Биохимики выяснили механизм возникновения красной окраски птиц
Биохимики из США и Португалии выяснили, как в клетках позвоночных желтые пигменты каротиноиды превращаются в красные кетокаротиноиды, ответственные за красную окраску некоторых позвоночных. Оказалось, что для этого превращения необходимы два фермента, а третий, вспомогательный, играет роль переносчика реагирующих молекул. Исследование опубликовано в журнале Current Biology.
Присутствие пигментов на основе каротина и его производных в клетках позвоночных приводит к возникновению окраски. Молекулы этих пигментов содержат длинные цепочки из атомов углерода, соединенных двойными связями. Благодаря этому энергия перехода электронов молекулы с одного энергетического уровня на другой небольшая, и видимого света достаточно для возникновения излучения. Причем каротиноиды обычно дают желтый цвет, а кетокаротиноиды, которые содержат несколько электроноакцепторных кето-групп в структуре молекулы, дают красные оттенки.
Обычно пигменты накапливаются в клетках покрова животных, но в случае птиц и рептилий еще и в колбочках сетчатки, которые ответственны за цветовое зрение этих животных. Причем исходные каротиноиды животные получают из пищи, а внутри клеток они превращаются в желтые ε,ε-каротиноиды и апокаротиноиды и красные кетокаротиноиды. При этом механизм превращения каротиноидов в апокаротиноиды ученые изучили, а про биосинтез кетокаротиноидов и ε,ε-каротиноидов до сих пор почти ничего не известно.
Биохимики под руководством Мэттью Туми (Matthew B. Toomey) из Университета Талсы решили изучить это превращение на примере птиц. В экспериментах они использовали клетки колбочек недавно вылупившихся банкивских джунглевых куриц (Gallus gallus). Сначала биохимики облучили колбочки монохроматическим светом и исследовали особенности их флуоресценции. Так ученым удалось выделить шесть разных типов колбочек. Причем в колбочках только одного из шести типов пигментов на основе каротина не было.
Далее ученые секвенировали РНК клеток колбочек и исследовали их транскриптом. Среди сотен разных генов биохимикам удалось выделить один (CYP2J19), чаще всего встречающийся в красных колбочках куриц. И чтобы выяснить, действительно ли найденный ген нужен для превращения каротиноидов в кетокаротиноиды, биохимики экспреccировали его в клетках млекопитающих (HEK293) с искусственно введенным в них каротиноидом зеоксантином. После инкубации в течение суток ученые измерили содержание разных пигментов в клетке с помощью жидкостной хроматографии и не обнаружили кетокаротиноида астаксантина, в который должен превращаться зеоксантин. Поэтому биохимики продолжили поиски ферментов, ответственных за превращения каротиноидов.
Среди ранее найденных генов ученые выделили еще два, ответственных за синтез ферментов оксидоредуктаз. Эксперименты по экспрессии этих генов в клетках млекопитающих показали, что кетокаротиноид астаксантин образуется только в случае, когда в клетке одновременно экспрессируются два гена — CYP2J19 и BDH1L. Причем функции фермента, который синтезируется в клетках благодаря BDH1L, ранее изучены не были. Так ученые смогли обнаружить два гена, необходимых для биосинтеза красных кетокаротиноидов.
Далее биохимики проанализировали транскриптом клеток перьевых фолликулов других птиц — бриллиантовой амадины (Stagonopleura guttata), красноголовой попугайной амадины (Erythrura psittacea), тростникового астрильда (Bathilda ruficauda) и золотого дятла (Colaptes auratus). Сравнение транскриптомов птиц с красным и оранжевым оперениями показало, что у красных птиц ген TTC39B экспрессируется в 10 раз активнее, чем у оранжевых. Ученые предполагают, что он нужен для транспортировки каротиноидов до места их превращения, и в его присутствии биосинтез красных кетокаротиноидов идет активнее.
В результате ученым удалось определить гены, ответственные за превращение красных кетокаротиноидов из желтых каротиноидов не только у птиц, но и у рыб, в клетках которых реализуется аналогичный процесс.
Иногда окраска животных помогает изучать их условия обитания. Например, ранее мы рассказывали о том, как с помощью изучения окраски ученые выяснили, что динозавр пситтакозавр (Psittacosaurus sp.) обитал в густом лесу.
Михаил Бойм
В результате получился дикатион
Химики из США и Германии впервые получили продукт двукратного окисления карбена с образованием дикатиона и исследовали его структуру и химические свойства. Он оказался очень сильной кислотой Льюиса и реагировал с основаниями Льюиса. Также ученым удалось восстановить полученный дикатион обратно до карбена. Исследование опубликовано в Nature. В большинстве органических соединений каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи с другими атомами — при этом выполняется правило октета, которое говорит о том, что атомы при образовании связей стремятся к заполнению своей валентной электронной оболочки 8 электронами. При этом существуют стабильные соединения — карбены, в которых углерод образует только две связи, а в его валентной оболочке всего 6 электронов. Чтобы карбен получился стабильным, рядом с секстетным углеродом (тем, у которого шесть электронов) должны располагаться доноры электронной плотности, способные восполнить дефицит электронов. Но недавно химикам под руководством Гая Бертранда (Guy Bertrand) из Калифорнийского университета в Сан-Диего удалось получить соединение, в структуре которого есть атом углерода со всего четырьмя электронами в валентном слое. Для этого они взяли стабильный карбен и смешали его последовательно с иодом и триметилсилоксидом натрия (NaOSiMe3), и в результате получили стабильное карбонильное соединение, в котором исходный карбеновый углерод был связан двойной связью с атомом кислорода. Далее, чтобы получить нужный дикатион, полученный продукт исследователи смешали с ангидридом трифторметансульфокислоты, способным перехватывать карбонильный атом кислорода. После окончания реакции химики выделили из реакционной смеси вещество белого цвета. Чтобы выяснить его структуру, химики зарегистрировали ЯМР-спектры его раствора. В результате выяснилось, что химические сдвиги сигналов в его углеродном ЯМР-спектре совпадают с рассчитанными для дикатионного продукта окисления карбена. Далее, чтобы окончательно подтвердить структуру вещества, химики провели рентгеноструктурный анализ его кристаллов. Он показал, что продукт — это ионное соединение, в котором роль катиона играет дважды окисленный карбен, а противоионом выступает трифторметансульфонат-анион. С полученным продуктом окисления химики провели несколько реакций. Во-первых, они показали, что его можно восстановить обратно до карбена с помощью комплекса простейшего борана с триэтиламином (BH3·NEt3). Также химики показали, что дикатион — очень сильная кислота Льюиса, легко образующая продукты с основаниями Льюиса, например, пиридином. Его основные свойства также проявились в реакции с диметоксиэтаном, в результате которой одна из метокси-групп реагента перешла на дикатионный центр. В результате химики впервые получили и охарактеризовали продукт двукратного окисления карбена. Структурно он представлял cобой дикатион с делокализованным по молекуле положительным зарядом. При этом рассчитанный с помощью теории функционала плотности заряд на центральном атоме углерода составил +0,73, а на концевых атомах углерода — по +0,56. Часто карбены не выделяют в чистом виде, а вводят в реакции с другими органическими соединениями. Об удобном способе генерации аналогов карбенов из альдегидов мы недавно рассказывали на N + 1.
