KAPITOLA Biochemie a medicína Robert K. Murray ÚVOD Biochemie může být definována jako věda o chemických základech života (řecky bios = »život«). Strukturální jednotkou živých systémů je buňka. Biochemie tedy může být také popsána jako věda 0 chemických složkách živých buněk a o reakcích a procesech, kterých se tyto složky zúčastní. Vzhledem k této definici jsou do biochemie zahrnuty 1 rozsáhlé oblasti z buněčné biologie, molekulární biologie a molekulární genetiky. Cílem biochemie je popsat a pomocí molekulární terminologie vysvětlit všechny chemické procesy v živých buňkách Hlavním cílem biochemie je úplné porozumění všem chemickým procesům spojeným s živými buňkami na molekulární úrovni. Aby tohoto cíle dosáhli, museli biochemici izolovat nesčetné množství molekul nalezených v buňkách, určit jejich strukturu a objasnit jejich funkci. Při výzkumu bylo použito mnoho laboratorních technik; některé z nich jsou uvedeny v tab. 1-1. Znalost biochemie je nezbytná pro všechny vědy o živých organismech Biochemie nukleových kyselin je ve středu zájmu genetiky, užití genetických přístupů bylo naopak rozhodující pro objasnění mnoha biochemických otázek. Fyziologie, věda o tělesných funkcích, se překrývá s biochemií téměř kompletně. Imunologie využívá četné biochemické techniky a mnoho imunologických postupů nalezlo široké využití v biochemii. Farmakologie a farmacie se opírají o řádnou znalost biochemie a fyziologie, vždyť většina léčiv se metabolizuje pomocí enzymově katalyzo-vaných reakcí. Toxikologie sleduje vliv jedů na biochemické reakce a procesy. Biochemické přístupy se stále více využívají ke studiu základních aspektů patologie (věda o nemocích), jako zánětu, poškození buněk, nádorů. Mnoho pracovníků v mikrobiologii, zoologii a botanice téměř výlučně používá biochemické postupy. Tyto vztahy nejsou překvapující, protože život, jak jej známe, závisí na biochemických reakcích a procesech. A opravdu, bariéry mezi jednotlivými vědami o živých organismech padají a biochemie se stává jejich společným jazykem. Vzájemný vztah mezi biochemií a medicínou stimuloval oboustranný pokrok Pracovníci ve zdravotních vědách, zvláště lékaři, mají dva hlavní úkoly - porozumění zdraví a jeho udržování a porozumění nemocem a jejich efektivní léčbu. Biochemie má pro oba tyto základní lékařské úkoly nesmírný význam. Vzájemný vztah mezi biochemií a medicínou si lze představit jako širokou obousměrnou ulici. Biochemický výzkum objasnil mnoho problémů zdraví a nemoci, a naopak studium různých otázek zdraví a nemoci otevřelo nové oblasti biochemie. Některé ukázky tohoto vzájemného vztahu jsou na obr. 1-1. Například znalost struktury a funkce proteinů byla nezbytná pro objasnění jednoduchého biochemického rozdílu mezi normálním hemoglobinem a hemoglobinem u jedinců trpících srpkovitou anémií. Na druhé straně analýza tohoto abnormálního hemoglobinu významně přispěla k našemu porozumění struktuře a funkci obou hemoglobinů a dalších proteinů. Další příklady vzájemného užitečného vztahu mezi biochemií a medicínou jsou na obr. 1-1. K nim patří i průkopnická práce anglického lékaře Archibalda Garroda z počátku 20. století. Sledoval pacienty s řadou relativně řídkých poruch (alkaptonurií, albinismem, cystinurií a pentosurií; tyto poruchy jsou popsány v dalších kapitolách) a prokázal, že tyto poruchy jsou geneticky podmíněny. Garrod označil tyto jevy jako vrozené metabolické vady. Jeho vý- 2 KAPITOLA 1 Biochemie a medicína TAB. 1 "1. Základní metody a preparáty užívané v biochemických laboratořích Metody pro separaci a čištění biomolekul1 frakcionace vysolováním (např. vysrážení bílkovin síranem amonným) chromatograrie: papírová, na iontoměničích, afinitní, tenkovrstevná, plynová, vysokotlaká kapalinová, gelová filtrace elektroforéza: papírová, vysokonapěťová, gelová (agarosa, acetylcelulosa, škrob, polyakrylamid, SDS-polyakrylamid) ultracentrifugace Metody pro určení struktury biomolekul elementární analýza UV, viditelná, infračervená a MR spektroskopie použití kyselé nebo alkalické hydrolýzy studovaných biomolekul na jejich základní složky použití baterie enzymů o známé specificitě pro degradaci studovaných biomolekul (např. proteasy, nukleasy, glykosidasy) hmotnostní spektrometrie specifické sekvenovací metody (např. pro bílkoviny a nukleové kyseliny) rentgenová krystalografie Preparáty pro studium biochemických procesů laboratorní zvíře (včetně transgenních zvířat a zvířat s genovou inaktivací) ' izolovaný perfundovaný orgán tkáňové řezy intaktní buňky homogenáty izolované buněčné organely subfrakcionace organel čištěné metabolity a enzymy izolované geny (včetně polymerasové řetězové reakce a cílené mutageneze) 1 Většina těchto metod je vhodná pro analýzu složek přítomných v buněčných homogenátech a dalších biochemických preparátech. Postupné využití několika technik obecně umožňuje čištění většiny biomolekul. Detailní informace najde čtenář v textu o metodách biochemického výzkumu. zkum poskytl základ pro vývoj lidské biochemické genetiky. Mnohem novější úsilí o porozumění základům genetické choroby známé jako familiární hypercholesterolémie, která má za následek těžkou aterosklerózu již v raném věku, vedlo k dramatickému pokroku v problematice buněčných receptoru a mechanismu vstupu cholesterolu do buněk. Studium onkogenů v nádorových buňkách zaměřilo pozornost k molekulárnímu mechanismu spojenému s řízením normálního buněčného růstu. Studium chorob tak může otevřít oblast buněčných funkcí pro základní biochemický výzkum. Vzájemný vztah mezi medicínou a biochemií má významné důsledky právě pro medicínu. Jestliže je léčba pevně založena na znalosti biochemie a dalších základních věd, potom bude mít praktická medicína racionální základ, schopný přijmout nové poznatky. To je v kontrastu s neortodoxním kultem zdraví a s některými praktikami »alternativní medicíny«, které nejsou nic víc než mýtus nebo zbožné přání a obecně postrádají jakýkoliv racionální základ. NORMÁLNÍ BIOCHEMICKÉ PROCESY JSOU ZÁKLADEM ZDRAVÍ Světová zdravotnická organizace (WHO) definuje zdraví jako stav »kompletní fyzické, duševní a sociální pohody, nejen absenci nemoci a nemohoucnosti^ Z přísně biochemického hlediska může být za zdraví považována situace, kdy všechny z mnoha tisíc intracelulárních a extracelulárních reakcí, které probíhají v organismu, postupují rychlostí souměřitelnou se snahou organismu o maximální přežití ve fyziologickém stavu. Avšak toto je extrémně zredukovaný pohled. Mělo by být zřejmé, že péče o zdraví pacientů vyžaduje nejen široké znalosti biologických principů, ale také principů psychologických a sociálních. Biochemický výzkum má dopad na výživu i preventivní medicínu Jedním z hlavních předpokladů pro udržení zdraví je příjem optimálně složené výživy, která organismu dodává četné chemické látky, hlavně vitaminy, některé aminokyseliny a mastné kyseliny, různé minerály a vodu. Protože biochemie i výživa mají mnoho styčných bodů při studiu různých aspektů těchto chemických látek, existuje i mezi těmito vědami těsný vztah. Kromě toho se klade důraz na systematický přístup k udržení zdraví a předcházení nemocem, tedy na preventivní medicínu, například na prevenci aterosklerózy a onkologických onemocnění z hlediska výživy. Porozumění úloze výživy závisí velkou měrou na znalosti biochemie. Většina, ne-li všechny choroby mají biochemický základ Domníváme se, že většina, ne-li všechny choroby jsou projevem odchylek ve struktuře molekul, v průběhu chemických reakcí nebo biochemických procesů. Důležité faktory, které jsou příčinou onemocnění zvířat i lidí, jsou shrnuty v tab. 1-2. Všechny ovlivňují jednu nebo více rozhodujících chemických reakcí nebo molekul v těle. V této knize se setkáme s mnoha příklady ukazujícími bio- KAPITOLA 1 Biochemie a medicína 3 biochemie nukleov i É kyseliny prot t einy lip t idy šach > aridy > gen€ cho tické srpk roby ané ovitá mie > > ateros deróza diab me ' etes ítus medicína OBR. 1 -1. Příklady obousměrného spojení biochemie a medicíny. Znalost biochemických molekul, umístěných v horní části diagramu, přispěla k našemu porozumění chorobám uvedeným ve spodní polovině - a naopak analýza těchto chorob objasnila mnohé biochemické problémy. Uvědomte si, že srpkovitá anémie je genetická choroba a že genetika má svůj podíl také na vzniku aterosklerózy i diabetu. chemické základy onemocnění. Ve většině případů biochemický výzkum přispívá jak ke stanovení diagnózy, tak k výběru léčby. Některé důležité příklady využití biochemického výzkumu a laboratorních testů ve vztahu k chorobám jsou uvedeny v tab. 1-3. Také kapitola 54 ilustruje vzájemný vztah biochemie a onemocnění rozborem některých detailů biochemických aspektů 16 různých kazuistik. Na konci kapitoly 54 jsou velmi stručně ukázány hlavní úkoly, před kterými stojí medicína a příbuzné, vědy. Při řešení těchto problémů je (a nadále bude) studium biochemie vždy těsně spojeno se studiem dalších disciplín - genetiky, imunologie, výživy, patologie a farmakologie. Vliv výzkumu lidského genetického kódu na biochemii, biologii a medicínu Koncem 90. let minulého století bylo dosaženo mimořádného pokroku při sekvenování lidského ge- TAB. 1 -2. Hlavní příčiny onemocnění1 -;- 1. Fyzikální příčiny: mechanické trauma, extrémní teplota, náhlá změna atmosférického tiaku, radiace, elektrický šok. 2. Chemické látky, včetně drog: určité toxické sloučeniny, léčiva atd. 3. Biologické příčiny: viry, bakterie, houby, vyšší formy parazitů. 4. Nedostatek kyslíku: ztráta krevního zásobení, vyčerpání kapacity krve pro přenos kyslíku, otrava oxidačních enzymů. 5. Genetické vady: vrozené, molekulární. 6. Imunologické reakce: anafylaxe, autoimunitní onemocnění. 7. Výživová nevyváženost: nedostatek, nadbytek. 8. Endokrinní nevyváženost: hormonální nedostatek, nadbytek. 1 Poznámka: Všechny z uvedených příčin ovlivňují různé biochemické mechanismy v buňce nebo těle. (Upraveno se svolením od Robbins SL, Cotram RS, Kumar V:The Pathologic Basis of Disease, 3,d ed. Saunders, 1984. Copyright © Elsevier Inc. se souhlasem Elsevieru.) nomu v rámci programu Human Genome Project (HGP). Toto úsilí kulminovalo v roce 2000, kdy vedení dvou skupin (International Human Genome Sequencing Consortium a soukromá společnost Celera Genomics) oznámilo přečtení více než 90 % lidského genomu. Pracovní verze sekvence lidského genomu byla publikována začátkem roku 2001. Až na několik mezer byla sekvence celého lidského genomu zkompletována v roce 2003, tedy 50 let poté, co Watson a Crick popsali dvojitou šroubovici DNA. TAB. 1_3. Příklady využití biochemického výzkumu a laboratorních testů ve vztahu k onemocnění Využití Příklad 1. Objasnění základních příčin a mechanismu onemocnění. Důkaz genetického původu cystické fibrózy. 2. Předpoklad racionální léčby onemocnění založené na bodě 1. Dieta s nízkým obsahem fenylalaninu pro léčbu fenylketonurie. 3. Pomoc v diagnostice specifických chorob. Využití koncentrace troponinu 1 nebo T v plazmě pro diagnózu infarktu myokardu. 4. Funkce diagnostického testu pro včasnou diagnózu některých chorob. Využití stanovení thyroxinu v krvi nebo thyreotropního hormonu (TSH) v neonatální diagnostice vrozeného hypothyroidismu. 5. Pomoc při monitorování průběhu (tj. uzdravení, zhoršení, ústup nebo návrat) některých chorob. Využití aktivity plazmatického enzymu alaninaminotransferasy (ALT) při monitorování průběhu infekční hepatitídy. 6. Pomoc při výhod nocování odpověd i na léčbu. Využití stanovení karcinoembryůnálního antigénu (CEA) v krvi pacientů léčených na karcinom tlustého střeva. 4 KAPITOLA 1 Biochemie a medicína transkriptomika metabolomika farmakogenomika proteomika glykomika bioinženýrství biofyzika biologie kmenových buněk lipidomika nutrigenomika bioinformatika biotechnologie bioetika enová terapie molekulární diagnostika systémová biologie syntetická biologie OBR. 1 "2. Výzkum lidského genomu (HGP) ovlivnil mnoho disciplín a výzkumných oborů Důsledky HGP pro biochemii, biologii celkově, medicínu a příbuzné zdravotní vědy jsou obrovské, ale na tomto místě vyzdvihneme jen několik bodů. V současné době může být izolován jakýkoliv gen a běžně určena jeho struktura a funkce (např. sekvenováním nebo inaktivujídmi experimenty). Bylo objeveno mnoho dříve neznámých genů; jejich produkty byly již, stanoveny, nebo jsou studovány. Byly získány nové poznatky o lidské evoluci a postupy vyhledávající geny zodpovědné za vznik chorob se staly velmi důmyslnými. Odkazy k problematice lidského genomu najdete v mnoha kapitolách této knihy. Obr. 1-2 ukazuje obory, které vnikly buď přímo, jako výsledek pokroku v HGP, nebo jejichž vznik byl tímto pokrokem inspirován. Přispěl ke vzniku mnoha disciplín (tzv. -omika obory), které vyčerpávajícím způsobem studují strukturu a funkci příslušných molekul. Definice oborů jsou uvedeny v seznamu termínů na konci této kapitoly. Ke studiu produktů genů (RNA molekuly a proteiny) se používají techniky transkriptomiky a proteomiky. Příkladem rychlého pokroku v transkriptomice je exploze znalostí o malých RNA molekulách, které slouží jako regulátory genové aktivity. K dalším -omika disciplínám patří glykomika, lipidomika, metabolomika, nutrigenomika a farmakogenomika. Aby bylo možno orientovat se v množství získávaných informací, dostává se do popředí bioinformatika. Impuls z HGP vedl k rozvoji dalších příbuzných oborů, jako je biotechnologie, bioinženýrství, biofyzika a bioetika. V popředí zájmu současného výzkumu je biologie kmenových buněk. Genová terapie zatím nesplnila to, co si od ní slibujeme, ale dříve nebo později naše očekávání naplní. Bylo vyvinuto mnoho molekulárnědiagnostických testů pro genetiku, mikrobiologii a imunologii. Také systémová biologie prožívá nyní rozkvět a synte- tická biologie je snad nejpozoruhodnější ze všech disciplín, neboť je schopna vytvořit živé organismy (např. nejprve malé bakterie) z genetického materiálu in vitro. Ty by mohly být naprogramovány tak, aby splnily specifické úkoly (např. odstranit ropné skvrny). Stejně jako problematika kmenových buněk i tato oblast přitahuje pozornost vědců především z oboru bioetiky. S mnohými těmito tématy se setkáte dále v textu. Všechna výše zmíněná fakta mohou v současné době vzbudit zájem o studium nebo přímo o práci v biologii a medicíně. Výsledky výzkumu ve všech výše zmíněných oborech budou mít nesmírný vliv na budoucnost biologie, medicíny a zdravotních věd. SOUHRN ■ Biochemie je věda, která studuje rozmanité molekuly vyskytující se v živých buňkách a organismech a jejich chemické reakce. Protože život závisí na biochemických reakcích, stala se biochemie základem všech biologických věd. ■ Biochemie se zabývá úplným spektrem všech forem života, od relativně jednoduchých virů a bakterií po složitou lidskou bytost. ■ Biochemie a medicína spolu úzce souvisí. Zdraví záleží na harmonické vyváženosti biochemických reakcí vyskytujících se v těle, onemocnění odráží odchylky v biomolekulách, biochemických reakcích nebo biochemických procesech. ■ Pokrok v biochemických znalostech objasňuje mnoho problémů v medicíně. Naopak studium chorob často odhalilo dříve nečekané aspekty biochemie. Biochemické přístupy jsou často základní pro objasnění příčiny onemocnění a pro návrh vhodné léčby. ■ Rozvážné využití rozmanitých biochemických laboratorních testů je nedílnou součástí diagnózy a monitorování léčby. KAPITOLA 1 Biochemie a medicína 5 ■ Důkladná znalost biochemie a dalších příbuzných základních disciplín je podstatná pro racionální medicínskou praxi a příbuzné zdravotní vědy. S Výsledky HGP a výzkumu v ostatních blízkých oborech budou mít vliv na budoucnost biologie, medicíny a dalších zdravotních věd. LITERATURA Burtis CA, Ashwood ER, Bruns DE: Tietz Textbook of Clinical Chemistry and Molecular Diagnostics, 4th ed. Elsevier Inc, 2006. Encyclopedia of Life Sciences. John Wiley, 2001. (Contains some 3000 comprehensive articles on various aspects of the life sciences. Accessible online at www.els.net via libraries with a subscription.) Fruton JS: Proteins, Enzymes, Genes: The Interplay of Chemistry and Biology. Yale University Press, 1999. (Provides the historical background for much of todays biochemical research.) Garrod AE: Inborn errors of metabolism. (Croonian Lectures.) Lancet 1908;2:1, 73, 142, 214. Guttmacher AE, Collins FS: Genomic medicine— A primer. N Engl J Med 2002;347:1512. (This article was the first of a series of 11 monthly articles published in the New England Journal of Medicine describing various aspects of genomic medicine.) Guttmacher AE, Collins FS: Realizing the promise of genomics in biomedical research. JAMA 2005;294(11):1399. Kornberg A: Basic research: The lifeline of medicine. FASEB J 1992;6:3143. Kornberg A: Centenary of the birth of modern biochemistry. FASEB J 1997;11:1209. Manolio TA, Collins FS: Genes, environment, health, and disease: Facing up to complexity. Hum Hered 2007;63:63. McKusick VA: Mendelian Inheritance in Man. Catalogs of Human Genes and Genetic Disorders, 12"' ed. Johns Hopkins University Press, 1998. [Abbreviated MIM] Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM): Center for Medical Genetics, Johns Hopkins University and National Center for Biotechnology Information, National Library of Medicine, 1997. http://www.ncbi. nlm.nih.gov/omim/ (The numbers assigned to the entries in OMIM will be cited in selected chapters of this work. Consulting this extensive collection of diseases and other relevant entries—specific proteins, enzymes, etc—will greatly expand the reader's knowledge and understanding of various topics referred to and discussed in this text. The online version is updated almost daily.) Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology, rev. ed. Oxford University Press, 2000. Scriver CR et al (editors): The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease, 8th ed. McGraw-Hill, 2001 (This text is now available online and updated as The Online Metabolic & Molecular Bases of Inherited Disease at www.ommbid.com. Subscription is required, although access may be available via university and hospital libraries and other sources). Scherer S: A Short Guide to the Human Genome. CSHL Press, 2008. SEZNAM POJMŮ Bioetika: oblast etiky, která se týká aplikace morálních a etických principů na biologii a medicínu Biofyzika: aplikace fyziky a jejích technik na biologii a medicínu Bioinformatika: vědecká disciplína zabývající se sběrem, uchováváním a analýzou biologických dat, především sekvencí DNA a proteinů (viz kap. 10) Bioinženýrství: aplikace inženýrských přístupů na biologii a medicínu Biologie kmenových buněk: kmenová buňka je nediferencovaná buňka, která má schopnost obnovovat sama sebe nebo se dělit a diferencovat na jakékoliv dospělé buňky nalezené v organismu. Tato věda se také zabývá využitím kmenových buněk pro léčbu rozmanitých onemocnění Biotechnologie: obor, ve kterém jsou kombinovány biochemické, inženýrské a další přístupy k získání produktů využitelných v medicíně i průmyslu Farmakogenomika: využití genomické informace a technologie pro optimalizaci objevování a vývoje cílených léků a léčiv Genomika: genom je kompletní sada genů živého organismu (např. lidský genom) a genomika je důkladná studie struktur a funkcí genomů (viz kap. 10 a další) Genová terapie: aplikuje geny získané genetickým inženýrstvím na léčbu rozmanitých chorob (viz kap. 39) Glykomika: glykom je úplný soubor jednoduchých a složených sacharidů v organismu. Glykomika systematicky studuje strukturu a funkce glykomu (např. lidského glykomu; viz kap. 47) Lipidomika: lipidom je úplný soubor lipidů nalezených v organismu. Lipidomika je důkladná studie struktury a funkcí všech složek lipidomu a jejich interakcí ve zdraví i nemoci Metabolomika: metabolom je úplný soubor metabolitů (malých molekul účastnících se metabolismu) nalezených v organismu. Metabolomika je důkladná studie jejich struktur, funkcí a změn za různých metabolických stavů Molekulární diagnostika: využití molekulárních přístupů (např. DNA proby) jako podpory v diagnostice rozmanitých biochemických, genetických, imunologických, mikrobiologických a dalších lékařských příhod Nutrigenomika: systematická studie vlivu potravy na genetickou expresi a také vliv genetických variací na způsob využití živin Proteomika: proteom je úplný soubor proteinů v organismu. Proteomika je systematická studie struktury a funkcí proteomů, včetně jejich variací ve zdraví i nemoci (viz kap. 4) 6 KAPITOLA 1 Biochemie a medicína Syntetická biologie: tato oblast je kombinací biomoleku-lárních technik a inženýrských postupů pro vybudování nových biologických funkcí a systémů Systémová biologie: vědní obor, který se věnuje studiu komplexních biologických systémů jako integrovanému celku (jako protiklad k redukujícímu přístupu např. klasické biochemie) Transkriptomika: transkriptom je úplná sada RNA transkriptů produkovaných genomem v konkrétním (pevném) časovém úseku. Transkriptomika je komplexní studie genové exprese na úrovni RNA (viz kap. 36 a další)