Sůl v lidském těle
28. 3. 2009
Člověk jako součást živočišné říše vděčí za svůj vznik oceánu. Vzpomínku na svou tři a půl miliardy let starou minulost si nese ve svých tkáních. Slanost našich tělních tekutin totiž odpovídá slanosti prehistorického oceánu. Zkoumat vliv solí na bílkoviny – stavební kameny organizmů, začal už před 120 lety v Praze německý chemik Franz Hoffmeister. Na jeho práci dnes navazují chemici z týmu docenta Pavla Jungwirtha z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Pomocí speciálních simulací zkoumají, jak se chovají solné ionty například v buňkách nebo v aerosolových částicích v atmosféře.
Sůl nad zlato, tak praví jedna známá česká pohádka. A potvrzují to i biologové. Sůl je pro náš organizmus důležitější než cukr. Je bezpodmínečně nutná pro život buněk. A není se čemu divit. Vždyť první život vznikal před třemi miliardami let ve slaném moři. A jak vědci zjistili, otisk tehdejší pradávné mořské vody si od té doby neseme ve svých tělních tekutinách. Ty jsou totiž právě tak slané, jak slané bylo moře před třemi miliardami let.
Pro správné fungování těla – a nejen toho lidského – je důležitá rovnováha mnoha iontů nejrůznějších solí. Nejdůležitější jsou ale dva – kationy sodíku a draslíku. Právě tyto dva prvky jsou nezbytné pro správnou funkci svalů, činnost srdce nebo přenos nervových vzruchů. Docela zajímavý je jejich poměr v těle. 98 procent iontů draslíku se totiž nachází uvnitř buněk, zatímco sodík tu prakticky nenajdete. Aby tělo tuto rovnováhu udrželo, spotřebovává velké množství energie.
Doc. Pavel Jungwirth, Ústav organické chemie a biochemie AV ČR: K tomu, abychom uvnitř buněk měli hodně draslíku a mimo buňky hodně sodíku, musíme aktivně pracovat, musíme ten sodík pumpovat ven z buněk, k tomu máme v buněčné membráně takový systém iontových kanálů a iontových pump a ty běží na takový ten motor, který máme v těle – to ATP, adenozintrifosfát. Odhaduje se, že na to spotřebujeme asi třetinu energie, kterou máme k dispozici.
Pochopení významu solí v lidském těle je tedy důležité například kvůli správné výživě, ale může mít význam i při vývoji léčiv. Vliv solí na bílkoviny, stavební kameny organizmů, začal systematicky zkoumat už před 120 lety v Praze německý chemik Franz Hoffmeister. Působil na německé části pražské univerzity, stejně jako geniální fyzik Albert Einstein.
Hoffmeister pracoval s roztoky proteinů z vaječného bílku a krevního séra. Přitom přišel na to, že ionty různých solí jsou různě účinné při takzvaném „vysolování“ bílkovin, tedy při snižování jejich rozpustnosti. To znamená, že mají odlišnou schopnost jakoby dostat bílkovinu z roztoku ven. Bílkovinu je pak možné dál samostatně studovat. Podle těchto pokusů pak soli seřadil do takzvané Hoffmeisterovy řady.
Pokusy, které Franz Hoffmeister prováděl, byly docela jednoduché a snadno je zopakujete třeba doma v kuchyni. Stačí k tomu vaječný bílek, sklenice a trocha soli.
Doc. Pavel Jungwirth, Ústav organické chemie a biochemie AV ČR: To, co máme ve sklenici je čirý, téměř úplně průhledný roztok vaječných bílkovin, zejména ovoalbuminu, lysozymu a dalších, a to, že ten roztok je průhledný, čirý, znamená, že ty bílkoviny jsou tam dobře rozpuštěné v tom roztoku. A nyní si ukážeme, že pomocí obyčejné kuchyňské soli my můžeme tu bílkovinu z roztoku dostat. Takže naberu trochu soli, dám jí do toho roztoku a maličko pomícháme a uvidíme, že se nám tam, kde byla ta sůl, krásně vysolila ta vaječná bílkovina. Vznikl tam takový chrchel, to je vlastně ta bílkovina, která se z roztoku dostala pryč.
Jenže Hoffmeister netušil, proč takto soli působí. Na to se teď, po více než sto letech, snaží odpovědět současní vědci. Jsou už vyzbrojení těmi nejmodernějšími technologiemi, které umožňují nahlédnout až do molekulární struktury proteinů a do průběhu jejich vzájemného působení s ionty nejrůznějších solí. Zajímavou výbavu na tomto běhu za poznáním tvoří počítačové experimenty a simulace.
Doc. Pavel Jungwirth, Ústav organické chemie a biochemie AV ČR: Vysolování bílkovin, které Franz Hoffmeister před 120 lety studoval v laboratoři, a my jsme si teď vyzkoušeli v kuchyňských podmínkách, můžeme dnes dělat na počítači v mnohem větším detailu a můžeme se vlastně podívat, jak jednotlivé molekuly bílkovin, tohle jsou dvě molekuly lysozymu, se k sobě přibližují za přítomnosti iontů. Můžeme dělat nejen takovéto statické obrázky, ale můžeme se dívat i na dynamiku těchto procesů. Můžeme dělat takové molekulární filmy.
Jsou to vlastně takové pokusy 21. století. Pokusy ve virtuální realitě. Místo zkumavek a Petriho misek se tu pracuje se supervýkonnými počítači, které podle přesně zadaných parametrů chemickou reakci spočítají a převedou do molekulární simulace. Ta zobrazuje děje, které se ve skutečnosti odehrávají v tisícinách vteřin.
Vědci navíc díky těmto simulacím přesně vidí, jak se při reakci chovají jednotlivé atomy a molekuly. Pavel Jungwirth dostal loni právě za tyto simulace zvláštní cenu od Britské královské společnosti pro chemii.
Doc. Pavel Jungwirth, Ústav organické chemie a biochemie AV ČR: Počítačová simulace je úžasný nástroj. Ono je to někde mezi teorií a experimentem. My vlastně na tom počítači děláme experimenty. Také tomu někdy říkáme počítačové experimenty. Co vlastně do toho počítače musíme dát. My musíme dát určitou znalost interakcí, jak mezi sebou atomy, molekuly a ionty interagují. Tu získáme buď z nějakých dalších výpočtů, nebo z experimentu a potom vlastně nastavíme počáteční podmínky a necháme ten systém se vyvíjet, jak by si sám přál.
Například na této simulaci opět vidíte ionty sodíku a draslíku v lidském těle. Zatímco fialově znázorněné draslíky jsou uvnitř buňky, tedy na pravé straně, zelené sodíky jsou venku v tělní tekutině na levé straně záběru. Od sebe je odděluje dvojitá buněčná membrána.
RNDr. Robert Vácha, Ústav organické chemie a biochemie AV ČR: Právě se snažíme zkoumat to, jak interakce iontů s membránou ovlivňuje její vlastnosti. Například to, jak právě prochází nějaké částice, třeba molekuly. (ale například by se daly zkoumat viry a podobně.
A to je důležité. Ionty solí mohou například ovlivnit, jak buňka zareaguje na léčivo, které ji má zbavit nebezpečného viru. Ukazuje se totiž, že co dobře funguje ve zkumavce, může ve slaných podmínkách lidského těla naprosto vyhořet. Vědci proto pomocí počítačových simulací slibné chemické látky jakoby předvyzkouší.
To, co vidíte na obrázku, je chování enzymu HIV proteáza ve slané vodě. Tento enzym je důležitý pro rozmnožování viru HIV.Pokud by se ho podařilo zablokovat, virus by ztratil schopnost rozmnožování a na světě by byl účinný lék.
V tradičních laboratorních podmínkách zkoumají HIV proteázu lidé z týmu Jana Konvalinky. Podařilo se jim dokonce najít slibnou látku, která činnost enzymu brzdí. Ukazuje se ale, že její působení ovlivňují právě soli.
Doc. Jan Konvalinka, Ústav molekulární chemie a biochemie AV ČR: Způsob, jak se ten inhibitor váže do aktivního místa enzymu je velmi zajímavý a je ovlivněn koncentrací solí a způsob, jak je ovlivněn, je neznámý. A kdybychom ho pochopili, budeme vědět víc o tom, jak se inhibitory vážou do enzymu a to může pomoct v návrhu účinných inhibitorů.
Počítačové simulace například ukázaly, že v místě, kde se do enzymu má navázat tento inhibitor, často sedí iont sodíku, který znemožňuje, aby se inhibitor do enzymu dostal. Pochopení těchto vztahů tak usnadní navrhování nových účinných látek. Ukazuje se totiž, že žádná látka není příliš jednoduchá na to, aby nemohla mít zásadní vliv na řešení těch nejzapeklitějších vědeckých úkolů. Tuto moc má tedy i prostá sůl, která stála při našem vzniku.
Autor: Tereza Pultarová