Fatigue depresses maximal in vitro skeletal muscle Na+-K+-ATPase activity in untrained and trained individuals

This study investigated whether fatiguing dynamic exercise depresses maximal in vitro Na+-K+-ATPase activity and whether any depression is attenuated with chronic training. Eight untrained (UT), eight resistance-trained (RT), and eight endurance-trained (ET) subjects performed a quadriceps fatigue test, comprising 50 maximal isokinetic contractions (180°/s, 0.5 Hz). Muscle biopsies (vastus lateralis) were taken before and immediately after exercise and were analyzed for maximal in vitro Na+-K+-ATPase (K+-stimulated 3-O-methylfluoroscein phosphatase) activity. Resting samples were analyzed for [3H]ouabain binding site content, which was 16.6 and 18.3% higher (P < 0.05) in ET than RT and UT, respectively (UT 311 ± 41, RT 302 ± 52, ET 357 ± 29 pmol/g wet wt). 3-O-methylfluoroscein phosphatase activity was depressed at fatigue by −13.8 ± 4.1% (P < 0.05), with no differences between groups (UT −13 ± 4, RT −9 ± 6, ET −22 ± 6%). During incremental exercise, ET had a lower ratio of rise in plasma K+ concentration to work than UT (P < 0.05) and tended (P = 0.09) to be lower than RT (UT 18.5 ± 2.3, RT 16.2 ± 2.2, ET 11.8 ± 0.4 nmol · l−1 · J−1). In conclusion, maximal in vitro Na+-K+-ATPase activity was depressed with fatigue, regardless of training state, suggesting that this may be an important determinant of fatigue.

Maternal dietary supplementation with saturated, but not monounsaturated or polyunsaturated fatty acids, leads to tissue-specific inhibition of offspring Na+,K+-ATPase

In rats, a maternal diet rich in lard is associated with reduced Na+,K+-ATPase activity in adult offspring kidney. We have addressed the role of different fatty acids by evaluating Na+,K+-ATPase activity in offspring of dams fed diets rich in saturated (SFA), monounsaturated (MUFA) or polyunsaturated (PUFA) fatty acids. Female Sprague–Dawley rats were fed, during pregnancy and suckling, a control diet (4% w/w corn oil) or a fatty acid supplemented diet (24% w/w). Offspring were reared on chow (4% PUFA) and studied at 6 months. mRNA expression (real-time PCR) of Na+,K+-ATPase α subunit and protein expression of Na+,K+-ATPase subunits (Western blot) were assessed in kidney and brain. Na+,K+-ATPase activity was reduced in kidney (P < 0.05 versus all groups) and brain (P < 0.05 versus control and MUFA offspring) of the SFA group. Neither Na+,K+-ATPase α1 subunit mRNA expression, nor protein expression of total α, α1, α2, α3 or β1 subunits were significantly altered in kidney in any dietary group. In brains of SFA offspring α1 mRNA expression (P < 0.05) was reduced compared with MUFA and PUFA offspring, but not controls. Also in brain, SFA offspring demonstrated reduced (P < 0.05) α1 subunit protein and increased phosphorylation (P < 0.05) of the Na+,K+-ATPase modulating protein phospholemman at serine residue 63 (S63 PLM). Na+,K+-ATPase activity was similar to controls in heart and liver. In utero and neonatal exposure to a maternal diet rich in saturated fatty acids is associated with altered activity and expression of Na+,K+-ATPase in adulthood, but mechanisms appear tissue specific.

Efeito in vivo e in vitro da prolina sobre a atividade da Na+, K+-ATPase de cérebro de ratos

A hiperprolinemia tipo II é um erro inato do metabolismo de aminoácido causado pela deficiência na atividade da Ä1 pirrolino-5-carboxilato desidrogenase. O bloqueio dessa reação resulta no acúmulo tecidual de prolina. A doença caracteriza-se fundamentalmente por epilepsia, convulsões e um grau variável de retardo mental, cuja etiopatogenia ainda é desconhecida. No tecido nervoso, a Na+, K+ - ATPase controla o ambiente iônico relacionado com a atividade neuronal, regulando o volume celular, o fluxo de íons e o transporte de moléculas ligadas ao transporte de Na+, tais como, aminoácidos, neurotransmissores e glicose. Evidências na literatura mostram que recém nascidos humanos com baixos níveis de Na+, K+ -ATPase cerebral apresentam epilepsia e degeneração espongiforme. Alterações na atividade desta enzima têm sido associadas a várias doenças que afetam o sistema nervoso central, como isquemia cerebral e doença de Parkinson. Considerando que a inibição da Na+, K+ - ATPase por ouabaína tem sido associada com liberação de neurotransmissores, incluindo glutamato, em uma variedade de preparações neuronais, e que alguns autores sugerem que o efeito da prolina sobre a sinapse glutamatérgica possa ser, pelo menos em parte, responsável pelos sintomas neurológicos encontrados nos pacientes com hiperprolinemia, no presente trabalho verificamos efeitos dos modelos experimentais agudo e crônico de hiperprolinemia tipo II sobre a atividade da Na+, K+ - ATPase de membrana plasmática sináptica de córtex cerebral e hipocampo de ratos. No modelo crônico, a prolina foi administrada a ratos Wistar duas vezes ao dia do 6o ao 28o dia de vida, enquanto que no modelo agudo os animais, com 15 dias de vida, receberam uma única injeção de prolina e foram sacrificados 1hora após a administração da droga. Os animais tratados crônicamente com prolina não apresentaram alterações significativas no peso corporal, do encéfalo, do hipocampo e do córtex cerebral, bem como nas quantidades de proteínas do homogenizado cerebral e da membrana plasmática sináptica de córtex cerebral e hipocampo. Nossos resultados mostraram uma diminuição significativa na atividade da Na+, K+ - ATPase de membrana plasmática sináptica de cérebro de animais tratados aguda e crônicamente com prolina. Foram também testados os efeitos in vitro da prolina e do glutamato sobre a atividade da Na+, K+- ATPase. Os resultados mostraram que os dois aminoácidos, nas concentrações de 1,0 e 2,0 mM, inibiram significativamente a atividade da enzima. O estudo da interação cinética entre prolina e glutamato, sugere a existência de um sítio único de ligação na Na+, K+ - ATPase para os dois aminoácidos. É possível que a inibição na atividade da Na+, K+- ATPase possa estar envolvida nos mecanismos pelos quais a prolina é neurotóxica. Acreditamos que nossos resultados possam contribuir, pelo menos em parte, na compreensão da disfunção neurológica encontrada em pacientes com hiperprolinemia tipo II.

Efeito da insulina sobre a atividade da enzima Na+-K+ ATPase branquial, a síntese de proteínas e captação de aminoácidos no hepatopâncreas, músculo e brânquias de Chasmagnathus granulata (Dana, 1851)

Resumo não disponível

Efeito in vitro do guanidino acetato sobre as atividades da Na+, K+-ATPase e da acetilcolinesterase em cérebro de ratos jovens

A deficiência de guanidino acetato metiltransferase (GAMT) é um erro inato do metabolismo da creatina caracterizado por hipotonia muscular, movimentos extrapiramidais involuntários e epilepsia. A doença é bioquimicamente caracterizada por acúmulo de guanidino acetato e deficiência de creatina e fosfocreatina nos tecidos dos pacientes afetados. Os mecanismos de disfunção neurológica que ocorrem nessa doença ainda são desconhecidos. A Na+,K+-ATPase desempenha um papel fundamental no sistema nervoso central (SNC), sendo responsável pela manutenção dos gradientes iônicos e pela propagação do impulso nervoso, consumindo cerca de 50% do ATP formado no cérebro. A acetilcolinesterase (AChE) é uma importante enzima regulatória que controla a transmissão de impulsos nervosos através de sinapses colinérgicas pela hidrólise da acetilcolina, e apresenta um papel fundamental na cognição. Com o propósito de ampliar o conhecimento sobre os mecanismos fisiopatológicos da deficiência de GAMT, esse trabalho teve como objetivo investigar o efeito do guanidino acetato, o principal metabólito acumulado na deficiência de GAMT, sobre as atividades das enzimas Na+,K+-ATPase, Mg2+-ATPase e AChE em estriado de ratos. A cinética de inibição da Na+,K+-ATPase causada pelo guanidino acetato também foi estudada. Além disso, investigamos o efeito in vitro do guanidino acetato sobre as atividades da Na+,K+-ATPase, Mg2+-ATPase e da AChE de hipocampo de ratos. Nossos resultados mostraram que o guanidino acetato não altera as atividades da AChE e Mg2+-ATPase. No entanto, a atividade da Na+,K+-ATPase foi inibida por esse composto guanidínico (CG), e a análise cinética mostrou uma inibição do tipo acompetitiva. Também foi demonstrada uma interação entre o guanidino acetato e o ácido arginínico, sugerindo um sítio comum de ligação entre esses dois compostos na Na+,K+-ATPase. Os resultados mostraram que, o guanidino acetato inibiu a atividade da Na+,K+-ATPase in vitro mas não alterou as atividades da Mg2+-ATPase e da AChE. Considerando que o guanidino acetato e outros compostos guanidínicos (CG) induzem a formação de espécies reativas de oxigênio e que a Na+,K+-ATPase e a AChE são inibidas por radicais livres, estudamos o efeito da pré-incubação de homogeneizado de hipocampo de ratos na presença de guanidino acetato sobre a atividade dessas enzimas. Além disso, o efeito da pré-incubação de homogeneizado de ratos com guanidino acetato foi investigado na presença e ausência de antioxidantes, tais como glutationa (GSH), trolox, taurina e L-NAME. A pré-incubação de homogeneizado de hipocampos na presença de guanidino acetato inibiu a atividade da Na+,K+-ATPase, mas não alterou a atividade da Mg2+-ATPase. No entanto, L-NAME e taurina foram capazes de prevenir tal efeito. Dessa forma, propõem-se que a inibição da atividade da Na+,K+-ATPase pelo guanidino acetato seja um dos mecanismos envolvidos na disfunção neuronal observada em pacientes com deficiência de GAMT.

Efeito in vitro das substâncias acumuladas na doença de Lesch-Nyhan sobre a atividade da Na+,K+-ATPase em estriado de ratos

A doença de Lesch-Nyhan é um erro inato do metabolismo das purinas caracterizado pela deficiência na enzima hipoxantina- guanina fosforibosiltransferase. O bloqueio dessa reação resulta no acúmulo tecidual de hipoxantina, xantina e ácido úrico. A doença caracteriza-se por hiperuricemia, variado grau de retardo mental e motor, espasticidade e auto-mutilação. No sistema nervoso central, a Na+, K+ - ATPase é responsável pela manutenção da homeostase dos íons Na+ e K+, regulando o volume celular, a excitabilidade neuronal, o transporte de neurotransmissores e outras moléculas. Evidências na literatura demonstram que a redução na atividade da Na+, K+ - ATPase está relacionada com diversas doenças neurodegenerativas, tais como isquemia cerebral e doenças de Parkinson e de Alzheimer. No presente estudo, investigamos o efeito in vitro da hipoxantina, xantina e ácido úrico sobre a atividade da Na+, K+- ATPase em membrana plasmática sináptica de estriado de ratos. Estudamos, também, a cinética de inibição causada pela hipoxantina e de interação entre hipoxantina, xantina e ácido úrico. Nossos resultados demonstram que hipoxantina, xantina e ácido úrico inibem significativamente a atividade da Na+, K+- ATPase. O estudo dos mecanismos de inibição da atividade enzimática causados pela hipoxantina demonstrou um efeito inibitório não competitivo com o substrato ATP. Além disso, o estudo de interação cinética entre hipoxantina, xantina e ácido úrico sugere que esses compostos atuem em um mesmo sítio de ligação na enzima. Verificamos, também, o efeito da preincubação de homogeneizado de estriado de ratos na presença de hipoxantina (10 µM) sobre a atividade da Na+, K+- ATPase de membrana plasmática sináptica com a adição ou não de antioxidantes (glutationa e trolox), bem como alguns parâmetros de estresse oxidativo denominados TBARS (medida de lipoperoxidação) e TRAP (capacidade antioxidante tecidual não-enzimática) no intuito de verificar a participação do estresse oxidativo nos mecanismos de inibição enzimática provocados pela hipoxantina. Os resultados monstraram que a hipoxantina inibe significativamente a atividade da Na+, K+- ATPase. Adicionalmente, nossos resultados demonstraram que glutationa, mas não o trolox, na concentração de 1 mM, foi capaz de prevenir a inibição enzimática causada pela hipoxantina. Nossos resultados também mostraram que a hipoxantina, na mesma concentração, aumentou TBARS e diminuiu TRAP que essa substância induz o estresse oxidativo. É possível que a inibição na atividade da Na+, K+- ATPase possa estar envolvida nos mecanismos pelos quais as oxipurinas são neurotóxicas. Acreditamos que nossos resultados possam contribuir, pelo menos em parte, na compreensão da disfunção neurológica encontrada em pacientes portadores da doença de Lesch-Nyhan.

Efeito do ácido fólico sobre as alterações nas atividades da Na+,K+-ATPase e da butirilcolinesterase e sobre alguns parâmetros de estresse oxidativo causadas pela homocisteína em ratos

A homocistinúria é um erro inato do metabolismo caracterizado, bioquimicamente, pela deficiência da enzima cistationina-β-sintase, resultando no acúmulo tecidual de homocisteína. Os pacientes afetados apresentam sintomas neurológicos e vasculares característicos, como retardo mental e arteriosclerose, cuja fisiopatologia é desconhecida. No presente trabalho, avaliamos os efeitos in vitro e in vivo da homocisteína sobre alguns parâmetros bioquímicos. Primeiramente, observamos o efeito in vitro da exposição de homogeneizados de córtex parietal de ratos ao ácido fólico, avaliando a inibição causada pela homocisteína sobre a atividade da Na+,K+-ATPase de membranas plasmáticas. Nos estudos in vivo, investigamos o efeito do pré-tratamento com ácido fólico sobre a inibição das enzimas Na+,K+-ATPase e butirilcolinesterase em córtex parietal e em soro de ratos submetidos à hiperhomocisteinemia aguda, respectivamente. Considerando que a Na+,K+-ATPase é suscetível ao ataque de radicais livres, nós determinamos o efeito da hiperhomocisteinemia aguda sobre alguns parâmetros de estresse oxidativo, como a formação de substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico e o conteúdo total de grupos tióis em córtex parietal de ratos. Finalmente, investigamos o efeito do ácido fólico sobre a redução da atividade da Na+,K+-ATPase em córtex parietal e sobre o aumento do índice de dano ao DNA em sangue total de ratos submetidos à hiperhomocisteinemia crônica. Nossos resultados mostraram que a homocisteína in vitro reduz, significativamente, a atividade da Na+,K+-ATPase e que o ácido fólico previne esse efeito. Estudos cinéticos com o substrato ATP revelaram que a homocisteína inibe de forma não-competitiva a enzima Na+,K+-ATPase. Os estudos in vivo confirmaram que a hiperhomocisteinemia aguda diminui as atividades das enzimas Na+,K+-ATPase e butirilcolinesterase e que o pré-tratamento com ácido fólico também previne os efeitos causados pela homocisteína. Por outro lado, a hiperhomocisteinemia aguda não alterou os parâmetros de estresse oxidativo analisados. A hiperhomocisteinemia crônica inibiu a Na+,K+-ATPase em córtex parietal e aumentou o índice de dano ao DNA em sangue total de ratos e, novamente, o tratamento com ácido fólico previne tais efeitos. Esses resultados, em conjunto, revelam os efeitos da homocisteína sobre alguns parâmetros bioquímicos e colaboram com o entendimento da fisiopatologia da homocistinúria. Além disso, os resultados sugerem que o ácido fólico, já utilizado por alguns pacientes homocistinúricos, poderá ser uma importante ferramenta terapêutica utilizada na prevenção dos efeitos neurológicos e vasculares da homocisteína.

Efeito da homocisteína sobre as atividades da butirilcolinesterase e da Na+, K+-ATPase em sangue de ratos

A homocistinúria é uma desordem metabólica causada pela deficiência da enzima cistationina β-sintase, resultando no acúmulo tecidual de homocisteína e de metionina. Os pacientes afetados por essa doença apresentam principalmente retardo mental, isquemia cerebral, convulsões e aterosclerose. Entretanto, os mecanismos fisiopatológicos responsáveis por essas manifestações são pouco conhecidos. O sistema colinérgico apresenta papel importante na função cognitiva do qual as colinesterases, acetilcolinesterase e butirilcolinesterase, são constituintes ubíquos. Similarmente à acetilcolinesterase, a butirilcolinesterase hidrolisa a acetilcolina e está presente no soro, coração, endotélio vascular e no sistema nervoso. Estudos têm mostrado que as colinesterases estão inibidas no córtex cerebral de pacientes com a doença de Alzheimer. Adicionalmente, há evidências na literatura mostrando que as colinesterases são inibidas por radicais livres. A Na+,K+-ATPase é uma enzima fundamental responsável pela manutenção do gradiente iônico necessário para a excitabilidade neuronal e consome de 40 a 60% do ATP formado no cérebro. Recentes estudos têm demonstrado que essa enzima é inibida por radicais livres e também que sua atividade está diminuída na isquemia cerebral, epilepsia e em doenças neurodegenerativas como a doença de Alzheimer. Além disso, nosso grupo demonstrou que a homocisteína inibe a atividade da Na+,K+-ATPase cerebral. Considerando que: a) pouco se sabe sobre os mecanismos responsáveis pelas manifestações neurológicas que ocorrem na homocistinúria, b) a administração de homocisteína prejudica a memória, c) as colinesterases são importantes para as funções cognitivas, d) a atividade da Na+,K+-ATPase está diminuída na isquemia cerebral, e) a homocisteína inibe a atividade dessa enzima in vitro e f) as atividades da butirilcolinesterase e da Na+,K+-ATPase em tecidos periféricos podem ser consideradas marcadores de alterações que ocorram no sistema nervoso central, no presente estudo determinamos o efeito in vitro da homocisteína sobre as atividades da butirilcolinesterase e da Na+,K+-ATPase em soro e plaquetas de ratos, respectivamente. Também determinamos o efeito da administração aguda e crônica de homocisteína sobre a atividade da butirilcolinesterase sérica e a influência das vitaminas E e C sobre os efeitos inibitórios causados pela homocisteína. Os resultados mostraram que a homocisteína diminuiu significativamente a atividade da butirilcolinesterase em soro de ratos de 60 dias in vitro. A homocisteína inibiu essa enzima de forma competitiva com a acetilcolina como substrato. Também foi verificado que a homocisteína reduziu significativamente as atividades da butirilcolinesterase e da Na+,K+-ATPase em soro e plaquetas de ratos de 29 dias, respectivamente. Nossos resultados também mostraram que a administração aguda de homocisteína diminuiu significativamente a atividade da butirilcolinesterase em soro de ratos de 29 dias. Adicionalmente, verificou-se que o pré-tratamento com as vitaminas E e C não alterou per se a atividade da butirilcolinesterase, mas preveniu a redução da atividade dessa enzima causada pela administração aguda de homocisteína. Por fim, determinou-se que a administração crônica desse aminoácido diminuiu significativamente a atividade da butirilcolinesterase. Os resultados obtidos em nosso trabalho sugerem que a redução das atividades da butirilcolinesterase e da Na+,K+-ATPase pode estar associada à disfunção neurológica presente em pacientes homocistinúricos, uma vez que a determinação dessas enzimas em sistemas periféricos represente um marcador para a ação neurotóxica da homocisteína.

Kinetic Analysis of Gill (Na+,K+)-ATPase Activity in Selected Ontogenetic Stages of the Amazon River Shrimp, (Decapoda, Palaemonidae): Interactions at ATP- and Cation-Binding Sites

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Localization and irregular distribution of Na,K-ATPase in myelin sheath from rat sciatic nerve

Sodium, potassium adenosine triphosphatase (Na,K-ATPase) is a membrane-bound enzyme that maintains the Na+ and K+ gradients used in the nervous system for generation and transmission of bioelectricity. Recently, its activity has also been demonstrated during nerve regeneration. The present study was undertaken to investigate the ultrastructural localization and distribution of Na,K-ATPase in peripheral nerve fibers. Small blocks of the sciatic nerves of male Wistar rats weighing 250-300g were excised, divided into two groups, and incubated with and without substrate, the para-nitrophenyl phosphate (pNPP). The material was processed for transmission electron microscopy, and the ultra-thin sections were examined in a Philips CNI 100 (TM) electron microscope. The deposits of reaction product were localized mainly on the axolemma, on axoplasmic profiles, and irregularly dispersed on the myelin sheath, but not in the unmyelinated axons. In the axonal membrane, the precipitates were regularly distributed on the cytoplasmic side. These results together with published data warrant further studies for the diagnosis and treatment of neuropathies with compromised Na,K-ATPase activity. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Subcellular localization and kinetic characterization of a gill (Na +, K+)-ATPase from the giant freshwater prawn macrobrachium rosenbergii

The stimulation by Mg2+, Na+, K+, NH 4 +, and ATP of (Na+, K+)-ATPase activity in a gill microsomal fraction from the freshwater prawn Macrobrachium rosenbergii was examined. Immunofluorescence labeling revealed that the (Na +, K+)-ATPase α-subunit is distributed predominantly within the intralamellar septum, while Western blotting revealed a single α-subunit isoform of about 108 kDa M r. Under saturating Mg2+, Na+, and K+ concentrations, the enzyme hydrolyzed ATP, obeying cooperative kinetics with V M = 115.0 ± 2.3 U mg-1, K 0.5 = 0.10 ± 0.01 mmol L-1. Stimulation by Na+ (V M = 110.0 ± 3.3 U mg-1, K 0.5 = 1.30 ± 0.03 mmol L -1), Mg2+ (V M = 115.0 ± 4.6 U mg -1, K 0.5 = 0.96 ± 0.03 mmol L-1), NH4 + (V M = 141.0 ± 5.6 U mg -1, K 0.5 = 1.90 ± 0.04 mmol L-1), and K+ (V M = 120.0 ± 2.4 U mg-1, K M = 2.74 ± 0.08 mmol L-1) followed single saturation curves and, except for K+, exhibited site-site interaction kinetics. Ouabain inhibited ATPase activity by around 73 % with K I = 12.4 ± 1.3 mol L-1. Complementary inhibition studies suggest the presence of F0F1-, Na+-, or K +-ATPases, but not V(H+)- or Ca2+-ATPases, in the gill microsomal preparation. K+ and NH4 + synergistically stimulated enzyme activity (≈25 %), suggesting that these ions bind to different sites on the molecule. We propose a mechanism for the stimulation by both NH4 +, and K+ of the gill enzyme. © 2013 Springer Science+Business Media New York.

Kinetic Analysis of Gill (Na+,K+)-ATPase Activity in Selected Ontogenetic Stages of the Amazon River Shrimp, (Decapoda, Palaemonidae): Interactions at ATP- and Cation-Binding Sites

We investigated modulation by ATP, Mg2+, Na+, K+ and NH4 (+) and inhibition by ouabain of (Na+,K+)-ATPase activity in microsomal homogenates of whole zoeae I and decapodid III (formerly zoea IX) and whole-body and gill homogenates of juvenile and adult Amazon River shrimps, . (Na+,K+)-ATPase-specific activity was increased twofold in decapodid III compared to zoea I, juveniles and adults, suggesting an important role in this ontogenetic stage. The apparent affinity for ATP ( (M) = 0.09 +/- A 0.01 mmol L-1) of the decapodid III (Na+,K+)-ATPase, about twofold greater than the other stages, further highlights this relevance. Modulation of (Na+,K+)-ATPase activity by K+ also revealed a threefold greater affinity for K+ ( (0.5) = 0.91 +/- A 0.04 mmol L-1) in decapodid III than in other stages; NH4 (+) had no modulatory effect. The affinity for Na+ ( (0.5) = 13.2 +/- A 0.6 mmol L-1) of zoea I (Na+,K+)-ATPase was fourfold less than other stages. Modulation by Na+, Mg2+ and NH4 (+) obeyed cooperative kinetics, while K+ modulation exhibited Michaelis-Menten behavior. Rates of maximal Mg2+ stimulation of ouabain-insensitive ATPase activity differed in each ontogenetic stage, suggesting that Mg2+-stimulated ATPases other than (Na+,K+)-ATPase are present. Ouabain inhibition suggests that, among the various ATPase activities present in the different stages, Na+-ATPase may be involved in the ontogeny of osmoregulation in larval The NH4 (+)-stimulated, ouabain-insensitive ATPase activity seen in zoea I and decapodid III may reflect a stage-specific means of ammonia excretion since functional gills are absent in the early larval stages.