У птиц развилась система восстановления крови, которой нет у млекопитающих

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что птицы способны превращать лактат — молекулу, долгое время считавшуюся продуктом метаболизма, — в топливо, восстанавливающее их кровь. Красные кровяные клетки птиц используют его для восстановления способности переносить кислород примерно в три раза быстрее, чем это могут сделать клетки млекопитающих.

Результат показывает, что есть польза от того, что птицы сохраняли, а млекопитающие отбрасывали. Красные кровяные клетки млекопитающих теряют свой внутренний механизм по мере созревания, в то время как у птиц он сохраняется, и это различие позволяет им гораздо быстрее восстанавливать поврежденную кровь.

По мере созревания эритроциты млекопитающих выталкивают свое ядро и митохондрии — крошечные структуры, обеспечивающие энергией большинство клеток. Это оставляет больше места внутри для гемоглобина, белка, переносящего кислород. Биологи давно считают это эффективной конструкцией.

У птиц все наоборот. Их красные кровяные клетки остаются наполненными ядрами и функционирующими митохондриями на протяжении всей жизни, и никто не мог до конца объяснить, почему птица носит с собой этот, казалось бы, багаж.

«Это открытие имеет смысл как защитный механизм у птиц», — объясняет ведущий автор исследования Ии Ян из Оклендского университета в Новой Зеландии.

Лактат имел свою дурную репутацию. Поколения спортсменов и физиологов обвиняли его в жжении в уставших мышцах и считали тупиком интенсивных тренировок. Это мнение начало меняться десятилетия назад. Исследования, проводившиеся еще в 1970-х годах, показали, что организм сжигает лактат в качестве топлива и перераспределяет его между органами.

В настоящее время в ходе обширного обзора лактат рассматривается как сигнальная молекула, от которой зависят ткани. Кровь переносит кислород с помощью гемоглобина, а гемоглобин — хрупкий орган. Кислород и железо внутри клетки постоянно подталкивают его к разрушению, превращая в метгемоглобин.

Поврежденная форма эритроцита плохо удерживает кислород и снижает его транспортную способность при накоплении. Следовательно, каждый эритроцит должен постоянно восстанавливать поврежденный участок крови.

Проблема обостряется при окислительном стрессе — химическом износе, возникающем при интенсивном сжигании кислорода, — именно в такое состояние доводит свое тело летающая птица. Такое давление повышает ставки в вопросе контроля уровня метгемоглобина. «У людей уровень метгемоглобина составляет 3-4 процента. Для млекопитающих это вполне приемлемо», — сказал Ян.

Птицы, которые в полёте задействуют свои тела гораздо больше ресурсов, не могут позволить себе даже эту небольшую часть веса подняться в воздух.

Команда Ян обнаружила, что лактат питает этот процесс восстановления. Фермент расщепляет лактат на два продукта. Меньший из них непосредственно восстанавливает структуру, превращая метгемоглобин обратно в функциональный гемоглобин. Другой продукт — пируват.

Проблема в том, что пируват должен куда-то деваться. Если он накапливается, вся реакция останавливается. Именно здесь митохондрии и выполняют свою функцию – они сжигают пируват, чтобы процесс восстановления мог продолжаться.

Для наблюдения за этим потребовалась специальная установка. Команда поместила эритроциты цыплят и крыс в герметичную камеру и отслеживала, сколько кислорода сжигали клетки при подаче различных видов топлива.

Затем исследователи воздействовали на клетки крови химическими веществами, которые заставляют гемоглобин переходить в разрушенную форму. Такая установка позволила им напрямую сравнить два вида.

В отдельной статье уже было показано, как этот химический износ выталкивает метгемоглобин вверх по крови птиц и почему сохранение целостности гемоглобина является первостепенной задачей.

Когда оба вида столкнулись с одинаковой атакой, куры вырвались вперед. Их клетки крови превращали метгемоглобин обратно в гемоглобин примерно в три раза быстрее, чем клетки крыс. Частично это различие объясняется особенностями самого фермента. В клетках цыплят используется версия, обычно встречающаяся в сердечной мышце, которая лучше расщепляет лактат, тогда как у крыс используется форма, адаптированная для скелетных мышц.

Наибольший сюрприз заключался в митохондриях. Их наличие должно быть обременительным, поскольку они увеличивают размер красных кровяных клеток, что может замедлить доставку кислорода.

«На первый взгляд, сохранение митохондрий может показаться рискованным для эритроцитов птиц, поскольку митохондрии приводят к увеличению размеров клеток, что может повлиять на доставку кислорода», — говорит Ян.

Однако, по всей видимости, именно митохондрии позволяют птицам удалять пируват, который в противном случае замедлил бы процесс восстановления, превращая предполагаемый недостаток в преимущество.

Намеки на то, что содержащие митохондрии клетки крови могут использовать лактат, восходят к отдельным исследованиям 1970-х годов, но этот путь оставался неизученным. Никто его не отслеживал. Это исследование впервые демонстрирует, как эритроциты птиц используют свои митохондрии для защиты своего снабжения кислородом.

Это поднимает более широкий вопрос о остальном животном царстве. Другие хладнокровные позвоночные, которые никогда не избавлялись от этих органелл, могут использовать тот же прием, и команда Янга сейчас ищет его у других видов.

Возможно, это применение может распространиться и на медицину человека, несмотря на то, что в наших собственных красных кровяных клетках отсутствуют митохондрии. «Хотя у большинства млекопитающих в эритроцитах нет митохондрий, в других клетках они есть», - поясняет Ян.

Иммунные клетки и тромбоциты сохраняют свои запасы, и более четкое понимание того, как лактат способствует восстановлению, может помочь врачам в подходах к восстановлению поврежденных тканей.

На данный момент наиболее очевидный вывод касается самого лактата. Молекула, которую долгое время считали отходами, на самом деле является топливом, которое птицы используют для восстановления собственной крови.

В этом свете клетки, которые когда-то считались менее эффективными, чем клетки крови млекопитающих, выглядят на удивление хорошо приспособленными.