La sensibilidad de la membrana mitocondrial interna al Na⁺ revela grupos de CoQ funcionales parcialmente segmentados

El sistema de fosforilación oxidativa mitocondrial (OXPHOS) es la principal vía que impulsa la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP), la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) y el consumo de equivalentes reductores, como nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) o succinato, por parte de las mitocondrias. El sistema OXPHOS se compone de cinco complejos de proteínas: el Complejo I (CI) oxida el NADH y reduce la CoQ en ubiquinol (CoQH₂). El Complejo II (CII) oxida el succinato en fumarato y reduce la CoQ en CoQH₂. El Complejo III (CIII) oxida la CoQH₂ de nuevo en CoQ, reduciendo el citocromo c (cyt c). Finalmente, el complejo IV (CIV) oxida el citt c y reduce el oxígeno al agua. Esta cadena de oxidorreducción, la llamada cadena de transporte de electrones (mETC), está acoplada al bombeo de H ⁺ a través de la IMM, lo que crea un gradiente electroquímico utilizado por el complejo V (CV) para fosforilar el difosfato de adenosina (ADP) en ATP.

Los complejos mETC pueden estar solos en el IMM o ensamblarse en estructuras cuaternarias llamadas supercomplejos. El CIV puede ensamblarse con CIII, formando el III₂+IV o Q-respirasoma (ya que es capaz de respirar en presencia de CoQH₂)^1,2,3 o formando homodímeros u homooligomeros⁴. CIII puede interactuar con CI, formando el supercomplejo I+III₂⁵. Finalmente, CI también es capaz de interactuar con el Q-respirasoma, construyendo el I+III₂+IV o N-respirasoma (ya que puede respirar consumiendo NADH)^1,6,7,8,9,10.

CoQ y cyt c son portadores de electrones móviles encargados de transferir electrones de CI/CII a CIII, y de CIII a CIV, respectivamente. Si los supercomplejos imponen o no una restricción local funcional para estos portadores ha sido un tema de intenso debate a lo largo de las últimas dos décadas ^{2,7,11,12,13,14,15,16,17}. Sin embargo, varios grupos independientes han demostrado que coQ y cyt c se pueden segmentar funcionalmente en grupos en el IMM. Con respecto a la CoQ, se puede segmentar funcionalmente en una agrupación específica de CoQ para IC (CoQ^NAD) y otra agrupación dedicada a enzimas dependientes de FAD (CoQ^FAD)1,7,12,18,19. Sin embargo, para diferenciar la existencia de grupos funcionales de CoQ parcialmente segmentados, se requirió la sobreexpresión de la oxidasa alternativa (AOX) y la generación de mutantes específicos de ADNmt, que pueden ensamblar IC en ausencia de CIII, ^1,19,20.

El mecanismo de producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) durante la hipoxia era desconocido hasta hace poco. Ante la hipoxia aguda, IC sufre la transición activa/deactiva (A/D), que implica la disminución de su actividad de bombeo H⁺ NADH-CoQ oxidorreductasa. Tal disminución en el bombeo de H ⁺ acidifica la matriz mitocondrial y disuelve parcialmente los precipitados de calcio-fosfato en la matriz mitocondrial, liberando Ca^{2 +} soluble. Este aumento de Ca²⁺ soluble activa el intercambiador Na⁺/Ca²⁺ (NCLX), que extruye Ca²⁺ a cambio de Na⁺. El aumento de Na⁺ mitocondrial interactúa con los fosfolípidos en el lado interno de la IMM, disminuyendo su fluidez y transferencia de CoQ entre CII y CIII, produciendo finalmente anión superóxido, una señal redox²¹. Curiosamente, la transferencia de CoQ solo disminuyó entre CII y CIII, pero no entre IC y CIII, destacando que 1) Na⁺ fue capaz de modular solo uno de los grupos de CoQ existentes en las mitocondrias; 2) existen grupos de CoQ funcionalmente diferenciados en el IMM. Por lo tanto, se puede utilizar un protocolo ampliamente utilizado para el estudio de las actividades enzimáticas mitocondriales para evaluar la existencia de las piscinas de CoQ mencionadas.

El protocolo actual se basa en la medición de la reducción de la cit c oxidada, el sustrato de CIII, por absorbancia en presencia de succinato (es decir, sustrato CII) o NADH (es decir, sustrato CI). La misma muestra se divide en dos, una de las cuales será tratada con KCl, y la otra con la misma concentración de NaCl. De esta manera, dado que el Na⁺ disminuye la fluidez de la IMM, si la CoQ existiera en un pool único en la IMM, tanto la CI+CIII como la CII+CIII disminuirían en presencia de Na⁺. Sin embargo, si la CoQ existiera en grupos de CoQ funcionales parcialmente segmentados, el efecto de Na⁺ sería mayormente (o sólo) evidente en la actividad de CII+CIII, pero no en la CI+CIII. Como se publicó recientemente²¹, na⁺ solo afecta la transferencia de CoQ entre CII y CIII (Figura 1C,D), pero no entre IC y CIII (Figura 1A,B).

Este protocolo, junto con una panoplia de técnicas, se ha utilizado para confirmar la existencia de grupos funcionales de CoQ parcialmente segmentados en el IMM, uno dedicado a CI (es decir, CoQ^NAD) y otro dedicado a enzimas ligadas a FAD (es decir, CoQ^FAD)^1,3,7; una observación que, aunque se sigue debatiendo²², ha sido corroborada de forma independiente por varios grupos ^7,19. Así, el superasamblaje de IC en supercomplejos impacta en la movilidad local de CoQ, facilitando su uso por el CIII dentro del supercomplejo 1,7,13,14,23,24,25.