Fosfatase acida da microalga Selenastrum capricornutum : extração, caracterização e efeito de poluentes de origem agricola
Claudio Martin Jonsson
TESE
Português
(Broch.)
T/UNICAMP J738f
[Acid phosphatase from the microalgae Selenastrum capricornutum]
Campinas, SP : [s.n.], 2005.
117p. : il.
Orientador: Hiroshi Aoyama
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia
Resumo: Selenastrum capricornutum é uma alga clorofícea unicelular mundialmente distribuída em corpos de água doce e solos. Devido a sua natureza cosmopolita, o seu uso em estudos de ecotoxicidade é recomendado por protocolos nacionais e internacionais. A fosfatase ácida de algas desempenha...
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Resumo: Selenastrum capricornutum é uma alga clorofícea unicelular mundialmente distribuída em corpos de água doce e solos. Devido a sua natureza cosmopolita, o seu uso em estudos de ecotoxicidade é recomendado por protocolos nacionais e internacionais. A fosfatase ácida de algas desempenha importantes funções metabólicas tais como decomposição de fosfato orgânico em fosfato inorgânico, processos autofágicos, reciclagem de material celular e formação do zigoto durante a reprodução. Agentes químicos introduzidos em compartimentos ambientais em decorrência da atividade agrícola, tais como agrotóxicos e contaminantes de lodo usado como fertilizante, podem alterar a atividade da enzima nesses produtores primários. No presente trabalho foram estudados a extração, estabilidade, especificidade por substratos, efeito de inibidores e cinética da fosfatase ácida do extrato bruto de Selenastrum capricornutum. Foi também avaliado o efeito in vitro de 30 poluentes de origem agrícola (24 orgânicos e 6 metais pesados), sendo que experimentos mais detalhados in vitro e estudos in vivo, foram realizados com os agentes que promoveram maior efeito inibidor ou ativador. Os resultados demonstraram que a extração foi aumentada pelo congelamento/descongelamento entre os ciclos de sonicação. A enzima apresentou atividade ótima em pH 5,0 , um valor de Km = 0,27 mM para o substrato p-NPP e mostrou-se estável após o armazenamento em freezer durante aproximadamente 6 meses. A enzima foi inibida pelo tartarato (35%), fluoreto (75%) e Pi (45%) e p-CMB (48%). Substratos orgânicos naturais como FMN, frutose 1,6 difosfato e a-glicero fosfato são clivados em um grau similar ao do substrato sintético p-NPP, sugerindo-se o possível envolvimento da enzima no metabolismo desses intermediários. Os resultados demonstraram que somente o surfactante alquil benzeno linear sulfonado (LAS) e os metais pesados Hg2+, Al3+ e Cu2+ produziram uma alteração marcante (>50%) da atividade enzimática. A ordem de inibição da atividade na maior concentração testada foi LAS> Hg2+= Al3+> Se3+=Pb2+>Cd2+. Os valores de concentração de inibição média (CI50) para Hg2+ e LAS foram, respectivamente, 0,085 e 0,289 mM. Um mecanismo de inibição não-competitiva foi atribuído para o primeiro (Ki = 0,0365 mM), enquanto que o LAS comportou-se como um inibidor competitivo (Ki = 0,010 mM). Os estudos in vivo com culturas de algas tratadas durante 24 horas mostraram que a atividade enzimática e teor de proteína diminuíram nos tratamentos com Hg2+, enquanto que aumentaram em exposições ao LAS. Diferentemente dos experimentos a curto prazo, a inibição da atividade específica foi observada nos organismos expostos durante 7 dias, sendo atribuído um valor de concentração efetiva média (CE50) equivalente a 12,63 µM de Hg2+ e uma redução de 39% para LAS 2 mM. Os resultados de experimentos in vitro com Cu2+, como um ativador da fosfatase ácida, demonstraram uma EC50 e uma KdCu2+ (constante de dissociação para Cu2+) equivalente a 1,80 e 1,64 µM, respectivamente. Quando a enzima foi pré-incubada na presença de Cu2+ 0,2 mM, a Km e a Ea (energia de ativação) diminuíram enquanto que a Vmax praticamente não alterou. De acordo com dados de estabilidade em função do tempo e de experimentação em condições de pré-incubação, sugere-se que o efeito ativador do cobre seja devido ao aumento da estabilidade térmica da enzima. Nas exposições in vivo das culturas de S. capricornutum ao Cu2+, nas concentrações de 1 e 10 mM, foram obtidas diminuições significativas da atividade da fosfatase ácida e da concentração de proteína, entretanto estes efeitos não foram observados na concentração 0,1 mM. O íon metálico não alterou a atividade específica da enzima nas condições de exposição testadas. Os estudos sobre a ação conjunta inibitória indicaram que o Hg2+ possui menor valor de CI50 que o Al3+ ou LAS; e que as misturas Hg2++Al3+ e Hg2++LAS possuíam , respectivamente, efeito aditivo e levemente antagônico. O Cu2+, que demonstrou ter efeito ativador quando pré-incubado com a enzima, comportou-se como um leve antagonista contra o efeito inibidor do Hg2+. Espera-se que os resultados do presente trabalho auxiliem no delineamento experimental e discussão de resultados em estudos com enzimas de algas ou outros organismos, no que se refere a sua extração, caracterização e efeitos de agentes químicos. Espera-se ainda que os resultados melhorem o entendimento dos eventos básicos sobre o impacto de poluentes de origem agrícola em níveis bioquímicos de produtores primários
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Abstract: Selenastrum capricornutum is an unicellular green algae widely distributed in freshwater and soils among the world. Because this cosmopolitan characteristic its use is recommended by national and international protocols in ecotoxicity studies. Algae acid phosphatase plays important roles...
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Abstract: Selenastrum capricornutum is an unicellular green algae widely distributed in freshwater and soils among the world. Because this cosmopolitan characteristic its use is recommended by national and international protocols in ecotoxicity studies. Algae acid phosphatase plays important roles in the metabolism such as decomposing organic phosphates into free phosphates and organic compounds; autophagic digestive process recycling cellular materials, and zygote formation during reproduction. Chemicals released into the environment from agriculture activities like pesticides and sewage sludge contaminants may impair algae phosphatase activity. In this work it was studied the extraction, stability, substrates specificity, effect of inhibitors and kinetics of acid phosphatase in the Selenastrum capricornutum crude extract. It was also evaluated the in vitro effect of thirty agriculture pollutants (24 organic and 6 heavy metals) and performed more detailed in vitro studies and in vivo experiments with the more potent inhibitors or activators. The results showed that the extraction increased by freezing/thawing between cycles of probe sonication. The enzyme showed an optimum pH of 5, a Km value of 0.27 mM for p-NPP and stability by freezing storage during approximately 6 months. The enzyme was inhibited by tartrate (35%), fluoride (75%), Pi (45%) and p-CMB (48%). Natural organic substrates like FMN, fructose 1,6 diphosphate and a-glycero-phosphate were cleaved in a similar extent as the synthetic p-NPP, suggesting the possibility of the enzyme involvement in the cellular metabolism of such intermediates. The results demonstrated that only the surfactant linear alkyl benzenesulphonate (LAS) and the heavy metals Hg2+, Al3+ and Cu2+ altered markedly (>50%) the enzyme activity. The order of inhibition at the highest concentration tested was LAS> Hg2+= Al3+> Se3+=Pb2+>Cd2+. Calculated median inhibition concentration (IC50) values for Hg2+ and LAS were 0.085 and 0.289 mM, respectively. A non-competitive inhibition mechanism was attributed for the former (Ki = 0.0365 mM) while LAS behaved as a competitive inhibitor (Ki = 0.010 mM). In vivo studies with treated algae cultures for 24 hours showed that enzyme activity and protein content diminished in Hg2+ treatments whereas increased in LAS exposures. In contrast with short term treatments, the inhibition of specific activity was observed in exposed algae during 7 days with estimated median effect concentration (EC50) value of 12.63 µM for Hg2+and 39% reduction for LAS 2 mM. The results of in vitro experiments with Cu2+ as an activator demonstrated a EC50 and a KdCu2+ (dissociation constant for Cu2+) equivalent to 1.80 and 1.64 µM, respectively. When the enzyme was preincubated in the presence of Cu2+ 0.2mM, Km and Ea (activaction energy) decreased whereas Vmax practically did not changed. According to the data of stability as a function of time and the preincubation conditions during some experiments, it was suggested that the activator effect of copper might be explained by the increase on the thermal stability of the enzyme. In vivo experiments showed significantly diminution of the enzyme activity together with protein content at 1 and 10 mM Cu2+ but not at 0.1 mM. This metal did not specifically affect the activity of the enzyme in exposed algae at the experimental conditions. Join action inhibition studies indicated that Hg2+ has a lower IC50 value than Al3+ or LAS , and that the Hg2++Al3+ and Hg3++LAS mixtures have respectively, additive and slight antagonism effects. Copper, which demonstrated an activator effect when was preincubated with the enzyme, behaved as a slight antagonist for the inhibitor effect of Hg2+. It can be expected that the results of this work will help in the experimental design and discussion of results in algae enzyme studies regarding the extraction, characterization and effect of chemicals. We hope that the results presented in this work can improve the understanding of the basic events of the impact of agriculture pollutants at biochemical levels in primary producers organisms
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