A ativação do oxigênio molecular em suas espécies reativas é uma constante ameaça aos organismos fotossintéticos, uma vez que os cloroplastos são compartimentos celulares altamente susceptíveis ao estresse oxidativo. Sob condições normais, a geração de ERO nestas organelas é lenta e controlada, embora possa ser exacerbada pela exposição a xenobióticos e outros fatores de estresse ambiental. Como a intoxicação por metals poluentes é uma importante fonte de estresse oxidativo em sistemas biológicos, a resistência de organismos fotossintéticos ao estresse metálico deve ser dependente de adaptações bioquímicas que previnam o insulto oxidativo em seus cloroplastos. Com o intuito de investigar esta hipótese, os níveis de antioxidantes cloroplásticos e os padrões de indução da enzima SOD foram estudados no dinoflagelado marinho G. polyedra, sob diferentes modelos de estresse metálico. Primeiramente, os efeitos dos metals poluentes Hg2+, Cd2+, Pb2+ e Cu2+, sobre alguns aspectos fisiológicos deste dinoflagelado, foram avaliados por bioensaios de toxicidade. G. polyedra se mostrou altamente sensível a estes metals, os quais causaram aumentos significativos de mortalidade celular, alta frequência de flashes bioluminescentes e formação de cistos assexuais, em concentrações relativamente baixas. A escala de toxicidade encontrada foi Hg2+> Cu2+>Cd2+> Pb2+, de acordo com seus respectivos valores de CE50. O encistamento parece ser uma importante estratégia celular de resistência à toxicidade de metals, em particular a Pb2+ e Cu2+, uma vez que as células tratadas com estes metals foram capazes de retomar, parcial ou completamente, o estado fisiológico normal quando inoculadas em meio livre de metals tóxicos. Com base nos bioensaios de toxicidade, dois modelos de estresse metálico, crônico e agudo, foram estabelecidos e o balanço oxidativo, em cloroplastos isolados de G. polyedra, avaliado nestas condições experimentais. Diferentes respostas antioxidantes foram verificadas de acordo com o metal e o modelo de estresse aplicado. Em geral, células cronicamente expostas a metals exibiram aumentos de atividade das enzimas antioxidantes SOD e Apx, alto poder redutor e níveis reduzidos do carotenóide peridinina, enquanto nenhuma alteração foi observada quanto aos níveis de β-caroteno. Em contraste, células submetidas a estresse metálico agudo exibiram níveis dobrados de β-caroteno, embora nenhuma alteração significativa tenha sido observada para os demais antioxidantes. A correlação entre o tratamento agudo e a instalação de estresse oxidativo foi inferida pelo consumo de oxigênio exacerbado e menor poder redutor, observados em células expostas aos metals. Em decorrência do estado pró-oxidante, aumentos de lesões oxidativas sobre lipídeos e proteínas cloroplásticas foram detectados predominantemente em células sob tratamento agudo. Respostas específicas da enzima SOD também foram estudadas, observando-se um aumento dose-dependente em sua atividade, que ocorreu nas primeiras horas de exposição aos metals. Das três isoformas detectadas em G. polyedra, apenas FeSOD e MnSOD foram induzidas pelos metals, enquanto os níveis celulares de CuZnSOD não variaram significativamente, nas mesmas condições experimentais. Além da indução por metals, estas duas isoformas também mostraram ser sintetizadas circadianamente em G. polyedra. A isoforma FeSOD foi detectada em cloroplastos deste dinoflagelado e a clonagem parcial do seu cDNA codificador, realizada por técnicas baseadas em PCR. Análises preliminares de filogenia molecular com esta isoforma cloroplástica de G. polyedra indicaram uma alta similaridade com FeSOD cianobacteriana, corroborando a teoria endosimbiôntica para a origem dos cloroplastos modernos. Induções de FeSOD, por exposição aos metals poluentes, incluíram aumentos nos seus níveis de mRNA, revelando um controle transcricional positivo, inédito em G. polyedra. Com relação à oscilação circadiana desta isoforma cloroplástica, níveis constantes de transcritos de FeSOD foram detectados ao longo de 24 h, evidenciando um controle circadiano distinto, ao nível traducional. A partir das informações obtidas nesta tese, conclui-se que os metals poluentes avaliados são extremamente tóxicos a G. polyedra e capazes de induzir um estresse oxidativo em seus cloroplastos, especialmente sob condições agudas de exposição. Durante o estresse metálico crônico, entretanto, a manutenção de uma alta capacidade antioxidante, incluindo o aumento imediato da expressão da FeSOD, é uma estratégia relevante na atenuação das lesões oxidativas em lipídeos e proteínas, prevenindo possíveis danos estruturais e perda de funções cloroplásticas. Esta modulação de antioxidantes cloroplásticos sugere que a adaptação bioquímica de G. polyedra inclui respostas rápidas e específicas ao sítio subcelular onde o estresse oxidativo é instalado, processo este importante na resistência deste dinoflagelado à exposição a metals poluentes. As diferentes possibilidades de regulação da FeSOD, reveladas neste trabalho, salientam ainda a importância desta isoforma na manutenção do equilíbrio oxidativo cloroplástico durante adversidades ambientais e lançam novas perspectivas a respeito do controle de expressão gênica, em G. polyedra. O presente trabalho contribui, portanto, para o entendimento dos componentes bioquímicos e moleculares de processos adaptativos em algas. / Oxygen activation to reactive species is a constant threat to photosynthetic organisms since chloroplasts are cell compartments highly susceptible to oxidative stress. Although moderate at normal conditions, the ROS generating-processes in such organelles can be highly accelerated by xenobiotics and some other environmental factors. Because the intoxication with pollutant metals is an important source of oxidative stress in biological systems, resistance of photosynthetic organisms to metal stress might be dependent on biochemical adaptations that prevent oxidative insult within their plastids. To investigate such hypothesis, the oxidative balance of chloroplasts and the induction pattern of the antioxidant enzyme SOD were evaluated in the marine dinoflagellate G. polyedra, under different conditions of metal stress. At first, toxicity bioassays based on survival were carried out with G. polyedra cells exposed to the pollutant metals Hg2+, Cd2+, Pb2+ and Cu2+. Cell viability significantly decreased under exposure to these metals, which were also able to stimulate the frequency of bioluminescent flashes and induce encystment of this dinoflagellate. The toxicity scale found to G. polyedra was Hg2+> Cu2+>Cd2+> Pb2+, based on the EC50 values of each metal. Induction of resting cysts appears to be an important strategy for cell survival, particularly during Pb2+ and Cu2+ treatments, since cells partially or completely excysted within 96 h after metal removal from the media, respectively. Chronic and acute models of metal stress were applied, based on the toxicity bioassays, and the oxidative balance in isolated chloroplasts of G. polyedra examined. Different antioxidant responses were verified according to the metal and model of stress. Cells chronically exposed to metals exhibited high activity of the antioxidant enzymes SOD and Apx, high GSH content and reduced peridinin levels, whereas no significant changes were detected in the β-carotene content. In contrast, cells subjected to acute metal stress displayed twice as much β-carotene but only slight variation in SOD, Apx and peridinin levels. The correlation of acute metal treatment and oxidative stress was inferred from the higher oxygen uptake and decreased GSH pool found in treated cells. In addition, increased oxidative damage to proteins and lipids occurred mainly in cells under acute stress. The specific responses of SOD to pollutant metal stress were also examined. A dose-dependent induction of SOD activity was found in the first hours of metal treatment. Among the three SOD isoforms detected in crude extracts of G. polyedra, FeSOD and MnSOD were the inducible ones, while non-significant changes in CuZnSOD levels were verified. Furthermore, both isoforms displayed a circadian rhythm of synthesis in this dinoflagellate. The FeSOD isoform was detected in chloroplasts of G. polyedra, and the partial sequence of its cDNA obtained by PCR-based cloning techniques. Preliminary analysis of molecular phylogeny indicated that dinoflagellate and other plastid FeSOD are highly similar to cyanobacterial FeSOD, reinforcing the theory for the endosymbiotic origin of modem chloroplasts. Induction of FeSOD by metal exposure included increases in its mRNA levels, revealing a novel mechanism of positive transcriptional regulation in G. polyedra. In contrast, the mRNA levels of FeSOD remained constant through out the circadian cycle, indicating a distinct circadian control at the translational level. We described here that the pollutant metals analyzed are extremely toxic and able to induce oxidative stress in chloroplasts of G. polyedra, particularly under acute conditions. However, under chronic conditions of metal stress, the maintenance of a high antioxidant capacity, with increased FeSOD expression, is a relevant strategy to prevent structural damage and loss of chloroplastic functions as a consequence of oxidative insult. Such antioxidant modulation within chloroplasts suggests that biochemical adaptation in G. polyedra involve immediate and specific responses at the subcellular site where oxidative stress is triggered. This adaptive process could contribute to the overall resistance of this dinoflagellate to pollutant metal stress. Moreover, the distinct levels of regulation found for FeSOD indicate the important role of this isoform in the oxidative balance of chloroplasts, and provide new insight on gene regulation in G. polyedra. The present work provides the first steps in the elucidation of the biochemical and molecular components of adaptive processes in algae.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-14062019-105935 |
| Date | 05 May 2000 |
| Creators | Okamoto, Oswaldo Keith |
| Contributors | Colepicolo Neto, Pio |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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