Ak vás trápi, že na vašej tvári vidno stopy po zube času, môžete si dať odstrániť vrásky. Ako? Podkožným vstrekovaním klobásového jedu! Botox, ktorý sa na tieto účely používa, totiž nie je nič iné ako klobásový jed botulotoxín. Produkuje ho baktéria Clostridium botulinum (botulus je latinsky klobása) a jeho požitie v pokazenej konzerve vám vrásky nevyhladí, ale skôr prehĺbi, pretože vedie k závažným príznakom otravy.
Botulotoxín najskôr paralyzuje svaly na hlave, čo sa prejaví dvojitým videním (okohybné svaly) a poruchami prehĺtania (svaly hltana), nakoniec ochrnú dýchacie svaly. Ale nebojte sa, kozmetický zákrok nie je nebezpečný. Nebezpečná je skôr túžba po večnej mladosti, ale to je iná téma.
Botulotoxín sa v kozmetike vpichuje do mimických svalov, ktoré hýbu kožou na tvári a prispievajú tak k tvorbe vrások. Výsledkom je ochrnutie, uvoľnenie svalov a následné vyhladenie kožných vrások. Botulotoxín totiž dokáže narušiť prechod vzruchu z nervov na svaly a tým svaly paralyzuje. Akým molekulárnym trikom dokáže tento neurotoxín znemožniť komunikáciu medzi neurónmi?
.mechúrik prichádza na scénu
Prenos elektrického signálu z jednej nervovej bunky na inú sa uskutočňuje na spojeniach medzi ich výstupnými a vstupnými výbežkami. Tieto spojenia sa nazývajú synapsy, výstupné výbežky sa volajú axóny. Synaptické spojenia existujú aj medzi axónmi nervovej bunky a svalovými bunkami, a nazývajú sa nervovosvalové platničky.
Pred päťdesiatimi rokmi ukázal Bernard Katz (Nobelova cena 1970), že elektrický impulz (akčný potenciál) vedie na zakončení axónu, ktoré tvorí jednu stranu synapsy, k nevueriteľne rýchlemu vylúčeniu chemickej látky – neuroprenášača. Na nervovosvalovej platničke sa pri nervovom impulze vylučuje acetylcholín. Neuroprenášač sa dostane cez úzku synaptickú štrbinu na druhú stranu synapsy, kde aktivuje špeciálne receptory, ktoré zase premenia chemický signál na elektrický. Elektrický signál potom prispieva k aktivácii cieľovej nervovej bunky alebo v prípade acetylcholínu k stiahnutiu sa cieľovej svalovej bunky.
Bernard Katz zo svojich elekrofyziologických meraní odvodil, že acetylcholín je na konci axónu uschovaný v malých, membránou obalených mechúrikoch (vezikulách). Katz prišiel na to, že keď elektrický impulz príde na koniec axónu, spustí okamžite uvoľnenie acetylcholínu z niekoľkých mechúrikov do synaptickej štrbiny. Zistil tiež, že kľúčovú úlohu pri tom hrá vápnik.
A tak sa dostávame k trojici nových nobelistov, ktorými sú Američania Randy Schekman (Berkeley) a James Rothman (Yale) a Nemec Thomas Südhof (Stanford). Thomasa Südhofa fascinoval nevyriešený problém, ako detailne funguje uvoľňovanie neuroprenášača zo synaptických mechúrikov. Zaujímali ho tri otázky, na ktoré Katz nenašiel uspokojivú odpoveď: Po prvé, ako dochádza k splynutiu (fúzii) obalu mechúrika s membránou axónu počas uvoľnenia neuroprenášača? (Neuroprenášače sú väčšinou molekuly, rozpustné vo vode, neschopné prechádzať cez tukové bunkové membrány. Von z mechúrikov a z bunky sa teda dostanú len cez otvor, ktorý vznikne splynutím membrány mechúrika s membránou bunky.) Po druhé, ako spúšťa vápnik proces splynutia membrán? Po tretie, ako je možné, že to prebieha tak neuveriteľne rýchlo, v zlomkoch milisekundy?
.mechúriky a ich molekulárny zips
Vyriešiť prvú otázku pomohol Randy Schekman. V kvasinkách našiel gény, ktorých mutácie viedli k narušeniu pohybu a splývania mechúrikov. Membránou obalené mechúriky totiž nepoužívajú na presun látok iba nervové bunky, ale všetky bunky vrátane kvasinkových. Úloha bielkovín, ktoré sú týmito génmi kódované, však bola neznáma.
James Rothman a iní izolovali najdôležitejšie bielkoviny, ktoré sa nachádzali v synapsách. Získali tak zoznam kociek molekulárneho lega, ale nevedeli, ako kocky do seba zapadajú. Ukázalo sa, že niektoré kocky (napr. SNAP, Munc 18-1) boli kódované génmi objavenými Schekmanom. Záhada vylučovania neuroprenášačov zo synaptických mechúrikov sa tak začala rozuzľovať.
Rothman odhalil kľúčový fakt, že bielkovinové „kocky“ SNAP-25 a syntaxín vytvárajú v synapsách skladačku (komplex) s inou bielkovinovou „kockou“ synaptobrevínom, ktorú identifikovali Südhof a Scheller. Rothman túto bielkovinovú skladačku nazval SNARE komplex. Synaptobrevín je vnorený do membrány synaptického mechúrika, zatiaľ čo SNAP-25 a syntaxín sú súčasťou membrány bunky. Tak sa v roku 1993 zrodila SNARE hypotéza, ktorá sa neskôr potvrdila.
Bielkoviny ako synaptobrevín v membráne mechúrikov (vezikúl, preto sa volajú aj v-SNARE bielkoviny) sa spájajú s bielkovinami cieľovej bunkovej membrány. Cieľ je anglicky target, preto sa vokajú aj t-SNARE bielkoviny. v-SNARE a t-SNARE bielkoviny zipsovitým spôsobom navzájom interagujú a tým približujú membránu mechúrika a bunky k sebe. Nakoniec membrány navzájom splynú a cez vzniknutý otvor do synaptickej štrbiny uniknú milióny molekúl neuroprenášača (napr. acetylcholínu). Princíp funkcie v- a t-SNARE bielkovín je jednoduchý. Trvalo však dvadsať rokov, kým sa prišlo k dnes známym molekulárnym detailom.
Dnes vieme, že botulotoxín (a napríklad aj tetanustoxín) dokážu štiepiť bielkoviny SNARE komplexu. Botulotoxín rozkladom ničí v-SNARE a t-SNARE bielkoviny, čím blokuje vylučovanie acetylcholínu na nervovosvalovej platničke. Efektívne tým paralyzuje svaly..
.akú úlohu tam hrá vápnik?
V snahe nájsť odpoveď na svoju druhú katzovskú otázku sa Thomas Südhof pustil do hľadania molekuly, ktorá by viazala vápnik a tým by spúšťala vyššie opísaný proces vylučovania neuroprenášačov. Jeho hľadanie bolo korunované úspechom. Ako bielkovinu, ktorá plní úlohu dlho hľadaného Katzovho vápnikového senzora, identifikoval synaptotagmín-1. Synaptotagmín-1 sa nachádza v membráne synaptických mechúrikov, viaže vápnik a interaguje so SNARE bielkovinami. Pokusy na myšiach, ktorým geneticky odstránil synaptotagmín-1, ukázali, že je potrebný pre vápnikom riadenú fúziu synaptických mechúrikov.
Ako sa vápnik vôbec dostane do synaptického zakončenia nervovej bunky? Elektrický impulz doputuje po axóne až k synaptickej membráne axónu, kde otvorí špeciálne, elektrickým napätím ovládané vápnikové kanály. Vápnik vtečie cez otvorené kanály dnu, naviaže sa na synaptotagmín a ďalší sled udalostí už dobre poznáme.
Südhofa zaujímala tretia otázka: ako je možné, že všetko prebieha tak veľmi rýchlo, rádovo stovky mikrosekúnd? Südhof zistil, že hlavný trik spočíva v bielkovinách RIM. Tie sa totiž viažu na vápnikové kanály v membráne nervovej bunky, a zároveň sú v kontakte aj s bielkovinami v membráne synaptických mechúrikov. Tým zabezpečujú, že po príchode elektrického impulzu vápnik vteká do bunky vo veľmi tesnej blízkosti mechúrikov s neuroprenášačom. Hneď po vstupe do bunky tak môže vápnik nájsť synaptotagmín-1 a okamžite spustiť fúziu mechúrikov a uvoľnenie neuroprenášača. Vo vzájomnom blízkom zakotvení vápnikových kanálov a mechúrikov bielkovinám RIM pomáhajú ďalšie bielkoviny RIM-BP a Munc13.
.so what?
Pragmatický skeptik by mohol namietať: OK, v bunkách existujú mechúriky, všakovaké bielkoviny a stvárajú prapodivné veci, ale aký má z toho ľudstvo prospech? Úprimná odpoveď znie, že okrem obohatenia nášho poznania priamy benefit vo forme nového lieku zatiaľ neexistuje. S pravdepodobnosťou hraničiacou s istotou však z poznania synaptického prenosu vzídu aj medicínsky užitočné veci. Už len poznanie mechanizmu účinku botulotoxínu a tetanustoxínu nie je lekárom na zahodenie. Botulotoxín sa totiž používa nielen v kozmetike, ale aj napríklad aj v liečbe nežiaducich svalových kŕčov.
Z poznatkov o transporte a fúzii bunkových mechúrikov však možno budú raz profitovať nielen pacienti s ochoreniami nervového, ale aj imunitného a hormonálneho systému. Aj imunitné bunky a bunky produkujúce hormóny totiž používajú bielkovinové mechanizmy odhalené Schekmanom, Rothmanom a Südhofom. Naša imunita závisí od cytokínov uložených v podobných mechúrikoch, ako sú synaptické mechúriky. Podobným spôsobom funguje aj uskladňovanie a vylučovanie inzulínu a iných hormónov. Pri cukrovke dochádza k poruchám vylučovania inzulínu, takže molekulárne poznatky o splývaní bunkových mechúrikov možno povedú k novej liečbe diabetikov.
Ak však nie ste pragmatický skeptik, asi oceníte, že vďaka výskumu nobelistov vieme veľmi dôležitú vec. Podobné molekulárne mechanizmy používajú na uskladanie, prenos a vylučovanie dôležitých látok bunky takých vzdialených organizmov, akými sú kvasinky a človek. To znamená, že evolúcia dokáže používať podobné molekulárne triky na také rôznorodé funkcie, akými sú metabolizmus kvasiniek alebo ľudské myslenie. Pretože (a to je môj posledný pokus o presvedčenie pragmatických skeptikov) bez SNARE komplexu by nefungovali ani vaše synapsy a nemohli by ste si tento článok o SNARE komplexe vôbec prečítať.
Autor skúma synapsy na Goetheho univerzite vo Frankfurte.
Botulotoxín najskôr paralyzuje svaly na hlave, čo sa prejaví dvojitým videním (okohybné svaly) a poruchami prehĺtania (svaly hltana), nakoniec ochrnú dýchacie svaly. Ale nebojte sa, kozmetický zákrok nie je nebezpečný. Nebezpečná je skôr túžba po večnej mladosti, ale to je iná téma.
Botulotoxín sa v kozmetike vpichuje do mimických svalov, ktoré hýbu kožou na tvári a prispievajú tak k tvorbe vrások. Výsledkom je ochrnutie, uvoľnenie svalov a následné vyhladenie kožných vrások. Botulotoxín totiž dokáže narušiť prechod vzruchu z nervov na svaly a tým svaly paralyzuje. Akým molekulárnym trikom dokáže tento neurotoxín znemožniť komunikáciu medzi neurónmi?
.mechúrik prichádza na scénu
Prenos elektrického signálu z jednej nervovej bunky na inú sa uskutočňuje na spojeniach medzi ich výstupnými a vstupnými výbežkami. Tieto spojenia sa nazývajú synapsy, výstupné výbežky sa volajú axóny. Synaptické spojenia existujú aj medzi axónmi nervovej bunky a svalovými bunkami, a nazývajú sa nervovosvalové platničky.
Pred päťdesiatimi rokmi ukázal Bernard Katz (Nobelova cena 1970), že elektrický impulz (akčný potenciál) vedie na zakončení axónu, ktoré tvorí jednu stranu synapsy, k nevueriteľne rýchlemu vylúčeniu chemickej látky – neuroprenášača. Na nervovosvalovej platničke sa pri nervovom impulze vylučuje acetylcholín. Neuroprenášač sa dostane cez úzku synaptickú štrbinu na druhú stranu synapsy, kde aktivuje špeciálne receptory, ktoré zase premenia chemický signál na elektrický. Elektrický signál potom prispieva k aktivácii cieľovej nervovej bunky alebo v prípade acetylcholínu k stiahnutiu sa cieľovej svalovej bunky.
Bernard Katz zo svojich elekrofyziologických meraní odvodil, že acetylcholín je na konci axónu uschovaný v malých, membránou obalených mechúrikoch (vezikulách). Katz prišiel na to, že keď elektrický impulz príde na koniec axónu, spustí okamžite uvoľnenie acetylcholínu z niekoľkých mechúrikov do synaptickej štrbiny. Zistil tiež, že kľúčovú úlohu pri tom hrá vápnik.
A tak sa dostávame k trojici nových nobelistov, ktorými sú Američania Randy Schekman (Berkeley) a James Rothman (Yale) a Nemec Thomas Südhof (Stanford). Thomasa Südhofa fascinoval nevyriešený problém, ako detailne funguje uvoľňovanie neuroprenášača zo synaptických mechúrikov. Zaujímali ho tri otázky, na ktoré Katz nenašiel uspokojivú odpoveď: Po prvé, ako dochádza k splynutiu (fúzii) obalu mechúrika s membránou axónu počas uvoľnenia neuroprenášača? (Neuroprenášače sú väčšinou molekuly, rozpustné vo vode, neschopné prechádzať cez tukové bunkové membrány. Von z mechúrikov a z bunky sa teda dostanú len cez otvor, ktorý vznikne splynutím membrány mechúrika s membránou bunky.) Po druhé, ako spúšťa vápnik proces splynutia membrán? Po tretie, ako je možné, že to prebieha tak neuveriteľne rýchlo, v zlomkoch milisekundy?
.mechúriky a ich molekulárny zips
Vyriešiť prvú otázku pomohol Randy Schekman. V kvasinkách našiel gény, ktorých mutácie viedli k narušeniu pohybu a splývania mechúrikov. Membránou obalené mechúriky totiž nepoužívajú na presun látok iba nervové bunky, ale všetky bunky vrátane kvasinkových. Úloha bielkovín, ktoré sú týmito génmi kódované, však bola neznáma.
James Rothman a iní izolovali najdôležitejšie bielkoviny, ktoré sa nachádzali v synapsách. Získali tak zoznam kociek molekulárneho lega, ale nevedeli, ako kocky do seba zapadajú. Ukázalo sa, že niektoré kocky (napr. SNAP, Munc 18-1) boli kódované génmi objavenými Schekmanom. Záhada vylučovania neuroprenášačov zo synaptických mechúrikov sa tak začala rozuzľovať.
Rothman odhalil kľúčový fakt, že bielkovinové „kocky“ SNAP-25 a syntaxín vytvárajú v synapsách skladačku (komplex) s inou bielkovinovou „kockou“ synaptobrevínom, ktorú identifikovali Südhof a Scheller. Rothman túto bielkovinovú skladačku nazval SNARE komplex. Synaptobrevín je vnorený do membrány synaptického mechúrika, zatiaľ čo SNAP-25 a syntaxín sú súčasťou membrány bunky. Tak sa v roku 1993 zrodila SNARE hypotéza, ktorá sa neskôr potvrdila.
Bielkoviny ako synaptobrevín v membráne mechúrikov (vezikúl, preto sa volajú aj v-SNARE bielkoviny) sa spájajú s bielkovinami cieľovej bunkovej membrány. Cieľ je anglicky target, preto sa vokajú aj t-SNARE bielkoviny. v-SNARE a t-SNARE bielkoviny zipsovitým spôsobom navzájom interagujú a tým približujú membránu mechúrika a bunky k sebe. Nakoniec membrány navzájom splynú a cez vzniknutý otvor do synaptickej štrbiny uniknú milióny molekúl neuroprenášača (napr. acetylcholínu). Princíp funkcie v- a t-SNARE bielkovín je jednoduchý. Trvalo však dvadsať rokov, kým sa prišlo k dnes známym molekulárnym detailom.
Dnes vieme, že botulotoxín (a napríklad aj tetanustoxín) dokážu štiepiť bielkoviny SNARE komplexu. Botulotoxín rozkladom ničí v-SNARE a t-SNARE bielkoviny, čím blokuje vylučovanie acetylcholínu na nervovosvalovej platničke. Efektívne tým paralyzuje svaly..
.akú úlohu tam hrá vápnik?
V snahe nájsť odpoveď na svoju druhú katzovskú otázku sa Thomas Südhof pustil do hľadania molekuly, ktorá by viazala vápnik a tým by spúšťala vyššie opísaný proces vylučovania neuroprenášačov. Jeho hľadanie bolo korunované úspechom. Ako bielkovinu, ktorá plní úlohu dlho hľadaného Katzovho vápnikového senzora, identifikoval synaptotagmín-1. Synaptotagmín-1 sa nachádza v membráne synaptických mechúrikov, viaže vápnik a interaguje so SNARE bielkovinami. Pokusy na myšiach, ktorým geneticky odstránil synaptotagmín-1, ukázali, že je potrebný pre vápnikom riadenú fúziu synaptických mechúrikov.
Ako sa vápnik vôbec dostane do synaptického zakončenia nervovej bunky? Elektrický impulz doputuje po axóne až k synaptickej membráne axónu, kde otvorí špeciálne, elektrickým napätím ovládané vápnikové kanály. Vápnik vtečie cez otvorené kanály dnu, naviaže sa na synaptotagmín a ďalší sled udalostí už dobre poznáme.
Südhofa zaujímala tretia otázka: ako je možné, že všetko prebieha tak veľmi rýchlo, rádovo stovky mikrosekúnd? Südhof zistil, že hlavný trik spočíva v bielkovinách RIM. Tie sa totiž viažu na vápnikové kanály v membráne nervovej bunky, a zároveň sú v kontakte aj s bielkovinami v membráne synaptických mechúrikov. Tým zabezpečujú, že po príchode elektrického impulzu vápnik vteká do bunky vo veľmi tesnej blízkosti mechúrikov s neuroprenášačom. Hneď po vstupe do bunky tak môže vápnik nájsť synaptotagmín-1 a okamžite spustiť fúziu mechúrikov a uvoľnenie neuroprenášača. Vo vzájomnom blízkom zakotvení vápnikových kanálov a mechúrikov bielkovinám RIM pomáhajú ďalšie bielkoviny RIM-BP a Munc13.
.so what?
Pragmatický skeptik by mohol namietať: OK, v bunkách existujú mechúriky, všakovaké bielkoviny a stvárajú prapodivné veci, ale aký má z toho ľudstvo prospech? Úprimná odpoveď znie, že okrem obohatenia nášho poznania priamy benefit vo forme nového lieku zatiaľ neexistuje. S pravdepodobnosťou hraničiacou s istotou však z poznania synaptického prenosu vzídu aj medicínsky užitočné veci. Už len poznanie mechanizmu účinku botulotoxínu a tetanustoxínu nie je lekárom na zahodenie. Botulotoxín sa totiž používa nielen v kozmetike, ale aj napríklad aj v liečbe nežiaducich svalových kŕčov.
Z poznatkov o transporte a fúzii bunkových mechúrikov však možno budú raz profitovať nielen pacienti s ochoreniami nervového, ale aj imunitného a hormonálneho systému. Aj imunitné bunky a bunky produkujúce hormóny totiž používajú bielkovinové mechanizmy odhalené Schekmanom, Rothmanom a Südhofom. Naša imunita závisí od cytokínov uložených v podobných mechúrikoch, ako sú synaptické mechúriky. Podobným spôsobom funguje aj uskladňovanie a vylučovanie inzulínu a iných hormónov. Pri cukrovke dochádza k poruchám vylučovania inzulínu, takže molekulárne poznatky o splývaní bunkových mechúrikov možno povedú k novej liečbe diabetikov.
Ak však nie ste pragmatický skeptik, asi oceníte, že vďaka výskumu nobelistov vieme veľmi dôležitú vec. Podobné molekulárne mechanizmy používajú na uskladanie, prenos a vylučovanie dôležitých látok bunky takých vzdialených organizmov, akými sú kvasinky a človek. To znamená, že evolúcia dokáže používať podobné molekulárne triky na také rôznorodé funkcie, akými sú metabolizmus kvasiniek alebo ľudské myslenie. Pretože (a to je môj posledný pokus o presvedčenie pragmatických skeptikov) bez SNARE komplexu by nefungovali ani vaše synapsy a nemohli by ste si tento článok o SNARE komplexe vôbec prečítať.
Autor skúma synapsy na Goetheho univerzite vo Frankfurte.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.