Molecular system bioenergetics of muscle cells: Mechanisms of regulation of respiration in vivo – importance of system level properties
La bioénergétique systémique moléculaire des cellules musculaires : Mécanismes de régulation de la respiration mitochondriale in vivo – importance des propriétés au niveau du système
Abstract
The aim of our work is to study mechanisms of in situ regulation of respiration of permeabilized muscle cells in order to understand the relationship between regulation of oxidative phosphorylation, energy fluxes and structural organization of the cells.
We performed complete kinetic analysis of regulation of respiration in situ of permeabilized cardiac myocytes, supplemented with a system which modeling the effects of glycolysis. The mitochondria network structure was studied using confocal microscopy. Mechanisms of regulation of respiration and energy fluxes in vivo are system level properties. They depend on the complexity of cellular organization and intracellular interactions of mitochondria with cytoskeleton, intracellular MgATPases and cytoplasmic glycolytic system and mechanisms of phosphotransfer and feedback regulation via PCr/CK shuttle in the presence of highly selective restriction to the diffusion at the level of the outer mitochondrial membrane.
We applied this protocol to study the regulation of mitochondrial respiration in experimental and clinical studies. The investigation of cardiotoxic effect of doxorubicin showed that its mechanism is highly dependent on the loss of MtCK/OxPhos functional coupling.
Skeletal muscle dysfunction of patients with chronic obstructive pulmonary disease is characterized by a high affinity of oxidative phosphorylation for free ADP which decreases after endurance training and high affinity of MtCK for creatine which does not change significantly after training.
We performed complete kinetic analysis of regulation of respiration in situ of permeabilized cardiac myocytes, supplemented with a system which modeling the effects of glycolysis. The mitochondria network structure was studied using confocal microscopy. Mechanisms of regulation of respiration and energy fluxes in vivo are system level properties. They depend on the complexity of cellular organization and intracellular interactions of mitochondria with cytoskeleton, intracellular MgATPases and cytoplasmic glycolytic system and mechanisms of phosphotransfer and feedback regulation via PCr/CK shuttle in the presence of highly selective restriction to the diffusion at the level of the outer mitochondrial membrane.
We applied this protocol to study the regulation of mitochondrial respiration in experimental and clinical studies. The investigation of cardiotoxic effect of doxorubicin showed that its mechanism is highly dependent on the loss of MtCK/OxPhos functional coupling.
Skeletal muscle dysfunction of patients with chronic obstructive pulmonary disease is characterized by a high affinity of oxidative phosphorylation for free ADP which decreases after endurance training and high affinity of MtCK for creatine which does not change significantly after training.
L'objectif du travail est d'étudier les mécanismes de régulation in situ de la respiration mitochondriale des cellules musculaires afin de comprendre l'interdépendance entre la régulation de la respiration, les flux énergétiques et l'organisation structurale des cellules.
Pour cela, nous avons analysé la cinétique de la régulation de la respiration des cellules cardiaques perméabilisées en présence d'un système mimant les effets du système glycolytique in situ, et par microscopie confocal, l'organisation mitochondriale a été étudiée.
Les résultats montrent que les propriétés cinétiques de la MtCK in situ diffèrent significativement de celles des mitochondries isolées et que la régulation de la respiration in vivo est une propriété dépendant du niveau d'organisation du système, comprenant les interactions mitochondries-cytosquelette, les MgATPases cellulaires, le système d'enzymes glycolytiques du cytoplasme et les mécanismes de phosphotransfert via la navette PCr/CK, ceci afin de faire face aux restrictions hautement sélectives de la diffusion au niveau de la membrane externe mitochondriale in situ.
De plus, l'effet cardiotoxique de la doxorubicine sur les fibres cardiaques a été étudié, se traduisant par la perte du couplage fonctionnel de la MtCK avec l'oxydation phosphorylante.
Ce protocole a également été appliqué lors d'investigations cliniques sur des biopsies du muscle vaste latéral externe, chez les patients atteints de bronchopneumopathie chronique obstructive. Le dysfonctionnement musculaire est caractérisé par une affinité élevée pour l'ADP libre de l'oxydation phosphorylante et par une affinité importante de la MtCK pour la créatine qui ne change pas après l'entrainement.
Pour cela, nous avons analysé la cinétique de la régulation de la respiration des cellules cardiaques perméabilisées en présence d'un système mimant les effets du système glycolytique in situ, et par microscopie confocal, l'organisation mitochondriale a été étudiée.
Les résultats montrent que les propriétés cinétiques de la MtCK in situ diffèrent significativement de celles des mitochondries isolées et que la régulation de la respiration in vivo est une propriété dépendant du niveau d'organisation du système, comprenant les interactions mitochondries-cytosquelette, les MgATPases cellulaires, le système d'enzymes glycolytiques du cytoplasme et les mécanismes de phosphotransfert via la navette PCr/CK, ceci afin de faire face aux restrictions hautement sélectives de la diffusion au niveau de la membrane externe mitochondriale in situ.
De plus, l'effet cardiotoxique de la doxorubicine sur les fibres cardiaques a été étudié, se traduisant par la perte du couplage fonctionnel de la MtCK avec l'oxydation phosphorylante.
Ce protocole a également été appliqué lors d'investigations cliniques sur des biopsies du muscle vaste latéral externe, chez les patients atteints de bronchopneumopathie chronique obstructive. Le dysfonctionnement musculaire est caractérisé par une affinité élevée pour l'ADP libre de l'oxydation phosphorylante et par une affinité importante de la MtCK pour la créatine qui ne change pas après l'entrainement.