Aerober und anaerober Stoffwechsel bei Fischen der Sauerstoffminimumschicht: the role of alcohol dehydrogenase | Journal of Experimental Biology

DISKUSSION

Die Laternenfischarten aus dem Arabischen Meer und ihre Verwandten aus dem Kalifornischen Strom, dem Golf von Mexiko und der Antarktis sind starke Vertikalwanderer, die von mittleren Wassertiefen (200-1000 m), wo sie sich tagsüber aufhalten, nachts in oberflächennahe Gewässer wandern, wo sie sich meist von Zooplankton ernähren (Pearcy et al., 1977; Gjøsaeter, 1984; Torres und Somero, 1988a; Lancraft et al., 1989; Hopkins und Gartner, 1992; Luo et al., 2000). Vertikale Wanderungen sind eine von Laternenfischen auf der ganzen Welt angewandte Strategie zur Nahrungssuche (Robinson et al., 2010), was die vier Regionen der vorliegenden Studie zu natürlichen Versuchssystemen macht, die sich zwar deutlich in ihren gelösten Sauerstoff- und Temperaturprofilen, aber nur wenig in den täglichen Gewohnheiten ihrer gemeinsamen Arten unterscheiden. Somit waren die Versuchspersonen in allen vier Regionen ökologische Analoga. Physiologische Reaktionen auf zwei wichtige physikalische Variablen, Sauerstoff und Temperatur, waren im Spiel.

In der Arabischen See und im Golf von Mexiko war Sauerstoff eindeutig die physikalische Variable mit dem größten Einfluss. Die Temperaturprofile in den beiden Systemen waren praktisch identisch (Abb. 1), aber die Sauerstoffprofile unterschieden sich radikal. Im Arabischen Meer verschwand der Sauerstoff in einer Tiefe von 200 m und blieb bis zu einer Tiefe von 1000 m auf Null, während im Golf von Mexiko der Sauerstoff über denselben Bereich auf etwa die Hälfte der Oberflächenwerte (Luftsättigung) fiel (Abb. 1). In beiden Systemen hielten sich die Fische während des Tages im Sauerstoffminimum auf. Im Arabischen Meer wären die Myktophiden jedoch zur Anaerobiose gezwungen gewesen, während im Golf von Mexiko die Sauerstoffkonzentrationen weit im normoxischen Bereich der Myktophiden lagen (Donnelly und Torres, 1988). Die biochemischen Strategien der Arten im Umgang mit ihren jeweiligen Sauerstoffprofilen spiegeln sich in ihren enzymatischen Aktivitäten wider. Die Aktivität von LDH, dem terminalen Enzym des glykolytischen Weges während der Anaerobiose, ist bei Fischen aus dem Arabischen Meer etwa dreimal so hoch wie bei Fischen aus dem Golf von Mexiko, was auf eine starke anaerobe Fähigkeit schließen lässt (Abb. 2). Im Gegensatz dazu deutet die viel höhere Aktivität von CS in den Fischen aus dem Golf von Mexiko auf eine hochgradig aerobe Strategie hin, die durch das leichte Sauerstoffminimum im Golf von Mexiko ermöglicht wird. Die ADH-Aktivität bei Fischen aus dem Arabischen Meer war außerdem etwa dreimal so hoch wie bei Fischen aus dem Golf von Mexiko, so dass die Fische über die biochemische Maschinerie verfügten, um Laktat, das nicht über die Kiemen ausgeschieden werden kann, in Ethanol umzuwandeln, was möglich ist (Shoubridge und Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009).

Das derzeitige Modell für die Umwandlung von Laktat in Ethanol bei Goldfischen und Karpfen (z. B. Shoubridge und Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) erfordert zunächst die Oxidation von Laktat zu Pyruvat in Gegenwart von NADH, ein thermodynamisch ansteigender Schritt (ΔG′°=+25,1 kJ mol-1) (Lehninger, 1970). Pyruvat wird anschließend im Mitochondrium durch den Pyruvatdehydrogenase-Komplex unter Freisetzung von CO2 in Acetaldehyd umgewandelt. Acetaldehyd wird dann durch ADH in Gegenwart von NADH zu Ethanol reduziert (Abb. 4). Die biochemische Maschinerie zur Bildung von Ethanol befindet sich ausschließlich im schwimmenden Muskel, der nicht nur das im Muskel erzeugte Laktat verarbeitet, sondern auch das von anderen Geweben wie Gehirn, Leber und Herz produzierte und über den Blutkreislauf in den Muskel gelieferte Laktat (Shoubridge und Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) (Abb. 4). Die im Muskel von Fischen aus dem Arabischen Meer festgestellte ADH-Aktivität deutet auf eine ähnliche Strategie hin.

Die Skelettmuskulatur von Fischen spielt eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Laktat nach dem Training durch die gluconeogenen und glykogenen Wege, eine Situation, die sich stark von der bei Säugetieren unterscheidet, wo die enzymatische Maschinerie zur Regeneration von Glukose hauptsächlich in der Leber zu finden ist (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996). Der Muskel von Fischen ist also multifunktionaler als der von Säugetieren, er verfügt über eine größere Anzahl von Enzymen und eine größere metabolische Flexibilität als der Muskel von Säugetieren, einschließlich eines größeren Potenzials für die Biosynthese (Gleeson, 1996). Es wurde nachgewiesen, dass der Skelettmuskel von Fischen nach dem Training Laktat bindet (Gleeson, 1996), wodurch die Regeneration von Glukose im Muskel erleichtert und die Erholung nach dem Training verbessert wird. Im Falle des Goldfisches, der Karausche und nun auch der Laternenfische ermöglicht die metabolische Flexibilität der Muskelenzyme neue biochemische Lösungen für das Problem der Anaerobiose.

Die MDH-Aktivität war bei Fischen aus dem Arabischen Meer ebenfalls signifikant höher als bei Fischen aus dem Golf von Mexiko, aber die vielfältigen Aufgaben von MDH in der Zelle machen die Erklärung dafür wesentlich weniger einfach. Das Muskelgewebe wurde mit Glasschliffhomogenisatoren homogenisiert, so dass sowohl die zytosolische als auch die mitochondriale MDH in dem Testcocktail aktiv sein konnte. Die in Tabelle 1 angegebenen Aktivitäten waren daher eine Kombination der MDH-Aktivität aus den beiden zellulären Kompartimenten. Im aeroben Stoffwechsel ist MDH als das Enzym, das die Bildung von Oxalacetat im Krebszyklus katalysiert, eindeutig von Bedeutung. Darüber hinaus arbeiten die zytosolische und die mitochondriale MDH unter aeroben Bedingungen zusammen, um die durch die Glykolyse erzeugten reduzierenden Äquivalente zur Verarbeitung im Elektronentransportsystem in das Mitochondrium zu transportieren, was aufgrund der Undurchlässigkeit der mitochondrialen Membran für zytosolisches NADH notwendig ist. Eine dritte Rolle der MDH besteht darin, dass sie einen wichtigen Schritt des herkömmlichen glukoneogenen Weges katalysiert. Es wird angenommen, dass die Gluconeogenese im Fischmuskel durch eine fast direkte Umkehrung der Glykolyse erfolgt (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996), und MDH spielt dabei keine wichtige Rolle.

Höchstwahrscheinlich hilft MDH bei der Aufrechterhaltung des Redox-Gleichgewichts in der Zelle während der Übergangsphasen von normoxischen zu anoxischen Bedingungen, wenn die Fische tagsüber in das Sauerstoffminimum hinabwandern und nachts wieder hinauf zum höheren Sauerstoffgehalt des Oberflächenwassers wandern. Das Malat-Shuttle kann NADH entweder in das Mitochondrium hinein oder aus dem Mitochondrium heraus transportieren, je nachdem, wie viel Reduktionskraft die Zelle benötigt.

Laternenfischarten aus dem kalifornischen Grenzgebiet und der Antarktis zeigten ähnliche Trends wie ihre Verwandten aus dem Arabischen Meer und dem Golf von Mexiko, mit dem Vorbehalt, dass sowohl die Temperatur als auch der Sauerstoff die Ergebnisse beeinflussten. Electrona antarctica, der stärkste und aktivste Vertikalwanderer unter den antarktischen Arten, wies auch die höchste LDH-Aktivität auf, so dass die antarktischen Arten insgesamt einen deutlich höheren Wert aufwiesen als die Arten aus Kalifornien bei der gleichen Probentemperatur. Der Einfluss der Temperaturanpassung bei einem robusten, aktiven Fisch (Torres und Somero, 1988b; Yang und Somero, 1993; Vetter und Lynn, 1997) ist die wahrscheinlichste Erklärung für diesen hohen Wert. Betrachtet man die LDH-Aktivität von Electrona bei ihrer Umgebungstemperatur von 0°C, also der Hälfte des Wertes in Tabelle 1 (54 U g-1 Nassmasse), so liegt sie bei 10°C genau im mittleren Bereich der Werte für die kalifornischen Arten, was den steigenden Einfluss der Temperaturanpassung auf die LDH-Aktivität von Electrona unterstreicht. Weder bei der CS- noch bei der MDH-Aktivität gab es signifikante Unterschiede zwischen den kalifornischen und den antarktischen Arten bei einer Testtemperatur von 10°C, obwohl die Mittelwerte für die kalifornischen Arten in beiden Fällen höher waren.

Die ADH-Aktivität war bei den kalifornischen Arten signifikant höher, trotz des Einflusses der Testtemperatur, die, wie bei der LDH, die antarktischen Werte tendenziell nach oben verzerrt hätte. Bei der ADH war der wahrscheinlichste Einfluss auf die Gesamtaktivität des Enzyms das kalifornische Sauerstoffminimum, das in seinem Kern (700 m; Abb. 1) einen Wert von 0,2 ml l-1 aufweist. Vertikale Wanderungen der kalifornischen Laternenfische würden sie tagsüber zu Sauerstoffwerten zwischen 0,5 und 1,0 ml l-1 (16-32 Torr, ∼2,1-4,2 kPa) bringen, die weit unter ihren Fähigkeiten liegen, effizient Sauerstoff zu extrahieren (vgl. Torres et al., 1979; Donnelly und Torres, 1988).

Laternenfische aus dem Arabischen Meer und dem kalifornischen Grenzgebiet stoßen in ihren Tagestiefen auf eine Sauerstoffkonzentration von Null oder nahezu Null, nachdem sie bei ihrer Abwärtsexkursion mindestens 5000 Körperlängen geschwommen sind (unter der Annahme einer Mindestschwimmstrecke von 300 m und einer Körperlänge von etwa 5 cm; Tabelle 1). Ihre energetisch effizienteste Maßnahme wäre es, die Schwimmaktivität innerhalb des Sauerstoffminimums so gering wie möglich zu halten, um den Bedarf an Anaerobiose zu minimieren. Die meisten fakultativen Anaerobier (z. B. Muscheln) (Hochachka, 1980; Hochachka und Somero, 2002) zeigen während der Anaerobiose einen deutlichen Rückgang der Aktivität, der auf die hohen Energiekosten selbst der effizientesten anaeroben Stoffwechselwege zurückzuführen ist. Minimale Aktivität minimiert den Verbrauch von gespeicherter Energie. In Verbindung mit der Nutzung des ADH-Stoffwechsels wird die Anhäufung von Endprodukten auch durch die Ausscheidung von Ethanol über die Kiemen minimiert, während gleichzeitig das Redox-Gleichgewicht in den Muskelzellen aufrechterhalten wird. Die Exkursion nach oben in der Dämmerung in normoxische Gewässer kann dann mit einer relativ sauberen „Stoffwechselplatte“ beginnen, wobei das Malat-Shuttle wie oben beschrieben den Übergang unterstützt.

Die vertikale Migration ist eine Anpassung, die neben den Laternenfischen auch viele Arten von Zooplankton und Mikronekton aufweisen (Hopkins et al., 1994; Hopkins et al., 1996; Robinson et al., 2010), vermutlich um die visuelle Prädation zu minimieren. Da die Sehschärfe und das Risiko, von visuellen Räubern angegriffen zu werden, bei Tageslicht stark erhöht sind, begeben sich viele Tiere nur nachts in die nahrungsreichen Oberflächengewässer und wandern in der Morgendämmerung in die dunkleren Tiefen. Arten, die sich innerhalb von Sauerstoffminima aufhalten oder dorthin wandern, müssen mit einem stabilen physikalischen Merkmal zurechtkommen (Stramma et al., 2008), das durch physiologische und biochemische Anpassungen bewältigt werden kann. Im Fall der in dieser Arbeit untersuchten Laternenfische bietet das Sauerstoffminimum ein Refugium vor pelagischen Räubern, die in den Sauerstoffminima der Arabischen See oder des kalifornischen Grenzgebiets die gleichen Schwierigkeiten hätten, zu jagen, wie in den toten Zonen des Küstenozeans.

Mittelwasserfische des offenen Ozeans unterscheiden sich hinsichtlich des Zeitpunkts und der Art ihrer Exposition gegenüber niedrigem oder gar keinem Sauerstoff erheblich von Küsten- und Süßwasserfischen. Der erfolgreichste (und am besten untersuchte) Anaerobier unter den Fischen, die Karausche, ist während der Wintermonate in ihrem heimischen Lebensraum in Zentralasien und Europa einem vorhersehbaren Aufenthalt bei null Sauerstoff ausgesetzt (Vornanen und Paajanen, 2004). Individuen, die kleine eutrophe Teiche bewohnen, überwintern unter einer Eis- und Schneedecke, die den Austausch mit der Atmosphäre verhindert, was zu Anoxieperioden führt, die 90 Tage oder länger dauern können (Piironen und Holopainen, 1986). Die Tatsache, dass die Anoxie ein saisonales Ereignis ist, ermöglicht eine metabolische und morphologische Anpassung, bevor der Sauerstoffgehalt der Umgebung sinkt. Die metabolische Anpassung umfasst die Anhäufung von Glykogen in Leber, Muskel, Gehirn und Herz, um den Bedarf an anaerober Aktivität zu decken. Zu den morphologischen Anpassungen gehört eine Vergrößerung der Anzahl der Kiemenlamellen, was zu einer 7-fachen Vergrößerung der Kiemenoberfläche führt (Vornanen et al., 2009), um den Sauerstoffaustausch zu erleichtern. Am erstaunlichsten ist vielleicht die Tatsache, dass Herz und Gehirn der Karausche während der Anoxie voll funktionsfähig bleiben, eine unter den Wirbeltieren einzigartige Strategie, die es ermöglicht, das aus dem Muskelgewebe ausgeschwemmte Ethanol über die Kiemen auszuscheiden und die Glukose aus den Leberspeichern an die Stellen zu verteilen, die sie benötigen (Vornanen et al., 2009).

Meeresfische an der Küste sind in einer Vielzahl natürlicher und anthropogen beeinflusster Situationen mit Hypoxie konfrontiert. Gezeitentümpel oder -kanäle in Gebieten mit verrottender Vegetation, wie z. B. in Mangrovenbeständen, oder in Gezeitenzonen mit organisch reichem Schlamm können bei Ebbe anoxisch werden, wodurch einheimische Arten manchmal dem Sulfid ausgesetzt werden (Bagarinao und Vetter, 1989; Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Bei den Fischen, die dazu in der Lage sind, ist die Luftatmung eine praktikable Option, um die Auswirkungen von Anoxie und Sulfidbelastung zu minimieren (Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Andere nutzen die biochemische Möglichkeit der mitochondrialen Oxidation des Sulfids, um dessen toxische Wirkung zu minimieren, ähnlich wie die Arten an den hydrothermalen Schloten (Bagarinao und Vetter, 1989). In den meisten natürlich vorkommenden hypoxischen Systemen sind Ausflüge auf Null-Sauerstoff entweder episodisch, wie in den Gezeitentümpeln der Mangroven, oder treten regelmäßig bei Ebbe in den wärmeren Monaten des Jahres auf. Diese Situationen sind vorhersehbar und häufig genug, um durch physiologische Anpassung bewältigt werden zu können. Arten, die in Umgebungen mit natürlicher Hypoxie leben, sind physiologisch darauf vorbereitet, damit umzugehen.

Anthropogen induzierte oder verstärkte hypoxische Ereignisse oder tote Zonen treten mit größerer Regelmäßigkeit in den Küstenmeeren und Buchten Nordamerikas, Europas und Asiens auf (Diaz und Rosenberg, 2008). Tote Zonen stehen in der Regel in Zusammenhang mit Nährstoffabflüssen und sommerlicher Schichtung in flachen Meeressystemen (Diaz und Breitburg, 2009; Rabalais et al., 2002). Die Nährstoffbelastung beschleunigt die Produktion, und die Schichtung der Wassersäule hemmt die Abwärtsmischung von Luftsauerstoff. Unterhalb der gemischten Schicht wird der Sauerstoff durch den mikrobiellen Abbau sinkender organischer Stoffe stark dezimiert, so dass in einigen Fällen der gesamte Wert des Bodens und des bodennahen Lebensraums verloren geht (Diaz und Breitburg, 2009). Das Überleben von Fischen in hypoxischen Zonen hängt von der Effektivität der Arten beim Abbau von Sauerstoff bei reduziertem PO2 ab (Chapman und McKenzie, 2009; Perry et al., 2009; Richards, 2009), die je nach Taxa sehr unterschiedlich ist (Richards, 2009). In keinem Fall wird eine längere Anaerobiose von Fischen als Strategie zur Bewältigung toter Zonen eingesetzt.

Wenn geringe, aber konstante Mengen an Sauerstoff im Wasser vorhanden sind, wie z. B. in einer Sauerstoffminimumzone, haben die Tiere Mechanismen entwickelt, um diesen zu gewinnen und zu nutzen. Drei Mechanismen sind eine vergrößerte Kiemenoberfläche, ein effizientes Kreislaufsystem und ein Blutpigment mit hoher Affinität. Bei Fischen, die in der Sauerstoffminimumschicht des Kalifornischen Stroms leben, wurden große Kiemenoberflächen gemessen (Ebeling und Weed, 1963; Gibbs und Hurwitz, 1967). Gnathophausia ingens, ein in diesem Gebiet lebender Lophogastrid-Krebs, hat nicht nur hoch entwickelte Kiemen und ein effizientes Kreislaufsystem (Childress, 1971; Belman und Childress, 1976), sondern auch ein hochaffines Hämocyanin mit einem großen positiven Bohr-Effekt und hoher Kooperativität. Es ist in der Lage, Sauerstoff bei einem Partialdruck von 6 Torr (∼0,8 kPa) zu laden; seine hohe Kooperativität ermöglicht es dem Pigment, Sauerstoff über einen sehr kleinen Diffusionsgradienten in den Geweben zu entladen (Sanders und Childress, 1990).

Die Laternenfische bilden eine artenreiche, pelagische Fischfamilie, von denen die große Mehrheit Vertikalwanderer sind (Nelson, 2006; Smith und Heemstra, 1991). Ihr geografisches Verbreitungsgebiet umfasst alle schweren ozeanischen Sauerstoffminima, von denen zwei in der vorliegenden Studie behandelt wurden. Wir gehen davon aus, dass sie, anstatt die Strategie derjenigen Arten zu nutzen, die sich dauerhaft in den schwersten Bereichen der Sauerstoffminimumschicht aufhalten, was eine beträchtliche physiologische und morphologische Investition erfordert (Childress und Seibel, 1998), in der Lage sind, den ADH-Weg zu nutzen, um die Anhäufung von Endprodukten zu minimieren, während sie einen Teil des Tages die Anaerobiose nutzen, um den Anforderungen des Sauerstoffminimums gerecht zu werden. Die anaerobe Strategie erinnert an diejenige, die von intertidalen Arten während Ebbe und Flut angewandt wird (vgl. Hochachka, 1980; Torres et al., 1977), jedoch mit dem Vorteil eines besser vorhersehbaren und kontrollierbaren Eintritts in die Sauerstoffarmut. Dies ist der erste Bericht über ADH-Aktivität im Muskel von Fischen, die nicht zu den Goldfischen und Karpfen gehören, eine weitgehend unbeachtete anaerobe Strategie, die möglicherweise weiter verbreitet ist.