Adattamenti metabolici all’ipossia Prof. Giorgio Sartor Copyright © by Giorgio Sartor. All rights reserved. L06 - Versione 1.1 – may 2011

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia2 Ipossia e anossia Ambienti e situazioni di carenza di ossigeno: –Emersione durante le maree –Paludi e zone fangose –Lagune mareali

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L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia4 Distribuzione spaziale Bentos –Animali che vivono sul fondo o nel sedimento Necton –Animali che nuotano

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L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia7 Adattamento respiratorio

Metabolismo glucidico

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia9 Ossigeno Quali sono i benefici dell’ossigeno? Cosa succede se la concentrazione di ossigeno diminuisce? –Ci si conforma, –si regola o –si evita

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia10 Batteri denitrificanti Evitano l’ossigeno e usano il nitrato come accettore di elettroni Glucoso + 6O 2  6CO 2 + 6H 2 O G°’ = -686 kcal Glucoso + 4.8NO H +  6CO N H 2 O G°’ = -638 kcal

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia11 Respirazione del nitrato-nitrito e denitrificazione Il sistema enzimatico per i due processi si è evoluto in condizioni anaerobiche o a bassissima concentrazione di ossigeno I passaggi chiave sono INIBITI dall’ossigeno e procedono SOLO in assenza di ossigeno Da un punto di vista enzimatico è una situazione simile all’aerobiosi: –Il glucosio viene convertito in CO 2 e H 2 O attraverso la glicolisi ed il ciclo di Krebs –Il trasporto di elettroni è accoppiato alla sintesi di ATP –Usa differenti citocromi per ridurre il NADH e il FADH 2.

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L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia13 Nitrato reduttasi La nitrato reduttasi citosolica trasferisce due elettroni dal NADH al nitrato. Contiene come cofattori: –FAD –Cofattore molibdeno –Citocromo b 577

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia14 Nitrato reduttasi

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia15 Nitrato reduttasi Dominio catalitico Cofattore molibdeno

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia16 Nitrato reduttasi La nitrato reduttasi citosolica trasferisce due elettroni dal NADH al nitrato. La catena di trasferimento elettronico:

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia17 Nitrito reduttasi

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia18 Nitrito reduttasi EC La nitrito reduttasi presente nei cloroplasti agisce attraverso la ferredossina ridotta dalla fotosintesi, Il trasferimento di elettroni coinvolge un gruppo siroeme nel quale il ferro complessa lo ione nitrito che viene ridotto a ione ammonio.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia19 Sommario Vera e propria respirazione anaerobica –Sintesi di ATP in assenza di ossigeno Il nitrato è l’accettore terminale di elettroni INVECE dell’ossigeno Ha le caratteristiche positive della respirazione aerobica.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia20 Ipossia Molti organismi possono utilizzare sistemi di produzione di ATP alternativi in carenza di ossigeno Possono REGOLARE –Aumentano l’estrazione e la distribuzione dell’ossigeno per mantenere la respirazione aerobica per produrre ATP Possono CONFORMARE –Diminuiscono la richiesta di ATP (metabolismo ridotto) –Generano ATP attraverso vie fermentative.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia21 Tolleranti Organismi che riescono a tollerare l’ipossia.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia22 Come fanno gli animali a difendersi dall’ipossia? Prima linea di difesa: la fisiologia Miglioramento della distribuzione/estrazione di ossigeno per compensarne la carenza. –Risposta immediata Aumento della ventilazione Aumento della circolazione –Acclimatazione Modifica del volume sanguigno Modifica/regolazione dei pigmenti respiratori (Hb, Mb, Hc)

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia23 Sabbia e fango Arenicola Popola le spiagge sabbiose e fangose Ricchi di emoglobina che permette l’ossigenazione durante la bassa marea. Passa quindi all’anaerobiosi producendo acetato, propionato e succinato All’alta marea elimina gli acidi carbossilici.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia24 Fango Pista pacifica –Anellide –Ha tre differenti emoglobine con diversa affinità per O 2

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia25 Bassa marea Callinectes sapidus (granchio blu) –si acclimata alle frequenti esposizioni alla carenza di ossigeno producendo una emocianina ad alta affinità per l’ossigeno.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia26 Vivere nella corrente Il consumo dell’ossigeno è funzione della concentrazione dello stesso nell’ambiente per due pesci del genere Etheostoma. Etheostoma rufilineatum (Redline darter) –Vive in flussi di corrente molto veloci Etheostoma boschungi (Slack water darter) –Vive in flussi di corrente lenti

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia27 Vivere nella corrente Il consumo dell’ossigeno è funzione della concentrazione dello stesso nell’ambiente per due pesci del genere Etheostoma. Etheostoma rufilineatum (Redline darter) –Vive in flussi di corrente molto veloci Etheostoma boschungi (Slack water darter) –Vive in flussi di corrente lenti

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia28 Emoglobine di pesci Al contrario dei mammiferi nei pesci c’è una grande varietà di emoglobine e nel meccanismo di modulazione del legame con l’ossigeno per adattarsi alle differenti condizioni ambientali Convenzionalmente le emoglobine dei pesci si dividono in due categorie elletroforetiche: –Emoglobine “catodiche” con punto isoelettrico alto (pI ≥ 8) –Emoglobine “anodiche” con punto isolettrico basso (pI ≤ 8) Con differenti proprietà di modulazione del legame con l’O 2

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia29 Emoglobine di pesci L’anguilla europea (Anguilla anguilla) viene considerata come specie modello con due distinte emoglobine: Una Hb catodica la cui affinità con l’O 2 è debolmente influenzata dal pH (piccolo effetto Bohr) Una Hb anodica che ha una minore affinità per l’O 2 e con un grande effetto Bohr e Root. Oltre a nuotare, striscia.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia30 Strategie di regolazione Se l’episodio ipossico non è severo viene mantenuto il metabolismo aerobico: –Aumento della ventilazione e il flusso sanguigno –Modulazione dei pigmenti respiratori per massimizzare il rilascio di ossigeno ai tessuti. –Entrambi sono adattamenti aerobi in un ambiente aerobico. Quando il sistema non è più sostenibile: –Riduzione del metabolismo –Fermentazione (anaerobiosi)

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia31 Strategie di conformazione Siphonaria Riduce il proprio metabolismo al 18% del normale quando emersa. Siphonaria laciniosa

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia32 Strategie di conformazione Patella Durante la bassa marea attiva il metabolismo anaerobico.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia33 Strategie di conformazione Petrolisthes I granchi porcellana sono sia di spiaggia alta che bassa ed affrontano l’emersione in modo diverso: –Le specie di spiaggia alta riducono il metabolismo –Le specie di spiaggia bassa passano alla fermentazione.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia34 Fermentazione È un insieme di reazioni che coinvolgono composti organici, CO 2, idrogeno molecolare o composti dello zolfo. In termini di energia è un processo meno efficiente della respirazione Il potenziale chimico rimane “intrappolato” nei prodotti finali I prodotti finali sono spesso pericolosi.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia35 Fermentazione La fermentazione è un processo che: Avviene al buio Non coinvolge la catena respiratoria né con l’ossigeno, né il nitrato come accettori di elettroni Da glucoso a lattato (o alanopina, octopina, etanolo, ecc…) Da CO 2 a metano Da solfato a solfuro

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia36 Fermentazione La fermentazione riesce a fornire l’energia necessaria? Molti batteri sono anaerobi facoltativi Molti invertebrati e vertebrati hanno vie fermentative modificate più efficienti in termini di energia e che producono prodotti meno tossici

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia37 Anaerobiosi Gli organismi attuano fondamentalmente tre strategie per affrontare il metabolismo anaerobico: –Produrre e immagazzinare glicogeno –Utilizzare vie fermentative più efficienti –Ridurre il metabolismo

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia38 Strategia 1. Produzione di glicogeno Principale substrato per la fermentazione Normalmente immagazzinandolo in un “deposito” centrale –Fegato nei vertebrati –Mantello o epatopancreas nei bivalvi Fornisce glucoso alle cellule Alcuni aminoacidi possono essere fermentati via glicogeno

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia39 Strategia 2 Utilizzare più efficienti fermentazioni

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L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia41 2ATP/mole glucoso

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia42 4ATP/mole glucoso

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia43 1ATP/mole aspartato

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia44 2ATP/mole aspartato

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia45 4ATP/mole glucoso

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia46 6ATP/mole glucoso

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia47 SubstratoProdotti Moli di ATP/mole di substrato Glucoso octopina, lisopina, alanopina strombina 2 GlucosoSuccinato4 GlucosoPropionato6 AspartatoSuccinato1 GlutamatoSuccinato1 GlutamatoPropionato2 AA a catena ramificata Acidi grassi volatili1 GlucosoAcetato4

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L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia49 Bivalvi Usano vie fermentative La via usata dipende dalla severità e dalla durata dello stato di ipossia/anossia –Produzione di calore in Mytilus edulis dopo rimozione dell’ossigeno dall’acqua.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia50 Bivalvi Inizio dell’emersione: da glucoso a succinato –4 ATP/glucoso Emersione prolungata: da glucoso a propionato –6 ATP/glucoso Inoltre: –Fermentazione di aminoacidi: La concentrazione di aspartato è pari a 15 uM/g in condizioni di ossigenazione Durante l’anossia viene fermentato a succinato Produce un’altra molecola di ATP Quindi 8 ATP per coppia di glucoso/aspartato

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia51 Bivalvi (Mytilus edulis)

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia52 Fermentazione e acidosi

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia53 Efficienza energetica dell’anaerobiosi Rapporto ATP/H + Parametri: –moli ATP prodotte/mole substrato –moli ATP prodotte/H + prodotto Assumendo un accoppiamento 1:1 con le ATPasi: –Da glucoso a lattato:1 mole ATP/mole H + –Da glicogeno a lattato:1.5 moli ATP/mole H + –Da glucoso a succinato:2 moli ATP/mole H + –Da glucoso a propionato:3 moli ATP/mole H + Un “buon” animale anaerobico è capace di formare tre volte più ATP per H + rispetto al muscolo di mammifero che usa la sola glicolisi.

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia54 Fermentazione e acidosi Il passaggio attraverso la via anaerobica genera un’acidosi dalla quale gli organismi si difendono: –Eliminazione durante l’alta marea –Effetto tampone dei pigmenti respiratori –Conversione in specie meno pericolose (etanolo) –Utilizzo della conchiglia per tamponare –Trasporto in un altro distretto –Conversione di AMP in IMP e NH 3 per tamponare

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia55 Acidosi L’aumento del rapporto ATP/H + è un vantaggio. Però l’acidificazione è graduale durante l’anossia ed intervengono altri meccanismi: –Soppressione della sintesi di ATP (metabolismo ridotto) –Alta capacità tampone –Detossificazione attraverso il metabolismo dei prodotti tossici in un altro distretto Esempio: pesce rosso e carpa –I tessuti producono lattato –Trasferito al muscolo bianco –Convertito in piruvato e quindi in etanolo –Rilasciato dalle branchie

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia56 Acidosi Minimizzare l’acidificazione utilizzando vie di consumo di H + A basso O 2 nel muscolo: AMP è convertito in IMP e NH 3 il quale è protonato a NH 4 + La concentrazione di IMP può crescere fino a 5 mM a pH 7 –Aspetto positivo: Buon sistema di protezione –Aspetto negativo: deplezione del pool dell’adenilato

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia57 Strategia 3. limitazione dell’uso dell’energia Tartaruga (Pseudemys) - immersione fino a quattro ore in acqua anossica

L06 V.1.1 gs © Adattamenti metabolici all’ipossia58 Referenze sul WEB Vie metaboliche –KEGG: Degradazione degli xenobiotici: Struttura delle proteine: –Protein data bank (Brookhaven): –Hexpasy Expert Protein Analysis System: Prosite (protein families and domains): Enzyme (Enzyme nomenclature database): –Scop (famiglie strutturali): Enzimi: –Nomenclatura - IUBMB: –Proprietà - Brenda: –Expasy (Enzyme nomenclature database): Database di biocatalisi e biodegradazione: Citocromo P450: Metallotioneine: Tossicità degli xenobiotici: Agency for Toxic Substances and Disease Registry

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