|
Produkcja fitochelatyn u glonów jako reakcja na pobieranie kadmu.
Zmiany zachodzące pod wpływem czynników toksycznych na poziomie ekosystemu, ujawniające się po dłuższym okresie ich oddziaływania, poprzedzane są zmianami zachodzącymi na niższych poziomach organizacji biologicznej. Jako pierwsze pojawiają się zmiany biochemiczne i fizjologiczne, ujawniające się bardzo szybko po wniknięciu do komórki substancji toksycznej. Mierzalne zmiany biochemiczne lub fizjologiczne zachodzące w organizmach w odpowiedzi na działanie toksycznych czynników określa się jako biomarkery. Dostarczają one informacji o ekspozycji organizmu na czynniki chemiczne i mogą być wykorzystane do oceny stanu środowiska.
W zależności od specyficzności wyróżnia się kilka typów biomarkerów. Przykładem biomarkerów specyficznych dla grupy czynników stresowych mogą być fitochelatyny (PC) - peptydy wiążące metale, syntetyzowane przez komórki roślinne w odpowiedzi na wnikające do nich jony szeregu metali ciężkich i metaloidów (rtęci, miedzi, cynku, srebra, cyny, arsenu i kilku innych). Fitochelatyny są peptydami o strukturze (g-Glu-Cys)nGly, n=2-11. W ostatnich latach u wielu gatunków roślin stwierdzono również obecność bardzo podobnych peptydów tiolowych, w których terminalnym aminokwasem może być alanina, seryna lub kwas glutaminowy. Mogą też występować polimery pozbawione terminalnego aminokwasu (g-Glu-Cys)n. Proponuje się, aby tę grupę związków nazwać izo-fitochelatynami.
Fitochelatyny różni od metalotionein - indukcyjnych białek wiążących metale w komórkach zwierząt, grzybów i sinic, budowa oraz sposób powstawania. Są one produkowane przez konstytutywny enzym syntetazę fitochelatynową (transpeptydazę dipeptydu g-glutamylocysteiny). Enzym ten ulega aktywacji przez wnikające do komórki jony metali ciężkich i metaloidów. Do najsilniejszych induktorów syntezy PC należy kadm.
Synteza fitochelatyn rozpoczyna się niemal natychmiast po rozpoczęciu ekspozycji na metale ciężkie. Ustaje natomiast, gdy tylko jony wewnątrzkomórkowego metalu zostaną związane. Po zaprzestaniu ekspozycji PC ulegają zanikowi w krótkim czasie, jak w przypadku morskiej okrzemki Thalassiosira weissflogii. Jak dotąd nie wykazano, aby inne czynniki niż w/w metale ciężkie wywoływały indukcję syntezy fitochelatyn. Wydaje się więc, że jest ona wysoce specyficzna. W dodatku u niektórych roślin stwierdzono liniową zależność pomiędzy akumulacją PC a krótko-czasową toksycznością kadmu.
Glony od dawna są wykorzystywane w monitoringu biologicznym wód jako organizmy wskaźnikowe, dostarczając ogólnych informacji o stanie tego środowiska. Ostatnio bada się możliwość wykorzystania również fitochelatyn glonów jako biomarkerów toksyczności i wskaźników biodostępności metali ciężkich. Wymaga to jednak dokładnego określenia zależności pomiędzy stężeniem zewnętrznym i wewnątrzkomórkowym metali a poziomem fitochelatyn u wybranego organizmu wskaźnikowego, z uwzględnieniem licznych interakcji środowiskowych mogących wpływać zarówno na formy chemiczne metali, jak i na stan fizjologiczny komórek. Czynniki środowiska mogą pośrednio lub bezpośrednio wpływać na produkcję peptydów tiolowych, co stwierdzono w przypadku bentosowych glonów z rodzaju Vaucheria, poddanych ekspozycji na kadm.
Jednakże jak dotąd publikacje na temat fitochelatyn u glonów są nieliczne. Indukcję ich syntezy pod wpływem kadmu stwierdzono u kilkunastu gatunków glonów należących do różnych grup systematycznych, głównieChlorophyceae. Pomiędzy poszczególnymi gatunkami glonów zaobserwowano znaczne różnice pod względem ilości pobieranego metalu, jak również ogólnej ilości produkowanych fitochelatyn i poszczególnych ich oligomerów. U wszystkich badanych glonów wzrost stężenia zewnętrznego kadmu powodował wzrost jego stężenia wewnątrzkomórkowego. W większości przypadków skorelowane to było ze wzrostem poziomu fitochelatyn. Jednakże u bruzdnicy Heterocapsa pygmaea, wzrost pobierania kadmu nie powodował zwiększenia produkcji fitochelatyn. Ilość wewnątrzkomórkowego kadmu znacznie przewyższała ilość grup tiolowych mogących wiązać kadm. Ponieważ wzrost glonu nie był zahamowany, można było przypuszczać, że u Heterocapsa pygmaea istnieje dodatkowy mechanizm detoksykacji kadmu. Dlatego wybór gatunku, który mógłby być użyty jako organizm wskaźnikowy w środowisku lub wykorzystywany w testach toksyczności jest sprawą bardzo ważną. Wydaje się, że odpowiednim organizmem służącym do oceny biodostępności metali w środowisku wodnym może być szeroko rozpowszechniona zielenica Stichococcus bacillaris. W niskim zakresie stężeń zewnętrznego kadmu spotykanym w warunkach naturalnych, przy krótkim czasie ekspozycji stwierdzono liniową zależność pomiędzy pobieraniem kadmu a produkcją fitochelatyn, przy czym czynniki ograniczające biodostępność zmniejszały odpowiednio poziom PC w komórkach.
Jak dotąd w kilku zaledwie przypadkach udało się stwierdzić obecność fitochelatyn w próbkach glonów pobranych bezpośrednio z zanieczyszczonych środowisk. Uzyskane wyniki są jednak obiecujące. Niewielką ilość PC rzędu kilku-kilkunastu μmoli/g chlorofilu wykryto w próbkach fitoplanktonu Zatoki Massachusetts, której wody zanieczyszczone są ściekami. Zawartość w nich fitochelatyn malała wraz z oddaleniem od brzegu. Obecność tych peptydów stwierdzono również u nitkowatej zielenicy Stigeoclonium sp. rosnącej w wodzie kopalnianej, zawierającej szereg metali ciężkich, wśród nich kadm. Poziom fitochelatyn zmieniał się w zależności od biodostępności metali.
Istnieją zatem przesłanki, aby sądzić, że fitochelatyny mogą być wskaźnikami biodostępności kadmu, która nie może być oznaczana wyłącznie za pomocą analiz chemicznych. Związki te posiadają cechy sugerujące, że mogą one być również dobrymi biomarkerami toksyczności
Tadeusz Skowroński
Prof. Tadeusz Skowroński jest dyrektorem Instytutu Ekologii PAN, Stacja Badawcza, ul. Niecała 18/3, 20-080 Lublin.
powrót do wydawnictwa 
|
