Антарктические осьминоги живут в самом холодном океане и не замерзают. Как?

Фото: British Antarctic Survey

Все дело в особых белковых «насосах».

Антарктические осьминоги живут в самых холодных водах мира, где температура достигает максимум 10°C и часто падает до нуля. Как они умудряются выживать в таких экстремальных условиях, оставалось загадкой.

Недавно было обнаружено, что необычные осьминоги рода Pareledone используют все три своих сердца для перекачивания особого типа своей голубой крови по всему телу, снабжая ткани кислородом даже в очень холодных условиях, таких как Антарктида. Согласно исследованию, проведенному Морской биологической лабораторией в США, осьминоги также обладают «адаптированными к холоду» ферментами – как и многие другие виды, живущие в холодной воде постоянно.

Эти белки играют ключевую роль во множестве биохимических реакций. Уникальная гибкость антарктических животных позволяет им функционировать даже при низких температурах, тогда как ферменты осьминогов в более умеренном климате 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 адаптивными. Некоторые из них втиснуты в клеточные мембраны, где их «рабочие условия» гораздо более жесткие. Эти белковые натрий-калиевые «насосы», или помпы, переносят важные ионы в клетку и из нее.

В мембране клеток есть специальный белок — натрий-калиевый насос. Этот трансмембранный (то есть пронизывающий мембрану насквозь) белок занимается тем, что выкачивает из клетки ионы натрия и взамен впускает ионы калия. На каждые три «выплюнутых» натриевых иона приходится два «проглоченных» калиевых и расщепляется одна молекула аденозинтрифосфата (АТФ), которая является источником энергии клетки. 

Он непрерывно работает во всех клетках животных.

Так как же эти белки помогают осьминогам справляться с холодом Антарктики? 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 натрий-калиевого насоса, обнаруженном у антарктических осьминогов, а другая основана на том же насосе, обнаруженном у видов в умеренным климате – двупятнистых осьминогов (Octopus bimaculatus).

Как и подозревала команда, у антарктических моллюсков «насос» работал лучше при нулевой температуре, чем «насос» в умеренном климате. Он был менее чувствителен к холоду. Строительные блоки, или аминокислоты, образующие натрий-калиевый насос у антарктических осьминогов, немного отличались от таковых у осьминогов умеренного пояса.

«Из-за своей первостепенной важности [натрий-калиевый насос] должен подвергаться тщательному эволюционному отбору, чтобы эффективно работать в различных термических условиях», – пишут исследователи.

В общей сложности исследователи насчитали 12 мест в аминокислотной последовательности белка в Антарктике, где мутация, по-видимому, придает им устойчивость к холоду. Добавляя эти мутации в модель по одной, исследователи выяснили, что три конкретные мутации работают вместе, обеспечивая большую часть холодоустойчивости натрий-калиевого 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 нее насос уже не работал при нулевой температуре.

Теперь авторы надеются провести дальнейшие эксперименты по изучению того, как белковые насосы антарктических осьминогов поддерживают активность клеток при низких температурах.