Karasové se naučili fermentovat cukr na alkohol!

Karasové se naučili fermentovat cukr na alkohol.

Pomáhá jim vyrovnat se s nedostatkem kyslíku!

Vědci z univerzity v Oslu zjistili, jaké molekulární adaptace umožňují karasům a jejich nejbližším příbuzným, zlatým rybkám, dlouho se obejít bez kyslíku. Ukázalo se, že díky zdvojnásobení genomu karasů byly k dispozici další kopie enzymů oxidačního metabolismu glukózy, které přeměnili na enzymy alkoholového kvašení. Místo oxidace glukózy na oxid uhličitý za účasti kyslíku se ji karasi naučili přeměňovat na alkohol v podstatě stejným způsobem jako kvasinky. Článek publikovaný ve vědeckých zprávách.

Naprostá většina obratlovců se bez kyslíku dlouhodobě neobejde, ale karasi (ryby z rodu Carassius) jsou známí svou schopností udržet si v takových podmínkách životně důležitou aktivitu hodiny a dokonce měsíce. Při hledání vysvětlení tohoto jevu vědci zjistili, že karas a jeho příbuzní zlaté rybky hromadí v těle poměrně velké množství ethylalkoholu.

Ethanol je produktem bezkyslíkaté oxidace glukózy, což je proces známý jako alkoholová fermentace. V první fázi se glukóza v glykolýzních reakcích rozkládá na dvě molekuly pyruvátu za vzniku malého množství energie ve formě ATP. Dále enzym pyruvátdekarboxyláza přeměňuje pyruvát na acetaldehyd, který se za účasti alkoholdehydrogenázy přeměňuje na ethanol.

Kvasinky tak získávají energii, prakticky bez využití mitochondrií k tomu a oxidačních reakcí pyruvátu, jako je oxidativní fosforylace, které v nich probíhají. Právě tento proces vyžaduje přítomnost kyslíku. Umožňuje oxidovat molekulu glukózy s maximálním výtěžkem ATP. V tomto případě by měl být pyruvát využit za účasti enzymu pyruvátdehydrogenázy.

Naprostá většina obratlovců využívá k výrobě energie oxidativní fosforylaci. Pokud ve tkáních není dostatek kyslíku, oxidace glukózy se zastaví glykolýzou a vzniklý pyruvát se přemění na kyselinu mléčnou. Ve vysoké koncentraci je však pro tkáně dosti toxický, takže bez účasti kyslíku nemůžeme glukózu donekonečna oxidovat.

Norští vědci zjistili, že v nepřítomnosti kyslíku místo přeměny pyruvátu na laktát jej karas přeměňuje na etanol pomocí alkoholových fermentačních reakcí. Tato skutečnost je překvapivá v tom, že vyžaduje pyruvátdekarboxylázu, kterou obratlovci nemají.U karasů se zdá, že další forma pyruvátdehydrogenázy má podobnou aktivitu. Před osmi miliony let měli předkové moderních karasů a kaprů zdvojnásobení genomu, v důsledku čehož získali další kopie enzymů.

Autoři práce zkoumali změnu exprese genů kódujících různé varianty podjednotek komplexu pyruvátdehydrogenázy při chovu karase v akváriu bez kyslíku. Ukázalo se, že u karase, který nesměl dýchat, se ve svalech oproti jiným orgánům zvýšil obsah mRNA „dalších“ forem enzymu o jeden až dva řády. Přitom u vzdálených příbuzných karasů - kaprů nebyl takový nárůst pozorován (nutno podotknout, že kapři se také poměrně dlouho obejdou bez kyslíku, ačkoliv ke kaprům mají daleko).

Exprese izoforem podjednotky pyruvátdehydrogenázy v tkáních kapra, zlaté rybky a karase. E1a3 - izoforma zapojená do fermentace

Vědci dospěli k závěru, že další izoformy enzymu, který u všech ostatních obratlovců, včetně ryb, funguje jako pyruvátdehydrogenáza, získaly schopnost přeměnit pyruvát na acetaldehyd u zástupců rodu Carassius. K dokončení fermentační reakce je však také nutná alkoholdehydrogenáza. V genomu karasa našli vědci tři varianty odpovídajícího genu, které se zjevně objevily také jako výsledek duplikace. Jedna z těchto variant byla ve skutečnosti vyjádřena ve svalech ryb.

Výsledný alkohol z ryb je zjevně jednoduše vytlačen žábrami. Jeho značné množství se však stále hromadí v tkáních, což z karase a zlaté rybky činí atraktivní objekt pro studium mechanismů tolerance etanolu. Velká zásoba glykogenu v játrech umožňuje rybám udržet si po dlouhou dobu minimální úroveň vitální aktivity.

V procesu evoluce tak karas a zlatá rybka získali pro obratlovce unikátní schopnost využívat glukózu k tvorbě alkoholu a obejít se tak bez oxidativní fosforylace, a tedy bez kyslíku. To umožnilo karasům osídlit ekologické niky nevhodné pro jiné druhy, například malé rybníky, které v zimě zcela zamrzají a v létě zarůstají.

Vědci nedávno zjistili, že nazí krysy krtonožky se také na chvíli obejdou bez kyslíku. V tom jim pomohl metabolický rys charakteristický pro rostliny.

Video příběh o zlaté rybce a kaprovi

+