Возможность гемоглобина крокодила связывать и удерживать кислород определяется не фосфатами, как у большинство позвоночных, а бикарбонатами. Это позволяет этим рептилиям оптимально использовать кислород и долгое время оставаться под водой. Чтобы выяснить, как появился такой белок, ученые реконструировали гемоглобин современных и древних крокодилов, а также архозавров. Оказалось, что его эффект обеспечивают не отдельные мутации, а их сложные комбинации.
Успех крокодила как высшего хищника заключается в его умении долго оставаться под водой, карауля свою жертву. Эту способность обеспечивает уникальная структура белка гемоглобина, который доставляет кислород из его легких в ткани с медленной, но постоянной скоростью. Уникальность крокодильего гемоглобина заставила ученых задаться вопросом, почему из всех позвоночных лишь этим рептилиям достался такой белок.
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи из Университета Небраски в Линкольне (США) воссоздали гемоглобин архозавра — последнего известного общего предка птиц и крокодилов, жившего 240 миллионов лет назад, а также общего предка современных крокодилов возрастом 80 миллионов лет. Оказалось, что такой уникальный гемоглобин появился лишь у крокодилов. Причем вместо нескольких ключевых аминокислотных замен его свойства обеспечивает 21 сложно взаимосвязанная мутация. Результаты исследования опубликованы в журнале Current Biology.
У большинства позвоночных способность гемоглобина захватывать и удерживать кислород определяется молекулами, известными как органические фосфаты. Именно они, присоединяясь к гемоглобину, заставляют его выпустить кислород. Однако у крокодилов и аллигаторов роль фосфатов играют бикарбонаты, образующиеся при распаде углекислого газа. Так как ткани в процессе жизнедеятельности производят много углекислого газа, образуется и бикарбонат. Его количество определяет то, как кислород будет распределен по организму, и гарантирует, что его получат ткани, которые больше всего в нем нуждаются.
Сравнение гемоглобинов архозавра и древнего крокодила помогло выявить изменения в аминокислотном составе белков. Чтобы проверить, какие из них имеют наибольшее значение, ученые добавляли определенные специфичные для крокодилов мутации в гемоглобин архозавра, и оценивали его функции.
Вопреки общепринятому мнению оказалось, что эволюционные изменения в реакции гемоглобина на бикарбонаты и фосфаты были вызваны различными наборами мутаций, так что усиление одного механизма не зависело от потери другого. Хотя нескольких аминокислотных замен было достаточно для исчезновения сайта связывания фосфатов, необходимо было множество других изменений, чтобы полностью устранить чувствительность гемоглобина к фосфатам. Примерно таким же образом две мутации, по-видимому, напрямую вызывают появление чувствительности к бикарбонату, но только другие белковые изменения позволили гемоглобину крокодилов стать настолько эффективным.
