a posléze Amadoriho produkty, které jsou dále modifikovány. Výsledkem je řada zatím neúplně identifikovaných sloučenin, které se označují jako ony koncové produkty pokročilé glykace. Co je pro ně typické (viz poslední vzorec vpravo na obrázku), je propojení (crosslinking) sousedních proteinových segmentů a ztížení pohyblivosti celé té trojrozměrné struktury. Často se v tomto ničivém procesu uplatňují ještě další oxidační reakce a působení volných kyslíkových radikálů. Tento typ poškozených proteinů se pak označuje jako koncový produkt pokročilé glykooxidace (AGoE). Trochu útěchy může přinést konstatování, že vazba cukrů na proteiny nemusí být vždycky škodlivá (viz rámeček Vazba cukrů na proteiny) a že řada látek jsou kombinované glykoproteiny nebo proteoglykany.

Jaká je ochrana? Lze glykaci zvrátit?

Chrání nás především rozumná výživa, omezení sladkostí a smažených potravin. Někteří biochemici tvrdí, že glykaci a stárnutí zabraňují karnosin,7) aminokyselina taurin a kupodivu i metformin, což je preparát dnes hojně užívaný při diabetu 2. typu. Metformin8) působí pozitivně i u osob s normální hladinou cukru, avšak s metabolickým syndromem, tj. s bříškem, nadváhou a hypertenzí. Snižuje u nich krevní glukózu, trošku možná i hmotnost a systolický krevní tlak, a tedy i riziko srdečního a mozkového infarktu. Někteří badatelé hledají možnost (viz rámeček Mitochondrie a metylglyoxal) jak odstranit glykované produkty novou skupinou enzymů (typu fruktosamin 3-kinázy), které snižují hladinu glykovaného hemoglobinu u experimentálních zvířat.

Poznámky

1) www.nature.com/nature/journal/v457/n7225/suppinfo/nature07462.html,  Supplementary Movie.

2) S aldehydovou skupinou na prvním uhlíku C–OH v lineární konfiguraci.

3) S ketoskupinou C = O.

4) Obecně se nazývají diabetopatie – diabetická neuropatie, kardiopatie, angiopatie, nefropatie a další. Sem patří i gangrény končetin, poničená sítnice, zmatnění oční čočky, poruchy filtrace ledvin, degenerace mozkových jader, vznik b-amyloidních plaků u Alzheimerovy nemoci a mnoho dalších onemocnění i patologických procesů.

5) Označují se obecně jako AGEs. To znamená „stáří“ a zároveň je to zkratka pro výraz „advanced glycation endproducts“, pokročilé koncové produkty glykace.

6) Například cévní mozková příhoda.

7) Dipeptid obsažený ve svalech, antioxidant a chelátor těžkých kovů.

8)Např. Siophor apod.

MITOCHONDRIE A METYLGLYOXAL

Mitochondrie jsou elektrárnami eukaryotických buněk. Na jejich vnitřních membránách je kaskáda enzymů. Ty jsou seřazeny do čtyř komplexů, které transportují elektrony vodíkových ekvivalentů vznikajících štěpením cukrů směrem ke konečnému příjemci elektronů. Tím příjemcem je u aerobních organismů kyslík, u jiných třebas síra (sirné bakterie). Při tomto buněčném dýchání se setkávají v poměrně vyrovnaném stechiometrickém poměru vodík a kyslík, který se nakonec redukuje na vodu. 2–5 % elektronů ale uniká z tohoto elektrontransportního řetězce především v dýchacích komplexech I a III a interaguje s O2 jaksi podloudně za tvorby volného radikálu superoxidu O2, který je tak z 85 % v buňce tvořen právě v mitochondriích. Když dýchací řetězec v těchto místech inhibujeme, množství superoxidu dramaticky roste a stává se reálnou hrozbou radikálového poničení proteinů, lipidů (membránová peroxidace) cukrů a nukleových kyselin. Za běžných okolností se O2 změní na peroxid vodíku H2O2 (likvidovaného dále peroxidázami, např. katalázou) pomocí superoxiddismutázy obsahující mangan (MnSOD). Tato MnSOD je tak jedním z nejdůležitějších antioxidačních obranných enzymů v mitochondriích. V mitochondriích vzniká ještě jeden nebezpečný oxidant – peroxynitrit (ONOO) – reakcí O2 s jinak užitečným oxidem dusnatým (NO produkuje v mitochondriích specifická syntáza mtNOS).

Je zajímavé, že mitochondriální oxidativní stres je úzce spojen s diabetem typu 2 a jedním ze spojovacích článků je dikarboxylová sloučenina metylglyoxal, protože lehce vede ke vzniku koncových produktů glykace (např. typu N- karboxyetyl-lyzinu) odpovědných za diabetopatie, konkrétně za inzulinovou rezistenci (poškozuje i samotný inzulin) a za vysoký krevní tlak. A jak to souvisí s mitochondriálními volnými radikály? Doktorka Lingyun (Lily) Wu se svými kolegy v Kanadě letos ukázala, že metylglyoxal zvyšuje hladiny NO a ONOO. Zřejmě to dělá tou „zlou“ glykací a inaktivací antioxidačního enzymu MnSOD a také glykací a poškozením respiračních proteinů v komplexu III dýchacího řetězce, a tedy i vyšším únikem elektronů za vzniku volného radikálu, superoxidu O2 (se všemi negativními důsledky oxidačního stresu).

VAZBA CUKRŮ NA PROTEINY

Vazba cukrů na proteiny není vždycky škodlivá. Cílené, enzymy dobře ovládané navázání cukrů (např. mannózy, galaktózy, kyseliny neuroaminové nebo krátkých oligosacharidů) proteinům neškodí, ba naopak. Jde o běžný, enzymy řízený proces, nezbytný pro desítky „procukrovaných“ bílkovin, glykoproteinů nebo proteoglykanů (podle toho, čeho je v molekule víc). Takové cukry, trčící jako anténky z bílkovinného klubíčka, mohou být důležitou adresou určující, kam bude protein v buňce nakonec doručen a kde umístěn. Přirozené glykosylace jsou typické především pro membránové proteiny, například iontové kanály nebo pumpy (viz Vesmír 75, 65, 1996/2). Jejich odděleně syntetizované podjednotky se v rámci posttranslační úpravy glykosylují v endoplazmickém retikulu (viz Vesmír 79, 24, 2000/1) na přesně definovaných částech bílkovinných řetězců. Takto „označeny“ se transportují nitrobuněčnými motorky, poháněnými ATP po kolejničkách mikrotubulů až do patřičného úseku membrány (např. na synapsi). Tam se spojují do funkčního komplexu o několika podjednotkách. Proto tyto glykoproteiny nacházíme často na vnějším povrchu plazmatické membrány buňky, nebo i na některých membránách nitrobuněčných.

Navázání sacharidů může také stabilizovat tvar proteinů (jejich terciární a kvartérní strukturu) a pomáhá při rozpoznávacích interakcích buď protein- sacharidových, nebo nedávno objevených sacharid-sacharidových.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyziologie

O autorovi

František Vyskočil

Prof. RNDr. František Vyskočil, DrSc., (*1941) vystudoval Přírodovědeckou fakultu UK v Praze. Ve Fyziologickém ústavu AV ČR, v. v. i., se zabývá neurofyziologií a biofyzikou buněčných membrán. Objevil nekvantové uvolňování neuropřenašečů na synapsích savců. Hirschův index (Vesmír 85, 555, 2006/9) jeho prací je 33. Je členem Učené společnosti ČR a The Physiological Society (Londýn a Cambridge). Na Přírodovědecké fakultě UK v Praze a na Lékařské univerzitě v Kazani přednáší fyziologii živočichů a člověka. V roce 2011 získal čestnou oborovou medaili J. E. Purkyně a na návrh předsedy AV ČR medaili Josefa Hlávky.
Vyskočil František

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