Bioquímica de sistemas das espécies reactivas de oxigénio: estudo sobre a origem do stress oxidativo na evolução

• Author(s): Pais, Ricardo Jorge Fonseca Tavares Godinho, 1981-
• Date: 2011
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/8708
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Bioquímica; Teses de mestrado - 2011
• Document Type: Master thesis
• Language: Portuguese
• Advisor(s): Ferreira, António Eduardo do Nascimento, 1964-; Antunes, Fernando José Nunes, 1969-
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado em Bioquímica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2011

As espécies reactivas de oxigénio (ROS) são potencialmente tóxicas para organismos vivos por danificar componentes celulares como o DNA, proteínas e membranas. O balanço entre os antioxidantes e as ROS induz um estado de stress oxidativo que pode causar danos celulares, incluindo a perda de função e morte celular. É geralmente aceite que os sistemas antioxidantes tenham evoluído após a acumulação de oxigénio na atmosfera e nos oceanos há 1700 Ma. Esta hipótese é baseada na pressão selectiva exercida pela utilização do oxigénio como aceitador final de electrões no metabolismo aeróbio, que origina a formação endógena de O2 ●-. Embora os oceanos arqueozóicos (3800-2500 Ma) estivessem em anóxia, a elevada intensidade de radiação em conjunto com os elevados níveis de Fe(II), poderiam constituir uma fonte de ROS exógenos que levasse à pressão selectiva necessária de modo a motivar a evolução dos sistemas antioxidantes. Por estas razões, formulámos a hipótese que a origem dos sistemas antioxidantes na evolução é anterior à acumulação do oxigénio atmosférico há 2300 Ma. Para analisar esta hipótese, desenvolvemos um modelo cinético que simula o ambiente químico dos oceanos tendo em conta: as reacções das ROS; processos de fotólise e radiólise da água; pH e temperatura; enxofre reduzido, cloro, oxigénio, carbono inorgânico e orgânico dissolvidos; química de solubilidade do ferro e reacções de Fenton; ciclo dia-noite. As simulações com as condições do oceanos, recolhidas a partir de dados geológicos e fosseis, permitiu-nos prever como os níveis das ROS alteraram ao longo da evolução nas zonas fóticas e afóticas. O modelo prevê para a zona fótica do oceano arqueozóico há 3500 Ma, níveis de radicais H e CO3 103 vezes superiores, de HOO 102 vezes superiores e HO, O2 e H2O2 na mesma ordem de grandeza, quando comparados com a actualidade. O potencial reactivo calculado para biomoléculas, sugere que a zona fótica do oceano arqueozóico era 103 vezes mais reactiva com proteínas e aproximadamente igual para o DNA. A análise filogenética efectuada coloca o GSH e o Catalase como os antioxidantes mais antigos, com uma origem estimada de há 3600 Ma e 3500 Ma respectivamente, seguidos do SOD com uma origem estimada de 3100-2900 Ma atrás. Estes resultados, sugerem uma pressão selectiva precoce nos organismos ancestrais fotossintéticos para o desenvolvimento destes mecanismos de defesa de modo a proteger o seu proteoma e DNA das ROS. Em conclusão, os resultados obtidos suportam a noção de que o stress oxidativo é um evento com uma origem na evolução anterior à acumulação de oxigénio na atmosfera.

Reactive Oxygen Species (ROS) are potentially toxic to living cells by damaging cellular components like proteins, membranes and DNA. The unbalance between ROS and the antioxidant system induces an oxidative stress state that may cause cellular damage, including loss of function and cell death. It is widely assumed that the antioxidant systems have evolved after oxygen accumulation in Earth atmosphere and oceans 1.7 Ga ago. This hypothesis is based on the selective pressure driven by oxygen usage as the final electron acceptor in the aerobic metabolism that generates the intracellular superoxide radical. Although the early-earth ocean 3800 Ma ago was anoxic, the higher UV and gamma radiation intensity, together with the higher levels of Iron (II), could be a significant exogenous source of ROS to drive the necessary selective pressure towards the development of antioxidant systems. Therefore, we hypothesize that the origin of the antioxidant system is prior to oxygen accumulation at 2300 Ma ago. To address this issue we set up a kinetic model that simulates the ocean chemical environment system taking in account: ROS reactions, photolysis and radiolysis processes; pH and temperature; oxygen, chloride, reduced sulfur, inorganic and organic carbon concentrations; iron chemistry and Fenton reactions; and the light– dark cycle. Simulations with the early Earth conditions gathered from geological and fossil records allowed us to predict how the ROS levels changed across evolution in the aphotic and photic zones of the ocean. The model predicts 103-fold higher H and CO3 levels, 102-fold higher levels of HOO and similar HO, O2 and H2O2 levels in the arqueozoic photic zone compared to present day. The calculated reactivity of ROS towards biological molecules makes the arqueozoic ocean environment 103-fold more oxidant to amino acid moieties and as much oxidant to DNA molecules. Phylogenetic analysis places GSH and Catalase as the oldest antioxidant with an estimate origin at 3600 Ma and 3500 Ma ago respectively, followed by CuZnSOD and FeSOD with an estimated origin at 3100-2900 Ma ago. These results suggest an early selective pressure to ancestral photosynthetic organisms to develop these defense mechanisms to protect their DNA and proteomes from ROS. In conclusion, the results shown here support the notion that oxidative stress is an evolutionary event that precedes oxygen accumulation in the atmosphere.