Sydney Ringer, londýnsky lekár a fyziológ, skúmal koncom 19. storočia žabacie srdiečka vybraté z chuderiek žabiek a ponorené v rôzne koncentrovaných roztokoch kuchynskej soli. Srdiečka vo vode ešte nejaký čas bili, ale nebili príliš pravidelne. Až jedného dňa začali biť krásne do rytmu – celá tá žabka okolo akoby im vôbec nechýbala.
Nejaký čas nevedel Ringer pochopiť, čo tým srdciam tak pomohlo, až nakoniec prišiel na to, že to má celé na svedomí jeho asistent. Ten totiž nepoužil pri príprave roztokov destilovanú vodu, ale obyčajnú vodu z vodovodu. Voda v londýnskej vodovodnej sieti bola relatívne tvrdá, to znamená, že obsahovala pomerne veľa vápnika, nuž, a práve ten vápnik sa ukázal pre fungovanie srdca extrémne dôležitý. A Ringerov roztok sa stal slávnym po celom svete.
.medúza
O necelých sto rokov sa stalo niečo podobné, aj keď tentoraz už bez asistenta. Japonský biológ Osamu Shimomura prišiel do USA skúmať malé svetielkujúce morské medúzy Aequorea victoria. Jeho cieľom bolo zistiť, čo presne spôsobuje ich svetielkovanie.
Pôvodnú hypotézu, podľa ktorej išlo o rovnakú látku, aká spôsobuje svetielkovanie svätojánskych mušiek, sa mu podarilo pomerne rýchlo experimentálne vyvrátiť. Experimenty vyzerali tak, že zo svetielkujúcich častí medúz vytlačil tekutinu a z nej izoloval prášok, ktorý obsahoval potenciálne svetielkujúcu látku. Tú potom rozpustil v destilovanej vode a pridával rôzne iné látky, aby zistil, ktorá z nich rozsvieti svetielkujúce molekuly. Nuž, ale látky, ktoré rozsvecovali luciferín (tak sa volá svetielkujúca molekula svätojánskych mušiek) nerobili v tomto prípade vôbec nič.
Po mnohých neúspešných pokusoch rozsvietiť látku získanú z medúz Shimomurovi napadlo nepridávať do destilovanej vody rôzne rafinované enzýmy, ale jednoduché soli. A ono to začalo, síce slabo, ale predsa len svetielkovať. Nuž, a keď tam skúsil dať namiesto destilovanej vody obyčajnú morskú vodu, tak sa to rozsvietilo ako vianočný stromček.
V obyčajnej morskej vode sa teda nachádzalo niečo, čo zažíhalo svetielkujúce molekuly. Shimomoruvi potom stačilo len pár jednoduchých pokusov na to, aby zistil, čo presne to je. Bol to vápnik.
.bunka
Skutočnosť, že vápnik rozsvecuje nejaké látky syntetizované malou morskou medúzou je určite pozoruhodná. Experimenty s rozsvecovaním obsahu skúmavky pridaním morskej vody sú zaručene efektné. To však ešte neznamená, že ide o objav najvyššieho rangu, za ktorý by mal človek dostať Nobelovu cenu. Keď však Osamu Shimomura pred tromi rokmi Nobelovu cenu za tento objav získal, asi nikto nepochyboval o tom, že ju získal zaslúžene. Pretože molekuly svietiace v prítomnosti vápnika nám dali do rúk fantastický nástroj na sledovanie vápnika vnútri živých buniek.
Ak totiž do bunky nejakým spôsobom vpravíme takéto molekuly (v prípade Shimomurovho objavu išlo o proteín, ktorý dostal podľa svojho pôvodu názov aequorín), potom môžeme na základe zmien intenzity vyžarovaného svetla študovať, čo sa s vápnikom vnútri bunky deje. Inšpirovaní Shimomurom, vedci našli aj ďalšie bioluminiscenčné látky v rôznych morských živočíchoch a dokonca pripravili veľké množstvo syntetických látok, ktoré v prítomnosti vápnika fluoreskujú. Keď sa k tomu pridali rôzne sofistikované mikroskopické techniky, objavil sa pred nami nový „vnútrobunkový vápnikový“ svet.
.kanály
Základný obraz, ktorý sme získali na základe týchto štúdií (a aj pomocou iných metód) je takýto: Vo vnútrobunkovej tekutine, takzvanej cytoplazme, je asi tisíc- až desaťtisíckrát menej vápnika ako v medzibunkovej tekutine. Vnútri bunky sa však nachádzajú aj oblasti, v ktorých je vápnika takmer toľko ako v medzibunkovom priestore. Ide o takzvané endoplazmatické retikulum – sieť akýchsi rúrok a vačkov, ktorých steny tvorí membrána podobná bunkovej membráne oddeľujúcej bunku od zvyšku sveta.
Spomínané membrány majú v sebe zabudované špeciálne proteíny, ktorým hovoríme vápnikové kanály. Za normálnych okolností sú tieto kanály zatvorené, čo znamená, že vápnik nimi nemôže pretekať. Za špeciálnych okolností sa však otvoria a vápnik môže prechádzať z endoplazmatického retikula alebo z medzibunkového priestoru do cytoplazmy.
Aké sú tie „špeciálne okolnosti“? Pri rôznych druhoch buniek rôzne. Vo všeobecnosti príde najprv na bunkovú membránu nejaký signál (napríklad elektrický alebo sa na povrchové receptory bunky naviaže nejaký neurotransmiter či hormón). Bunka na tento podnet odpovie a to buď priamo, otvorením vápnikových kanálov v bunkovej membráne, alebo nepriamo.
Nepriama odpoveď spočíva v spustení kaskády biochemických procesov, na ktorých konci je syntetizovaný kľúčik k vnútrobunkovým vápnikovým kanálom, nachádzajúcim sa v membránach endoplazmatického retikula. Kľúčikom je molekula s dôstojným menom inositol trisfosfát (IP3). Keď sa táto molekula naviaže na vnútrobunkový vápnikový kanál, zmení jeho celkové priestorové usporiadanie takým spôsobom, že sa stane priepustným pre ióny vápnika. A cez otvorené kanály sa vápnik nahrnie do cytoplazmy.
A čo v tej cytoplazme vápnik robí? Nuž, to závisí od konkrétnej bunky. V svalovej bunke spôsobí jej stiahnutie, v nervových bunkách vylučovanie neurotransmiterov, v sekrečných bunkách vyvolá sekréciu hormónov, prípadne enzýmov a v prestarnutej bunke spustí jej programovú smrť.
.pumpy
Filmíky, ktoré ukazujú rozsvietenie cytoplazmy po zvýšení koncetrácie vápnika, ukazujú aj jej následné zhasnutie (tie filmíky sa dajú nájsť na youtube, stačí zadať kľúčové slová calcium cell microscopy). Prečo cytoplazma prestáva svietiť? Pretože vápnik z nej postupne odchádza? Kam odchádza? No späť do endoplazmatického retikula a aj von z bunky. A ako tam odchádza? Cez vápnikové pumpy a sodíkovo-vápnikové výmenníky.
Vápnikové pumpy sú, podobne ako vápnikové kanály, veľké proteíny zabudované v membráne. Na rozdiel od kanálov, ktoré prepúšťajú vápnik z miesta, kde je ho veľa, na miesto, kde je ho málo, dokážu pumpy vápnik aktívne prenášať („pumpovať“) z miesta, kde je ho menej, na miesto, kde je ho viac. Výmenníky sa nachádzajú len vo vonkajšej membráne a popri tom, že „vynášajú“ vápnik von z bunky, vnášajú zároveň do bunky ióny sodíka.
Pumpy a výmenníky to všetko síce nerobia zadarmo, treba im dodávať energiu vo forme adenozíntrifosfátu (ATP), ale robia to. A práve vďaka nim sa dostane vápnik postupne do tých zásobníkov, odkiaľ do cytoplazmy predtým tak búrlivo vtrhol.
Takto teda vyzerá kolobeh vápnika v bunke. Otvorenými kanálmi „tečie“ vápnik do cytoplazmy, tam si urobí svoju užitočnú robotu a potom ho pumpy a výmenníky z cytoplazmy odčerpajú.
.srdce
V srdci (ale nielen v ňom), pri ktorom to všetko u Ringera začalo, hrá vápnik ešte jednu kľúčovú úlohu. Doslova kľúčovú – hrá úlohu kľúčika (namiesto IP3) otvárajúceho vnútrobunkové vápnikové kanály. Vápnik, ktorý prenikne do srdcovej bunky počas jej stimulácie zvonku, aktivuje vápnikové kanály vnútri, čím spôsobí úplnú vápnikovú „inváziu“ a tá vyvolá kontrakciu bunky. U Ringera sa z londýnskej vody dostával vápnik do srdcových buniek a tam otváral kanály pre ďalší vápnik. A práve vďaka tomu ďalšiemu vápniku sa srdce sťahovalo.
Už sme v tejto sérii hovorili o tom, akú úlohu hrá vápnik skoro všade okolo nás. Jednu zo svojich úplne najdôležitejších úloh hrá v srdci. A nech už naše srdce bije pre čokoľvek – či už pre lásku, alebo pre niečo iné – bije vďaka vápniku.
Nejaký čas nevedel Ringer pochopiť, čo tým srdciam tak pomohlo, až nakoniec prišiel na to, že to má celé na svedomí jeho asistent. Ten totiž nepoužil pri príprave roztokov destilovanú vodu, ale obyčajnú vodu z vodovodu. Voda v londýnskej vodovodnej sieti bola relatívne tvrdá, to znamená, že obsahovala pomerne veľa vápnika, nuž, a práve ten vápnik sa ukázal pre fungovanie srdca extrémne dôležitý. A Ringerov roztok sa stal slávnym po celom svete.
.medúza
O necelých sto rokov sa stalo niečo podobné, aj keď tentoraz už bez asistenta. Japonský biológ Osamu Shimomura prišiel do USA skúmať malé svetielkujúce morské medúzy Aequorea victoria. Jeho cieľom bolo zistiť, čo presne spôsobuje ich svetielkovanie.
Pôvodnú hypotézu, podľa ktorej išlo o rovnakú látku, aká spôsobuje svetielkovanie svätojánskych mušiek, sa mu podarilo pomerne rýchlo experimentálne vyvrátiť. Experimenty vyzerali tak, že zo svetielkujúcich častí medúz vytlačil tekutinu a z nej izoloval prášok, ktorý obsahoval potenciálne svetielkujúcu látku. Tú potom rozpustil v destilovanej vode a pridával rôzne iné látky, aby zistil, ktorá z nich rozsvieti svetielkujúce molekuly. Nuž, ale látky, ktoré rozsvecovali luciferín (tak sa volá svetielkujúca molekula svätojánskych mušiek) nerobili v tomto prípade vôbec nič.
Po mnohých neúspešných pokusoch rozsvietiť látku získanú z medúz Shimomurovi napadlo nepridávať do destilovanej vody rôzne rafinované enzýmy, ale jednoduché soli. A ono to začalo, síce slabo, ale predsa len svetielkovať. Nuž, a keď tam skúsil dať namiesto destilovanej vody obyčajnú morskú vodu, tak sa to rozsvietilo ako vianočný stromček.
V obyčajnej morskej vode sa teda nachádzalo niečo, čo zažíhalo svetielkujúce molekuly. Shimomoruvi potom stačilo len pár jednoduchých pokusov na to, aby zistil, čo presne to je. Bol to vápnik.
.bunka
Skutočnosť, že vápnik rozsvecuje nejaké látky syntetizované malou morskou medúzou je určite pozoruhodná. Experimenty s rozsvecovaním obsahu skúmavky pridaním morskej vody sú zaručene efektné. To však ešte neznamená, že ide o objav najvyššieho rangu, za ktorý by mal človek dostať Nobelovu cenu. Keď však Osamu Shimomura pred tromi rokmi Nobelovu cenu za tento objav získal, asi nikto nepochyboval o tom, že ju získal zaslúžene. Pretože molekuly svietiace v prítomnosti vápnika nám dali do rúk fantastický nástroj na sledovanie vápnika vnútri živých buniek.
Ak totiž do bunky nejakým spôsobom vpravíme takéto molekuly (v prípade Shimomurovho objavu išlo o proteín, ktorý dostal podľa svojho pôvodu názov aequorín), potom môžeme na základe zmien intenzity vyžarovaného svetla študovať, čo sa s vápnikom vnútri bunky deje. Inšpirovaní Shimomurom, vedci našli aj ďalšie bioluminiscenčné látky v rôznych morských živočíchoch a dokonca pripravili veľké množstvo syntetických látok, ktoré v prítomnosti vápnika fluoreskujú. Keď sa k tomu pridali rôzne sofistikované mikroskopické techniky, objavil sa pred nami nový „vnútrobunkový vápnikový“ svet.
.kanály
Základný obraz, ktorý sme získali na základe týchto štúdií (a aj pomocou iných metód) je takýto: Vo vnútrobunkovej tekutine, takzvanej cytoplazme, je asi tisíc- až desaťtisíckrát menej vápnika ako v medzibunkovej tekutine. Vnútri bunky sa však nachádzajú aj oblasti, v ktorých je vápnika takmer toľko ako v medzibunkovom priestore. Ide o takzvané endoplazmatické retikulum – sieť akýchsi rúrok a vačkov, ktorých steny tvorí membrána podobná bunkovej membráne oddeľujúcej bunku od zvyšku sveta.
Spomínané membrány majú v sebe zabudované špeciálne proteíny, ktorým hovoríme vápnikové kanály. Za normálnych okolností sú tieto kanály zatvorené, čo znamená, že vápnik nimi nemôže pretekať. Za špeciálnych okolností sa však otvoria a vápnik môže prechádzať z endoplazmatického retikula alebo z medzibunkového priestoru do cytoplazmy.
Aké sú tie „špeciálne okolnosti“? Pri rôznych druhoch buniek rôzne. Vo všeobecnosti príde najprv na bunkovú membránu nejaký signál (napríklad elektrický alebo sa na povrchové receptory bunky naviaže nejaký neurotransmiter či hormón). Bunka na tento podnet odpovie a to buď priamo, otvorením vápnikových kanálov v bunkovej membráne, alebo nepriamo.
Nepriama odpoveď spočíva v spustení kaskády biochemických procesov, na ktorých konci je syntetizovaný kľúčik k vnútrobunkovým vápnikovým kanálom, nachádzajúcim sa v membránach endoplazmatického retikula. Kľúčikom je molekula s dôstojným menom inositol trisfosfát (IP3). Keď sa táto molekula naviaže na vnútrobunkový vápnikový kanál, zmení jeho celkové priestorové usporiadanie takým spôsobom, že sa stane priepustným pre ióny vápnika. A cez otvorené kanály sa vápnik nahrnie do cytoplazmy.
A čo v tej cytoplazme vápnik robí? Nuž, to závisí od konkrétnej bunky. V svalovej bunke spôsobí jej stiahnutie, v nervových bunkách vylučovanie neurotransmiterov, v sekrečných bunkách vyvolá sekréciu hormónov, prípadne enzýmov a v prestarnutej bunke spustí jej programovú smrť.
.pumpy
Filmíky, ktoré ukazujú rozsvietenie cytoplazmy po zvýšení koncetrácie vápnika, ukazujú aj jej následné zhasnutie (tie filmíky sa dajú nájsť na youtube, stačí zadať kľúčové slová calcium cell microscopy). Prečo cytoplazma prestáva svietiť? Pretože vápnik z nej postupne odchádza? Kam odchádza? No späť do endoplazmatického retikula a aj von z bunky. A ako tam odchádza? Cez vápnikové pumpy a sodíkovo-vápnikové výmenníky.
Vápnikové pumpy sú, podobne ako vápnikové kanály, veľké proteíny zabudované v membráne. Na rozdiel od kanálov, ktoré prepúšťajú vápnik z miesta, kde je ho veľa, na miesto, kde je ho málo, dokážu pumpy vápnik aktívne prenášať („pumpovať“) z miesta, kde je ho menej, na miesto, kde je ho viac. Výmenníky sa nachádzajú len vo vonkajšej membráne a popri tom, že „vynášajú“ vápnik von z bunky, vnášajú zároveň do bunky ióny sodíka.
Pumpy a výmenníky to všetko síce nerobia zadarmo, treba im dodávať energiu vo forme adenozíntrifosfátu (ATP), ale robia to. A práve vďaka nim sa dostane vápnik postupne do tých zásobníkov, odkiaľ do cytoplazmy predtým tak búrlivo vtrhol.
Takto teda vyzerá kolobeh vápnika v bunke. Otvorenými kanálmi „tečie“ vápnik do cytoplazmy, tam si urobí svoju užitočnú robotu a potom ho pumpy a výmenníky z cytoplazmy odčerpajú.
.srdce
V srdci (ale nielen v ňom), pri ktorom to všetko u Ringera začalo, hrá vápnik ešte jednu kľúčovú úlohu. Doslova kľúčovú – hrá úlohu kľúčika (namiesto IP3) otvárajúceho vnútrobunkové vápnikové kanály. Vápnik, ktorý prenikne do srdcovej bunky počas jej stimulácie zvonku, aktivuje vápnikové kanály vnútri, čím spôsobí úplnú vápnikovú „inváziu“ a tá vyvolá kontrakciu bunky. U Ringera sa z londýnskej vody dostával vápnik do srdcových buniek a tam otváral kanály pre ďalší vápnik. A práve vďaka tomu ďalšiemu vápniku sa srdce sťahovalo.
Už sme v tejto sérii hovorili o tom, akú úlohu hrá vápnik skoro všade okolo nás. Jednu zo svojich úplne najdôležitejších úloh hrá v srdci. A nech už naše srdce bije pre čokoľvek – či už pre lásku, alebo pre niečo iné – bije vďaka vápniku.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.