В последние годы активно синтезируются и изучаются конъюгаты биологически важных молекул с липофильными катионами для увеличения электрофоретического накопления таких соединений в митохондриях клеток. Одними из наиболее известных митохондриально-направленных соединений являются конъюгаты трифенилфосфония с антиоксидантами убихиноном или пластохиноном ковалентно сшитые с помощью углеводородного децильного линкера, MitoQ и SkQ1, соответственно. Было обнаружено, что кроме антиоксидантного действия MitoQ, SkQ1 и не содержащие хинон алкил(трифенил)фосфониевые катионы вызывают разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования на митохондриях, благодаря протонофорному действию ионной пары: липофильный катион – анион жирной кислоты [1] или индукции неспецифической проницаемости внутренней мембраны митохондрий [2].

Ранее мы показали, что константа скорости флип-флопа аналогов додецил(трифенил)фосфония [3] и проницаемость аналогов бутил(трифенил)фосфония (C4TPP-X) значительно зависят от заместителей в фенильных кольцах [4]. Поэтому можно ожидать значительных различий в протонофорной активности ионной пары - аналога бутил(трифенил)фосфония и жирной кислоты в модельных и биологических липидных системах.

На выделенных митохондриях печени крысы C4TPP-X катионы приводили к увеличению скорости дыхания и уменьшению потенциала внутренней мембраны. Эффективность этих процессов значительно увеличивалась в присутствии пальмитата и коррелировала с коэффициентом распределения в системе октанол – вода для липофильных катионов. Способность C4TPP-X катионов индуцировать протонный транспорт через липидную мембрану липосом, нагруженных рН-чувствительным флуоресцентным красителем пиранином, также возрастала с увеличением их липофильности и зависела от присутствия пальмитиновой кислоты в мембранформирующем составе. Из всех изученных катионов только бутил [три(3.5-диметилфенил)]фосфоний (C4TPP-diMe) оказался способным индуцировать транспорт протонов через плоские бислойные липидные мембраны и липосомы по механизму образования ионной пары (катион – жирная кислота). Скорость потребления кислорода митохондриями при добавлении C4TPP-diMe увеличивалась до максимальных значений, характерных для обычных разобщителей. В присутствии остальных катионов скорость дыхания митохондрий была существенно меньше. Наиболее липофильные катионы ряда C4TPP-X в высоких концентрациях приводили к набуханию выделенных митохондрий печени крысы в средах, содержащих хлорид калия или сахарозу. Мы предполагаем, что изученные C4TPP-X катионы, за исключением C4TPP-diMe в низких концентрациях, вызывают неспецифическую утечку неорганических ионов через модельные липидные и биологические мембраны, которая увеличивается в присутствии жирных кислот. Таким образом, разобщение дыхания и фосфорилирования митохондрий происходит в основном по механизму, подобному детергентному.



Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ №23-24-00038.

[1] Severin, F.F. et al. Penetrating Cation/Fatty Acid Anion Pair As a Mitochondria-Targeted Protonophore. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 663-668.

[2] Trendeleva, T. A. et al. Interaction of Tetraphenylphosphonium and Dodecyltriphenylphosphonium With Lipid Membranes and Mitochondria. Biochemistry (Moscow). 2012, 77, 1021-8.

[3] Rokitskaya, T.I. et al. Effect of Methyl and Halogen Substituents on the Transmembrane Movement of Lipophilic Ions. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 23355-23363.

[4] Rokitskaya, T.I. et al. Membrane Permeability of Modified Butyltriphenylphosphonium Cations. J. Phys. Chem. B. 2022, 126, 412-422.

In recent years, conjugates of biologically important molecules with lipophilic cations have been actively synthesized and studied to increase the electrophoretic accumulation of such compounds in cell mitochondria. One of the best known mitochondria-targeted compounds are conjugates of triphenylphosphonium with the antioxidants ubiquinone or plastoquinone covalently cross-linked with a hydrocarbon decyl linker, MitoQ and SkQ1, respectively. It was found that in addition to the antioxidant action of MitoQ, SkQ1 and quinone-free alkyl(triphenyl)phosphonium cations cause uncoupling of respiration and oxidative phosphorylation on mitochondria due to the protonophoric action of the ion pair: lipophilic cation - fatty acid anion [1] or induction of nonspecific permeability of the inner mitochondrial membrane [2].

Previously, we showed that the flip-flop rate constant of dodecyl(triphenyl)phosphonium analogs [3] and the permeability of butyl(triphenyl)phosphonium analogs (C4TPP-X) depend significantly on substituents in phenyl rings [4]. Therefore, one can expect significant differences in the protonophoric activity of the ion pair (analogue of the butyl(triphenyl)phosphonium and a fatty acid) in model and biological lipid systems.

On isolated rat liver mitochondria C4TPP-X cations led to an increase in the rate of respiration and a decrease in the potential of the inner membrane. The efficiency of these processes increased significantly in the presence of palmitate and correlated with the partition coefficient in the octanol-water for lipophilic cations. The ability of C4TPP-X cations to induce proton transport across the lipid membrane of liposomes loaded with the pH-sensitive fluorescent dye pyranine also increased with their lipophilicity and depended on the presence of palmitic acid in the membrane-forming composition. Of all the studied cations, only butyl [tri(3.5-dimethylphenyl)]phosphonium (C4TPP-diMe) was able to induce proton transport through planar bilayer lipid membranes and liposomes by the mechanism of ion pair formation (cation–fatty acid). The rate of oxygen consumption by mitochondria in the presence of C4TPP-diMe increased to the maximum values corresponding to conventional uncouplers; for all other cations the maximum uncoupling rates were significantly lower. The most lipophilic cations of the C4TPP-X series at high concentrations led to swelling of isolated rat liver mitochondria in media containing potassium chloride or sucrose. We assume that the studied cations of the C4TPP-X series, with the exception of C4TPP-diMe at low concentrations, cause nonspecific leak of ions through lipid model and biological membranes which is significantly enhanced in the presence of fatty acids. Thus, the uncoupling of respiration and mitochondrial phosphorylation occurs mainly by a mechanism similar to the detergent one.



This work was financially supported by the Russian Science Foundation № 23-24-00038.



[1] Severin, F.F. et al. Penetrating Cation/Fatty Acid Anion Pair As a Mitochondria-Targeted Protonophore. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 663-668.

[2] Trendeleva, T. A. et al. Interaction of Tetraphenylphosphonium and Dodecyltriphenylphosphonium With Lipid Membranes and Mitochondria. Biochemistry (Moscow). 2012, 77, 1021-8.

[3] Rokitskaya, T.I. et al. Effect of Methyl and Halogen Substituents on the Transmembrane Movement of Lipophilic Ions. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 23355-23363.

[4] Rokitskaya, T.I. et al. Membrane Permeability of Modified Butyltriphenylphosphonium Cations. J. Phys. Chem. B. 2022, 126, 412-422.