Караси научились сбраживать сахар в спирт

Караси научились сбраживать сахар в спирт!

Караси научились сбраживать сахар в спирт.

Это помогает им пережить дефицит кислорода!

Ученые из Университета Осло выяснили, какие молекулярные адаптации позволяют карасям и их ближайшим родственникам золотым рыбкам подолгу обходиться без кислорода. Оказалось, что благодаря удвоению генома у карасей в распоряжении оказались лишние копии ферментов окислительного метаболизма глюкозы, которые они превратили в ферменты спиртового брожения. Вместо того, чтобы окислять глюкозу до углекислого газа с участием кислорода, караси научились превращать ее в спирт примерно так, как это делают дрожжи. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Подавляющее большинство позвоночных животных не могут долго обходиться без кислорода, однако караси (рыбы из рода Carassius) известны способностью в таких условиях поддерживать жизнедеятельность в течение часов и даже месяцев. В поисках объяснения этому феномену ученые обнаружили, что караси и их родственники золотые рыбки накапливают в организме довольно большое количество этилового спирта.

Этанол является продуктом бескислородного окисления глюкозы – процесса, который известен как спиртовое брожение. На первой стадии глюкоза в реакциях гликолиза распадается на две молекулы пирувата с образованием небольшого количества энергии в форме АТФ. Дальше фермент пируватдекарбоксилаза превращает пируват в ацетальдегид, который превращается в этанол с участием алкогольдегидрогеназы.

Таким способом получают энергию дрожжи, практически не используя для этого митохондрии и проходящие в них реакции окисления пирувата, такие как окислительное фосфорилирование. Именно этот процесс требует присутствия кислорода. Он позволяет окислить молекулу глюкозы с максимальным выходом АТФ. Пируват в этом случае должен утилизироваться с участием фермента пируватдегидрогеназы.

Подавляющее большинство позвоночных животных использует для генерации энергии окислительное фосфорилирование. Если кислорода в тканях недостаточно, окисление глюкозы останавливается на гликолизе, а образовавшийся пируват превращается в молочную кислоту. Однако в высокой концентрации она достаточно токсична для тканей, поэтому мы не можем бесконечно окислять глюкозу без участия кислорода.

Норвежские ученые обнаружили, что караси в отсутствие кислорода, вместо того чтобы превращать пируват в лактат, превращают его в этанол, используя реакции спиртового брожения. Этот факт удивителен тем, что для этого нужна пируватдекарбоксилаза, которой у позвоночных нет. У карасей же подобной активностью, судя по всему, обладает дополнительная форма пируватдегидрогеназы. Восемь миллионов лет назад у предков современных карасей и карпов произошло удвоение генома, в результате чего они приобрели и дополнительные копии ферментов.

Авторы работы исследовали изменение экспрессии генов, кодирующих разные варианты субъединиц пируватдегидрогеназного комплекса, при содержании карасей в аквариуме без кислорода. Оказалось, что у карасей, которым не давали дышать, содержание мРНК «дополнительных» форм фермента увеличивалось на один-два порядка в мышцах по сравнению с другими органами. При этом у дальних родственников карасей – карпов, такого увеличения не наблюдалось (надо заметить, что карпы тоже могут довольно долго обходиться без кислорода, хотя до карасей им далеко).

Читать еще:  Строение рыб: внешнее и внутреннее, особенности, фото-видео обзор

Экспрессия изоформ субъединицы пируватдегидрогеназы в тканях карпа, золотой рыбки и карася. Е1а3 — изоформа, участвующая в брожении

Ученые сделали вывод, что дополнительные изоформы фермента, который у всех остальных позвоночных, в том числе рыб, функционирует как пируватдегидрогеназа, у представителей рода Carassius приобрели способность превращать пируват в ацетальдегид. Однако для того, чтобы закончить реакцию брожения, необходима также алкогольдегидрогеназа. В геноме карася исследователи обнаружили три варианта соответствующего гена, которые появились, по-видимому, также в результате дупликации. Один из этих вариантов действительно экспрессировался в мышцах рыбок.

Получившийся спирт рыбы, по-видимому, просто выводят через жабры. Однако в тканях все же накапливается значительное его количество, что делает карася и золотую рыбку привлекательным объектом для исследования механизмов толерантности к этанолу. Поддерживать минимальный уровень жизнедеятельности довольно долго рыбкам позволяет большой запас гликогена в печени.

Таким образом, в процессе эволюции караси и золотые рыбки приобрели уникальную для позвоночных способность утилизировать глюкозу с образованием спирта и таким образом обходиться без окислительного фосфорилирования, а значит и без кислорода. Это позволило карасям заселить непригодные для других видов экологические ниши, например, маленькие пруды, которые зимой полностью промерзают, а летом зарастают.

Недавно ученые выяснили, что голые землекопы также способны какое-то время обходиться без кислорода. В этом им помогла особенность метаболизма, характерная для растений.

Видео-рассказ о золотых рыбках и карпах

Караси научились сбраживать сахар в спирт

Журнал добавлен в корзину.

Почему караси не задыхаются без кислорода

Чтобы не задохнуться зимой в бескислородной воде, караси превращают глюкозу в спирт.

Как известно, кислород нужен для получения энергии. Основным источником энергии служит глюкоза; если ее мало, печень сделает ее из аминокислот или из глицерина (который, в свою очередь, можно получить из жиров-триглицеридов).

Когда клетка расщепляет молекулу глюкозы, чтобы извлечь содержащуюся в ее химических связях энергию, то глюкоза сначала проходит через длинную цепочку биохимических реакций, называемую гликолизом. На этом этапе глюкоза расщепляется до остатка пировиноградной кислоты, или пирувата. Если кислород есть, то пируват отправляется в цикл Кребса, где с помощью кислорода и огромного количества ферментов окисляется до углекислого газа.

Если же кислорода нет, то пировиноградная кислота, образовавшаяся в результате гликолиза, превращается в молочную кислоту, или лактат. Молочная кислота подавляет реакции гликолиза, так что в бескислородных условиях клетка быстро погибает – ее биохимическая фабрика по производству энергии останавливается.

Некоторые микробы, приспособившиеся жить в анаэробных, то есть бескислородных, условиях, нашли здесь разные обходные пути, но обычная, «среднестатистическая» животная клетка без кислорода не выживет – ее задушат продукты гликолиза.

Читать еще:  Старинный, ретро аквариум не знает понятия «Гарантийный срок службы»

Но некоторые животные все же сумели обзавестись разного рода метаболическими хитростями, которые позволяют им справляться с нехваткой кислорода. Не так давно мы писали о голых землекопах, у которых биохимическая фабрика по производству энергии продолжает работать даже при избытке молочной кислоты. В критических условиях эти грызуны используют другую углеводную молекулу в качестве энергетического ресурса – ферменты, которые ее расщепляют, не обращают внимания на лактат. И есть пример золотых рыбок и их ближайших родичей карасей.

И золотые рыбки, и обычные караси замечательны тем, что способны долго обходиться без кислорода – дольше, чем какие-либо другие позвоночные животные. В статье в Scientific Reports исследователи из Университета Осло и Ливерпульского университета пишут, что рыбы из рода карасей научились сбраживать глюкозу в спирт – подобно тому, как это делают дрожжи.

Расщепление сахара до образования пировиноградной кислоты происходит у них, как обычно, но потом пируват превращается не в молочную кислоту, а в этанол и углекислый газ. Спирт тоже не очень безопасный продукт, но его, в отличие от молочной кислоты, легко можно вывести наружу через жабры. В итоге, как и у голых землекопов, фабрика по добыче энергии продолжает работать – ей ничто не мешает, ее ничто не ингибирует.

У карасей в организме действительно накапливается много спирта – его уровень может достигать 50 мг на 10 мл, особенно, если вокруг зима, а сам карась живет в водоеме где-нибудь на севере Европы. Раньше считалось, что спирт получается в результате, скажем так, небольших отклонений от основного метаболического пути расщепления глюкозы. Но, как показали Кэтри Фагернес (Cathrine E. Fagernes) и ее коллеги, у карасей есть дополнительный набор ферментов, которые позволяют специально выполнять «спиртные» реакции.

Много миллионов лет назад у предков карасей удвоились гены, отвечающие за последние стадии гликолиза. Новые копии стали меняться постепенно в ходе эволюции. Они по-прежнему занимались превращениями пировиноградной кислоты, но теперь они не отправляли ее в дальнейшие реакции цикла Кребса, а превращали в этанол.

В обычных условиях, когда кислорода достаточно, работает основной метаболический путь, но когда кислорода становится мало, у карасей включаются «спиртные» гены. В результате рыбы могут прожить несколько месяцев без кислорода вообще – лишь бы хватило углеводных запасов в печени.

Понятно, что с такой метаболической уловкой они могут жить в северных водоемах, которые зимой надолго покрываются сплошным льдом, и не бояться никаких хищников – эти, в отличие от карасей, тут просто-напросто задохнутся.

Караси научились сбраживать сахар в спирт. Это помогает им пережить дефицит кислорода

Biodiversity Heritage Library / Flickr

Ученые из Университета Осло выяснили, какие молекулярные адаптации позволяют карасям и их ближайшим родственникам золотым рыбкам подолгу обходиться без кислорода. Оказалось, что благодаря удвоению генома у карасей в распоряжении оказались лишние копии ферментов окислительного метаболизма глюкозы, которые они превратили в ферменты спиртового брожения. Вместо того, чтобы окислять глюкозу до углекислого газа с участием кислорода, караси научились превращать ее в спирт примерно так, как это делают дрожжи. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Читать еще:  Аквариумные YouTube-каналы: лучшие из лучших!

Подавляющее большинство позвоночных животных не могут долго обходиться без кислорода, однако караси (рыбы из рода Carassius) известны способностью в таких условиях поддерживать жизнедеятельность в течение часов и даже месяцев. В поисках объяснения этому феномену ученые обнаружили, что караси и их родственники золотые рыбки накапливают в организме довольно большое количество этилового спирта.

Этанол является продуктом бескислородного окисления глюкозы – процесса, который известен как спиртовое брожение. На первой стадии глюкоза в реакциях гликолиза распадается на две молекулы пирувата с образованием небольшого количества энергии в форме АТФ. Дальше фермент пируватдекарбоксилаза превращает пируват в ацетальдегид, который превращается в этанол с участием алкогольдегидрогеназы.

Таким способом получают энергию дрожжи, практически не задействуя для этого митохондрии и проходящие в них реакции окисления пирувата, такие как окислительное фосфорилирование. Именно этот процесс требует присутствия кислорода. Он позволяет окислить молекулу глюкозы с максимальным выходом АТФ. Пируват в этом случае должен утилизироваться с участием фермента пируватдегидрогеназы.

Подавляющее большинство позвоночных животных использует для генерации энергии окислительное фосфорилирование. Если кислорода в тканях недостаточно, окисление глюкозы останавливается на гликолизе, а образовавшийся пируват превращается в молочную кислоту. Однако в высокой концентрации она достаточно токсична для тканей, поэтому мы не можем бесконечно окислять глюкозу без участия кислорода.

Норвержские ученые обнаружили, что караси в отсутствие кислорода, вместо того чтобы превращать пируват в лактат, превращают его в этанол, используя реакции спиртового брожения. Этот факт удивителен тем, что для этого нужна пируватдекарбоксилаза, которой у позвоночных нет. У карасей же подобной активностью, судя по всему, обладает дополнительная форма пируватдегидрогеназы. Восемь миллионов лет назад у предков современных карасей и карпов произошло удвоение генома, в результате чего они приобрели и дополнительные копии ферментов.

Авторы работы исследовали изменение экспрессии генов, кодирующих разные варианты субъединиц пируватдегидрогеназного комплекса, при содержании карасей в аквариуме без кислорода. Оказалось, что у карасей, которым не давали дышать, содержание мРНК «дополнительных» форм фермента увеличивалось на один-два порядка в мышцах по сравнению с другими органами. При этом у дальних родственников карасей – карпов – такого увеличения не наблюдалось (надо заметить, что карпы тоже могут довольно долго обходиться без кислорода, хотя до карасей им далеко).

Экспрессия изоформ субъединицы пируватдегидрогеназы в тканях карпа, золотой рыбки и карася. Е1а3 — изоформа, участвующая в брожении

Cathrine E. Fagernes et al / Scientific Reports 2017

Источники:

http://fanfishka.ru/akvariumnye-stati/interesnoe_i_poznavatelnoe/1628-karasi-nauchilis-sbrazhivat-sahar-v-spirt.html
http://m.nkj.ru/news/31946/
http://nplus1.ru/news/2017/08/14/drunk-carassius

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector