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.
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 задохнуться.
