Cellular response to Ca 2+ stress and its geological implications

• Autorzy: Degens E.T. , Kazmierczak J. , Ittekkot V.

Warianty tytułu

PL

Geologiczne konsekwencje reakcji komórki na stres wapniowy

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Knowledge on transport and regulation of free calcium in the living cell is used in support of the theory (Kaźmierczak et al. 1985) linking the onset of biocalcification at about the Precambrian/Cambrian boundary to a rise in Ca²⁺ concentrations in the shelf seas to levels toxic to biota. Following this event, fluctuating Ca²⁺ levels in the Phanerozoic seas are supposed to have challenged a variety of protists and invertebrates to respond by depositing no, thin, or thick skeletons respectively. Changes in type and extent of calcification, as observed in the stratigraphical record, are interpreted to reflect the pulsating flow of Ca²⁺ ions through crust, sea, and biota. Some implications of that theory to (i) the history of sea water, (ii) the global carbon cycle, (iii) stable carbon isotope geochemistry, and (iv) sedimentation of suspended clays, are briefly discussed.

PL

Ca²⁺ jest jednym z najważniejszych jonów w procesach życiowych, pełniącym, między innymi, różnorakie funkcje jako regulator wewnątrzkomórkowy. Przeciętne stężenie Ca²⁺ w cytoplazmie wynosi 10⁻⁸—10⁻⁷ M i jest zwykle o 4—5 rzędów wielkości niższe od stężeń zewnątrzkomórkowych. Wysokie stężenia jonów wapnia w sąsiedztwie komórki powodują zwiększony napływ Ca²⁺ do cytoplazmy, zagrażający normalnemu funkcjonowaniu organizmu. Do usuwania toksycznego nadmiaru Ca²⁺ z komórki służą różnego rodzaju „pompy jonowe” oraz nośniki białkowe (tzw. kalcyproteiny). Biokalcyfikację można rozpatrywać jako jedną z form detoksykacji wapniowej komórek. Różni się ona od innych sposobów usuwania nadmiaru Ca²⁺ z komórek tym, że w tym przypadku wyprowadzany na nośniku białkowym (glikoproteinowym) wapń jest przy współudziale enzymów (węglanowej anhydrazy lub alkalicznej fosfatazy) neutralizowany do postaci słabo rozpuszczalnej w wodzie soli, której ostateczna forma mineralogiczna zależy od specyficzności wzornika (template) białkowego, na którym epitaksjalnie narastają kryształy. Omówione w pracy dokładniej mechanizmy transportu i regulacji Ca²⁺ w komórce posłużyły do poparcia hipotezy Kaźmierczaka, Ittekkota i Degensa (1985), łączącej powstanie pierwszych struktur szkieletowych na przełomie prekambru i kambru ze wzrostem stężeń Ca²⁺ w szelfowych środowiskach morskich do poziomu toksycznego dla zasiedlających je organizmów. Zgodnie z tą hipotezą, w ciągu fanerozoiku koncentracja Ca²⁺ w morzach szelfowych ulegała wielkoskalowym fluktuacjom, odpowiadającym cyklom regresywno-transgresywnym, sterowanym aktywnością stref ryftowych. Rezultatem tych fluktuacji byłoby okresowe, masowe pojawianie się w prawie wszystkich grupach organizmów morskich form opatrzonych szczególnie masywnymi, wapiennymi lub Ca-fosforanowymi strukturami szkieletowymi. Ca²⁺ w dzisiejszych morzach pochodzi z dwóch głównych źródeł: (1) produktów wietrzenia lądowego, znoszonych wodami rzecznymi i (2) roztworów hydrotermalnych, wydobywających się ze skorupy oceanicznej w strefach ryftowych. Przez większość prekambru usuwanie Ca²⁺ ze środowiska morskiego następowało przede wszystkim przez chemiczne wytrącanie węglanów w strefach pływowych i nadpływowych (np. w formie stromatolitów), lub w pobliżu ryftów. Skład chemiczny wody morskiej w tym czasie zbliżony był do składu dzisiejszych przyryftowych i wulkanicznych jezior sodowych, których wysokie pH (> 10) pozwala utrzymać w roztworze tylko znikome ilości Ca²⁺. Z przejściem od oceanu sodowego do chlorkowego (halitowego), co miało miejsce w ciągu proterozoiku, poziom Ca²⁺ w wodzie morskiej stopniowo wzrastał, szczególnie w zbiornikach epikontynentalnych, zasilanych wraz z postępującą kratonizacją litosfery coraz większymi ilościami Ca²⁺ pochodzącego z wietrzenia kontynentów. Reakcją organizmów na wzrastający stres wapniowy była prawie jednoczesna biokalcyfikacja wielu grup bezkręgowców w wendzie i wczesnym kambrze. „Wymuszenie” przez środowisko wapiennych struktur szkieletowych na organizmach nie było procesem ograniczonym do pogranicza prekambru i kambru. W ciągu fanerozoiku szereg grup organizmów bezszkieletowych odpowiedziało na stres wapniowy swoich środowisk życia wykształceniem wapiennych szkieletów (np. w dewonie otwornice bentosowe, zaś na przełomie triasu i jury planktonowe otwornice i część nannofitoplankterów). Biokalcyfikacja zmieniła generalnie charakter wytrącania węglanów w morzu z chemicznego na enzymatyczny, a ekstrakcja Ca²⁺ w morzach fanerozoicznych stała się prawie wyłącznie domeną organizmów. Wiele pierwotniaków i glonów planktonowych reaguje na stres wapniowy środowiska obfitym wydzielaniem wielocukrów czy glikoprotein kompleksujących Ca²⁺. Obecność tych substancji w wodzie prowadzi z kolei do makroflokulacji drobnych cząstek osadu zawieszonych w wodzie, które bez łączenia się w większe agregaty nie mogłyby opadać na dno. Sedymentacja zawiesiny ilastej jest więc związana z intensywnością wydalniczą planktonu, zależną bezpośrednio od stężenia jonów wapnia (a także innych metali) w środowisku. Praca była częściowo finansowana przez Polską Akademię Nauk w ramach problemu MR II 6.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Palaeontologica Polonica
• Rocznik: 1985
• Tom: 30
• Numer: 3-4
• Opis fizyczny: p.115-135,fig.,ref.

Twórcy

autor

Degens E.T.

• International Carbon Unit, University of Hamburg, Bundesstrasse 55, D -2000 Hamburg, Federal Republic of Germany

autor

Kazmierczak J.

• Zaklad Paleobiologii, Polska Akademia Nauk, al.Zwirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa, Poland

autor

Ittekkot V.

• International Carbon Unit, University of Hamburg, Bundesstrasse 55, D -2000 Hamburg, Federal Republic of Germany

Bibliografia

• ADDADI, L. and WEINER, S. Interaction between acidic proteins and crystals: stereochemical requirements in biomineralization. — Proc. Natl. Acad Sci USA, 82, 4110—4114.
• ANDERSON, G. C. and ZEUTSCHEL, R. P. 1970. Release of dissolved organic matter by marine phytoplankton in coastal offshore areas of the Northeast Pacific Ocean. — Limnol. Oceanogr., 15, 402—407.
• CARAFOLI, E. and CROMPTON, M. 1978. The regulation of intracellular calcium. — Current Topics in Membrane Transport, 9, 151—216.
• CHANCE, B. and YOSHIOKA, T. 1966. Sustained oscillation of ionic constituents of mitochondria. — Archiv Biochem. Biophys., 117, 451—464.
• CHEUNG, W. Y. 1980. Calmodulin plays a pivotal role in cellular regulation. — Science, 207, 19—27.
• CHEUNG, W. Y. 1982. Calmodulin. — Sci. Amer., 247/6, 48—56.
• COLLINS, J. H., POTTER, J. D., HORN, M. C. J., WILSHIRE, G. and JACKMAN, N. 1973. The amino acid sequence of rabbit skeletal muscle troponin C: Gene replication and homology with calcium-binding proteins from carp and hare muscle. — FEBS Letters, 36, 268—272.
• DEGENS, E. T. 1976. Molecular mechanisms on carbonate, phosphate and silica deposition in the living cell. — Topics in Current Chemistry, 64, 3—112.
• DEGENS, E. T. and ITTEKKOT, V. 1984. A new look at clay-organic interactions. — Mitt. Geol.-Paläont. Inst. Univ. Hamburg, 56, 229—248.
• DEGENS, E. T., KAŹMIERCZAK, J. and ITTEKKOT, V. Biomineralization and the carbon isotope record. — (TMPM Tschermak’s Mineral. Petrogr. Mitt, (in press).
• DEGENS, E. T., KEMPE, S. and SPITZY, A. 1984. CO₂: A biogeochemical portrait. In: O. Hutzinger (ed.), Handbook of Environmental Chemistry, 127—215, Springer-Verlag, Berlin.
• DEUSER, W. G. and ROSS, E. H. 1980. Seasonal change in the flux of organic carbon to the deep Sargasso Sea. — Nature, 283, 364—365.
• DEUSER, W. G. and ROSS, E. H. and ANDERSON, R. F. 1981. Seasonality in the supply of sediment to the deep Sargasso Sea and implications for the rapid transport of matter to the deep ocean. — Deep Sea Res., 28A, 495—505.
• DEUSER, W. G., BREWER, P. G., JICKELLS, T. D. and COMMEAU, R. D. 1983. Biological control of the removal of abiogenic particles from the surface ocean. — Science, 219, 388—391.
• DRABIKOWSKI, W., BARYŁKO, B., DĄBROWSKA, R., NOWAK, E. and SZPACENKO, A. 1974. Studies on the properties of TN-C component of troponin and on its effects on the interaction between the constituents of thin filament. In: W. Drabikowski, H. Strzelecka-Gołaszewska and E. Carafoli (eds.), Calcium Binding Proteins, 69—107, Elsevier, Amsterdam and PWN — Polish Scientific Publ., Warszawa.
• ELBRINK, J. and BIHLER, I. 1975. Membrane transport: Its relation to cellular metabolic rates. — Science, 188, 1177—1184.
• ERULKAR, D. 1980. The versatile role of calcium in biological systems. — Interdisciplinary Sci. Rev., 6, 322—332.
• FOGG, G. E. 1983. The ecological significance of extracellular products of phytoplankton photosynthesis. — Botanica Marina, 26, 3—14.
• GOREAU, T. F. 1959. The physiology of skeleton formation in corals. I. A method for measuring the rate of calcium deposition by corals under different conditions. — Biol. Bull., 116, 59—75.
• GOREAU, T. F. 1963. Calcium carbonate deposition by coralline algae and corals in relation to their roles as reef builders. — Ann. N.Y. Acad. Sci., 109, 127—167.
• HELLEBUST, J. A. 1974. Extracellular products. In: W. D. P. Stewart (ed.), Algal Physiology and Biochemistry, 838—863, Blackwell, London.
• HEMLEBEN CH., BÉ, A., SPINDLER, M. and ANDERSON, O. R. 1979. “Dissolution” effects induced by shell resorption during gametogenesis in Hastigerina pelagica (d’Orbigny). — J. Foram. Res., 9, 118—124.
• HONJO, S. 1976. Coccoliths: Production, transportation and sedimentation. — Mar. Micropaleont., 1, 65—79.
• HONJO, S. 1982. Seasonality and interaction of biogenic and lithogenic particulate flux at Panama Basin. — Science, 218, 883—884.
• HONJO, S. and ROMAN, M. R. 1978. Marine copepod fecal pellets: Production, preservation and sedimentation. — J. Mar. Res., 36, 516—518.
• HONJO, S., SPENCER, D. and FARRINGTON, J. W. 1982. Deep advective transport of lithogenic particles in Panama Basin. — Science, 216, 516—518.
• ITTEKKOT, V., DEGENS, E. T. and HONJO, S. 1984. Seasonality in the fluxes of sugars, amino acids and amino sugars: Panama Basin. — Deep Sea Res., 31, 1071—1083.
• KAŹMIERCZAK, J. 1976. Volvocacean nature of some non-radiosphaerid calcispheres and parathuramminid “Foraminifera”. — Acta Palaeont. Polonica, 21, 245—258.
• KAŹMIERCZAK, J., ITTEKKOT, V. and DEGENS, E. T. 1985. Biocalcification through time: Environmental challenge and cellular response. — Paläont. Ztschr., 59, 15—33.
• KEMPE, S. 1977. Hydrographie, Warven-Chronologie und organische Geochemie des Van Sees, Ost-Türkei. — Mitt. Geol. Paläont. Inst. Univ. Hamburg, 47, 125—228.
• KEMPE, S. and DEGENS, E. T. An early soda ocean? — Chem. Geol., 53, 95—108.
• KEMPE, S., KAŹMIERCZAK, J. and DEGENS, E. T. 1986. The soda ocean concept and its bearing on biotic and crustal evolution. — Fifth Int. Symp. Biomineral. The University of Texas at Arlington, May 18—23, 1986, Abstracts.
• KENDRICK-JONES, J. 1974. Role of myosin light chains in calcium regulation.— Nature, 249, 631—634.
• KNUDSON, K. A. and HORWITZ, A. F. 1977. Tandem events in myoblast fusion. — Dev. Biol., 58, 328—339.
• KOENIG, S. H. and BROWN, R. D. 1972. H₂CO₃ as substrate for carbonic anhydrase in the dehydration of HCO₃¹⁻ —Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 69, 2422—2425.
• KRAMPITZ, G. and WITT, W. 1979. Biochemical aspects of biomineralization.— Topics in Current Chemistry, 78, 57—144.
• KRANCK, K. and MILLIGAN, T. 1980. Macroflocs: Production of marine snow in the laboratory. — Mar. Ecol. Progr. Ser., 3, 19—24.
• KRETSINGER, R. H. 1976. Calcium binding proteins. — Annual Rev. Biochem., 45, 239—262.
• LLINAS, R. R. 1982. Calcium in synaptic transmission. — Sci. Amer., 247, 4, 38—47.
• LUTZ, R. A. and RHOADS, D. C. 1977. Anaerobiosis and a theory of growth line formation. — Science, 198, 1222—1227.
• MATHEJA, J. and DEGENS, E. T. 1971. Structural Molecular Biology of Phosphates, 180 pp. Gustav Fischer, Stuttgart.
• MICHAELIS, W., MOPPER, K., GARRASI, C. and DEGENS, E. T. 1976. Organische Substanzen im Sediment und Wasser der Hamburger Alster. — Mitt. Geol. Paläont. Inst. Univ. Hamburg, 46, 173—188.
• NORTHCOTE, D. H. 1971. The Golgi apparatus. — Endeavour, 30, 26—33.
• RASMUSSEN, H. 1981. Calcium and cAMP as Synarchic Messengers, 370 pp. Wiley- Interscience, New York.
• ROTH, P., MULLIN, M. M. and BERGER, W. H. 1975. Coccolith sedimentation by fecal pellets: laboratory experiments and field observations. — Bull. Geol. Soc. Amer., 86, 1079—1084.
• ROTHMANN, J. E. 1981. The Golgi apparatus: Two organells in tandem.— Science, 213, 1212—1220.
• SCHIDLOWSKI, M. 1982. Content and isotopic composition of reduced carbon in sediments. In: H. D. Holland and M. Schidlowski (eds.), Mineral Deposits and Evolution of the Biosphere, 103—122, Springer-Verlag, Berlin.
• SCHRADER, H. J. 1971. Fecal pellets in sedimentation of pelagic diatoms.— Science, 174, 55—57.
• TAKEICHI, M. and OKADA, T. S. 1972. Roles of magnesium and calcium ions in cell-to-substrate adhesion.—Exp. Cell. Res., 74, 51—60.
• THOMAS, J. P. 1971. Release of dissolved organic matter from natural populations of marine phytoplankton.— Mar. Biol., 11, 311—323.
• TSUNOGAI, S., YAMAHATA, H., KUDO, S. and SAITO, O. 1973. Calcium in the Pacific Ocean . — Deep Sea Res., 20, 717—726.
• TUFTY, R. M. and KRETSINGER, R. H. 1975. Troponin and parvalbumin calcium binding regions predicted in myosin light chain and T4 lysozyme. — Science, 187, 167—169.
• URIST, M. R. 1962. Induced systematic hypersensitivity. Selye’s theory. — Ibidem, 137, 120—121.
• WESTBROEK, P. and de JONG, E. W. (eds.). 1983. Biomineralization and Biological Metal Accumulation, 533 pp. D. Reidel, Dordrecht.
• WILLIAMS, P. J. le B. 1975. Biological and chemical aspects of dissolved organic material in sea water. In: J. P. Riley and G. Skirrow (eds.), Chemical Oceanography, 2, 301—363, Academic Press, London.
• WILLIAMS, R. J. P. 1976. Calcium chemistry and its relation to biological function. — Symp. Exp. Biol., 30, 1—17.