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Stimulation with the neurotransmitter dopamine causes an amplitude-modulated increase in the intracellular Ca2+ concentration ([Ca2+](i)) in epithelial cells of the ducts of cockroach salivary glands. This is completely attributable to a Ca2+ influx from the extracellular space. Additionally, dopamine induces a massive [Na+](i) elevation via the Na+- K+-2Cl(-) cotransporter (NKCC). We have reasoned that Ca2+-entry is mediated by the Na+-Ca2+ exchanger (NCE) operating in the Ca2+-entry mode. To test this hypothesis, [Ca2+](i) and [Na+](i) were measured by using the fluorescent dyes Fura- 2, Fluo-3, and SBFI. Inhibition of Na+-entry from the extracellular space by removal of extracellular Na+ or inhibition of the NKCC by 10 mu M bumetanide did not influence resting [Ca2+]i but completely abolished the dopamine-induced [Ca2+](i) elevation. Simultaneous recordings of [Ca2+](i) and [Na+](i) revealed that the dopamine-induced [Na+](i) elevation preceded the [Ca2+](i) elevation. During dopamine stimulation, the generation of an outward Na+ concentration gradient by removal of extracellular Na+ boosted the [Ca2+](i) elevation. Furthermore, prolonging the dopamine-induced [Na+](i) rise by blocking the Na+/K+-ATPase reduced the recovery from [Ca2+](i) elevation. These results indicate that dopamine induces a massive NKCC-mediated elevation in [Na+](i), which reverses the NCE activity into the reverse mode causing a graded [Ca2+](i) elevation in the duct cells.
Charakterisierung von Transportmechanismen in der Speicheldrüse der Schabe Periplaneta americana
(2006)
Die Aktivierung der Speichelsekretion erfolgt in der innervierten Speicheldrüse der Schabe Periplaneta americana durch die biogenen Amine Dopamin (DA) und Serotonin (5-HT). Die Acini der Speicheldrüse sezernieren einen Primärspeichel, der in den Ausführgängen modifiziert wird. Die durch DA und 5-HT aktivierten Signalwege sowie die an der Elektrolyt- und Flüssigkeitssekretion bzw. Speichel-modifikation beteiligten Transportmechanismen sind weitgehend unbekannt. Mikrofluorometrische Ca<sup>2+-, Na<sup>+- und pH-Messungen in Kombination mit pharmakologischen Experimenten, biochemische Messungen der Aktivitäten von Ionentransport-ATPasen sowie videomikroskopische Analysen zu transepithelialen Wasserbewegungen wurden in dieser Arbeit durchgeführt. Sie sollten Informationen über die an der Speichelbildung und -modifikation beteiligten Transportmechanismen und die Signalwege liefern, welche durch DA und/oder 5-HT aktiviert werden. Wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit waren: <ul> <li>Messungen des intrazellulären pH (pHi) in Gangzellen zeigten, dass isolierte Ausführgänge mit Acini bei Stimulierung mit DA und 5-HT stark ansäuerten. In isolierten Ausführgängen ohne Acini verursachte nur DA eine schwache Ansäuerung. Da nur die Ausführgänge dopaminerg innerviert sind, die Acini jedoch dopaminerg und serotonerg, zeigt dieses Ergebnis, dass die DA- und/oder 5-HT-induzierte Primärspeichelbildung die Ursache für die pHi-Änderungen in den Gangzellen ist. pHi-Messungen in den Gangzellen geben also auch Hinweise auf Transportvorgänge in den Acini.</li> <li> Der Na<sup>+-K<sup>+-2Cl<sup>--Symporter und der Cl<sup>--HCO3<sup>--Antiporter, gekoppelt mit dem Na<sup>+ H<sup>+-Antiporter (NHE) waren an der NaCl-Aufnahme in die peripheren Zellen der Acini zur Bildung des NaCl-reichen Primärspeichels beteiligt. Die Aktivität dieser Transporter hing von der CO2/HCO3<sup>--Verfügbarkeit ab und war Ca<sup>2+-abhängig.</li> <li>Die starke Ansäuerung in den Gangzellen hing nicht von der Aktivität der apikalen vakuolären Protonen-ATPase (V-H<sup>+-ATPase), aber von der Aktivität der basolateralen Na<sup>+-K<sup>+-ATPase ab, die anscheinend in den Ausführgängen die Speichelmodifikation energetisiert.</li> <li>In isolierten Ausführgängen mit Acini waren die V-H<sup>+-ATPase und Na<sup>+-abhängige Transporter (u. a. NHE) an der Erholung von einer DA-induzierten oder einer NH4Cl-Vorpuls-induzierten Ansäuerung in den Gangzellen beteiligt. Bei der Regulation des pHi in unstimulierten Gangzellen spielten diese Transporter keine Rolle.</li> <li>In isolierten Ausführgängen mit Acini induzierte DA in den Gangzellen einen Anstieg der [Na<sup>+]i und, zeitlich verzögert, auch der [Ca<sup>2+]i. Der [Na<sup>+]i-Anstieg war von der Aktivität der Acini abhängig und erfolgte möglicherweise über apikale Na+-Kanäle. Der [Ca<sup>2+]i-Anstieg war graduiert und tonisch. Der DA-induzierte [Na<sup>+]i-Anstieg in den Gangzellen und deren Depolarisation führten dazu, dass der basolaterale Na<sup>+-Ca<sup>2+-Antiporter in den Ca<sup>2+-Influx-Modus umkehrte. Die daraus resultierende tonische [Ca<sup>2+]i-Erhöhung könnte an der Regulation der Na<sup>+-Rückresorption beteiligt sein.</li> <li>Zum Nachweis transepithelialer Flüssigkeitsbewegungen in isolierten Ausführgängen wurde eine videomikroskopische Methode entwickelt. Isolierte Ausführgänge ohne Acini resorbierten im unstimulierten Zustand Flüssigkeit aus dem Ausführganglumen. Möglicherweise sezernieren die Acini auch im unstimulierten Zustand mit geringerer Rate einen Primärspeichel, der in den Ausführgängen resorbiert wird. Die Resorption war ATP-abhängig. Der ATP-verbrauchende Transportmechanismus konnte nicht identifiziert werden. Weder die Na<sup>+-K<sup>+-ATPase noch die V-H<sup>+-ATPase waren an der Resorption beteiligt.</li> </ul> Diese Arbeit trug zur Kenntnis der komplexen Funktionsweise von Speicheldrüsen in Insekten bei und erweiterte das lückenhafte Wissen über die zellulären Wirkungen biogener Amine in Insekten. Zudem wurden in dieser Arbeit viele Parallelen zu Funktionsweisen der Speicheldrüsen in Vertebraten deutlich.
Secretion in blowfly salivary glands is induced by the neurohormone serotonin and powered by a vacuolar-type H+- ATPase (V-ATPase) located in the apical membrane of the secretory cells. We have established a microfluorometric method for analysing pH changes at the luminal surface of the secretory epithelial cells by using the fluorescent dye 5-N- hexadecanoyl-aminofluorescein (HAF). After injection of HAF into the lumen of the tubular salivary gland, the fatty acyl chain of the dye molecule partitions into the outer leaflet of the plasma membrane and its pH-sensitive fluorescent moiety is exposed at the cell surface. Confocal imaging has confirmed that HAF distributes over the entire apical membrane of the secretory cells and remains restricted to this membrane domain. Ratiometric analysis of HAF fluorescence demonstrates that serotonin leads to a reversible dose-dependent acidification at the luminal surface. Inhibition by concanamycin A confirms that the serotonin-induced acidification at the luminal surface is due to H+ transport across the apical membrane via V-ATPase. Measurements with pH-sensitive microelectrodes corroborate a serotonin-induced luminal acidification and demonstrate that luminal pH decreases by about 0.4 pH units at saturating serotonin concentrations. We conclude that ratiometric measurements of HAF fluorescence provide an elegant method for monitoring V-ATPase-dependent H+ transport in the blowfly salivary gland in vivo and for analysing the spatiotemporal pattern of pH changes at the luminal surface