Исследование раскрывает тайну гемоглобина крокодилов

Уникальная способность крокодилов часами оставаться под водой связана с их гемоглобином — белком, который, подобно наноскопическим аквалангам, медленно и стабильно доставляет кислород из легких к тканям.

В отличие от большинства позвоночных, где высвобождение кислорода из гемоглобина регулируется органическими фосфатами, у крокодилов эту роль взяла на себя молекула бикарбоната. Она образуется при распаде углекислого газа, который активно производят работающие ткани. Это создает сверхэффективную систему «медленного высвобождения», позволяющую максимально использовать запасы кислорода.

Ученые под руководством Джея Шторца из Университета Небраски решили выяснить, почему среди всех позвоночных только крокодилы развили такой оптимальный механизм. Они статистически реконструировали и «воскресили» в лаборатории гемоглобин архозавра — предка всех крокодилов и птиц, жившего 240 миллионов лет назад.

Исследование показало, что уникальные свойства гемоглобина крокодилов возникли не благодаря нескольким ключевым мутациям, как предполагалось ранее. Вместо этого потребовался комплекс из 21 взаимосвязанной мутации, разбросанной по сложной структуре белка.

Ключевые выводы:

• Изменения в чувствительности гемоглобина к бикарбонату и фосфатам были вызваны разными наборами мутаций. Потеря одной функции не была напрямую связана с обретением другой.
• Несколько мутаций достаточно, чтобы удалить сайты связывания фосфатов, но для полной потери чувствительности к фосфатам нужны множественные другие изменения.
• Две мутации напрямую влияют на появление чувствительности к бикарбонату, но только в сочетании с другими, малозаметными мутациями в удаленных участках гемоглобина.

Это демонстрирует, что комбинация мутаций может давать функциональные изменения, превосходящие сумму эффектов каждой по отдельности. Некоторые мутации, сами по себе не оказывающие видимого эффекта, могут подготавливать почву для других, имеющих прямое следствие.

«Когда у вас есть такие сложные взаимодействия, это говорит о том, что определенные эволюционные решения доступны только из определенных исходных предковых точек», — объясняет Джей Шторц.

Исследование также помогает понять, почему так сложно создать человеческий гемоглобин, имитирующий крокодилий. Простое введение «ключевых» мутаций в человеческий белок не сработает, так как необходимый результат достижим только в рамках конкретного структурного контекста, который сложился у предков крокодилов за миллионы лет.