Métabolisme aérobie et anaérobie chez les poissons de la couche à oxygène minimum : le rôle de l’alcool déshydrogénase | Journal of Experimental Biology

DISCUSSION

Les espèces de poissons-lanternes de la mer d’Arabie et leurs confamiliales du courant de Californie, du golfe du Mexique et de l’Antarctique sont de forts migrateurs verticaux, se déplaçant des profondeurs moyennes (200-1000 m), où ils passent les heures du jour, aux eaux proches de la surface la nuit où ils se nourrissent, le plus souvent de zooplancton (Pearcy et al., 1977 ; Gjøsaeter, 1984 ; Torres et Somero, 1988a ; Lancraft et al., 1989 ; Hopkins et Gartner, 1992 ; Luo et al., 2000). La migration verticale est une stratégie de recherche de nourriture utilisée par les poissons-lanternes dans le monde entier (Robinson et al., 2010), ce qui fait des quatre régions de la présente étude des systèmes expérimentaux naturels qui diffèrent sensiblement par leurs profils d’oxygène dissous et de température, mais très peu par les habitudes quotidiennes de leurs espèces communes. Ainsi, les sujets expérimentaux des quatre régions étaient des analogues écologiques. Les réponses physiologiques à deux variables physiques importantes, l’oxygène et la température, étaient en jeu.

Dans la mer d’Arabie et le golfe du Mexique, l’oxygène était clairement la variable physique ayant le plus d’influence. Les profils de température dans les deux systèmes étaient pratiquement identiques (figure 1), mais les profils d’oxygène différaient radicalement. Dans le système de la mer d’Arabie, l’oxygène disparaissait à une profondeur de 200 m et restait nul jusqu’à une profondeur de 1000 m, alors que dans le golfe du Mexique, l’oxygène tombait à environ la moitié des valeurs de surface (saturation de l’air) sur la même plage (Fig. 1). Dans les deux systèmes, les poissons résidaient dans le minimum d’oxygène pendant les heures de la journée. Cependant, dans la mer d’Arabie, les myctophidés auraient été contraints à l’anaérobiose, mais dans le golfe du Mexique, les concentrations d’oxygène se situaient bien dans la gamme normoxique des myctophidés (Donnelly et Torres, 1988). Les stratégies biochimiques des espèces pour faire face à leurs profils d’oxygène respectifs sont reflétées dans leurs activités enzymatiques. La LDH, l’enzyme terminale de la voie glycolytique pendant l’anaérobiose, est environ trois fois plus élevée chez les poissons de la mer d’Arabie que chez ceux du Golfe du Mexique, ce qui suggère une forte capacité anaérobie (Fig. 2). En revanche, l’activité beaucoup plus élevée du CS chez les poissons du Golfe du Mexique indique une stratégie hautement aérobie, rendue possible par le léger minimum d’oxygène trouvé dans le Golfe du Mexique. L’activité de l’ADH chez les poissons de la mer d’Arabie était également environ trois fois supérieure à celle observée chez les poissons du golfe du Mexique, ce qui donne aux poissons la machinerie biochimique pour convertir le lactate, qui ne peut pas être excrété par les branchies, en éthanol, qui peut l’être (Shoubridge et Hochachka, 1980 ; Vornanen et al., 2009).

Le modèle actuel de conversion du lactate en éthanol chez le poisson rouge et la carpe (par exemple, Shoubridge et Hochachka, 1980 ; Vornanen et al., 2009) exige d’abord que le lactate soit oxydé en pyruvate en présence de NADH, une étape thermodynamiquement ascendante (ΔG′°=+25,1 kJ mol-1) (Lehninger, 1970). Le pyruvate est ensuite converti en acétaldéhyde au sein de la mitochondrie par le complexe pyruvate déshydrogénase, avec libération de CO2. L’acétaldéhyde est ensuite réduit en éthanol par l’ADH en présence de NADH (Fig. 4). La machinerie biochimique pour la formation de l’éthanol est située exclusivement dans le muscle nageur, qui traite non seulement le lactate généré dans le muscle mais aussi celui produit par d’autres tissus tels que le cerveau, le foie et le cœur et délivré au muscle par la circulation sanguine (Shoubridge et Hochachka, 1980 ; Vornanen et al., 2009) (Fig. 4). L’activité de l’ADH trouvée dans le muscle des poissons de la mer d’Arabie suggère une stratégie similaire.

Le muscle squelettique des poissons joue un rôle important dans le traitement post-exercice du lactate par les voies gluconéogénique et glycogénique, une situation très différente de celle des mammifères, où la machinerie enzymatique pour régénérer le glucose se trouve principalement dans le foie (Suarez et al., 1986 ; Moon, 1988 ; Gleeson, 1996). Le muscle des poissons est donc plus multifonctionnel que celui des mammifères, possédant un plus grand nombre d’enzymes et une plus grande flexibilité métabolique inhérente que le muscle des mammifères, y compris un plus grand potentiel de biosynthèse (Gleeson, 1996). En fait, il a été démontré que le muscle squelettique des poissons séquestre le lactate après l’exercice (Gleeson, 1996), facilitant la régénération du glucose dans le muscle et améliorant la récupération après l’exercice. Dans le cas du poisson rouge, de la carpe crucienne et maintenant des poissons-lanternes, la flexibilité métabolique de la suite d’enzymes musculaires permet des solutions biochimiques nouvelles au problème de l’anaérobiose.

L’activité de la MDH était également significativement plus élevée chez les poissons de la mer d’Arabie que chez ceux du golfe du Mexique, mais les rôles multiples de la MDH dans la cellule rendent l’explication de ce phénomène considérablement moins évidente. Le tissu musculaire a été homogénéisé avec des homogénéisateurs en verre rodé, ce qui permet à la MDH cytosolique et mitochondriale d’être active dans le cocktail de test. Les activités rapportées dans le tableau 1 étaient donc une combinaison de l’activité MDH des deux compartiments cellulaires. Dans le métabolisme aérobie, la MDH est clairement importante en tant qu’enzyme catalysant la formation d’oxaloacétate dans le cycle de Krebs. En outre, dans des conditions aérobies, la MDH cytosolique et mitochondriale travaille en tandem pour transporter les équivalents réducteurs produits par la glycolyse dans la mitochondrie pour qu’ils soient traités dans le système de transport des électrons, une nécessité due à l’imperméabilité de la membrane mitochondriale au NADH cytosolique. Un troisième rôle de la MDH consiste à catalyser une étape importante de la voie gluconéogénique classique. Il se trouve que dans le muscle du poisson, on pense que la gluconéogenèse procède par une inversion presque directe de la glycolyse (Suarez et al., 1986 ; Moon, 1988 ; Gleeson, 1996) et la MDH n’est pas un participant important.

Ce qui est le plus probable, c’est que la MDH aide à maintenir l’équilibre redox à l’intérieur de la cellule pendant les périodes de transition des conditions normoxiques aux conditions anoxiques lorsque les poissons migrent vers le bas dans le minimum d’oxygène pendant les heures de jour et à nouveau lorsque les poissons migrent vers le haut vers l’oxygène plus élevé des eaux de surface la nuit. La navette du malate peut faire entrer ou sortir le NADH dans la mitochondrie en fonction des besoins cellulaires en pouvoir réducteur.

Les espèces de poissons-lanternes du California Borderland et de l’Antarctique ont montré des tendances similaires à leurs confamiliales de la mer d’Arabie et du golfe du Mexique, avec la réserve que la température ainsi que l’oxygène influencent les résultats. Electrona antarctica, le migrateur vertical le plus fort et le plus actif parmi les espèces de l’Antarctique, a également montré l’activité LDH la plus élevée, donnant à l’ensemble des espèces de l’Antarctique une valeur significativement plus élevée que celles de la Californie à la même température de test. L’influence de l’adaptation à la température chez un poisson actif robuste (Torres et Somero, 1988b ; Yang et Somero, 1993 ; Vetter et Lynn, 1997) est l’explication la plus probable de sa valeur élevée. Si l’activité LDH d’Electrona est considérée à sa température environnementale de 0°C, soit la moitié de la valeur du Tableau 1 (54 U g-1 de masse humide), elle se situe carrément dans la fourchette moyenne des valeurs pour les espèces californiennes à 10°C, soulignant l’influence à la hausse de l’adaptation à la température sur l’activité LDH d’Electrona. Ni l’activité CS ni l’activité MDH n’ont montré de différences significatives entre les espèces californiennes et antarctiques à la température d’essai de 10°C, bien que les valeurs moyennes pour les espèces californiennes aient été plus élevées dans les deux cas.

L’activité ADH était significativement plus élevée chez les espèces californiennes malgré l’influence de la température d’essai, qui, comme pour la LDH, aurait eu tendance à fausser les valeurs antarctiques vers le haut. En ce qui concerne l’ADH, l’influence la plus probable sur les activités enzymatiques globales a été le minimum d’oxygène de la Californie, qui à son cœur (700 m ; Fig. 1) présente une valeur de 0,2 ml l-1. Les migrations verticales des poissons-lanternes de Californie les amèneraient à des valeurs diurnes d’oxygène comprises entre 0,5 et 1,0 ml l-1 (16-32 Torr, ∼2,1-4,2 kPa), bien en deçà de leurs capacités à extraire efficacement l’oxygène (cf. Torres et al, 1979 ; Donnelly et Torres, 1988).

Les poissons-lanternes de la mer d’Arabie et du California Borderland rencontrent des concentrations en oxygène nulles ou quasi nulles à leurs profondeurs diurnes, après une nage d’au moins 5000 longueurs de corps pendant leur excursion vers le bas (en supposant une nage minimale de 300 m et une longueur de corps d’environ 5 cm ; tableau 1). Leur recours le plus efficace sur le plan énergétique serait de maintenir l’activité de nage dans le minimum d’oxygène au niveau le plus bas possible afin de minimiser le besoin d’anaérobiose. La plupart des anaérobies facultatifs (par exemple les bivalves) (Hochachka, 1980 ; Hochachka et Somero, 2002) présentent un ralentissement marqué de l’activité pendant l’anaérobiose en raison du coût énergétique élevé des voies anaérobies, même les plus efficaces. Une activité minimale minimise l’utilisation de l’énergie stockée. Associée à l’utilisation de la voie ADH, l’accumulation de produits finaux est également minimisée par l’excrétion d’éthanol par les branchies, tout en maintenant l’équilibre redox dans les cellules musculaires. L’excursion vers le haut au crépuscule dans des eaux normoxiques peut alors être initiée avec une  » ardoise métabolique  » relativement propre, la navette du malate aidant à la transition comme décrit ci-dessus.

La migration verticale du diable est une adaptation affichée par de nombreuses espèces de zooplancton et de micronecton en plus des poissons-lanternes (Hopkins et al., 1994 ; Hopkins et al., 1996 ; Robinson et al., 2010), probablement pour minimiser la prédation visuelle. L’acuité visuelle et le risque d’attaque par des prédateurs visuels étant fortement accrus pendant la journée, de nombreux animaux ne pénètrent dans les eaux de surface riches en nourriture que la nuit, migrant vers les profondeurs plus sombres à l’aube. Les espèces qui résident dans des minima d’oxygène ou qui y migrent font face à une caractéristique physique stable (Stramma et al., 2008) qui peut être traitée par une adaptation physiologique et biochimique. Dans le cas des poissons-lanternes étudiés dans le présent travail, le minimum d’oxygène fournit un refugium contre les prédateurs pélagiques qui auraient la même difficulté à chasser dans les minima d’oxygène de la mer d’Arabie ou de la frontière californienne que dans les zones mortes de l’océan côtier.

Les poissons d’eau moyenne de l’océan ouvert diffèrent considérablement des poissons côtiers et d’eau douce dans le moment et le caractère de leur exposition à un oxygène faible ou nul. L’anaérobie de piscine le plus accompli (et le mieux étudié), la carpe crucienne, subit un séjour prévisible à zéro oxygène pendant les mois d’hiver dans son habitat d’origine en Asie centrale et en Europe (Vornanen et Paajanen, 2004). Les individus qui vivent dans de petits étangs eutrophes passent l’hiver sous la glace et la neige qui empêchent les échanges atmosphériques, ce qui entraîne des périodes d’anoxie qui peuvent durer 90 jours ou plus (Piironen et Holopainen, 1986). Le fait que l’exposition à l’anoxie soit un événement saisonnier permet à l’ajustement métabolique et morphologique de se produire avant la chute de l’oxygène environnemental. L’ajustement métabolique comprend l’accumulation de glycogène dans le foie, les muscles, le cerveau et le cœur pour alimenter le besoin d’activité anaérobie. Les ajustements morphologiques comprennent une augmentation du nombre de lamelles branchiales, ce qui multiplie par 7 la surface des branchies (Vornanen et al., 2009) pour faciliter l’échange d’oxygène. Le plus étonnant est peut-être le fait que le cœur et le cerveau de la carpe crucian restent entièrement fonctionnels pendant l’anoxie, une stratégie unique parmi les vertébrés, permettant à l’éthanol évacué des tissus musculaires d’être livré à l’excrétion au niveau des branchies, et la distribution du glucose des réserves du foie aux sites qui en ont besoin (Vornanen et al., 2009).

Les poissons marins côtiers rencontrent l’hypoxie dans une variété de situations naturelles et influencées par l’homme. Les bassins ou les canaux de marée dans les zones où la végétation est en décomposition, comme dans les peuplements de mangrove, ou dans les zones intertidales avec de la boue riche en matières organiques, peuvent devenir anoxiques à marée basse, exposant parfois les espèces indigènes au sulfure (Bagarinao et Vetter, 1989 ; Graham, 1997 ; Geiger et al., 2000). Chez les poissons qui sont équipés pour le faire, la respiration aérienne est une option viable pour minimiser les effets de l’anoxie et de l’exposition aux sulfures (Graham, 1997 ; Geiger et al., 2000). D’autres exploitent l’option biochimique de l’oxydation mitochondriale du sulfure pour minimiser ses effets toxiques, comme les espèces des cheminées hydrothermales (Bagarinao et Vetter, 1989). Dans la plupart des systèmes hypoxiques naturels, les excursions à zéro oxygène sont soit épisodiques, comme dans les bassins de marée des mangroves, soit se produisent régulièrement à marée basse pendant les mois les plus chauds de l’année. Ces situations sont prévisibles et suffisamment fréquentes pour faire l’objet d’une adaptation physiologique. Les espèces qui vivent dans des environnements soumis à une hypoxie naturelle sont physiologiquement prêtes à y faire face.

Les événements hypoxiques induits ou renforcés par l’anthropogénèse, ou zones mortes, se produisent avec une plus grande régularité dans les océans et les baies côtières d’Amérique du Nord, d’Europe et d’Asie (Diaz et Rosenberg, 2008). Les zones mortes sont généralement associées à l’écoulement de nutriments et à la stratification estivale dans les systèmes marins peu profonds (Diaz et Breitburg, 2009 ; Rabalais et al., 2002). La charge en nutriments accélère la production, et le mélange vers le bas de l’oxygène atmosphérique est inhibé par la stratification de la colonne d’eau. Sous la couche mixte, la dégradation microbienne de la matière organique coulante appauvrit gravement l’oxygène, éliminant dans certains cas toute valeur de l’habitat du fond et du proche fond (Diaz et Breitburg, 2009). La survie des poissons dans les zones hypoxiques est déterminée par l’efficacité des espèces à éliminer l’oxygène à une PO2 réduite (Chapman et McKenzie, 2009 ; Perry et al., 2009 ; Richards, 2009), qui varie considérablement d’un taxon à l’autre (Richards, 2009). En aucun cas, l’anaérobiose prolongée n’est utilisée par les poissons comme stratégie pour faire face aux zones mortes.

S’il y a des quantités faibles mais constantes d’oxygène dans l’eau, comme dans une zone de minimum d’oxygène, les animaux ont développé des mécanismes pour l’extraire et l’utiliser. Trois mécanismes sont l’augmentation de la surface des branchies, un système circulatoire efficace et un pigment sanguin à haute affinité. De grandes surfaces branchiales ont été mesurées chez les poissons qui vivent dans la couche de minimum d’oxygène du courant de Californie (Ebeling et Weed, 1963 ; Gibbs et Hurwitz, 1967). Gnathophausia ingens, un crustacé lophogastride résidant dans cette zone, en plus de posséder des branchies hautement développées et un système circulatoire efficace (Childress, 1971 ; Belman et Childress, 1976), possède une hémocyanine de haute affinité avec un grand effet de Bohr positif et une haute coopérativité. Elle est capable de charger l’oxygène à une pression partielle de 6 Torr (∼0,8 kPa) ; sa forte coopérativité permet au pigment de décharger l’oxygène au niveau des tissus à travers un très petit gradient de diffusion (Sanders et Childress, 1990).

Les poissons-lanternes constituent une famille de poissons pélagiques spécios et pan-globaux, dont la grande majorité sont des migrateurs verticaux (Nelson, 2006 ; Smith et Heemstra, 1991). Leurs distributions géographiques incluent tous les minima d’oxygène océaniques sévères, dont deux ont été traités dans la présente étude. Nous proposons que, plutôt que d’utiliser la stratégie des espèces qui restent en permanence dans les parties les plus sévères de la couche de minimum d’oxygène, ce qui nécessite un investissement physiologique et morphologique considérable (Childress et Seibel, 1998), ils sont capables d’utiliser la voie ADH pour minimiser l’accumulation de produits finaux tout en utilisant l’anaérobiose pendant une partie de la journée pour faire face aux demandes du minimum d’oxygène. La stratégie anaérobie rappelle celle utilisée par les espèces intertidales pendant les marées basses (cf. Hochachka, 1980 ; Torres et al., 1977), mais avec l’avantage d’une entrée plus prévisible et contrôlable dans le bas niveau d’oxygène. C’est le premier rapport de l’activité de l’ADH dans le muscle des poissons autres que le poisson rouge et la carpe, une stratégie anaérobie largement ignorée qui pourrait être plus répandue.