Hvordan adaptive ændringer i cellevæsker gør det muligt for livet i havet at klare abiotiske stressfaktorer

Et sæt abiotiske stressfaktorer udgør adskillige udfordringer for livet i havet på grund af deres udbredte indflydelse på alle klasser af biokemiske systemer. Variationer i temperatur, hydrostatisk tryk og saltholdighed har potentiale til at forstyrre strukturer og funktioner i alle molekylære systemer, som livet afhænger af. I en artikel offentliggjort i Marine Life Science &Technology , Professor Somero fokuserer stort set på én klasse af stressoreffekter, der udfordrer ydeevnen af ​​alle typer store molekylære systemer:proteiner, nukleinsyrer og lipoproteinmembraner.

De forstyrrende virkninger af disse stressorer på det biokemiske niveau skyldes ofte deres potentiale til at forstyrre den fine balance, der er nødvendig mellem stabilitet og fleksibilitet af de højere ordens strukturer af disse store molekylære systemer, som stabiliseres stort set af ikke-kovalente (svage) kemiske bindinger som hydrogenbindinger, ioniske interaktioner og hydrofobe effekter. Det er vigtigt, at alle makromolekylære systemer i en celle skal finde denne balance mellem fleksibilitet og stabilitet, hvis en organismes fysiologi skal fungere optimalt.

Denne fysiologisk vigtige balance mellem stabilitet og fleksibilitet i strukturen i store molekylære systemer opnås på to principielle måder. For det første, under evolution, fører de abiotiske forhold, som en organisme står over for, til genetisk baserede tilpasninger i konformationsstabiliteten af ​​proteiner og visse typer nukleinsyrer og forskelle i lipidsammensætninger. Disse iboende tilpasninger angiver, at de er kodet i organismens genom. For det andet, der supplerer disse iboende, sekvensbaserede tilpasninger i makromolekylær struktur er ændringer i de kemiske sammensætninger - det "mikromolekylære indhold" - af biologiske opløsninger, der bader makromolekyler og påvirker deres stabilitet og funktioner. Små organiske opløste stoffer - organiske osmolytter - spiller en central rolle i disse adaptive reaktioner. Disse ydre tilpasninger på grund af osmolytter letter fastholdelsen af ​​de udviklede forskelle i makromolekylær stabilitet under forskellige miljøforhold.

Artiklen udvikler en parallel analyse mellem adaptive reaktioner på to vigtige fysiske stressfaktorer i havene, temperatur og hydrostatisk tryk. For begge stressfaktorer er iboende og ydre adaptive ændringer af afgørende betydning. Analysen fokuserer på de følgende to spørgsmål for at diskutere de adaptive ændringer i osmolytsystemer. For det første, varierer den makromolekylære stabiliserende kraft af den intracellulære osmolytpulje med evolutionær tilpasningstemperatur (eller tryk) og med den nylige termiske (eller tryk) eksponering af organismerne (akklimatiseringseffekter)? For det andet, ved modulering af osmolytpuljens stabiliserende kraft, involverer adaptive ændringer ændringer i de anvendte typer osmolytter, ændringer i deres absolutte eller relative koncentrationer eller en kombination af begge disse strategier?

Omfanget af miljøtolerance hos en art kan afhænge af, hvor effektivt osmolytsammensætningen af ​​dens cellevæske kan ændres i lyset af stress. Undersøgelsen drager følgende fire hovedkonklusioner:For det første kan organiske osmolytter i de fleste marine organismer opretholde (eller genoprette) den optimale balance mellem makromolekylær stivhed og fleksibilitet, hvilket er en biologisk nøgle til makromolekylernes optimale funktion. For det andet kan adaptive ændringer i sammensætningen og koncentrationen af ​​osmolytpuljen have effekter på makromolekyler og biofilmsystemer og spille en vigtig rolle i etableringen af ​​den optimale miljøtolerance for organismer. For det tredje varierer stabiliserende osmolytter meget i, hvor effektivt de øger stabiliteten af ​​makromolekyler. For det fjerde kan osmolytsystemers evne til at finjustere cellulære væskers stabiliseringspotentiale i lyset af ændringer i kropstemperatur (eller tryk), der forekommer over forskellige tidsperioder, hjælpe organismer med at modstå virkningerne af miljøændringer, især de ændringer i temperatur, der opstår pga. til global opvarmning.

Denne artikel tilbyder ikke kun havbiologer vigtig ny information om, hvordan livet i havet tilpasser sig havets abiotiske stressfaktorer, men disse undersøgelser lærer også fysiske biokemikere kritiske ting om fysikken i vand-opløste stoffers interaktioner og foreslår nye strategier for de teknologisk indstillede. til udvikling af løsninger, der hjælper med stabilisering og bevarelse af biologiske materialer.