Producția de specii reactive de oxigen în microalge marine - Reactive oxygen species production in marine microalgae

Toate celulele vii produc specii reactive de oxigen (ROS) ca produs secundar al metabolismului. ROS sunt intermediari reduși de oxigen care includ radicalul superoxid (O 2 - ) și radicalul hidroxil (OH •), precum și specia non-radicală peroxid de hidrogen (H 2 O 2 ). Aceste ROS sunt importante în funcționarea normală a celulelor, joacă un rol în transducția semnalului și în exprimarea factorilor de transcripție. Cu toate acestea, atunci când este prezent în exces, ROS poate provoca daune proteinelor, lipidelor și ADN-ului prin reacția cu aceste biomolecule pentru a modifica sau distruge funcția lor intenționată. De exemplu, apariția ROS a fost legată de procesul de îmbătrânire la om, precum și de alte câteva boli, inclusiv Alzheimer , artrita reumatoidă , Parkinson și unele tipuri de cancer. Potențialul lor de deteriorare face, de asemenea, speciile reactive de oxigen utile în protecția directă împotriva agenților patogeni invadatori, ca răspuns de apărare la vătămarea fizică și ca mecanism de oprire a răspândirii bacteriilor și virusurilor prin inducerea morții celulare programate .

Speciile reactive de oxigen sunt prezente în concentrații scăzute în apa de mare și sunt produse în principal prin fotoliza materiei organice și anorganice. Cu toate acestea, producția biologică de ROS, generată prin fotosinteza algelor și ulterior „scursă” în mediu, poate contribui semnificativ la concentrațiile din coloana de apă. Deși există foarte puține informații despre generarea biologică a ROS în apele marine de suprafață, s-a demonstrat recent că mai multe specii de fitoplancton marin eliberează cantități semnificative de ROS în mediu. Acest ROS are potențialul de a dăuna organismelor din apropiere și, de fapt, a fost implicat ca fiind cauza peștilor masivi, a bacteriilor și a mortalității protiste.

Fundal chimic

În apa de mare, ROS poate fi generat prin procese abiotice, precum și prin procese biotice, printre care se numără radioliza și fotoliza moleculelor de apă și respirația celulară. Conform unui model propus de Fan pentru predicția ROS în apele de suprafață, biochimia mediată de fitoplancton poate fi la fel de importantă pentru producerea ROS ca fotochimia. ROS biologic este adesea sintetizat în membranele mitocondriale, precum și în reticulul endoplasmatic al animalelor, plantelor și al unor bacterii. În plus, cloroplastele și organele peroxizomi și gliozizomi sunt, de asemenea, site-uri pentru generarea ROS. ROS cel mai probabil eliberate în mediu sunt cele produse la suprafața celulei pe măsură ce electronii se „scurg” din lanțul respirator și reacționează cu oxigenul molecular, O 2 . Produsele acestei reduceri ulterioare a oxigenului molecular sunt cele denumite specii reactive de oxigen. Astfel, producția de ROS este în proporție directă cu concentrația de O 2 din sistem, cu creșteri de O 2 ducând la o producție mai mare de ROS. Există trei specii principale de oxigen reactiv: anionul superoxid (O 2 - ), peroxidul de hidrogen (H 2 O 2 ) și radicalul hidroxil (OH •). Anionul superoxid se formează direct din reducerea cu un singur electron a oxigenului molecular. Apoi, peroxidul de hidrogen este format din disproporționarea anionului superoxid. Această reacție apare foarte repede în apa de mare. Apoi, reducerea peroxidului de hidrogen produce radicalul hidroxil, H 2 O 2 ↔ 2OH •, care poate fi apoi redus la ionul hidroxil și apă. Cu toate acestea, prezența speciilor reactive de oxigen în sistemele marine este greu de detectat și măsurat cu precizie, din mai multe motive. În primul rând, concentrațiile ROS sunt în general scăzute (nanomoli) în apa de mare. În al doilea rând, pot reacționa cu alte molecule greu de identificat care apar în cantități mici, rezultând produse necunoscute. În cele din urmă, acestea sunt (în cea mai mare parte) intermediare tranzitorii, având o durată de viață de până la microsecunde.

Producția de superoxid

Potrivit lui Blough & Zepp, superoxidul este una dintre speciile de oxigen reactiv cel mai greu de cuantificat, deoarece este prezent în concentrații scăzute: 2 × 10 −12 M în oceanul deschis și până la 2 × 10 −10 M în zonele costiere. Principalele surse de superoxid biologic din ocean provin din reducerea oxigenului la suprafața celulei și a metaboliților eliberați în apă. În sistemele marine, superoxidul acționează cel mai adesea ca un reductor cu un singur electron, dar poate servi și ca oxidant și poate crește ratele de oxidare în mod normal lente ale compușilor din mediu. Superoxidul este foarte instabil, între 50 și 80% din concentrația sa de anioni disproporționându-se spontan față de peroxidul de hidrogen. La vârf, această reacție are loc cu o rată constantă de ordinul 2,2 × 10 4 - 4,5 × 10 5 L mol −1 sec −1 în apa de mare. Dismutarea superoxidului în peroxidul de hidrogen poate fi, de asemenea, catalizată de enzima antioxidantă superoxid dismutază cu o constantă de viteză de ordinul 2 × 10 9 L mol −1 sec −1 . Ca rezultat al acestor procese cu acțiune rapidă, concentrația stării de echilibru a superoxidului este foarte mică. Deoarece superoxidul este, de asemenea, moderat reactiv față de urme de metale și materii organice dizolvate, se crede că orice superoxid rămas este eliminat din coloana de apă prin reacții cu aceste specii. Ca rezultat, prezența superoxidului în apele de suprafață a fost cunoscută ca rezultând o creștere a fierului redus. Acest lucru, la rândul său, servește pentru a spori disponibilitatea fierului la fitoplancton a cărui creștere este adesea limitată de acest nutrient cheie. Ca specie radicală încărcată, este puțin probabil ca superoxidul să afecteze în mod semnificativ funcția celulară a unui organism, deoarece nu este capabil să difuzeze cu ușurință prin membrana celulară. În schimb, toxicitatea sa potențială constă în capacitatea sa de a reacționa cu proteinele extracelulare sau cu carbohidrații de suprafață pentru a-și dezactiva funcțiile. Deși durata sa de viață este destul de scurtă (aproximativ 50 de microsecunde), superoxidul are potențialul de a ajunge la suprafețele celulare, deoarece are o distanță de difuzie de aproximativ 320 nm.

Producerea de peroxid de hidrogen

Produsul de reducere al superoxidului este peroxidul de hidrogen, una dintre cele mai studiate specii reactive de oxigen, deoarece apare în concentrații relativ ridicate, este relativ stabil și este destul de ușor de măsurat. Se crede că fotosinteza algelor este unul dintre modurile majore de producere a peroxidului de hidrogen, în timp ce producția de H 2 O 2 de către organismele stresate este o sursă secundară. În sistemele marine, peroxidul de hidrogen (H 2 O 2 ) există la concentrații de 10 −8 -10 −9 M în zona fotică, dar a fost găsit în concentrații duble decât cele din părți ale Oceanului Atlantic. Durata sa de viață, variind de la ore la zile în apele de coastă, poate dura până la 15 zile în apa de mare din Antarctica. H 2 O 2 este importantă în mediul acvatic , deoarece se poate oxida materia organica dizolvata si afecteaza chimia redox de fier, cupru și mangan. Deoarece peroxidul de hidrogen, ca moleculă neîncărcată, se difuzează ușor între membranele biologice, poate deteriora direct constituenții celulari (ADN și enzime), reacționând cu aceștia și dezactivând funcțiile acestora. În plus, peroxidul de hidrogen se reduce la radicalul hidroxil, cel mai reactiv și cel cu cea mai mare posibilitate de deteriorare.

Producerea radicalilor hidroxilici

Chiar dacă radicalii superoxid și peroxid de hidrogen sunt toxici în sine, ei devin potențial mai toxici atunci când interacționează pentru a forma radicalul hidroxil (OH •). Acest lucru se desfășoară prin reacția Haber – Weiss catalizată de fier și cupru : O 2 - + Fe 3+ ↔ O 2 + Fe 2+ H 2 O 2 + Fe 2+ ↔ Fe 3+ + OH • + OH -

Deoarece fierul și cuprul sunt prezente în apele de coastă, radicalul hidroxil ar putea fi format prin reacții cu oricare dintre ele și, de fapt, oxidarea lor are ca rezultat surse semnificative de radicali hidroxil în ocean. Radicalul hidroxil este cel mai instabil al ROS (durata de viata de 10 -7 secunde), reacția cu multe specii anorganice și organice în mediul înconjurător în apropierea limitei de difuzie (constantele de viteză de 10 8 -10 10 L mol -1 sec −1 ). În apa de mare, radicalul este îndepărtat ca urmare a reacțiilor cu ioni de bromură, în timp ce în apa dulce reacționează în principal cu ioni de bicarbonat și carbonat. Deoarece are o reactivitate atât de mare, concentrațiile din timpul zilei în apele de suprafață ale radicalului hidroxil sunt în general foarte scăzute (10 −19 până la 10 −17 M). Radicalul hidroxil poate oxida lipidele membranei și poate provoca denaturarea acizilor nucleici și a proteinelor. Cu toate acestea, deoarece radicalul este atât de reactiv, este posibil să nu fie suficient timp pentru transportul la suprafața celulei (distanța medie de difuzie de 4,5 nm). Astfel, se așteaptă ca efectele directe asupra organismelor ale radicalilor hidroxil generați extern să fie minime. În mod indirect, radicalul hidroxil poate duce la modificări biogeochimice semnificative în sistemele marine prin influențarea ciclului materiei organice dizolvate și a speciației metalelor. Atât speciile de oxigen reactiv intracelular, cât și extracelular pot fi îndepărtate din mediu prin antioxidanți produși biologic ca mecanism de apărare. Multe fitoplancton, de exemplu, s-au dovedit a avea numeroase enzime care elimină superoxidul (superoxid dismutază) și enzime care elimină peroxidul de hidrogen (catalază, ascorbat peroxidază și glutation peroxidază). Superoxidul dismutază antioxidant catalizează formarea peroxidului de hidrogen din anionul superoxid prin următoarea reacție: 2 O 2 - + 2H + ↔ O 2 + H 2 O 2 . În mod similar, catalaza crește formarea apei din peroxidul de hidrogen prin catalizarea reacției: 2H 2 O 2 ↔ O 2 + 2 H 2 O. Ca urmare a acestei reacții, se împiedică formarea radicalului hidroxil. În plus, prezența unor cantități mari de substanțe humice în apă poate acționa și ca antioxidanți ai ROS. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că anumite ROS pot inactiva anumite enzime. De exemplu, se știe că anionul superoxid inhibă temporar funcția catalazei la concentrații mari.

Controale ale producției ROS în alge

S-a demonstrat că multe specii de alge produc nu numai specii reactive de oxigen în condiții normale, ci cresc producția acestor compuși în situații de stres. În special, nivelurile ROS s-au dovedit a fi influențate de dimensiunea celulei, densitatea celulei, stadiul de creștere, intensitatea luminii, temperatura și disponibilitatea nutrienților.

Dimensiunea celulei

Oda și colab. a constatat că diferențele în producția de ROS s-au datorat dimensiunii celulei. Prin compararea a patru specii de flagelați, au arătat că speciile mai mari Ichatonella au produs cel mai mult superoxid și peroxid de hidrogen per celulă decât Heterosigma akashiwo , Olisthodiscus luteus și Fibrocapsa japonica . Într-o comparație a 37 de specii de microalge marine, inclusiv dinoflagelate, rafidofite și clorofite, Marshall și colab. a găsit, de asemenea, o relație directă între mărimea celulei și cantitatea de superoxid produsă. Cele mai mari celule, Chattonella marina , au produs de până la 100 de ori mai mult superoxid decât majoritatea celorlalte alge marine (vezi figura din). Autorii sugerează că, deoarece ROS este produs ca un produs secundar al metabolismului, iar celulele mai mari sunt mai metabolice active decât celulele mai mici, rezultă că celulele mai mari ar trebui să producă mai multe ROS. În mod similar, deoarece fotosinteza produce și ROS, celulele mai mari au probabil un volum mai mare de cloroplaste și ar fi de așteptat să producă mai multe ROS decât celulele mai mici.

Densitatea algelor

De asemenea, s-a demonstrat că producția de ROS depinde de densitatea celulelor algale. Marshall și colab. a constatat că pentru Chattonella marina , concentrații mai mari de celule produceau mai puțin superoxid pe celulă decât cele cu o densitate mai mică. Acest lucru poate explica de ce unele infloriri de rapidofite sunt toxice la concentrație scăzută și netoxice la florile grele. Tang & Gobler a constatat, de asemenea, că densitatea celulară a fost invers legată de producția de ROS pentru alga Cochlodinium polykrikoides . Au descoperit, în plus, că creșterea producției de ROS a fost, de asemenea, legată de faza de creștere a algelor. În special, algele în creștere exponențială au fost mai toxice decât cele din faza exponențială staționară sau târzie. Multe alte specii de alge ( Heterosigma akashiwo , Chattonella marina și Chattonella antiqua ) s-au dovedit a produce cele mai mari cantități de ROS în timpul fazei exponențiale de creștere. Oda și colab. sugerăm că acest lucru se datorează creșterii active a celulelor cu fotosinteză și rate metabolice mai mari. S-a demonstrat că celulele în stadiu de repaus ale Chattonella antiqua generează mai puțin superoxid decât omologii lor mobili.

Niveluri de lumină

Deoarece superoxidul este produs prin auto-oxidarea unui acceptor de electroni în fotosistemul I în timpul fotosintezei, s-ar aștepta o relație pozitivă între nivelurile de lumină și producția de ROS algal. Aceasta este într-adevăr ceea ce s-a arătat: în diatomea Thallasia weissflogii , o creștere a intensității luminii a provocat o creștere atât a producției de superoxid, cât și de peroxid de hidrogen. În mod similar, în flagelatele Chattonella marina , Prorocentrum minimum și Cochlodinium polykrikoides , scăderea nivelurilor de lumină a dus la scăderea producției de superoxizi, cu niveluri mai ridicate produse în timpul zilei. Cu toate acestea, deoarece multe studii au constatat că producția de ROS este relativ mare chiar și pe întuneric, căile metabolice, altele decât fotosinteza, sunt probabil mai importante pentru producție. De exemplu, Liu și colab. a constatat că producția de ROS a fost reglementată de concentrația de fier și de pH. Din aceste dovezi, ei sugerează că producția de ROS se datorează cel mai probabil unui sistem enzimatic cu membrană plasmatică dependent de disponibilitatea fierului. În mod similar, în Heterosigma akashiwo, epuizarea fierului și creșterea temperaturii, nu a intensității luminii, au dus la o producție sporită de ROS. Liu și colab. a găsit aceeași relație cu temperatura.

Funcțiile algelor produse de ROS

Eliberarea activă a speciilor reactive de oxigen din celule are o varietate de scopuri, inclusiv un mijloc de descurajare a prădătorilor sau o apărare chimică pentru incapacitatea concurenților. În plus, ROS poate fi implicat în semnalizarea celulară, precum și în oxidarea sau reducerea metalelor necesare sau toxice.

Apărare chimică

Nu este surprinzător faptul că producția de ROS poate fi o formă de apărare chimică împotriva prădătorilor, deoarece la niveluri scăzute poate deteriora ADN-ul și la niveluri ridicate poate duce la necroză celulară. Unul dintre cele mai frecvente mecanisme ale leziunii celulare este reacția ROS cu lipide, care poate perturba activitatea enzimei și producția de ATP și poate duce la apoptoză. Reacțiile ROS cu proteinele pot modifica aminoacizii, fragmentează lanțurile peptidice, pot modifica sarcinile electrice și, în cele din urmă, inactivează funcția unei enzime. În ADN, delețiile, mutațiile și alte efecte genetice letale pot rezulta din reacțiile cu ROS. Speciile de oxigen reactiv sunt deosebit de ieftine de produs ca substanțe chimice de apărare, pur și simplu pentru că nu sunt compuse din elemente costisitoare din punct de vedere metabolic, cum ar fi carbonul, azotul sau fosfatul. Speciile reactive de oxigen produse de fitoplancton au fost corelate cu moartea peștilor, a crustaceelor ​​și a protiștilor, precum și a demonstrat că reduc viabilitatea și creșterea bacteriilor. În plus, un studiu realizat de Marshall și colab. a arătat că patru specii de alge utilizate ca furaje bivalve au produs concentrații semnificativ mai scăzute de superoxid, sugerând că producția de ROS de către alte specii de alge poate fi o modalitate de scădere a pășunatului de către bivalvi. Cea mai directă dovadă a ROS ca mecanism de apărare este faptul că multe alge ictiotoxice produc concentrații mai mari de ROS decât tulpinile nonictiotoxice.

Îmbunătățirea exsudatelor toxice

Este posibil ca ROS să nu fie substanța toxică propriu-zisă, dar să funcționeze de fapt pentru a face alte exsudate mai toxice prin oxidarea lor. De exemplu, s-a demonstrat că ROS de la Chattonella marina îmbunătățește efectele toxice ale acidului gras eicosapentaenoic (EPA) asupra peștilor expuși. În mod similar, se știe că acizii grași liberi eliberați din biofilmele de diatomee ca produse de oxidare ROS a EPA sunt toxici pentru zooplancterii. În plus, Fontana și colab. a sugerat că interacțiunea ROS și exudatele de diatomee (cum ar fi hidroperoxizii acizilor grași) sunt responsabile pentru inhibarea dezvoltării embrionare și provocarea anomaliilor larvare la copepode. În cele din urmă, s-a demonstrat că oxidarea ROS a acizilor grași polinesaturați de algă descurajează păstorii.

Avantaj competitiv

În plus față de impactul interacțiunilor prădător-pradă, producția de ROS poate ajuta, de asemenea, o algă să obțină un avantaj în competiția pentru resurse împotriva altor alge, să fie o modalitate de a preveni contaminarea bacteriilor și să acționeze ca un mecanism de semnalizare între celule. ROS poate inhiba fotosinteza în alge. Astfel, o algă care este mai tolerantă față de ROS decât alta o poate produce și elibera ca mijloc de scădere a capacității competitive a celorlalte specii. În plus, Chattonella marina , cel mai bine studiat rapidofit pentru producerea ROS, poate produce o graniță de ROS care descurajează alte microalge marine de la utilizarea nutrienților în vecinătatea sa. În mod similar, această limită ar putea fi, de asemenea, o modalitate de a descuraja murdărirea bacteriilor, deoarece se știe că producția de ROS inhibă creșterea și capacitatea bioluminiscentă la bacteriile Vibrio alginolyticus și , respectiv, Vibrio fischeri . În cele din urmă, Marshall și colab. a arătat că celulele Chattonella Marina au fost capabile să-și schimbe rata producției de superoxid în doar o oră când au densități celulare diferite, crescând rata de 1,4 la 7,8 ori mai mare decât cea originală. Ei sugerează că acest răspuns rapid în modificarea ratelor de producție poate fi o formă de semnalizare chimică între celule care funcționează pentru a furniza informații despre densitatea celulară.

Reducerea metalelor

ROS poate fi util în oxidarea sau reducerea metalelor necesare sau toxice. Deoarece fierul este necesar pentru creșterea fitoplanctonului, reducerea automată a speciilor reactive de oxigen poate fi o modalitate prin care algele pot obține fier utilizabil din fier feric liber sau legat organic. De exemplu, Cakman și colab. a arătat că ROS poate crește cantitatea de fier disponibilă prin reducerea ferului extracelular. Se crede că puterea mare de reducere a acestei reacții este menținută prin ionul superoxid bogat în electroni. În mai multe studii asupra producției ROS a Heterosigma akashiwo , sa constatat că producția de peroxid de hidrogen este invers proporțională cu concentrația de fier disponibilă. În plus, Cornish și Page din 1998 au descoperit că fitoplanctonul produce mai multe ROS atunci când există niveluri mai scăzute de fier extracelular. Ei au sugerat că atunci când fierul intracelular este limitativ, fitoplanctonul răspunde producând mai multe ROS ca o modalitate de a crește potențialul de reducere din jurul celulei și astfel să fie mai capabil să reducă fierul respectiv la o formă utilizabilă. În mod similar, o producție mai mică de ROS ar sugera că fierul intracelular este la niveluri suficient de ridicate pentru funcția celulară.

Referințe