Crucianie nauczyli się fermentować cukier w alkohol!

Crucianie nauczyli się fermentować cukier w alkohol.

Pomaga im radzić sobie z niedoborem tlenu!

Naukowcy z Uniwersytetu w Oslo odkryli, jakie adaptacje molekularne pozwalają karaśom i ich najbliższym krewnym, złotym rybkom, obyć się bez tlenu przez długi czas. Okazało się, że ze względu na podwojenie genomu u karaśów do ich dyspozycji były dodatkowe kopie enzymów metabolizmu oksydacyjnego glukozy, które zamienili w enzymy fermentacji alkoholowej. Zamiast utleniać glukozę do dwutlenku węgla z udziałem tlenu, karasie nauczyli się przekształcać ją w alkohol w podobny sposób, jak robią to drożdże. Artykuł opublikowany w Raportach Naukowych.

Zdecydowana większość kręgowców przez długi czas nie może obyć się bez tlenu, ale karasie (ryby z rodzaju Carassius) znane są z tego, że w takich warunkach potrafią utrzymywać aktywność życiową przez wiele godzin, a nawet miesięcy. W poszukiwaniu wyjaśnienia tego zjawiska naukowcy odkryli, że karaś i jego krewni, złota rybka gromadzą w organizmie dość dużą ilość alkoholu etylowego.

Etanol jest produktem beztlenowego utleniania glukozy, procesu znanego jako fermentacja alkoholowa. W pierwszym etapie glukoza w reakcjach glikolizy rozkłada się na dwie cząsteczki pirogronianu z wytworzeniem niewielkiej ilości energii w postaci ATP. Ponadto enzym dekarboksylaza pirogronianowa przekształca pirogronian w aldehyd octowy, który jest przekształcany w etanol przy udziale dehydrogenazy alkoholowej.

W ten sposób drożdże uzyskują energię, praktycznie bez wykorzystywania do tego mitochondriów i zachodzących w nich reakcji utleniania pirogronianu, takich jak fosforylacja oksydacyjna. To właśnie ten proces wymaga obecności tlenu. Pozwala na utlenienie cząsteczki glukozy z maksymalną wydajnością ATP. W takim przypadku należy zastosować pirogronian z udziałem enzymu dehydrogenazy pirogronianowej.

Zdecydowana większość kręgowców wykorzystuje fosforylację oksydacyjną do wytwarzania energii. Jeśli w tkankach nie ma wystarczającej ilości tlenu, utlenianie glukozy jest zatrzymane przez glikolizę, a powstały pirogronian jest przekształcany w kwas mlekowy. Jednak w wysokim stężeniu jest dość toksyczna dla tkanek, więc nie możemy bez końca utleniać glukozy bez udziału tlenu.

Norwescy naukowcy odkryli, że przy braku tlenu, zamiast przekształcania pirogronianu w mleczan, karaś zamienia go w etanol za pomocą reakcji fermentacji alkoholowej. Fakt ten jest zaskakujący, ponieważ wymaga dekarboksylazy pirogronianowej, której kręgowce nie mają.U karaśów dodatkowa forma dehydrogenazy pirogronianowej wydaje się mieć podobną aktywność. Osiem milionów lat temu przodkowie współczesnych karasi i karpi podwoili genom, w wyniku czego uzyskali dodatkowe kopie enzymów.

Autorzy pracy zbadali zmianę ekspresji genów kodujących różne warianty podjednostek kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej, gdy karaś był trzymany w akwarium bez tlenu. Okazało się, że u karasia, któremu nie wolno było oddychać, zawartość mRNA „dodatkowych” form enzymu wzrosła o jeden do dwóch rzędów wielkości w mięśniach w porównaniu z innymi narządami. Jednocześnie u dalekich krewnych karasów - karpi takiego wzrostu nie zaobserwowano (należy zauważyć, że karpie również dość długo mogą żyć bez tlenu, chociaż daleko im do karpi).

Ekspresja izoform podjednostki dehydrogenazy pirogronianowej w tkankach karpia, złotej rybki i karasia. E1a3 – izoforma biorąca udział w fermentacji

Naukowcy doszli do wniosku, że dodatkowe izoformy enzymu, który u wszystkich innych kręgowców, w tym u ryb, pełni funkcję dehydrogenazy pirogronianowej, nabyły zdolność przekształcania pirogronianu w aldehyd octowy u przedstawicieli rodzaju Carassius. Jednak do zakończenia reakcji fermentacji wymagana jest również dehydrogenaza alkoholowa. W genomie karasia badacze znaleźli trzy warianty odpowiedniego genu, który pojawił się najwyraźniej również w wyniku duplikacji. Jeden z tych wariantów został faktycznie wyrażony w mięśniach ryb.

Najwyraźniej powstały alkohol ryb jest po prostu wydalany przez skrzela. Jednak znaczna jego ilość nadal gromadzi się w tkankach, co czyni karaś i złotą rybkę atrakcyjnym obiektem do badania mechanizmów tolerancji etanolu. Duża podaż glikogenu w wątrobie pozwala rybom utrzymać przez długi czas minimalny poziom aktywności życiowej.

Tak więc w procesie ewolucji karaś i złota rybka nabyły unikalną dla kręgowców zdolność wykorzystywania glukozy do tworzenia alkoholu, a tym samym bez fosforylacji oksydacyjnej, a zatem bez tlenu. Umożliwiło to karaśom zasiedlenie nisz ekologicznych nieprzydatnych dla innych gatunków, np. małych oczek wodnych, które zimą całkowicie zamarzają, a latem zarastają.

Naukowcy niedawno odkryli, że golce mogą przez jakiś czas żyć bez tlenu. Pomogły im w tym cechy metaboliczne charakterystyczne dla roślin.

Opowieść wideo o złotych rybkach i karpiach

+