Innere Empfindlichkeit der mitochondrialen Membran gegenüber Na+ zeigt teilweise segmentierte funktionelle ^CoQ-Pools

Das mitochondriale oxidative Phosphorylierungssystem (OXPHOS) ist der Hauptweg, der die Synthese von Adenosintriphosphat (ATP), die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und den Verbrauch von reduzierenden Äquivalenten wie Nicotinamidadenindinukleotid (NADH) oder Succinat durch Mitochondrien antreibt. Das OXPHOS-System besteht aus fünf Proteinkomplexen: Komplex I (CI) oxidiert NADH und reduziert CoQ in Ubiquinol (CoQH₂). Komplex II (CII) oxidiert Succinat zu Fumarat und reduziert CoQ in CoQH₂. Komplex III (CIII) oxidiert_{CoQH 2} wieder zu CoQ und reduziert Cytochrom c (Cyt c). Schließlich oxidiert Komplex IV (CIV) Cyt c und reduziert Sauerstoff zu Wasser. Diese Oxidoreduktionskette, die sogenannte Elektronentransportkette (^mETC ), ist an das Pumpen von H+ über das IMM gekoppelt, wodurch ein elektrochemischer Gradient erzeugt wird, der vom Komplex V (CV) verwendet wird, um Adenosindiphosphat (ADP) zu ATP zu phosphorylieren.

mETC-Komplexe können entweder allein im IMM sein oder sich zu quartären Strukturen zusammensetzen, die als Superkomplexe bezeichnet werden. CIV kann sich mit CIII zusammensetzen, indem es das III 2 + IV- oder Q-Respirasom bildet (da es in Gegenwart von CoQH 2) ^1,2,3 atmen kann oder Homodimere oder Homooligomere⁴ bildet. CIII kann mit CI interagieren und bildet den Superkomplex I+III₂⁵. Schließlich ist CI auch in der Lage, mit dem Q-Respirasom zu interagieren und das I + III₂ + IV- oder N-Respirasom zu bauen (da es NADH verbrauchen kann) 1,6,7,8,9,10.

CoQ und cyt c sind mobile Elektronenträger, die für die Übertragung von Elektronen von CI/CII auf CIII bzw. von CIII auf CIV verantwortlich sind. Ob Superkomplexe eine funktionelle lokale Einschränkung für diese Träger darstellen oder nicht, wurde in den letzten zwei Jahrzehnten^{intensiv diskutiert} 2,7,11,12,13,14,15,16,17. Mehrere unabhängige Gruppen haben jedoch gezeigt, dass CoQ und cyt c im IMM funktional in Pools segmentiert werden können. In Bezug auf das CoQ kann es funktional in einen spezifischen CoQ-Pool für CI (CoQ^NAD) und einen weiteren Pool für FAD-abhängige Enzyme (CoQ^FAD) 1,7,12,18,19 unterteilt werden. Um jedoch die Existenz von teilweise segmentierten funktionellen CoQ-Pools zu unterscheiden, waren die Überexpression der alternativen Oxidase (AOX) und die Erzeugung spezifischer mtDNA-Mutanten, die CI in Abwesenheit von CIII zusammensetzen können,^erforderlich 1,19,20.

Der Mechanismus der Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) während der Hypoxie war bis vor kurzem unbekannt. Bei akuter Hypoxie durchläuft CI den aktiven/deaktiven (A/D) Übergang, bei dem die H⁺-Pump-NADH-CoQ-Oxidoreduktase-Aktivität abnimmt. Eine solche Abnahme des H⁺-Pumpens säuert die mitochondriale Matrix an und löst die Calcium-Phosphat-Ausscheidungen in der mitochondrialen Matrix teilweise auf, wobei lösliches Ca^{2 + freigesetzt wird}. Dieser Anstieg des löslichen Ca 2+ aktiviert den Na+/Ca 2+ Wärmetauscher (NCLX), der Ca 2+ im Austausch gegen Na⁺ extrudiert. Der mitochondriale Na^+-Anstieg interagiert mit Phospholipiden in der Innenseite des IMM, verringert seine Fließfähigkeit und den CoQ-Transfer zwischen CII und CII und erzeugt schließlich Superoxid-Anion, ein Redoxsignal²¹. Interessanterweise war der CoQ-Transfer nur zwischen CII und CII vermindert, aber nicht zwischen CI und CIII, was hervorhebt, dass 1) Na+ nur einen der vorhandenen ^CoQ-Pools in den Mitochondrien modulieren konnte; 2) es gibt funktional differenzierte CoQ-Pools im IMM. So kann ein weit verbreitetes Protokoll zur Untersuchung mitochondrialer Enzymaktivitäten verwendet werden, um die Existenz der genannten CoQ-Pools zu beurteilen.

Das aktuelle Protokoll basiert auf der Messung der Reduktion von oxidiertem Cyt c, dem Substrat von CIII, durch Absorption in Gegenwart von Succinat (d.h. CII-Substrat) oder NADH (d.h. CI-Substrat). Die gleiche Probe wird in zwei geteilt, von denen eine mit KCl und die andere mit der gleichen Konzentration von NaCl behandelt wird. Auf diese Weise, da Na ^{+ die IMM-Fluidität} verringert, würden sowohl CI+CIII als auch ^CII+CIII in Gegenwart von Na+ abnehmen, wenn CoQ in einem einzigartigen Pool im IMM vorhanden wäre. Wenn CoQ jedoch in teilweise segmentierten funktionalen ^CoQ-Pools vorhanden wäre, wäre die Wirkung von Na+ hauptsächlich (oder nur) auf die CII+CIII-Aktivität offensichtlich, nicht jedoch auf die CI+CIII. Wie kürzlich veröffentlicht²¹, betrifft Na+ nur den ^CoQ-Transfer zwischen CII und CIII (Abbildung 1C,D), nicht aber zwischen CI und CIII (Abbildung 1A,B).

Dieses Protokoll wurde zusammen mit einer Reihe von Techniken verwendet, um die Existenz von teilweise segmentierten funktionellen CoQ-Pools im IMM zu bestätigen, von denen einer für CI (dh CoQ^NAD) und ein anderer für FAD-verknüpfte Enzyme (dh CoQ^FAD) bestimmt ist^)1,3,7; Eine Beobachtung, die, obwohl sie weiterhin diskutiert wird²², von mehreren Gruppen unabhängig voneinander bestätigt^{wurde 7,19}. So wirkt sich die Superassemblierung von CI zu Superkomplexen auf die lokale Mobilität von CoQ aus und erleichtert seine Verwendung durch das CIII innerhalb des Superkomplexes 1,7,13,14,23,24,25.