Investigation of the effect of hyperthermic treatment on mitochondrial oxidative phosphorylation system

Abstract

The elucidation of the molecular mechanism of the cell response to moderate heating is of importance for understanding the events that occur in the cell upon use of heating for therapeutic purpose or during illnesses that are associated with fever. The aim of this work was to investigate and to compare the effects of mild (fever) and severe hyperthermia on functional properties of oxidative phosphorylation system in normal tissue mitochondria. Modular kinetic analysis for the first time was applied to evaluate effects of hyperthermia on oxidative phosphorylation in rat heart and liver mitochondria. We demonstrated that changes in mitochondrial functions induced by mild hyperthermia (42 ºC) are reversible but more severe hyperthermia (45 ºC) causes partially irreversible uncoupling and inhibition of mitochondrial respiration in state 3, hyperthermia remarkably (3.6-2.1 fold) activates ROS generation in heart mitochondria and that maximal increase in rate of H2O2 production and lipid peroxidation is observed in the fever temperature range. We show that the response of liver mitochondria and hepatocytes to hyperthermia is to certain extent dependent on gender and temperature. Specific differences of male rat liver and heart mitochondrial components phase transitions have been revealed by DSC analysis.

Ląstelių atsako į nuosaikią hipertermiją molekulinio mechanizmo išaiškinimas yra labai svarbus norint suprasti procesus, kurie vyksta ląstelėse jas kaitinant gydymo tikslais ar organizmui karščiuojant. Šio darbo tikslas buvo nustatyti ir palyginti švelnios (karščiavimo) ir šiurkščios hipertermijos poveikį oksidacinės fosforilinimo sistemos funkcijoms normalių audinių mitochondrijose. Pirmą kartą panaudojome modulių kinetinę analizę hipertermijos poveikiui širdies ir kepenų mitochondrijų oksidacinio fosforilinimo sistemai tirti. Mes nustatėme, kad švelnios hipertermijos (42 ºC) poveikis širdies mitochondrijų funkcijoms yra grįžtamas, bet šiurkštesnė hipertermija (45 ºC) sukelia dalinai negrįžtamą kvėpavimo ir fosforilinimo atskyrimą bei mitochondrijų kvėpavimo greičio trečioje metabolinėje būsenoje slopinimą. Hipertermija didino ROS gamybos greitį ir lipidų peroksidaciją, kurie buvo didžiausi karščiavimo temperatūroje. Nustatėme, kad kepenų mitochondrijų ir hepatocitų atsakas į hipertermiją priklauso nuo žiurkės lyties ir temperatūros. Atlikome palyginamąjį širdies ir kepenų mitochondrijų sandų fazinių virsmų analizę diferencine skenuojamaja kalorimetrija ir nustatėme būdingus skirtumus.