Oxidative Stress and Antioxidant Defenses in Antarctic Marine Organisms

Project Description
Summary of 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

En Espanol:
Resumen del Proyecto:

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 (H2 O2), 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). Duracion: 2002 - 2004