Aká teplota nášho tela je normálna?

Začiatkom tohto roka zverejnili francúzski vedci výsledky svojho merania, z ktorého vyplýva, že mitochondrie v kožných bunkách sa pri 38 stupňoch Celzia necítia práve najlepšie. Aby dosiahli svoje teplotné optimum, zohrievajú sa takmer na teplotu, ktorá je o desať stupňov vyššia, než akú si nameriame v podpazuší alebo v konečníku. Aj keď ide o jeden z veľkých biologických objavov posledného obdobia, na autorov sa zosypala patričná kritika. Bolo to podľa všetkého preto, lebo skomplikovali odpoveď na jednoduchú otázku – aká teplota je pre telesné bunky optimálna?

Mito (thermo yellow), N,N­‑dibutyl-6-imino-9-(3-piperidin-1-ylphenyl)xanthen-3-amine. Technológie prenikajúce do života mitochondrií, ktoré nám zabezpečujú najlepší možný výkon a nízku spotrebu.
Hlavnú rolu v našom príbehu bude zohrávať „Mito“. Znalcom zemepisu sa zrejme vybavia mestá v krajine vychádzajúceho Slnka. Osád s týmto názvom tam majú hneď niekoľko. Mito je hlavné mesto v prefektúre Ibaraki. Rovnaký názov má aj mesto v prefektúre Aiči a do tretice majú také mesto aj v prefektúre Šimane.

Nám ostatným sa pri pojme „Mito“ vybaví dizajn najmenšieho športového auta talianskej značky Alfa Romeo, ktorým sa snaží zaujať nás, čo máme hlboko do vrecka, no radi by sme sa vozili rýchlo. V reklamných materiáloch sa hovorí, že „technológia MITO je vždy prepojená so životom“ a že „jeho DNA má pod palcom svižnosť a najlepší možný výkon“.

Je celkom úsmevné, že biológovia používajú rovnaké slová ako ich kolegovia pracujúci so skrutkami. Jedni však majú na mysli ako zdroj energie motor v optimálnej prevádzke, ktorú zabezpečuje program DNA alebo „Dynamic, Normal a All­‑Weather“, a druhí myslia pod hnacím motorom mitochondrie, ktoré tiež riadi DNA. Rozdiel je len v tom, že v tomto prípade ide o kyselinu deoxyribonukleovú, stroje na energiu majú len niekoľko mikrometrov a že v jedinej bunke ich môže byť aj stotisíc. Aby tieto milióntiny metra mohli biológovia vidieť, potrebujú na to mikroskop a farbivo. Hovoria mu Mito a práve ním sa dnes budeme zaoberať. Ukázalo sa totiž, že okrem toho, že mení neviditeľné veci na viditeľné, dokáže toho oveľa viac.

Mito: Technológia spojená so životom. Upravuje najlepší možný výkon a nízku spotrebu.

Existuje viacero typov farbiva Mito, ktoré v tomto objave zohralo najdôležitejšiu úlohu. Pôvodne sa mu hovorilo MitoTracker, čo v preklade znamená „sliedič“. Je to vhodné pomenovanie, pretože dovoľuje pozorovať mitochondrie nielen vo fixovanom preparáte, ale aj  v živých bunkách. Dnes sa obmedzíme na Mito druhej generácie. Dostalo sa mu prívlastku „termo a žlté“. V odborných textoch o ňom píšu ako o MTY, čo je skratka anglického MitoThermo Yellow. Skôr než sa dostaneme k podstate tvrdenia Francúzov, pripomenieme si, na čo sú mitochondrie dobré.

Bez lístia a možnosti fotosyntézy je získavanie energie pre život drina. Našťastie, naši predkovia boli rozumní a kedysi dávno začali spolupracovať s baktériami. Či to bolo dobrovoľné, alebo sme ich anektovali, sa už asi nikdy nedozvieme, ale u väčšiny prírodovedcov prevláda názor, že pred dvomi miliardami rokov boli mitochondrie samostatnými organizmami, ktoré sa nám vmontovali do života ako parazity.

Mitochondrie – potomok alfaproteobaktérií príbuzných dnešným rickettsiám. Dnes sú z nich semiautonómne organely.
V prospech tejto verzie má svedčiť aj skutočnosť, že si na toto obdobie stále pamätajú a uchovali si z neho značnú časť autonómie. Privilégium – mať svoju vlastnú DNA – je svojím spôsobom nelogické až riskantné. Ako keby si štát (v našom prípade bunka) riadil všetky svoje „rezorty“ z jedného centra (jadra a jadrovej DNA) a ten najdôležitejší strategický rezort – energetiku – ponechal v pôsobnosti bývalého nepriateľa.

Na dnes už mierumilovné spolužitie s mitochondriami sa ale môžeme pozerať aj očami strany Starostovia a nezávislí a považovať ponechanie rozhodovania mitochondriálnej samospráve za správne. Nech to už bolo akokoľvek, výsledkom je, že si každá bunka prevádzkuje spomínané tisícky „elektrocentrál“. Výhodou je, že sa nemusia starať o prenosovú sústavu. Má to ale aj tienistú stránku. Zatiaľ čo v bunke nám stačí jedna jadrová DNA, mitochondriálnu máme toľkokrát, koľko máme mitochondrií, čo sú niekedy až spomínané státisíce mtDNA molekúl v jedinej bunke. Všetky na chlp rovnaké, čo nie je veľmi užitočné a navyše to je nelogické. Zabezpečenie optimálnych podmienok na čo najúčelnejšie využitie energie v malých a separátnych mitochondriách je tiež nevyhnutne problematickejšie.

Adenozíntrifosfát (ATP) – zásadná molekula pre funkciu všetkých buniek. Pri jej rozklade sa uvoľňuje značné množstvo energie. Slúži ako substrát pre skupinu enzýmov, ktoré sa nazývajú kinázy. Prenáša fosfátový zvyšok na cieľovú molekulu.
Po vecnej stránke majú mitochondrie na starosti syntézu ATP, čomu sa väčšinou hovorí dýchanie. Bunkové dýchanie, čím máme na mysli rozklad celého radu organických látok s cieľom vysať z nich energiu a zásobiť bunku energiou prostredníctvom energeticky bohatých molekúl. Takouto molekulou je adenozíntrifosfát (ATP). Mitochondrie neustále produkujú ATP a recyklujú ho z toho, čo zostalo po jeho použití. Nejde o molekuly na dlhodobé skladovanie energie, okrem iného aj preto, lebo v bunke pre ne nie je dosť miesta. Ak činnosť mitochondriám zakážeme, napríklad pomocou kyanidu, bunkám do minúty dôjdu zásoby ATP a je koniec. Predstavu, o aký zhon v mitochondriách pri syntéze ATP ide, si urobíme na základe vypočítanej spotreby maratónskeho bežca.

Teplotné optimum pre mito­chon­driálne enzýmy nie je okolo tridsiatich siedmich stupňov Celzia. Najvýkonnejšie sú až pri takmer päťdesiatich stupňoch Celzia.
Dominique Chrétien French Institute of Health and Medical Research, Inserm

Jeho svaly za dve hodiny maximálnej práce spotrebujú toľko ATP (a mitochondrie ho musia vyrobiť a recyklovať), koľko bežec sám váži a ešte o trochu viac.

Nick Lane pracuje v Londýne na University College. Získal uznanie od Kráľovskej biologickej spoločnosti a od minulého roka je profesorom evolučnej biochémie. K niektorým interpretáciám výsledkov francúzskeho tímu sa stavia kriticky. Zdroj: UC.
Nejde len o beh. ATP je molekula, ktorá má pre náš život úplne zásadný význam. Závisí od nej syntéza bielkovín, enzýmov, hormónov, vnútrobunkový a membránový transport, syntéza RNA atď. Dosť dôvodov na to, aby sa vedci o dianie v mitochondriách zaujímali. Ako sa dalo predpokladať, pri konverzii energie uvoľnenej oxidáciou živín a jej uskladňovaní do ATP nie sú tieto naše elektrárničky účinné na 100 %. Časť nevyužitej energie rozptyľujú do okolia ako teplo a úlohu v tom zohráva mitochondriálna membrána. Tým sme sa dostali do zatiaľ málo prebádanej oblasti s množstvom otázok. Francúzski vedci využili na preniknutie do tajov vnútra bunky farbivo Mito, ktoré sa viaže na vnútornú stranu mitochondriálnej membrány. Je ním MitoThermo Yellow, skrátene MTY. Farbivo nielen fluoreskuje, čím mitochondrie zviditeľňuje, ale keďže jeho jas sa odvíja od teploty, možno pomocou neho zmerať teplotu mitochondrií. A práve to v prípade buniek ľudskej kože (fibroblastov) a buniek obličky aj vykonali. Na tom, že pri činnosti mitochondrií v nich odhalili nárast teploty, nie je nič neočakávané. Prekvapením bolo o koľko. Laicky povedané, pri respirácii sa mitochondrie „rozpaľujú dobiela“, lebo ich teplota je o desať až dvanásť stupňov vyššia, než je našich bežných 36,7 C. Francúzsky tím z toho vyvodzuje, že optimálna teplota pre mitochondrie sa blíži k päťdesiatim (!) stupňom Celzia.

Záver

Pravdou je, že medzi kolegami z brandže sú aj takí, ktorým sa taký veľký nárast teploty zdá nedôveryhodný. Autorom vytýkajú, že nie je úplne isté, či sa sonda skutočne viaže na vnútornú membránu, a že zmenu v emitovaní svetla by čiastočne mohli spôsobiť nešpecifické reakcie. Navrhujú overiť výsledok matematicky. To sa ale nedá. Mitochondria, to je taký biologický „mikrovesmír“, v ktorom bežné zákonitosti a vzorce prestávajú platiť, podobne ako vo fyzike častíc. Ako vypočítať prestup tepla, keď toho o membránach veľa nevieme a mitochondrie navyše majú membrány dve a každá z nich je iná. Aj keď obsahuje vodu, je to viazaná voda. Je tam preto, aby dovoľovala zmenu konformácie bielkovinových molekúl.

Laicky povedané, voda v takomto prostredí necirkuluje ani neodovzdáva teplo tak, ako je vo fyzikálnych pokusoch bežné. Zatiaľ čo vonkajšia membrána sa správa ako „normálna“ lipidová dvojvrstva, ktorou voda a teplo prechádzajú bez obštrukcií, vnútorná je prešpikovaná zvláštnymi bielkovinami a neobvyklým lipidom (kardiolipidom) a funguje ako lepidlo udržiavajúce tvar sústavy – s najväčšou pravdepodobnosťou preto, aby teplo čo najlepšie uchovávala.

Bez znalosti podstaty nám je v tomto prípade matematika nanič. Preto je použitie sond, ako je MTY, a postup Chrétienovho tímu správnou voľbou, ktorá by nám mala umožniť zistiť pomery v mitochondriách a nielen v nich. Aj keď Francúzi nedávajú odpoveď na všetky otázky a niektoré ich interpretácie v článku nemusia byť správne, podaril sa im husársky kúsok. Zmenili náš pohľad na motory nášho života a ukázali, aké sú v skutočnosti horúce. Touto svojou horúcou novinkou však otvorili Pandorinu skrinku. V nanosvete našich buniek bude veľa vecí inak, než sa nám zdá.

Usporiadanie vnútornej membrány mitochondrie sa skôr než „chladič“ začína javiť ako „kožuch“ umožňujúci rýchlo zvýšiť a udržať teplotu tesne pod päťdesiatimi stupňami Celzia na čo najväčšej reakčnej ploche. Foto: Terrence G. Frey, State University San Diego
Mito Thermo Yellow (MTY) – fluorescenčná farba používaná v mikroskopii. Je citlivá na teplo a tak ju možno využiť ako teplomer na zisťovanie pomerov v štruktúrach bunky. S jej pomocou sa podarilo zistiť, ako vnútro mitochondrií „sála“.
Predstava, že mitochondrie majú membránu poskladanú tak zložito preto, aby fungovala ako chladič, je novým objavom viac než spochybnená. Keď sa na mitochondrie začneme pozerať očami Francúzov, musí nám byť podozrivé, že lamely vnútornej membrány k sebe nejako veľmi priliehajú a že takéto usporiadanie prúdeniu pohybu molekúl vody nepraje. Z hľadiska odvodu tepla ide o nerozumné riešenie, preto je pravdepodobnejšie, že štruktúra funguje opačne. Cieľom usporiadania lamiel je zrejme dosiahnuť, aby jedna membrána zahrievala druhú a teplo sa v matrici uchovávalo.

Pripomína to dianie v paddocku automobilových stajní F1. Skôr než dravcom odmávajú štart, predhrievajú im motory s pneumatikami. Aj nášmu zložitému enzymatickému stroju vyžadujúcemu veľkú plochu, na ktorej prebieha Krebsov cyklus, dýchací reťazec atď. a v ktorom spolupracuje množstvo enzýmov, predhriatie pracovného prostriedku prospieva. Obzvlášť v prípade, keď v okolí panuje mrazivý tridsaťosemstupňový chlad. Cieľom ďalších výskumov bude zistiť, kedy ktorý enzým pracuje najrýchlejšie a pri akej teplote sa už začína rozpadávať na kusy. A čo je pre jednotlivé systémy optimum a kam až možno v prípade potreby liečby zájsť.

Dobrou správou je, že v prípade mnohých enzýmov už poznáme ich selektívne inhibítory, čo sa časom ešte zlepší. S ich pomocou možno zabrániť tomu najhoršiemu. Spolu s využitím sond, ako je aj MTY, to ponúka možnosť ustrážiť kritické hodnoty konkrétnych enzýmov, a to nielen v bunkách, ale aj v ich titrových organelách. O teplote už dlho vieme, že je to mocná čarodejnica a že strká prsty aj do takých vecí, ako sú poruchy plodnosti, rakovina atď. Podľa vedcov optimistov sme na prahu úplne nových prístupov v liečbe mnohých neduhov. Doterajšej praxi: „Máte horúčku? Dajte si aspirín!“ pomaly odzvoní.


Literatúra

  1. Lane N (2018) Hot mitochondrie? PLoS Biol 16 (1): e2005113. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2005113.
  2. Chrétien D, Bénit P, Ha H-H, Keipert S, El-Khoury R, Chang Y-T, et al. (2018) Mitochondria are physiologically maintained at close to 50 °C. PLoS Biol 16(1): e2003992. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2003992.
  3. Arai S, Suzuki M, Park SJ, Yoo JS, Wang L a kol. (2015) Fluorescenční teploměr zaměřený na mitochondrie monitoruje intracelulární teplotní gradient. Chem Commun (Camb) 51: 8044-8047.
  4. Satoshi Arai, et al.: Mitochondria-targeted fluorescent thermometer monitors intracellular temperature gradient, Chemical Communications, Issue 38, 2015.
Hodnotenie článku

inVitro 2/2018

Dermatovenerológia

Tento článok sa nachádza v čísle InVitro 2/2018 Dermatovenerológia. Ak máte záujem o časopis v tlačenej verzii, ozvite sa nám.
Objednať inVitro