ANTIOXIDANT DEFENCES IN COASTAL AND DEEP-SEA FISH: A COMPARATIVE STUDY

Ramón Lavado *, Luz M. García de la Parra, Estefanía Escartín, Cinta Porte

Environmental Chemistry Dept. IIQAB-CSIC, Barcelona, Spain - * rlpqam@cid.csic.es

Abstract

Rather low levels of oxidative stress are expected in deep-sea organisms due to both, their reduced metabolic rate and the physicochemical

conditions of a dark, poorly oxygenated environment However, when antioxidant defences of coastal and deep-sea species collected from

the NW Mediterranean were compared, only the activity of glutathione peroxidase was observed to decrease with depth; catalase and

superoxide dismutate remained unchanged. Thus, dangers associated to reactive oxygen species (ROS) exposure did not appear to decrease

in deep-sea areas, and other factors (presence of swim bladder, diet, pollutant exposure) can significantly enhance the endogenous

production of ROS in deep-sea organisms. 

Keywords: deep-sea fish, catalase, superoxide dismutase, glutathione peroxidase

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

385

Several reports suggest that marine organisms are exposed to high

environmental concentrations of potentially deleterious oxygen

derivatives, viz. superoxide anion, hydrogen peroxide. These reactive

oxygen species (ROS) are abundant in the upper layers of the oceans,

but their concentrations decreases with increasing depth. In deeper

regions, the exposure to oxidative stress is considerable lower because

of reduced light irradiance, lower oxygen levels; and reduced

metabolic activity. ROS can oxidize most cellular constituents, such

as DNA, proteins, and lipids, and markedly affect the physiology of

the cell, leading to the initiation of cancer and cellular death (1).

Consequently, organisms have developed defence systems against

oxidative damage, consisting of antioxidant scavengers (glutathione,

vitamin C, vitamin E, carotenoid pigments), and specific antioxidant

enzymes: catalase (CAT), superoxide dismutase (SOD), and

glutathione peroxidase (GPX). 

This work was designed as a comparative study on the presence of

antioxidant enzymes in coastal (30-50 m) and deep-sea fish (1500-

1800 m depth) from the NW Mediterranean. Special attention was

paid to the distribution of antioxidant enzyme systems in deep-sea fish

species, and whether the reduced danger linked to oxygen toxicity

could have lead to a reduction of their biochemical defences against

oxidative damage. To test this hypothesis we investigated the activity

of the antioxidant enzymes (CAT, SOD, GPX) in the liver of 10 fish

species selected on the basis of their abundance, commercial interest

and habitat. Mullus barbatus, Serranus cabrilla, Serranus hepatus,

Sparus aurata, Diplodus annularis, Scorpaena porcus, and Solea

vulgariswere collected at 30-50 m depth; Lepidion lepidion,

Coryphaenoides guentheriand Bathypterois mediterraneusat 1500-

1800 m. The number of individuals analyzed varied between 10 and

70, depending on the species. The methods used for the determination

of antioxidant enzymes are described in Porte et al.(2).

No significant differences (Anova test, Tukey-Karamer multiple

comparisons test, P>0.05) between coastal and deep-sea species were

observed in terms of SOD activity; the highest activity detected in S.

hepatus (18.4 ±2.2 units/mg protein), and the lowest in S. aurata(5.4

±0.6 units/mg protein). Intermediate values were recorded for deep-

sea species (8-14 units/mg protein). SOD converts O

2.–

into H

2

O

2

,

which can in turn be detoxified into water and oxygen by either CAT

or GPX, which utilizes glutathione as an electron donor. There was a

significant correlation (r=0.85; P<0.05) between the activities of SOD

and CAT in the studied species. CAT, which detoxifies H

2

O

2 

into

water and oxygen, was determined in liver cytosol (broken

peroxisomes) or in peroxisomes + cytosol (total activity), but no

relationship with depth was observed. In agreement with other studies

(3), the most active species, from both coastal (S. aurata) and deep-

sea areas (L. lepidion, C. guentheri), showed higher CAT activities

than the less active ones, with reduced motility (S. cabrilla, S. porcus,

B. mediterraneus). 

In contrast, the activity of GPX using H

2

O

2

as a substrate decreased

with depth. In shallow species, GPX ranged from 74 to 110

nmol/min/mg protein, with the exception of S. hepatus, that had an

activity of 340 nmol/min/mg protein. Lower activities were recorded

in deep-sea specimens (22-40 nmol/min/mg protein) (Fig. 1). The

reason for this apparent preference for CAT in deep-sea species might

be related to the limited resources available in the deep-sea, and to the

fact that CAT requires neither cofactors nor energy to detoxify H

2

O

2

,

while GPX consumes glutathione, which is oxidized and must then be

recycled by a NADPH-consuming enzyme (glutathione reductase). 

Despite of the reduced metabolic requirements of deep-sea fish

species, this study shows that the dangers associated to ROS exposure

do not decrease with increasing depth. Other factors, such as habitat,

diet, exposure to pollutants, and the presence of swim bladder, can

significantly increase the endogenous levels of ROS deep-sea

organisms are exposed to (3). Hence, B. mediterraneus, a sedentary

fish, well adapted to the oligotrophic deep environment, exhibited low

activities of both catalase and GPX (both detoxify H

2

O

2

) in

comparison with the other species, and this may be related to the

absence of a swim bladder. It is reported that with increasing depth

and increasing hydrostatic pressure, most species maintain swim

bladder volume constant by increasing mainly its oxygen content that

may make up to 90% of the gas mixture in deep-sea fish. Thus, the gas

gland tissue operates under conditions of hyperoxia, and this enhances

oxyradical production (4). 

Fig. 1. Box plot of glutathione peroxidase (GPX) activity determined in

liver cytosol of different fish species sampled in the NW Mediterranean.

Black boxes indicate deep-sea fish species.

References

1-Cadenas, E., 1995. Mechanisms of oxygen activation and reactive

oxygen species detoxification. Pp. 1-61. In: Ahmad S. (ed.), Oxidative-

Induced Stress and Antioxidant Defences in Biological Systems. Chapman

& Hall, NY.

2-Porte C., Escartín E., García L.M., Solé M., Albaigés J., 2000.

Xenobiotic metabolising enzymes and antioxidant defences in deep-sea

fish: Relationship with contaminant body burden. Mar. Ecol. Prog. Ser.,

192: 259-266.

3-Wilhelm Filho D., Giulivi C., and Boveris A., 1993. Antioxidant

defences in marine fish- I. Teleosts. Comp. Biochem. Physiol., 106C: 409-

413. 

4-Jones, D.P., 1985. The role of oxygen concentration in oxidative stress:

hypoxic and hyperoxic stress. Pp. 151-195. In: Sies H. (ed.), Oxidative

Stress. Academic Press, NY.