Nếu không có oxy, hầu hết động vật có xương sống chết trong vòng vài phút vì chúng không thể đáp ứng nhu cầu năng lượng tế bào với sự trao đổi khí. Tuy nhiên, cá thuộc chi Carassius (cá vàng) đã phát triển một hệ thống chuyển hóa chuyên biệt cho phép chúng tồn tại trong thời gian kéo dài mà không có oxy bằng cách sản xuất Ethanol làm sản phẩm cuối cùng.
Khi một động vật có xương sống bị thiếu oxy, không có khả năng đáp ứng nhu cầu và cung cấp ATP thường dẫn đến tử vong sau đó. Tuy nhiên, một vài động vật có xương sống đã phát triển các cơ chế để xử lý tình trạng thiếu oxy, cho phép chúng qua đông trong các ao nuôi bị đóng băng.
Đó là những cá thể cá thuộc chi Carassius, cá Chép (C. carassius) và cá vàng (C. auratus), có khả năng chống chịu cực tốt đối với nhiệt độ thấp và sống sót trong điều kiện không có oxy trong 4-5 tháng.
Các nghiên cứu tiên phong của Shoubridge và Hochachka cho thấy rằng sự thích ứng hoá học đối với độc tính ở chi Carassius phụ thuộc vào khả năng của các cơ xương của chúng để chuyển đổi axit lactic thành ethanol, có thể tự do khuếch tán qua các mang vào trong nước xung quanh, do đó tránh được acid lactic.
Tầm quan trọng của con đường ethanol này được nhấn mạnh bởi các quan sát được thực hiện trong cá chép thông thường (Cyprinus carpio), có khả năng chịu đựng tình trạng giảm oxy máu nghiêm trọng nhưng chết trong vòng vài giờ sau đó, có liên quan đến sự tích tụ lactat do không có khả năng sản xuất ethanol.
Ở đây nhóm nghiên cứu người Anh chỉ ra rằng điều này đã có thể thực hiện được nhờ sự phát triển của Decarboxylase pyruvate, tương tự như trong men bia và lần đầu tiên được mô tả trong động vật có xương sống. Sự kiện sao chép toàn bộ gen đã cung cấp các bản sao gen bổ sung của phức hợp pyruvate dehydrogenase multienzyme đã phát triển thành decarboxylase pyruvate, trong khi các bản sao khác giữ lại chức năng thiết yếu của các enzyme ban đầu. Họ tiết lộ sự thay thế phân tử then chốt trong các gen dehydrogenase pyruvate nhân đôi, làm cơ sở cho một trong những chiến lược sống còn quan trọng ở các động vật có xương sống đối với các điều kiện có hại nghiêm trọng.
Sự hình thành ethanol trong cơ xương ở Carassius sớm do phức hợp pyruvate dehydrogenase (PDHc) được cho là giải phóng acetaldehyde, và một dehydrogenase rượu (ADH) chuyển acetaldehyde thành ethanol.
PDHc là phức hợp đa phức được biết đến trong số các tế bào sinh sản (~ 9 MDa, tạo ra mối liên kết thiết yếu giữa con đường glycolytic và chu kỳ tricarboxylic acid (TCA). Nó bao gồm nhiều bản sao của ba thành phần xúc tác; Enzyme 1 (E1, pyruvate dehydrogenase, một tetramer 2α2β), Enzyme 2 (E2, dihydrolipoamide transacetylase) và Enzyme 3 (E3, dihydrolipoamide dehydrogenase, một homodimer). Các enzym này làm việc theo cách tuần tự, xúc tác chuyển đổi pyruvate thành acetyl-CoA qua kênh chất nền và một số bước trung gian bao gồm chuyển đổi pyruvate thành CO2 cộng với một nhóm axetyl bởi E1. Khi không có oxy, acetyl-CoA không thể chuyển hóa nữa khi chu trình TCA dừng lại, và trước đây có suy đoán cho rằng ở Carassius PDHc trở nên “bị rò rỉ” hoặc thậm chí phân chia một phần trong anoxia cho phép nhóm acetyl này được giải phóng như acetaldehyde.
Ở đây các nhà khoa học cung cấp bằng chứng cho thấy rằng ngoài một chất PDHc thông thường, Carassius còn có một enzyme E1 thay thế được kích hoạt trong quá trình oxy hóa và có chức năng như một decarboxylase pyruvate ở ty thể, tương tự như decarboxylase pyrosvate cytosolic trong men bia mà mọi người sử dụng.
Mô hình cho các tuyến đường chuyển hóa pyruvate ở Carassius.
Các loài Cyprinids như cá vàng từ lâu đã được nghiên cứu về tính độc tính của ethanol và mô hình nghiên cứu mới này nghiên cứu về sự dung nạp và nhạy cảm với rượu và hội chứng rượu có cồn. “Các thành viên của chi Carassius có thể chịu đựng tự nhiên với nồng độ ethanol trong mô tăng cao lên đến 7 μmol/g trong cơ đỏ khi thiếu máu đến 4-5 tháng, và chúng tôi cho rằng phát hiện này hứa hẹn như là một hệ thống mô hình để nghiên cứu các cơ chế phân tử bảo vệ chống lại tiếp xúc với ethanol lâu ngày ở người.” Một thành viên trong nhóm nghiên cứu cho biết.
Cuối cùng, sự tiến hóa của con đường tạo ra ethanol đã không chỉ làm cho cá vàng trở thành một vật nuôi được nuôi dưỡng tốt nhất dưới sự chăm sóc của con người, nhưng cũng đã cung cấp cho Carassius một cách rõ ràng các lợi ích sinh thái độc đáo, cho phép cá vàng tồn tại trong vùng nước không có oxy và các điều kiện cạnh tranh khóc liệt khác.
Theo https://www.nature.com/articles/s41598-017-07385-4