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The present set of studies examines the roles of two ion-motive enzymes, vacuolar-type H+-ATPase (VA) and Na+/K+ ATPase (NKA), in energizing transepithelial ion transport across the larval caecum and midgut epithelia of Drosophila melanogaster and Aedes aegypti. Even though both VA and NKA are expressed in insect epithelia, VA was considered the more important enzyme until the early 2000 because the ion transport was unaffected by the NKA inhibitor ouabain in many insect epithelia, a phenomenon termed the ‘ouabain paradox’. This paradox was resolved by the discovery of an organic anion transporter (OATP) that is colocalized with NKA and prevents the actions of ouabain on NKA. Since the resolution of the ouabain paradox, this is the first set of studies that investigates the role of NKA in energizing ion transport across the caeca and midgut of insects. First, I show that both VA and NKA are expressed in the caecum and the midgut. Moreover, the ATPase enzyme activities of VA and NKA are quantitatively similar within each region of the gut that was studied, suggesting that both ATPases may be important for establishing favourable electrochemical gradients for transport of ions across the gut. I used ATPase inhibitors to demonstrate that cation transport is dependent on the actions of both VA and NKA. Furthermore, this is the first set of studies that provides an insight into the ion transport mechanisms of the gastric caecum, an organ that is understudied in insects. In Aedes aegypti, I show that 5-hydroxytryptamine regulates the VA-rich cells of the gastric caecum, and therefore the rates of ion transport of these cells. Additionally, I also show that rearing salinity conditions for Aedes aegypti larvae alters the expression patterns of VA and NKA in the gastric caecum. In freshwater, increased activity of VA and NKA energizes transport of ions into the lumen of the caecum that likely maintains fluid volumes and ionic composition at levels appropriate for digestion and absorption. Overall, these studies provide novel information for caeca and midgut-specific actions of VA and NKA in insects, and present a number of new avenues for future research. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / This thesis focuses on investigating the roles of two enzymes, vacuolar-type H+-ATPase (VA) and Na+/K+ ATPase (NKA), which utilize energy to transport electrically charged atoms (ions) across the cells of the insect gut. Although VA was considered the more important of the two enzymes until the early 2000s, I have demonstrated that NKA also plays a role in maintaining insect gut function in fruit flies and mosquito larvae. Furthermore, the activities of both enzymes are dependent on the salinity of the medium in which mosquito larvae are reared, suggesting that they play a role in maintaining the ionic composition of the gut fluids in freshwater larvae. Additionally, I have also demonstrated that a neurochemical, serotonin, can modulate the activity of gut cells in mosquito larvae. Overall, this thesis provides novel information on the actions of VA and NKA in the insect gut, and presents a number of new avenues for future research.

A caracterização bioquímica da (Na+,K+)-ATPase, uma importante enzima envolvida no controle osmo-iônico nos crustáceos osmorreguladores, foi realizada a partir de centrifugação diferencial de frações microsomais do tecido branquial do siri eurialino C. danae, coletado na Baía de Ubatuba e mantido a 33o/oo de salinidade (animais recém-capturados). A ultracentrifugação da fração microsomal em um gradiente contínuo de sacarose (10-50%) revelou a presença de um único pico de atividade (Na+, K+)-ATPase, coincidente com o pico de atividade K+-fosfatase. Ambas as atividades foram inibidas completamente pela ouabaína. O Western blotting da fração microsomal apresentou uma única banda imunoespecífica contra a subunidade alfa da (Na+, K+)-ATPase, sugerindo a presença de uma única isoforma para a cadeia alfa da enzima. A hidrólise do ATP ocorreu em sítios de alta afinidade que apresentaram interações sítio-sítio (nH=3,6) com uma atividade específica V= 35,4 ± 2,1 U/mg e K0,5= 54,0 ± 4,0 nM, bem como em sítios de baixa afinidade, que obedeceram uma cinética Michaeliana, com V= 271,5 ± 17,2 U/mg e KM = 55,0 ± 3,0 uM. A estimulação da atividade da enzima pelos íons Na+ (V= 302,1 ± 14,1 U/mg e K0,5= 5,80 ± 0,3 mM), Mg2+ (V= 309,7 ± 15,7 U/mg e K0,5= 0,48 ± 0,02 mM) e K+ (V= 294,0 ± 11,8 U/mg e K0,5= 1,61 ± 0,06 mM) ocorreu através de interações sítio-sítio, enquanto a estimulação pelos íons NH4+ obedeceu a uma cinética Michaeliana com V= 377,8 ± 22,7 U/mg e KM= 4,61 ± 0,27 mM). Interessantemente, os íons NH4+ estimularam sinergisticamente a atividade específica da enzima em cerca de 90% (V= 557,0 ± 28,3 U/mg), sugerindo que esses íons se ligam em diferentes sítios na molécula. A (Na+,K+)-ATPase do tecido branquial de C. danae hidrolisou o PNFF com V= 125,4 ± 7,5 U/mg, K0,5= 1,2 ± 0,1 mM, através de interações cooperativas (nH= 1,5). Além disso, essa atividade K+-fosfatase foi inibida competitivamente pelo ATP (KI= 57,2 ± 2,6 µM), sugerindo que os dois substratos foram hidrolisados no mesmo sítio da enzima. A estimulação da atividade K+-fosfatase da (Na+,K+)-ATPase pelos íons K+ (V= 121,0 ± 6,1 U/mg; K0,5= 2,1 ± 0,1 mM), Mg2+ (V= 125,3 ± 6,3 U/mg; K0,5= 1,0 ± 0,1 mM) e NH4+ (V= 126,1 ± 4,8 U/mg; K0,5= 13,7 ± 0,5 mM) ocorreram através de interações sítio-sítio, similarmente ao observado para o ATP. A ouabaína e o ortovanadato inibiram completamente a atividade (Na+,K+)-ATPase (KI= 147,2 ± 7,2 uM; KI= 11,2 ± 0,6 nM, respectivamente). Entretanto, para a atividade K+-fosfatase os valores determinados foram significativamente superiores (KI= 830,3 ± 42,5 uM; KI= 34,0 ± 1,4 nM, respectivamente). A inibição da atividade da (Na+,K+)-ATPase por essas duas substâncias foi afetada pela presença de íons NH4+. Entretanto, o mesmo não ocorreu com a atividade K+-fosfatase da enzima. A representação de Arrhenius revelou a ocorrência de uma transição de fase próximo a 19°C, com deltaH1= 15.939 cal/mol e outra a 38°C com deltaH2= 7.719 cal/mol. Temperaturas acima de 43°C provocaram uma rápida inativação da (Na+,K+)-ATPase. Esta é a primeira demonstração da presença de um sítio de alta afinidade para o ATP na (Na+,K+)-ATPase de crustáceo. Os resultados obtidos sugerem que as atividades (Na+,K+)-ATPase e K+-fosfatase pertencem à mesma enzima e que a preparação não apresenta contaminações por outras ATPases e/ou fosfatases. Do ponto de vista fisiológico, os resultados deste trabalho são relevantes em relação à excreção ativa dos íons NH4+ pelos crustáceos. / The modulation by Mg+2, Na+, K+, NH4+ ions and ATP of the (Na+, K+)-ATPase activity in a microsomal fraction from Callinectes danae gills was analyzed. ATP was hydrolyzed at high-affinity binding sites at a maximal rate of V= 35.4 ± 2.1 U/mg and K0.5= 54.0 ± 3.6 nM, obeying cooperative kinetics (nH= 3.6). At low-affinity sites, the enzyme hydrolyzed ATP obeying Michaelis-Menten kinetics with KM= 55.0 ± 3.0 uM and V= 271.5 ± 17.2 U/mg. This is the first demonstration of a crustacean (Na+, K+)-ATPase possessing two ATP hydrolyzing sites. Stimulation by sodium (K0.5= 5.80 ± 0.30 mM), magnesium (K0.5= 0.48 ± 0.02 mM) and potassium ions (K0.5= 1.61 ± 0.06 mM) exhibited site-site interactions, while that by ammonium ions obeyed Michaelis-Menten kinetics (KM= 4.61 ± 0.27 mM). Ouabain (KI= 147.2 ± 7.2 uM) and orthovanadate (KI= 11.2 ± 0.6 nM) completely inhibited ATPase activity, indicating the absence of contaminating ATPase and/or neutral phosphatase activities. Ammonium and potassium ions synergistically stimulated the enzyme, increasing specific activities up to 90%, suggesting that these ions bind to different sites on the molecule and that the presence of each ion modulates enzyme stimulation by the other. The kinetic properties of a microsomal gill (Na+,K+)-ATPase were also analyzed using p-nitrophenylphosphate as substrate. The (Na+,K+)-ATPase hydrolyzed the substrate obeying cooperative kinetics (n= 1.5) at rates of V= 125.4 ± 7.5 U/mg and K0.5= 1.2 ± 0.1 mM and ATP competitively inhibited K+-phosphatase activity (KI= 57.2 ± 2.6 µM). Enzyme stimulation by potassium (V= 121.0 ± 6.1 U/mg; K0.5= 2.1 ± 0.1 mM) and magnesium ions (V= 125.3 ± 6.3 U/mg; K0.5= 1.0 ± 0.1 mM) was cooperative. Ammonium ions stimulated the enzyme through site-site interactions to a rate of V= 126.1 ± 4.8 U/mg with K0.5= 13.7 ± 0.5 mM. However, the K+-phosphatase activity was not synergistically stimulated using potassium plus ammonium ions. Sodium ions (KI= 36.7 ± 1.7 mM), ouabain (KI= 830.3 ± 42.5 uM) and orthovanadate (KI= 34.0 ± 1.4 nM) completely inhibited K+-phosphatase activity. The data show that the K+-phosphatase activity corresponds strictly to the (Na+,K+)-ATPase. This is the first invertebrate (Na+,K+)-ATPase shown to exhibit both high- and low-affinity sites for ATP hydrolysis and synergistic stimulation by potassium and ammonium ions (Masui et al., 2002). Further characterization of the K+-phosphatase activity will reveal its specific kinetic characteristics and may become a useful tool in comparative osmoregulatory studies.

O caranguejo de mangue Ucides cordatus é um forte hiper-hipo-osmorregulador que se encontra iso-osmótico ao ambiente na salinidade próxima a 20‰. A osmorregulação é realizada por diversos órgãos, mas principalmente pelas brânquias posteriores, enquanto as brânquias anteriores relacionam-se com a respiração. A regulação iônica é feita por muitas enzimas, sendo a principal a Na+-K+-ATPase (NKA). Tal enzima pode variar sua atividade em diversas condições ambientais, como a salinidade e/ou temperatura; é alterada por características físicas das membranas, como fluidez; e também modulada por ácidos graxos de fosfolipídios de membrana encontrados nas brânquias. O objetivo deste trabalho foi elucidar a conformação dos fosfolipídios de membrana, no que tange aos ácidos graxos destes, em animais submetidos a diferentes salinidades. Os caranguejos foram divididos e submetidos a três situações (n=4 por grupo): controle /iso-osmótico (salinidade 20‰), hipo-osmótico (10‰) e hiper-osmótico (30‰). Um grupo de animais foi exposto a um período de curto prazo (6 horas) e outro grupo a um período de 120 horas. As brânquias foram removidas e as frações lipídicas extraídas para configurar o perfil de ácidos graxos. Após montado o perfil das classes dos ácidos graxos, os mesmos foram determinados por cromatografia gasosa. A atividade específica da NKA foi mensurada com base na diferença entre a taxa de liberação de fosfato a partir de ATP. Os resultados mostraram um aumento dos ácidos graxos poliinsaturados (PUFA) sob o estresse hipo-osmótico em brânquias posteriores em ambas as frações, fosfatidilcolina (FC) e fosfatidiletanolamina (FE), em animais submetidos ao tratamento de 120 horas. PUFA tende a aumentar a fluidez de membrana, portanto, nesta condição a membrana talvez estivesse sob tal estado, mais permeável. No estresse hiper-osmótico, por outro lado, o FE de brânquias posteriores mostrou um aumento dos ácidos graxos saturados em animais também expostos a 120 horas. Tais ácidos graxos fazem com que a conformação da membrana se torne menos fluida, e menos permeável a solutos. Não houve diferença no perfil de ácidos graxos para animais expostos a 6 horas em diferentes salinidades. A atividade da NKA variou entre as diferentes exposições. / The mangrove\'s crab Ucides cordatus is a good hyper-hyposmoregulator that is isosmotic in a 20‰ salinity environment. The osmoregulation is performed by many organs, however the most important structure is the posterior gills. On the other hand, anterior gills are related to breathing. Ionic regulation is performed by several pumps, primarily by Na+-K+-ATPase (NKA). This enzyme performs its role due to environmental conditions such as salinity and/or temperature, but also to membrane\'s physics characteristics such as fluidity and composition of fatty acids. The purpose of this study was to evaluate the membrane\'s conformation in relation to fatty acids of phospholipids, when acclimated to different salinities. The crabs were divided into three groups (n = 4 per group): isosmotic/control (20‰ salinity), hyposmotic (10‰ salinity) and hyperosmotic (30‰ salinity). A group of animals were exposed to a short-term period (6 hours) and another group to a long-term period (120 hours). The gills were removed and their total lipids was extracted to set up the fatty acids profile (phospholipid class). The fatty acids profile were determined as phospholipid class by gas chromatography. The specific activity of NKA was based upon measurement of the phosphate released through the breakdown of ATP. The results showed that phosphatidylethanolamine (PE) and phosphatidylcoline (PC) from posterior gills exposed to 10‰ salinity for long-term had significantly higher levels of polyunsaturated fatty acids (PUFA). PUFA tends to increase membrane\'s fluidity, thus in the hyposmotic stressful situation, the membrane\'s conformation could be more fluid. When exposed to 30‰ salinity for long term, the PE of posterior gills showed increased levels of saturated fatty acids that implies in a less fluid membrane\'s conformation. There were no significant differences among fatty acids of phospholipids in gills of crabs exposed to a short-term period (6 hours). The specific activity of NKA ranged among the different salinities.

Dissertação(mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós–Graduação em Aqüicultura, Instituto de Oceanografia, 2011. / Submitted by Cristiane Silva (cristiane_gomides@hotmail.com) on 2012-08-11T17:30:34Z No. of bitstreams: 1 dissertao mestrado_iuri salim abou anni.pdf: 920616 bytes, checksum: e1ed6eb173ad9593484417ec03fdce7b (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2012-12-19T14:26:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dissertao mestrado_iuri salim abou anni.pdf: 920616 bytes, checksum: e1ed6eb173ad9593484417ec03fdce7b (MD5) / Made available in DSpace on 2012-12-19T14:26:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertao mestrado_iuri salim abou anni.pdf: 920616 bytes, checksum: e1ed6eb173ad9593484417ec03fdce7b (MD5) Previous issue date: 2011 / O objetivo deste estudo foi avaliar os efeitos da salinidade sobre o comportamento iono e osmorregulatório, bem como o crescimento de juvenis de pampo Trachinotus marginatus. Um experimento foi realizado para estimar o ponto isosmótico e as concentrações iônicas plasmáticas do pampo. Os peixes (144,7 ± 28,4 g e 19,6 ± 2,0 cm) foram aclimatados durante quinze dias nas salinidades 4, 8, 12, 16 e 20 e amostras de sangue foram coletadas para análise da composição iônica e osmolalidade plasmática. O ponto isosmótico foi determinado pela regressão linear entre a osmolalidade plasmática e a osmolalidade da água. Em um segundo experimento, 320 peixes (2,14 ± 0,29 g e 5,11 ± 0,33 cm) foram aleatoriamente distribuídos em 16 tanques (50L). Cada tratamento foi mantido nas salinidades 3, 6, 12 e 32 (quatro repetições cada), equivalente a 25, 50, 100 e 267% do ponto de isosmótico. Durante o período experimental (28 dias), os peixes foram mantidos a 28 °C, pH 8,0, alcalinidade 135 mg CaCO3/L e saturação de oxigênio sempre superior a 90%. O consumo de oxigênio foi medido em cada salinidade. O segundo arco branquial de 12 peixes foi coletado para análise da atividade da enzima Na+/K+-ATPase. O ponto isosmótico do pampo foi determinado em 357,5 mOsmoles/kg H2O-1, o que equivale à salinidade 13,1. A osmolalidade plasmática, o hematócrito, a glicemia, o índice hepatossomático e atividade da Na+/K+-ATPase branquial não foram afetados pela salinidade. No segundo experimento, a maior taxa de consumo de oxigênio foi observado para os peixes criados na salinidade 3, enquanto a atividade da Na+/K+-ATPase branquial foi significativamente maior nesta salinidade em relação às salinidades 12 e 32. A concentração de glicogênio hepático da salinidade 3 foi significativamente menor em relação a salinidade 32. A atividade da tripsina no intestino e a umidade dos músculos não apresentaram variação significativa entre os tratamentos. O maior crescimento foi observado nas salinidades 3, 6 e 12. / The objective of this study was to evaluate the effect of salinity on juvenile growth of juvenile pompano Trachinotus marginatus. One experiment was done to estimate the isosmotic point of pompano, fish (144,7 ± 28,4 g e 19,6 ± 2,0 cm) were acclimated fortnightly at salinities 4, 8, 12, 16 and 20 and blood was sampled for osmolarity analysis. The isosmotic point was determined by linear regression between plasma osmolality and water osmolality. Later, 320 fish (2,1 ± 0,2 g and 5,1 ± 0,3 cm) were randomly distributed into 16 tanks (50L). Each treatment was maintained at salinities 3, 6, 12, and 32 (four replicates each), equivalent to 25, 50, 100 and 267% of the isosmotic point. During the experimental period (28 days), fish were maintained at 28°C, pH 8.0, alkalinity 135 mg/L of CaCO3, and oxygen saturation was always above 90%. Oxygen consumption was measured at each salinity. The second gill arch of 12 fish was collected for analysis of the Na+/K+-ATPase. The isosmotic point of T. marginatus was determined in 357,5 mOsmol/kg H2O-1, which is equivalent to salinity 13,1. Plasma osmolality, hematocrit, glycemia, hepatosomatic index and activity of Na+/K+-ATPase were not affected by salinity. In the second experiment, the highest rate of oxygen consumption was observed for fish reared at salinity 3, while the activity of Na+/K+-ATPase was significantly higher in salinity 3 in relation to salinity 12 and 32. The hepatic glycogen concentration of salinity 3 was significantly lower than the salinity 32. The activity of trypsin in the intestine and muscle humidity showed no significant variation between treatments. The best growth performance was observed at salinity 3, 6 and 12.