Bílkoviny poškozené cukrem

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.