ミトコンドリア小胞体のIバンドセグメントにおける電気化学的伝達

The electrochemical transmission in I-Band segments of the mitochondrial reticulum.

• Keval D Patel
• Brian Glancy
• Robert S Balaban

抄録

骨格筋のミトコンドリア小胞体内では、I-バンドセグメント（IBS）が細胞を横断し、細胞の周縁部（PS）でミトコンドリアセグメントと連続したマトリックスを形成している。PSとIBSの間のマトリックスを介した緊密な電気的カップリングが実証されています。また、プロトン運動力（PMF）を発生させる酸化的リン酸化複合体はPSに優先的に存在し、PMFを利用する複合体Vは主にIBSに沿って存在している。このことから、PMFのIBS下への伝導を介して筋細胞の深部でATPを産生するために利用可能なポテンシャルエネルギーをPSが維持することで、IBSでのATP産生をサポートできるという仮説が導き出されてきた。しかし、PMFがIBS下に伝達されるメカニズムはよくわかっていませんでした。この理論的研究は、IBSの伝導を支配する物理的限界だけでなく、PS内のプロトンの放出とIBSに沿ってマトリックスに入るプロトンのバランスをとるための潜在的なメカニズムを確立するために実施された。IBSは、絶縁された円周壁を持つ直径300 nmの、水を充填したチューブとしてモデル化されました。2つのメカニズムは、IBSに沿ってイオン輸送を駆動するために考慮された：電位及び/又はIBSの端にPSの間の濃度勾配：。フラックスの大きさは、骨格筋の最大ATP産生率から推定した。考慮した主要な輸送イオンは、文献からの拡散係数を使用して、H(+)、Na(+)、およびK(+)であった。シミュレーションはCOMSOL Multiphysicsシミュレータを用いて行った。これらのシミュレーションから、H(+)のみを介したIBSに沿った伝導は、生理学的な勾配を必要としないことが示唆され、一方、Na(+)またはK(+)は、IBSに沿った濃度または電位のわずかな勾配で電流を流すことができる。IBSを下る伝導の大部分は、これらの豊富なイオンに依存している可能性が高い。しかし、このことは、H(+)がどのようにしてIBSのマトリックスからPSにリサイクルされ、能動的な押し出しに使われるのかという問題を提示している。本研究では、骨格筋ミトコンドリアに存在する豊富なカチオン-プロトンアンチポーターがIBSとPSで逆方向に作用し、PSではH(+)の進入を促進し、IBSではH(+)の排出を促進するH(+)とNa(+)/K(+)の協調的な勾配によって、それぞれの部位でH(+)の局所的なリサイクルを可能にしていることを提案する。この記事は、「EBEC 2016」と題する特集号の一部です。19th European Bioenergetics Conference, Riva del Garda, Italy, July 2-6, 2016」と題する特集号の一部です。

Within the mitochondrial reticulum of skeletal muscle, the I-Band segments (IBS) traverse the cell and form a contiguous matrix with the mitochondrial segments at the periphery (PS) of the cell. A tight electrical coupling via the matrix between the PS and IBS has been demonstrated. In addition, oxidative phosphorylation complexes that generate the proton motive force (PMF) are preferentially located in the PS, while Complex V, which utilizes the PMF, is primarily located along the IBS. This has led to the hypothesis that PS can support the production of ATP in the IBS by maintaining the potential energy available to produce ATP deep in the muscle cell via conduction of the PMF down the IBS. However, the mechanism of transmitting the PMF down the IBS is poorly understood. This theoretical study was undertaken to establish the physical limits governing IBS conduction as well as potential mechanisms for balancing the protons entering the matrix along the IBS with the ejection of protons in the PS. The IBS was modeled as a 300 nm diameter, water-filled tube, with an insulated circumferential wall. Two mechanisms were considered to drive ion transport along the IBS: the electrical potential and/or concentration gradients between the PS to the end of the IBS. The magnitude of the flux was estimated from the maximum ATP production rate for skeletal muscle. The major transport ions in consideration were H(+), Na(+), and K(+) using diffusion coefficients from the literature. The simulations were run using COMSOL Multiphysics simulator. These simulations suggest conduction along the IBS via H(+) alone is unlikely requiring un-physiological gradients, while Na(+) or K(+) could carry the current with minor gradients in concentration or electrical potential along the IBS. The majority of conduction down the IBS is likely dependent on these abundant ions; however, this presents a question as to how H(+) is recycled from the matrix of the IBS to the PS for active extrusion. We propose that the abundant cation-proton antiporter in skeletal muscle mitochondria operates in opposite directions in the IBS and PS to permit local recycling of H(+) at each site driven by cooperative gradients in H(+) and Na(+)/K(+) which favor H(+) entry in the PS and H(+) efflux in the IBS. This article is part of a Special Issue entitled 'EBEC 2016: 19th European Bioenergetics Conference, Riva del Garda, Italy, July 2-6, 2016,' edited by Prof. Paolo Bernardi.

Published by Elsevier B.V.