Obrana proti nebezpečným účinkům UV

Transkript

1 Obrana proti nebezpečným účinkům UV

2 Samozastínění Bischof et al. (2002) Ulva sp.

3 screening

4 Není jasné, jestli mají pasivní UV screening Z chemické povahy by mohly konjugované dvojné vazby musely by ale být kratší 13Z-cis izomer astaxantinu Remias & Lütz (2007) Karotenoidy?

5 Chlamydomonas nivalis Remias et al. (2010)

6 Mykosporinu podobné aminokyseliny (MAAs) Velmi hojné, bezbarvé, ve vodě rozpustné Max absorbce v UV oblasti ( ) Syntéza: shikimate pathway Chybí u hnědých; typický u ruduch, sinic, obrněnek, rozsivek, haptofyt, lišejníků Některé i jako antioxidanty či osmolyty

7

8 Kitzing et al. (2013) Klebsormidium fluitans

9 Fenolické látky Typické pro vyšší rostliny - flavonoidy Florotaniny v hnědých makrořasách Kumariny u sifonálních zelených řas Pigmentované vakuoly některých Zygnematophyceae

10 Florotaniny Max UVC a UVB (max 195 a 265) Další funkce: proti herbivorům, zesiluje BS Ve fysodech a v BS Tetrafukol (Ascophyllum)

11 Fysody Holzinger et al. (2011) Saccharina latissima

12 Kumariny Perez-Rodriguez et al. (2001) Dasycladus vermicularis

13 Fenolické látky u Zygnematophyceae Mesotaenium berggrenii purpurogallin carboxylic acid-6-o-b-d-glucopyranoside

14 Zygogonium ericetorum

15 scytonemin

16 Algaenan V BS mnoha řas zelené kokální, zygoty Coleochaete, zygospory Zygnematophyceae Stancheva et al. (2013)) Poulíčková et al. (2007)

17 Oprava DNA Fotoreaktivace Excision repair

18 Osmotický stres, vysychání, zamrzání

19 Voda v buňce Voda v buňce: 1. chemicky vázaná 2. nekovalentně vázaná na ionty a makromolekuly díky dipólu 3. ve vakuolách 4. v apoplastu Důležitá pro všechny metabolické procesy Hydratace proteinů zásadní pro zachování jejich 3D struktury a stability:

20 Voda v buňce Vodní potenciál = chemický potenciál vody vztažený na jednotku molárního objemu 3 složky: 1. Osmotický potenciál 2. Turgor 3. Gravitace Turgor vnitřní hydrostatický tlak buňky, nezbytný pro růst, udržení tvaru, vzpřímené pozice ve vodě apod. Když není turgor, vodní poteciál je roven osmotickému potenciálu Plně hydratovaná buňka bude mít maximální možný osmotický potenciál pokud BS, udržuje konstantní turgor, pokud ne, tak konstantní tvar

21 Složky vodního potenciálu: Plantphys.info

22 Voda v buňce Voda proudí do míst s nižším vodním potenciálem Dehydrace buňky snižování buněčného osmotického potenciálu Osmotický stres je důsledkem salinity, vysychání i mrazu, proto jsou tyto stresy podobné Nad roztokem bude menší tlak páry než nad vodou

23 Osmotický stres Vnější zdroje změna osmotického tlaku prostředí např změna salinity nebo vysychání Rozdíl v působení roztoku cukrů a roztoku solí Řasy bez pevné buněčné stěny budou reagovat změnou objemu buňky Hraniční plazmolýza wikipedia

24 Salinita v přírodě V otevřeném moři stabilní koncentrace (35g/l NaCl) Hypersalinní prostředí i přes 300g/l Prostředí s kolísající salinitou: estuária, intertidální zóna, brakická voda, mořský led, jezera,...

25 Jak se bránit osmotickému stresu Žádný oxygenní autotrof neakumuluje sůl v koncentraci odpovídající prostředí média Osmotická aklimace regulace produkce rozpuštěných látek v buňce, aby stabilní turgor nebo tvar buňky když nemá BS Zápornější osmotický potenciál umožní buňce lépe zadržovat vodu

26 Druhy osmolytů u řas Ionty Organické osmolyty Uhlovodíky Cukry monosacharidy disacharidy Polyoly Heterosidy Aminokyseliny a jejich deriváty

27 Bisson & Kirst 1995

28 Ionty Na +, K +, Cl -, méně významné Mg 2+, Ca 2+ anionty (nitrát, fosfát) jsou metabolizovány, ale ve vysokých koncentracích jako osmolyty Efektivní, levné, rychlé a snadno regulovatelné vysoké koncentrace negativně ovlivňují metabolismus především ve vakuolách

29 Organické osmolyty Akumulace především při dlouhodobém stresu Po skončení stresu degradují na zásobní látky Řada řas akumuluje více než 1 osmolyt Vyrovnání osmotického stresu u mikrořas 1-2 hodiny, u makrořas 15-20x pomalejší Taxonomicky specifické

30 Compatible solutes Další funkce těchto látek, často nepřesně používané jako synonymum neovlivňují metabolismus ani při vysokých koncentracích Nemají celkový náboj Dobře rozpustné Ochrana proteinů a stabilizace membrán Mechanismy stabilizace ne úplně jasné

31 Polyoly Alkoholy obsahující více hydroxylových skupin Různé funkce v buňce: Osmolyty Compatible solutes Antioxidanty zhášení ROS Kryoprotektanty Substrát pro respiraci mannitol ribitol sorbitol glycerol

32 Glycerol Levný na syntézu 30 ATP Neomezeně rozpustný ve vodě Další funkce: ochrana proti zamrznutí Typický pro nejhypersalinnější řasy Zdá se být ideální proč není univerzální? 77ingredients.com Dunaliella salina

33 Cukry Jednoduché cukry nejsou časté mannóza např. u rozsivky Cylindrotheca fusiformis Pokud organismus produkuje více různých osmolytů, pak cukry jsou jen krátkodobou odpovědí na stres Trehalóza u anhydrobiontů, nahrazuje strukturně vodu v makromolekulách - vitrifikace Sacharóza stojí 109 ATP Sacharóza významná u některých mořských zelených makrořas nemají vůbec polyoly trehalóza sacharóza mannóza

34 Heterosidy Deriváty monosacharidů Ruduchy, Chrysophyceae

35 Dusíkaté látky Prolin (aminokyselina) rozsivky, zelené řasy Betainy metylované AK u sinic ty nejhalofilnější (Halothece, Halospirulina) produkují glycin betain, oproti tomu sladkovodní mají disacharidy prolin Glycin betain

36 DMSP Velký rozdíl v koncentraci mezi příbuznými skupinami a rody Jako osmolyt funguje až při dlouhodobém stresu Navíc funguje jako kryoprotektant: stabilizace proteinů, snižuje bod mrazu Výhodný v moři - např. Phaeocystis, Ceratium, Gyrodinium, Ulva

37 Typické osmolyty některých halofilních a halotolerantních sinic a řas Oren (2007)

38 Vysychání V zásadě podobné osmotickému stresu, ale: Při vysychání hraje kromě osmotického stresu roli tzv. matriční stres Na druhou stranu, nemění se poměr iontů anhydrobióza pravá tolerance

39 Související stres z osvětlení Gray et al. 2007

40 Schéma pro zelené řasy:

41 Extracelulární polysacharidy Knowles & Castenholz (2008)

42 Klebsormidium Aeroterestrické řasy Stres v cukerném roztoku: Ψ= 2.09 MPa Ψ= 1.67 MPa Kaplan et al. (2012)

43 Celkově ale málo rozpusných uhlovodíků (1,2% suché hmotnosti) Kaplan et al. (2012) Ve vyschlých vzorcích 3.6krát více organických osmolytů (Morison & Sheath) Stenohalinní Nemá polyoly Mechanická flexibilita

44 Cold acclimation Nagao et al. (2008)

45 Nagao et al. (2008)

46 Trebouxiophyceae polyoly: chemotaxonomický marker jednotlivých cladů Ribitol: Eliptochloris, Watanabea clade Sorbitol: Prasiola clade Apatococcus lobatus k ribitolu navíc erythritol Chlorella žádné Gustavs et al. (2006, 2011)

47 Trentepohlia: glycerol, erythritol, ribitol, arabitol, mannitol, volemitol

48 Mráz 2 problémy: nedostatek vody a nízká teplota Mechanický stres Tuhnutí membrán zmenšení elasticity Intra X extracelulární led

49 Ochrana Cold acclimation Změna složení lipidů Akumulace osmolytů sacharóza Akumulace kryoprotektantů avoidance (podchlazení) - prolin, glycerol, glykoproteiny Anti freeze proteins (AFP), např. mořské rozsivky Fragillariopsis) Větší produkce enzymů (např. Rubisco)

50

51 Morgan-Kiss et al. (2006)

52 Řasy v mořském ledu Velmi stresující prostředí nízké teploty, nedostatek světla, hypersalinita Bacillariophyceae, Chrysophyceae, Chlorophyceae, Cryptophyta, Dinophyta, Prymnesiophyceae, Prasinophyceae aktivní fotosyntéza měřena při -8 C, v laboratorních podmínkách i při -17 C Rozsivky (nejen) mají speciální adaptaci - ice binding proteins

53 ICE BINDING PROTEINS Effect of ice-binding proteins (IBP) on freezing of seawater medium. Seawater medium (Left) and seawater medium with IBP (Right) are shown in centrifuge tubes after expulsion of most of the brine by centrifugation. IBP ice has a finer, more homogeneous appearance, apparently caused by smaller brine pockets. (Scale bar: 1 cm.)

54 Effect of ice-binding (IBP) on brine retention by frozen seawater. Saltwater medium samples containing semipure IBP (triangles) at close to normal concentration and without IBP (circles) were frozen overnight and then subjected to increasing centrifugation. The cumulative amount of expelled brine was measured, they appear to trap small pockets of water between the branches. Scale bar, 1 mm.

55 Různý efekt jednotlivých faktorů Různé antarktické zelené řasy a sinice Šabacká & Elster (2006)

56 Osmotický a matriční stres (Gustavs et al. 2010)