Osmo%cký stres, vysychání, zamrzání
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: www.exobiologie.fr
Voda v buňce Vodní potenciál = chemický potenciál vody vztažený na jednotku molárního objemu 3 složky: 1. Osmo%cký potenciál 2. Turgor 3. Gravitace Turgor vnitřní hydrosta%cký tlak buňky, nezbytný pro růst, udržení tvaru, vzpřímené pozice ve vodě apod. Když není turgor, vodní poteciál je roven osmo%ckému potenciálu Plně hydratovaná buňka bude mít maximální možný osmo%cký potenciál pokud BS, udržuje konstantní turgor, pokud ne, tak konstantní tvar Řasy bez pevné BS
Složky vodního potenciálu: Plantphys.info
Voda v buňce Voda proudí do míst s nižším vodním potenciálem Dehydrace buňky snižování buněčného osmo%ckého potenciálu Osmo%cký stres je důsledkem salinity, vysychání i mrazu, proto jsou tyto stresy podobné Nad roztokem bude menší tlak páry než nad vodou www.google.com/patents
Osmo%cký stres Vnější zdroje změna osmo%ckého 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
Salinita v přírodě V otevřeném moři stabilní koncentrace (35g/l NaCl) Hypersalinní prostředí i přes 300g/l Prostředí s kolísající salinitou: estuária, inter%dální zóna, brakická voda, mořský led, jezera,...
Jak se bránit osmo%ckému stresu Žádný oxygenní autotrof neakumuluje sůl v koncentraci odpovídající prostředí média Osmo%cká aklimace regulace produkce rozpuštěných látek v buňce, aby stabilní turgor nebo tvar buňky když nemá BS Zápornější osmo%cký potenciál umožní buňce lépe zadržovat vodu
Ionty Druhy osmolytů u řas Organické osmolyty Uhlovodíky Cukry monosacharidy disacharidy Polyoly Heterosidy Aminokyseliny a jejich deriváty
Bisson & Kirst 1995
Ionty Na +, K +, Cl -, méně významné Mg 2+, Ca 2+ anionty (nitrát, fosfát) jsou metabolizovány, ale ve vysokých koncentracích jako osmolyty Efek%vní, levné, rychlé a snadno regulovatelné vysoké koncentrace nega%vně ovlivňují metabolismus především ve vakuolách
Organické osmolyty Akumulace především při dlouhodobém stresu Po skončení stresu degradují na zásobní látky Řada řas akumuluje více než 1 osmolyt Vyrovnání osmo%ckého stresu u mikrořas 1-2 hodiny, u makrořas 15-20x pomalejší
Compa%ble 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
Polyoly Alkoholy obsahující více hydroxylových skupin Různé funkce v buňce: Osmolyty Compa%ble solutes An%oxidanty zhášení ROS Kryoprotektanty Substrát pro respiraci mannitol ribitol sorbitol glycerol
Glycerol Levný na syntézu 30 ATP Neomezeně rozpustný ve vodě Další funkce: ochrana pro% zamrznut Typický pro nejhypersalinnější řasy Zdá se být ideální proč není univerzální? 77ingredients.com Dunaliella salina
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
Heterosidy Deriváty monosacharidů Ruduchy, Chrysophyceae
Dusíkaté látky Prolin (aminokyselina) rozsivky, zelené řasy Betainy metylované AK u sinic ty nejhalofilnější (Halothece, Halospirulina) produkují glycin betain, opro% tomu sladkovodní mají disacharidy prolin Glycin betain
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. Phaeocys7s, Cera7um, Gyrodinium, Ulva
Typické osmolyty některých halofilních a halotolerantních sinic a řas Oren (2007)
Vysychání V zásadě podobné osmo%ckému stresu, ale: Při vysychání hraje kromě osmo%ckého stresu roli tzv. matriční stres Na druhou stranu, nemění se poměr iontů anhydrobióza pravá tolerance
Související stres z osvětlení Gray et al. 2007
Schéma pro zelené řasy:
Extracelulární polysacharidy Knowles & Castenholz (2008)
Klebsormidium Aeroterestrické řasy Stres v cukerném roztoku: Ψ= 2.09 MPa Ψ= 1.67 MPa Kaplan et al. (2012)
Celkově ale málo rozpusných uhlovodíků (1,2% suché hmotnos%) Kaplan et al. (2012) Ve vyschlých vzorcích 3.6krát více organických osmolytů (Morison & Sheath) Stenohalinní Nemá polyoly Mechanická flexibilita
Cold acclima%on Nagao et al. (2008)
Nagao et al. (2008)
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)
Trentepohlia: glycerol, erythritol, ribitol, arabitol, mannitol, volemitol
Mráz 2 problémy: nedostatek vody a nízká teplota Mechanický stres Tuhnut membrán zmenšení elas%city Intra X extracelulární led
Ochrana Cold acclima%on Změna složení lipidů Akumulace osmolytů sacharóza Akumulace kryoprotektantů avoidance (podchlazení) - prolin, glycerol, glykoproteiny An% freeze proteins (AFP), např. mořské rozsivky Fragillariopsis) Větší produkce enzymů (např. Rubisco)
Morgan-Kiss et al. (2006)
Řasy v mořském ledu Velmi stresující prostředí nízké teploty, nedostatek světla, hypersalinita Bacillariophyceae, Chrysophyceae, Chlorophyceae, Cryptophyta, Dinophyta, Prymnesiophyceae, Prasinophyceae ak%vní fotosyntéza měřena při -8 C, v laboratorních podmínkách i při -17 C Rozsivky (nejen) mají speciální adaptaci - ice binding proteins
ICE BINDING PROTEINS Effect of ice-binding proteins (IBP) on freezing of seawater medium. Seawater medium (LeC) and seawater medium with IBP (Right) are shown in centrifuge tubes a er expulsion of most of the brine by centrifuga%on. IBP ice has a finer, more homogeneous appearance, apparently caused by smaller brine pockets. (Scale bar: 1 cm.)
Effect of ice-binding (IBP) on brine reten%on by frozen seawater. Saltwater medium samples containing semipure IBP (triangles) at close to normal concentra%on and without IBP (circles) were frozen overnight and then subjected to increasing centrifuga%on. The cumula%ve amount of expelled brine was measured, they appear to trap small pockets of water between the branches. Scale bar, 1 mm.
Různý efekt jednotlivých faktorů Různé antark%cké zelené řasy a sinice Šabacká & Elster (2006)
Osmo%cký a matriční stres (Gustavs et al. 2010)