KOMÓRKI – BUDULEC ORGANÓW I NARZĄDÓW
Dlaczego warto zrozumieć komórki swojego ciała?
Twoje ciało składa się z trzydziestu bilionów komórek.
30 000 000 000 000 komórek.
To niesamowita liczba, prawda? Powiem Ci coś bardzo ważnego o Tobie, o nas wszystkich – ludziach. Wszystkie nasze ruchy, myśli, reakcje, wspomnienia, słowa i cała reszta tego, czym jesteśmy to właśnie… komórki! Jesteśmy wynikiem przemian i reakcji zachodzących wewnątrz komórek oraz ich sprawnej komunikacji między sobą. Układ nerwowy to nawet do stu miliardów komórek nerwowych, a każda z nich może mieć tysiąc połączeń z innymi komórkami.
Co więcej, większość chorób i zaburzeń wynika właśnie z nieprawidłowości w tych obszarach. Ponadto, mechanizmy te są targetem większości znanych nam leków i używek. Dzięki temu artykułowi zrozumiesz skąd się biorą różne choroby i zaburzenia oraz jak działają leki, używki i – co najważniejsze – Twój własny organizm!
Zaczniemy od teorii i choć nie będzie łatwo, to obiecuję Ci, że wszystkie puzzle powoli zaczną się składać w jedną całość – jeśli tylko wytrwasz do sekcji z przykładami 🙂
KOMUNIKACJA MIĘDZY KOMÓRKAMI
Większość komunikacji między- oraz wewnątrz-komórkowej odbywa się za pomocą związków chemicznych. Związki te nazywamy mediatorami lub transmiterami. Być może kojarzysz niektóre z nich, na przykład adrenalinę, dopaminę, testosteron lub hormon wzrostu. Jednak, jeśli „coś” zostaje wysłane, to musi istnieć także jakiś odbiornik, prawda? Takim odbiornikiem jest białko receptorowe, umieszczone we wnętrzu komórki lub w jej błonie.
Możesz wyobrazić sobie takie przekazywanie informacji poprzez następującą analogię:
W roli rozpuszczalnika możemy umieścić np. krew (transportującą hormony) lub cytozol (ciecz wypełniającą wnętrze komórek). Takie medium zawsze składa się w większości z wody, gdyż jest ona doskonałym rozpuszczalnikiem i organizmy żywe nie mogą bez niej istnieć.
Powiada się, że człowiek składa się w przynajmniej 60% z wody. Wiele osób to dziwi, ponieważ tej wody „nie widać” i na próżno szukać jakiegoś jej zbiornika w organizmie. Teraz już wiesz, że chodzi o skład między innymi krwi, cytoplazmy, czy płynu mózgowo-rdzeniowego. Dopiero analizując organizm na poziomie komórkowym możemy wszystko to dostrzec i zrozumieć, gdzie ta woda się znajduje.
SYGNAŁ CHEMICZNY
Choć wydaje się nam, że nasze umysły są niepodzielną całością, to jednak nasze mózgi także składają się z komórek. Większość z nich również używa mediatorów do komunikacji między sobą. Tylko w niektórych, najważniejszych dla przeżycia rejonach mózgu, komórki wymieniają między sobą sygnał elektryczny. W każdym pozostałym obszarze układu nerwowego sygnał elektryczny jest tymczasowo zamieniany na chemiczny, aby mógł pokonać synapsę – szczelinę między dwoma komórkami, w której następuje przekazywanie impulsu. Takie rozwiązanie, choć bywa wadliwe, zapewnia mózgowi plastyczność, a więc pozwala organizmom na uczenie się i różnorodne zachowanie.
Sygnał elektryczny nie jest wystarczający również w przypadku innych części organizmu. Przysadka mózgowa, „chcąc” pobudzić receptory komórkowe tarczycy, musi wyprodukować hormony i wysłać je do krwiobiegu. Sprawa wygląda podobnie we wnętrzu komórek – tam też sygnał jest przekazywany za pomocą różnych związków chemicznych. Tak już po prostu jest, natura znalazła dla nas rozwiązanie. Jak mawiał profesor Jerzy Vetulani, biologia ma sens jedynie w kontekście ewolucji.
Wiesz już, jak ważne są mediatory i jaką rolę odgrywają w organizmie. Co dalej? Najpierw opowiem o nich więcej i przedstawię ich podział. Następnie zapoznam Cię z pojęciem ligandu i jego rodzajami, a jeszcze później poznasz rodzaje białek receptorowych i dowiesz się, co dzieje się dalej, we wnętrzu komórki docelowej, gdy ta odbierze sygnał. Na koniec zostawiłem przykłady mediatorów, leków i używek, abyś mógł/mogła zrozumieć wszystko „obrazkowo” i przyswoić zawartą tu wiedzę na dobre.
MEDIATORY
Mediatory to organiczne związki chemiczne, produkowane przez organizm w roli listu, pakietu danych, informacji, bodźca – pasuje tutaj wiele metafor. To właśnie one są tym sygnałem chemicznym, który ma dotrzeć z punktu A do punktu B. Mediatory dzielimy między innymi na:
LIGANDY
Związek chemiczny, który wiąże się z receptorem, nazywamy ligandem. Mediatory opisane powyżej to ligandy endogenne, czyli produkowane przez organizm. Jeśli ligand pochodzi spoza organizmu, nazywamy go egzogennym – są to wszelkiego rodzaju leki, trucizny oraz używki. Oprócz podziału ze względu na pochodzenie, możemy je podzielić także na:
DLACZEGO KOMÓRKI „DAJĄ SIĘ NABRAĆ”?
Dlaczego właściwie niektóre substancje z zewnątrz wchodzą w interakcje z naszymi białkami? Odpowiedź jest bardzo prosta: chodzi o strukturę przestrzenną cząsteczki. Ligandy pasują do receptora jak puzzle, jak klucz do zamka. Spójrzmy na najprostszy przykład: dopamina oraz amfetamina. Na czerwono wyróżniony został szkielet fenyloetyloaminy (PEA), cząsteczki której pochodną są obie substancje. To właśnie strukturalne podobieństwo do dopaminy i PEA sprawia, że amfetamina wiąże się z białkami domyślnie dla nich przeznaczonymi.
Ciekawostka: nazwa „amfetamina” oznacza właśnie PEA z grupą metylową podstawioną w pozycji alfa (pierwszym atomie węgla licząc od grupy aminowej – NH2). Spójrz: alfa-metylo-fenyloetyloamina!
BIAŁKA RECEPTOROWE
Receptory, białka receptorowe, nasze „skrzynki na listy” możemy podzielić na różne sposoby. Najprostszym podziałem jest rozróżnienie, czy receptor znajduje się na błonie komórkowej, czy we wnętrzu komórki. Przekaźniki pierwszego stopnia zazwyczaj oddziałują tylko na receptory błonowe i nie wnikają do wnętrza komórki.
Każda reguła ma jednak wyjątki i tutaj jest podobnie – hormony tarczycy, hormony steroidowe (np. testosteron, estrogeny lub kortyzol), a także egzogenne substancje (np. sterydy anaboliczno-androgenne) mają możliwość przenikania przez błonę komórkową i pobudzania receptorów w środku komórki – w tym na jądrze komórkowym.
Trzy główne rodzaje receptorów zlokalizowanych na błonach komórkowych to:
Struktury receptorów zlokalizowanych na błonach komórkowych są bardzo złożone i niejednokrotnie przechodzą przez błonę z obu stron. Ciężko przy obecnej technologii o zdjęcia takich struktur, tak samo, jak ciężko o zdjęcia cząsteczki DNA. Niestety w tym artykule musimy posiłkować się infografikami i uproszczeniami, a po więcej treści wizualnych można udać się do sekcji ze źródłami.
SYNAPSA, WYCHWYT ZWROTNY I METABOLIZM
Wróćmy na chwilę do komórek nerwowych. Wypadałoby jeszcze opowiedzieć o mechanizmie wychwytu zwrotnego oraz zrobić małą powtórkę z tego, czym jest metabolizm. Jak już dobrze wiesz, komórki nerwowe wysyłają do siebie nawzajem neuroprzekaźniki w szczelinach nazywanych synapsami.
Jak wyobrazić sobie synapsę? Cóż, są one bardzo różnorodne, a wszelkie dostępne w Internecie grafiki są jedynie uproszczeniem. Poniżej zamieszczam jeden z obrazów dostępnych na Wikipedii. Jak widać, to bardzo skomplikowany mechanizm, a przecież w każdym z nas są ich dziesiątki, jeśli nie setki bilionów takich synaps!
Neuron presynaptyczny (wysyłający sygnał) ma w aksonie pęcherzyki, w których po zsyntezowaniu przechowywane są cząsteczki neuroprzekaźnika. Pod wpływem impulsu, w sytuacji potrzeby przekazania sygnału drugiej komórce, pęcherzyk w pewien sposób dokonuje fuzji z błoną i uwalnia przekaźniki. Cząsteczki neurotransmitera zostały uwolnione do szczeliny synaptycznej. Nie wszystkie zwiążą się z białkami receptorowymi, a i tak przecież wypadałoby tam od czasu do czasu posprzątać, prawda?
Zazwyczaj większość czynności porządkowych wykonują białka wychwytu zwrotnego. Wyłapują one molekuły mediatora i przekazują z powrotem do neuronu presynaptycznego. W ten sposób neuroprzekaźnik podlega „recyklingowi” i może zostać użyty ponownie.
Oprócz białek odpowiedzialnych za wychwyt zwrotny, czynnościami porządkowymi zajmują się także enzymy. Białka enzymatyczne znajdziemy zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórek. Metabolizm dokonuje się nie tylko w wątrobie, ale także i w samym mózgu. Enzymy są niezbędne do funkcjonowania organizmów żywych i wiele procesów w nich zachodzących nie byłoby możliwe bez tych białek. Zmniejszają one energię wymaganą, aby osiągnąć reakcję chemiczną danego substratu, są też niezwykle szybkie i wydajne – z tego powodu muszą działać bardzo wybiórczo i operować zazwyczaj na tylko kilku substratach.
Więcej informacji na powyższe tematy znajdziesz bez problemu w sekcji ze źródłami 🙂
ENDOKANNABINOIDY I PRZEKAŹNIKI WSTECZNE
Warto jeszcze wspomnieć o przekaźnikach wstecznych, np. endokannabinoidach działających w obrębie synaps jako informacja zwrotna dla neuronu presynaptycznego. Substancje te między innymi hamują dalsze wydzielanie głównych neurotransmiterów, takich jak np. kwas glutaminowy oraz GABA, pod wpływem napływu odpowiedniej ilości jonów wapnia do neuronu post-synaptycznego. Jest to o tyle ciekawe zjawisko, że nie zaobserwowano wcześniej, aby działało to w tę stronę we w pełni dojrzałym organizmie. Przykładem takich związków są anandamid i 2AG, natomiast we wnętrzu komórek rolę przekaźnika wstecznego pełni między innymi tlenek azotu.
Endokannabinoidy odpowiadają w organizmie także za kontrolę poczucia głodu i senności oraz przyjemność i rozkosz (najprawdopodobniej to one odpowiadają za fenomen euforii biegacza). Dotyczy to głównie pobudzania receptorów CB1, gdyż drugi rodzaj receptorów, CB2, jest związany przede wszystkim z układem odpornościowymi i krwionośnym. Receptory kannabinoidowe są najpowszechniej występującymi receptorami metabotropowymi w układzie nerwowym i ich ilość jest bliska ilości receptorów glutaminergicznych lub GABA, które są receptorami jonotropowymi, występującymi w około 3/4 komórek nerwowych. Pełnią także dużą rolę w rozwoju płodu i powstawaniu mózgu.
Najnowsze odkrycia w zakresie układu endokannabinoidowego dają duże nadzieje na nowe metody terapii i walki z wieloma chorobami przy użyciu fitokannabinoidów (zawartych w konopiach) oraz pozostałych, syntetycznych i wysoce selektywnych ligandów receptorów kannabinoidowych. Oprócz działania neuroprotekcyjnego i wzmacniającego układ odpornościowy, substancje te mogą pomóc w wcale z bólem nowotworowym, stwardnieniem rozsianym, padaczką, a nawet schizofrenią. Potrzebne są jednak dalsze badania, aby móc to stwierdzić na pewno.
Więcej informacji na powyższe tematy znajdziesz bez problemu w sekcji ze źródłami 🙂
WE WNĘTRZU KOMÓRKI…
Okej, ligand pobudził białko receptorowe – sygnał został odebrany przez komórkę docelową. Tutaj jednak nie kończy się szlak sygnałowy. Pobudzenie receptora wyzwala kaskadę różnych reakcji wewnątrz komórki, w zależności od tego, jakie białko zostało pobudzone. Jak widać na poniższej infografice, procesy te są bardzo skomplikowane i nie da się o nich wszystkich opowiedzieć w takim artykule.
Po co w ogóle rozdzielać ten sygnał? Komórki, a w szczególności ich jądra, muszą być zabezpieczone przed zagrożeniami z zewnątrz. Jest to konieczne, aby umożliwić prawidłowe ich funkcjonowanie i zabezpieczyć materiał genetyczny. Właśnie dlatego przekaźnik pierwotny zatrzymuje się na białku receptorowym – to ono przechodzi przez błonę komórkową i jest w stanie bezpiecznie przenieść informację na drugą stronę.
Niektóre przekaźniki wtórne (drugiego stopnia) są dobrze rozpuszczalne w wodzie, a inne w tłuszczach. Wynika z tego, iż te pierwsze mogą swobodnie rozprzestrzeniać się w cytozolu, podczas, gdy te drugie będą poruszać się w obrębie błony komórkowej. Część z nich, jak np. tlenek azotu, może swobodnie przenikać przez błony i „odwiedzać” pobliskie komórki.
Trzeba mieć tutaj na uwadze, że w organizmach żywych zachodzą biliardy takich procesów w ciągu jednej sekundy. Tak, BILIARDY! Warto również dodać, że sygnały przekazywane przez mediatory drugiego stopnia mogą być po drodze wzmacniane, rozgałęziać się oraz wzajemnie na siebie wpływać. Docelowo sygnały te modulują aktywności białek i enzymów wewnątrzkomórkowych, wpływają na transkrypcję genów oraz modulują przepustowość kanałów jonowych. Odpowiadają za wszystko to, co „chciała” osiągnąć komórka, która wyemitowała przekaźnik pierwotny.
PRZYKŁAD PIERWSZY: SEROTONINA
Serotonina (5-HT, 5-hydroksy-tryptamina) jest jednym z najważniejszych neuroprzekaźników. Odpowiada w organizmie człowieka za dziesiątki różnych funkcji, np. szerokość źrenic, nastrój, apetyt, lęk, średnicę kanalików płucnych, skurcze mięśni gładkich, senność, potrzeby seksualne itd. Ma kilkanaście rodzajów receptorów, które odpowiadają za różne funkcje organizmu.
Niektóre leki i używki działają na serotoninę. Przyjrzyjmy się kilku przykładom:
PRZYKŁAD DRUGI: INSULINA
Komórki trzustki produkują insulinę – hormon składający się z prawie ośmiuset atomów poukładanych w aminokwasy. Ona również pełni rolę mediatora. Syntezowana jest bowiem w trzustce i pobudza komórki wątrobowe, wywołując wiele reakcji w organizmie. Najważniejszą z nich jest transport glukozy do wnętrza komórek wątrobowych (co zmniejsza jej stężenie we krwi). Oprócz tego insulina jest związana m.in. z układem odpornościowym i metabolizmem innych węglowodanów.
Zaburzenia w tym zakresie skutkować mogą m.in. cukrzycą, hipoglikemią, a nawet nowotworami. Zdarza się tak, że organizm niszczy komórki odpowiedzialne za wytwarzanie insuliny lub niedostatecznie na nią reaguje. Chorzy są zmuszeni do zmiany trybu życia i zachowania ścisłej dyscypliny, jednak często to nie wystarczy. Także tutaj medycyna przychodzi z pomocą, oferując leki ingerujące w przekaźnictwo. Diabetykom przepisuje się zarówno samą insulinę, jak i inne cząsteczki, których działanie również polega na aktywacji określonych struktur białkowych.
PRZYKŁAD TRZECI: LEKI PRZECIWBÓLOWE
Wyróżniamy dwa główne rodzaje leków przeciwbólowych:
Ani jedna, ani druga grupa leków nie jest wolna od wad. NLPZ dostępne bez recepty działają także na COX-1. Mogą więc podrażniać żołądek, powodować biegunkę i bóle brzucha,. Dzieje się tak dlatego, że prostaglandyny tworzone przez COX-1 odpowiadają m.in. za prawidłową pracę błony śluzowej żołądka, a lek blokuje ich wytwarzanie.
Co do opioidów, efektem ubocznym ich stosowania jest ogromna euforia i możliwość uzależnienia. Na świecie są setki tysięcy osób uzależnionych od tego typu leków, biorących dzień w dzień morfinę — nigdy nie planowali tego robić. Jeden z pierwszych naszych wpisów opowiadał o tym, jak za granicą lekarze wypisują takie leki pacjentom, którym wystarczyłyby mocniejsze NLPZ, jak np. deksketoprofen.
POZOSTAŁE PRZYKŁADY
KOMÓRKI I MEDIATORY
PODSUMOWANIE
Jak widzisz, przykłady można mnożyć i prawie zawsze leki oraz używki wpływają na poszczególne etapy komunikacji międzykomórkowej. To wszystko, co dla Ciebie przygotowałem, możesz wracać do tego wpisu zawsze, gdy jakieś terminy będą trudne do zrozumienia. Pamiętaj jednak, że żaden artykuł nie czyni z człowieka eksperta. Osobiście nie posiadam żadnego wykształcenia w tej dziedzinie i całą tę wiedzę zdobyłem ucząc się na własną rękę.
Zawarte powyżej informacje są oczywiście wielokrotnie udowodnionymi faktami i panuje co do nich konsensus w środowisku naukowym – nie masz się czego obawiać. Warto jednak mieć na uwadze, że nie można w takim tekście zmieścić wszystkiego i choć porównania i opisy są trafne, to jednak procesów zachodzących wewnątrz i na zewnątrz komórek są tysiące. Nie chciałbym, aby ten tekst był bronią w internetowych dyskusjach. Miej to proszę na uwadze 🙂
W sekcji ze źródłami zostawiam Ci linki prowadzące do stron, badań i artykułów, które pomogą Ci jeszcze lepiej zrozumieć przedstawione tutaj zjawiska i ich mechanizmy. Dziękuję Ci za lekturę i życzę udanej nauki!
Artykuł ten będzie stale edytowany, poprawiany i uzupełniany o nowe informacje. Ostatnia aktualizacja: 27 czerwca 2021, godzina 5:03
ŹRÓDŁA WYBRANE
Membrane receptors for hormones and neurotransmitters.
Histology, Axon
Handbook of Cell Signaling
Signal transduction through lipid second messengers
Molecular Cell Biology. 4th edition. (rozdział 21.4)
Randy J. Nelson – An Introduction to Behavioral Endocrinology
GCRDb: a G-protein-coupled receptor database.
Cyclooxygenase-2: A Therapeutic Target
Analgesic Effect of Acetaminophen: A Review of Known and Novel Mechanisms of Action
Main interactions of dopamine and risperidone with the dopamine D2 receptor
The Therapeutic Potential of Psilocybin
Zastosowanie naturalnych kannabinoidów i endokannabinoidów w terapii
a także anglojęzyczna Wikipedia, korzystając z fragmentów okraszonych odnośnikami pochodzącymi z materiałów dla uczelni, meta-analiz, raportów i przeglądów systematycznych.
Niektóre przykłady opisujące działanie konkretnych leków/używek mogły zostać nie wymienione w źródłach, ze względu na fakt, iż panuje co do nich konsensus naukowy i nikt nie kwestionuje np., że lewocetyryzyna pomaga alergikom poprzez blokowanie receptora H1. Nie czuję potrzeby podawania źródeł informacji, które są od lat w książkach od biologii, na ulotkach leków i działają empirycznie u milionów pacjentów na całym świecie.
W razie jakichkolwiek wątpliwości, proszę o komentarz pod postem na Facebooku, w odpowiedzi prześlę odpowiednie badania, kartę charakterystyki substancji i co jeszcze będzie trzeba 🙂
Pingback:To nieprawda, że "ludzie się nie zmieniają"! - W prostym zwierciadle
Pingback:W jaki sposób psychodeliki "leczą"? - W prostym zwierciadle