Aspectos da adaptação bioquímica ao estresse metálico na alga unicelular Gonyaulax polyedra: modulação de antioxidantes cloroplásticos e expressão diferencial da enzima Fe-superóxido dismutase - Okamoto, Oswaldo Keith (2000)
A ativação do oxigênio molecular em suas espécies reativas é uma constante ameaça aos organismos fotossintéticos, uma vez que os cloroplastos são compartimentos celulares altamente susceptíveis ao estresse oxidativo. Sob condições normais, a geração de ERO nestas organelas é lenta e controlada, embora possa ser exacerbada pela exposição a xenobióticos e outros fatores de estresse ambiental. Como a intoxicação por metals poluentes é uma importante fonte de estresse oxidativo em sistemas biológicos, a resistência de organismos fotossintéticos ao estresse metálico deve ser dependente de adaptações bioquímicas que previnam o insulto oxidativo em seus cloroplastos. Com o intuito de investigar esta hipótese, os níveis de antioxidantes cloroplásticos e os padrões de indução da enzima SOD foram estudados no dinoflagelado marinho G. polyedra, sob diferentes modelos de estresse metálico. Primeiramente, os efeitos dos metals poluentes Hg2+, Cd2+, Pb2+ e Cu2+, sobre alguns aspectos fisiológicos deste dinoflagelado, foram avaliados por bioensaios de toxicidade. G. polyedra se mostrou altamente sensível a estes metals, os quais causaram aumentos significativos de mortalidade celular, alta frequência de flashes bioluminescentes e formação de cistos assexuais, em concentrações relativamente baixas. A escala de toxicidade encontrada foi Hg2+> Cu2+>Cd2+> Pb2+, de acordo com seus respectivos valores de CE50. O encistamento parece ser uma importante estratégia celular de resistência à toxicidade de metals, em particular a Pb2+ e Cu2+, uma vez que as células tratadas com estes metals foram capazes de retomar, parcial ou completamente, o estado fisiológico normal quando inoculadas em meio livre de metals tóxicos. Com base nos bioensaios de toxicidade, dois modelos de estresse metálico, crônico e agudo, foram estabelecidos e o balanço oxidativo, em cloroplastos isolados de G. polyedra, avaliado nestas condições experimentais. Diferentes respostas antioxidantes foram verificadas de acordo com o metal e o modelo de estresse aplicado. Em geral, células cronicamente expostas a metals exibiram aumentos de atividade das enzimas antioxidantes SOD e Apx, alto poder redutor e níveis reduzidos do carotenóide peridinina, enquanto nenhuma alteração foi observada quanto aos níveis de β-caroteno. Em contraste, células submetidas a estresse metálico agudo exibiram níveis dobrados de β-caroteno, embora nenhuma alteração significativa tenha sido observada para os demais antioxidantes. A correlação entre o tratamento agudo e a instalação de estresse oxidativo foi inferida pelo consumo de oxigênio exacerbado e menor poder redutor, observados em células expostas aos metals. Em decorrência do estado pró-oxidante, aumentos de lesões oxidativas sobre lipídeos e proteínas cloroplásticas foram detectados predominantemente em células sob tratamento agudo. Respostas específicas da enzima SOD também foram estudadas, observando-se um aumento dose-dependente em sua atividade, que ocorreu nas primeiras horas de exposição aos metals. Das três isoformas detectadas em G. polyedra, apenas FeSOD e MnSOD foram induzidas pelos metals, enquanto os níveis celulares de CuZnSOD não variaram significativamente, nas mesmas condições experimentais. Além da indução por metals, estas duas isoformas também mostraram ser sintetizadas circadianamente em G. polyedra. A isoforma FeSOD foi detectada em cloroplastos deste dinoflagelado e a clonagem parcial do seu cDNA codificador, realizada por técnicas baseadas em PCR. Análises preliminares de filogenia molecular com esta isoforma cloroplástica de G. polyedra indicaram uma alta similaridade com FeSOD cianobacteriana, corroborando a teoria endosimbiôntica para a origem dos cloroplastos modernos. Induções de FeSOD, por exposição aos metals poluentes, incluíram aumentos nos seus níveis de mRNA, revelando um controle transcricional positivo, inédito em G. polyedra. Com relação à oscilação circadiana desta isoforma cloroplástica, níveis constantes de transcritos de FeSOD foram detectados ao longo de 24 h, evidenciando um controle circadiano distinto, ao nível traducional. A partir das informações obtidas nesta tese, conclui-se que os metals poluentes avaliados são extremamente tóxicos a G. polyedra e capazes de induzir um estresse oxidativo em seus cloroplastos, especialmente sob condições agudas de exposição. Durante o estresse metálico crônico, entretanto, a manutenção de uma alta capacidade antioxidante, incluindo o aumento imediato da expressão da FeSOD, é uma estratégia relevante na atenuação das lesões oxidativas em lipídeos e proteínas, prevenindo possíveis danos estruturais e perda de funções cloroplásticas. Esta modulação de antioxidantes cloroplásticos sugere que a adaptação bioquímica de G. polyedra inclui respostas rápidas e específicas ao sítio subcelular onde o estresse oxidativo é instalado, processo este importante na resistência deste dinoflagelado à exposição a metals poluentes. As diferentes possibilidades de regulação da FeSOD, reveladas neste trabalho, salientam ainda a importância desta isoforma na manutenção do equilíbrio oxidativo cloroplástico durante adversidades ambientais e lançam novas perspectivas a respeito do controle de expressão gênica, em G. polyedra. O presente trabalho contribui, portanto, para o entendimento dos componentes bioquímicos e moleculares de processos adaptativos em algas.