Organization of energy transfer and feedback regulation in oxidative muscle cells

Abstract

Recently, it has been hypothesized that in oxidative muscle cells the mitochondria and ATPases form tight complexes, termed as the intracellular energetic units (ICEUs). At present the structure and molecular basis of the ICEUs are unclear and therefore an object of active research. Aims of the study: 1) To assess influence of alteration of the intracellular structure on mentioned units by hypercontraction in normal cardiomyocytes and in HL-1 cells, 2) to confirm existence of ICEUs by mathematical modeling of real experimental data, 3) to investigate whether ICEUs exist also in human heart atrium and in musculus gluteus medius (MGM), 4) to investigate whether these units may in MGM disintegrate during osteoarthritis. Results of the study: Differently from cardiomyocytes, where mitochondria and CaMgATPases are organized into ICEUs which ensure effective energy transfer and feedback signaling between these structures via specialized pathways mediated by CK and AK isoforms and direct adenine nucleotide channeling, the ICEUs do not exist in HL-1 cells due to less organized energy metabolism. Ca2+-induced hypercontraction leads in normal cardiomyocytes to the decreased direct transfer of ADP from ATPases to the mitochondria, thus to impairment of ICEU function. Mathematical modelling shows that in oxidative muscle cells diffusion restrictions of metabolites are not distributed uniformly within cardiac muscles, but are localized in certain areas, which supports the ICEU hypothesis. Energy metabolism in human atria and MGM cells is organized similarly to that in oxidative muscles − in the form of the ICEUs. Pathogenesis of OA involves disintegration of the ICEUs in association with dysfunction of CK-phosphotransfer system and increased diffusion of exogenous ADP to mitochondria. Hiljuti püstitati hüpotees, mille kohaselt oksüdatiivsetes lihasrakkudes moodustavad mitokondrid ja ATPaasid komplekse, e. rakusiseseid energeetilisi üksusi (RSEÜd). Praeguseks pole veel selge nende komplekside struktuuriline ja molekulaarne olemus, mis on seetõttu aktiivse uurimise objektiks.

Töö eesmärgid: 1) Hinnata rakusiseste struktuurimuutuste toimet nimetud üksustele normaalsetes südamelihaskiududes hüperkontraktsiooni toimel ja HL-1 südamelihasrakkudes, 2) kinnitada RSEÜ-de olemasolu ka reaalsete eksperimenditulemuste matemaatilise modeleerimise abil, 3) uurida, kas RSEÜ-d eksisteerivad ka inimese südame kojas ja musculus gluteus medius-es (MGM) ning 4) kas nad võivad MGM-es osteoartriidi korral laguneda.

Töö tulemused: Erinevalt südamelihasrakkudest, kus mitokondrid ja ATPaasid on organiseeritud RSEÜ-desse, mis kindlustavad efektiivse energia ülekande ja tagasiside nende struktuuride vahel otsese adeniinnukleotiidide ülekande teel ning kreatiinkinaasi ja adenülaatkinaasi isoensüümide vahendusel, puuduvad need üksüsed HL-1 rakkudes vähem organiseeritud energeetilise metabolismi tõttu. Ca2+ poolt põhjustatud hüperkontraktsioon põhjustab normaalsetes südamelihasrakkudes otsese adeniinukleotiidide ülekande nõrgenemise, seega RSEÜde funktsiooni häirumise. Reaalsete eksperimendiandmete matemaatiline modelleerimine näitab, et metaboliitide difusioonitakistused pole jaotunud oksüdatiivses lihasrakus ühtlaselt vaid on lokaliseerunud, mis toetab seega RSEÜ hüpoteesi. Energeetiline metabolism inimese südame kojas ja MGM-es on organiseeritud sarnaselt oksüdatiivsetele lihastele RSEÜde vormis. Osteoartroosi patogenees hõlmab RSEÜ-de osalist lagunemist, mis peegeldub kretiinkinaasse energiaülekande nõrgenemises ja eksogeense ADP suurenenud difusioonis mitokondrisse.