Ewolucja systemów obrony antyoksydacyjnej

• Authors: Łukasz Wojtyla , Małgorzata Garnczarska

Title variants

EN

Evolution of antioxidative systems

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Życie na Ziemi rozwijało się w drodze ewolucji przez około 3,5 miliarda lat. Procesowi temu towarzyszyły zmiany składu atmosfery, w tym zmiany zawartości tlenu. Pierwotne organizmy rozwinęły się w warunkach, kiedy zawartość tlenu w atmosferze oscylowała wokół poziomu 0,02%. Nabycie przez organizmy zdolności do pozyskiwania energii na drodze reakcji fotosyntezy i katalizowania rozszczepienia cząsteczki wody z wykorzystaniem energii słonecznej zapoczątkowało stopniowe zwiększenie się zawartości tlenu w atmosferze i umożliwiło wykształcenie metabolizmu tlenowego. Wzrastająca zawartość tlenu, ze względu na jego właściwości utleniające, była toksyczna dla ówcześnie żyjących organizmów. Stało się to przyczyną promowania w toku ewolucji rozwoju wczesnych mechanizmów antyoksydacyjnych oraz wykształcenia nowych sprawniejszych układów mających na celu usuwanie nadmiaru niebezpiecznych reaktywnych form tlenu. Przez lata organizmy nabyły zdolność do regulowania ilości powstających reaktywnych form tlenu oraz wykorzystywania ich obecności w procesach sygnalizacji i przekazywania informacji.

EN

Life on Earth had evolved about 3.5 billion years ago. Evolutionary processes were accompanied by changes in the composition of the atmosphere, including changes in oxygen level. Primitive organisms have evolved in an environment in which the atmospheric oxygen content was fluctuating around 0.02%. These organisms, after having acquired the ability to generate energy through the process of photosynthesis and to catalyze splitting of water using solar energy, gave rise to gradual increase of the oxygen level in the atmosphere and provided a basis for the evolution of aerobic metabolism. The increased oxygen level, due to its oxidizing properties, appeared toxic to living organisms. This led to the development of early antioxidant mechanisms and their further evolution to more efficient systems for removal of dangerous reactive oxygen species. In the course of the evolution, organisms have acquired ability to control the amount of generated reactive oxygen species and to use them in signaling processes and transduction of information.

Keywords

PL

antyoksydanty; ewolucja; reaktywne formy tlenu; tlen

• Journal: Kosmos
• Year: 2016
• Volume: 65
• Issue: 2
• Pages: 207-215

Dates

published

2016

Contributors

author

Łukasz Wojtyla

• Zakład Fizjologii Roślin, Instytut Biologii Eksperymentalnej, Wydział Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Umultowska 89, 61-614 Poznań, Polska
• Department of Plant Physiology, Faculty of Biology, Adam Mickiewicz University in Poznan, Umultowska 89, 61-614 Poznan, Poland

author

Małgorzata Garnczarska

• Zakład Fizjologii Roślin, Instytut Biologii Eksperymentalnej, Wydział Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Umultowska 89, 61-614 Poznań, Polska
• Department of Plant Physiology, Faculty of Biology, Adam Mickiewicz University in Poznan, Umultowska 89, 61-614 Poznan, Poland

References

• Bartosz G., 2003. Druga twarz tlenu. Wolne rodniki w przyrodzie. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• Benzie I. F. F., 2000. Evolution of antioxidant defence mechanisms. Eur. J. Nutr. 39, 53-61.
• Castresana J., Lűbben M., Saraste M., Higgins D. G., 1994. Evolution of cytochrome oxidase, an enzyme older than atmospheric oxygen. EMBO 13, 2516-2525.
• Catling D. C., Glein C. R., Zahnle K. J., McKay C. P., 2005. Why O2 is required by complex life on habitable planets and the concept of planetary 'oxygenation time'. Astrobiology 5, 415-438.
• Chen C., Dickman M. B., 2005. Proline suppresses apoptosis in the fungal pathogen Colletotrichum trifolii. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 3459-3464.
• Danowski J., 2000. Repetytorium dla kandydatów na akademie medyczne. Biologia tom I. Oficyna Wydawnicza MEDYK, Warszawa.
• Falkowski P. G., Katz M. E., Milligan A. J., Fennel K., Cramer B. S., Aubry M. P., Berner R. A., Novacek M. J., Zapol W. M., 2005. The rise of oxygen over the past 205 million years and the evolution of large placental mammals. Science 309, 2202-2204.
• Foyer C. H., Allen J. F., 2003. Lessons from redox signaling in plants. Antioxid. Redox Signal. 5, 3-5.
• Gest N., Gautier H., Stevens R., 2012. Ascorbate as seen through plant evolution: the rise of a successful molecule? J. Exp. Bot. doi:10.1093/jxb/ers297.
• Gomes C. M., Le Gall J., Xavier A. V., Teixeira M., 2001. Could a diiron-containing four-helix-bundle protein have been a primitive oxygen reductase? Chembiochem. 7/8, 583-585.
• Halliwell B., 2006. Reactive species and antioxidants. Redox biology is a fundamental theme of aerobic life. Plant Physiol. 141, 312-322.
• Hedges S. B., Blair J. E., Venturi M. L., Shoe J. L., 2004. A molecular timescale of eukaryote evolution and the rise of complex multicellular life. BMC Evol. Biol. 4, 2.
• Iyer R. B., Silaghi-Dumitrescu R., Kurtz D. M. Jr., Lanzilotta W. N., 2005. High resolution crystal structures of Desulfovibrio vulgaris (Hildenborough) nigerythrin: facile, redox-dependent iron movement, domain interface variability, and peroxidase activity in the rubrerythrins. J Biol Inorg Chem 10, 407-416.
• Juszczuk I. M., Rychter A. M., 2003. Alternative oxidase in higher plants. Acta Biochim. Polon. 50, 1257-1271.
• Koch L. G., Britton S. L., 2008. Aerobic metabolism underlies complexity and capacity. J. Physiol. 586, 83-95.
• Kornas A., Kuźniak E., Ślesak I., Miszalski Z., 2010. The key role of the redox status in regulation of metabolism in photosynthesizing organisms. Acta Biochim. Polon. 57, 143-151.
• Lane N., 2004. Tlen. Cząsteczka, która stworzyła świat. Prószyński i S-ka, Warszawa.
• Lim Y. S., Cha M. K., Kim H. K., Uhm T. B., Park J. W., Kim K., Kim I. H., 1993. Removal of hydrogen peroxide and hydroxyl radical by thiol-specific antioxidant protein as a possible role in vivo. Biochem. Biophys. Res. Commun. 192, 273-280.
• Maaty W. S., Wiedenheft B., Tarlykov P., Schaff N., Heinemann J., Robison-Cox J., Valenzuela J., Dougherty A., Blum P., Lawrence C.M., Douglas T., Young M. J., Bothner B., 2009. Something old, something new, something borrowed; How the thermoacidophilic archaeon Sulfolobus solfataricus responds to oxidative stress. PLoS ONE 4, e6964. doi:10.1371/journal.pone.0006964.
• Małecka A., Tomaszewska B., 2005. Reaktywne formy tlenu w komórkach roślinnych i enzymatyczne systemy obronne. Post. Biol. Kom. 32, 311-325.
• McGonigle S., Dalton J. P., James E. R., 1998. Peroxidoxins: a new antioxidant family. Parasitology Today 14, 139-145.
• Mittler R., Vanderauwera S., Gollery M., Van Breusegem F., 2004. Reactive oxygen gene network of plants. Trends Plant Sci. 9, 490-498.
• Mittler R., Vanderauwera S., Suzuki N., Miller G., Tognetti V. B., Vandepoele K., Gollery M., Shulaev V., Van Breusegem F., 2011. ROS signaling: the new wave? Trends Plant Sci. 16, 300-309.
• Moné Y., Ribou A. C., Cosseau C., Duval D., Théron A., Mitta G., Gourbal B., 2011. An example of molecular co-evolution: Reactive oxygen species (ROS) and ROS scavenger levels in Schistosoma mansoni/Biomphalaria glabrata interactions. Int. J. Parasitol. 41, 721-730.
• Moore A. L., Albury M. S., Crichton P. G., Affourtit C., 2002. Function of the alternative oxidase: is it still a scavenger? Trends Plant Sci. 7, 478-481.
• Musser S. M., Chan S. I., 1998. Evolution of the cytochrome c oxidase proton pump. J. Mol. Evol. 46, 508-520.
• Pereira M. M., Santana M., Teixeira M., 2001. A novel scenario for the evolution of haem-copper oxygen reductases. Biochim. Biophys. Acta 1505, 185-208.
• Petrov V. D., Breusegem F. V. 2012. Hydrogen peroxide - a central hub for information flow in plant cells. AoB Plants pls014; doi:10.1093/aobpla/pls014.
• Raymond J., Segre D., 2006. The effect of oxygen on biochemical networks and the evolution of complex life. Science 311, 1764-1767.
• Rodriguez R., Redman R. 2005. Balancing the generation and elimination of reactive oxygen species. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 3175-3176.
• Sevilla F., Camejo D., Ortiz-Espín A., Calderón A., Lázaro J. J., Jiménez A., 2015. The thioredoxin/peroxiredoxin/sulfiredoxin system: current overview on its redox function in plants and regulation by reactive oxygen and nitrogen species. J. Exp. Bot. 66, 2945-2955.
• Schopfer P., Plachy C., Frahry G., 2001. Release of reactive oxygen intermediates (superoxide radicals, hydrogen peroxide, and hydroxyl radicals) and peroxidase in germinating radish seeds controlled by light, gibberellin, and abscisic acid. Plant Physiol. 125, 1591-1602.
• Ślesak I., Libik M., Karpinska B., Karpinski S., Miszalski Z., 2007. The role of hydrogen peroxide in regulation of plant metabolism and cellular signalling in response to environmental stresses. Acta Biochim. Polon. 54, 39-50.
• Thannickal V. J., 2009. Oxygen in the evolution of complex life and the price we pay. Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 40, 507-510.
• Thomas D. J., Boling J., Crowell C. M., Eubanks L. M., McCarthy N., Mc-Spadden T., Rector C., Schuchardt C. L., Spurlock C. J., Warrington J., 2008. A test of the oxygen paradox using antioxidant-deficient cyanobacteria. Gravitation Space Biol. 21, 27-28.
• Vanlerberghe G. C., 2013. Alternative axidase: a mitochondrial respiratory pathway to maintain metabolic and signaling homeostasis during abiotic and biotic stress in plants. Int. J. Mol. Sci. 14, 6805-6847.
• Wiedenheft B., Mosolf J., Willits D., Yeager M., Dryden K. A., Young M., Douglas T., 2005. An archaeal antioxidant: Characterization of a Dps-like protein from Sulfolobus solfataricus. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10551-10556.
• Wood Z. A., Poole L. B., Karplus P. A., 2003. Peroxiredoxin evolution and the regulation of hydrogen peroxide signaling. Science 300, 650-653.