Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Sirovodík, životně důležitý plyn s krajně špatnou pověstí

Punc klíčové molekuly
 |  6. 5. 2010
 |  Vesmír 89, 329, 2010/5

Získat špatnou pověst nedá mnoho práce. Zbavit se jí bývá zapeklitý úkol. Zdaleka to neplatí jen o lidech. Sirovodík čili sulfan proslul především svými toxickými účinky. Objevy dokazující, že tento plyn páchnoucí po zkažených vejcích plní v organismu řadu životně důležitých úloh, si hledají cestu do obecného povědomí jen s obtížemi.

Objev u televize

Isaac Newton údajně odhalil taje gravitace během rozjímání na trávníku pod jabloní. Archimédes prý objevil zákon o nadlehčování ponořeného tělesa silou rovnající se tíze kapaliny tělesem vytlačené při relaxaci ve vaně. I do zdrojů vědecké inspirace proniká technický pokrok, a tak dostal Mark Roth jeden z nejlepších nápadů svého života v křesle u televize. Biolog z Fred Hutchinson Cancer Research Center v americkém Seattlu se snažil v laboratoři utlumit látkovou výměnu nejrůznějším živočichům. Experimenty se mu honily hlavou i doma. Roth používal pro pokusy titěrná embrya červíka Caenorhabditis elegans či zárodky rybky dania pruhovaného. „Dusil“ je v prostředí s extrémně nízkým podílem kyslíku a jásal nad tím, když se jakžtakž udržela při životě. Srdce přidušeného zárodku danií dokonce přestávalo tepat. Jakmile však dostala embrya kyslík, probudila se k životu. Roth zjistil, že dokáže embrya „uspat“ i za normálních koncentrací kyslíku, pokud je vystaví zvýšeným koncentracím oxidu uhelnatého.

Cílem Rothova bádání byl prostředek potlačující metabolismus lidí ohrožených na životě. Snil o tom, že lékař dá oběti dopravní nehody, která je na mraky rozbitá, „něco šňupnout“ a šance na zdárný převoz do nemocnice rázem stoupnou. „Zklidněný“ organismus nebude ohrožen šokem, nedokrvením mozku ani dalšími komplikacemi. Roth podvědomě cítil, že vysoce toxický oxid uhelnatý nebude to pravé, a hledal za něj náhradu. Tímhle problémem se zabýval u televize, kde zrovna běžel dokumentární film o průzkumu mexických jeskyní. Rozkládající organická hmota nahromaděná na dně jeskyně je zdrojem sulfanu čili sirovodíku. Badatelé si museli dávat velký pozor, aby se plynem páchnoucím po zkažených vejcích neotrávili. Sloučenina, o které si většina žáků z hodin chemie pamatuje kromě vzorce H2S ještě stručnou charakteristiku „smrdí jako pes“, je ještě toxičtější než oxid uhelnatý a jedovatostí se hravě vyrovná kyanovodíku.1) Přesto došel Roth k závěru, že právě tímto smrdutým a toxickým plynem se mu podaří potlačit metabolismus savců. Když se svěřil kolegům se svým plánem, většina z nich si významně poťukávala na čelo.

„A není náhodou sirovodík toxický?“ ptali se do omrzení.

Roth vymámil z ředitele ústavu 20 000 dolarů, pořídil si bomby se sirovodíkem2) a pustil se do práce. Uzavřel laboratorní myš do malé plastikové nádobky a nechal ji dýchat vzduch obsahující velmi nízkou, z toxikologického hlediska zcela bezpečnou koncentraci3)sulfanu. S myší se děly podivné věci. Vypadala, jako kdyby upadla do zimního spánku čili hibernace.4) Její dech se zpomalil ze 120 nádechů za minutu na 10. Tepová frekvence spadla z 600 na 130. Tělesná teplota poklesla na 15 °C. Množství vydechovaného oxidu uhličitého se snížilo na desetinu, což jasně dokazovalo, že se životní pochody v těle myši drasticky ztlumily. Myš mohla strávit v sulfanové hibernaci několik hodin. Jakmile jí vědci dali dýchat čerstvý vzduch bez sulfanu, metabolismus i všechny tělesné funkce se vrátily k normálu. Následné testy včetně kontroly funkcí mozku prokázaly, že myš nedošla žádné újmy.5)

Životadárný sirovodík

V následných pokusech na potkanech prokázal Roth, že zvířata jsou pod vlivem sulfanu neuvěřitelně odolná k nepříznivým vlivům, např. ke ztrátě velkého množství krve. Roth pustil potkanům žilou a připravil je o 60 % krve. Pokud zvířata dostala roztok se sulfanem, přežily jich plné dvě třetiny. Zvířata, která dostala do žíly stejný roztok bez sulfanu, umírala v 86 % případů.

Roth je přesvědčený, že se přiblížil ke splnění svého snu. Jednou by mohly oběti dopravních nehod, vojáci zranění na frontě a mnozí další lidé ohrožení na životě vdechovat sulfan. Utlumily by se tak metabolické potřeby jejich organismu a stouply by šance na přežití. Sulfan by mohl také usnadnit transplantace. Orgány odebrané dárci mají jen omezenou životnost, protože buňky trpí nedostatkem živin a kyslíku. Orgány odebrané zimním spáčům během hibernace jsou podstatně „trvanlivější“. Podobně mají prodlouženou „dobu spotřeby“ i orgány vystavené účinkům určitého množství oxidu uhelnatého. Nelze vyloučit, že by roztoky obsahující malá množství sulfanu dokázaly životnost orgánů prodloužit ještě víc.

Bohužel od pokusů na myších vede do nemocnic a sanitek záchranné služby ještě dlouhá a trnitá cesta. Procedury úspěšné u myší u člověka zhusta selhávají. Myš je asi 3000krát menší než člověk. Její dechová frekvence je 10krát a tepová frekvence dokonce 14krát vyšší než naše. Lidské tělo spotřebuje v klidu na kilogram tělesné hmotnosti každou minutu asi 3 mililitry kyslíku. Myší spotřeba kyslíku je 10krát vyšší. Většina kyslíku padne u myši na tvorbu energie potřebné k udržení tělesné teploty. Člověk tolik kyslíku na „ohřev“ těla nespotřebuje. Už to naznačuje, že látková výměna v myším organismu probíhá za úplně jiných podmínek než v lidském těle.

O tom, že je v otázce sulfanové hibernace člověka namístě i určitá porce zdravé skepse, svědčí výmluvně výsledky pokusů potlačit pomocí sulfanu metabolismus ovcí a prasat. Tato zvířata mají velikostí těla i úrovní metabolismu k člověku mnohem blíže než drobní hlodavci a na sulfan reagují úplně jinak než myši nebo potkani. U ovcí se zatím nepodařilo sulfanem metabolismus potlačit. U selat došlo po podání sirovodíku překvapivě ke zvýšení tepové frekvence a vzestupu krevního tlaku. Pokud by stejně zareagoval i organismus těžce zraněného člověka, mohlo by to pacienta zabít. Roth je přesvědčen, že problémy vyvěrají ze špatného dávkování. Dvacetikilové sele podle něj nemůže dostávat stejnou koncentraci sulfanu jako myš.

Fyziologická role sulfanu

Sulfan čili sirovodík nepředstavuje pro živočišný organismus nic cizorodého. Už před dvěma desetiletími se ukázalo, že ve zvířecím i lidském mozku je této sloučeniny překvapivě velké množství. Následující roky výzkumu prokázaly, že sulfan není jen trpěnou zplodinou, ale plní v organismu mnoho důležitých funkcí. Buňky si sulfan zcela cíleně vyrábějí z aminokyseliny L-cysteinu pomocí dvou enzymů – cystathionin betasyntázy a cystathionin gama-lyázy. Cystein je jako základní surovina získáván buď z potravy, nebo je v těle vyráběn z aminokyseliny L-methioninu. Také pro likvidaci nadbytečného sulfanu mají buňky i tkáně k dispozici řadu účinných mechanismů a jsou s to udržovat koncentrace této toxické látky v optimálním rozmezí. A sulfan se v našem těle opravdu tuží.

Pokud si z tohoto textu odnesete v mozku nějaký trvalejší dojem, buďte si jisti, že na tom má zásluhu i sulfan, který sehrává významnou roli v dlouhodobé potenciaci neuronů. Tento proces si můžeme představit jako prošlapávání cestičky. Jakmile jednou proběhne mezi neurony signál, stávají se jejich spoje průchodnější pro další signály. Když si tedy podrážděním neuronů uložíme do paměti nějakou informaci, vybavíme si ji později díky tomu, že nervové vzruchy snáze proběhnou „cestičkou“, kterou už „prošlápla“ dlouhodobá potenciace.

Nedávno byla prokázána rozhodující úloha sulfanu při řízení krevního oběhu.6) Sirovodík vyvolává roztažení cév.7) Jasně se to ukázalo u myší, které měly metodami genového inženýrství zablokován gen pro jeden z enzymů odpovědných za výrobu sulfanu. Tyto myši neprodukovaly v těle dostatek sirovodíku, měly smrštěné cévy a v důsledku toho i vysoký krevní tlak. Další výzkumy naznačují, že by sulfan mohl řídit i zánětlivé procesy. Celkově se zdá, že sulfan chrání buňky před silnou stresovou zátěží. Dá se proto očekávat, že se uplatní v medicíně. Zprvu nepůjde o revoluční novinky, o jakých sní Mark Roth. Moderní medicína jen naváže na praktiky našich babiček.

Ruský penicilin

Mnohé rostliny jsou zdrojem sloučenin obsahujících síru.8) K nejznámějším patří česnek a cibule. Sloučeniny síry však najdeme i v luštěninách, v houbách a některých druzích ovoce. Lidové léčitelství odhalilo u těchto potravin schopnost ulevovat od nejrůznějších infekcí. Česnek si během druhé světové války vysloužil dokonce přezdívku „ruský penicilin“, protože jej ruští vojáci užívali na frontě k léčbě bakteriálních, virových i houbových infekcí. Mnohé z údajných účinků česneku a cibule se později ukázaly jen jako tradované pověry. Na každém šprochu však bývá pravdy trochu a česnek s cibulí nejsou výjimkou.

Pokud mají česnek a cibule nějaké blahodárné účinky na lidské zdraví, mohl by se v pozadí těchto efektů skrývat sulfan. V roce 2007 hned několik týmů9) prokázalo, že živočišné buňky jsou s to zpracovat sirné sloučeniny z česneku a cibule (konkrétně dialyl disulfid, dialyl trisulfid a S-alyl-cystein) tak, že se z nich uvolní sulfan. Ten pak může působit v těle na nejrůznější orgány. Dobře zdokumentovaná schopnost sulfanu rozšiřovat cévy a zvyšovat prokrvení tkání se může uplatnit hned na několika frontách, například u lidí trpících sníženým průtokem krve koronárními tepnami srdečního svalu nebo cévami zajišťujícími prokrvení mozku. V této souvislosti není jistě bez zajímavosti ani tradované tvrzení, že česnek chrání před omrzlinami. K velkým vyznavačům česneku jako ochrany před omrzlinami patřil například legendární horolezec Reinhold Messner. Pokud se ze sirných „česnekových“ sloučenin uvolní sulfan a rozšíří cévy v prstech u rukou a na nohou, může to při ochraně před omrznutím skutečně pomoci.

Třetí v řadě

Mnozí fyziologové dnes řadí sulfan spolu s oxidem dusnatým a oxidem uhelnatým mezi gasotransmitery, tedy plyny, jež plní v organismu funkci signálních molekul.10) O příslušnosti oxidu dusnatého mezi gasotransmitery11) pochybuje jen málokdo. Punc klíčové molekuly stvrdila v očích veřejnosti u oxidu dusnatého skutečnost, že za objev jeho úlohy při regulaci krevního oběhu12) byla v roce 1998 udělena Nobelova cena Feridu Muradovi, Robertu Furchgottovi a Louisi Ignarrovi. Oxid dusnatý se následně ukázal jako rozhodující hráč i na dalších fyziologických „hřištích“, např. při přenosu nervových vzruchů v mozku nebo při ničení bakterií imunitním systémem.

Druhým gasotransmiterem se stal plyn s ještě horší pověstí – oxid uhelnatý. Ten máme spojen především s tragickými případy otrav, kdy se nicnetušící oběti nadýchají ve spánku oxidu uhelnatého unikajícího z netěsnících kouřovodů. Neurony mozku si však vyrábějí oxid uhelnatý zcela samy a dobrovolně pokaždé, když jsou podrážděny nervovým vzruchem.13) Tento plyn se v nízkých netoxických koncentracích podílí i na řízení dalších nervových buněk, například buněk čichové sliznice. Oxid uhelnatý ovládá činnost nervů odpovědných za pohyby tlustého střeva. U myšáků byl prokázán jeho podíl na řízení ejakulace.

Sulfan se přiřadil k tandemu oxidů jako třetí v řadě. Sdílí s nimi řadu vlastností. Stejně jako oxid dusnatý a oxid uhelnatý je i sulfan nestálá molekula, která snadno proniká na nejrůznější místa v organismu a je tam v případě potřeby velmi rychle likvidována. V těle mají všechny tyto plyny silně omezenou životnost. Oxid dusnatý „přežívá“ jen sekundy, oxid uhelnatý a sulfan mizí během několika minut. Každý z tria gasotransmiterů reaguje s krevním barvivem hemoglobinem. Všechny tři „signální plyny“ regulují funkce nervových buněk, podílejí se na rozšiřování cév a účastní se zánětlivých reakcí. Zároveň jsou s to míchat s energetickou bilancí buněk.

Každý z gasotransmiterů jsme původně vnímali především jako toxickou látku a nyní jsme poněkud zaskočeni důležitostí role, kterou v organismech sehrávají. Přírodovědci s živější představivostí provokují usedlejší kolegy vizemi dalších gasotransmiterů.14) K horkým kandidátům na nové signální plynné molekuly patří čpavek, oxid siřičitý nebo oxid dusičný. Opět jde o molekuly, které se netěší mezi fyziology nejlepší pověsti. Můžeme si být jisti, že ani jejich případná „rehabilitace“ do role životadárných sloučenin nebude jednoduchá.15)

Literatura

Blackstone E. et al.: H2S induces a suspended animation-like state in mice, Science 308, 518, 2005

Blackstone E., Roth M. B.: Suspended animation-like state protects mice from lethal hypoxia, Shock 27, 370–372, 2007

Leslie M.: Nothing rotten about hydrogen sulfide’s medical promise, Science 320, 1155–1157, 2008

Szabó C.: Hydrogen sulphide and its therapeutic potential, Nature Reviews Drug Discovery 6, 917–935, 2007

Poznámky

1) Na sulfan čili sirovodík je nejcitlivější nervový systém. H2S se váže na železo v dýchacích enzymech mitochondrií a nedovoluje, aby se na tyto enzymy vázal kyslík. Sulfan tak zabraňuje dýchání v buňce.

2) Sehnat bomby s toxickým plynem nebylo jednoduché, protože po teroristickém útoku z 11. září 2001 podléhal jejich nákup v USA řadě schvalovacích procedur.

3) Roth používal sulfan v koncentraci od 0,002 do 0,008 %. Člověk je s to zaznamenat přítomnost sulfanu čichem už v koncentraci 0,0000005 %. Koncentrace nad 0,002 % dráždí oči. Při koncentraci 0,01 % je ochromen čichový nerv a člověk přestává vnímat typický zápach tohoto plynu. Koncentrace nad 0,03 % vyvolávají otok a člověk může upadnout do bezvědomí. Koncentrace 0,08 % je po pěti minutách smrtelná pro polovinu lidí. Koncentrace 0,1 % sulfanu způsobí i při jediném nádechu okamžitý kolaps a následně smrt.

4) Hibernace je stav, v kterém živočichové výrazně omezí svou látkovou výměnu a zpomalí životní procesy. V tomto stavu mohou strávit i několik let. Živočich má silně omezenou jak produkci, tak příjem energie. Hibernující organismus je zvýšeně odolný k řadě nepříznivých vlivů, jako jsou extrémní teploty nebo snížený přísun kyslíku. Hibernací nepřekonávají živočichové jen třeskuté zimy. Někteří upadají do tohoto stavu i při extrémních vedrech.

5) Blackstone et al., Science 308, 518, 2005.

6) Yang et al., Science 322,
587–590, 2008.

7) Sirovodík rozšiřuje cévy tím, že uvolní buňky hladké svaloviny ve stěnách cév poté, co otevře v membránách buňky iontové kanály, jež vypustí z buňky ven ionty draslíku.

8) Blíže viz např. Jacob et al.: Planta Medica 74, 1580–1592, 2008.

9) Benavides et al., Proc Natl. Acad. Sci USA 104, 17977–17982, 2007. Chuah et al., Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 293, H2693–H2701, 2007.

10) Blíže viz např. Wang R.: Faseb J. 16, 1792–1798, 2002.

11) Oxid dusnatý (NO) si buňky vyrábějí z aminokyseliny L-argininu působením enzymů NO syntáz.

12) Oxid dusnatý rozšiřuje cévy. Proto užívají lidé s nedostatečně prokrveným srdečním svalem nitroglycerin. Z této molekuly se uvolní oxid dusnatý, který vyvolá rozšíření srdečních tepen a zajistí tak zvýšený přísun krve do srdeční svaloviny.

13) Oxid uhelnatý se v buňkách uvolňuje z molekuly hemu působením enzymu hem oxygenázy.

14) Li L., Moore P. K., Biochem.Soc. Trans. 35, 1138–1141, 2007

15) O sirovodíku viz rovněž Vesmír 89, 279, 2010/5.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyziologie

O autorovi

Jaroslav Petr

Prof. Ing. Jaroslav Petr, DrSc., (*1958) vystudoval Vysokou školu zemědělskou v Praze. Ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v Uhříněvsi se zabývá regulací zrání savčích oocytů a přednáší na České zemědělské univerzitě v Praze. Je členem redakční rady Vesmíru.
Petr Jaroslav

Doporučujeme

Jak si delfíni ucpávají uši

Jak si delfíni ucpávají uši audio

Jaroslav Petr  |  17. 12. 2017
Hluk v mořích a oceánech produkovaný člověkem ohrožuje kytovce. Může je dočasně ohlušit nebo jim trvale poškodit sluch. Nově objevený fenomén by...
Tajemná sůva šumavská

Tajemná sůva šumavská

Jan Andreska  |  17. 12. 2017
Byl vyhuben a vrátil se. Na Šumavu lidskou snahou a do Beskyd vlastním přičiněním. Puštík bělavý teď žije opět s námi, ale ohrožení trvá.
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...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

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

 

Objednat předplatné