β-adrenergic signal transduction in fish: interactive effects of catecholamines and cortisol

The elevation of plasma catecholamine levels during acute stress initiates a series of compensatory physiological and biochemical mechanisms to alleviate the disruptive effects of stress on blood oxygen transport. Of particular importance is the β-adrenergic activation of a Na⁺/H⁺ antiporter associated with the red blood cell (rbc) membrane. Upon activation, the Na⁺/H⁺ antiporter extrudes H⁺ from the rbc and the resultant alkalinization of the rbc interior serves to enhance both the affinity and the capacity of haemoglobin O₂ binding. The activation of the Na⁺/H⁺ exchanger is dependent upon the intracellular accumulation of cyclic AMP. The extent of cyclic AMP accumulation is determined, in part, by the number and/or affinities of cell surface β-adrenoreceptors. Recent studies have shown that the number of cell surface β-adrenoreceptors are rapidly increased during acute hypoxia and that this phenomenon may explain the enhanced responsiveness of hypoxic rbc's to exogenous catecholamines. In certain instances, plasma catecholamine and cortisol levels rise concurrently. We recently have shown that chronic (10 day) elevation of cortisol levels, in vivo, or short-term (24h) elevation, in vitro, caused significant elevation of internalized β-adrenoreceptors. Upon exposure of the rbc's to hypoxia, these additional receptors are rapidly recruited to the cell surface where they become functionally coupled to adenylate cyclase. Ultimately, therefore, chronic elevation of plasma cortisol levels increases the responsiveness of the rbc to circulating catecholamines. We recently have identified similar enhancement of cell surface β-adrenoreceptors by cortisol and increased physiological responsiveness (glycogenolysis) to catecholamines in trout hepatocytes. Thus, chronic elevation of cortisol levels appears to be generally adaptive for increasing the sensitivity of the β-adrenergic signal transduction system of at least two cell types (rbc's, hepatocytes) involved in the amelioration of acute stress when plasma catecholamine levels rise.

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Résumé L'élévation des niveaux de cathécolamines plasmatiques pendant un stress aigu déclenche une série de mécanismes physiologiques et biochimiques de compensation destinés à suprimer les effets destructeurs du stress sur les transport d'oxygène par le sang. L'activation β-adrénergique de l'antipore Na⁺/H⁺ associé à la membrane des globules rouges du sang (rbc) est particulièrement importante. Après activation, l'antipore Na⁺/H⁺ excrète du globule rouge H⁺ et l'alcalinisation du milieu intérieur du globule qui en résulte sert à stimuler l'affinité et la capacité de liaison hémoglobine-O₂. L'activation de l'échangeur Na⁺/H⁺ est dépendante de l'accumulation intracellulaire d'AMP cyclique. La quantité d'AMP cyclique accumulée est déterminée en partie par le nombre et/ou l'affinité des β-adrénorécepteurs situés à la surface des cellules. Des études récentes montrent que le nombre de β-adrénorécepteurs de surface augmente rapidement pendant une hypoxie aigue et que ce phénomène pourrait expliquer la stimulation de la réponse des globules rouges hypoxiques à des cathécolamines exogènes. Dans certains cas, les niveaux plasmatiques de cortisol et de cathécolamine augmentent simultanément. Nous avons récemment montré qu'une augmentation chronique (10 jours) des niveaux de cortisol in vivo ou une élévation de courte durée (24h) in vitro conduisent à une augmentation des β-adrénorécepteurs internalisés. Suite à l'exposition de globules rouges à une hypoxie, ces nouveaux récepteurs sont rapidement recrutés à la surface de la cellule où ils deviennent fonctionnellement couplés à l'adénylate cyclase. En dernier lieu donc, une élévation chronique des niveaux de cortisol augmente la réponse des globules rouges aux cathécolamines circulants. Nous avons récemment identifié une augmentation similaire des β-adrénorécepteurs de surface cellulaire par le cortisol et une réponse physiologique (glycogénolyse) stimulée par les cathécolamines dans les hépatocytes de truite. Ainsi, une élévation chronique des niveaux de cortisol semble être en général adaptative et augmentant la sensibilité du système de transduction du signal β-adrénergique dans au moins 2 types de cellules (les globules rouges et les hépatocytes) impliquées dans l'amélioration du stress aigu quand les niveaux de cathécolamine plasmatique augmentent.