Mitochondrial function and reactive oxygen species : effects of gender and endurance training in Wistar rat and European eel

Fonction mitochondriale et espèces réactives dérivées de l'oxygène : effets du genre et de l'entraînement en endurance chez le rat Wistar et l'anguille européenne

Firas Farhat (1)

1 ORPHY (EA 4324) - Optimisation des régulations physiologiques

Mitochondrion is the main site of aerobic energy (ATP) and reactive oxygen species (ROS) productions. Mitochondrial function is closely linked to ROS, which, according their rate, can alter or optimize energy efficiency. Structural and functional plasticity of mitochondria is essential to maintain homeostasis in any situation that requires metabolic adjustments as physical exercise. The adaptive mechanisms of mitochondrial function and ROS during training and the impact of gender on these responses are still far from being solved. In this perspective, two animal models (Wistar rat and European eel) were chosen.The effects of endurance training of the same intensity (70% of maximal aerobic speed running or swimming) were studied in Wistar rat and silver European eel. The latter is an enduring species capable of performing a spawning migration of 6000 km and characterized by sexual dimorphism in size. In vitro measurements of oxygen consumption, free radical and ATP productions were carried out simultaneously from heart and skeletal muscle permeabilized fibers. The vulnerability or resistance of the mitochondrial function to a ROS generating system exposure (mimicking oxidative stress) was also studied.Before training, in rat, female has a mitochondrial function energetically more efficient and more resistant to ROS, whereas in eel, this metabolic and radical profile is observed rather in male. After training, whatever the species, the improved physical performance observed is associated with various metabolic and radical changes which depending on gender and species. In rats, the improving of mitochondrial function translates differently according to gender. In male, training induces improvement in energy efficiency through a better coupling between oxidation and phosphorylation and/or better use of electrons at the respiratory chain level. In female, increasing in ATP production may be related to the increase in mitochondrial oxygen consumption. As in rats, training induces globally in eel an improvement in energy efficiency and resistance of mitochondrial function to ROS, but only in male. All these results show metabolic and radical responses depending on gender. Whatever the species, training seems to be most beneficial in males than in females in terms of mitochondrial energy efficiency and resistance of mitochondrial function to oxidative stress. In the context of eel migration, these adaptations allow to male, largely smaller than female, a higher swim efficiency, allowing their synchronization on breeding site. Interspecific similarities in training response by gender confirm the interest of fish model’s using in the field of exercise physiology.

La mitochondrie est le siège principal de la production d’énergie sous forme d’ATP en conditions aérobies, mais aussi d’espèces réactives dérivées de l’oxygène (ROS). La fonction mitochondriale est étroitement liée à la production de ROS puisque ces derniers, selon leur taux, peuvent altérer ou optimiser le rendement énergétique. La plasticité structurale et fonctionnelle de la mitochondrie est essentielle au maintien de l’homéostasie dans toute situation qui nécessite des ajustements métaboliques comme l’exercice physique. Les mécanismes adaptatifs de la fonction mitochondriale et des ROS lors de l’entrainement sont encore loin d’être élucidés ainsi que l’impact du genre sur ces réponses. Dans cette perspective, deux modèles animaux (rat Wistar et anguille européenne) ont été choisis. Les effets d’un entrainement en endurance de même intensité (70% de la vitesse maximale aérobie de course ou de nage) ont été étudiés chez le rat Wistar et l’anguille européenne argentée. Cette dernière est une espèce endurante capable d’effectuer une migration de reproduction de 6000 km et caractérisée par un dimorphisme sexuel de taille. Des mesures in vitro de la consommation d’oxygène, la production radicalaire et d’ATP ont été effectuées simultanément à partir de fibres perméabilisées de cœur et de muscle squelettique. La vulnérabilité ou résistance de la fonction mitochondriale à l’exposition à un système générateur de ROS (mimant un stress oxydant) a également été étudiée. Avant entrainement, chez le rat Wistar, la femelle présente une fonction mitochondriale plus efficiente énergétiquement et plus résistante aux ROS, alors que chez l’anguille, ce profil métabolique et radicalaire est plutôt observé chez le mâle. Après entrainement, quelle que soit l’espèce, la meilleure performance physique observée s’accompagne de modifications métaboliques et radicalaires différentes selon le genre et l’espèce. Chez le rat, l’amélioration de la fonction mitochondriale se traduit différemment selon le sexe. Chez le mâle, l’entrainement induit une amélioration du rendement énergétique via un meilleur couplage entre oxydation et phosphorylation et/ou une meilleure utilisation des électrons au niveau de la chaine respiratoire. Chez la femelle, l’augmentation de la production d’ATP serait liée à l’augmentation de la consommation d’oxygène mitochondriale. Comme chez le rat, l’entraînement induit globalement chez l’anguille une amélioration du rendement énergétique et de la résistance de la fonction mitochondriale aux ROS, mais uniquement chez le mâle. L’ensemble de ces résultats montre des réponses métaboliques et radicalaires dépendantes du genre. Quelle que soit l’espèce, l’entrainement semble être chez le mâle plus bénéfique que chez la femelle en termes d’efficacité énergétique mitochondriale et de résistance de la fonction mitochondriale à un stress oxydant. Dans le contexte de la migration de l’anguille, ces adaptations permettraient au mâle, largement plus petit que la femelle, une efficacité de nage supérieure, permettant leur synchronisation d’arrivée sur le lieu de reproduction. Les similitudes interspécifiques de réponse à l’entraînement selon le genre confortent l’intérêt d’utilisation du modèle poisson dans le champ de la physiologie de l’exercice.

Mots clés: Wistar rats; European eel; Gender; Fish model; Endurance training; Mitochondrial function; ROS

Mots clés: Rat Wistar; Anguille européenne; Genre; Modèle poisson; Entrainement de type endurance; Fonction mitochondriale

Domaines: Biologie cellulaire

Firas Farhat. Fonction mitochondriale et espèces réactives dérivées de l'oxygène : effets du genre et de l'entraînement en endurance chez le rat Wistar et l'anguille européenne. Biologie cellulaire. Université de Bretagne occidentale - Brest, 2015. Français. ⟨NNT : 2015BRES0018⟩. ⟨tel-02012420⟩