5. Komunikace s využitím cukrů
Jak spolu jednotlivé buňky v našem těle komunikují? Proč tělo připojuje cukry na bílkoviny a tuky, které vytváří? A proč je buňky vystavují na svém povrchu? Co je to enzym? A co je cukerný kód? Jak se tvoří a jak čte? A k čemu se v přírodě používá? Co jsou krevní skupiny?
Úvod tématu
4. Cukr jako stavební materiál
6. Nemoci související s cukry
Po mnoho let byly cukry považovány za nezajímavé sloučeniny, které slouží jen jako stavební materiál nebo zdroj energie. Jak už víme, cukry skutečně tyto úlohy plní, ale kromě toho mají další významnou roli. Jednou z nich je vzájemné rozpoznávání buněk. Imunitní systém musí poznat, které buňky do těla patří a které jsou cizí a musí se zničit. Bakterie a viry na druhou stranu musí mezi záplavou vašich buněk najít ty, ve kterých se jim bude dobře žít. Obal buněk (buněčná stěna) obsahuje proteiny, na kterých je navázaný menší složený cukr. Tyto cukry na povrchu buněk jsou poznávací znaky, s jejichž pomocí se buňky najdou.
Glykosylace
Glykosylace je důležitá metoda, kterou buňky upravují nově vytvořené bílkoviny (proteiny) a tuky (lipidy). Spočívá v tom, že se na hotovou bílkovinu nebo tuk připojí cukr. Může být jen jednoduchý, ale často se postupně spojuje jeden jednoduchý cukr za druhým a tvoří se tak delší a rozvětvené řetězce cukrů.
„Bílkovině s navázaným cukrem se říká glykoprotein, tuku potom glykolipid.“
Tímto způsobem tělo mění vlastnosti bílkovin a tuků, jak potřebuje. Připojený cukr dokáže ovlivnit celkový tvar molekuly, jestli bude rozpustná ve vodě, jak bude stabilní (tzn. jak dlouho vydrží funkční, než se v těle rozloží) či s jakými dalšími látkami bude interagovat.
Glykosylace je chemicky velmi složitý proces, do kterého se zapojuje velké množství enzymů. Jeden enzym pomáhá spojit jednu konkrétní dvojici jednoduchých cukrů (třeba dvě glukózy k sobě). Když chce tělo spojit jiné jednoduché cukry, třeba glukózu s fruktózou, už potřebuje jiný enzym.
„Enzym je bílkovina, která funguje jako katalyzátor (pokud si nepamatuješ, co je to katalyzátor, tak se podívej do kapitoly 1, do sekce "Jak zapálit cukr").“
Glykosylaci najdeš na povrchu úplně všech buněk, které máš v těle. Mění se podle typu buněk, jejich zdravotního stavu, věku nebo prostředí.
Cukerný kód
Cukry mají velký potenciál pro kódování informací. Existuje celá řada jednoduchých cukrů. Když se spojují, tak se jednoduché cukry můžou různě natočit a na jeden jednoduchý cukr se může připojit několik dalších. Díky tomu cukry vytváří různé větvené struktury (vzpomeň si, jak jsi v kapitole 1 vytvářel různé složené cukry jen s využitím glukózy). Spojování cukrů nevzniká samovolně, ale jak už bylo zmíněno, je k němu potřeba množství enzymů. Na první pohled to vypadá pro buňku jako zbytečně namáhavá práce, když musí vyrábět tolik různých enzymů jen proto, aby měla zajímavější cukry na svém povrchu.
Otázka: Proč si myslíš, že tělo investuje do glykosylace tolik energie? Nestačilo by spojovat jen jeden nebo dva jednoduché cukry?
Složitost glykosylace má jednu výhodu. Cukry na povrchu buněk sdělují informace, které chce buňka dát o sobě vědět okolním buňkám. Například jaký typ buňky je, jak je stará či jestli je zdravá, nebo ji napadl nějaký virus. Takto spolu buňky komunikují.
Správné cukry na povrchu jsou také vizitkou, že buňky patří do tvého těla. Imunitní systém je pravidelně kontroluje.
V následujícím pexesu se můžeš podívat, jak mohou vypadat složené cukry, které najdeme na povrchu různých buněk.
Spoj obrázek cukru s obrázkem buňky/organismu, kde ho můžeme najít.
Čtení cukerného kódu
Cukry na povrchu buněk čtou dva různé typy bílkovin – protilátky a lektiny.
Protilátky
Protilátky jsou bílkoviny, které vytváří náš imunitní systém. Jejich úkolem je najít a označit věci, které do našeho těla nepatří, a ty potom zlikvidovat.
„Malá molekula, kterou dokáží identifikovat protilátky, se označuje jako antigen. My se tu věnujeme cukrům, ale antigeny mohou být i jiné látky.“
V průběhu nemoci tvoří náš imunitní systém různé protilátky a hledá, která bude na daný bacil fungovat nejlépe. Když se vyléčíme, tak si úspěšné protilátky tělo uloží. Pokud potkáme znovu stejný bacil, imunitní systém začne rychle kopírovat protilátky, které byly minule úspěšné, takže si s ním poradí rychleji.
Očkování
Abychom nemuseli čekat, až nemoc chytíme, můžeme aktivovat imunitní systém pomocí očkování. Injekcí nebo kapkami dostaneme do těla bacil, který je oslabený nebo mrtvý. U některých nemocí se používá blízce příbuzný bacil, který ale neumí způsobit onemocnění. V poslední době jsou moderní očkovací látky (vakcíny), které obsahují jen malé části (molekuly) z bacilu. Určitě jsi slyšel třeba o mRNA vakcínách na nemoc COVID-19.
Když se necháme naočkovat, tak náš imunitní systém zareaguje stejně, jako bychom potkali skutečný bacil a hrozilo nám onemocnění. Takže začne tvořit různé protilátky a hledá, která bude na tento bacil nejlepší a tu si potom uloží. Díky tomu bude vědět, jak s ním bojovat, až ho skutečně chytíš.
Po očkování se tělo chová stejně jako při začínající nemoci a podle toho vypadají i běžné vedlejší účinky. S bacily se lépe bojuje při vyšší teplotě, takže se teplota těla zvyšuje. Tvorba protilátek stojí hodně energie a vody. To znamená, že můžeš být unavený a musíš víc pít a odpočívat. Naštěstí to ale není skutečné onemocnění, takže příznaky po pár dnech zmizí.
Efektivita očkování hodně závisí na typu bacilu. Extrémním příkladem je virus chřipky, který se tak rychle mění, že každý rok potkáváme úplně nové podoby viru. Takže očkování funguje jen jednu sezónu.
Vývoj očkovacích látek (vakcín) není nic jednoduchého a je potřeba vakcíny nějakou dobu používat, aby se vychytaly jejich nedostatky, vzácnější vedlejší účinky a zhodnotila se jejich účinnost. I když je na nějakou nemoc dostupné očkování, výzkum a vývoj se nezastavuje, dokud se nevyvine vakcína, která efektivně chrání před nemocí i před přenosem nemoci na lidi v okolí a má minimum vedlejších účinků.
U nejzávažnějších nemocí, které jsou často smrtelné nebo s vážnými doživotními následky, je očkování povinné. U ostatních se můžeme rozhodnout, jestli možnosti očkování využijeme, nebo ne.
Lektiny
Lektiny jsou bílkoviny, jejichž úkolem je najít konkrétní cukry, nejčastěji právě na povrchu buněk. Nevytváří je imunitní systém, ani to nejsou enzymy, díky kterým by se daný cukr upravil. Lektiny umí cukr najít, chytit a pak zase pustit.
Imunitní systém sice při nemoci lektiny aktivně nevytváří, ale využívá jejich funkce. Na rozdíl od protilátek nejsou lektiny cíleně zaměřené na konkrétní bacil. Jsou součástí nespecifické imunity, kterou máme vrozenou.
„Vrozená imunita využívá tří různých typů bílkovin, aby našla molekuly typické pro bacily a spustila řetězec dalších aktivit, které povedou k jejich likvidaci a odstranění z těla. Díky tomu může náš imunitní systém najít nebezpečné bacily, aniž by měl efektivní protilátku. Jedna ze skupin bílkovin, které pomáhají potenciálně nebezpečné látky najít, jsou lektiny.“
Imunita rostlin je závislá pouze na vrozené imunitě. Netvoří protilátky jako živočichové. Navíc se nemusí bránit jen mikroorganismům, ale i hmyzu a živočichům, takže si vyvinuly různé další strategie, jak se bránit (trny, jedy apod.).
Cukerný kód v praxi
Už víš, co je to cukerný kód a jak se čte. Teď se podíváme na několik příkladů toho, kde se v přírodě uplatňuje.
Interakce buňka-buňka
Buňky tkání, jako je třeba kůže, hledají buňky stejného typu, aby se přilepily těsně k sobě. Navzájem se poznají pomocí lektinů, které hledají ty správné cukry na povrchu okolních buněk. Tomuto procesu se říká adheze.
Adheze je důležitá i pro bacily. Musí se někde chytit a přilepit, jinak by je tělo velmi snadno vyplavilo ven.
Interakce buňka-molekula
Ricin
Ricin je jed produkovaný rostlinou Ricinus communis (skočec obecný). Ricin se vyskytuje nejvíce v semenech, ale náhodné (ani plánované) otrávení semeny není tak rizikové, protože by se semena musela pořádně rozžvýkat. Skočec můžeme najít v parcích jako okrasnou rostlinu, ale nejčastěji se pěstuje pro výrobu ricinového oleje. Semena obsahují 40–70 % ricinového oleje a přibližně 1 % ricinu. Olej samotný jed neobsahuje, ale v odpadu po výrobě zhruba 100 000 tun ricinového oleje je kolem 2 000 tun samotného ricinu, což by stačilo na 320 smrtelných dávek pro každého člověka na Zemi. Naštěstí se dá ricin snadno odstranit varem, takže zbytky semen po výrobě oleje se mohou dál využít jako krmivo.
Po pár hodinách po požití ricinu se objeví bolestí břicha se zvracením a krvavým průjmem. Později dochází k těžké dehydrataci, úbytku moči a ke snížení krevního tlaku. Když člověk během 3–5 dnů nezemře, obvykle se vzpamatuje bez následků. Dlouhou dobu nebyl na ricin žádný protijed. Aktuálně se testuje lék, který funguje do 24 hodin od otravy.
„Naše tělo je až z 60 % tvořené vodou a voda je nezbytná pro správné fungování skoro všech jeho částí. Výrazný nedostatek vody v těle – dehydratace – je proto velmi vážný příznak nemocí a může způsobit i smrt.“
Když se na ricin podíváme z hlediska chemické struktury, tak ho tvoří dvě spojené bílkoviny. Jedna bílkovina zajišťuje účinky jedu a druhá je lektin, jehož úkolem je pomocí cukrů najít buňku, kterou jed dokáže zničit.
Cholera
Podobného principu jako ricin využívají i další jedy, například jed produkovaný bakterií Vibrio cholerae, která způsobuje onemocnění zvané cholera. Strukturně jed tvoří opět dvě spojené bílkoviny. Jedna zajišťující účinky jedu a druhá lektinová, která pro jed najde správné místo, kde má působit.
Cholera je onemocnění, které se projevuje vodnatým průjmem. Je nebezpečná hlavně z důvodu dehydratace. Nemocný může ztratit i litr vody za hodinu.
Vibrio cholerae žije v přírodě společně s některými druhy vodních řas. Žije hlavně v pomalu tekoucích řekách subtropického a tropického pásma. K onemocnění dojde, když se člověk napije infikované vody nebo sní potraviny, které byly takovou vodou umývané. Vibrio cholerae není odolná bakterie. Je citlivá na vyschnutí a teplotu nad 60 °C. V dnešní době se vyskytuje hlavně v chudých, hustě obydlených oblastech se špatnými hygienickými návyky.
Interakce buňka-virus
Bakterie, které se nám dostanou do těla, se snaží najít si hezké místečko k životu a tam se množit. Mohou žít třeba v trávicí nebo v dýchací soustavě a okolní buňky poškozovat látkami, které bakterie vytváří (jako to bylo u příkladu cholery).
Na rozdíl od bakterií se viry potřebují dostat dovnitř do buňky. Viry jsou mnohem menší než bakterie a neumí se samy množit. Bílkoviny, které jsou potřebné ke vzniku nového viru, jsou zapsané v jejich DNA nebo RNA, ale virus si je neumí vytvořit. Potřebuje se dostat dovnitř do buňky a napadenou buňku přinutit, aby mu všechny potřebné bílkoviny vyrobila.
Invaze viru do buňky vždy začíná vyhledáním správného cíle (u viru je to typ buňky, na který je nejlépe připravený). Nalezení správné buňky a následná adheze (přilepení k buňce) jsou procesy, kde hrají klíčovou roli cukry na povrchu buněk.
Krevní skupiny
Nejznámějším příkladem cukrů na povrchu buněk jsou krevní skupiny. Již více než 90 let je známo, že lidská krev může být klasifikována čtyřmi typy krevních skupin – A, B, AB a 0 (v angličtině často označovaná O nebo H) – a že krev dárce jednoho typu nemůže být použita pro transfuzi pro příjemce, s jehož krevní skupinou není kompatibilní.
Když máte krevní skupinu A, na povrchu vašich červených krvinek jsou cukry označované jako A antigen (cukr krevní skupiny A). Pokud se do vašeho těla dostanou červené krvinky, co mají na povrchu B antigen (cukr krevní skupiny B), tak je váš imunitní systém vyhodnotí jako cizorodé a začne je likvidovat. Lidé s krevní skupinou AB dostali od jednoho rodiče gen pro tvorbu A antigenu, od druhého rodiče gen pro tvorbu B antigenu. Jejich červené krvinky tedy mají na povrchu oba typy a imunitní systém žádnou darovanou krev nevyhodnotí jako nebezpečnou. V české populaci je nejčastější krevní skupina A (45 % populace), dále skupina 0 (30–35 %), B (15–20 %) a AB (5–7 %). V Evropě je to A (40 %), 0 (40 %), B (10 %) a AB (10 %).
