Възможен ли е живот без хемоглобин, Физика
Общност "Физика"
Възможен ли е живот без хемоглобин?
Ледена риба или бяла риба (Champsocephalus gunnari) живее край бреговете на Антарктика. Външният вид на представителите на това семейство наподобява известната на древните гърци морска риба Хана, откъдето идва и дългото латинско име Channichthyidae (буквално: риба Хана).
Защо е необходим хемоглобин?
Почти всички видове гръбначни се нуждаят от специална система за доставяне за транспортиране на кислород до тъканите, тъй като молекулярният кислород е слабо разтворим във вода: само 3,2 ml O2 се разтварят в 1 литър кръвна плазма. Протеинът хемоглобин (Hb), съдържащ се в еритроцитите на гръбначните животни, е в състояние да свърже 70 пъти повече - 220 ml O2 / l. Съдържанието на Hb в човешката кръв варира в рамките на 120-180 g / l, което е два пъти по-високо от концентрацията на плазмените протеини (50-80 g / l). Следователно хемоглобинът има най-голям принос за поддържане на рН-буферния капацитет на кръвта. Структурно човешкият хемоглобин при възрастни (HbA) е тетрамер, състоящ се от две α- и две β-субединици с молекулно тегло около 16 kDa. α- и β-веригите се различават по аминокиселинната последователност, но имат сходна конформация.
Фигура 1. Молекула на хемоглобина. Хемоглобинът е един от най-добре проучените протеини. Открит е от немския физиолог Ото Функе през 1851 г., а структурата на този протеин е описана от австрийския молекулярен биолог Макс Перуц през 1959 г., за което три години по-късно той получава Нобелова награда за химия [1]. Изображение: Визуална наука.
Фигура 2. Насищане на хемоглобина и миоглобина с кислород [2].
Всяка субединица на хемоглобина носи хем група с железен йон в центъра. Когато O2 се свърже с железния атом в хема (Hb оксигениране) и O2 се отстранява (деоксигениране)степента на окисление на железния атом не се променя. Окислението на Fe 2+ до Fe 3+ в хема е произволно. Окислената форма на хемоглобина, метхемоглобинът, не е в състояние да пренася O2. Делът на метхемоглобина се поддържа от ензими на ниско ниво и е 1–2% [2]. Местата за свързване на O2 на всяка от четирите субединици действат кооперативно: когато молекула O2 се свърже с една от тях, афинитетът към кислорода се увеличава в останалите (това явление се нарича положителна кооперативност) [3]. В резултат на това кривата на насищане с кислород на хемоглобина има изразен сигмоиден характер (фиг. 2, крива 2).
Друг мускулен протеин, миоглобинът, който е еволюционният предшественик на хемоглобина, е мономер и съдържа едно място за свързване на O2, поради което неговата крива на насищане с кислород е несигмоидна (фиг. 2, крива 1). Кислородният афинитет на миоглобина е приблизително 13 пъти по-висок от този на хемоглобина (50% насищане на миоглобина с О2 се постига вече при парциално кислородно налягане от 1–2 mm Hg, докато за хемоглобина тази цифра е 26 mm Hg) [4]. Поради това хемоглобинът е в състояние ефективно да доставя кислород на тъканите и е по-ефективен носител от миоглобина. Но от това не следва, че миоглобинът е неефективен и зле подреден протеин, тъй като той изпълнява фундаментално различна биологична функция - съхранява кислород и осигурява митохондриите с него. Тези адаптивни разлики между миоглобина и хемоглобина са резултат от милиони години еволюция.
прозрачна риба
През 1927 г. експедиция на норвежки китоловци близо до остров Буве по време на следващия търговски лов донесе на сушата безпрецедентна риба, почти безцветна и, най-интересното, с прозрачна („стъклена“) кръв. Това беше първото откритовид гръбначно животно, което не съдържа протеин хемоглобин. Поради удивителната прилика на главата на рибата с главата на крокодил, рибата е наречена крокодил белокръвен (Chaenocephalus aceratus). Белите риби (Channichthyidae; вижте фиг. 3) или ледените риби живеят в студени води близо до Антарктика и южното крайбрежие на Южна Америка. Температурата на водата в тези части пада до -1,9 °C (точката на замръзване на морската вода е по-ниска от прясната) и е сравнително постоянна.
Фигура 3. Някои представители на белокръвните [5–8]. A: Chaenodraco wilsoni; B: Chaenocephalus aceratus; B: Champsocephalus gunnari; G: Cryodraco atkinsoni. Белокръвните (Channichthyidae) са семейство от разред Перциформни (Perciformes), в което са описани 16 вида. Тези риби се хранят с крил, ракообразни и други риби. Последните проучвания показват, че диетата на тези риби варира в зависимост от възрастта. Като цяло диетата е доминирана от антарктически крил (Euphausia superba) и равноноги (Themisto gaudichaudii). Диетата на младите е доминирана от T. gaudichaudii и euphausiids (Thyanoessa sp.), докато делът на антарктическия крил е по-малък. Ледените риби достигат обща дължина 25–75 см. Те са пелагични представители на антарктическите води, живеещи на дълбочина от 200 до 700 метра. Някои подвидове на C. aceratus се срещат в района на 1000–2000 m. Белокръвните са доминиращият вид в Антарктида, напълно лишени от плавателен мехур и затова много видове от тези риби живеят на дъното.
Много малко риби могат да оцелеят в суровите условия на Антарктика. Ледените риби оцеляват благодарение на специален антифриз, присъстващ в кръвта им, който предотвратява образуването на ледени кристали в тялото. Този антифриз (AFGP - антифриз гликопротеин) е гликопротеин, вероятно получен отпанкреатична трипсиноген-подобна протеаза [9]. AFGP е в състояние да се свързва с микроскопични ледени кристали и да предотвратява растежа им [10].
Ледените риби имат много ниска скорост на метаболизма и прекарват по-голямата част от времето си почти неподвижно. Белокръвните живеят в богата на кислород вода и я абсорбират директно през кожата си [11], тъй като при ниски температури кръвта, съдържаща хемоглобин, става много вискозна и оцеляването с такава кръв би било много проблематично.
Липсата на хемоглобин се компенсира от модификацията на сърдечно-съдовата система. Всички представители на ледените риби имат по-голямо сърце от другите риби със същия размер, което увеличава ударния обем, увеличава няколко пъти общото количество циркулираща кръв и повишава скоростта на кръвния поток. При ниско кръвно налягане това се постига чрез намаляване на системното съпротивление на потока. Комбинацията от висока пропускателна способност на сърдечно-съдовата система, високо съдържание на кислород и относително ниска скорост на метаболизма на ледената риба прави възможно осигуряването на достатъчно количество кислород за тъканите [12].
загуба на хемоглобин
Белокръвните са имали загуба на хемоглобинови гени за дълго време. Както показва молекулярен анализ, при почти всички ледени риби една мутация е довела до загуба на гена, кодиращ β-веригата и част от α-веригата на хемоглобина. Загубата на способността за синтез на хемоглобин доведе до развитие на компенсаторни промени: обемът на сърцето и общият обем на кръвта се увеличиха (приблизително 3,5 пъти в сравнение с костни риби със същия размер) [13–15]. Учените, след анализ на ДНК на представители на нототенични риби, стигнаха до извода, че само един вид бяла риба (Neopagetopsis iona) има хемоглобинови гени, но те не са функционални.[16].
Заедно с хемоглобина, белите кръвни клетки също нямат миоглобин, който пренася кислород в скелетните мускули. В същото време при десет вида миоглобинът е запазен само в сърдечния мускул (по-специално във вентрикула) [17], а при шест вида миоглобинът е загубен и там, като механизмът на загуба на ген при всеки вид е индивидуален [18]. Общият механизъм на такава загуба е дублирането на къси (5–25 нуклеотидни) фрагменти, което води до изместване на рамката на четене, преждевременно прекъсване на транскрипцията, поява на фалшив сигнал за полиаденилиране или нарушено свързване на РНК полимераза към ДНК промоторната област [19, 20].
Загубата на хемоглобин първоначално е трябвало да бъде адаптация към студа: известно е, че разтворимостта на кислород в студена вода е по-висока [21], което означава, че нуждата от хемоглобин, напротив, е по-малка. Липсата на червени кръвни клетки също намалява вискозитета на кръвта, което е особено критично при изключително ниски температури. В процеса на еволюция белокръвните претърпяха доста радикални промени, които компенсираха загубата на хемоглобин, включително два пъти по-висока консумация на енергия за изпомпване на кръв в сравнение с други риби [22].
Ледената риба еволюира от заседнал бентосен предшественик. В студените, добре смесени, богати на кислород антарктически води рибите с нисък метаболизъм могат да оцелеят дори без хемоглобин. В средата на терциера екологичната криза в Южния океан, причинена от охлаждането [23], доведе до появата на огромни празни екологични ниши. Липсата на конкуренция позволява на мутанти без хемоглобин да оставят след себе си потомство, което населява празни местообитания. Малките имат развити механизми за компенсиране на мутациите. Относително изолирани фиорди са развили местообитания, които са колонизирали няколкоиндивиди, което доведе до появата на шест вида риби, изолирани един от друг и независимо губещи глобинови гени [22].
Фигура 4. Напречно сечение на миоцитите на вентрикулите на сърцето (C. aceratus). Големите митохондрии (Mt) са заобиколени от миофибрили (My) по периферията [24].
Фигура 5. Процесът на митохондриална биогенеза при ледените риби. Митохондриалното образуване включва синтеза на митохондриални протеини (сини точки), фосфолипиди и репликация на митохондриалния геном (зелени кръгове). В отговор на стимули като понижаване на температурата (или увеличаване на упражненията при бозайници), тези три компонента на митохондриалната биогенеза се активират съвместно, което води до увеличаване на митохондриалната плътност.
Показано е хистологично, че характеристика на ледената риба е голям обем митохондрии с подобен брой митохондрии и високо съотношение липиди/протеини в митохондриалните мембрани в сравнение с тясно свързани видове от семейство notothenian риби (виж Фиг. 4). Интересното е, че в белите кръвни клетки, които нямат миоглобин в скелетните мускули, но присъстват в сърцето, обемът на митохондриите в скелетните мускули е значително по-висок, отколкото в миокарда. Малко се знае за молекулярните механизми на това явление. Предполага се, че това явление е свързано с един от ключовите протеинови регулатори на митохондриалната биогенеза PGC-1α* [23].
* - PGC-1α е транскрипционен коактиватор и централна връзка в образуването на митохондрии в клетките. Наскоро беше открито, че PGC-1α регулира състава и функцията на отделните митохондрии и техния окислителен метаболизъм. Увеличаването на окислителния метаболизъм е свързано с повишена работа на PGC-1α, което е придружено от увеличаване на реактивните кислородни видове (ROS) в митохондриите. Но този протеин също е мощен регулатор на отстраняването на ROS, т.квисокото ниво на PGC-1α задейства експресията на множество антиоксидантни ензими [25].
Заключение
Разбира се, хемоглобинът е жизненоважен протеин, на който се основава дишането на повечето организми. Еволюцията на хемоглобина е отнела милиони години, но в специфичните условия на Антарктика (студена вода, обогатена с кислород), могат да се постигнат адаптивни предимства поради еволюционната загуба на хемоглобин (деадаптация). Ледените риби са една от най-ярките илюстрации за това как гените, които се считат за абсолютно необходими за живота на гръбначните животни, могат да бъдат намалени при определени условия, осигурявайки оцеляването на вида. Странни пътища на еволюция.