Oxidative Stress and Antioxidant Defenses in Antarctic Marine Organisms
Entry ID: CDA_AR_BIO_OXIDATIVE_STRESS

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Summary
Abstract: Principal Objectives
-Determination of the oxidative stress levels in marine Antarctic
organisms (vertebrates and invertebrates), by physiological,
biochemical and histochemical techniques:
-Comparative study of antioxidant defences.

Hypotheses:
- The marine Antarctic medium presents extreme environmental
conditions which induce oxidative stress.
- The adaptation to cold environments implies changes in the lipid
composition towards a higher proportion of polyunsaturated fatty
acids, which are more susceptible to peroxidation.
- Antarctic marine organisms possess particular adaptations in
their antioxidant defences for maintaining the stability of cellular
components.
- Pollution caused by human activity augments the presence of
prooxidant compounds in the marine environment.

Project
The normal use of oxygen by aerobic organisms produces several active species
of oxygen. The first derivative that forms is the anion
superoxide (O2-) that is a species with a negative charge, slightly diffusible
and relatively stable, with characteristics of free radical (elements with a
free electron). The second product of reduction is hydrogen peroxide (H2O2), a
highly diffusible, stable molecule.

The union of these two species, in the presence of hemoproteins (for example:
hemoglobin, hemocyanin, etc.) containing prosthetic group transition metals,
generates a new, extremely reactive species, the radical hydroxyl (OH-). This
radical has a very short half life
and, therefore, interacts with compounds in its en be they proteins, lipids or
acids, producing reversible or irreversible damage depending on its
concentration.

Aerobic animals and vegetables have within their cells enzymatic and
nonenzymatic antioxidant defenses.

Within the enzymatic defenses we found: a) superoxide dismutase (SOD), b)
catalase (CAT) and c) glutathione peroxidase (GPx):
a) Superoxide dismutase (SOD) with superoxide (O2-) anion produces hydrogen
peroxide (equation 1):
O2- + 2 H+ ---> H2O2 (1)
This enzyme contains prosthetic group transition metals for oxidation -
reduction necessary for the dismutation of this species.
b) Metabolized CAT to hydrogen peroxide turning it to water (equation 2):
2H2O2 ---> 2H2O + O2 (2)
This enzyme is peroxisomal in behavior, and, in addition to its catalytic
function, it can conduct a peroxidative battle with much lesser efficiency.
c) GPx can also transform hydrogen peroxide into water and additionally
metabolizes organic peroxides such as lipoperoxides (equation 3):
2 GSH + ROOH ---> GSSG + ROH + H2O (3)
This enzyme uses as substrate a non-enzymatic antioxidant,
- reduced glutathione (GSH). This antioxidant is distributed widely in
different organs. Its function is fundamental to maintaining oxidation
balance. Another important non-enzymatic antioxidant is ascorbic acid (vitamin
C). Ascorbic acid is crucial in the replacement of the antioxidant activity of
vitamin E. Also, vitamin E, like vitamin A, is a liposoluble that is found in
cell membranes, catching or extinguishing excited species that are generated in
the reduction of oxygen.

Potentially, oxidative stress is experienced by aerobic organisms when
antioxidant defenses are surpassed by pro-oxidating forces. This mechanism
has been implied in carcinogenesis, ischemia and reperfusion damage,
inflammation and aging. Evidence suggests that the health of aquatic
organisms is linked to the level of oxidative stress to which they may have
been exposed (Di Giulio et al., 1989). In particular, regarding processes by
which natural atmospheric conditions or the presence of pollutants have
increased the level of pro-oxidating substances.

The extreme physical characteristics of the Antarctic marine environment
provide a challenge in confronting the oxidative metabolism of the organisms
that inhabit it, since natural situations like, for example, the high oxygen
content in the cold waters or greater exposure to UV radiation (due to the hole
in the ozone layer), would have to lead to an adaptation in the activity of
metabolizing enzymes of the reduced oxygen species, and non-enzymatic
antioxidants. Similarly, the presence of transition metals and/or xenobiotic
substances in the water produce oxidative stress in the organisms exposed to
these substances (Winston, 1991).

Project duration: 2002-2004

Espanol:
Como consecuencia de la utilizacion normal del oxigeno por los
organismos aerobicos, se producen varias especies activas del oxigeno.
El primer derivado que se forma es el anion superoxido (O2-) que es
una especie con carga, poco difusible y relativamente estable, con
caracteristicas de radical libre (elementos con un electron
desapareado). El segundo producto de la reduccion es el peroxido de
hidrogeno (H2O2), molecula estable altamente difusible.
La union de estas dos especies, en presencia de hemoproteinas (por
ejemplo: hemoglobina, hemocianina, etc.) que contengan metales de
transicion en su grupo prostetico, genera una nueva especie
extremadamente reactiva que es el radical hidroxilo (OH-). Este
radical tiene una vida media muy corta por lo que interactua con los
compuestos de sus alrededores ya sean proteinas, lipidos o acidos
nucleicos, produciendo danos de caracter reversible o irreversible
dependiendo de su concentracion.
Los animales y vegetales aerobios tienen dentro de sus celulas
defensas antioxidantes enzimaticas y no enzimaticas radical hidroxilo
(OH). Este radical tiene una vida media muy corta por lo que
interactua con los compuestos de sus alrededores ya sean proteinas,
lipidos o acidos nucleicos, produciendo danos de caracter reversible o
irreversible dependiendo de su concentracion.
Los animales y vegetales aerobios tienen dentro de sus celulas
defensas antioxidantes enzimaticas y no enzimaticas.
Dentro de las defensas enzimaticas encontramos: a) superoxido
dismutasa (SOD), b) catalasa (CAT) y c) glutation peroxidasa (GPx).
a) La SOD dismuta el anion superoxido a peroxido de hidrogeno
(ecuacion 1).
O2- + 2 H+ ---> H2 O2 (1)
Esta enzima contiene metales de transicion en su grupo prostetico
con los que realiza las oxido - reducciones necesarias para la
dismutacion de esta especie.
b) La CAT metaboliza al peroxido de hidrogeno convirtiendolo en
agua (ecuacion 2).
2 H2O2 ---> 2 H2O + O2 (2)
Esta enzima es de ubicacion peroxisomal y ademas de su funcion
catalitica puede realizar una accion peroxidativa con mucha menor
eficiencia.
c) La GPx tambien puede transformar el peroxido de hidrogeno en
agua y ademas metaboliza peroxidos de tipo organicos tales como los
lipoperoxidos (ecuacion 3)
2 GSH + ROOH ---> GSSG + ROH + H2O (3)
Esta enzima utiliza como sustrato a un antioxidante no enzimatico,
que es el glutation reducido (GSH). Este antioxidante se encuentra
ampliamente distribuido en los distintos organos. Su funcion es
fundamental para mantener el equilibrio oxidativo.
Otro de los antioxidantes no enzimaticos importantes es el acido
ascorbico (vitamina C). Este compuesto es fundamental en la reposicion
de la actividad antioxidante de la vitamina E. Tanto la vitamina E
como la A son compuestos de caracteristicas liposolubles que se
encuentran en la membrana de las celulas atrapando o apagando las
especies excitadas que se generan en la reduccion del oxigeno.
El estres oxidativo, potencialmente, es experimentado por todos los
organismos aerobicos cuando las defensas antioxidantes son superadas
por las fuerzas prooxidantes. Este mecanismo se ha visto implicado en
carcinogenesis, dano de isquemia y reperfusion, inflamacion y
envejecimiento. Existe evidencia que indica que la salud de los
organismos acuaticos puede estar ligada al nivel de estres oxidativo
al que se encuentran expuestos (Di Giulio et al., 1989). En particular
sobre aquellos procesos por los cuales las condiciones naturales del
ambiente o la presencia de sustancias contaminantes hubiesen
incrementado el nivel de prooxidantes presentes.
Las caracteristicas fisicas extremas del medio ambiente marino
antartico, plantean un desafio a confrontar sobre el metabolismo
oxidativo de los organismos que lo habitan, ya que situaciones
naturales como, por ejemplo, el alto contenido de oxigeno de sus frias
aguas o la mayor exposicion a la radiacion UV (debido a la presencia
del agujero en la capa de ozono), deberian conducir a una adaptacion
en la actividad de las enzimas metabolizadoras de las especies
reducidas del oxigeno y en los niveles de los antioxidantes no
enzimaticos. Del mismo modo la presencia de metales de transicion y/o
de sustancias xenobioticas organicas en el agua se sabe que producen
estres oxidativo en los organismos expuestos a dichas sustancias
(Winston, 1991).

e-mail: tincho@bg.fcen.uba.ar

Nombre del Proyecto: Estres oxidativo y defensas antioxidantes en
organismos marinos antarticos. (Proyecto en cooperacion con la
Universidad de Buenos Aires)
Director: Lic. Martin Ansaldo
Co-Director: Dr. Carlos Marcelo Luquet

Geographic Coverage
 N: -62.83 S: -90.0  E: 180.0  W: -180.0

Data Set Citation
Dataset Originator/Creator: ANSALDO, Martin
Dataset Title: Oxidative Stress and Antioxidant Defenses in Antarctic Marine Organisms


Temporal Coverage
Start Date: 2002-01-01
Stop Date: 2004-12-31


Location Keywords
OCEAN > SOUTHERN OCEAN
GEOGRAPHIC REGION > POLAR


Science Keywords
BIOSPHERE >TERRESTRIAL ECOSYSTEMS    [Definition]
TERRESTRIAL HYDROSPHERE >WATER QUALITY/WATER CHEMISTRY >ACID DEPOSITION    [Definition]
TERRESTRIAL HYDROSPHERE >WATER QUALITY/WATER CHEMISTRY >CARCINOGENS    [Definition]
BIOSPHERE >AQUATIC ECOSYSTEMS    [Definition]
BIOSPHERE >ECOLOGICAL DYNAMICS >SPECIES/POPULATION INTERACTIONS >EVOLUTIONARY ADAPTATION    [Definition]
BIOSPHERE >ECOLOGICAL DYNAMICS >SPECIES/POPULATION INTERACTIONS >POPULATION DYNAMICS    [Definition]
BIOSPHERE >ECOLOGICAL DYNAMICS >ECOTOXICOLOGY >TOXICITY LEVELS    [Definition]


ISO Topic Category
BIOTA
ENVIRONMENT
GEOSCIENTIFIC INFORMATION
INLAND WATERS


Platform
GROUND STATIONS    [Information]


Project
OSADAMO >Oxidative Stress and Antioxidant Defenses in Antarctic Marine Organisms    [Information]


Keywords
environmental conditions
oxidative stress
polyunsaturated fatty acids
peroxidation
cellular components
anion superoxido (O2-)
peroxido de hidrogeno (H2O2)
hemoglobina
hemocianina
superoxido dismutasa (SOD)
catalasa (CAT)
glutation peroxidasa (GPx)


Data Set Progress
IN WORK


Originating Center


Data Center
Centro de Datos Antarticos, Argentina    [Information]
Data Center URL: http://www.dna.gov.ar/

Data Center Personnel
Name: CELIA ELBA IZQUIERDO
Phone: 54-11-4812-2086
Fax: 54-11-4812-2086
Email: celeiz_antar at hotmail.com
Email: celeiz at dna.gov.ar
Email: cda at dna.gov.ar
Contact Address:
Centro de Datos Antarticos
Direccion Nacional del Antartico
Instituto Antartico Argentino
Cerrito 1248
City: Capital Federal
Postal Code: C1010AAZ
Country: ARGENTINA


Personnel
MARTIN ANSALDO
Role: TECHNICAL CONTACT
Role: INVESTIGATOR
Phone: 54 11 4812 0071-72 (EXT. 117)
Fax: 54 11 4812 1689
Email: tincho at bg.fcen.uba.ar
Contact Address:
Departamento Ciencias Biologicas
Cerrito 1248 C1010AAZ
City: Buenos Aires
Country: Argentina


CELIA ELBA IZQUIERDO
Role: DIF AUTHOR
Phone: 54-11-4812-2086
Fax: 54-11-4812-2086
Email: celeiz_antar at hotmail.com
Email: celeiz at dna.gov.ar
Email: cda at dna.gov.ar
Contact Address:
Centro de Datos Antarticos
Direccion Nacional del Antartico
Instituto Antartico Argentino
Cerrito 1248
City: Capital Federal
Postal Code: C1010AAZ
Country: ARGENTINA



Creation and Review Dates
DIF Creation Date: 2003-05-21
Last DIF Revision Date: 2005-11-03
Future DIF Review Date: 2004-05-23

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