Dlaczego w górach mamy krótki oddech?

Każdy, kto był w wysokich górach, zna to uczucie: zadyszka, przyspieszony puls i to, że nawet kilka kroków pod górę wymaga odpoczynku. Dlaczego tak się dzieje? Im wyżej, tym ciśnienie atmosferyczne jest niższe. Dlatego ciśnienie parcjalne tlenu, które na poziomie morza wynosi 21 kPa, też spada. Na wysokości 4500 m jest go już o połowę mniej. Przekłada się to na nasycenie naszej hemoglobiny tlenem, które zaczyna dość ostro spadać powyżej 4500 m. Ponieważ bez tlenu nie ma życia, nasz organizm musi się jakoś zaadoptować do warunków obniżonego stężenia tlenu, które ogólnie nazywamy hipoksją. Ma na to kilka sposobów.

Tabela 1. Ciśnienie parcjalne tlenu na różnej wysokości i przeciętne nasycenie hemoglobiny tlenem u zdrowej osoby.

Ciśnienie parcjalne to ciśnienie, jakie wywierałby dany składnik mieszaniny gazów, gdyby w tej samej temperaturze sam zajmował objętość całej mieszaniny.

Jak nasz organizm reaguje na spadek stężenia tlenu?

Przyspieszenie oddychania.

Ośrodek oddechowy w rdzeniu przedłużonym (część mózgowia, który łączy rdzeń kręgowy z mostem) odbiera dane z chemoreceptorów obwodowych, czyli komórek, które „wyczuwają” stężenie tlenu i dwutlenku węgla w osoczu. Jeżeli stężenie tlenu spada, to ośrodek oddechowy pobudza mięśnie międzyżebrowe do szybszego oddychania. Jednocześnie częstość skurczów serca też się zwiększa. W ten sposób organizm stara się zrekompensować obniżenie stężenia tlenu w powietrzu.

Modyfikacja hemoglobiny

Hemoglobina odpowiada za 98% tlenu rozprowadzanego przez naszą krew (pozostałą część przenosi osocze). Hemoglobina doskonale wiąże tlen w płucach, ale już nie tak dobrze oddaje go w tkankach, czyli tam, gdzie stężenie tlenu jest niskie. Można powiedzieć, że część tlenu zabiera z powrotem do płuc. Wszystko dlatego, że powinowactwo hemoglobiny wobec tlenu (czyli siła, z jaką ona wiąże tlen) może być w pewnych okolicznościach zbyt wysokie. Żeby je obniżyć, krwinki wytwarzają związek o nazwie 2,3-bisfosfoglicerynian (2,3-BPG). Powstaje w wyniku glikolizy, czyli rozkładu glukozy – a glukoza jest jedynym źródłem energii dla krwinek. To dzięki glikolizie krwinki wytwarzają adenozytrifosforan (ATP), który jest niezbędnym źródłem energii. Inne komórki mogą wytwarzać ATP również (czy raczej przede wszystkim) w wyniku cyklu Krebsa i fosforylacji oksydacyjnej. Ale krwinki nie mają mitochondriów i są skazane na glikolizę.

2,3-BPG powstaje w ramach tzw. skrótu Rapoporta-Luberinga w procesie glikolizy. Jego powstanie jest w zasadzie niekorzystne, bo wiąże się z utratą jednej cząsteczki ATP (z dwóch, które powstają w wyniku rozkładu jednej cząsteczki glukozy). Ale 2,3-BPG w krwinkach pełni ważną rolę: wiąże się do hemoglobiny i obniża jej powinowactwo wobec tlenu. Im więcej 2,3-BPG, tym hemoglobina chętnie rozstaje się z tlenem. A w górach produkcja 2,3-BPG wzrasta.

Czyli: brak tlenu na dużej wysokości > wzrost stężenia 2,3-BPG > obniżenie powinowactwa hemoglobiny wobec tlenu > lepsze oddawanie tlenu w tkankach.

Trzeba dodać, że obniżenie powinowactwa hemoglobiny przez 2,3-BPG wobec tlenu praktycznie nie ma wpływu na wiązanie tlenu w płucach, za to znacząco polepsza jego odbieranie przez tkanki.

A dlaczego w górach jest więcej 2,3-BPG?

Tu przechodzimy do białek HIF (nie mylić z HIV, czyli wirusem niedoboru odporności).

Czynniki indukowane hipoksją (Hypoxia-Inducible Factors, HIF)

Są to trzy białka o funkcji czynników transkrypcyjnych. Znaczy to, że wiążą się do DNA w części genu nazywanej regionem promotorowym i regulują syntezę mRNA, czyli transkrypcję. Najważniejszy z nich jest HIF-1. Składa się z podjednostek α i β, i ma szczególną właściwość: dwie reszty aminokwasowe wchodzące w skład podjednostki α  ulegają modyfikacji, kiedy tlenu jest dużo. Są to proliny o numerach 402 i 564, do których specjalny enzym o nazwie hydroksylaza prolinowa przyłącza grupy -OH. Jeżeli te grupy są obecne, HIF-1 ulega szybkiej degradacji w tzw. proteasomie, który można porównać do kosza na śmieci połączonego z niszczarką dokumentów. W procesie tym bierze też udział białko VHL (von Hippel-Lindau protein). Mutacje w genie kodującym białko VHL mogą powodować nowotwory, a cecha ta jest dziedziczna. Bezpośrednio za degradację HIF-1 odpowiada ubikwityna, małe białko, którego zadaniem jest znakowanie takich przeznaczonych do zniszczenia białek (Ryc. 1)

Ryc. 1. Struktura czynnika indukowanego hipoksją 1 (HIF-1). Autor: Jawahar Swaminathan and MSD staff at the European Bioinformatics Institute. Domena publiczna.

Co innego, kiedy tlenu zaczyna brakować. Wtedy grupy -OH nie mogą być przyłączone (bo nie ma tlenu), HIF-1 wnika do jądra komórki i zaczyna działać jako czynnik transkrypcyjny. Reguluje ono ekspresję ponad 100 genów, które kodują białka mogące zniwelować skutki braku tlenu (Ryc. 2).

Ryc. 2. Mechanizm aktywacji genów w wyniku hipoksji. Czynnik indukowany hipoksją (HIF-α) w obecności tlenu ulega hydroksylacji, a po przyłączeniu białka VHL i ubikwityny ulega degradacji w proteasomie. Jeżeli tlenu jest mało, HIF-α wnika do jądra i wiąże się do regionów promotorowych genów kodujących białka związane z erytropoezą, metabolizmem i angiogenezą. Autor: Dr. Guido Hegasy. Licencja CC A-S 3.0.

Są trzy grupy białek, na ekspresję których wpływa HIF-1: związane z produkcją hemoglobiny i erytrocytów, regulujące metabolizm i związane z ukrwieniem tkanek.

HIF-1 i krwinki

Chyba wszyscy słyszeli o erytropoetynie, hormonie, który stymuluje produkcję krwinek czerwonych. Było o niej głośno z powodu jej używania przez nieuczciwych sportowców jako środka dopingującego. To właśnie wytwarzanie erytropoetyny jest stymulowane przez czynnik indukowany hipoksją. Ma to sens: jeżeli tlenu jest za mało, trzeba wytworzyć więcej krwinek, żeby lepiej transportować ten, który jest dostępny. Dlatego mieszkańcy Andów żyjący na wysokości ponad 3500 m mają poziom hemoglobiny wyższy o ok. 30% w porównaniu z mieszkańcami nizin. Ale w Tybecie już tak nie jest, tam mechanizm przystosowawczy był inny.

Stężenie adenozyny, związku o wielu funkcjach (nośnik energii, składnik kwasów nukleinowych, neuroprzekaźnik), też zwiększa się w wysokich górach. Skutkiem jest rozszerzenie naczyń krwionośnych, a także senność, bo tak właśnie działa adenozyna w ośrodkowym układzie nerwowym. Można temu przeciwdziałać pijąc kawę lub napoje energetyczne, ponieważ działanie adenozyny jest blokowane przez kofeinę (taki związek nosi nazwę antagonisty). Pisała o tym Tatiana Pandora Saternus. Są i inne sposoby na przeciwdziałanie zmęczeniu i senności w górach: mieszkańcy Andów żują liście koki, która działa pobudzająco.

Ale najważniejszym skutkiem podwyższonego stężenia adenozyny jest wzrost produkcji 2,3-bisfosfoglicerynianu. Skutkiem jest opisane wyżej polepszenie działania hemoglobiny, które lepiej oddaje tlen w tkankach. A jakie białko powoduje podwyższenie stężenia adenozyny? HIF-1, poprzez hamowanie ekspresji kinazy adenozynowej, enzymu, który przerabia adenozynę na adenozyno-1-monofosforan (AMP). Jeżeli jest dużo adenozyny, to 2,3-BPG też jest dużo.

HIF-1 i metabolizm

Podstawowe źródło energii dla naszych komórek, czyli ATP, może być produkowane na dwa różne sposoby: tlenowy i beztlenowy. Jak sama nazwa wskazuje, tlenowy wymaga tlenu. Ok. 95% ATP produkujemy właśnie w ten sposób: są to procesy znane jako cykl Krebsa (inaczej: cykl kwasu cytrynowego) i fosforylacja oksydacyjna.

Pozostałe 5% ATP powstaje w wyniku rozkładu glukozy zwanego glikolizą. Ten szereg reakcji nie wymaga tlenu, ale jego wydajność jest niska. Z jednej cząsteczki glukozy uzyskujemy 30 cząsteczek ATP na drodze tlenowej i 2 cząsteczki ATP na drodze beztlenowej. Tak więc żeby beztlenowo wyprodukować taką samą ilość ATP jak na drodze beztlenowej, potrzebujemy 15 razy więcej glukozy.

HIF-1 wpływa na ekspresję genów kodujących niektóre enzymy związane z glikolizą, wymuszając na komórkach zwiększenie beztlenowego rozkładu glukozy. Pośrednio powoduje też obniżenie wydajności produkcji ATP związanej z tlenem, chociaż tu sprawa jest bardziej skomplikowana i wykracza poza ramy tego artykułu. A wniosek praktyczny jest jeden: organizm w górach potrzebuje dużo więcej glukozy. Czekolada nieodzowna!

HIF-1 i naczynia krwionośne

Jeżeli tlenu jest mało, to dobrze byłoby polepszyć ukrwienie tkanek, tak żeby ten tlen, który mamy do dyspozycji, mógł dotrzeć nawet do najskromniejszej komórki. A jak zwiększyć ukrwienie tkanek? Najlepiej wyprodukować więcej czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (Vascular endothelial growth factor [VEGF]). To białko bierze udział w tworzeniu sieci naczyń krwionośnych (czyli angiogenezie). HIF-1 wpływa wzrost jego ekspresji, czego skutkiem jest lepsze ukrwienie tkanek. Tak więc jeżeli tlenu jest mało, to chociaż naczynia krwionośne mogą lepiej go dostarczać.

Nagroda Nobla z medycyny i fizjologii w 2019 r.: Gregg Semenza, Peter Ratcliffe i William Kealin

Na początku lat 90. ubiegłego wieku Gregg Semenza z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Baltimore badał myszy z dodatkowym genem kodującym ludzką erytropoetynę i wykrył, że ekspresja tego genu zależy od stężenia tlenu. Okazało się, że jest to wynikiem obecności białka reagującego na stężenie tlenu, który nazwał Hypoxia-Inducible Factor. Do bardzo podobnych wniosków doszedł Peter Ratcliffe z Uniwersytetu w Oxfordzie badając nerki szczurów. William Kaelin z Dana-Farber Institute w Bostonie wykazał rolę białka VHL w tym procesie i udowodnił, że HIF-1 i VHL wpływają na rozwój naczyń krwionośnych w nowotworach. Guz nowotworowy szybko rośnie i cierpi na niedobór tlenu, dlatego ekspresja HIF-1 jest mu potrzebna do stymulowania rozwoju naczyń krwionośnych. Stąd już niedaleko do hamowania ekspresji HIF-1 jako terapii przeciwnowotworowej. Ale to temat na osobny artykuł (Ryc. 3).

Ryc. 3. Laureaci Nagrody Nobla z medycyny i fizjologii w 2019 r. (źródło: Nobel Foundation, domena publiczna).

Literatura dodatkowa

HIF-1 w fizjologii i medycynie:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2012.01.021

https://www.jci.org/articles/view/90055

Zmiany w krwinkach pod wpływem hipoksji:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8900923/

Nagroda Nobla z medycyny i fizjologii w 2019 r. (video):

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/prize-announcement/