A wszystko zaczyna się od… błony komórkowej

dr hab. Ewa Kłodzińska

A wszystko zaczyna się od… błony komórkowej

Dlaczego od ponad trzydziestu lat zajmuję się biologią błon komórkowych i dlaczego uważam, że jest ona jednym z najbardziej niedocenianych elementów współczesnej biologii?

Przez ponad trzydzieści lat mojej pracy naukowej miałam możliwość zajmować się wieloma obszarami biologii i chemii – od chemii analitycznej, poprzez techniki elektromigracyjne, spektroskopię, biofizykę, diagnostykę laboratoryjną, aż po nowoczesne metody oceny funkcjonowania organizmu człowieka. Każdy kolejny projekt badawczy, każda publikacja, każda analiza laboratoryjna i każda rozmowa z klientem prowadziły mnie jednak do tego samego miejsca – do pojedynczej komórki.

Im głębiej poznawałam mechanizmy biologiczne zachodzące w organizmie, tym bardziej utwierdzałam się w przekonaniu, że jednym z najbardziej niedocenianych elementów współczesnej biologii jest błona komórkowa.

Na pierwszy rzut oka wydaje się czymś niezwykle prostym.
Cienka warstwa otaczająca komórkę.
Granica pomiędzy jej wnętrzem a środowiskiem zewnętrznym.
Jednak rzeczywistość wygląda zupełnie inaczej.
Błona komórkowa nie jest bierną osłoną.
Nie jest opakowaniem.
Nie jest workiem, który utrzymuje organella wewnątrz komórki.
Jest jedną z najbardziej zaawansowanych struktur biologicznych, jakie stworzyła natura.
To tutaj rozpoczyna się komunikacja pomiędzy komórką a całym organizmem.
To tutaj komórka “odbiera” informacje ze swojego otoczenia.
To tutaj hormony odnajdują swoje receptory.
To tutaj komórka rozpoznaje składniki odżywcze.
To tutaj decyduje, czy dopuścić określone substancje do swojego wnętrza.
To tutaj rozpoczynają się procesy prowadzące do produkcji energii, aktywacji enzymów, przewodnictwa nerwowego, odpowiedzi immunologicznej czy regulacji metabolizmu.
Można powiedzieć, że błona komórkowa jest czymś znacznie więcej niż granicą.
Jest centrum zarządzania informacją biologiczną.
I właśnie dlatego od wielu lat poświęcam jej tak dużo uwagi.
Nie dlatego, że uważam ją za jedyną przyczynę wszystkich chorób.
Biologia człowieka jest zdecydowanie bardziej złożona.
Uważam jednak, że bez zrozumienia funkcjonowania błony komórkowej niezwykle trudno jest zrozumieć funkcjonowanie samej komórki.
A bez zrozumienia komórki trudno zrozumieć fizjologię człowieka.

Błona komórkowa – arcydzieło biologicznej inżynierii

Każda komórka naszego organizmu otoczona jest błoną komórkową o grubości zaledwie około siedmiu do dziesięciu nanometrów.
To wartość niemal niewyobrażalna.
Dla porównania – ludzki włos jest od niej grubszy około dziesięć tysięcy razy.
Pomimo tak niewielkich rozmiarów błona komórkowa należy do najbardziej skomplikowanych struktur biologicznych występujących w przyrodzie.
Jeszcze kilkadziesiąt lat temu sądzono, że jest ona stosunkowo prostą warstwą lipidów.
Dopiero prace Singera i Nicolsona z 1972 roku całkowicie zmieniły sposób postrzegania tej struktury.
Autorzy zaproponowali model nazwany modelem płynnej mozaiki, który do dziś pozostaje fundamentem biologii błon.
Model ten zakłada, że błona komórkowa jest strukturą dynamiczną.
Jej elementy nie są unieruchomione.
Przeciwnie.
Nieustannie przemieszczają się względem siebie.
Receptory zmieniają położenie.
Kanały jonowe otwierają się i zamykają.
Transportery przemieszczają się pomiędzy wnętrzem komórki a jej powierzchnią.
Enzymy aktywują kolejne szlaki metaboliczne.
Białka tworzą wielkocząsteczkowe kompleksy odpowiedzialne za przekazywanie sygnałów.
Można powiedzieć, że błona komórkowa przypomina ogromne, niezwykle ruchliwe miasto, w którym jednocześnie zachodzą miliony procesów biologicznych.
Każda sekunda życia komórki zależy od tego, co dzieje się właśnie tutaj.

Fosfolipidy – architekci życia

Najważniejszym materiałem budulcowym błony komórkowej są fosfolipidy.
Ich niezwykłość polega na unikalnej budowie chemicznej.
Każda cząsteczka posiada hydrofilową głowę, która “lubi wodę”, oraz dwa hydrofobowe ogony kwasów tłuszczowych unikające kontaktu z wodą.
To właśnie ta właściwość powoduje, że fosfolipidy spontanicznie organizują się w dwuwarstwę lipidową.
Hydrofilowe głowy skierowane są na zewnątrz i do wnętrza komórki, natomiast hydrofobowe ogony ukrywają się pomiędzy nimi.
Powstaje w ten sposób niezwykle stabilna, a jednocześnie bardzo elastyczna struktura.
Nie jest to jednak jedynie bierna bariera.

Od składu fosfolipidów zależy między innymi:

• płynność błony komórkowej,
• jej elastyczność,
• przepuszczalność,
• aktywność receptorów,
• funkcjonowanie kanałów jonowych,
• zdolność komórki do odbierania sygnałów,
• procesy endocytozy i egzocytozy,
• komunikacja międzykomórkowa,
• organizacja białek błonowych.

W praktyce oznacza to, że zmiana składu fosfolipidów może wpływać na sposób funkcjonowania całej komórki.
Co więcej, fosfolipidy budują nie tylko błonę komórkową.
Stanowią również podstawowy składnik błon otaczających wszystkie organella komórkowe – jądro komórkowe, aparat Golgiego, siateczkę śródplazmatyczną, lizosomy, a przede wszystkim mitochondria.
A skoro błony otaczają praktycznie wszystkie struktury komórki, trudno nie dostrzec ich fundamentalnego znaczenia dla biologii człowieka.

Cholesterol – strażnik płynności błony

Jednym z najbardziej niezrozumianych składników błony komórkowej jest cholesterol.
Przez lata kojarzony był niemal wyłącznie z miażdżycą i chorobami układu sercowo-naczyniowego.
Tymczasem z punktu widzenia biologii komórki cholesterol jest absolutnie niezbędny.
To właśnie on odpowiada za utrzymanie odpowiedniej płynności błony.
Zbyt mała ilość cholesterolu powoduje, że błona staje się nadmiernie płynna i niestabilna.
Zbyt duża – prowadzi do jej usztywnienia.
Organizm niezwykle precyzyjnie reguluje jego rozmieszczenie, tworząc wyspecjalizowane obszary zwane tratwami lipidowymi (lipid rafts).
To właśnie tam koncentrują się liczne receptory, białka sygnałowe, enzymy i transportery odpowiedzialne za przekazywanie informacji do wnętrza komórki.
Coraz więcej badań pokazuje, że zaburzenia organizacji tratw lipidowych mogą wpływać na wiele procesów biologicznych, od sygnalizacji hormonalnej po odpowiedź immunologiczną.
Dlatego cholesterol nie jest jedynie składnikiem lipidowym.
Jest jednym z regulatorów architektury błony komórkowej.

Cholina – znacznie więcej niż “witamina”

Jednym z najważniejszych składników błon komórkowych jest fosfatydylocholina, której prekursorem jest cholina.
Przez wiele lat cholina była traktowana jedynie jako kolejny składnik odżywczy.
Dzisiaj wiemy, że jej znaczenie jest znacznie większe.
Fosfatydylocholina stanowi jeden z głównych fosfolipidów budujących błony komórkowe praktycznie wszystkich komórek organizmu.
Od jej obecności zależy między innymi integralność dwuwarstwy lipidowej oraz zachowanie odpowiedniej płynności błony.
Ale rola choliny nie kończy się na budowie błon.
Jest ona również prekursorem acetylocholiny – jednego z najważniejszych neuroprzekaźników organizmu.
To właśnie dzięki niej możliwe jest prawidłowe przewodzenie impulsów nerwowych pomiędzy neuronami oraz przekazywanie sygnału z nerwu do mięśnia.
Bez acetylocholiny nie moglibyśmy wykonać nawet najprostszego ruchu.
Nie funkcjonowałaby pamięć.
Nie działałaby koncentracja.
Nie przebiegałyby prawidłowo procesy uczenia się.
Cholina pełni również niezwykle istotną rolę w metabolizmie wątroby.
To właśnie z jej udziałem powstaje fosfatydylocholina niezbędna do syntezy lipoprotein VLDL, odpowiedzialnych za transport triglicerydów z hepatocytów.
Jeżeli proces ten zostaje zaburzony, tłuszcz zaczyna gromadzić się wewnątrz komórek wątroby.
Dlatego odpowiednia podaż choliny jest jednym z elementów wspierających prawidłowy metabolizm lipidów.

Insulina nie działa w próżni

Jednym z najczęściej używanych dziś pojęć jest insulinooporność.
Mówi się o niej praktycznie wszędzie.
Znacznie rzadziej mówi się jednak o miejscu, w którym cały proces rozpoczyna się na poziomie pojedynczej komórki.
Insulina nie przenika swobodnie przez błonę komórkową.
Najpierw musi odnaleźć receptor insulinowy, który znajduje się właśnie w błonie.
Po połączeniu insuliny z receptorem rozpoczyna się niezwykle złożona kaskada sygnałowa obejmująca aktywację kinaz białkowych, fosforylację kolejnych białek oraz uruchomienie licznych szlaków metabolicznych.
Jednym z najważniejszych efektów tej kaskady jest przemieszczenie transporterów GLUT4 z wnętrza komórki do błony komórkowej.
Dopiero wtedy glukoza może zostać skutecznie przetransportowana do komórki.
To pokazuje, jak ogromne znaczenie ma prawidłowa organizacja błony komórkowej.
Nie jest ona biernym elementem całego procesu.
Stanowi jego punkt wyjścia.

Śródbłonek – największy narząd endokrynny organizmu

Przez wiele lat śródbłonek naczyń postrzegano jedynie jako cienką warstwę wyściełającą wnętrze naczyń krwionośnych.
Dzisiaj wiemy, że jest to niezwykle aktywna tkanka regulująca funkcjonowanie całego układu sercowo-naczyniowego.
Komórki śródbłonka komunikują się z otoczeniem właśnie za pośrednictwem błony komórkowej.
Znajdują się w niej liczne receptory odpowiedzialne za odbieranie sygnałów mechanicznych i chemicznych.
Jednym z najważniejszych produktów śródbłonka jest tlenek azotu (NO).
To właśnie on odpowiada za rozszerzanie naczyń, regulację przepływu krwi, hamowanie agregacji płytek krwi oraz utrzymanie prawidłowej funkcji naczyń.
Coraz więcej badań pokazuje, że zaburzenia funkcji śródbłonka pojawiają się bardzo wcześnie w przebiegu wielu chorób układu sercowo-naczyniowego.
Dlatego dbanie o prawidłowe funkcjonowanie komórek śródbłonka ma ogromne znaczenie dla zachowania homeostazy organizmu.

Mitochondria – elektrownie komórki również posiadają błony

Nie ma chyba osoby, która nie słyszałaby o mitochondriach.
Najczęściej mówi się o nich jako o elektrowniach komórki.
To określenie jest trafne, ale bardzo upraszcza rzeczywistość.
Większość energii w postaci ATP powstaje dzięki procesom zachodzącym w wewnętrznej błonie mitochondrium.
To właśnie tam znajdują się kompleksy łańcucha oddechowego oraz ATP-syntaza.
Ich współpraca umożliwia wykorzystanie energii zgromadzonej w składnikach odżywczych do syntezy ATP.
Warunkiem prawidłowego działania tego mechanizmu jest zachowanie integralności błony mitochondrialnej.
To ona umożliwia powstanie gradientu protonowego, który napędza ATP-syntazę.
Bez tej błony produkcja energii byłaby niemożliwa.

Fosfor – pierwiastek życia

Fosfor bardzo często kojarzony jest wyłącznie z kośćmi.
Tymczasem jest obecny praktycznie w każdej komórce naszego organizmu.

Stanowi składnik:

• ATP,
• DNA,
• RNA,
• fosfolipidów,
• licznych białek regulacyjnych,
• cząsteczek sygnałowych.

Każda reakcja wymagająca energii wykorzystuje związki fosforanowe.
Każdy proces przekazywania informacji wewnątrz komórki opiera się na fosforylacji lub defosforylacji białek.
Można powiedzieć, że fosfor jest jednym z podstawowych pierwiastków umożliwiających funkcjonowanie życia.

Układ nerwowy rozpoczyna się na błonie komórkowej

Każdy impuls nerwowy rozpoczyna się od zmian zachodzących w błonie neuronu.
To właśnie tutaj znajdują się kanały sodowe, potasowe oraz wapniowe.
To tutaj pracuje pompa sodowo-potasowa.
To tutaj dochodzi do depolaryzacji i repolaryzacji błony.
To tutaj powstaje potencjał czynnościowy.
Bez sprawnie funkcjonującej błony komórkowej przewodnictwo nerwowe nie mogłoby istnieć.

Hormony tarczycy i witamina D – więcej niż klasyczna biologia

Hormony tarczycy oraz aktywna postać witaminy D działają przede wszystkim poprzez receptory jądrowe, regulując ekspresję setek genów.
Jednak współczesna biologia pokazuje również istnienie szybkich mechanizmów niegenomowych, związanych z błoną komórkową.
Dzięki nim komórka może reagować na bodźce hormonalne znacznie szybciej niż w przypadku klasycznej regulacji ekspresji genów.
To kolejny przykład pokazujący, że błona komórkowa nie jest jedynie barierą oddzielającą wnętrze komórki od środowiska.
Jest aktywnym uczestnikiem przekazywania informacji biologicznej.

Dlaczego od ponad trzydziestu lat zajmuję się błonami komórkowymi?

Ponieważ z punktu widzenia biologii właśnie tutaj spotykają się najważniejsze procesy życia.
To tutaj komórka odbiera informacje.
To tutaj rozpoczyna się komunikacja.
To tutaj działają receptory.
To tutaj aktywowane są enzymy.
To tutaj regulowany jest transport glukozy.
To tutaj funkcjonuje śródbłonek.
To tutaj rozpoczyna się przewodnictwo nerwowe.
To tutaj znajdują się elementy decydujące o odpowiedzi komórki na bodźce zewnętrzne.
Nie twierdzę, że wszystkie choroby mają jedno źródło ani że każdą można wyjaśnić wyłącznie zmianami w błonie komórkowej.
Byłoby to zbyt daleko idące uproszczenie.
Jestem jednak przekonana, że prawidłowa budowa i funkcja błony komórkowej stanowią jeden z fundamentów biologii człowieka.

Dlatego od lat tak dużą uwagę zwracam na odpowiednią podaż składników budujących błony komórkowe, takich jak fosfolipidy, cholina czy niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe.

Jednocześnie pamiętam, że ich rola ujawnia się w szerszym kontekście – odpowiednio zbilansowanej diety, aktywności fizycznej, snu, gospodarki hormonalnej i ogólnego stylu życia.

Im dłużej zajmuję się biologią komórki, tym bardziej dochodzę do wniosku, że zrozumienie błony komórkowej jest jednym z kluczy do zrozumienia funkcjonowania organizmu jako całości.
To nie jest tylko cienka warstwa lipidów.
To miejsce, w którym biochemia spotyka się z biofizyką.
To miejsce, w którym informacja zamienia się w odpowiedź biologiczną.
To miejsce, od którego zaczyna się życie każdej komórki.

Literatura

1. Singer S.J., Nicolson G.L. (1972)
The Fluid Mosaic Model of the Structure of Cell Membranes
Science
DOI: https://doi.org/10.1126/science.175.4023.720

2. van Meer G., Voelker D.R., Feigenson G.W. (2008)
Membrane lipids: where they are and how they behave
Nature Reviews Molecular Cell Biology
DOI: https://doi.org/10.1038/nrm2330

3. Simons K., Ikonen E. (1997)
Functional rafts in cell membranes
Nature
DOI: https://doi.org/10.1038/42408

4. Ohvo-Rekilä H., Ramstedt B., Leppimäki P., Slotte J.P. (2002)
Cholesterol interactions with phospholipids in membranes
Progress in Lipid Research
DOI: https://doi.org/10.1016/S0163-7827(01)00020-0

5. Leto D., Saltiel A.R. (2012)
Regulation of glucose transport by insulin: traffic control of GLUT4
Nature Reviews Molecular Cell Biology
DOI: https://doi.org/10.1038/nrm3351

6. Bogan J.S. (2012)
Regulation of Glucose Transporter Translocation in Health and Diabetes
Annual Review of Biochemistry
DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-060109-094246

7. Hong Z. i wsp. (2012)
How cholesterol regulates endothelial biomechanics
Frontiers in Physiology
DOI: https://doi.org/10.3389/fphys.2012.00426

8. Broadley C. i wsp. (1991)
Modulation of membrane cholesterol levels: effects on endothelial cell function
Experimental Cell Research
DOI: https://doi.org/10.1016/0014-4827(91)90548-9

9. Sakuragi T., Nagata S. (2023)
Regulation of phospholipid distribution in the lipid bilayer by flippases and scramblases
Nature Reviews Molecular Cell Biology
DOI: https://doi.org/10.1038/s41580-023-00604-z

10. Huster D., Maiti S., Herrmann A. (2024)
Phospholipid Membranes as Chemically and Functionally Tunable Materials
Advanced Materials
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202312898