Polymorphic myosin as the common determinant of myofibrillar ATPase in different haemodynamic and thyroid states

Summary

Chronic alterations in haemodynamic load or thyroid state affect the ATPase activity of myofibrils from the rat heart. In order to determine the limits of such an adaptational reaction, the Ca²⁺-dependent activation of myofibrils containing only myosin V₁ or V₃ was investigated. These limiting states were achieved by changes in the thyroid state, i.e., myosin V₁ myofibrils were obtained from 5-week-old rats, and myosin V₃ myofibrils from hypothyroid rats. Analysis of the activation of myofibrillar ATPase by Ca²⁺ using the model-independent Hill equation showed that transition of the myosin isoenzymes neither affected Ca²⁺ sensitivity (pCa_50%=6.52) nor positive co-operativity (n=2.4). The ATPase activity at saturating Ca²⁺ concentrations was 192 nMole P mg⁻¹ min⁻¹ in myosin V₁-myofibrils and was reduced to 131 nMole P mg⁻¹ min⁻¹ in the case of myosin V₃-myofibrils. Beside changes in the thyroid hormone state, polymorphic myosin is also influenced by chronic pressure overload and endurance training of a swimming routine. Such haemodynamically induced changes in myofibrillar ATPase were accounted for on the basis of the altered myosin isoenzyme pattern and the ATPase activities of isoenzymatically homogeneous myofibrils obtained by changes in the thyroid state. It can therefore be concluded that both haemodynamic load and thyroid state affect myofibrillar ATPase by a common mechanism, namely, by inducing a change in the isoenzyme pattern of myosin due to a redirected expression of myosin genes. Myosins from other mammals were compared with rat myosin on pyrophosphate gels. The Ca²⁺-dependent activation of myofibrillar ATPase from euthyroid and hypothyroid adult mice suggested the existence of a polymorphic myosin which was verified by the pyrophosphate gel technique. The mouse myosin isoenzymes were, however, less separated on pyrophosphate gels when compared with the rat myosins. It therefore seems advisable to consider both the activation properties of myofibrillar ATPase, as well as electrophoretic properties, for defining the adaptational state of myocardium of higher mammalian species.

Zusammenfassung

Die ATPase-Aktivität von Myofibrillen aus Rattenherz wird durch chronische Veränderungen in der hämodynamischen Belastung oder im Status der Schilddrüsenhormone beeinflußt. Um die Grenzen solcher Anpassungsmechanismen abzustecken, wurde die Ca²⁺-abhängige Aktivierung von Myofibrillen, die entweder Myosin V₁ oder Myosin V₃ enthielten, untersucht. Diese den Anpassungsbereich begrenzenden Zustände wurden durch Veränderungen im Spiegel der Schilddrüsenhormone erzeugt: Myosin V₁-Myofibrillen wurden aus 5 Wochen alten Ratten und Myosin V₃-Myofibrillen wurden aus hypothyreoten Ratten isoliert. Eine Analyse der Ca²⁺-abhängigen Aktivierung der Myofibrillen auf der Grundlage der Hill-Gleichung zeigte, daß weder die Ca²⁺-Sensitivität (pCa_50%=6.52) noch die positive Kooperativität (n=2.4) verändert ist. Die ATPase-Aktivität bei Vollaktivierung war 192 nMol P mg⁻¹ min⁻¹ bei Myosin V₁-Myofibrillen und 131 nMol P mg⁻¹ min⁻¹ bei Myosin V₃-Myofibrillen. Neben Veränderungen im Status der Schilddrüsenhormone wird das polymorphe Myosin auch durch eine chronische Druckbelastung und durch das Ausdauertraining eines Schwimmprogrammes beeinflußt. Solche Veränderungen in der myofibrillären ATPase lassen sich erklären auf Grund des veränderten Isoenzymmusters und der ATPase-Aktivitäten von Myofibrillen, die homogen sind bezüglich der Isoenzyme, die durch Veränderungen im Status der Schilddrüsenhormone induziert wurden. Die hämodynamische Belastung und die Schilddrüsenhormone beeinflussen daher die myofibrilläre ATPase in einem beiden gemeinsamen Mechanismus: Sie führen zu einer Veränderung im Isoenzymmuster des Myosins als Folge einer veränderten Genexpression.

Die Myosine anderer Säugetiere wurden mit Hilfe der Pyrophosphat-Gel-Elektrophorese mit dem Myosin der Ratte verglichen. Die Ca²⁺-abhängige Aktivierung der myofibrillären ATPase von euthyreoten und hypothyreoten, erwachsenen Mäusen legte ein polymorphes Myosin nahe, das mit Hilfe der Pyrophosphat-Gel-Elektrophorese bestätigt wurde. Die Auftrennung der Myosin-Isoenzyme der Maus war jedoch geringer als die der Ratte. Es wird daher empfohlen, die Ca²⁺-abhängige Aktivierung der myofibrillären ATPase neben elektrophoretischer Eigenschaften für die Charakterisierung des myokardialen Anpassungszustandes höherer Säugetiere heranzuziehen.