Effects of copper on calcium metabolism and detoxification mechanisms in freshwater bivalve species of Anodonta

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Santini, Olivier:
Effects of copper on calcium metabolism and detoxification mechanisms in freshwater bivalve species of Anodonta.
Bayreuth , 2013
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Copper (Cu) is one of the metals contaminating European fresh water ecosystems. Filter feeding bivalves have high bioaccumulation potential for transition metals as Cu. While copper is an essential micronutrient for living organisms, it causes serious metabolic and physiological impairments when in excess. The objectives of this thesis are to get knowledge on toxic effects and detoxification mechanisms of copper in Anodonta cygnea and Anodonta anatina, two mussel species widely distributed in continental waters. Because Ca plays a fundamental role in shell formation and in numerous biological processes, Cu2+ effects on cellular plasma membrane calcium transport were studied first. In the second step, the investigations focused on Cu2+ detoxification mechanism involving cysteine (Cys) rich compounds known to play a major role in homeostasis of essential trace metals and in cellular metal detoxification. Under our experimental conditions, copper inhibition of Ca2+-ATPase activity was observed in the gills and the kidneys, and inhibition of Na+/K+-ATPase in the gills and the digestive gland (DG) upon 4 d of exposure to 0.35 micro mol/L Cu2+. At day 7 of exposure to environmental Cu2+ concentrations total recoveries was observed in the kidneys and the gills for Ca2+-ATPase activity, and in the DG for Na+/K+-ATPase, but not at high doses. Ca and Na transport inhibition may entail disturbance of osmo-regulation and lead to continuous under-supply of Ca. Recoveries of Na+/K+-ATPase and Ca2+-ATPase enzymes function suggest that metal-detoxification is induced. Phytochelatins (PC) are Cys-rich oligopeptides synthesised by phytochelatin synthase from glutathione in plants and fungi. Phytochelatin synthase genes have recently been identified in invertebrates; this allows us to hypothesize a role of PC in metal detoxification in animals. In the second part of this work, PC and their precursors as well as metallothionein were analyzed in the gills and in the DG of Anodonta cygnea exposed to Cu2+. Our results showed for the first time the presence of PC2-4 in invertebrates. PC were detected in control mussels not exposed to metal, suggesting a role in essential metal homeostasis. Compared to control, PC2 induction was observed during the first 12 h of Cu2+ exposure. Those results confirm the role of PC as a first line detoxification mechanism in A. cygnea.

Abstract in weiterer Sprache

Kupfer ist eines der Übergangs-Metalle, die in Süsswasser-Ökosystemen Europas am weitesten verbreitet sind und in Konzentrationen auftreten, die ökotoxikologische Bedeutung haben können. Die filtrierenden, zweischaligen Muscheln haben die Fähigkeit, solche Übergangs- und Spuren-Metalle wie Kupfer durch Bioakkumulation anzureichern, da Kupfer auch ein wesentliches essentielles Metall für alle lebenden Organismen ist; bei übermässiger Belastung mit diesem Spuren-Metall werden jedoch schwere metabolische und physiologische Störungen hervorgerufen. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die Kenntnisse über toxische Wirkungen sowie Entgiftungsmechanismen von Kupfer in Anodonta cygnea und Anodonta anatina zu erweitern, zwei Arten von zweischaligen Süsswassermuscheln, die in Gewässern Europas weit verbreitet sind. Da Calcium eine fundamentale Rolle für die Zusammensetzung der Muschel-Schalen sowie bei zahlreichen biologischen Prozessen spielt, wurden zuerst die Wirkungen von Cu2+ auf den zellulären Transport von Calcium auf der Ebene der Plasmamembran studiert. Dann wurde der Schwerpunkt der Studie auf die Entgiftungsmechanismen des Kupfers gelegt, wobei cysteinreiche Peptide und Proteine im Vordergrund stehen. Cystein ist bekannt für seine Rolle als funktionelles Element für die Homöostase der essenziellen Spurenmetalle sowie für die zelluläre Metallentgiftung. Unter den gewählten experimentellen Bedingungen wurde nach vier Tagen Cu2+-Exposition bei 0,35 micro mol/L die Hemmung der Ca2+-ATPase in den Kiemen und Nieren und die Hemmung der Na+/K+-ATPase in den Kiemen und der Mitteldarmdrüse beobachtet. Nach sieben Tagen Exposition wurde die Erholung der Enzymtätigkeit in den Nieren und in den Kiemen für die Ca2+-ATPase beobachtet, in der Mitteldarmdrüse für die Na+/K+-ATPase. Die Erholung der Enzymtätigkeiten weist auf die Induktion der Metallentgiftungs-Kapazität hin. Bei doppelt so hoher Cu-Konzentration dauerte die Hemmung aller genannten Enzyme über den gesamten Expositionszeitraum von 15 Tagen an. Die Hemmung des Transports von Calcium und Natrium kann Störungen in der Osmoregulation verursachen und zu einem Defizit an Calcium führen. Phytochelatine (PC) sind cysteinreiche Polypeptide, die in Pflanzen und Hefen durch PC Synthase aus Glutathion synthetisiert werden. Gene, die zu funktionellen PC Synthasen führen können, wurden in Wirbellosen identifiziert, was uns annehmen ließ, dass PC auch bei Tieren eine Rolle bei der Metallentgiftung spielen könnte. Daher wurden im zweiten Teil der Arbeit PC und deren Vorläufer sowie die Metallothioneine in den Kiemen und in der Mitteldarmdrüse von kupferexponierten Anodonta cygnea analysiert. Die Ergebnisse zeigen zum ersten Mal die Präsenz von PC2-4 in Wirbellosen. Die PC wurden auch in Kontrollmuscheln gefunden, was auf ihre Rolle bei der Homöostase essenzieller Metalle hinweist. Eine Induktion von PC2 wurde in den ersten 12 Stunden der Cu2+-Exposition beobachtet, eine Bestätigung seiner Rolle als erster Metallentgiftungsmechanismus in A. cygnea.