Полный текст:
В декабре 1927
года норвежский зоолог Дитлев Рустад в 1750 километрах
от побережья Антарктиды обнаружил очень странную рыбу с прозрачным телом и
молочно-белыми жабрами. Когда Рустад вскрыл рыбу, он обнаружил, что ее кровь
была бесцветной, как стекло. Так в его дневнике появилась запись «бесцветная
кровь»...
Ледяная рыба или белокровка (Champsocephalus gunnari), обитает у берегов Антарктиды. Внешний
вид представителей этого семейства напоминает известных еще древним грекам
морских рыб ханна, отсюда и длинное латинское название Channichthyidae
(буквально: ханновые рыбы).
Зачем
нужен гемоглобин?
Практически всем видам позвоночных животных для транспорта
кислорода к тканям необходима специальная система доставки, поскольку
молекулярный кислород плохо растворим в воде: в 1 л плазмы крови растворяется
всего лишь 3,2 мл О2. Содержащийся в эритроцитах позвоночных белок
гемоглобин (Hb) способен связать в 70 раз больше — 220 мл О2/л.
Содержание Hb в крови человека варьирует в пределах 120-180 г/л, что вдвое
выше, чем концентрация белков в плазме (50-80 г/л). Поэтому гемоглобин вносит
наибольший вклад в поддержание рН-буферной емкости крови.
По своей структуре
гемоглобин взрослого человека (HbA) является тетрамером, состоящим из двух ?- и
двух ?-субьединиц с молекулярными массами около 16 кДа. ?- и ?-цепи отличаются
аминокислотной последовательностью, но имеют сходную конформацию.
Рис.
1. Молекула гемоглобина. Гемоглобин является одним из наиболее
хорошо изученных белков. Он был открыт немецким физиологом Отто Функе в
1851 году, а структуру этого белка описал австрийский молекулярный биолог
Макс Перутц в 1959 году, за что тремя годами позднее получил Нобелевскую
премию по химии [1].
Каждая субъединица
гемоглобина несет группу гема с ионом
двухвалентного железа в центре. При связывании O2 с атомом железа в
геме (оксигенация Hb) и отщеплении O2 (дезоксигенация) степень
окисления атома железа не меняется. Окисление Fe2+ до Fe3+ в
геме носит случайный характер. Окисленная форма гемоглобина – метгемоглобин -
не способна переносить O2. Доля метгемоглобина поддерживается
ферментами на низком уровне и составляет 1-2% [2].
Центры связывания O2
на каждой из четырёх субъединиц действуют кооперативно: когда молекула O2
связывается с одним из них, то у других возрастает сродство к кислороду (данное
явление называют положительной кооперативностью) [3]. Это приводит к тому, что
кривая насыщения гемоглобина O2 имеет ярко выраженный сигмоидальный
характер (Рис. 2, кривая 2).
Рис. 2. Насыщение гемоглобина и
миоглобина кислородом [2].
Другой мышечный белок
миоглобин, являющийся эволюционным предшественником гемоглобина, представляет
собой мономер и содержит единственный центр связывания O2, из-за
чего его кривая насыщения кислородом несигмоидальна (Рис. 2, кривая 1).
Сродство к кислороду у миоглобина гораздо выше, чем у гемоглобина — как минимум
в 13 раз (50%-ное насыщение миоглобина O2 достигается уже при
парциальном давлении O2 в 1-2 мм рт. ст., в то время как для гемоглобина
такое насыщение наблюдается при парциальном давлении O2 около 26 мм рт. ст.) [4]. Из-за
этого гемоглобин способен эффективно отдавать кислород в тканях и является
более эффективным переносчиком, чем миоглобин. Но из этого не следует, что
миоглобин малоэффективный и плохо устроенный белок, поскольку он выполняет
принципиально иную биологическую функцию — запасание кислорода и обеспечение им
митохондрий. Данные адаптивные различия между миоглобином и гемоглобином
появились в результате миллионов лет эволюции...
Прозрачные рыбы
Но в 1927
году экспедицией норвежских китобоев близострова Буве [5], во время очередной промысловой охоты была
поднята на сушу невиданная ранее рыба, практически бесцветная и самое
интересное, как обнаружилось позднее, с
прозрачной «стеклянной кровью». Это был
первый обнаруженный вид позвоночных,
не содержащих плазменного белка гемоглобина. За счет поразительного
сходства головы с головой крокодила, рыбу назвали крокодиловая белокровка (Chaenocephalus
aceratus). Белокровки (Channichthyidae)
или ледяные рыбы, обитают в холодных
водах возле Антарктиды и южного побережья Южной Америки. Температура воды в этих областях
опускается аж до -1,9
° C (температура замерзания морской воды ниже, чем пресной [6]), причем является довольно
постоянной.
Chaenodraco
wilsoni
Chaenocephalus
aceratus
Champsocephalus gunnari
Cryodraco atkinsoni
Рис. 3. Некоторые представители белокровок[7-10].. Белокровки
( Channichthyidae ) - семейство из отряда Окунеобразные (Perciformes) в котором описано
16 видов. Данные рыбы питаются крилем , рачками
и другими рыбами. Недавние исследования показали, что рацион этих рыб различается в зависимости от возраста. В целом, в рационе преобладает антарктический криль ( Euphausia superba )
и равноногие рачки (Themisto gaudichaudii) . В рационе молодых особей преобладает Т. gaudichaudii и эвфаузииды (Thyanoessa Sp.),
а доля антарктического криля меньше.
Ледяные рыбы достигает общей длины 25-75 см. Они являются пелагиальными представители
антарктических вод, обитают на глубине от 200 до 700 метров. Некоторые подвиды C. aceratus обнаруживаются в районе 1-2 тыс.
метров. Белокровки - это
своеобразный доминирующий вид в Антарктиде, полностью лишенный плавательного
пузыря. Плавательный пузырь для рыб является органом регулирующим плавучесть,
поэтому многие виды белокровок являются донными.
Очень немногие рыбы могут выжить в суровых условиях
Антарктики. Ледяная рыба выживает за счет специального антифриза
присутствующего в крови, который предотвращает образование кристаллов льда в
организме. Этот антифриз (AFGP- antifreeze glycoprotein) представляет собой
гликопротеин, предположительно произошедший от панкреатической
трипсиногеноподобной протеазы [11]. AFGP способен связываться с кристалликами льда и предотвращать их
рост [12]. Ледяные рыбы имеют очень
низкий уровень метаболизма и проводят большую часть времени практически
неподвижно. Белокровки обитают в богатой
кислородом воде, и поглощают его непосредственно через кожу
[13]. Это связанно с тем, что
при пониженных температурах кровь содержащая гемоглобин становится очень вязкой,
и если бы белокровки имели таковую, то их существование было бы обречено.
Газообмен у ледяных рыб осуществляется через кожу. Так же следует отметить,
что модификация сердечно-сосудистой
системы ледяных рыб помогает
компенсировать отсутствие гемоглобина. Все представители ледяных рыб имеют большее
сердце, чем у других рыб такого же
размера, что приводит к большему ударному объему. Вследствие этого, у белокровок в
несколько раз больше объем циркулирующей крови и скорость кровотока. При
низком артериальном давлении это
достигается за счет снижения системного
сопротивления потоку. Сочетание
высокой пропускной способности сердечнососудистой системы, высокого содержания
кислорода и относительно низких абсолютных скоростей метаболизма ледяной рыбы
позволяет обеспечить достаточное количество кислорода в тканях [14].
Особенности газообмена у белокровок
Белокровки пережили потерю генов гемоглобина достаточно
давно. Как показывает молекулярный анализ, почти у всех ледяных
одна мутация привела к потере гена,
кодирующего ?-цепь и
часть ?-цепи гемоглобина.
Потеря способности к синтезу гемоглобина вызвала развитие
компенсаторных изменений: увеличился
объем сердца и общий объем крови (приблизительно
в 3,5 раз выше, чем у костистых рыб
аналогичного размера) [15-17].
Ученые проанализировав ДНК
представителей нототениевых рыб пришли к выводу, что только у одного вида
белокровок (Neopagetopsis iona), присутствуют гены гемоглобина, но они не являются
функциональными [18].
Наряду с гемоглобином у белокровок отсутствует миоглобин, переносящий
кислород в скелетных мышцах. У десяти
видов миоглобин содержится в сердечной мышце, в частности, в желудочке [19]. У шести видов белокровок
сердечный миоглобин был утрачен, причем механизмы утраты гена были
индивидуальны у каждого вида [20]. Общим механизмом подобной утраты является
дупликация коротких (5?25-нуклеотидных) фрагментов, приводящая к сдвигу рамки
считывания, преждевременной терминации транскрипции, появлению ложного сигнала
полиаденилирования, или нарушению связывания РНК-полимеразы с промоторной
областью ДНК [21,22].
Утрата гемоглобина первоначально должна была быть адаптацией
к холоду, известно что, растворимость кислорода в холодной воде выше [23], соответственно чем выше растворимость O2, тем меньше потребность в гемоглобине. Отсутствие
эритроцитов также снижает вязкость крови, что особенно критично в
условиях экстремально низкой температуры. В
процессе эволюции у белокровок произошли довольно радикальные изменения,
компенсирующие утрату гемоглобина, включая вдвое большие энергозатраты по
перекачке крови по сравнению с другими рыбами [24].
Эти рыбы произошли от малоподвижного донного предка. В холодных, хорошо перемешиваемых, богатых
кислородом антарктических водах рыбы с низкой скоростью метаболизма
могут выжить даже без гемоглобина. В середине третичного периода экологический
кризис в Южном океане, вызванный похолоданием [25], привел к появлению широкого
спектра пустых экологических ниш. Отсутствие конкуренции позволило мутантам, не
имеющим гемоглобина, оставить после себя потомство, которое заселило пустые
места обитания. У детенышей развились механизмы компенсации мутаций. В
относительно изолированных фьордах [26] образовались местообитания, которые
колонизировали несколько особей. Это привело к тому, что возникло шесть видов
рыб, изолированных друг от друга и независимо потерявших гены глобинов [24].
Гистологически показано, что особенностью ледяных рыб является высокий
уровень объема митохондрий при сходном их количестве и высокое отношение
липид/белок в митохондриальных мембранах в сравнении с близкородственными
видами семейства нототениевых рыб.
Рис. 4. Поперечный
разрез миоцитов желудочков сердца (C.aceratus). Большие митохондрии (Мt) по периферии окружены миофибриллами (Му) [27].
Интересно, что у белокровок, у которых отсутствует миоглобин в скелетной мускулатуре и присутствует
в сердечной, объем митохондрий в скелетных мышцах существенно выше, чем в
миокарде. О молекулярных механизмах этого феномена известно довольно
мало. Предположительно это явление связанно с
одним из ключевых белков-регуляторов биогенеза митохондрий PGC-1? [25]. PGC-1? - является транскрипционным коактиватором
и центральным звеном образования
митохондрий в клетках. Недавно
открыто, что PGC-1?
регулирует состав и функции отдельных митохондрий и их окислительный метаболизм. Повышение окислительного метаболизма связано
с повышенной работой PGC-1?, что
сопровождается увеличением активных форм кислорода (АФК) в митохондриях. Но
этот белок является и мощным регулятором
удаления АФК, потому что высокий уровень PGC-1? запускает экспрессию
многочисленных ферментов-антиоксидантов[28].
Регулятором биогенеза мембран митохондрий у белокровок
является оксид азота II
(NO). По сравнению с
другими рыбами, у белокровок наблюдается повышенное содержание этого
сигнального агента в крови.
Рис. 4.
Процесс биогенеза митохондрий у ледяных рыб.
Образование
митохондрий включает в себя
синтез митохондриальных белков (синие точки), фосфолипидов и репликацию
митохондриального генома (зеленые кружки). В ответ на стимулы, такие как
понижение температуры (или повышение физической нагрузки у млекопитающих) эти
три компонента митохондриального биогенеза согласованно активируется, что
приводит к увеличению плотности митохондрий. В ответ на потерю гемоглобина и
миоглобина в мышцах ледяных рыб увеличивается биосинтез фосфолипидов, причем,
независимо от синтеза митохондриальных белков и репликации митохондриальной
ДНК - это приводит к увеличению размера
митохондрий. Молекула NO стимулирует
образование PGC-1? , который регулирует
репликацию митохондриальной ДНК. Но
ничего не известно о том, как биосинтез митохондриальных фосфолипидов
интегрирован в этот процесс у ледяных рыб, возможно, это индуцируется
высоким уровнем NO (темная стрелка) [20].
Заключение.
Безусловно, гемоглобин жизненно
важный белок, участвующий в дыхании организмов. Эволюция гемоглобина
происходила миллионы лет, но в специфических условиях Антарктики ( холодная
вода обогащенная кислородом) адаптивные преимущества могут достигаться за счет
эволюционной утраты какой- либо функции (дезадаптация). Ледяные рыбы являются
одной из ярких иллюстраций того, как гены, которые считаются абсолютно
необходимыми для жизни позвоночных, в определенных условиях отключают свое
функционирование обеспечивая выживание вида.
Литература
1. http://visualscience.ru,
2010г.
2. http://www.xumuk.ru/biochem/274.html
3. Ленинджер
А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. Т. 1.
369 с.
4. Сравнительная физиология животных. /ред. Проссер Л. М.: Мир, 1977. Т. 2. 574 с.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CE%F1%F2%F0%EE%E2_%C1%F3%E2%E5
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%EE%F0%F1%EA%EE%E9_%EB%B8%E4
7. Fishes
8. Antarctic fishes of
the Scottish National Antarctic expedition
9. http://eol.org/pages/206610/overview
10. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1696930
11. Cheng
C.H., Chen L. Evolution of an antifreeze glycoprotein // Nature. 1999. V. 401.
№ 6752. P. 443–444.
12. James A, Raymond and Arthur L.DeVries. Adsorption inhibition as
a mechanism of freezing resistance in polar fishes // Proc. Nati. Acad. Sci. USA 1977
Jun;74(6):2589-93.
13. Cheng C.H., Detrich H.W. Molecular ecophysiology of Antarctic notothenioid fishes // Philos.
Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2007. V. 362. P. 2215–2232.
14. Karl-Hermann Kock.
Antarctic icefishes (Channichthyidae): a unique family of fishes. A review,
Part I// Polar Biol (2005) 28: 862–895.
15. Zhao Y.Q., Ratnayake-Lecamwasam M., Parker
S.K., Cocca E., Camardella L., Detrich H.W. The major adult alpha-globin gene
of antarctic teleosts and its remnants in the hemoglobinless
icefishes-calibration of the mutational clock for nuclear genes // J.
Biol. Chem. 1998. V. 273. P. 14745–14752.
16. Di Prisco G., Cocca E., Parker
S.K., Detrich H.W. Tracking the
evolutionary loss of hemoglobin expression by the white-blooded antarctic
icefishes // Gene. 2002. V. 295. P. 185–191.
17. Di Prisco
G., Eastman J.T., Giordano D., Parisi E., Verde C. Biogeography and adaptation
of notothenioid fish: hemoglobin function and globin-gene evolution// Gene (2007) 398: 143–155.
18. Near T.J., Parker S.K., Detrich
H.W. A genomic fossil reveals key steps
in hemoglobin loss by the antarctic icefishes // Mol. Biol. Evol. 2006.
V. 23. P. 2008–2016.
19. . Sidell B.D., Vayda M.E.,
Small D.J., Moylan T.J., Londraville R.L., Yuan M.L., Rodnick K.J., Eppley
Z.A., Costello L. Variable expression of
myoglobin among the hemoglobin less antarctic icefishes // Proc. Natl. Acad.
Sci. USA. 1997. V. 94. P. 3420–3424.
20. Kristin M., O’Brien and Irina A.
Mueller. The Unique Mitochondrial Form and Function of Antarctic Channichthyid
Icefishes// Integrative and Comparative Biology(2010). 6: 993–1008.
21. Small DJ, Moylan T, Vayda ME, Sidell BD. The myoglobin gene of
the Antarctic icefish, Chaenocephalus
aceratus, contains aduplicated TATAAAA sequence that interferes with
transcription// J Exp Biol. 2003. 206:131-9.
22. Bruce D. Sidell1, and Kristin M. O'Brien. When Bad Things Happen to Good Fish: The Loss of Hemoglobin and
Myoglobin Expression in Antarctic Icefishes// J Exp Biol. 209 (10): 1791-1802.
23. Bargelloni L., Marcato S., Patarnello T. Antarctic
fish hemoglobins: Evidence for adaptive evolution at subzero
temperature// Proc Natl Acad Sci U S A. (1998): 95(15):8670-5.
24.
Giordano D., Boron I., Abbruzzetti S., Van Leuven W., Nicoletti F.P., Forti F.,
Bruno S., Cheng C.-H. C., Moens L., di Prisco G., Nadra A.D., Estrin D.,
Smulevich G., Dewilde S., Viappiani C., Verde C. Biophysical characterisation of neuroglobin
of the icefish, a natural knockout for hemoglobin and myoglobin. Comparison
with human neuroglobin // PloS ONE. 2012. V. 7. Article № e44508.
25. Urschel M.R., O’Brien K.M. High
mitochondrial densities in the hearts of Antarctic icefishes are maintained by
an increase in mitochondrial size rather than mitochondrial biogenesis // J.
Exp. Biol. 2008. V. 211. P. 2638–2646.
26. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D4%FC%EE%F0%E4)
27. Garofalo F., Pellegrino D., Amelio D., Tota B. The Antarctic hemoglobinless icefish, fifty five years later: A unique
cardiocirculatory interplay of disaptation and phenotypic plasticity// Comp Biochem Physiol A Mol Integr
Physiol. 2009
Sep;154(1):10-28.
28. Austin S., St-Pierre J. PGC1? and mitochondrial metabolism - emerging concepts and relevance in ageing and neurodegenerativedisorders// J Cell Sci. 2012 Nov
1;125(Pt 21):4963-71.