Po co nam tlen, podstawowy dostarczyciel energii?
Oddychamy bezwiednie, nie zdając sobie sprawy, ile oddychanie znaczy. Bierzemy głęboki oddech i czujemy strumień świeżego powietrza napełniający piersi. Tylko w taki sposób może trafić do organizmu życiodajny tlen. W podręcznikach fizjologii łatwo znaleźć lapidarną definicję tej czynności – służy do wymiany gazowej. Oddychamy więc właściwie tylko po to, aby wprowadzić do komórek świeży, pozbawiony koloru, zapachu i smaku gaz, a zarazem pozbywamy się powietrza o wysokiej zawartości dwutlenku węgla, będącego toksycznym produktem przemiany materii. Tę podstawową funkcję pozwalają płucom wypełniać drogi oddechowe (tchawica, oskrzela i mniejsze oskrzeliki) oraz pęcherzyki płucne, gdzie zachodzi właściwy proces wymiany gazów, o którym uczyliśmy się na lekcjach chemii..
Najważniejsze odkrycia tegorocznych laureatów Nagrody Nobla związane są z procesami, które zachodzą dalej, bo już w samych komórkach, do których tlen doprowadzany jest przez krew w erytrocytach. To tu, w mitochondriach znajdujących się w jądrach komórkowych, za sprawą tlenu pożywienie przekształcane jest w użyteczną energię.
Ale wspomnianym badaczom zawdzięczamy przede wszystkim zrozumienie fenomenu dostosowania organizmu do zmian poziomu tlenu – a to ważny proces, dzięki któremu niezależnie od wahań zawartości tego pierwiastka we krwi może odbywać się metabolizm komórkowy i funkcje fizjologiczne.
Regulacja niedotlenienia to polisa na życie
Nasz organizm szybko się adaptuje do niedotlenienia, ponieważ stymuluje do produkcji hormon nazwany erytropoetyną, która zwiększa wytwarzanie czerwonych krwinek. Wtedy zmniejszona ilość tlenu wpływa na oszczędniejsze zagospodarowanie tego surowca.
Znaczenie kontroli hormonalnej tego procesu (erytropoezy) poznano już na początku XX w., ale sposób, w jaki tlen może go sam kontrolować, pozostawał tajemnicą. Aż do połowy lat 90. XX w., kiedy prof. Gregg L. Semenza przyjrzał się bliżej genowi EPO i sposobom jego regulowania przez różne poziomy tlenu. Wyniki jego eksperymentów – dziś docenione przez Komitet Noblowski – pokazały, że określone segmenty DNA znajdujące się obok genu EPO pośredniczą w odpowiedzi na niedotlenienie.
Drugi wyróżniony naukowiec, Brytyjczyk Peter Ratcliffe, również badał zależną od tlenu regulację genu EPO i także udowodnił, że mechanizm wykrywania tlenu był obecny praktycznie we wszystkich tkankach, a nie tylko w komórkach nerek, w których na co dzień wytwarzana jest erytropoetyna.
A co z trzecim laureatem? Mniej więcej w tym samym czasie William Kaelin Jr. prowadził badania nad schorzeniem dziedzicznym, uwarunkowanym genetycznie, o nazwie choroba von Hippel-Lindau (VHL). Prowadzi ona do zwiększonego ryzyka niektórych nowotworów w rodzinach z odziedziczonymi mutacjami genu VHL. Kaelin wykazał, po pierwsze, że gen ten koduje białko, które zapobiega wystąpieniu raka. Po drugie, że komórki rakowe pozbawione funkcjonalnego genu VHL wyrażają wyjątkowo wysoki poziom genów regulowanych przez hipoksję, czyli niedotlenienie. Ale kiedy gen VHL został ponownie wprowadzony do komórek rakowych, normalizowało to podwyższone poziomy genów. A zatem uczony wysnuł wniosek, że VHL był w jakiś sposób zaangażowany w kontrolowanie odpowiedzi na niedotlenienie. Wkrótce udało się powiązać odkrycie genu VHL z czynnikiem indukowanym przez hipoksję (HIF), który wcześniej ustalił prof. Semenza.
Ten Nobel dotyka każdego aspektu fizjologii
Dzięki przełomowej pracy tegorocznych laureatów Nagrody Nobla wiemy znacznie więcej o tym, jak różne poziomy tlenu regulują w organizmie podstawowe procesy fizjologiczne. Ustalenie tego stężenia pozwala komórkom dostosować do niego swój cały metabolizm, choćby podczas intensywnych ćwiczeń fizycznych, kiedy zwiększona ilość pierwiastka zużywana jest przez mięśnie. Inne procesy adaptacyjne, kontrolowane przez odkryty mechanizm wykrywania poziomu tlenu, obejmują wytwarzanie nowych naczyń krwionośnych i produkcję czerwonych krwinek. Nasz układ odpornościowy, a także rozwój łożyska również dostrajają się do aktualnego poziomu tlenu wykrywanego przez komórki.
Ma to też kolosalne znaczenie w wielu chorobach. Na przykład u osób z przewlekłą niewydolnością nerek, które często cierpią na ciężką niedokrwistość z powodu zmniejszonej ekspresji genu EPO. W schorzeniach nowotworowych mechanizm regulowany tlenem jest wykorzystywany do stymulowania tworzenia naczyń krwionośnych wokół guzów, co stymuluje niestety ich wzrost. Dlatego mechanizm odkryty przez noblistów jest celem dla nowych leków, bo zablokowanie go i pozbawienie dostępu tlenu do komórek raka może okazać się w onkologii nowym kierunkiem terapii. Prace badawcze związane z tym tematem już w kilku miejscach są prowadzone.
źródło: polityka.pl Autor: Paweł Walewski
