The biochemical properties of the ATPase activity of a 70-kDa heat shock protein (Hsp70) are governed by the C-terminal domains

The cytosolic 70-kDa heat shock proteins (Hsp70s), Ssa and Ssb, of Saccharomyces cerevisiae are functionally distinct. Here we report that the ATPase activities of these two classes of Hsp70s exhibit different kinetic properties. The Ssa ATPase has properties similar to those of other Hsp70s studied, such as DnaK and Hsc70. Ssb, however, has an unusually low steady-state affinity for ATP but a higher maximal velocity. In addition, the ATPase activity of Hsp70s, like that of Ssa1, depends on the addition of K+ whereas Ssb activity does not. Suprisingly, the isolated 44-kDa ATPase domain of Ssb has a Km and Vmax for ATP hydrolysis similar to those of Ssa, rather than those of full length Ssb. Analysis of Ssa/Ssb fusion proteins demonstrates that the Ssb peptide-binding domain fused to the Ssa ATPase domain generates an ATPase of relatively high activity and low steady-state affinity for ATP similar to that of native Ssb. Therefore, at least some of the biochemical differences between the ATPases of these two classes of Hsp70s are not intrinsic to the ATPase domain itself. The differential influence of the peptide-binding domain on the ATPase domain may, in part, explain the functional uniqueness of these two classes of Hsp70s.

Phosphorylation by protein kinase C of serine-23 of the alpha-1 subunit of rat Na+,K(+)-ATPase affects its conformational equilibrium.

Phosphorylation of the alpha-1 subunit of rat Na+,K(+)-ATPase by protein kinase C has been shown previously to decrease the activity of the enzyme in vitro. We have now undertaken an investigation of the mechanism by which this inhibition occurs. Analysis of the phosphorylation of recombinant glutathione S-transferase fusion proteins containing putative cytoplasmic domains of the protein, site-directed mutagenesis, and two-dimensional peptide mapping indicated that protein kinase C phosphorylated the alpha-1 subunit of the rat Na+,K(+)-ATPase within the extreme NH2-terminal domain, on serine-23. The phosphorylation of this residue resulted in a shift in the equilibrium toward the E1 form, as measured by eosin fluorescence studies, and this was associated with a decrease in the apparent K+ affinity of the enzyme, as measured by ATPase activity assays. The rate of transition from E2 to E1 was apparently unaffected by phosphorylation by protein kinase C. These results, together with previous studies that examined the effects of tryptic digestion of Na+,K(+)-ATPase, suggest that the NH2-terminal domain of the alpha-1 subunit, including serine-23, is involved in regulating the activity of the enzyme.

A corticosteroid-induced gene expressing an "IsK-like" K+ channel activity in Xenopus oocytes.

Screening a rat colon cDNA library for aldosterone-induced genes resulted in the molecular cloning of a cDNA whose corresponding mRNA is strongly induced in the colon by dexamethasone, aldosterone, and a low NaCl diet. A similar mRNA was detected in kidney papilla but not in brain, heart, or skeletal muscle. Xenopus laevis oocytes injected with cRNA synthesized from this clone, designated CHIF (channel-inducing factor), express a K(+)-specific channel activity. The biophysical, pharmacological, and regulatory characteristics of this channel are very similar to those reported before for IsK (minK). These include: slow (tau > 20 s) activation by membrane depolarization with a threshold potential above -50 mV, blockade by clofilium, inhibition by phorbol ester, and activation by 8-bromoadenosine 3',5'-cyclic monophosphate and high cytoplasmic Ca2+. The primary structure of this clone, however, shows no homology to IsK. Instead, CHIF exhibits > 50% similarity to two other short bitopic membrane proteins, phospholemman and the gamma subunit of Na+K(+)-ATPase. The data are consistent with the possibility that CHIF is a member of a family of transmembrane regulators capable of activating endogenous oocyte transport proteins.

Modulation of sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca(2+)-ATPase activity and oxidative modification during the development of adjuvant arthritis

Adjuvant arthritis (AA) was induced by intradermal administration of Mycobacterium butyricum to the tail of Lewis rats. In sarcoplasmic reticulum (SR) of skeletal muscles, we investigated the development of AA. SR Ca(2+)-ATPase (SERCA) activity decreased on day 21, suggesting possible conformational changes in the transmembrane part of the enzyme, especially at the site of the calcium binding transmembrane part. These events were associated with an increased level of protein carbonyls, a decrease in cysteine SH groups, and alterations in SR membrane fluidity. There was no alteration in the nucleotide binding site at any time point of AA, as detected by a FITC fluorescence marker. Some changes observed on day 21 appeared to be reversible, as indicated by SERCA activity, cysteine SH groups, SR membrane fluidity, protein carbonyl content and fluorescence of an NCD-4 marker specific for the calcium binding site. The reversibility may represent adaptive mechanisms of AA, induced by higher relative expression of SERCA, oxidation of cysteine, nitration of tyrosine and presence of acidic phospholipids such as phosphatidic acid. Nitric oxide may regulate cytoplasmic Ca(2+) level through conformational alterations of SERCA, and decreasing levels of calsequestrin in SR may also play regulatory role in SERCA activity and expression.

Natively unfolded nucleic acid binding P8 domain of SeMV polyprotein 2a affects the novel ATPase activity of the preceding P10 domain

Open reading frame (ORF) 2a of Sesbania mosaic virus (SeMV) codes for polyprotein 2a (Membrane anchor-protease-VPg-P10-P8). The C-terminal domain of SeMV polyprotein 2a was cloned, expressed and purified in order to functionally characterize it. The protein of size 8 kDa (P8) domain, like viral protein genome linked (VPg), was found to be natively unfolded and could bind to nucleic acids.Interestingly, P10-P8 but not P8 showed a novel Mg2+ dependent ATPase activity that was inhibited in the presence of poly A. In the absence of P8, the ATPase activity of the protein of size 10 kDa (P10) domain was reduced suggesting that the natively unfolded P8 domain influenced the P10 ATPase.

Novel ATPase activity of the polyprotein intermediate, Viral Protein genome-linked-Nuclear Inclusion-a protease, of Pepper vein banding potyvirus

Potyviruses temporally regulate their protein function by polyprotein processing. Previous studies have shown that VPg (Viral Protein genome-linked) of Pepper vein banding virus interacts with the NIa-Pro (Nuclear Inclusion-a protease) domain, and modulates the kinetics of the protease. In the present study, we report for the first time that VPg harbors the Walker motifs A and B, and the presence of NIa-Pro, especially in cis (cleavage site (E191A) VPg-Pro mutant), is essential for manifestation of the ATPase activity. Mutation of Lys47 (Walker motif A) and Asp88:Glu89 (Walker motif B) to alanine in E191A VPg-Pro lead to reduced ATPase activity, confirming that this activity was inherent to VPg. We propose that potyviral VPg, established as an intrinsically disordered domain, undergoes plausible structural alterations upon interaction with globular NIa-Pro which induces the ATPase activity. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

The fourth extracellular loop of the alpha subunit of Na,K-ATPase. Functional evidence for close proximity with the second extracellular loop.

Na,K-ATPase is the main active transport system that maintains the large gradients of Na(+) and K(+) across the plasma membrane of animal cells. The crystal structure of a K(+)-occluding conformation of this protein has been recently published, but the movements of its different domains allowing for the cation pumping mechanism are not yet known. The structure of many more conformations is known for the related calcium ATPase SERCA, but the reliability of homology modeling is poor for several domains with low sequence identity, in particular the extracellular loops. To better define the structure of the large fourth extracellular loop between the seventh and eighth transmembrane segments of the alpha subunit, we have studied the formation of a disulfide bond between pairs of cysteine residues introduced by site-directed mutagenesis in the second and the fourth extracellular loop. We found a specific pair of cysteine positions (Y308C and D884C) for which extracellular treatment with an oxidizing agent inhibited the Na,K pump function, which could be rapidly restored by a reducing agent. The formation of the disulfide bond occurred preferentially under the E2-P conformation of Na,K-ATPase, in the absence of extracellular cations. Using recently published crystal structure and a distance constraint reproducing the existence of disulfide bond, we performed an extensive conformational space search using simulated annealing and showed that the Tyr(308) and Asp(884) residues can be in close proximity, and simultaneously, the SYGQ motif of the fourth extracellular loop, known to interact with the extracellular domain of the beta subunit, can be exposed to the exterior of the protein and can easily interact with the beta subunit.

Role of CFTR and ClC-5 in Modulating Vacuolar H(+)-ATPase Activity in Kidney Proximal Tubule

Background/Aims: It has been widely accepted that chloride ions moving along chloride channels act to dissipate the electrical gradient established by the electrogenic transport of H(+) ions performed by H(+)-ATPase into subcellular vesicles. Largely known in intracellular compartments, this mechanism is also important at the plasma membrane of cells from various tissues, including kidney. The present work was performed to study the modulation of plasma membrane H(+)-ATPase by chloride channels, in particular, CFTR and ClC-5 in kidney proximal tubule. Methods and Results: Using in vivo stationary microperfusion, it was observed that ATPase-mediated HCO(3)(-) reabsorption was significantly reduced in the presence of the Cl(-) channels inhibitor NPPB. This effect was confirmed in vitro by measuring the cell pH recovery rates after a NH(4)Cl pulse in immortalized rat renal proximal tubule cells, IRPTC. In these cells, even after abolishing the membrane potential with valinomycin, ATPase activity was seen to be still dependent on Cl(-). siRNA-mediated CFTR channels and ClC-5 chloride-proton exchanger knockdown significantly reduced H(+)-ATPase activity and V-ATPase B2 subunit expression. Conclusion: These results indicate a role of chloride in modulating plasma membrane H(+)-ATPase activity in proximal tubule and suggest that both CFTR and ClC-5 modulate ATPase activity. Copyright (C) 2010 S. Karger AG, Basel

Effects of a high fat diet on liver mitochondria: increased ATP-sensitive K(+) channel activity and reactive oxygen species generation

High fat diets are extensively associated with health complications within the spectrum of the metabolic syndrome. Some of the most prevalent of these pathologies, often observed early in the development of high-fat dietary complications, are non-alcoholic fatty liver diseases. Mitochondrial bioenergetics and redox state changes are also widely associated with alterations within the metabolic syndrome. We investigated the mitochondrial effects of a high fat diet leading to non-alcoholic fatty liver disease in mice. We found that the diet does not substantially alter respiratory rates, ADP/O ratios or membrane potentials of isolated liver mitochondria. However, H(2)O(2) release using different substrates and ATP-sensitive K(+) transport activities are increased in mitochondria from animals on high fat diets. The increase in H(2)O(2) release rates was observed with different respiratory substrates and was not altered by modulators of mitochondrial ATP-sensitive K(+) channels, indicating it was not related to an observed increase in K(+) transport. Altogether, we demonstrate that mitochondria from animals with diet-induced steatosis do not present significant bioenergetic changes, but display altered ion transport and increased oxidant generation. This is the first evidence, to our knowledge, that ATP-sensitive K(+) transport in mitochondria can be modulated by diet.

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.