Buenas,
Pues traigo el ultimo artículo, de los que yo tengo, sobre la quimica del agua. En este caso es sobre la calcificación de los corales, y que favorece o retarda este proceso. Es una lectura muy interesante, aunque quizás demasiado técnica. Aun así, se aprende bastante. Espero que os resulte interesante y aprendáis algo mas:
Quimica del acuario: Los mecanismos de calcificación Químicas y Bioquímicas
Por Randy Holmes-FarleyPor Randy Holmes-Farley
Todos los acuaristas están versados en el hecho de que tales organismos absorben el calcio y carbonato de columna de agua con el fin de proporcionar materiales para la calcificación. Sin embargo, rara vez es considerado como la calcificación tiene lugar.
Contenidos
1. Fundamentos de la calcificación Fundamentos de la calcificación
2. Las condiciones en los ECF Las Condiciones En El ECF
3. Transporte de calcio desde el Calicoblastic epitelio a la ECF: Proton antiporte Transporte de calcio desde el Calicoblastic epitelio a la ECF: Proton antiporte
4. El transporte de calcio desde el Calicoblastic epitelio a la ECF: Otros mecanismos Transporte de calcio desde el Calicoblastic epitelio A la ECF: Mecanismos Otros
5. Transporte Carbonato del Calicoblastic epitelio a la ECF: CO 2 Transporte Carbonato del Calicoblastic epitelio a la ECF: CO 2
6. Transporte Carbonato del Calicoblastic epitelio a la ECF: HCO 3 - Transporte Carbonato del Calicoblastic epitelio a la ECF: HCO 3 -
7. La entrada de calcio en el Calicoblastic Epitelio La entrada de calcio en el Calicoblastic epitelio
8. El papel de Organics El papel de Organics
9. Implicaciones para Reefkeeping: Implicaciones concentración de calcio párrafo Reefkeeping: Concentración de Calcio
10. Implicaciones para Reefkeeping: pH Implicaciones Reefkeeping párrafo: pH
11. Implicaciones para Reefkeeping: alcalinidad Implicaciones párrafo Reefkeeping: alcalinidad
12. Una final Anomalía Una última Anomalía
13. La historia continúa ....
14. Referencias Referencias
Una amplia variedad de organismos en tanques de arrecife usan estructuras de carbonato de calcio, incluyendo los corales, moluscos y algas. Estas estructuras proporcionan una variedad de funciones, incluyendo la protección y el apoyo del cuerpo, y el proceso de calcificación en sí puede aumentar la eficiencia fotosintética. Todos los acuaristas están versados en el hecho de que tales organismos absorben el calcio y carbonato de columna de agua con el fin de proporcionar materiales para la calcificación.
Exactamente como la calcificación tiene lugar, sin embargo, rara vez es considerado. En gran medida la falta de atención a este detalle, probablemente se relaciona con el hecho de que muchos de los productos químicos y bioquímicos detalles son simplemente no conocen. En este artículo, el tercero de una serie sobre el calcio en tanques de arrecife, explorará lo que se conoce y lo que no es acerca de cómo la calcificación tiene lugar.
Además de los detalles mecanicistas, este artículo explora una variedad de temas que se relacionan directamente con los acuario de arrecife. Estos temas incluyen el impacto de los cambios en el calcio, la alcalinidad y el pH de la calcificación. También discutirá brevemente cómo iones, tales como el estroncio, se meten en esqueletos de carbonato de calcio, y cómo el fosfato inhibe la calcificación.
Fundamentos de la calcificación
Empezaremos por describir lo que la mayoría de los científicos están de acuerdo en cómo la calcificación tiene lugar (si se ha demostrado experimentalmente o no). Los detalles pueden ser diferentes para diferentes organismos, por lo que la atención se centrará en los corales, pero las algas calcificantes son similares en muchos aspectos.
En el caso de los corales, la calcificación tiene lugar externo al organismo. Si se piensa en corales como el tejido de revestimiento al esqueleto de carbonato de calcio, la calcificación tiene lugar por debajo de la capa más baja de tejido (el epitelio calicoblastico, también llamado el epitelio Basilea) en un espacio de agua muy fina llamada el fluido calcificante extracytoplasmico (ECF; figura 1). El epitelio calicoblastico está unido a la superficie del cristal (el epitheca en muchos corales) con desmocytes, también llamado desmosomas 3. Estos pueden ser considerados como láminas de tejido que se ejecutan entre el epitelio calicoblastico y el esqueleto. El ECF está parcialmente en contacto con la columna de agua circundante. Es decir, los iones en esta área pueden filtrarse en la columna de agua, y los iones no puede escaparse. No obstante, ésta se protege lo suficiente para la calcificación de ser rápido allí y lenta o inexistente a filtrarse en el agua a granel.
Figure 1. The site of calcification in a coral. Figura 1. El sitio de calcificación en un coral.
Figura 1. El sitio de calcificación en un coral. En la parte inferior está el esqueleto de coral y en la parte superior es la celenteron del coral. El calcio se abre paso de la columna de agua a la celenteron, a través del epitelio calicoblastic, y en el ECF donde se precipita como carbonato de calcio
En general, los corales tienen que conseguir de alguna manera el calcio de la columna de agua a la ECF. También deben obtener carbonato en la misma ubicación. El calcio se desplaza desde la columna de agua al celenteron (la cavidad gástrica de los corales), entra en el epitelio calicoblastico, y luego se transfiere a la ECF. Además, en general se acordó que, en algún lugar a lo largo de la línea, se requiere transporte activo que implica energía química, y que lo más probable es que sea el epitelio calicoblastico quien participan en la transferencia de calcio en vez de la ECF.
El transporte de carbonato es menos claro y los científicos no están de acuerdo en los detalles. Algunos sugieren que el bicarbonato entra al celenteron de la columna de agua y usado en los procesos metabólicos en las células cercanas. El bicarbonato se combina con un protón para formar CO 2 y el CO 2 se difunde libremente a través del epitelio calicoblastico a la ECF, donde se convierte en carbonato. Otros científicos creen que el bicarbonato se bombea activamente desde el celenteron a través del epitelio calicoblastico a la ECF. Una vez en la ECF, se convierte en carbonato.
Una vez en la ECF, los corales aún deben combinar el calcio y carbonato para formar aragonita (una forma cristalina particular de CaCO3). Los corales producen el crecimiento del esqueleto de carbonato de calcio mediante el aumento de la sobresaturación de carbonato de calcio hasta el punto donde es probable la precipitación. En un artículo anterior de esta serie se describen los factores que inducen la cristalización, y los que la inhiben. En este contexto, los corales hacer lo siguiente para iniciar y controlar precipitación:
1. Aumentan la concentración de calcio bombeando activamente calcio en la ECF.
2. Pueden bombear bicarbonato en la ECF como la fuente de carbonato.
3. Pueden permitir que el CO 2 se difunda libremente en la ECF como la fuente de carbonato.
4. Bombean protones fuera de la ECF para convertir el CO 2 y el bicarbonato en carbonato.
5. Mantienen una cara cristalina fresca de aragonita como semilla para la calcificación.
6. Pueden excluir parcialmente de magnesio, fosfato, y compuestos orgánicos que inhiben la formación de cristales.
7. Pueden ayudar a dirigir la cristalización con sus propias moléculas orgánicas, que incluyen proteínas y polisacáridos, secretadas en el ECF.
Las condiciones en el ECF
Desafortunadamente, no se conoce la concentración de calcio en el líquido extracelular. Tampoco la concentración de carbonato. Tampoco, se conoce el pH, o siquiera la alcalinidad. De hecho, no hay alguna información experimental al respecto. Para ser honesto, no hay mucho. La mayor parte de la información disponible implica predicciones teóricas, como McConneaughey y de Whelan que calcularon la sobresaturación que podría resultar de un calcio particular y transportador de protones que creen que existe (ver detalles más abajo). Al parecer, los obstáculos técnicos para la medición de estos valores debido a una muy delgada ECF, han demostrado ser demasiado grande.
Una de las cosas que sí se sabe es el flujo de calcio a través de la ECF. Los valores de hasta 1,7 mol / cm2 / h se han medido en base a la tasa general de calcificación. Una forma de medir la magnitud de este proceso es compararlo con el agua de mar. En agua de mar normal tiene aproximadamente 10 mM de calcio. Un centímetro cúbico, en consecuencia, contiene 10 mmol de calcio. Si el ECF tenía calcio a una concentración normal de agua de mar, el calcio estaria totalmente agotado a partir de aproximadamente 1,7 mm de líquido por encima del esqueleto en una hora. Por supuesto, la ECF no tiene casi este espesor.
Desafortunadamente, el espesor de la ECF no está bien establecido, y probablemente ni siquiera constante. Los calicoblasticos propios de las células epiteliales son aproximadamente de 1 micrómetro de espesor, y la zona de ECF aparece ser incluso más delgada. Si damos un valor de 1 micra, entonces el calcio dentro de la ECF se agota por completo cada 2 segundos. En consecuencia, aunque no sabemos la concentración de calcio (y por tanto la sobresaturación), sí sabemos que el calcio se transmite a través de la ECF como el agua a través de una manguera de bomberos.
Transporte de calcio desde el Calicoblastico epitelio a la ECF: Proton antiporte
Si tanto el calcio como una fuente de carbonato de entrar en el ECF, debe venir del epitelio calicoblastico. Cómo estos materiales entran en el ECF es un área de debate. Esta primera sección presentará la teoría publicada por McConneaughey y Whelan 1 (Figura 2).
Figura 2. El sitio de calcificación en un coral que muestra el Ca++ propuesta / 2H +transportador (óvalo verde) que envía calcio del epitelio calicoblastic en el ECF.También se muestra la difusión de CO2 de la celenteron a la ECF y posterior conversión en carbonato.
Su propuesta es que hay una antiporter / protón de calcio que toma el calcio desde el interior del epitelio calicoblastico y la bombea a la ECF. Al mismo tiempo que cada ión calcio entra en la ECF, dos protones son bombeados de nuevo fuera de la ECF en la célula. Puesto que ambos procesos están transportando en contra de un gradiente de concentración, se requiere energía sustancial. La energía en este caso es proporcionada por una molécula de trifosfato de adenosina (ATP)que en la célula se descompone en difosfato de adenosina (ADP) y fosfato (un mecanismo de accionamiento común para muchos transportistas).Estos autores también señalan que el transportador real puede ser el transportador relacionados donde dos iones de calcio son transportados por cada cuatro protones y una molécula de ATP. Si el transportador actual es uno de estos dos, la distinción entre ellos es no trivial, ya que tienen la misma estequiometría, pero diferentes requisitos de ATP.
Los familiares de estos transportadores son muy comunes en otros sistemas biológicos donde se intercambian el calcio y los protones, como en las membranas celulares del músculo/
Una de las razones de que se requiera el transporte activo de calcio de la célula a la ECF, es que la concentración de calcio en el epitelio calicoblastico, como en casi todas las células, es mucho menor que la del agua de mar. Las concentraciones típicas de calcio libre en el interior de las células están por debajo de 1 uM (aunque las concentraciones totales pueden ser de mM al tomar depósitos de almacenamiento, como las mitocondrias), mientras que en agua de mar la concentración es de 10 mM. El transporte de los iones de calcio en contra de este gradiente de 10,000x requiere energía química sustancial, y por lo tanto la necesidad de ATP.
Podemos, de hecho, determinar exactamente la cantidad que este transportador podría bombear en contra de un gradiente de manera teorica:
Una ATP, que se utiliza perfectamente eficiente, es capaz de conducir de calcio hasta un gradiente de:
(1) E = 2.3RT [PCAO - PCAI]
Donde E es la energía de hidrólisis de ATP, CAO es la concentración de calcio en el ECF (o por fuera de la célula), y CAI es la concentración de calcio dentro de la célula. Siendo E aproximadamente 50 kJ / mol, y RT a 25 ° C es 2,48 kJ / mol, podemos resolver para el gradiente:
(2) PCAO - PCAI = 8,8
Es decir, el calcio se puede bombear en contra de un gradiente teórico de 6,3 x 10 8. En consecuencia, si todo lo que el transportador hizo fue mover el calcio, y lo hizo con una eficiencia perfecta, hay más que suficiente energía para impulsar el calcio de la célula a niveles muy por encima del agua de mar normal en el ECF.
Sin embargo, también tenemos que tener en cuenta la transferencia de los protones. La energía necesaria para bombear depende del pH dentro de la célula (PHI) y en el ECF (PHO):
(3) E = 2.3RT [2pHi - 2pHo]
donde el "2" refleja el hecho de que se bombean 2 protones. Para medir el efecto, vamos a suponer que el pH en la célula es de 7,0 y en el ECF es 9,0:
(4) pHi - PHO = -2
Así
(5) E = 2.3RT [2pHi - 2pHo] = -22,8 kJ / mol
Si tomamos el 50 kJ / mol de la hidrólisis de ATP original y restamos la energía necesaria para bombear los protones, tenemos:
(6) E = 2.3RT [PCAO - PCAI] = 50 a 22,8 kJ / mol = 27.2 kJ / mol
Resolviendo obtenemos
(7) PCAO - PCAI = 4,8
En consecuencia, podemos ver que hay suficiente energía disponible en una molécula de ATP para bombear el calcio hasta un gradiente de 10 4 y dos protones hasta un gradiente de pH de 2 unidades. Este gradiente es suficiente para causar sobresaturación en el ECF (suponiendo que el CO 2 se difunde libremente en la ECF o que H 2 CO 3 de lo contrario se pone allí en cantidades adecuadas).
Transporte de calcio desde el Calicoblastico epitelio a la ECF: Otros mecanismos
Hay una variedad de otros mecanismos de transporte de calcio propuestos desde el epitelio calicoblastico a la ECF Tambutte et al han estudiado ampliamente las diferentes piscinas de calcio en una coral (pistillata Stylophora; Figura 3) y creen que este transporte es dependiente de una calcio-ATPasa. Este transportador, o Ca ++ ATPasa también se ha propuesto por Isa et al 5 y Ip et al 6. Desafortunadamente, hay poca informacion adicional de estas moléculas en el contexto de un coral calcificante.
Si el calcio-ATPasa descrito por estos autores está presente en la membrana inferior del epitelio calicoblastico como se sugieren, entonces tendrá el mismo potencial teórico para aumentar las concentraciones de calcio como el transportador Ca ++ / 2H + descrito anteriormente, sin el transporte de protones. En consecuencia, esta Ca ++ -ATPasa puede ser teóricamente capaz de aumentar los niveles de calcio que inducen la sobresaturación y podría conducir a la formación de carbonato de calcio.
Transporte del Carbonato desde Calicoblastico epitelio a la ECF: CO 2
En el modelo McConneaughey y de Whelan, proponen que el CO 2 se difunde libremente desde el celenteron a la ECF. El CO 2 atraviesa fácilmente las membranas celulares en su forma no hidratado (CO 2, es la forma no hidratada H 2 CO 3). Cuando el CO 2 golpea el alta ECF pH, se convierte en carbonato, liberando dos protones:
Figura 3. UnStylophora pistillata coral similar a los utilizados en muchos de los estudios de calcificación descritos en este artículo. La foto fue tomada por Andy Hipkiss de un coral en su acuario.
(8) H 2 CO 3 SSA CO 3 - - + 2H +
La simplicidad intrínseca de este modelo es que estos dos protones pueden ser los bombeados por el transportador Ca ++ / 2H + (Figura 2). En consecuencia, el transportador Ca ++ / 2H + transportador mantiene un equilibrio entre el calcio que entra en el ECF y los protones que salen de ella.
La interconversión de CO 2 y H 2 CO 3 es un proceso relativamente lento, tomando desde segundos a minutos. Un proceso tan lento sería problemático para un coral que necesita rápidamente interconviertir estas dos formas, por lo tanto, utiliza una enzima para acelerar el proceso. La anhidrasa carbónica es ampliamente utilizada por organismos, incluyendo los seres humanos. En el contexto de los corales, es un aspecto importante de la calcificación.
Cuando se añade un inhibidor de la anhidrasa carbónica (por ejemplo, acetazolamida o ethoxyzolamide), la calcificación disminuye en un sistema, incluyendo Stylophora pistillata y un hidroide. Este resultado no dice si la anhidrasa carbónica es requerida en el ECF o en otro lugar (tal como en el epitelio calicoblastico), pero es consistente con la difusión de CO 2 en el ECF.
Transporte de Carbonato desde el epitelio calicoblastico a la ECF: HCO 3 -
Por supuesto, la simplicidad de una teoría no significa necesariamente la realidad. Otros autores han presentado pruebas de que el transporte de bicarbonato activo es importante, y no sólo la difusión de CO2. De hecho, estos dos procesos no son excluyentes entre sí: tal vez ambos se realizan en diferentes lugares, en diferentes grados, o en diferentes organismos.
Muchos autores han tratado de distinguir entre el carbono procedente de bicarbonato (o carbonato) en la columna de agua y el CO 2 procedentes de los procesos metabólicos. En la mayoría de los casos, los autores concluyen que ambos contribuyen a la reserva de carbono que entrar en el esqueleto de carbonato de calcio. En Stylophora pistillata, 70-75% del carbono que entra en la calcificación proviene de los procesos metabólicos, y 25-30% de bicarbonato en la columna de agua. Sin embargo, la fuente de carbono no indica necesariamente cómo llega al sitio de la calcificación, como se interconverte fácilmente CO 2 y bicarbonato, especialmente en la presencia de la anhidrasa carbónica.
Furla et al 9 también afirman que el carbono inorgánico disuelto (DIC, por ejemplo, H 2 CO 3 / HCO 3 - / CO 3 - -) se transporta activamente y que un inhibidor del transporte de aniones (DIDS) detiene el proceso:
"El agua de mar DIC se transfiere desde el medio externo al esqueleto de coral por dos vías diferentes: del agua de mar a la celenteron, de la ruta paracelular pasiva es en gran medida suficiente, mientras que una vía transcelular DIDS sensible parece mediar el flujo a través de las células calicoblastic."
Y también
"Irresp. De la fuente, un intercambiador de aniones realiza la secreción de DIC en el sitio de la calcificación."
Aún así, tanto Furla et al y McConneaughey y Whelan pueden ser parcialmente correcta: si bicarbonato se entrega a la ECF por un intercambiador de aniones, no habrá convertido rápidamente en un exceso de protones en el ECF, conduciendo por el pH y la inhibición de la calcificación. Un mecanismo de eliminación que implica Ca ++ / 2H + antiport resuelve este problema, aunque no con la eficiencia perfectamente equilibrado del mecanismo de difusión de CO2. En consecuencia, algunos transporte activo de protones de la ECF a la celenteron debe tener lugar. 2 Si se lleva a cabo a través de McConneaughey y de Whelan antiporter o algún otro mecanismo aún no se ha establecido. En cualquier caso, cómo esta gran flujo de protones a través del epitelio calicoblastic se lleva a cabo sin alterar el pH es desconocida. 2
La entrada de calcio en el Calicoblastico Epitelio
La siguiente pregunta a responder es cómo el calcio entra en el epitelio calicoblastico. Claramente, no sólo fluye libremente desde el celenteron porque el espacio está en gran medida en equilibrio con el fluido externo (al menos con respecto al calcio en agua de mar; 10 mM de calcio). Si el calcio entró libremente, los contenidos de las celdas también estarían en calcio 10 mM. Si bien esto puede parecer un proceso eficiente, las células no sobreviven bien en calcio 10 mM, y necesitan mantener la concentración libre sustancialmente menor. Aunque el calcio juega un papel fundamental en numerosos procesos celulares y no se puede permitir ser inusualmente alta.
Figura 4. El sitio de calcificación en un coral que muestra el Ca++ canal propuesto de la celenteron en el epitelio calicoblastic (óvalo rojo) además de las características mostradas en la Figura 3.
Sin embargo, grandes cantidades de calcio están fluyendo a través del epitelio calicoblastico, y de alguna manera el flujo de entrada de calcio debe ser garantizado. De hecho, hay un canal de calcio que regula el flujo de calcio en la célula. Este canal dependiente de la tensión se ha caracterizado, y una porción de que incluso se ha clonado.
Este canal de calcio no bombea calcio, sino que permite que fluya en la dirección del gradiente de concentración (que es de la celenteron en el epitelio calicoblastic; Figura 4). Lo que sí hace es abrir y cerrar esta vía de calcio en respuesta a la tensión a través de la membrana celular. Canales dependientes de tal tensión son muy comunes en las criaturas de todo tipo, pero la forma en que funcionan a nivel molecular está más allá del alcance de este artículo. En resumen, la célula debe cambiar el potencial eléctrico, en su superficie, en respuesta a su concentración de calcio interno de alguna manera, y este cambio de tensión abre o cierra los canales de calcio.
La evidencia de que este canal es importante en la calcificación es sustancial. Los inhibidores químicos específicos de estos tipos de canales inhiben la calcificación en los corales tales como Galaxea fascicularis 11 (Figura 5) y Stylophora pistillata. 4 La inmunohistoquímica también se ha utilizado para localizar la porción clonada del canal al epitelio calicoblastic (así como el ectodermo oral, ).
Figura 5. AGalaxea sp.Coral similar a los utilizados en algunos de los estudios de calcificación descritos en este artículo.Esta foto fue tomada por John Enlace de un coral de su acuario.
El papel de la Organica
Se sabe que las moléculas orgánicas juegan un papel importante en la formación de carbonato de calcio en muchos organismos, incluyendo conchas de abulón y otras conchas de moluscos . Estos materiales pueden ser proteínas, glicoproteínas, mucopolisacáridos, y fosfolípidos (y otros probables que aún no han sido identificados). Ellos ayudan a inducir la nucleación y el crecimiento de aragonito y se refieren a menudo como la "matriz orgánica" porque gran parte del esqueleto de los corales se compone de estos materiales orgánicos.
En el caso de los corales, tenemos relativamente poca información sobre lo que estos materiales orgánicos están haciendo exactamente. Las estructuras de algunas de estas proteínas contienen un número inusualmente grande de residuos de ácido aspártico. Estos aminoácidos son capaces de unirse al calcio, pero si que es una función crítica o no, no se ha establecido. Aquí hay algunas especulaciones acerca de lo que estos compuestos orgánicos podrían estar haciendo con respecto a la calcificación:
1. Ellos pueden ayudar a controlar la concentración de calcio libre en el ECF, y de ese modo ayudar a controlar la velocidad de precipitación de CaCO 3.
2. Ellos pueden controlar la ubicación de crecimiento de los cristales mediante la unión de calcio libre y transportando a la ubicación donde el coral quiere precipitación tenga lugar.
3. Pueden unirse a la cara del cristal de aragonita y de ese modo controlar la velocidad de precipitación.
4. Pueden unirse a la cara de cristal de aragonita y de este modo evitar la precipitación en los lugares donde el coral no quiere el esqueleto para crecer.
5. Pueden unirse a la cara del cristal de aragonita y de ese modo inhibir la unión de magnesio, fosfato, u otros iones que se sabe que inhiben el crecimiento de cristales de carbonato de calcio.
Independientemente de los mecanismos implicados, la necesidad de estos compuestos orgánicos en la calcificación es fácilmente verificada. Allemand et al han estudiado el papel de tales materiales enStylophora pistillata. Curiosamente, se encuentran con que los inhibidores de la síntesis de proteínas reducen la tasa de calcificación considerablemente. Por ejemplo, la reducción de la síntesis de proteínas por el 60-85% reduce la calcificación en un 50%. Un resultado similar se encontró mediante la inhibición de la síntesis de la glicoproteína. Estos resultados no se producen debido a la disminución del metabolismo, sino más bien por los efectos específicos de reducción de la proteína y la síntesis de la glicoproteína. La conclusión más importante en su papel puede ser que la tasa de esqueletogenesis puede ser más limitado por la tasa de biosíntesis y exocitosis de orgánica proteínas de la matriz en lugar de por la deposición de calcio.
Curiosamente, la aparentemente gran necesidad de un aminoácido particular (ácido aspártico) para sintetizar estas proteínas se satisface con fuentes externas, y no por cualquiera de los corales en sí o el zooxantelas. Por esta razón, podría ser interesante ver lo que la adición de ácido aspártico hace a la calcificación en tanques de arrecife.
Implicaciones para acuarista: Concentración de Calcio
Tradicionalmente, el acuarista ha aumentado la concentración de calcio por encima de los niveles naturales de 410 ppm para mejorar la calcificación en la mayoría de los corales. Esta idea está apoyada por experimentos en Stylophora pistillata donde la calcificación se vuelve limitada por calcio a niveles por debajo de los niveles naturales, pero no se incrementa por encima de aproximadamente 360 ppm. Por tanto, hay una clara relación entre la tasa de calcificación y la concentración externa de calcio, hasta que un activo proceso de transporte limita la tasa de calcificación, y este proceso de transporte queda saturado de calcio a concentraciones superiores a 360 ppm.
El uso de algunos de los datos proporcionados en las secciones anteriores, podemos entender por qué esto puede ocurrir. De nuevo, para Stylophora pistillata, como el nivel de calcio se incrementa en un medio de agua de mar artificial a partir de 0 a 800 ppm, la absorción de calcio por los celenteron aumenta de forma lineal. La absorción por la mayoría de los tejidos que no sean el epitelio calicoblastic también aumenta de una forma lineal. No hay datos específicos para el epitelio calicoblastic, pero los datos muestran que la calcificación no aumenta por encima de 360 ppm de calcio.
Si el calcio se deja en el epitelio calicoblastic por un canal de calcio, a continuación, la entrada de calcio es dependiente de la concentración en el celenteron, y la proporción de tiempo que los canales de calcio están abiertos. Desde las propias células controlan la compuerta de los canales de calcio, que presumiblemente pueden controlar sus niveles de calcio internos a voluntad. En consecuencia, una interpretación es que, a concentraciones de calcio por debajo de 360 ppm externos, el flujo de calcio en las células calicoblastic se convierte en el paso limitante de la velocidad en la calcificación.
Sin embargo, hay una segunda interpretación que también es posible. En este escenario, el calcio entra en el epitelio calicoblastic través de los canales cerrados, pero no se controla muy bien en la célula. A medida que la concentración de calcio en el celenteron cae, la concentración en el interior de la célula cae (independientemente de si hay un gran flujo de salida o no), por lo que es más difícil para el transporte activo para bombear el calcio en la ECF, y disminuyendo de ese modo la tasa de calcificación.
La diferencia entre estos dos escenarios es bastante esotérica, y probablemente no de interés para la mayoría acuaristas, sin embargo, es intelectualmente estimulante. La dificultad de distinguir estos dos escenarios se produce debido a que la naturaleza del control del nivel de calcio en estas células es desconocida. Cómo se regula la gran afluencia en relación con el gran flujo de salida no se entiende y nunca parece haber sido investigado. Por lo tanto, todavía no podemos saber si la calcificación cae principalmente porque la afluencia a través de las puertas no puede seguir el ritmo de la tasa de flujo de salida cuando las concentraciones de calcio en el celenteron son bajas, o si se cae principalmente debido a que el transporte activo del calcio en la ECF no puede mantenerse al día cuando la concentración de calcio en la célula calicoblastic es baja.
Implicaciones para acuarista: pH
Es bien conocido en la literatura científica que la calcificación se ralentiza considerablemente a medida que se baja el pH por debajo de los niveles naturales. Este resultado es especialmente preocupante y es un tema de investigación debido a la disminución del pH de los océanos debido al CO2 proveniente de la atmosfera. Las predicciones de la reducción de la calcificación en los arrecifes de coral en el futuro son sustanciales. Una vez más, tomando las secciones anteriores como telón de fondo, podemos empezar a entender por qué.
A medida que se reduce el pH del fluido externo, se hace cada vez más difícil para las células para excretar el exceso de protones que se producen a partir de la calcificación. Es decir, que tome en bicarbonato, quitarse un protón, precipitar el carbonato en su esqueleto y luego tienen que hacer algo con ese protón. Muchos de esos protones se pueden utilizar para hacer CO 2 de bicarbonato, y puede aumentar de ese modo la tasa de fotosíntesis. Sin embargo, no todos los protones se pueden utilizar de esta manera, y algunos se excreta.
En el modelo de McConneaughey y Whelan, protones son bombeados en el epitelio calicoblastic, y luego les permite moverse de alguna manera por el gradiente de concentración desde el interior de la célula pH menor (mayor concentración de protones) a la celenteron (mayor pH, concentración de protones inferior). Si el pH del agua de mar disminuye, el pH celenteron probable que la gota también puesto que es intercambiable con el fluido externo. A medida que el pH cae en el celenteron, el flujo de salida de protones de las células del epitelio calicoblastic se desacelera. Por último, como el pH cae dentro del epitelio calicoblastic porque protones no están yendo tan fácilmente, se hace cada vez más difícil para el Ca ++ / 2H + transportador para bombear protones y calcio en la ECF.
En el modelo de Furla et al, donde el bicarbonato se bombea activamente en el ECF, protones o bien debe ser bombeado activamente de distancia, o pasivamente debe difundirse a distancia.En cualquiera de los casos, el proceso puede no funcionar tan bien a pH más bajo celenteron como el gradiente de protones entre el ECF y el celenteron se hace más pequeño o más probablemente, más grande en la dirección equivocada. Es decir, los protones estarán menos inclinados a abandonar la ECF para el celenteron. En consecuencia, la sobresaturación de carbonato de calcio, que es altamente dependiente de pH, se reducirá, y por lo tanto la calcificación también disminuirá.
Implicaciones para acuarista: alcalinidad
A diferencia de la concentración de calcio, se cree que ciertos organismos calcifican más rápido a mayor alcalinidad del agua de mar normal. Este resultado también se ha demostrado en la literatura, donde se ha demostrado que la adición de bicarbonato al agua de mar aumenta la tasa de calcificación en Porites Porites . En ese caso, una duplicación de la concentración de bicarbonato dio lugar a una duplicación de la tasa de calcificación.
Gran parte, aunque no todas, de la fuente de carbono para la calcificación proviene del bicarbonato externo. Como se reduce la alcalinidad (a un pH dado) también se reducirá la concentración de bicarbonato (que comprende el grueso de la alcalinidad en el agua de mar). La difusión de bicarbonato o difusión de CO 2 de la celenteron aparentemente puede llegar a ser la limitación de velocidad en muchos corales. En parte, esto puede ser debido al hecho de que tanto la fotosíntesis y calcificación están compitiendo por bicarbonato, y el hecho de que la concentración de bicarbonato externa no es tan grande para empezar (en comparación, por ejemplo, a la concentración de calcio).
Figura 6. APorites sp.Coral similar a los utilizados en algunos de los estudios de calcificación descritos en este artículo.La foto fue tomada por Joe hamburguesa de un coral en su acuario.
Una final Anomalía
Como un experimento de reflexión final, considere cómo los materiales que no sean de calcio y carbonato entran en los esqueletos de los corales. Una variedad de metales entrar en estas estructuras, el más notable de ellos siendo estroncio, pero otros incluyen cadmio, manganeso, plomo, uranio y bario. ¿Cómo llegar?
Al parecer las concentraciones relativas de estroncio (y otros metales) y calcio en la ECF son similares al agua de mar sobre la base de las tasas de incorporación esqueléticas en una gran variedad de especies y ubicaciones de coral. La ECFincorpora como impurezas en el cristal en crecimiento en proporción directa a su concentración relativa al calcio. La rareza es que estos metales son capaces de entrar y se precipitan en las mismas proporciones en muchos corales diferentes (aunque aparentemente no todos), y, aparentemente, en proporciones que sugieren que las concentraciones relativas son similares al agua de mar a granel. Se ha afirmado que el transportista activo que envía calcio en la ECF puede distinguir fácilmente el calcio de estroncio, por ejemplo, y que el estroncio debe entrar de otra manera (por ejemplo, en Galaxea fascicularis 18). ¿Por qué, si estos metales entran en alguna otra manera, es la concentración relativa de modo constante a través de muchas especies de corales?
En consecuencia, es un tema actual de debate en la literatura en cuanto a cómo estos otros metales se incorporan en esqueletos de aragonita. Este tema es especialmente importante, ya que el calcio para tasa de incorporación de estroncio en los antiguos esqueletos de coral ha sido ampliamente discutido como paleotermómetro, con la tasa de incorporación de variables de una manera conocida con la temperatura. La comprensión de cómo la incorporación tiene lugar realmente parece ser un aspecto importante de esa hipótesis.
Otra cuestión importante tiene que ver con la inhibición de la calcificación de fosfato y orgánicos que contienen fosfato. El fosfato es un conocido inhibidor la precipitación de carbonato de calcio del agua de mar. El fosfato también disminuye la calcificación en los corales, tales como Pocillopora damicornis y toda arrecifes de parche. Esta inhibición está probablemente relacionada con la presencia de fosfato en el ECF y en la superficie del cristal en crecimiento. Exactamente cómo el fosfato se interpone, no se entiende bien. Sin embargo, la próxima vez que usted está preocupado acerca de los niveles de fosfato en su tanque, usted puede pensar en la inhibición de la calcificación en el ECF, además de la conducción de las algas no deseado en su tanque.
Esta inhibición de la calcificación tiene lugar a concentraciones alcanzadas con frecuencia en tanques de arrecife, y puede comenzar en niveles inferiores a los detectables por los kits de prueba afición. Por ejemplo, un grupo de investigación encontró que el enriquecimiento a largo plazo de fosfato (2 mm; 0,19 ppm; mantenida durante 3 horas al día) en un arrecife de parches naturales en la Gran Barrera de Coral inhibe la calcificación del coral en general en un 43%. Un segundo equipo encontró efectos en varias especies de Acropora a concentraciones similares.
Fosfato y fosfonato son inhibidores orgánicos de la calcificación y también se han estudiado y probablemente trabajen por un mecanismo similar. HEBP, un bisfosfonato que se muestra a continuación, provoca una inhibición del 36% de la calcificación en Stylophora pistillata a 10 mm, y se detiene completamente (99%) a 500 mm.
La historia continúa ....
Hay una gran cantidad de temas interesantes adicionales relacionados con la calcificación que no se han tratado aquí. En este artículo, por ejemplo, no ha profundizado en los detalles biológicos de la calcificación, tales como la naturaleza de los tejidos que rodean el sitio de la calcificación. Para los interesados, algunos de estos detalles biológicos y mecánicos se describen por Barnes. En este artículo tampoco se ha descrito la relación hipotética entre la calcificación y la fotosíntesis, pero es muy interesante y digno de comprensión. Lo que este artículo ha tratado para llevar a cabo es proporcionar una comprensión más detallada de los aspectos químicos de la calcificación que tiene lugar en el acuario de arrecife.
Pues traigo el ultimo artículo, de los que yo tengo, sobre la quimica del agua. En este caso es sobre la calcificación de los corales, y que favorece o retarda este proceso. Es una lectura muy interesante, aunque quizás demasiado técnica. Aun así, se aprende bastante. Espero que os resulte interesante y aprendáis algo mas:
Quimica del acuario: Los mecanismos de calcificación Químicas y Bioquímicas
Por Randy Holmes-FarleyPor Randy Holmes-Farley
Todos los acuaristas están versados en el hecho de que tales organismos absorben el calcio y carbonato de columna de agua con el fin de proporcionar materiales para la calcificación. Sin embargo, rara vez es considerado como la calcificación tiene lugar.
Contenidos
1. Fundamentos de la calcificación Fundamentos de la calcificación
2. Las condiciones en los ECF Las Condiciones En El ECF
3. Transporte de calcio desde el Calicoblastic epitelio a la ECF: Proton antiporte Transporte de calcio desde el Calicoblastic epitelio a la ECF: Proton antiporte
4. El transporte de calcio desde el Calicoblastic epitelio a la ECF: Otros mecanismos Transporte de calcio desde el Calicoblastic epitelio A la ECF: Mecanismos Otros
5. Transporte Carbonato del Calicoblastic epitelio a la ECF: CO 2 Transporte Carbonato del Calicoblastic epitelio a la ECF: CO 2
6. Transporte Carbonato del Calicoblastic epitelio a la ECF: HCO 3 - Transporte Carbonato del Calicoblastic epitelio a la ECF: HCO 3 -
7. La entrada de calcio en el Calicoblastic Epitelio La entrada de calcio en el Calicoblastic epitelio
8. El papel de Organics El papel de Organics
9. Implicaciones para Reefkeeping: Implicaciones concentración de calcio párrafo Reefkeeping: Concentración de Calcio
10. Implicaciones para Reefkeeping: pH Implicaciones Reefkeeping párrafo: pH
11. Implicaciones para Reefkeeping: alcalinidad Implicaciones párrafo Reefkeeping: alcalinidad
12. Una final Anomalía Una última Anomalía
13. La historia continúa ....
14. Referencias Referencias
Una amplia variedad de organismos en tanques de arrecife usan estructuras de carbonato de calcio, incluyendo los corales, moluscos y algas. Estas estructuras proporcionan una variedad de funciones, incluyendo la protección y el apoyo del cuerpo, y el proceso de calcificación en sí puede aumentar la eficiencia fotosintética. Todos los acuaristas están versados en el hecho de que tales organismos absorben el calcio y carbonato de columna de agua con el fin de proporcionar materiales para la calcificación.
Exactamente como la calcificación tiene lugar, sin embargo, rara vez es considerado. En gran medida la falta de atención a este detalle, probablemente se relaciona con el hecho de que muchos de los productos químicos y bioquímicos detalles son simplemente no conocen. En este artículo, el tercero de una serie sobre el calcio en tanques de arrecife, explorará lo que se conoce y lo que no es acerca de cómo la calcificación tiene lugar.
Además de los detalles mecanicistas, este artículo explora una variedad de temas que se relacionan directamente con los acuario de arrecife. Estos temas incluyen el impacto de los cambios en el calcio, la alcalinidad y el pH de la calcificación. También discutirá brevemente cómo iones, tales como el estroncio, se meten en esqueletos de carbonato de calcio, y cómo el fosfato inhibe la calcificación.
Fundamentos de la calcificación
Empezaremos por describir lo que la mayoría de los científicos están de acuerdo en cómo la calcificación tiene lugar (si se ha demostrado experimentalmente o no). Los detalles pueden ser diferentes para diferentes organismos, por lo que la atención se centrará en los corales, pero las algas calcificantes son similares en muchos aspectos.
En el caso de los corales, la calcificación tiene lugar externo al organismo. Si se piensa en corales como el tejido de revestimiento al esqueleto de carbonato de calcio, la calcificación tiene lugar por debajo de la capa más baja de tejido (el epitelio calicoblastico, también llamado el epitelio Basilea) en un espacio de agua muy fina llamada el fluido calcificante extracytoplasmico (ECF; figura 1). El epitelio calicoblastico está unido a la superficie del cristal (el epitheca en muchos corales) con desmocytes, también llamado desmosomas 3. Estos pueden ser considerados como láminas de tejido que se ejecutan entre el epitelio calicoblastico y el esqueleto. El ECF está parcialmente en contacto con la columna de agua circundante. Es decir, los iones en esta área pueden filtrarse en la columna de agua, y los iones no puede escaparse. No obstante, ésta se protege lo suficiente para la calcificación de ser rápido allí y lenta o inexistente a filtrarse en el agua a granel.
Figure 1. The site of calcification in a coral. Figura 1. El sitio de calcificación en un coral.
Figura 1. El sitio de calcificación en un coral. En la parte inferior está el esqueleto de coral y en la parte superior es la celenteron del coral. El calcio se abre paso de la columna de agua a la celenteron, a través del epitelio calicoblastic, y en el ECF donde se precipita como carbonato de calcio
En general, los corales tienen que conseguir de alguna manera el calcio de la columna de agua a la ECF. También deben obtener carbonato en la misma ubicación. El calcio se desplaza desde la columna de agua al celenteron (la cavidad gástrica de los corales), entra en el epitelio calicoblastico, y luego se transfiere a la ECF. Además, en general se acordó que, en algún lugar a lo largo de la línea, se requiere transporte activo que implica energía química, y que lo más probable es que sea el epitelio calicoblastico quien participan en la transferencia de calcio en vez de la ECF.
El transporte de carbonato es menos claro y los científicos no están de acuerdo en los detalles. Algunos sugieren que el bicarbonato entra al celenteron de la columna de agua y usado en los procesos metabólicos en las células cercanas. El bicarbonato se combina con un protón para formar CO 2 y el CO 2 se difunde libremente a través del epitelio calicoblastico a la ECF, donde se convierte en carbonato. Otros científicos creen que el bicarbonato se bombea activamente desde el celenteron a través del epitelio calicoblastico a la ECF. Una vez en la ECF, se convierte en carbonato.
Una vez en la ECF, los corales aún deben combinar el calcio y carbonato para formar aragonita (una forma cristalina particular de CaCO3). Los corales producen el crecimiento del esqueleto de carbonato de calcio mediante el aumento de la sobresaturación de carbonato de calcio hasta el punto donde es probable la precipitación. En un artículo anterior de esta serie se describen los factores que inducen la cristalización, y los que la inhiben. En este contexto, los corales hacer lo siguiente para iniciar y controlar precipitación:
1. Aumentan la concentración de calcio bombeando activamente calcio en la ECF.
2. Pueden bombear bicarbonato en la ECF como la fuente de carbonato.
3. Pueden permitir que el CO 2 se difunda libremente en la ECF como la fuente de carbonato.
4. Bombean protones fuera de la ECF para convertir el CO 2 y el bicarbonato en carbonato.
5. Mantienen una cara cristalina fresca de aragonita como semilla para la calcificación.
6. Pueden excluir parcialmente de magnesio, fosfato, y compuestos orgánicos que inhiben la formación de cristales.
7. Pueden ayudar a dirigir la cristalización con sus propias moléculas orgánicas, que incluyen proteínas y polisacáridos, secretadas en el ECF.
Las condiciones en el ECF
Desafortunadamente, no se conoce la concentración de calcio en el líquido extracelular. Tampoco la concentración de carbonato. Tampoco, se conoce el pH, o siquiera la alcalinidad. De hecho, no hay alguna información experimental al respecto. Para ser honesto, no hay mucho. La mayor parte de la información disponible implica predicciones teóricas, como McConneaughey y de Whelan que calcularon la sobresaturación que podría resultar de un calcio particular y transportador de protones que creen que existe (ver detalles más abajo). Al parecer, los obstáculos técnicos para la medición de estos valores debido a una muy delgada ECF, han demostrado ser demasiado grande.
Una de las cosas que sí se sabe es el flujo de calcio a través de la ECF. Los valores de hasta 1,7 mol / cm2 / h se han medido en base a la tasa general de calcificación. Una forma de medir la magnitud de este proceso es compararlo con el agua de mar. En agua de mar normal tiene aproximadamente 10 mM de calcio. Un centímetro cúbico, en consecuencia, contiene 10 mmol de calcio. Si el ECF tenía calcio a una concentración normal de agua de mar, el calcio estaria totalmente agotado a partir de aproximadamente 1,7 mm de líquido por encima del esqueleto en una hora. Por supuesto, la ECF no tiene casi este espesor.
Desafortunadamente, el espesor de la ECF no está bien establecido, y probablemente ni siquiera constante. Los calicoblasticos propios de las células epiteliales son aproximadamente de 1 micrómetro de espesor, y la zona de ECF aparece ser incluso más delgada. Si damos un valor de 1 micra, entonces el calcio dentro de la ECF se agota por completo cada 2 segundos. En consecuencia, aunque no sabemos la concentración de calcio (y por tanto la sobresaturación), sí sabemos que el calcio se transmite a través de la ECF como el agua a través de una manguera de bomberos.
Transporte de calcio desde el Calicoblastico epitelio a la ECF: Proton antiporte
Si tanto el calcio como una fuente de carbonato de entrar en el ECF, debe venir del epitelio calicoblastico. Cómo estos materiales entran en el ECF es un área de debate. Esta primera sección presentará la teoría publicada por McConneaughey y Whelan 1 (Figura 2).
Figura 2. El sitio de calcificación en un coral que muestra el Ca++ propuesta / 2H +transportador (óvalo verde) que envía calcio del epitelio calicoblastic en el ECF.También se muestra la difusión de CO2 de la celenteron a la ECF y posterior conversión en carbonato.
Su propuesta es que hay una antiporter / protón de calcio que toma el calcio desde el interior del epitelio calicoblastico y la bombea a la ECF. Al mismo tiempo que cada ión calcio entra en la ECF, dos protones son bombeados de nuevo fuera de la ECF en la célula. Puesto que ambos procesos están transportando en contra de un gradiente de concentración, se requiere energía sustancial. La energía en este caso es proporcionada por una molécula de trifosfato de adenosina (ATP)que en la célula se descompone en difosfato de adenosina (ADP) y fosfato (un mecanismo de accionamiento común para muchos transportistas).Estos autores también señalan que el transportador real puede ser el transportador relacionados donde dos iones de calcio son transportados por cada cuatro protones y una molécula de ATP. Si el transportador actual es uno de estos dos, la distinción entre ellos es no trivial, ya que tienen la misma estequiometría, pero diferentes requisitos de ATP.
Los familiares de estos transportadores son muy comunes en otros sistemas biológicos donde se intercambian el calcio y los protones, como en las membranas celulares del músculo/
Una de las razones de que se requiera el transporte activo de calcio de la célula a la ECF, es que la concentración de calcio en el epitelio calicoblastico, como en casi todas las células, es mucho menor que la del agua de mar. Las concentraciones típicas de calcio libre en el interior de las células están por debajo de 1 uM (aunque las concentraciones totales pueden ser de mM al tomar depósitos de almacenamiento, como las mitocondrias), mientras que en agua de mar la concentración es de 10 mM. El transporte de los iones de calcio en contra de este gradiente de 10,000x requiere energía química sustancial, y por lo tanto la necesidad de ATP.
Podemos, de hecho, determinar exactamente la cantidad que este transportador podría bombear en contra de un gradiente de manera teorica:
Una ATP, que se utiliza perfectamente eficiente, es capaz de conducir de calcio hasta un gradiente de:
(1) E = 2.3RT [PCAO - PCAI]
Donde E es la energía de hidrólisis de ATP, CAO es la concentración de calcio en el ECF (o por fuera de la célula), y CAI es la concentración de calcio dentro de la célula. Siendo E aproximadamente 50 kJ / mol, y RT a 25 ° C es 2,48 kJ / mol, podemos resolver para el gradiente:
(2) PCAO - PCAI = 8,8
Es decir, el calcio se puede bombear en contra de un gradiente teórico de 6,3 x 10 8. En consecuencia, si todo lo que el transportador hizo fue mover el calcio, y lo hizo con una eficiencia perfecta, hay más que suficiente energía para impulsar el calcio de la célula a niveles muy por encima del agua de mar normal en el ECF.
Sin embargo, también tenemos que tener en cuenta la transferencia de los protones. La energía necesaria para bombear depende del pH dentro de la célula (PHI) y en el ECF (PHO):
(3) E = 2.3RT [2pHi - 2pHo]
donde el "2" refleja el hecho de que se bombean 2 protones. Para medir el efecto, vamos a suponer que el pH en la célula es de 7,0 y en el ECF es 9,0:
(4) pHi - PHO = -2
Así
(5) E = 2.3RT [2pHi - 2pHo] = -22,8 kJ / mol
Si tomamos el 50 kJ / mol de la hidrólisis de ATP original y restamos la energía necesaria para bombear los protones, tenemos:
(6) E = 2.3RT [PCAO - PCAI] = 50 a 22,8 kJ / mol = 27.2 kJ / mol
Resolviendo obtenemos
(7) PCAO - PCAI = 4,8
En consecuencia, podemos ver que hay suficiente energía disponible en una molécula de ATP para bombear el calcio hasta un gradiente de 10 4 y dos protones hasta un gradiente de pH de 2 unidades. Este gradiente es suficiente para causar sobresaturación en el ECF (suponiendo que el CO 2 se difunde libremente en la ECF o que H 2 CO 3 de lo contrario se pone allí en cantidades adecuadas).
Transporte de calcio desde el Calicoblastico epitelio a la ECF: Otros mecanismos
Hay una variedad de otros mecanismos de transporte de calcio propuestos desde el epitelio calicoblastico a la ECF Tambutte et al han estudiado ampliamente las diferentes piscinas de calcio en una coral (pistillata Stylophora; Figura 3) y creen que este transporte es dependiente de una calcio-ATPasa. Este transportador, o Ca ++ ATPasa también se ha propuesto por Isa et al 5 y Ip et al 6. Desafortunadamente, hay poca informacion adicional de estas moléculas en el contexto de un coral calcificante.
Si el calcio-ATPasa descrito por estos autores está presente en la membrana inferior del epitelio calicoblastico como se sugieren, entonces tendrá el mismo potencial teórico para aumentar las concentraciones de calcio como el transportador Ca ++ / 2H + descrito anteriormente, sin el transporte de protones. En consecuencia, esta Ca ++ -ATPasa puede ser teóricamente capaz de aumentar los niveles de calcio que inducen la sobresaturación y podría conducir a la formación de carbonato de calcio.
Transporte del Carbonato desde Calicoblastico epitelio a la ECF: CO 2
En el modelo McConneaughey y de Whelan, proponen que el CO 2 se difunde libremente desde el celenteron a la ECF. El CO 2 atraviesa fácilmente las membranas celulares en su forma no hidratado (CO 2, es la forma no hidratada H 2 CO 3). Cuando el CO 2 golpea el alta ECF pH, se convierte en carbonato, liberando dos protones:
Figura 3. UnStylophora pistillata coral similar a los utilizados en muchos de los estudios de calcificación descritos en este artículo. La foto fue tomada por Andy Hipkiss de un coral en su acuario.
(8) H 2 CO 3 SSA CO 3 - - + 2H +
La simplicidad intrínseca de este modelo es que estos dos protones pueden ser los bombeados por el transportador Ca ++ / 2H + (Figura 2). En consecuencia, el transportador Ca ++ / 2H + transportador mantiene un equilibrio entre el calcio que entra en el ECF y los protones que salen de ella.
La interconversión de CO 2 y H 2 CO 3 es un proceso relativamente lento, tomando desde segundos a minutos. Un proceso tan lento sería problemático para un coral que necesita rápidamente interconviertir estas dos formas, por lo tanto, utiliza una enzima para acelerar el proceso. La anhidrasa carbónica es ampliamente utilizada por organismos, incluyendo los seres humanos. En el contexto de los corales, es un aspecto importante de la calcificación.
Cuando se añade un inhibidor de la anhidrasa carbónica (por ejemplo, acetazolamida o ethoxyzolamide), la calcificación disminuye en un sistema, incluyendo Stylophora pistillata y un hidroide. Este resultado no dice si la anhidrasa carbónica es requerida en el ECF o en otro lugar (tal como en el epitelio calicoblastico), pero es consistente con la difusión de CO 2 en el ECF.
Transporte de Carbonato desde el epitelio calicoblastico a la ECF: HCO 3 -
Por supuesto, la simplicidad de una teoría no significa necesariamente la realidad. Otros autores han presentado pruebas de que el transporte de bicarbonato activo es importante, y no sólo la difusión de CO2. De hecho, estos dos procesos no son excluyentes entre sí: tal vez ambos se realizan en diferentes lugares, en diferentes grados, o en diferentes organismos.
Muchos autores han tratado de distinguir entre el carbono procedente de bicarbonato (o carbonato) en la columna de agua y el CO 2 procedentes de los procesos metabólicos. En la mayoría de los casos, los autores concluyen que ambos contribuyen a la reserva de carbono que entrar en el esqueleto de carbonato de calcio. En Stylophora pistillata, 70-75% del carbono que entra en la calcificación proviene de los procesos metabólicos, y 25-30% de bicarbonato en la columna de agua. Sin embargo, la fuente de carbono no indica necesariamente cómo llega al sitio de la calcificación, como se interconverte fácilmente CO 2 y bicarbonato, especialmente en la presencia de la anhidrasa carbónica.
Furla et al 9 también afirman que el carbono inorgánico disuelto (DIC, por ejemplo, H 2 CO 3 / HCO 3 - / CO 3 - -) se transporta activamente y que un inhibidor del transporte de aniones (DIDS) detiene el proceso:
"El agua de mar DIC se transfiere desde el medio externo al esqueleto de coral por dos vías diferentes: del agua de mar a la celenteron, de la ruta paracelular pasiva es en gran medida suficiente, mientras que una vía transcelular DIDS sensible parece mediar el flujo a través de las células calicoblastic."
Y también
"Irresp. De la fuente, un intercambiador de aniones realiza la secreción de DIC en el sitio de la calcificación."
Aún así, tanto Furla et al y McConneaughey y Whelan pueden ser parcialmente correcta: si bicarbonato se entrega a la ECF por un intercambiador de aniones, no habrá convertido rápidamente en un exceso de protones en el ECF, conduciendo por el pH y la inhibición de la calcificación. Un mecanismo de eliminación que implica Ca ++ / 2H + antiport resuelve este problema, aunque no con la eficiencia perfectamente equilibrado del mecanismo de difusión de CO2. En consecuencia, algunos transporte activo de protones de la ECF a la celenteron debe tener lugar. 2 Si se lleva a cabo a través de McConneaughey y de Whelan antiporter o algún otro mecanismo aún no se ha establecido. En cualquier caso, cómo esta gran flujo de protones a través del epitelio calicoblastic se lleva a cabo sin alterar el pH es desconocida. 2
La entrada de calcio en el Calicoblastico Epitelio
La siguiente pregunta a responder es cómo el calcio entra en el epitelio calicoblastico. Claramente, no sólo fluye libremente desde el celenteron porque el espacio está en gran medida en equilibrio con el fluido externo (al menos con respecto al calcio en agua de mar; 10 mM de calcio). Si el calcio entró libremente, los contenidos de las celdas también estarían en calcio 10 mM. Si bien esto puede parecer un proceso eficiente, las células no sobreviven bien en calcio 10 mM, y necesitan mantener la concentración libre sustancialmente menor. Aunque el calcio juega un papel fundamental en numerosos procesos celulares y no se puede permitir ser inusualmente alta.
Figura 4. El sitio de calcificación en un coral que muestra el Ca++ canal propuesto de la celenteron en el epitelio calicoblastic (óvalo rojo) además de las características mostradas en la Figura 3.
Sin embargo, grandes cantidades de calcio están fluyendo a través del epitelio calicoblastico, y de alguna manera el flujo de entrada de calcio debe ser garantizado. De hecho, hay un canal de calcio que regula el flujo de calcio en la célula. Este canal dependiente de la tensión se ha caracterizado, y una porción de que incluso se ha clonado.
Este canal de calcio no bombea calcio, sino que permite que fluya en la dirección del gradiente de concentración (que es de la celenteron en el epitelio calicoblastic; Figura 4). Lo que sí hace es abrir y cerrar esta vía de calcio en respuesta a la tensión a través de la membrana celular. Canales dependientes de tal tensión son muy comunes en las criaturas de todo tipo, pero la forma en que funcionan a nivel molecular está más allá del alcance de este artículo. En resumen, la célula debe cambiar el potencial eléctrico, en su superficie, en respuesta a su concentración de calcio interno de alguna manera, y este cambio de tensión abre o cierra los canales de calcio.
La evidencia de que este canal es importante en la calcificación es sustancial. Los inhibidores químicos específicos de estos tipos de canales inhiben la calcificación en los corales tales como Galaxea fascicularis 11 (Figura 5) y Stylophora pistillata. 4 La inmunohistoquímica también se ha utilizado para localizar la porción clonada del canal al epitelio calicoblastic (así como el ectodermo oral, ).
Figura 5. AGalaxea sp.Coral similar a los utilizados en algunos de los estudios de calcificación descritos en este artículo.Esta foto fue tomada por John Enlace de un coral de su acuario.
El papel de la Organica
Se sabe que las moléculas orgánicas juegan un papel importante en la formación de carbonato de calcio en muchos organismos, incluyendo conchas de abulón y otras conchas de moluscos . Estos materiales pueden ser proteínas, glicoproteínas, mucopolisacáridos, y fosfolípidos (y otros probables que aún no han sido identificados). Ellos ayudan a inducir la nucleación y el crecimiento de aragonito y se refieren a menudo como la "matriz orgánica" porque gran parte del esqueleto de los corales se compone de estos materiales orgánicos.
En el caso de los corales, tenemos relativamente poca información sobre lo que estos materiales orgánicos están haciendo exactamente. Las estructuras de algunas de estas proteínas contienen un número inusualmente grande de residuos de ácido aspártico. Estos aminoácidos son capaces de unirse al calcio, pero si que es una función crítica o no, no se ha establecido. Aquí hay algunas especulaciones acerca de lo que estos compuestos orgánicos podrían estar haciendo con respecto a la calcificación:
1. Ellos pueden ayudar a controlar la concentración de calcio libre en el ECF, y de ese modo ayudar a controlar la velocidad de precipitación de CaCO 3.
2. Ellos pueden controlar la ubicación de crecimiento de los cristales mediante la unión de calcio libre y transportando a la ubicación donde el coral quiere precipitación tenga lugar.
3. Pueden unirse a la cara del cristal de aragonita y de ese modo controlar la velocidad de precipitación.
4. Pueden unirse a la cara de cristal de aragonita y de este modo evitar la precipitación en los lugares donde el coral no quiere el esqueleto para crecer.
5. Pueden unirse a la cara del cristal de aragonita y de ese modo inhibir la unión de magnesio, fosfato, u otros iones que se sabe que inhiben el crecimiento de cristales de carbonato de calcio.
Independientemente de los mecanismos implicados, la necesidad de estos compuestos orgánicos en la calcificación es fácilmente verificada. Allemand et al han estudiado el papel de tales materiales enStylophora pistillata. Curiosamente, se encuentran con que los inhibidores de la síntesis de proteínas reducen la tasa de calcificación considerablemente. Por ejemplo, la reducción de la síntesis de proteínas por el 60-85% reduce la calcificación en un 50%. Un resultado similar se encontró mediante la inhibición de la síntesis de la glicoproteína. Estos resultados no se producen debido a la disminución del metabolismo, sino más bien por los efectos específicos de reducción de la proteína y la síntesis de la glicoproteína. La conclusión más importante en su papel puede ser que la tasa de esqueletogenesis puede ser más limitado por la tasa de biosíntesis y exocitosis de orgánica proteínas de la matriz en lugar de por la deposición de calcio.
Curiosamente, la aparentemente gran necesidad de un aminoácido particular (ácido aspártico) para sintetizar estas proteínas se satisface con fuentes externas, y no por cualquiera de los corales en sí o el zooxantelas. Por esta razón, podría ser interesante ver lo que la adición de ácido aspártico hace a la calcificación en tanques de arrecife.
Implicaciones para acuarista: Concentración de Calcio
Tradicionalmente, el acuarista ha aumentado la concentración de calcio por encima de los niveles naturales de 410 ppm para mejorar la calcificación en la mayoría de los corales. Esta idea está apoyada por experimentos en Stylophora pistillata donde la calcificación se vuelve limitada por calcio a niveles por debajo de los niveles naturales, pero no se incrementa por encima de aproximadamente 360 ppm. Por tanto, hay una clara relación entre la tasa de calcificación y la concentración externa de calcio, hasta que un activo proceso de transporte limita la tasa de calcificación, y este proceso de transporte queda saturado de calcio a concentraciones superiores a 360 ppm.
El uso de algunos de los datos proporcionados en las secciones anteriores, podemos entender por qué esto puede ocurrir. De nuevo, para Stylophora pistillata, como el nivel de calcio se incrementa en un medio de agua de mar artificial a partir de 0 a 800 ppm, la absorción de calcio por los celenteron aumenta de forma lineal. La absorción por la mayoría de los tejidos que no sean el epitelio calicoblastic también aumenta de una forma lineal. No hay datos específicos para el epitelio calicoblastic, pero los datos muestran que la calcificación no aumenta por encima de 360 ppm de calcio.
Si el calcio se deja en el epitelio calicoblastic por un canal de calcio, a continuación, la entrada de calcio es dependiente de la concentración en el celenteron, y la proporción de tiempo que los canales de calcio están abiertos. Desde las propias células controlan la compuerta de los canales de calcio, que presumiblemente pueden controlar sus niveles de calcio internos a voluntad. En consecuencia, una interpretación es que, a concentraciones de calcio por debajo de 360 ppm externos, el flujo de calcio en las células calicoblastic se convierte en el paso limitante de la velocidad en la calcificación.
Sin embargo, hay una segunda interpretación que también es posible. En este escenario, el calcio entra en el epitelio calicoblastic través de los canales cerrados, pero no se controla muy bien en la célula. A medida que la concentración de calcio en el celenteron cae, la concentración en el interior de la célula cae (independientemente de si hay un gran flujo de salida o no), por lo que es más difícil para el transporte activo para bombear el calcio en la ECF, y disminuyendo de ese modo la tasa de calcificación.
La diferencia entre estos dos escenarios es bastante esotérica, y probablemente no de interés para la mayoría acuaristas, sin embargo, es intelectualmente estimulante. La dificultad de distinguir estos dos escenarios se produce debido a que la naturaleza del control del nivel de calcio en estas células es desconocida. Cómo se regula la gran afluencia en relación con el gran flujo de salida no se entiende y nunca parece haber sido investigado. Por lo tanto, todavía no podemos saber si la calcificación cae principalmente porque la afluencia a través de las puertas no puede seguir el ritmo de la tasa de flujo de salida cuando las concentraciones de calcio en el celenteron son bajas, o si se cae principalmente debido a que el transporte activo del calcio en la ECF no puede mantenerse al día cuando la concentración de calcio en la célula calicoblastic es baja.
Implicaciones para acuarista: pH
Es bien conocido en la literatura científica que la calcificación se ralentiza considerablemente a medida que se baja el pH por debajo de los niveles naturales. Este resultado es especialmente preocupante y es un tema de investigación debido a la disminución del pH de los océanos debido al CO2 proveniente de la atmosfera. Las predicciones de la reducción de la calcificación en los arrecifes de coral en el futuro son sustanciales. Una vez más, tomando las secciones anteriores como telón de fondo, podemos empezar a entender por qué.
A medida que se reduce el pH del fluido externo, se hace cada vez más difícil para las células para excretar el exceso de protones que se producen a partir de la calcificación. Es decir, que tome en bicarbonato, quitarse un protón, precipitar el carbonato en su esqueleto y luego tienen que hacer algo con ese protón. Muchos de esos protones se pueden utilizar para hacer CO 2 de bicarbonato, y puede aumentar de ese modo la tasa de fotosíntesis. Sin embargo, no todos los protones se pueden utilizar de esta manera, y algunos se excreta.
En el modelo de McConneaughey y Whelan, protones son bombeados en el epitelio calicoblastic, y luego les permite moverse de alguna manera por el gradiente de concentración desde el interior de la célula pH menor (mayor concentración de protones) a la celenteron (mayor pH, concentración de protones inferior). Si el pH del agua de mar disminuye, el pH celenteron probable que la gota también puesto que es intercambiable con el fluido externo. A medida que el pH cae en el celenteron, el flujo de salida de protones de las células del epitelio calicoblastic se desacelera. Por último, como el pH cae dentro del epitelio calicoblastic porque protones no están yendo tan fácilmente, se hace cada vez más difícil para el Ca ++ / 2H + transportador para bombear protones y calcio en la ECF.
En el modelo de Furla et al, donde el bicarbonato se bombea activamente en el ECF, protones o bien debe ser bombeado activamente de distancia, o pasivamente debe difundirse a distancia.En cualquiera de los casos, el proceso puede no funcionar tan bien a pH más bajo celenteron como el gradiente de protones entre el ECF y el celenteron se hace más pequeño o más probablemente, más grande en la dirección equivocada. Es decir, los protones estarán menos inclinados a abandonar la ECF para el celenteron. En consecuencia, la sobresaturación de carbonato de calcio, que es altamente dependiente de pH, se reducirá, y por lo tanto la calcificación también disminuirá.
Implicaciones para acuarista: alcalinidad
A diferencia de la concentración de calcio, se cree que ciertos organismos calcifican más rápido a mayor alcalinidad del agua de mar normal. Este resultado también se ha demostrado en la literatura, donde se ha demostrado que la adición de bicarbonato al agua de mar aumenta la tasa de calcificación en Porites Porites . En ese caso, una duplicación de la concentración de bicarbonato dio lugar a una duplicación de la tasa de calcificación.
Gran parte, aunque no todas, de la fuente de carbono para la calcificación proviene del bicarbonato externo. Como se reduce la alcalinidad (a un pH dado) también se reducirá la concentración de bicarbonato (que comprende el grueso de la alcalinidad en el agua de mar). La difusión de bicarbonato o difusión de CO 2 de la celenteron aparentemente puede llegar a ser la limitación de velocidad en muchos corales. En parte, esto puede ser debido al hecho de que tanto la fotosíntesis y calcificación están compitiendo por bicarbonato, y el hecho de que la concentración de bicarbonato externa no es tan grande para empezar (en comparación, por ejemplo, a la concentración de calcio).
Figura 6. APorites sp.Coral similar a los utilizados en algunos de los estudios de calcificación descritos en este artículo.La foto fue tomada por Joe hamburguesa de un coral en su acuario.
Una final Anomalía
Como un experimento de reflexión final, considere cómo los materiales que no sean de calcio y carbonato entran en los esqueletos de los corales. Una variedad de metales entrar en estas estructuras, el más notable de ellos siendo estroncio, pero otros incluyen cadmio, manganeso, plomo, uranio y bario. ¿Cómo llegar?
Al parecer las concentraciones relativas de estroncio (y otros metales) y calcio en la ECF son similares al agua de mar sobre la base de las tasas de incorporación esqueléticas en una gran variedad de especies y ubicaciones de coral. La ECFincorpora como impurezas en el cristal en crecimiento en proporción directa a su concentración relativa al calcio. La rareza es que estos metales son capaces de entrar y se precipitan en las mismas proporciones en muchos corales diferentes (aunque aparentemente no todos), y, aparentemente, en proporciones que sugieren que las concentraciones relativas son similares al agua de mar a granel. Se ha afirmado que el transportista activo que envía calcio en la ECF puede distinguir fácilmente el calcio de estroncio, por ejemplo, y que el estroncio debe entrar de otra manera (por ejemplo, en Galaxea fascicularis 18). ¿Por qué, si estos metales entran en alguna otra manera, es la concentración relativa de modo constante a través de muchas especies de corales?
En consecuencia, es un tema actual de debate en la literatura en cuanto a cómo estos otros metales se incorporan en esqueletos de aragonita. Este tema es especialmente importante, ya que el calcio para tasa de incorporación de estroncio en los antiguos esqueletos de coral ha sido ampliamente discutido como paleotermómetro, con la tasa de incorporación de variables de una manera conocida con la temperatura. La comprensión de cómo la incorporación tiene lugar realmente parece ser un aspecto importante de esa hipótesis.
Otra cuestión importante tiene que ver con la inhibición de la calcificación de fosfato y orgánicos que contienen fosfato. El fosfato es un conocido inhibidor la precipitación de carbonato de calcio del agua de mar. El fosfato también disminuye la calcificación en los corales, tales como Pocillopora damicornis y toda arrecifes de parche. Esta inhibición está probablemente relacionada con la presencia de fosfato en el ECF y en la superficie del cristal en crecimiento. Exactamente cómo el fosfato se interpone, no se entiende bien. Sin embargo, la próxima vez que usted está preocupado acerca de los niveles de fosfato en su tanque, usted puede pensar en la inhibición de la calcificación en el ECF, además de la conducción de las algas no deseado en su tanque.
Esta inhibición de la calcificación tiene lugar a concentraciones alcanzadas con frecuencia en tanques de arrecife, y puede comenzar en niveles inferiores a los detectables por los kits de prueba afición. Por ejemplo, un grupo de investigación encontró que el enriquecimiento a largo plazo de fosfato (2 mm; 0,19 ppm; mantenida durante 3 horas al día) en un arrecife de parches naturales en la Gran Barrera de Coral inhibe la calcificación del coral en general en un 43%. Un segundo equipo encontró efectos en varias especies de Acropora a concentraciones similares.
Fosfato y fosfonato son inhibidores orgánicos de la calcificación y también se han estudiado y probablemente trabajen por un mecanismo similar. HEBP, un bisfosfonato que se muestra a continuación, provoca una inhibición del 36% de la calcificación en Stylophora pistillata a 10 mm, y se detiene completamente (99%) a 500 mm.
La historia continúa ....
Hay una gran cantidad de temas interesantes adicionales relacionados con la calcificación que no se han tratado aquí. En este artículo, por ejemplo, no ha profundizado en los detalles biológicos de la calcificación, tales como la naturaleza de los tejidos que rodean el sitio de la calcificación. Para los interesados, algunos de estos detalles biológicos y mecánicos se describen por Barnes. En este artículo tampoco se ha descrito la relación hipotética entre la calcificación y la fotosíntesis, pero es muy interesante y digno de comprensión. Lo que este artículo ha tratado para llevar a cabo es proporcionar una comprensión más detallada de los aspectos químicos de la calcificación que tiene lugar en el acuario de arrecife.
