Czy można żyć bez hemoglobiny?

Pisałem już, jak ludzie żyjący na dużych wysokościach w Himalajach lub Andach przystosowali się do życia w środowisku, gdzie tlenu jest mało. Kluczem do tego przystosowania jest hemoglobina, białko, które przenosi tlen z płuc do tkanek. Wydawałoby się więc, że nie ma życia bez hemoglobiny: każdy kręgowiec ją produkuje. Ale są wyjątki: niektóre antarktyczne ryby nie mają hemoglobiny, a żyją zupełnie normalnie. Dlaczego?

Bielankowate, czyli ryby bez hemoglobiny

Rodzina Channichthyidae (bielankowate, białokrwiste); rząd: okoniokształtne (Perciformes), podrząd: nototeniowate (Notothenioidei) liczy 16 gatunków. Są to jedyne kręgowce pozbawione hemoglobiny. Żyją w Oceanie Południowym (czyli morzu okalającym Antarktydę). Dorastają do 75 cm. Do tej rodziny należy m.in. znana nam ze smażalni kergulena (Ryc. 1).

Ryc. 1. Kergulena, bielanka kerguleńska (Champsocephalus gunnari). Autor: C.T. Regan (1913). Domena publiczna.

Ocean Południowy: trudne miejsce do życia

Ocean Południowy, zwany też Antarktycznym, rozpościera się od wybrzeża Antarktydy do równoleżnika 60o. Jest głęboki na 4000-5000 m, z nielicznymi płytszymi miejscami. Wody Oceanu Południowego są najzimniejsze na Ziemi: od 1,5oC pod powierzchnią wody, do -2,1oC. Woda nie zamarza z powodu wysokiej zawartości soli.

Stałym elementem Oceanu Południowego jest Prąd Wiatrów Zachodnich, najsilniejszy prąd morski na Ziemi. Powoduje przepływ wody wokół Antarktydy z zachodu na wschód, czyli zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara (patrząc od strony bieguna południowego). Transportuje co najmniej 100 milionów m3 wody na sekundę. Prąd stabilizuje cały klimat Ziemi, jednocześnie izolując Antarktykę przed dopływem ciepłych wód z północy. Ponieważ w tym rejonie wieją najsilniejsze wiatry na Ziemi (do 300 km/h), które mogą generować fale o wysokości do 25 m, żeglowanie jest trudne i niebezpieczne (Ryc. 2).

Ryc. 2. Prąd Wiatrów Zachodnich. Źródło: NASA, domena publiczna.

Antifreeze, czyli rybie Borygo

Mimo to wiele gatunków przystosowało się do życia w takich warunkach. Co robić, kiedy temperatura wody spada poniżej 0oC? To (dosłownie) może mrozić krew w żyłach. Ryby z podrzędu Notothenioidei, do których należą bielankowate, produkują duże ilości białek o zbiorczej nazwie antifreeze. Są to odpowiedniki płynu Borygo w chłodnicy samochodu, ponieważ hamują krystalizację wody, czyli zamianę wody w lód. Wiążą się też do błon komórkowych i chronią ją przed uszkodzeniem przez kryształki lodu. Wiele ryb produkuje takie białka, ale u bielankowatych liczba genów, które je kodują (140) jest znacznie wyższa niż u innych ryb (nie więcej niż 30) (Ryc. 3).

Ryc. 3. Struktura białka antifreeze z flądry Pseudopleuronectes americanus. Źródło: RCSB PDB, numer 4KE2.

Hemoglobina i jej brak

Ale najciekawszy jest brak hemoglobiny. Krew bielankowatych jest bezbarwna i pozbawiona  krwinek, a w ich mięśniach nie ma mioglobiny (stąd nazwa). Taka krew może przenosić tylko ok. 10% tlenu w porównaniu z krwią ryb „czerwonokrwistych”. Ponieważ w niskich temperaturach tlen dobrze rozpuszcza się w wodzie, ryby są w stanie przeżyć (Ryc. 4).

Ryc. 4. Krew Chaenocephalus aceratus z rodziny bielankowatych (z lewej) i „czerwonokrwistej” ryby Notothenia coriiceps. Źródło: Joshua T. Butcher i współpr., Free Rad. Biol. Med. 2014, 73: 136-142. Licencja  CC-BY-NC-ND.

Krew bielankowatych przenosi mało tlenu, więc logiczne jest, że jej objętość jest kilkukrotnie większa niż u innych ryb o porównywalnej wielkości. Większe też jest serce i naczynia krwionośne. Bardziej wydajna praca łańcucha oddechowego (który generuje ATP) wiąże się z większą liczbą mitochondriów. Tak duże serce zużywa ok. 20% energii całego organizmu; u „czerwonokrwistych” ryb jest to nie więcej niż 5%.

Bielankowate oszczędzają energię mało się ruszając, a żywią się innymi rybami oraz krylem (pisał o nim ostatnio Piotr Gąsiorowski).

Największa na świecie kolonia ryb

Niedawno u wybrzeża Antarktydy odkryto ogromną kolonię ryb Neopagetopsis ionah (rodzina: bielankowate). Na głębokości 500 m było ok. 60 milionów gniazd. W każdym gnieździe było przeciętnie 1700 jaj, i każde było strzeżone przez jedną rybę. Powierzchnia kolonii wynosiła ok. 240 km2 (Ryc. 5).

Ryc. 5. Kolonia ryb Neopagetopsis ionah na głębokości 500 m. Źródło: Purser A i współpr., Curr. Biol. 2022, 32:842-850. Licencja  CC-BY-NC-ND

Genom bielankowatych

Jakie zmiany zaszły w genomie bielankowatych? U większości kręgowców homoglobina składa się z dwóch podjednostek o nazwie α i β, które są kodowane przez geny hba i hbb. Analiza genomu przedstawiciela tej rodziny wykazała, ze gen hbb zanikł zupełnie, a gen hba istnieje tylko w postaci fragmentu. Zaniknęły też geny kodujące białka obecne w krwinkach (np. spektryna), a także gen kodujący haptoglobinę, która u wszystkich innych kręgowców wiąże wolną hemoglobinę, co zapobiega utracie żelaza z moczem.

Bielankowate są bardziej niż inne ryby podatne na stres oksydacyjny związany z wytwarzaniem reakcyjnych form tlenu (ROS), czyli wolnych rodników. Żeby się przed nimi chronić, liczba niektórych genów kodujących białka związane z unieszkodliwianiem takich związków uległa zwiększeniu. Przykładowo, bielankowate mają 5 genów sod kodujących dysmutazę ponadtlenkową (inne ryby mają 3). Liczba genów nqo (dehydrogenaza NADP(H):chinon(1)) to 33 u bielankowatych i 2-10 u innych ryb.

Co wspólnego mają bielankowate z ludzkim układem grupowym krwi Scianna?

U ryb bielankowatych nie ma genu bty, który jest rybim homologiem (czyli odpowiednikiem) ludzkiego genu ERMAP. U człowieka gen ten koduje białko związane z błoną erytroblastów (czyli prekursorów krwinek) o nazwie erythroblast membrane-associated protein (ERMAP). Białko to wydaje się odgrywać rolę w tworzeniu krwinek w szpiku, nie dziwi więc brak jego homologu u bielankowatych. U człowieka białko to jest nosicielem antygenów układu grupowego Scianna (Sc). Większość ludzi ma antygen SC1, a ok. 0,01% ma antygen SC2. Różnica to jedna reszta aminokwasowa (glicyna lub arginina w pozycji 57). Jest też rzadki fenotyp Scianna(null), gdzie białko ERMAP w ogóle nie jest obecne. Teoretycznie powinno to powodować brak krwinek, podobnie jak u bielankowatych (ewentualnie anemię), ale takie osoby są całkiem zdrowe. Być może inne białka przejmują jego funkcję? Fenotyp ten jest niezwykły rzadki w Europie, ale dość częsty w Papui-Nowej Gwinei. Dlaczego? Nie wiadomo.

Dlaczego hemoglobina zaniknęła u bielankowatych?

Wydaje się, że główną przyczyną był niski poziom żelaza w wodach Oceanu Południowego. Żelazo jest koniecznie potrzebne do życia, ponieważ wchodzi w skład wielu enzymów, a przede wszystkim hemu. Ok. 70% żelaza w organizmach kręgowców znajduje się w krwinkach. Skoro można przeżyć bez hemoglobiny, i w ten sposób oszczędzać żelazo, to dlaczego nie skorzystać z okazji?

Kiedy bielankowate mogły stracić zdolność do produkcji hemoglobiny? Ocean Południowy ochłodził się do dzisiejszej temperatury ok. 6 milionów lat temu. Ale 8 milionów lat temu temperatura wody nie była już wyższa niż 5oC, i to mniej więcej wtedy mogły mieć miejsce pierwsze mutacje w genach kodujących hemoglobinę i inne białka związane z transportem tlenu. Proces ten musiał być stopniowy, bo najbliżsi krewni bielankowatych, czyli nototeniowate (np. Notothenia coriiceps) są w stanie przeżyć obniżenie hematokrytu (czyli stosunek objętości krwinek do objętości pełnej krwi) z 40% do 5%. Inny przedstawiciel tej rodziny, trematoma lodowa (Pseudotrematomus bernacchii), może mieć 95%  karboksyhemoglobiny, czyli hemoglobiny związanej z tlenkiem węgla. U człowieka 40% to wielkość śmiertelna (pisał o tym Mirosław Dworniczak). Tak więc wydaje się, że ryby Oceanu Południowego stopniowo uzyskiwały zdolność do życia bez hemoglobiny. Zmianom tym sprzyjały niska temperatura wody i niskie stężenie żelaza w wodzie.

Literatura dodatkowa

Genom ryb bielankowatych

https://www.nature.com/articles/s41559-019-0812-7

Brak żelaza jako czynnik wymuszający brak hemoglobiny

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2019.01389/full

Utrata hemoglobiny u bielankowatych

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378111902006911?via%3Dihub

Największa na świecie kolonia ryb

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982221016985

7 thoughts on “Czy można żyć bez hemoglobiny?

  1. Ogromnie ciekawy artykuł, dziękuję!
    Być może pytanie z nieco podobnej beczki – dlaczego mięśnie wielu ryb naszego klimatu są zupełnie białe?

    • Dziękuję za miłe uwagi:). Są dwa rodzaje włókien mięśniowych: slow twitch (ST), czyli wolno kurczące, i fast twitch (FT), czyli szybkokurczące. ST mają dużo naczyń krwionośnych, dużo mioglobiny i bazują na tlenowym metabolizmie. Kurczą się wolniej niż FT, ale mogą działać długo. FT mają mało naczyń krwionośnych, mało mioglobiny, a ich metabolizm to głównie glikoliza beztlenowa. Włókna ST mają ciemny (tj. bardziej czerwony) kolor, a FR – jasny. U ssaków oba rodzaje włókien są wymieszane, ale u ryb występują osobno, przy czym ST są przeważnie bliżej szkieletu. Myślę że w czasie przyrządzania ryb, a także produkcji filetów, pozbywamy się większości włókien ST, co może stwarzać wrażenie, że mięśnie są białe.

  2. Fascynujące. Tylko te fale o wysokości 150m bym zweryfikował. Cos SF zapachniało.

  3. Racja, takich nie może być! Science pisze że największe miały 25 m. Poprawiłem:).

    2
    • Si. Polecam książkę Francuza Colesa: “Żeglowanie w warunkach sztormowych” Fachowe dzieło, napisane szalenie barwnie i rzeczowo. A te “freak waves” to mamy ostrzeżenia obecnie z fotek satelitarnych, gdyż największe fale są widoczne z orbity 🙂

      1
      • Czytałem. I cieszyłem się, że byłem żeglarzem szuwarowo-bagiennym.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *