Zlatá rybka alias karas zlatý patří spolu s karasem obecným, na němž byl objev učiněn, do stejného rodu. Kredit: Bjwebb, English Wikipedia, volné dílo)

Abychom si u nás na Oslu rozuměli, co že to vlastně v Oslu na univerzitě zkoumali, bude dobré předeslat, že řeč je o čeledi kaprovití (Cyprinidae), rodu karas (Carassius). Dnešní povídání je o rybím rodu, kam patří i rybky, kterým v různě barevných mutacích děti a akvaristé říkají zlatá rybka. S vědomím toho, že u těch "skutečně zlatých" jde o odišnou linii karase, používáme v našem článku  stejnou nadsázku, jako autoři objevu, kteří svým karasům něžně přezdívají "naše zlaté rybky".

Mořská voda je slaná, a proto nemrzne ani pod bodem mrazu. Jenže ani mořské ryby nemají soli v těle dost na to, aby nezmrzly. Protože je sůl ve větším množství toxická, ledviny jí i rybám z těla vylučují. Proto trosečníci, když vymačkají a pijí vodu z ryb, mají šanci přežít. Nejspíš všichni víme, že si ryby v chladných vodách vyrábějí něco, o čem se píše jako o "fridexu". Nemrznoucí kapalině, kterou si u svých plechových miláčků dáváme do chladiče. Chemicky to je etylenglykol a tedy alkohol. Jenže základem rybího fridexu je protein, který si tvoří ve slinivce břišní (pankreasu). Jednak to není žádná novinka, nejde tu  o alkohol a nám dnes ani o mořské ryby nejde, tak se tím dál zabývat nebudeme.

Cathrine Elisabeth Fagernes,

první autorka studie, University of Oslo

Do minulého týdne bylo záhadou, jak to některé ryby dělají, že přežijí i pod silnou vrstvou ledu. Nejde tu o problém teploty pod bodem mrazu, protože voda hluboko u dna ani ve vodách sladkých nemrzne. Ryby tam mají jiný problém. Známe ho i z našich končin. Když se na rybnících vytvoří silný led, rybáři vezmou motorovky a jdou  led "vysekávat". To aby se rybám voda alespoň trošku okysličila. V nehybné vodě severských jezer nikdo nic takového nedělá. Mnohdy je tam metr silný led, hladina nerozmrzá někdy půl roku. A k tomu je po celou tu dobu voda u dna bez pohybu. Problém s kyslíkem je tím doveden do extrému - prakticky tam žádný není.

Zatímco my lidé a většina obratlovců, včetně ryb mořských,  během několika minut bez kyslíku zmíráme, karasi dokážou nemožné - žít bez kyslíku nejen dny, ale i čtyři až pět měsíců.

Jak to, že se "nezadusí"?

Protože ono ani tak nejde o zadušení, jako spíš o otravu. Laicky řečeno, když to není palička, tak to, co našeho vánočního kapara připraví o radost ze života, je otrava. Ne, že by se tolik nudil, naopak. Tím, jak ho nutíme se pohybovat v prostředí, kde je nedostatek kyslíku, nezvládá se zbavit přebytku svaly produkovaného laktátu (kyseliny mléčné) a jeho metabolitů.

Teorie (možno přeskočit)

Kapr (Cyprinus carpio) je karasům blízký příbuzný. I on je k těžké hypoxii rezistentní. Na rozdíl od karase ale při anoxii během několika hodin umírá.  Kredit: Jina Lee, Wikipedia, CC BY-SA 3.0

V tělech karasů se pyruvát z glykolýzy přeměňuje na acetylkoenzym (acetyl-CoA)  pomocí  pyruvátdehydrogenázového komplexu (PDHc) k dalšímu metabolickému zpracování  v TCA cyklu . To je běžné a děje se tak, pokud mají tkáně dost kyslíku. V časech na kyslík hubených  zvaných anoxie, umí pyruvát, potažmo rozkladný produkt, za pomoci předělané alkohol dehydrogenázy, která získala funkci dekarboxylázy, převádět  acetaldehyd v cytoplazmě buněk na etanol. Ten se pak přes buněčnou membránu z těla vyloučí. 

Alternativní metabolická dráha vypořádání se s laktátem, bez přítomnosti kyslíku se tvoří alkohol. Kredit: Fagernes et al.,2017)

Karasi byli z obratlovců, asi první, kdo přišel na to, že když se umí vyrobit alkohol, že se tak dá lecjaká nepřízeň osudu v životě překonat. Rybí metoda výroby alkoholu za využití dekarboxyláz v přírodě až takovou zvláštností není. Podobně to dělají i obyčejné  pivovarské kvasinky. I ty se ale k takovému podniku uchylují jen z donucení. Že by k podobnému řešení, jako měly kvasinky, dospěl i nějaký obratlovec, to věru zatím nikdo nepředpokládal.

Je to jednoduché. Vezmeš ADH8a. Tím pak acetaldehyd, původem z laktátu, přetransformuješ na etanol. (Kredit obrázku: Státní nakladatelství dětské knihy 1950)

I naše rybka to neuměla hned a dlouho jí trvalo, než se ke svým schopnostem dopracovala. Stalo se tak až poté, co jí někdy před 8 miliony let postihla celogenomová duplikace. Teprve tehdy si karas se svou rezervní sadou genů mohl dovolit experimentovat. Nějakým šťastným řízením osudu se mu v pyruvát dehydrogenázovém systému podařilo vytvořit onu zmíněnou pyruvát dekarboxylázovou funkci, přičemž mu v  základní sadě genů zůstaly zachovány normální funkce výchozího nastavení enzymů. Že tomu tak bylo, rybku usvědčují molekulární změny v duplikovaných genech pro zmíněnou pyruvát dehydrogenázu.

Ať už ale rybka opisovala u kvasnic, nebo na všechno přišla sama, zůstává zatím jediným z obratlovců, co si něco takového osvojil a co mu umožňuje vypořádat se i s těmi  nejextrémnějšími podmínkami, kterým odborníci říkají anoxické. Hladina alkoholu rybce dosahuje 50 mg na 100 mililitrů, za což by jí ti, kteří pomáhají a chrání, vzali řidičák.

Ale ani se speciální proteinovou výbavou není pro rybku přežití severských zim procházka růžovou zahradou. Musí hodně přemýšlet. Ani na chvilku nesmí zapomenout myslet na to, co odpoví, až se jí zima zeptá, co dělala v létě.  Zatímco víc na jihu se tu a tam mohou oddávat lenošení, seveřanky musí být jako včeličky a držet bodovou dietu - neustále slídit, kde by co zbodly. Výsledkem pak je, že na podzim mají karasi játra jako cyrhotik - obrovská a plná glykogenu. Odměnou jim je, že když pak dojde na lámání chleba, mohou si dovolit výše popsané energeticky nešetrné zbavování se laktátu jeho transformací na alkohol. Jak a co se děje v mitochondriích a co v cytoplazmě svalových buněk, názorně ukazuje obrázek vlevo nahoře.

Další podrobnosti, které rybka našim rybářům z Oslo vyjevila, jsou podrobně popsány zde:

Cathrine E. Fagernes et al, Extreme anoxia tolerance in crucian carp and goldfish through neofunctionalization of duplicated genes creating a new ethanol-producing pyruvate decarboxylase pathway, Scientific Reports (2017). DOI: 10.1038/s41598-017-07385-4

Suplements
Podání příběhu ve znění z roku 1833 z pera  A. S. Puškina: