Metabolizm tlenowy i beztlenowy u ryb z warstwy minimum tlenowego: the role of alcohol dehydrogenase | Journal of Experimental Biology

DISCUSSION

Gatunki lanternfish z Morza Arabskiego i ich konfamiliale z Prądu Kalifornijskiego, Zatoki Meksykańskiej i Antarktydy są silnymi pionowymi migratorami, przemieszczającymi się z głębokości śródwodnych (200-1000 m), gdzie spędzają godziny dzienne, do wód przypowierzchniowych w nocy, gdzie żerują, najczęściej na zooplanktonie (Pearcy i in., 1977; Gjøsaeter, 1984; Torres i Somero, 1988a; Lancraft i in., 1989; Hopkins i Gartner, 1992; Luo i in., 2000). Pionowa migracja jest strategią żerowania wykorzystywaną przez ryby latarniowe na całym świecie (Robinson et al., 2010), co czyni cztery regiony objęte niniejszym badaniem naturalnymi systemami eksperymentalnymi, które różniły się znacząco w profilach rozpuszczonego tlenu i temperatury, ale bardzo nieznacznie w codziennych zwyczajach ich wspólnych gatunków. Tak więc, obiekty doświadczalne dla wszystkich czterech regionów były ekologicznymi analogami. Fizjologiczne odpowiedzi na dwie ważne zmienne fizyczne, tlen i temperaturę, były w grze.

W obrębie Morza Arabskiego i Zatoki Meksykańskiej, tlen był wyraźnie zmienną fizyczną o największym wpływie. Profile temperatury w tych dwóch systemach były praktycznie identyczne (Rys. 1), ale profile tlenu różniły się radykalnie. W systemie Morza Arabskiego, tlen znikał na głębokości 200 m i pozostawał na poziomie zerowym do głębokości 1000 m, podczas gdy w Zatoce Meksykańskiej, tlen spadał do około połowy wartości powierzchniowych (nasycenie powietrzem) w tym samym zakresie (Rys. 1). W obu systemach ryby przebywały w minimum tlenowym w godzinach dziennych. Jednakże, w Morzu Arabskim myctophids byłyby ograniczone do beztlenowości, ale w Zatoce Meksykańskiej stężenia tlenu mieściły się w normoksycznym zakresie dla myctophids (Donnelly i Torres, 1988). Biochemiczne strategie gatunków dotyczące radzenia sobie z ich odpowiednimi profilami tlenowymi są odzwierciedlone w ich aktywności enzymatycznej. Aktywność LDH, enzymu końcowego w szlaku glikolitycznym podczas beztlenowej biosyntezy, jest około trzykrotnie wyższa u ryb z Morza Arabskiego niż u ryb z Zatoki Meksykańskiej, co sugeruje silną zdolność do pracy w warunkach beztlenowych (Rys. 2). Dla kontrastu, znacznie wyższa aktywność CS u ryb z Zatoki Meksykańskiej wskazuje na strategię wysoce tlenową, możliwą dzięki łagodnemu minimum tlenowemu występującemu w Zatoce Meksykańskiej. Aktywność ADH u ryb z Morza Arabskiego była również około trzykrotnie wyższa od obserwowanej u ryb z Zatoki Meksykańskiej, co daje rybom biochemiczną maszynerię do konwersji mleczanu, który nie może być wydalany przez skrzela, do etanolu, który może być wydalany (Shoubridge i Hochachka, 1980; Vornanen i in., 2009).

Obecny model konwersji mleczanu do etanolu u złotych rybek i karpi (np. Shoubridge i Hochachka, 1980; Vornanen i in., 2009) wymaga najpierw, aby mleczan był utleniony do pirogronianu w obecności NADH, termodynamicznie pod górę (ΔG′°=+25.1 kJ mol-1) (Lehninger, 1970). Pirogronian jest następnie przekształcany do aldehydu octowego w mitochondrium przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, z uwolnieniem CO2. Aldehyd octowy jest następnie redukowany do etanolu przez ADH w obecności NADH (ryc. 4). Biochemiczna maszyneria do tworzenia etanolu znajduje się wyłącznie w mięśniu pływackim, który przetwarza nie tylko mleczan powstający w mięśniu, ale także ten produkowany przez inne tkanki, takie jak mózg, wątroba i serce, a dostarczany do mięśnia przez krwioobieg (Shoubridge i Hochachka, 1980; Vornanen i in., 2009) (Ryc. 4). Aktywność ADH stwierdzona w mięśniach ryb z Morza Arabskiego sugeruje podobną strategię.

Mięsień szkieletowy ryb odgrywa ważną rolę w powysiłkowym przetwarzaniu mleczanu poprzez szlaki glukoneogenne i glikogenne, co znacznie różni się od sytuacji u ssaków, gdzie enzymatyczna maszyneria do regeneracji glukozy znajduje się głównie w wątrobie (Suarez i in., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996). Mięśnie ryb są zatem bardziej wielofunkcyjne niż mięśnie ssaków, posiadają szerszy wachlarz enzymów i większą elastyczność metaboliczną niż mięśnie ssaków, w tym większy potencjał biosyntezy (Gleeson, 1996). Wykazano, że mięśnie szkieletowe ryb sekwestrują mleczan po wysiłku (Gleeson, 1996), ułatwiając regenerację glukozy w mięśniach i zwiększając regenerację powysiłkową. W przypadku złotej rybki, karasia, a obecnie rybki latarniczej, metaboliczna elastyczność zestawu enzymów mięśniowych pozwala na nowe rozwiązania biochemiczne problemu beztlenowości.

Aktywność MDH była również znacznie wyższa u ryb z Morza Arabskiego niż u tych z Zatoki Meksykańskiej, ale wielorakie role MDH w komórce sprawiają, że wyjaśnienie tego jest znacznie mniej proste. Tkanka mięśniowa była homogenizowana za pomocą homogenizatorów ze szkła mielonego, co pozwoliłoby zarówno cytozolowej jak i mitochondrialnej MDH być aktywną w koktajlu testowym. Aktywność podana w Tabeli 1 była zatem połączeniem aktywności MDH z dwóch przedziałów komórkowych. W metabolizmie tlenowym, MDH jest wyraźnie ważna jako enzym katalizujący tworzenie oksalooctanu w cyklu Krebsa. Ponadto, w warunkach tlenowych, cytozolowa i mitochondrialna MDH pracują w tandemie, aby przenieść równoważniki redukujące powstałe w wyniku glikolizy do mitochondrium w celu przetworzenia ich w systemie transportu elektronów, co jest konieczne ze względu na nieprzepuszczalność błony mitochondrialnej dla cytozolowego NADH. Trzecią rolą MDH jest katalizowanie ważnego etapu w konwencjonalnym szlaku glukoneogenicznym. Tak się składa, że w mięśniach ryb glukoneogeneza przebiega niemal bezpośrednio w odwrotnym kierunku niż glikoliza (Suarez i in., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996) i MDH nie jest ważnym uczestnikiem.

Co jest najbardziej prawdopodobne jest to, że MDH pomaga w utrzymaniu równowagi redox w komórce w okresach przejścia z normoxic do warunków anoksycznych jak ryby migrują w dół do minimum tlenu w ciągu dnia i ponownie jak ryby migrują w górę w kierunku wyższego tlenu wód powierzchniowych w nocy. The jabłczan wahadło może przenieść NADH albo do lub z mitochondrium w zależności od potrzeb komórkowych dla reducing power.

Lanternfish gatunki Kalifornii Borderland i Antarktyki wykazały podobne tendencje do ich confamilials Morza Arabskiego i Zatoki Meksykańskiej, z zastrzeżeniem, że temperatura, jak również tlen wpłynęły na wyniki. Electrona antarctica, najsilniejszy i najbardziej aktywny pionowy migrator wśród gatunków antarktycznych, wykazał również najwyższą aktywność LDH, dając gatunkom antarktycznym jako całości znacznie wyższą wartość niż gatunkom z Kalifornii w tej samej temperaturze badania. Wpływ adaptacji do temperatury u silnie aktywnej ryby (Torres i Somero, 1988b; Yang i Somero, 1993; Vetter i Lynn, 1997) jest najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jej wysokiej wartości. Jeśli aktywność LDH u Electrona jest rozpatrywana w temperaturze środowiska 0°C, lub połowie wartości z Tabeli 1 (54 U g-1 mokrej masy), to znajduje się ona dokładnie w średnim zakresie wartości dla gatunków kalifornijskich w 10°C, podkreślając wzrostowy wpływ adaptacji temperaturowej na aktywność LDH u Electrona. Ani CS, ani aktywność MDH nie wykazywały znaczących różnic między gatunkami kalifornijskimi i antarktycznymi w temperaturze badania 10°C, chociaż średnie wartości dla gatunków kalifornijskich były wyższe w obu przypadkach.

Aktywność ADH była znacząco wyższa u gatunków kalifornijskich pomimo wpływu temperatury badania, która, podobnie jak w przypadku LDH, miałaby tendencję do przechylania wartości antarktycznych w górę. W przypadku ADH najbardziej prawdopodobny wpływ na ogólną aktywność enzymów miało kalifornijskie minimum tlenowe, które w swoim rdzeniu (700 m; ryc. 1) wykazuje wartość 0,2 ml l-1. Pionowe migracje latarniowców kalifornijskich doprowadziłyby je do wartości tlenu w ciągu dnia w zakresie od 0,5 do 1,0 ml l-1 (16-32 Torr, ∼ 2,1-4,2 kPa), znacznie poniżej ich zdolności do efektywnego pozyskiwania tlenu (por. Torres i in., 1979; Donnelly i Torres, 1988).

Lanternfishes z Morza Arabskiego i Pogranicza Kalifornijskiego napotykają zerowe lub bliskie zeru stężenia tlenu na swoich dziennych głębokościach, po przepłynięciu co najmniej 5000 długości ciała podczas ich wycieczki w dół (zakładając minimalne pływanie 300 m i długość ciała około 5 cm; Tabela 1). Ich najbardziej efektywnym energetycznie rozwiązaniem byłoby utrzymanie aktywności pływackiej w obrębie minimum tlenowego na najniższym możliwym poziomie, tak aby zminimalizować potrzebę anaerobiozy. Większość fakultatywnych beztlenowców (np. małże) (Hochachka, 1980; Hochachka i Somero, 2002) wykazuje wyraźny spadek aktywności podczas anaerobiozy, co wynika z wysokich kosztów energetycznych nawet najbardziej wydajnych szlaków beztlenowych. Minimalna aktywność minimalizuje wykorzystanie zmagazynowanej energii. W połączeniu z wykorzystaniem szlaku ADH, akumulacja produktów końcowych byłaby również zminimalizowana przez wydalanie etanolu przez skrzela, przy jednoczesnym utrzymaniu równowagi redoks w komórkach mięśniowych. The excursion up up at dusk into normoxic waters can then be initiated with a relatively clean 'metabolic slate’ with the malate shuttle aiding in the transition as described above.

Diel vertical migration is an adaptation displayed by many species of zooplankton and micronekton in addition to the lanternfishes (Hopkins et al., 1994; Hopkins et al., 1996; Robinson et al., 2010), presumably to minimize visual predation. Ponieważ ostrość widzenia i ryzyko ataku drapieżników wzrokowych są znacznie zwiększone w ciągu dnia, wiele zwierząt wpływa do bogatych w pokarm wód powierzchniowych tylko w nocy, migrując do ciemniejszych głębin o świcie. Gatunki przebywające w obrębie minimów tlenowych, lub migrujące do nich, radzą sobie ze stabilną cechą fizyczną (Stramma i in., 2008), która może być zaadaptowana fizjologicznie i biochemicznie. W przypadku lanternfishes badanych w niniejszej pracy, minimum tlenowe zapewnia refugium od pelagicznych drapieżników, które miałyby takie same trudności w polowaniu w minimach tlenowych Morza Arabskiego lub Pogranicza Kalifornijskiego, jak w martwych strefach oceanu przybrzeżnego.

Środkowodne ryby otwartego oceanu różnią się znacznie od ryb przybrzeżnych i słodkowodnych w czasie i charakterze ich ekspozycji na niski lub zerowy poziom tlenu. Najbardziej urzeczywistniony piscine beztlenowiec (i najlepiej zbadany), karp, przechodzi przewidywalny pobyt przy zerowej zawartości tlenu w miesiącach zimowych w jego rodzimym siedlisku w środkowej Azji i Europie (Vornanen i Paajanen, 2004). Osobniki zamieszkujące małe eutroficzne stawy zimują pod pokrywą lodu i śniegu, które uniemożliwiają wymianę atmosferyczną, co skutkuje okresami anoksji, które mogą trwać 90 dni lub dłużej (Piironen i Holopainen, 1986). Fakt, że narażenie na anoksję jest wydarzeniem sezonowym pozwala na metaboliczne i morfologiczne dostosowanie, które może nastąpić przed spadkiem ilości tlenu w środowisku. Dostosowanie metaboliczne obejmuje nagromadzenie glikogenu w wątrobie, mięśniach, mózgu i sercu w celu zaspokojenia potrzeby aktywności beztlenowej. Dostosowania morfologiczne obejmują zwiększenie liczby blaszek skrzelowych, co skutkuje 7-krotnym zwiększeniem powierzchni skrzeli (Vornanen i in., 2009) w celu ułatwienia wymiany tlenu. Być może najbardziej zdumiewający jest fakt, że serce i mózg karpia pozostają w pełni funkcjonalne podczas anoksji, co jest strategią unikalną wśród kręgowców, pozwalającą na dostarczenie etanolu wypłukanego z tkanek mięśniowych w celu wydalenia go przez skrzela oraz dystrybucję glukozy z zapasów wątroby do miejsc, w których jest ona potrzebna (Vornanen i in., 2009).

Przybrzeżne ryby morskie spotykają się z hipoksją w różnych naturalnych i antropogenicznie uwarunkowanych sytuacjach. Baseny pływowe lub kanały w obszarach, które mają rozkładającą się roślinność, jak w drzewostanach namorzynowych, lub w obszarach międzypływowych z organicznie bogatym mułem, mogą ulec anoksji podczas odpływu, czasami narażając rodzime gatunki na działanie siarczków (Bagarinao i Vetter, 1989; Graham, 1997; Geiger et al., 2000). U tych ryb, które są do tego przystosowane, oddychanie powietrzem jest realną opcją minimalizującą skutki anoksji i narażenia na siarczki (Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Inne wykorzystują biochemiczną opcję mitochondrialnego utleniania siarczku w celu zminimalizowania jego toksycznych efektów, podobnie jak gatunki w kominkach hydrotermalnych (Bagarinao i Vetter, 1989). W większości naturalnie występujących systemów hipoksyjnych, skoki do zera tlenu są albo epizodyczne, jak w basenach pływowych namorzynów, albo występują regularnie podczas odpływu w cieplejszych miesiącach roku. Sytuacje te są na tyle przewidywalne i częste, że można się do nich przystosować fizjologicznie. Gatunki, które żyją w środowiskach podlegających naturalnej hipoksji są fizjologicznie przygotowane do radzenia sobie z nią.

Antropogenicznie wywołane lub wzmocnione zdarzenia hipoksyjne, lub martwe strefy, występują z większą regularnością w przybrzeżnych oceanach i zatokach Ameryki Północnej, Europy i Azji (Diaz i Rosenberg, 2008). Martwe strefy są zwykle związane ze spływem substancji odżywczych i letnią stratyfikacją w płytkich systemach morskich (Diaz i Breitburg, 2009; Rabalais i in., 2002). Obciążenie składnikami pokarmowymi przyspiesza produkcję, a mieszanie tlenu atmosferycznego jest hamowane przez stratyfikację słupa wody. Poniżej warstwy mieszanej, mikrobiologiczna degradacja opadającej materii organicznej poważnie uszczupla tlen, w niektórych przypadkach usuwając wszystkie wartości z siedliska dennego i przydennego (Diaz i Breitburg, 2009). Przetrwanie ryb w strefach hipoksji zależy od skuteczności gatunków w usuwaniu tlenu przy obniżonym PO2 (Chapman i McKenzie, 2009; Perry i in., 2009; Richards, 2009), która różni się znacznie w zależności od taksonu (Richards, 2009). W żadnym przypadku długotrwała beztlenowość nie jest wykorzystywana przez ryby jako strategia radzenia sobie z martwymi strefami.

Jeśli w wodzie znajdują się małe, ale stałe ilości tlenu, takie jak w strefie minimum tlenowego, zwierzęta wykształciły mechanizmy jego pozyskiwania i wykorzystywania. Trzy mechanizmy to zwiększona powierzchnia skrzeli, wydajny system krążenia i pigment krwi o wysokim powinowactwie. Duże powierzchnie skrzeli zostały zmierzone u ryb, które zamieszkują warstwę minimum tlenowego Prądu Kalifornijskiego (Ebeling i Weed, 1963; Gibbs i Hurwitz, 1967). Gnathophausia ingens, skorupiak z rodziny lophogastrid zamieszkujący ten obszar, oprócz wysoko rozwiniętych skrzeli i wydajnego systemu krążenia (Childress, 1971; Belman i Childress, 1976), posiada hemocyaninę o wysokim powinowactwie z dużym dodatnim efektem Bohra i wysoką kooperatywnością. Jest w stanie załadować tlen przy ciśnieniu parcjalnym 6 Torr (∼0,8 kPa); jej wysoka kooperatywność pozwala pigmentowi rozładować tlen w tkankach przez bardzo mały gradient dyfuzji (Sanders i Childress, 1990).

Lanternfishes obejmują okazową, panglobalną rodzinę ryb pelagicznych, z których zdecydowana większość jest pionowymi migrantami (Nelson, 2006; Smith i Heemstra, 1991). Ich geograficzne rozmieszczenie obejmuje wszystkie poważne oceaniczne minima tlenowe, z których dwa zostały uwzględnione w niniejszym opracowaniu. Proponujemy, że zamiast wykorzystywać strategię tych gatunków, które pozostają na stałe w najsurowszych częściach warstwy minimum tlenowego, co wymaga znacznych inwestycji fizjologicznych i morfologicznych (Childress i Seibel, 1998), są one zdolne do wykorzystania szlaku ADH w celu zminimalizowania akumulacji produktów końcowych przy jednoczesnym wykorzystaniu anaerobiozy przez część dnia, aby sprostać wymaganiom minimum tlenowego. Strategia beztlenowa przypomina tę stosowaną przez gatunki międzypływowe podczas odpływów (por. Hochachka, 1980; Torres et al., 1977), ale jej zaletą jest bardziej przewidywalne i kontrolowane wejście w stan niskiego poziomu tlenu. Jest to pierwsze doniesienie o aktywności ADH w mięśniach ryb innych niż złote rybki i karpie, w dużej mierze niedostrzegana strategia beztlenowa, która może być bardziej rozpowszechniona.

.