Щодо гарячих мітохондрій: деякі нові розробки та відкриті питання

  • Peyman Fahimi Факультет хімії та фізики, Університет Маунт-Сент-Вінсент, Галіфакс, Нова Шотландія, Канада B3M2J6; Кафедра хімії, Університет Лаваль, Квебек, Квебек, Канада G1V 0A6
  • Mohamed A. Nasr Факультет хімії та фізики, Університет Маунт-Сент-Вінсент, Галіфакс, Нова Шотландія, Канада B3M2J6; Центр передового досвіду зі стовбурових клітин і регенеративної медицини (CESC), Місто науки і техніки Зевейл, Місто імені 6 жовтня 12588, Єгипет
  • Lazaro M. A. Castanedo Факультет хімії та фізики, Університет Маунт-Сент-Вінсент, Галіфакс, Нова Шотландія, Канада B3M2J6; Хімічний факультет, Університет Святої Марії, Галіфакс, Нова Шотландія, Канада B3H3C3
  • Youji Cheng Факультет хімії та фізики, Університет Маунт-Сент-Вінсент, Галіфакс, Нова Шотландія, Канада B3M2J6; Хімічний факультет, Університет Святої Марії, Галіфакс, Нова Шотландія, Канада B3H3C3
  • Cyrus Ahmady Toussi Факультет хімії та фізики, Університет Маунт-Сент-Вінсент, Галіфакс, Нова Шотландія, Кафедра біомедичної інженерії, Університет Хакім Сабзевари, Сабзевар, Іран
  • Cherif Farid Matta Факультет хімії та фізики, Університет Маунт-Сент-Вінсент, Галіфакс, Нова Шотландія, Канада B3M2J6; Кафедра хімії, Університет Лаваль, Квебек, Квебек, Канада G1V 0A6; Центр передового досвіду зі стовбурових клітин і регенеративної медицини (CESC), Місто науки і техніки Зевейл, Місто імені 6 жовтня 12588, Єгипет; Хімічний факультет, Університет Святої Марії, Галіфакс, Нова Шотландія, Канада B3H3C3; Хімічний факультет, Університет Далхаузі, Галіфакс, Нова Шотландія, Канада B3H4J3 https://orcid.org/0000-0001-8397-5353
Ключові слова: гаряча мітохондрія, біофізика мітохондрій, АТФ-синтаза, демон Максвелла, хеміосмотична теорія

Анотація

Актуальність. Кретьєн та його колеги (Chrétien et al., PLOS Biology. 2018; 16(1): e2003992) нещодавно припустили, що мітохондрії можуть бути теплішими, ніж їх оточення на цілих 10°C.

Мета роботи: розглянути обґрунтованість цього твердження та, якщо воно вірне, переглянути його можливі наслідки для деяких аспектів біохімії і біофізики мітохондрій.

Результати. У центральному рівнянні хеміосмотичної теорії обидва члени, як хімічного, так і електричного, градієнтів енергії Гібса залежать від температури: перший явно та другий неявно. Гаряча мітохондрія, як стверджується, передбачає 3% поправку для хімічного градієнта, проте наразі ми не можемо оцінити відповідний внесок в електричну складову, оскільки, як відомо авторам, функціональна залежність напруги від температури не відома. Крім того, якщо це твердження вірно і відповідає заявленому значенню у 10°C, це може означати певну подібність до теплового двигуна для виконання мітохондрією термодинамічної роботи, хоча цей внесок може складати не більше ніж 4%.

Висновки. Висловлено та коротко обговорено сумніви і критичні зауваження щодо припущення існування гарячих мітохондрій. Ці сумніви суперечать деяким даним і міркуванням, що підтверджують ідею про гарячі мітохондрії. Робиться висновок, що мітохондрії, ймовірно, є більш теплими, ніж навколишнє внутрішньоклітинне середовище, але не в тій мірі, як стверджують Кретьєн зі співавторами, та що термодинамічна ефективність і спосіб функціонування мітохондрії як електрохімічної батареї дуже незначно змінюються навіть при максимальній заявленій зміні її робочої температури.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Siekevitz P. Powerhouse of the cell. Sci. Am. 1957;197(1):131-40.

Crescenzo R, Bianco F, Mazzoli A, Giacco A, Liverini G, Iossa S. Mitochondrial efficiency and insulin resistance. Front. Physiol. 2014;5:512. https://doi.org/10.3389/fphys.2014.00512

Nasr MA, Dovbeshko GI, Bearne SL, El-Badri N, Matta CF. Heat shock proteins in the "hot" mitochondrion: Identity and putative roles. BioEssays 2019;41(9):1900055. https://doi.org/10.1002/bies.201900055

Arai S, Suzuki M, Park SJ, Yoo JS, Wang L, Kang N-Y, Ha H-H, Chang Y-T. Mitochondria-targeted fluorescent thermometer monitors intracellular temperature gradient. Chem. Commun. 2015;51:8044-47. https://doi.org/10.1039/C5CC01088H

Chrétien D, Bénit P, Ha H-H, Keipert S, El-Khoury R, Chang Y-T, Jastroch M, Jacobs HT, Rustin P, Rak M. Mitochondria are physiologically maintained at close to 50°C. PLOS Biology. 2018;16(1):e2003992. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2003992

Lane N. Hot mitochondria? PLOS Biology. 2018;16(1):e2005113. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2005113

Kim YK, Lee J-S, Bi X, Ha H-H, Ng SH, Ahn Y-H, Lee J-J, Wagner BK, Clemons PA, Chang Y-T. The binding of fluorophores to proteins depends on the cellular environment. Angew. Chem. Int. Ed. 2011 March 11;50(12):2761-2763. https://doi.org/10.1002/anie.201007626

Baffou G, Rigneault H, Marguet D, Jullien L. A critique of methods for temperature imaging in single cells. Nat. Methods. 2014;11:899-901. https://doi.org/10.1038/nmeth.3073

Suzuki M, Zeeb V, Arai S, Oyama K, Ishiwata S. The 105 gap issue between calculation and measurement in single-cell thermometry. Nat. Methods. 2015;12:802-803. https://doi.org/10.1038/nmeth.3551

Baffou G, Rigneault H, Marguet D, Jullien L. Reply to: "Validating subcellular thermal changes revealed by fluorescent thermosensors" and "The 105 gap issue between calculation and measurement in single-cell thermometry". Nat. Methods. 2015;12:802-3. https://doi.org/10.1038/nmeth.3551

Sear RP. Diffusiophoresis in cells: A general nonequilibrium, nonmotor mechanism for the metabolism-dependent transport of particles in cells. Phys. Rev. Lett. 2019 Mar 29;122(12):128101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.128101

Shen L, Xie T-R, Yang R-Z, Chen Y, Kang J-S. Application of a dye-based mitochondrion-thermometry to determine the receptor downstream of prostaglandin E2 involved in the regulation of hepatocyte metabolism. Scient. Rep. 2018;8:13065. https://doi.org/10.1038/s41598-018-31356-y

Okabe K, Inada N, Gota C, Harada Y, Funatsu T, Uchiyama S. Intracellular temperature mapping with a fluorescent polymeric thermometer and fluorescence lifetime imaging microscopy. Nature Commun. 2012;3:705. https://doi.org/10.1038/ncomms1714

Hayashi T , Fukuda N, Uchiyama S, Inada N. A cell-permeable fluorescent polymeric thermometer for intracellular temperature mapping in mammalian cell lines. PLoS ONE. 2015 Feb 18;10(2):e0117677. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0117677

Tsuji T, Yoshida S, Yoshida A, Uchiyama S. Cationic fluorescent polymeric thermometers with the ability to enter yeast and mammalian cells for practical intracellular temperature measurements. Anal. Chem. 2013;85: 9815-9823. https://doi.org/10.1021/ac402128f

Johnson HA. Thermal noise and biological information. Quarter. Rev. Biol. 1987;62:141-152.

Hickman J, Mishin Y. Temperature fluctuations in canonical systems: Insights from molecular dynamics simulations. Phys. Rev. B. 2016;94(18):184311. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.184311

Procopio J, Fornes J. Fluctuations of the proton-electromotive force across the inner mitochondrial membrane. Phys. Rev. E. 1997;55(5):6285. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.55.6285

Procopio J, Fornes JA. Fluctuation-dissipation theorem imposes high-voltage fluctuations in biological ionic channels. Phys. Rev. E. 1995 Jan;51(1):829-831. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.51.829

Matta CF, Massa L. Notes on the energy equivalence of information. J. Phys. Chem. A 2017; 121(47):9131-9135. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.7b09528

Matta CF, Massa L. Chapter 1: Information Theory and the Thermodynamic Efficiency of Biological Sorting Systems: Case Studies of the Kidney and of Mitochondrial ATP-Synthase. In: Bagchi D, editor. Sustained Energy for Enhanced Human Functions and Activity. The Netherlands: Elsevier; 2017. p. 3-29.

Matta CF, Massa L. Energy equivalence of information in the mitochondrion and the thermodynamic efficiency of ATP synthase. Biochemistry. 2015 Sep 1;54(34):5376-8. https://doi.org/10.1021/acs.biochem.5b00834

Fahimi P, Castanedo LAM, Nguyen-Dang T-T, Matta CF. Coupled electrical-thermal feedback control of the inner mitochondrial proton gradient. A hypothesis. Submitted for publications (2020).

Mathai JC , Sauna ZE, John O, Sitaramam V. Rate-limiting step in electron transport: Osmotically sensitive diffusion of quinones through voids in the bilayer. J. Biol. Chem. 1993 Jul 25;268(21):15442-54.

Moncelli MR, Herrero R, Becucci L, Guidelli R. Kinetics of electron and proton transfer to ubiquinone-10 and from ubiquinol-10 in a self-assembled phosphatidylcholine monolayer. Biochim. Biophys. Acta. 1998 May 27;1364(3):373-84. https://doi.org/10.1016/S0005-2728(98)00061-9

Опубліковано
2020-05-02
Цитовано
0 статей
Як цитувати
Fahimi, P., Nasr, M., Castanedo, L., Cheng, Y., Toussi, C., & Matta, C. (2020). Щодо гарячих мітохондрій: деякі нові розробки та відкриті питання. Біофізичний вісник, (43), 14-21. Retrieved із https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/14663
Розділ
Біофізика клітини