Chemically induced hypoxia has been shown to induce a depletion of ATP. Since intracellular free $Mg^{2+}\;([Mg^{2+}]_i)$ appears to be tightly regulated following cellular energy depletion, we hypothesized that the increase in $[Mg^{2+}]_i$ would result in $Mg^{2+}$ extrusion following hormonal stimulation. To determine the relation between $Mg^{2+}$ efflux and cellular energy state in a hypoxic rat heart and isolated myocytes, $[Mg^{2+}]_i,$ ATP and $Mg^{2+}$ content were measured by using mag-fura-2, luciferin-luciferase and atomic absorbance spectrophotometry. $Mg^{2+}$ effluxes were stimulated by norepinephrine (NE) or cAMP analogues, respectively. $Mg^{2+}$ effluxes induced by NE or cAMP were more stimulated in the presence of metabolic inhibitors (MI). Chemical hypoxia with NaCN (2 mM) caused a rapid decrease of cellular ATP within 1 min. Measurement of $[Mg^{2+}]_i$ confirmed that ATP depletion was accompanied by an increase in $[Mg^{2+}]_i.$ No change in $Mg^{2+}$ efflux was observed when cells were incubated with MI. In the presence of MI, the cAMP-induced $Mg^{2+}$ effluxes were inhibited by quinidine, imipramine, and removal of extracellular $Na^+.$ In addition, after several min of perfusion with $Na^+-free$ buffer, a large increase in $Mg^{2+}$ efflux occurred when $Na^+-free$ buffer was switched to 120 mM $Na^+$ containing buffer. A similar $Mg^{2+}$ efflux was observed in myocytes. These effluxes were inhibited by quinidine and imipramine. These results indicate that the activation of $Mg^{2+}$ effluxes by hormonal stimulation is directly dependent on intracellular $Mg^{2+}$ contents and that these $Mg^{2+}$ effluxes appear to occur through the $Na^+-dependent\;Na^+/Mg^{2+}$ exchange system during chemical hypoxia.
The purpose of this study was to clarify the effect of silica on cytosolic free calcium mobilization and cell injury in primary cultured rat hepatocytes. Cytosolic free calcium concentration ([Ca$^{2+}$]) was measured employing calcium sensitive fluorescent dye, Fura-2 / AM, and cell injury was evaluated by determination of cellular ATP contents. Silica increased [Ca$^{2+}$], in a concentration-dependent manner in hepatocytes (10$^{-5}$ ~10$^{-2}$ M). Silica caused a biphasic increase in [Ca$^{2+}$], which was composed of an initial rapid rise and following sustained phase. $Ca^{2+}$ removal from the medium resulted in abolishment of initial and sustained phase of silica (10$^{-2}$ M)-induced [Ca$^{2+}$], in hepatocytes. The pretreatment with nifedipine (1 $\mu$M) attenuated silica-induced [Ca$^{2+}$], increases. Silica decreased cellular ATP contents in a dose-dependent manner. This silica-induced cell injury was attenuated by the pretreatment with EGTA (100 $\mu$M) and nifedipine (1 $\mu$M). This study suggests that the elevation of [Ca$^{2+}$], caused by silica may be due mainly to influx through a plasma membrane $Ca^{2+}$ channel and hepatotoxicity by silica relate with alteration of calcium homeostasis.ium homeostasis.
An adaptive measure of photosynthetic cells to a condition identified with a reduction of cellular energy charge, caused by water deficit-induced impairment of photosynthetic ATP production, was investigated using hydroponically cultured rice seedlings. Water stress treatment of the seedlings resulted in a marked decrease in cellular ATP level, a significant increase in the content of NAD(H) and concurrent decrease in that of NADP(H) in shoots, which accompanied a decrease in the activity of NAD kinase (EC 2.7.1.23) that specifically converts NAD(H) to NADP(H). The decline in the enzyme activity was particularly evident in the $Ca^{2+}/calmodulin-dependent$ kinase, the major form of NAD kinase in plants, whereas the level of active calmodulin remained unchanged during water deficit. The ratio of $NADP^+$ to NADPH was maintained nearly constant and no increases were seen in the level of $H_2O_2$ and the activities of $superoxide/H_2O_2-detoxifying$ enzymes in shoots stress-treated for two days. Based on these results, it may be suggested that rice plants take a strategy to cope with an adverse situation of limited photophosphorylation created by water deficit in that cells facilitate ATP production through glycolysis and oxidative phosphorylation; in doing so, rice cells suppress NAD kinase activity, consequently up-sizing the NAD(H) pool at the expense of the NADP(H) pool. Several parameters associated with the stress symptoms are also of implicative that there is no overproduction of superoxide radical or the related active oxygen at least in rice seedlings.
We investigated the role of fatty acid availability on skeletal muscle AMPK activity and adenine nucleotide content. To investigate the chronic effects of elevated fatty acid in vivo Sprague-Dawley rats were fed a chow diet (15% fat) or a diet high in saturated (SAFA, 52% fat) or polyunsaturated (PUFA, 52% fat) fat for eight weeks. High fat diets increased (P < 0.05) plasma FFA levels by 25%. AMPK activity was increased in SAFA and PUFA rats and occurred in the absence of changes in ATP, AMP, phosphocreatine and glycogen content. These results suggest that increasing fatty acid availability increases AMPK activity independent of changes in the cellular energy charge, and implicate the regulation of AMPK by a covalent mechanism. These data also support the contention that increasing fatty acid availability can increase subsequent fatty acid oxidation by an AMPK-mediated process.
We have previously shown that determination of glucose uptake using ${\alpha}$-methylglucose(${\alpha}$-MG) is very sensitive and rapid parameter for the assessment of loss of cellular fu nction in renal cell line($LLC-PK_1$). The present study was designed to elucidate the mechanism of inhibition of ${\alpha}$-MG uptake and the intracellular site of toxic action of cisplatin(CIS). $LLC-PK_1$ cells were exposed to various concentrations(5 ${\mu}$M-l00 ${\mu}$M) of CIS for 5 hrs or 24 hrs and ${\alpha}$-MG uptake was determined. Mitochondrial function was evaluated by measuring intracellular ATP content and MTT reduction. The activities of marker enzymes for the basolateral membrane(Na$^+$-K$^+$ ATPase) and brush border membrane (alkaline phosphatase: ALP) were also measured. CIS treatment significantly inhibited the ${\alpha}$-MG uptake in a time- and dose-dependent manner above 25 ${\mu}$M for 5 hrs. Intracellular ATP content and MTT reduction were affected by 24 hr-treatment of 50 ${\mu}$M CIS. The activities of Na$^+$-K$^+$ ATPase and ALP were significantly decreased at 10 ${\mu}$M and 5 ${\mu}$M of CIS for 24 hrs, respectively. The incubation with CIS for 5 hrs had no effects on the intracellular ATP content, MTT reduction and the activities of marker enzymes up to 100 ${\mu}$M. These results partly indicate that inhibition of ${\alpha}$-MG uptake by CIS may not be attributed to the disturbance of mitochondrial function or inhibition of the activity of Na$^+$-K$^+$ ATPase and can be resulted from direct effect of CIS on the Na$^+$/glucose cotransporter in brush border membrane. This study shows that additional mechanistic information, indicating the intracellular site of nephrotoxic action, can be gained by coupling the ${\alpha}$-MG uptake and ATP content or the activity of Na$^+$-K$^+$ ATPase.
Objectives: The prevalence of obesity and metabolic syndrome is increasing worldwide. Regulation of cellular energy metabolis has the potential to be manipulated therapeutically to serve as a target for obesity and insulin resistance. Skeletal muscle is regarded as a target for regulation of energy metabolism and insulin resistance. In this study, the authors investigated the regulatory effect of (Cinnamomum cassia Blume, CCB), Aconitum carmichaeli Debx (ACD), and Benth (Pueraria lobata Benth, PLB) on energy and glucose metabolism in C2C12 myotubes. Methods: The water extracts of CCB, ACD, and PLB (0.5 mg/ml) were treated in differentiated C2C12 myotubes. The expressions of adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) and phosphorylation AMPK were detected with western blotting. Glucose metabolism was investigated with glucose uptake assay and glucose consumption assay, total adenosine triphosphate (ATP) content was also analyzed. Results: CCB, ACD, and PLB activated the phophorylation of AMPK, they also increased the glucose metabolism and total ATP contents in C2C12 myotubes. Conclusions: This study suggests that CCB, ACD, and PLB have the potential to increase energy and glucose metabolism in skeletal muscle.
Background: Clinical dexamethasone (DEX) treatment or stress in bovines results in extensive physiological changes with prominent hyperglycemia and neutrophils dysfunction. Objectives: To elucidate the effects of DEX treatment in vivo on cellular energy status and the underlying mechanism in circulating neutrophils. Methods: We selected eight-month-old male bovines and injected DEX for 3 consecutive days (1 time/d). The levels of glucose, total protein (TP), total cholesterol (TC), and the proinflammatory cytokines interleukin (IL)-1β, IL-6 and tumor necrosis factor (TNF)-α in blood were examined, and we then detected glycogen and adenosine triphosphate (ATP) content, phosphofructosekinase-1 (PFK1) and glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) activity, glucose transporter (GLUT)1, GLUT4, sodium/glucose cotransporter (SGLT)1 and citrate synthase (CS) protein expression and autophagy levels in circulating neutrophils. Results: DEX injection markedly increased blood glucose, TP and TC levels, the Ca2+/P5+ ratio and the neutrophil/lymphocyte ratio and significantly decreased blood IL-1β, IL-6 and TNF-α levels. Particularly in neutrophils, DEX injection inhibited p65-NFκB activation and elevated glycogen and ATP contents and SGLT1, GLUT1 and GR expression while inhibiting PFK1 activity, enhancing G6PDH activity and CS expression and lowering cell autophagy levels. Conclusions: DEX induced neutrophils glucose uptake by enhancing SGLT1 and GLUT1 expression and the transformation of energy metabolism from glycolysis to pentose phosphate pathway (PPP)-tricarboxylic acid (TCA) cycle. This finding gives us a new perspective on deeper understanding of clinical anti-inflammatory effects of DEX on bovine.
Male rats were given a single injection of iron, and temporal changes in iron content and iron-induced effects were examined in heart cellular fractions. Over a period of 72 h, the contents of total and labile iron, reactive oxygen species, and NO in tissue homogenate, nuclear debris, and postmitochondrial fractions were mostly constant, but in mitochondria they continuously increased. An abrupt decrease in membrane potential and NAD(P)H at 12 h was also found in mitochondria. The respiratory control ratio was reduced slowly with a slight recovery at 72 h, suggesting uncoupling by iron.While the ATP content of tissue homogenate decreased steadily until 72 h, it showed a prominent increase in mitochondria at 12 h. Total iron and calcium concentration also progressively increased in mitochondria over 72 h. Enzyme activity of the oxidative phosphorylation system was significantly altered by iron injection: activities of complexes I, III, and IV were reduced considerably, but complex II activity and the ATPase activity of complex V were enhanced. A reversal of activity in complexes I and II at 12 h suggested reverse electron transfer due to iron overload. These results support the argument that mitochondrial activities including oxidative phosphorylation are modulated by excessive iron.
The rice CHLH gene encodes the $Mg^{2+}$-chelatase H subunit, which is involved in chlorophyll biosynthesis. Growth of the chlorophyll-deficient oschlh mutant is supported by mitochondrial activity. In this study, we investigated the activity of mitochondrial respiration in the illuminated leaves during oschlh seedling development. Growth of mutant plants was enhanced in the presence of 3% sucrose, which may be used by mitochondria to meet cellular energy requirements. ATP content in these mutants was, however, significantly lowered in light conditions. Low cytosolic levels of NADH in illuminated oschlh mutant leaves further indicated the inhibition of mitochondrial metabolism. This down-regulation was particularly evident for oxidative stressresponsive genes in the mutant under light conditions. Hydrogen peroxide levels were higher in oschlh mutant leaves than in wild-type leaves; this increase was largely caused by the impairment of the expression of the antioxidant genes, such as OsAPXl, OsRACl, and OsAOXc in knockout plants. Moreover, treatment of mesophyll protoplasts with ascorbic acid or catalase recovered ATP content in the mutants. Taken together, these results suggest that the light-mediated inhibition of mitochondrial activity leads to stunted growth of CHLH rice seedlings.
Production of $poly-{\beta}-hydroxybutyrate$ (PHB) in a strain of Azotobacter chroococcum, a nitrogen-fixing bacteria, was investigated at various levels of nitrogen and oxygen. Feeding nitrogen source increased both cell growth and PHB accumulation. Oxygen supply appeared to be one of the most important operating parameters for PHB production. Both cell growth and PHB accumulation increased with the sufficient supply of air in the fed-batch fermentation of the strain. However, it was also noted that keeping the oxygen level under limited condition was critical to achieve high PHB productivity. A high titer of PHB (52 g/l) with a high cellular content (60%) was obtained after 48 hr of fed-batch operation by controlling the oxygen supply. Dual limitation of nitrogen and oxygen did not further increase the PHB accumulation probably due to the greater demand for reducing power and ATP for nitrogen fixation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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