南極章魚(yú)在地球上最冷的海洋中生存而不會(huì)結(jié)冰。如何？

南極章魚(yú)生活在世界上最冷的水域，在那里溫度峰值在 10°C （50°F） 下，并經(jīng)常降至近 -2°C （28°F）。這些“冷血”生物如何在如此極端的情況下生存下來(lái)一直是一個(gè)謎。

古怪的章魚(yú)屬帕雷酮最近被發(fā)現(xiàn)用他們的三顆心泵送特殊類型的藍(lán)血在他們的身體周圍，即使在南極洲這樣的超冷環(huán)境中也為組織提供氧氣。

與許多其他物種相似生活在永久寒冷的水中，這些章魚(yú)似乎也有“冷適應(yīng)”酶，根據(jù)美國(guó)海洋生物實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)調(diào)查。

這些蛋白質(zhì)在一系列生化反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。在南極生物中，它們獨(dú)特的靈活性使它們即使在較低的溫度下也能發(fā)揮作用，而來(lái)自更溫帶章魚(yú)的酶減速 25%面對(duì)類似的極端。

可溶性酶 - 就像那些分解我們腸道中食物的酶 - 可以更容易地適應(yīng)不同的溫度，因?yàn)樗鼈儏⑴c特定的反應(yīng)。但并不是體內(nèi)所有的酶都能負(fù)擔(dān)得起這種靈活性。有些被吸入細(xì)胞膜，它們的“工作條件”要嚴(yán)格得多。

這些蛋白質(zhì)“泵”或通道將重要的離子帶入和帶出細(xì)胞，產(chǎn)生允許能量傳播的梯度。

那么這些特殊的酶是如何應(yīng)對(duì)南極洲的寒冷的呢？

來(lái)自波多黎各大學(xué)海洋生物實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)國(guó)家神經(jīng)疾病和中風(fēng)研究所的研究人員決定深入研究細(xì)節(jié)。

他們創(chuàng)建了兩個(gè)模型：一個(gè)基于在南極章魚(yú)中發(fā)現(xiàn)的鈉鉀泵酶（帕雷酮），另一個(gè)基于在溫帶物種中發(fā)現(xiàn)的相同泵，稱為雙斑章魚(yú)（雙斑章魚(yú)).

作者選擇了這種酶因?yàn)樗砸粋€(gè)三磷酸腺苷（ATP）分子為代價(jià)輸出三個(gè)鈉離子并進(jìn)口兩個(gè)鉀離子，而三磷酸腺苷是細(xì)胞能量的來(lái)源。這種交換對(duì)于細(xì)胞興奮性和溶質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)至關(guān)重要。

“由于其核心重要性，[鈉鉀泵]應(yīng)該受到強(qiáng)有力的選擇，以便在不同的熱環(huán)境中有效運(yùn)行，”作者說(shuō)。解釋.

正如研究小組所懷疑的那樣，南極泵在-1.8°C下的表現(xiàn)比溫帶泵更好。它對(duì)寒冷的內(nèi)在敏感性較低。

形成南極泵的構(gòu)建塊或氨基酸與溫帶章魚(yú)物種的構(gòu)建塊或氨基酸略有不同。

研究人員總共計(jì)算了南極氨基酸序列上的12個(gè)位置，其中突變似乎賦予了對(duì)寒冷的抵抗力。

通過(guò)一次將這些突變添加到模型中，研究人員發(fā)現(xiàn)，特別是三個(gè)突變共同作用，以提供泵的大部分耐寒性。

更重要的是，這些突變中的大多數(shù)位于泵和細(xì)胞膜其余部分之間的界面上。

在L314V位置的一個(gè)突變對(duì)該批次的影響最大。沒(méi)有它，泵不再在接近冰點(diǎn)的溫度下工作。

研究人員需要進(jìn)一步研究這種突變背后的細(xì)節(jié)，但可能是這個(gè)特定位置的這種不同氨基酸以某種方式為泵在細(xì)胞膜內(nèi)提供了額外的回旋余地。

來(lái)自美國(guó)國(guó)家神經(jīng)疾病和中風(fēng)研究所的生物物理學(xué)家Miguel Holmgren并不感到驚訝，蛋白質(zhì)和膜之間的界面將成為這種適應(yīng)的場(chǎng)所。

“這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是有道理的，”他說(shuō).

作者現(xiàn)在希望對(duì)南極洲章魚(yú)的蛋白質(zhì)泵如何保持細(xì)胞在寒冷的溫度下放電進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

該研究發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士.

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