VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Механизмы трансформации энергии. Биоэнергетика. Молекулярные моторы

Митохондриальная биоэнергетика, основанная на транспорте протонов и щелочноземельных металлов

Д.Б. Зоров1*

1.МГУ, НИИ ФХБ им. Белозерского;

* zorov(at)belozersky.msu.ru

Хемиосмотическая концепция окислительного фосфорилирования в сопрягающих мембранах, включая внутреннюю мембрану митохондрий, первично базировалась на циклическом переносе протона, за что было получено две Нобелевских премии (1978 и 1997 г.г.). В соответствии с этой концепцией протонные помпы (здесь мы будем говорить лишь о митохондриальных мембранах), представляющие собой по крайней мере три суперкомплекса дыхательной цепи (комплексы I, III и IV) переносят протоны из матрикса митохондрий во внемитохондриальную среду, приводя к генерации трансмембранного потенциала ионов водорода, представленного электрической и концентрационной компонентами. Этот потенциал является движущей силой вращения компонентов АТР синтазы, также находящейся во внутренней мембране митохондрий (комплекс V) с последующими конформационными перестройками в этом комплексе, сопряженными с синтезом АТР. Такой циклический транспорт протона был признан исключительным и наверно единственным в организации биоэнергетики, которая была названа протонной. Надо отметить, что немного неуместным и не очень понятным было сочетание в названии химической и осмотической компонент (с самого начала и до сих пор теория называется хемиосмотической), ибо при подробном рассмотрении в циклическом переносе протонов осмотических перестроек не предполагалось.

Но основным диссонансом глобального принципа протонной энергетики было открытие возможности существования еще одного типа энергетики, т.н. натриевой, характерной для бактерий, среда обитания которых характеризовалась высоким содержание ионов натрия, при этом были охарактеризованы как натриевые помпы находящиеся в сопрягающей мембране прокариот, так и натриевая АТР синтаза.

Эти логические и фактические аргументы послужили теоретической основой для предположения о наличии в митохондриях другого, нежели протонного, типа биоэнергетики, а именно основанного на транспорте ионов калия, сопряженный с синтезом АТР в комплексе V. Это предположение следовало из громадного превалирования ионов калия в цитозоле клетки над протонами. Действительно, протонов в цитозоле ≈100 нМ (рН 7,2–7,4), а ионов калия в миллионы раз больше (≈ 140 mМ), и принимая крайнюю избирательность канала Fo по протону, допустить возможность транспорта ионов калия через него было достаточно логичным.

Эти основы требовали экспериментального подтверждения, которые последовали. Для этого был проведен целый ряд исследований, который включал работу на бислойных фосфолипидных мембранах, липосомах со встроенного АТР синтазой, выделенных митохондриях и интактных кардиомиоцитах.

На бислойных мембранах базовые уровни проницаемости АТР-синтазного канала для протона и К+ (РH+ и РK+) были соответственно оценены как 5,2±0,9×10–11 и 8,7±2,9×10–17 m3/s, и которые увеличивались примерно в 3,5 раза после добавления диазоксида, активатора митохондриального АТР-зависимого К+-канала соответственно, таким образом поддерживая селективность Fo-канала ~106 :1 с сильным предпочтением транспорта протона над ионами калия.

После встраивания АТР синтазы в липосомы и наложения градиента рH и ионов калия был отмечен направленный транспорт ионов калия, чувствительный к ингибиторами АТР синтазы. Количественная оценка показала, что при физиологических концентрациях ионов калия на каждый транспортируемый Н+ митохондриальная АТР-синтаза проводит 3,7 К+, причем оба эти процесса были сопряжены с синтезом АТР. Важным являлось и то, что диазоксид в равной мере усиливал транспорт К+ и Н+ через синтазу, что явилось одним из доказательств того, что протон и К+ идут по одному и тому же пути в АТР синтазном комплексе.

Одним из самых важных вопросов был в том, какова же движущая сила для направленного транспорта К+ через АТР синтазу, учитывая то, что в митохондриях на внутренней мембране практически нет градиента К+. Оказалось, что в таких условиях при эффективно работающей протонной помпе, движущей силой является наличие электрического поля через мембрану, то есть именно мембранный потенциал является той искомой движущей силой транспорта ионов калия. Предполагалось, что вызванное повышение содержание К+ в матриксе устраняется за счет активации К+/Н+-антипортера. Однако, небольшое несоответствие двух разнонаправленных потоков К+ приводит к небольшому и временному накоплению этого иона в матриксе. В этом случае самое главное отличие ионов водорода и калия состоит в том, что ионы калия в отличии от протонов осмотически активны, в результате чего накопление К+ в матриксе сопровождается поступлением в матрикс воды, т.е. происходит набухание митохондрий. Учитывая то, что небольшое (регуляторное) набухание митохондрий, не сопровождаемое падением трансмембранного потенциала, приводит к активации дыхания митохондрий, это приводит к увеличению сопряженного синтеза АТР, в результате чего переключение с протонной на калиевую энергетику ведет к увеличению синтеза АТР, что и было продемонстрировано как на реконструированных системах, так и на изолированных митохондриях.



Литература



1. Juhaszova M, Kobrinsky E, Zorov DB, Nuss HB, Yaniv Y, Fishbein KW, de Cabo R, Montoliu L, Gabelli SB, Aon MA, Cortassa S, Sollott SJ. ATP Synthase K+- and H+-Fluxes Drive ATP Synthesis and Enable Mitochondrial K+-"Uniporter" Function: I. Characterization of Ion Fluxes. Function (Oxf). 2021; 3(2):zqab065.

2. Juhaszova M, Kobrinsky E, Zorov DB, Nuss HB, Yaniv Y, Fishbein KW, de Cabo R, Montoliu L, Gabelli SB, Aon MA, Cortassa S, Sollott SJ. ATP Synthase K+- and H+-fluxes Drive ATP Synthesis and Enable Mitochondrial K+-"Uniporter" Function: II. Ion and ATP Synthase Flux Regulation. Function (Oxf). 2022; 3(2):zqac001.

3. Juhaszova M, Kobrinsky E, Zorov DB, Aon MA, Cortassa S, Sollott SJ. Setting the Record Straight: A New Twist on the Chemiosmotic Mechanism of Oxidative Phosphorylation. Function (Oxf). 2022 Apr 19;3(3):zqac018.

4. Cortassa S. Aon MA, Juhaszova M, Kobrinsky E, Zorov DB, Sollott SJ. Computational modeling of mitochondrial K+- and H+-driven ATP synthesis. J Mol Cell Cardiol. 2022;165:9-18.

Mitochondrial energetics based on monovalent cation transport

D.B. Zorov1*

1.A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology Lomonosov Moscow State University;

* zorov(at)belozersky.msu.ru

The chemiosmotic theory of oxidative phosphorylation in coupling membranes, including the inner membrane of mitochondria, was primarily based on cyclic proton transfer, for which two Nobel Prizes were awarded (1978 and 1997). In accordance with this concept, proton pumps representing at least three supercomplexes of the respiratory chain (complexes I, III and IV) transfer protons from the mitochondrial matrix into the extramitochondrial medium, leading to the generation of the transmembrane potential of hydrogen ions, represented by electrical and concentration components. This potential is the driving force for the rotation of the components of ATP synthase, (complex V) with subsequent conformational rearrangements in this complex associated with ATP synthesis. Such cyclic proton transport was recognized as exceptional and probably the only one in the organization of bioenergetics, which was called protonic. It should be noted that the combination of chemical and osmotic components in the name was not clear, because when examined in detail, osmotic rearrangements were not assumed.

But the main dissonance of the global principle of protonic energetics was the discovery of the existence of another type of energetics, i.e., sodium energetics, essential for bacteria living in a high content of sodium ions, and both sodium pumps and sodium ATP synthase have been found there.

These and other logical and experimental arguments served as the theoretical basis for the assumption of the presence in mitochondria of a different type of bioenergetics than protonic, namely, based on the transport of potassium ions, coupled with the synthesis of ATP in complex V. This assumption followed from the enormous prevalence of potassium ions in the cytosol of the cell over protons. Indeed, concentration of protons in the cytosol is ≈100 nM (pH 7.2–7.4), while of potassium ions is millions of times more (≈ 140 mM), and taking into account the high selectivity of the Fo channel for the proton, it was quite logical to admit the possibility of transport of potassium ions through it.

These arguments required experimental confirmation, which followed. To do this, a number of studies were conducted, which included work on bilayer phospholipid membranes, liposomes with reconstituted ATP synthase, isolated mitochondria and intact cardiomyocytes.

Using bilayer membranes, the baseline permeabilities of the ATP synthase channel for proton and K+ (PH+ and PK+) were respectively estimated as 5.2±0.9×10-11 and 8.7±2.9×10-17 m3/s, and which increased approximately 3.5 times after the addition of diazoxide, an activator of mitochondrial ATP-dependent K+-channel respectively, thus maintaining the selectivity of the Fo channel ~106:1 with a strong preference for proton transport over potassium ions.

After the reconstitution of ATP synthase into liposomes and the application of a pH and potassium ions gradients, a directed transport of potassium ions sensitive to ATP synthase inhibitors was detected. Quantitative evaluation showed that at physiological concentrations of potassium ions for each transported H+, mitochondrial ATP synthase conducts 3.7 K+, and both of these processes were coupled with the synthesis of ATP. It was also important that diazoxide equally enhanced the transport of K+ and H+ through synthase, which was one of the proofs that proton and K+ follow the same root in the ATP synthase complex.

One of the most important questions was on the driving force for the directed transport of K+ through ATP synthase, given that there is practically no K+ gradient in mitochondria on the inner membrane. It turned out that under such conditions, with an efficiently operating proton pump, the driving force is the presence of an electric field through the membrane, that is, it is the membrane potential that is the driving force for the transport of potassium ions. It was assumed that the induced increase in the K+ levels in the matrix is discharged due to the activation of the K+/H+ antiporter. However, a slight mismatch between the two multidirectional flows of K+ leads to a small and temporary accumulation of this ion in the matrix. In this case, the most important difference between hydrogen and potassium ions is that potassium ions, unlike protons, are osmotically active, as a result of which the accumulation of K+ in the matrix is accompanied by the entry of water into the matrix yielding mitochondrial swelling. Considering that a small (regulatory) swelling of mitochondria, not accompanied by a drop in transmembrane potential, leads to activation of mitochondrial respiration, this leads to an increase in coupled ATP synthesis, as a result of which switching from protonic to potassium energy leads to an increase in ATP synthesis, which has been demonstrated using both reconstituted systems and isolated mitochondria.



References



1. Juhaszova M, Kobrinsky E, Zorov DB, Nuss HB, Yaniv Y, Fishbein KW, de Cabo R, Montoliu L, Gabelli SB, Aon MA, Cortassa S, Sollott SJ. ATP Synthase K+- and H+-Fluxes Drive ATP Synthesis and Enable Mitochondrial K+-"Uniporter" Function: I. Characterization of Ion Fluxes. Function (Oxf). 2021; 3(2):zqab065.

2. Juhaszova M, Kobrinsky E, Zorov DB, Nuss HB, Yaniv Y, Fishbein KW, de Cabo R, Montoliu L, Gabelli SB, Aon MA, Cortassa S, Sollott SJ. ATP Synthase K+- and H+-fluxes Drive ATP Synthesis and Enable Mitochondrial K+-"Uniporter" Function: II. Ion and ATP Synthase Flux Regulation. Function (Oxf). 2022; 3(2):zqac001.

3. Juhaszova M, Kobrinsky E, Zorov DB, Aon MA, Cortassa S, Sollott SJ. Setting the Record Straight: A New Twist on the Chemiosmotic Mechanism of Oxidative Phosphorylation. Function (Oxf). 2022 Apr 19;3(3):zqac018.

4. Cortassa S. Aon MA, Juhaszova M, Kobrinsky E, Zorov DB, Sollott SJ. Computational modeling of mitochondrial K+- and H+-driven ATP synthesis. J Mol Cell Cardiol. 2022;165:9-18.



Докладчик: Зоров Д.Б.
134
2023-02-15

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists