Łosoś na dopingu – zastrzyk tlenu

Udało się odnaleźć jedno ze źródeł wyjątkowej wytrzymałości rybiego podróżnika. Zespół naukowców z Kanady opisał enzym wspomagający serce podczas długich okresów niedoboru tlenu.

Wyniki opublikowane w Journal of Experimental Biology wskazują na anhydrazę węglanową jako enzym dostarczający dodatkowy tlen do serca w czasie ekstremalnego wysiłku. Dla przykładu łosoś doświadcza takich warunków w czasie podróży na miejsce tarła. Wiele ryb ginie płynąc pod prąd rzeki. Częściej dochodzi do tego, gdy woda ma wyższą temperaturę, a co za tym idzie mniejszą zawartość tlenu. Według głównej autorki badania, osobniki z mniejszą ilością enzymu giną, zanim uda im się dotrzeć na miejsce tarła, co jest czynnikiem selekcyjnym.

Rybie serce różni się anatomicznie od serca ssaków. Istotna z punktu badania różnica dotyczy zasilania organu w tlen. Serce ssaka posiada naczynia wieńcowe, niezależny system zasilający jego mięśnie w tlen. U ryb nie są on obecne a wymiana gazowa zachodzi głównie z pomocą krwi, którą pompuje. W dodatku serce jest ostatnim elementem w systemie krążenia, przez który przechodzi oddtlenowana krew zanim trafi do skrzela.

Naczynie krwionośne łososia zapadnięte w kształt serca. Autor: Sarah Alderman

Według jednej z hipotez, u ryb znajduje się tkankowy system regulujący wydzielanie anhydrazy węglanowej do krwi. Dotychczas potwierdzono istnienie tego mechanizmu w mięśniach u pstrąga.

Aby zrozumieć jaki ma to sens, należy wspomnieć o efekcie Bohra. Upraszczając, czerwona krwinka jest biochemiczną maszynką sterowaną przez zakwaszenie swojego wnętrza i otoczenia. W momencie zakwaszania środowiska uwalnia tlen (zmniejsza się powinowactwo cząsteczki tlenu i cząsteczki hemoglobiny), a przy zmniejszeniu kwasowości tlen wiąże.

Fizjologicznym źródłem tego zakwaszenia w komórce jest CO2, który w obecności wody formuje kwas węglowy. Jest on jednak średnio reaktywny i reakcja przebiega zbyt powoli jak na potrzeby wymiany gazowej. Dlatego czerwone krwinki zawierają przyspieszacz reakcji – anhydrazę węglanową, która we wnętrzu komórki gwałtownie tworzy z CO2 kwas węglowy (katalizuje reakcję), który dalej dysocjuje i zakwasza środowisko jonami H+. Tu pojawia się mechanizm odkryty przez Bohra, czyli następuje uwolnienie tlenu z hemoglobiny. U ryb dodatkowo występuje efekt Roota - w obniżonym pH hemoglobina ma zmniejszoną pojemność przenoszenia tlenu. To przystosowanie służy między innymi do napełniania pęcherza pławnego i zasilania siatkówki w tlen.

Wracając do łososi – zespołowi naukowców z kanadyjskich uniwersytetów British Columbia i Guelph udało się zaprojektować doświadczenie i pokazać, że anhydraza węglanowa jest wydzielana do krwi w sercu ryby. Dodatkowy ładunek enzymu doprowadza, odwrotnie niż we wnętrzu krwinki, do gwałtownego przekształcenia jonów wodorowęglanowych w dwutlenek węgla. Ten wnika do czerwonej krwinki i jak opisano powyżej doprowadza do wyrzucenia pozostałego w nich tlenu. Który zasili serce.

Schemat A pokazuje normalne sprzężenia wymiany gazowej w erytrocycie, na schemacie B - sprzężenie zwrotne wywołane obecnością anhydrazy węglanowej (CA) w krwi (Rummer, Brauner 2011)

Sarah Alderman wraz z zespołem wybarwiła aktywny enzym za pomocą siarczku kobaltu w plasterkach serca o grubości 16 µm. Jego obecność potwierdzono w szeregu tkanek przedsionka i komory serca. Aktywność genu w tkankach w udało się zbadać za pomocą RT-PCR, którym można wykryć w komórkach efekty pracy aktywnych genów – mRNA, w tym wypadku genu izoenzymu anhydrazy węglanowej IV.

Na koniec wykonano doświadczenie polegające na podaniu do komory serca roztworu zawierającego CO2 i inhibitor działania enzymu. Spowodowało spadek szybkości reakcji zakwaszającej roztwór w porównaniu do kontroli. Potwierdziło to, że anhydraza węglanowa jest wydzielana z komórek serca do światła organu. Wykonanie ostatniego doświadczenia wymagało opracowania nowej metody wykorzystującej sondy pH cieńszej od ludzkiego włosa.

Jak deklarują autorzy, obecne badania idą w kierunku okeślenia, jak ten mechanizm jest wykorzystywany przez ryby w warunkach ekstremalnego wysiłku.

źródła:

Alderman, S. L., Harter, T. S., Wilson, J. M., Supuran, C. T., Farrell, A. P. and Brauner, C. J. (2016). Evidence for a plasma-accessible carbonic anhydrase in the lumen of salmon heart that may enhance oxygen delivery to the myocardium. J. Exp. Biol. 219, 719-724. doi:10.1242/jeb.130443

J. L. Rummer, C. J. Brauner (2011) Plasma-accessible carbonic anhydrase at the tissue of a teleost fish may greatly enhance oxygen delivery: in vitro evidence in rainbow trout, Oncorhynchus mykiss. J. Exp. Biol.  214: 2319-2328; doi: 10.1242/jeb.054049

jeb.biologists.org