Карасі навчилися зброджувати цукор в спирт!
Карасі навчилися зброджувати цукор в спирт.
Це допомагає їм пережити дефіцит кисню!
Вчені з Університету Осло з`ясували, які молекулярні адаптації дозволяють карасів і їх найближчих родичів золотим рибкам довго обходитися без кисню. Виявилося, що завдяки подвоєння геному у карасів в розпорядженні опинилися зайві копії ферментів окисного метаболізму глюкози, які вони перетворили в ферменти спиртового бродіння. Замість того, щоб окисляти глюкозу до вуглекислого газу за участю кисню, карасі навчилися перетворювати її в спирт приблизно так, як це роблять дріжджі. Стаття опублікована в журналі Scientific Reports.
Переважна більшість хребетних тварин не можуть довго обходитися без кисню, однак карасі (риби з роду Carassius) відомі здатністю в таких умовах підтримувати життєдіяльність протягом годин і навіть місяців. У пошуках пояснення цьому феномену вчені виявили, що карасі і їх родичі золоті рибки накопичують в організмі досить велика кількість етилового спирту.
Етанол є продуктом безкисневого окислення глюкози - процесу, який відомий як спиртове бродіння. На першій стадії глюкоза в реакціях гліколізу розпадається на дві молекули пірувату з утворенням невеликої кількості енергії у формі АТФ. Далі фермент піруватдекарбоксилази перетворює піруват в ацетальдегід, який перетворюється на етанол за участю алкогольдегідрогенази.
Таким способом одержують енергію дріжджі, практично не використовуючи для цього мітохондрії і проходять в них реакції окислення пірувату, такі як окисне фосфорилювання. Саме цей процес вимагає присутності кисню. Він дозволяє окислити молекулу глюкози з максимальним виходом АТФ. Піруват в цьому випадку повинен утилізуватися за участю ферменту піруватдегідрогенази.
Переважна більшість хребетних тварин використовує для генерації енергії окисне фосфорилювання. Якщо кисню в тканинах недостатньо, окислення глюкози зупиняється на гликолизе, а що утворився піруват перетворюється в молочну кислоту. Однак у високій концентрації вона досить токсична для тканин, тому ми не можемо нескінченно окисляти глюкозу без участі кисню.
Норвезькі вчені виявили, що карасі під час відсутності кисню, замість того щоб перетворювати піруват в лактат, перетворюють його в етанол, використовуючи реакції спиртового бродіння. Цей факт дивний тим, що для цього потрібна піруватдекарбоксилази, якій у хребетних немає. У карасів ж подібною активністю, судячи з усього, має додаткова форма піруватдегідрогенази. Вісім мільйонів років назад у предків сучасних карасів і коропів відбулося подвоєння геному, в результаті чого вони придбали і додаткові копії ферментів.
Автори роботи досліджували зміна експресії генів, що кодують різні варіанти субодиниць піруватдегідрогеназного комплексу, при утриманні карасів в акваріумі без кисню. Виявилося, що у карасів, яким не давали дихати, зміст мРНК «додаткових» форм ферменту збільшувалася на один-два порядки в м`язах в порівнянні з іншими органами. При цьому у далеких родичів карасів - коропів, такого збільшення не спостерігалося (треба зауважити, що коропи теж можуть досить довго обходитися без кисню, хоча до карасів їм далеко).
Експресія ізоформ субодиниці піруватдегідрогенази в тканинах коропа, золотої рибки і карася. Е1а3 - ізоформа, що бере участь в бродінні
Вчені зробили висновок, що додаткові ізоформи ферменту, який у всіх інших хребетних, в тому числі риб, функціонує як піруватдегідрогеназа, у представників роду Carassius придбали здатність перетворювати піруват в ацетальдегід. Однак для того, щоб закінчити реакцію бродіння, необхідна також алкогольдегидрогеназа. У геномі карася дослідники виявили три варіанти відповідного гена, які з`явилися, мабуть, також в результаті дуплікації. Один з цих варіантів дійсно експресуватися в м`язах рибок.
Одержаний спирт риби, мабуть, просто виводять через зябра. Однак в тканинах все ж накопичується значна його кількість, що робить карася і золоту рибку привабливим об`єктом для дослідження механізмів толерантності до етанолу. Підтримувати мінімальний рівень життєдіяльності досить довго рибкам дозволяє великий запас глікогену в печінці.
Таким чином, в процесі еволюції карасі і золоті рибки придбали унікальну для хребетних здатність утилізувати глюкозу з утворенням спирту і таким чином обходитися без окисного фосфорилювання, а значить і без кисню. Це дозволило карасів заселити непридатні для інших видів екологічні ніші, наприклад, маленькі ставки, які взимку повністю промерзають, а влітку заростають.
Нещодавно вчені з`ясували, що голі землекопи також здатні якийсь час обходитися без кисню. У цьому їм допомогла особливість метаболізму, характерна для рослин.
Відео-розповідь про золотих рибок і коропів
