Антарктические осьминоги выживают в самом холодном океане Земли
Антарктические осьминоги живут в самых холодных водах мира, где температура достигает максимума в 10°C и часто падает почти до -2°C. Как эти «хладнокровные» существа выживают в таких крайностях, остается загадкой.
Недавно было обнаружено, что необычные осьминоги рода Pareledone используют свои три сердца для перекачивания особого типа голубой крови по всему телу, снабжая ткани кислородом даже в очень холодных условиях, таких как Антарктида.
Согласно исследованию, проведенному Морской биологической лабораторией в США, как и многие другие виды, живущие в постоянно холодной воде, эти осьминоги также обладают «адаптированными к холоду» ферментами. Исследование было опубликовано в PNAS.
Такие белки играют ключевую роль во множестве биохимических реакций. Уникальная гибкость антарктических существ позволяет им функционировать даже при более низких температурах, тогда как ферменты осьминогов более умеренного климата замедляются на 25 процентов перед лицом аналогичных экстремальных условий.
Растворимые ферменты, подобные тем, которые расщепляют пищу в кишечнике, могут легче адаптироваться к разным температурам из-за особых реакций, в которых они участвуют. Но не все ферменты в организме могут позволить себе быть такими гибкими. Некоторые из них втиснуты в клеточные мембраны, где их «рабочие условия» гораздо более жесткие.
Эти белковые «насосы» или каналы переносят важные ионы в клетку и из нее, создавая градиенты, способствующие распространению энергии.
Так как же эти ферменты справляются с холодом Антарктиды?
Исследователи из Морской биологической лаборатории Университета Пуэрто-Рико и Национального института неврологических расстройств и инсульта США решили разобраться в деталях.
Они создали две модели: одна основана на ферменте натриево-калиевого насоса, обнаруженном у антарктических осьминогов (Pareledone), а другая основана на том же насосе, обнаруженном у видов с умеренным климатом, называемых двухпятнистыми осьминогами (Octopus bimaculatus).
Авторы выбрали этот фермент, потому что он экспортирует три иона натрия и импортирует два иона калия за счет одной молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), который является источником энергии клетки. Этот обмен необходим для возбудимости клеток и транспорта растворенных веществ.
«Из-за своей первостепенной важности натриево-калиевый насос должен подвергаться тщательному отбору, чтобы эффективно работать в различных температурных условиях», — объясняют авторы.
Как и подозревала команда, антарктический насос работал лучше при температуре -1,8 °C, чем умеренный насос. Он был менее чувствителен к холоду.
Строительные блоки или аминокислоты, образующие антарктический насос, немного отличались от таковых у осьминогов умеренного пояса.
В общей сложности исследователи насчитали 12 мест в аминокислотной последовательности Антарктики, где мутация, по-видимому, придает устойчивость к холоду.
Добавляя эти мутации в модель по одной, исследователи выяснили, что три мутации работают вместе, чтобы обеспечить большую часть холодоустойчивости насоса.
Более того, большинство этих мутаций располагались на границе между насосом и остальной частью клеточной мембраны.
Одна мутация в месте L314V имела наибольший эффект из всех. Без него насос уже не работал при минусовой температуре.
Исследователям необходимо будет дополнительно изучить детали этой мутации, но возможно, что эта другая аминокислота в этом конкретном месте каким-то образом дает насосу дополнительное пространство для маневра внутри клеточной мембраны.
Биофизик Мигель Холмгрен из Национального института неврологических расстройств и инсульта США не удивился, что поверхность раздела между белком и мембраной может стать местом таких адаптаций.
«Для нас это имеет смысл», — сказал он.
Теперь авторы надеются провести дальнейшие эксперименты по изучению того, как белковые насосы антарктических осьминогов поддерживают активность клеток при низких температурах.