Advances in Chemical PhysicsAdvances in Chemical PhysicsФизиология растений0015-33033034-6126The Russian Academy of Sciences64814110.31857/S0015330322600814PZENWDЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИUnknownCa2+-dependent regulation of the proton permeability of the inner membrane of lupine cotyledon mitochondriaСа2+-зависимая регуляция протонной проницаемости внутренней мембраны митохондрий семядолей люпинаShugaevA. G.ШугаевА. Г.
Russian Federation
fizrast@mail.ruButsanetsP. A.БуцанецП. А.
Russian Federation
fizrast@mail.ruShugaevaN. A.ШугаеваН. А.
Russian Federation
fizrast@mail.ruTimiryazev Institute of Plant Physiology, Russian Academy of SciencesФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук0107202370437238128012025Copyright ©; 2023, Shugaev A.G., Butsanets P.A., Shugaeva N.A.Copyright ©; 2023, А.Г. Шугаев, П.А. Буцанец, Н.А. Шугаева2023Shugaev A.G., Butsanets P.A., Shugaeva N.A.А.Г. Шугаев, П.А. Буцанец, Н.А. Шугаеваhttps://journals.eco-vector.com/0015-3303/article/view/648141

change in volume, and proton permeability of the inner membrane of mitochondria isolated from cotyledons of etiolated seedlings of narrow-leaved lupine (Lupinus angustifolius L.) was studied. The mitochondria used in the work were characterized by a strong coupling of oxidation and phosphorylation processes. The high functional activity of mitochondria was confirmed by their ability to generate a transmembrane gradient of protons on the inner membrane (membrane potential or ∆Ψ) during the oxidation of succinate and also sustainably maintain it for a long time , both due to the operation of the electron transport chain and due to ATP hydrolysis under conditions of anaerobiosis. It was shown that the presence of 60–120 µM CaCl2 in the mitochondrial incubation medium had no significant effect on the rate of succinate oxidation and the parameters of oxidative phosphorylation; however, it induced ∆Ψ dissipation under conditions of oxygen depletion in the incubation medium. The most complete removal Ca2+ from the medium in the presence of chelators (EGTA, EDTA) prevented the membrane potential dissipation. Ca2+-dependent depolarization of the inner membrane was inhibited by dithiothreitol, suggesting involvement in this process of reactive oxygen species. The reset of the membrane potential was not accompanied by swelling of mitochondria and was not sensitive to cyclosporine A. Using metallochromic Ca2+-indicator arsenazo III, it was shown that the mitochondria of lupine cotyledons are able to actively absorb exogenous Ca2+ and store it in the matrix. Ca2+-induced dissipation of ∆Ψ under conditions of anaerobiosis was accompanied by the release of Ca2+ from mitochondria, the rate of which sharply increased in the presence of calcium ionophore A23 (A23187). It is assumed that the accumulation of Ca2+ and an increase in the level of reactive oxygen species in the matrix induces reversible permeabilization of the inner mitochondrial membrane of lupine cotyledons under conditions of anaerobiosis, which is due to the opening of a pore of nonspecific permeability in a state of low conductivity permeable to protons and, possibly, to other small cations (Na+, K+, Ca2+).

Изучено влияние экзогенного Са2+ на дыхание, генерацию мембранного потенциала, изменение объема и проницаемость для протонов внутренней мембраны митохондрий, выделенных из семядолей этиолированных проростков люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.). Используемые в работе митохондрии характеризовались прочным сопряжением процессов окисления и фосфорилирования. Высокая функциональная активность митохондрий подтверждалась их способностью генерировать при окислении сукцината трансмембранный градиент протонов на внутренней мембране (мембранный потенциал или ∆Ψ), а также устойчиво поддерживать его в течение длительного времени, как за счет работы электрон-транспортной цепи, так и за счет гидролиза АТФ в условиях анаэробиоза. Показано, что присутствие 60–120 мкМ СаСl2 в среде инкубации митохондрий не оказывало существенного влияния на скорость окисления сукцината и параметры окислительного фосфорилирования, однако индуцировало диссипацию ∆Ψ в условиях исчерпания кислорода в среде инкубации. Максимально полное удаление Са2+ из среды в присутствии хелаторов (ЭГТА, ЭДТА) предотвращало сброс мембранного потенциала. Са2+-зависимая деполяризация внутренней мембраны ингибировалась дитиотрейтолом, что предполагает участие в этом процессе активных форм кислорода. Сброс мембранного потенциала не сопровождался набуханием митохондрий и не был чувствителен к циклоспорину А. С использованием металлохромного Са2+-индикатора арсеназо III, было показано, что митохондрии семядолей люпина способны активно поглощать экзогенный Са2+ и накапливать его в матриксе. Са2+-индуцируемая диссипация ∆Ψ в условиях анаэробиоза сопровождалась выходом Са2+ из митохондрий, скорость которого резко возрастала в присутствии кальциевого ионофора А23 (А23187). Предполагается, что накопление Са2+ и повышение уровня активных форм кислорода в матриксе, индуцирует в условиях анаэробиоза обратимую пермеабилизацию внутренней мембраны митохондрий семядолей люпина, которая обусловлена открытием поры неспецифической проницаемости в состоянии низкой проводимости, проницаемой для протонов и, возможно, для других небольших катионов (Na+, K+, Ca2+).

Lupinus angustifoliusmitochondriamembrane potentialsuccinate oxidationinner membrane permeabilitylupine cotyledonscalcium transportLupinus angustifoliusмитохондриимембранный потенциалокисление сукцинатапроницаемость внутренней мембранысемядоли люпинатранспорт кальцияAzzolin L., von Stockum S., Basso E., Petronilli V., Forte M.A., Bernardi P. The mitochondrial permeability transition from yeast to mammals // FEBS Lett. 2010. V. 584. P. 2504. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2010.04.023Bernardi P., Rasola A., Forte M., Lippe G. The mitochondrial permeability transition pore: channel formation by F-ATP synthase, integration in signal transduction, and role in pathophysiology // Physiol. Rev. 2015. V. 95. P. 111. https://doi.org/10.1152/physrev.00001.2015Vercesi A., Castilho R.F., Kowaltowski A., de Oliveira H.C.F., de Souza-Pinto N.C., Figuella T.R., Busanello E.N.B. Mitochondrial calcium transport and the redox nature of the calcium-induced membrane permeability transition // Free Radical Biol. Med. 2018. V. 129. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiolmed.2018.08.034Ichas F., Mazat J.-P. From calcium signaling to cell death: two conformations for the mitochondrial permeability transition pore. Switching from low- to high-conductance state // Biochim. Biophys. Acta. 1998. V. 1366. P. 33.Sileikyte J., Forte M. The mitochondrial permeability transition in mitochondrial disorders // Oxidative medicine and cellular longevity. 2019. art. ID 3403075. https://doi.org/10.1155/2019/3403075Tajeddine N. How do reactive oxygen species and calcium trigger mitochondrial membrane permeabilisation? // Biochim. Biophys. Acta. 2016. V. 1860. P. 1079. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2016.02.013Zancani M., Casolo V., Petrussa E., Peresson C., Patui S., Bertolini A., De Col V., Braidot E., Boscuttiand F., Vianello A. The permeability transition in plant mitochondria: the missing link // Front.Plant Sci. 2015. V. 6. Art. 1120. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01120Fortes F., Castilho R.F., Catisti R., Carnieri E., Vercesi A.E. Ca2+ induces a cyclosporin A-insensitive permeability transition pore in isolated potato tuber mitochondria mediated by reactive oxygen species // J. Bioenerg. Biomembr. 2001. V. 33. P. 43. https://doi.org/10.1023/A:1005672623709Arpagaus S., Rawyler A., Braendle R. Occurrence and characteristics of the mitochondrial permeability transition in plants // J. Biol. Chem. 2002. V. 277. P. 1780. https://doi.org/10.1074/jbc.M109416200Virolainen E., Blokhina О., Fagersted K. Ca2+-induced high amplitude swelling and cytochrome c release from wheat (Triticum aestivum L.) mitochondria under anoxic stress // Ann. Bot. 2002. V. 90. P. 509. https://doi:101093/aob/mcf221Martins I.S., Vercesi A.E. Some characteristics of Ca2+ transport in plant mitochondria // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1985. V. 129. P. 943. https://doi.org/10.1016/0006-291X(85)91982-5De Col V., Petrussa E., Casolo V., Braidot E., Lippe G., Filippo A., Peresson C., Bertolini A., Giorgio V., Checcgttto V., Vianello A., Bernardi P., Zancani M. Properties of the permeability transition of pea steam mitochondria // Front. Physiol. 2018. V. 9. P. 1626. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.01626Petrussa E., Casolo V., Peresson C., Braidot E., Vianello A., Macri F. The K+ ATP channel is involved in a low-amplitude permeability transition in plant mitochondria // Mitochondrion. 2004. V. 3. P. 297. https://doi.org/10.1016/j.mito.2004.01.002Шугаев А.Г., Буцанец П.А., Шугаева Н.А. Салициловая кислота индуцирует протонную проницаемость внутренней мембраны митохондрий семядолей люпина // Физиология растений. 2016. Т. 63. С. 765. https://doi.org/10.7868/S0015330316060099Буцанец П.А., Шугаева Н.А., Шугаев А.Г. Влияние мелатонина и салициловой кислоты на генерацию АФК митохондриями семядолей люпина // Физиология растений. 2021. Т. 68. С. 421. https://doi.org/10.31857/S0015330321040035Шугаев А.Г., Буцанец П.А., Андреев И.М., Шугаева Н.А. Влияние салициловой кислоты на метаболическую активность митохондрий растений // Физиология растений. 2014. Т. 61. С. 555. https://doi.org/10.7868/S0015330314040186Chance B., Williams G.R. The respiratory chain and oxidative phosphorylation // Adv. Enzymol. 1956. V. 17. P. 65.Bredford M.M. A rapid and sensitive method the quantitation of microgram quatities of protein utilizing the principle of protein-die binding // Anal. Biochem. 1976. V. 72. P. 248. https://doi.org/10.1016/0003-2697(76)90527-3Moore A.L., Bonner W.D. Measurements of membrane potentials in plant mitochondria with the safranine method // Plant Physiol. 1982. V. 70. P. 415. https://doi.org/10.1104/pp.70.5.1271Scarpa A. Measurements of cation transport with metallochromic indicators // Met. Enzymol. 1979. V. 56. P. 301. https://doi.org/10.1016/0076-6879(79)56030-3Silva M.A.P., Carnieri E.G.S., Vercesi A. Calcium transport by corn mitochondria // Plant Physiol. 1992. V. 98. P. 452. https://doi.org/10.1104/pp.98.2.452Curtis M.J., Wolpert T.J. The oat mitochondrial permeability transition and its implication in victorin binding and induced cell death // Plant J. 2002. V. 23. P. 295. http://doi.org/101046/j.0960-7412.2001.01213.xDeryabina Y.I., Bazhenova E.N., Saris N.-E.L., Zvyagilskaya R.A. Ca2+ efflux in mitochondria from the yeast Endomyces magnusii // J. Biol. Chem. 2001. V. 276. P. 47801. https://doi.org/10.1074/jbc.M103685200Wagner S., De Bortoli S., Schwarzlander M., Szabo I. Regulation of mitochondrial calcium in plants versus animals // J. Exp. Bot. 2016. V. 67. P. 3809. https://doi.org/10.1093/jxb/erw100Akerman K.E.G., Moore A.L. Phosphate dependent, ruthenium red insensitive Ca2+ uptake in mung bean mitochondria // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1983. V. 114. P. 1176. https://doi.org/10.1016/0006-291x(83)90686-1Blokhina O.B., Chirkova T.V., Fagerstedt K.V. Anoxic stress leads to hydrogen peroxide formation in plant cells // J. Exp. Bot. 2001. V. 52. P. 1179. https://doi.org/10.1093/jexbot/52.359.1179Chavez E., Melendes E., Zazueta C., Reyes-Vivas H., Perales S.G. Membrane permeability transition as induced by dysfunction of the electron transport chain // Biochem. Mol. Biol. Int. 1997. V. 41. P. 961. https://doi.org/10.1080/15216549700202021Bernardi P. The mitochondrial permeability transition pore: a mystery solved? // Front. Fhysiol. 2013. V. 4. Art. 95. https://doi.org/10.3389/fphys.2013.00095Bernardi P., Petronilli V. The permeability transition pore as a mitochondrial calcium release channel: a critical appraisal // J. Bioenerg. Biomembr. 1996. V. 28. P. 131. https://doi.org/10.1007/BF02110643Huser J., Blatter L. Fluctuation in mitochondrial membrane potential caused by repetitive gating of the permeability transition pore // Biochem J. 1999. V. 343. P. 311. https://doi.org/10.1042/bj3430311De Marchi E., Bonora M., Giorgi C., Pinton P. The mitochondrial permeability transition pore is a dispensable element for mitochondrial calcium efflux // Cell Calcium. 2014. V. 56. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2014.03.004