Response of heart mitochondria to hyperthermia : activation at the febrile temperature versus loss of the inner membrane barrier at higher temperatures

Abstract

Žiurkės širdies mitochondrijų oksidacinio fosforilinimo sistemos atsakas į temperatūros pokytį (37–45 °C) buvo įvertintas taikant modulių kinetikos analizę. Gauti rezultatai rodo, kad iki karščiavimo padidėjusi temperatūra (40 °C) dėl kvėpavimo modulio stimuliacijos truputį aktyvino mitochondrijų funkcijas, tačiau protonų laidumo ir fosforilinimo modulių kinetika nepakito. Visai kitokie rezultatai gauti temperatūrą padidinus dar keliais laipsniais (42–45ºC). Esant 42ºC temperatūrai, mitochondrijų energijos transformavimo funkcija stipriai sutrinka dėl staiga pablogėjusios membranos barjero funkcijos. Nors kvėpavimo greitis trečioje metabolinėje būsenoje nekinta, tačiau gerokai didėja mitochondrijų vidinės membranos laidumas protonams, slopinamas kvėpavimo modulis, 8 mV sumažėja membranos potencialas (...), dėl to substratų oksidacija iš dalies atskiriama nuo ADP fosforilinimo ir lėtėja ATP sintezė (fosforilinimo srautas sumažėja 16%). Toliau didinant temperatūrą mitochondrijų funkcijos tampa labai pažeidžiamos: po trijų minučių inkubacijos 45 ºC temperatūroje substratų oksidacija būna visiškai atskirta nuo ADP fosforilinimo, mitochondrijos nesugeba palaikyti (...) ir sintetinti ATP. Išvada: karščiavimo temperatūra skatina širdies mitochondrijų ATP sintezę, tačiau vos keliais laipsniais aukštesnė drastiškai sutrikdo mitochondrijų funkcijas

Modular kinetic analysis was applied to compare the response of the oxidative phosphorylation system in rat heart mitochondria to different temperatures in a hyperthermic range (40–45 °C vs. 37 °C) aiming to identify the affected modules of the system. The results indicate that increasing the temperature in a febrile range (37–41 °C) slightly activated the mitochondrial function due to stimulation of the respiratory module, while the kinetics of the proton leak and the phosphorylation module was not affected. A very different pattern of changes was induced at slightly higher temperatures (42–45 °C). A severe impairment of the energy transforming function of mitochondria, caused by a sudden disturbance of the membrane barrier function, was observed at 42 °C. Although the state 3 respiration rate at this temperature remained unchanged, proton leak across the inner mitochondrial membrane was substantially increased, the respiratory module being slightly inhibited, and the membrane potential (...) decreased by 8 mV, leading to a partial uncoupling of oxidative phosphorylation and a diminished ATP synthesis (16% lower phosphorylation flux). The further increase of temperature was extremely harmful to the mitochondrial function: after three minutes of incubation at 45 °C, mitochondria became completely uncoupled and were unable to maintain (...) and to synthesize ATP. To sum it up, energy production in heart mitochondria was slightly activated at temperatures in the febrile range and was drastically impaired at temperatures higher by only a few degrees