Ulyanovsk Medico-biological Journal

PHYSIOLOGY

Download article

DOI 10.34014/2227-1848-2022-2-128-138

MITOCHONDRIA RESPIRATION IN RAT BRAIN NEURONS UNDER CEREBRAL ISCHEMIA OF VARYING SEVERITY

E.I. Bon, N.E. Maksimovich, I.K. Dremza, M.A. Nosovich, K.A. Khrapovitskaya

Grodno State Medical University, Grodno, Republic of Belarus

 

The knowledge of the mechanisms of energy deficiency development in ischemic lesions is necessary to specify the pathogenesis and assess the damage/compensation ratio.

The aim of the paper is to study respiration indices of mitochondria of rat brain homogenates in total and subtotal cerebral ischemia.

Materials and Methods. The experiments were carried out on 88 male outbred white rats weighing 260±20 grams in compliance with the Directive 2010/63/EU of the European Parliament and of the Council of 22 September 2010 on the protection of animals used for scientific purposes.

Results. In 1-hour subtotal cerebral ischemia, V2 increased by 24 (18; 27) % (p<0.05), in the presence of malate/glutamate, if compared with the control, while the acceptor control coefficient and the phosphorylation coefficient decreased by 25 (17; 29) % (p<0.05). Other indices (V1, V3, V4, respiratory control coefficient) did not change (p>0.05). In the presence of malate/glutamate under 1-hour SCI, mitochondrial respiration rates V1, V2, V3, and V4 were higher than under 1-hour TCI 89 (82; 93), 58 (55; 63), 24 (21; 29) and 32 (27; 37) % respectively (p<0.05). Decrease in V1, V2, and V3 indices under 24-hour SCI is a consequence of the decrease in oxygen content for mitochondrial respiration. The inhibition of energy processes is more pronounced than under 1-hour SCI, which reflects the extremely low phosphorylation coefficient. Changes in V1, V2, and V3 indices under 1-hour SCI and 1-hour TCI are multidirectional. Their increase under SCI is associated with uncoupling between oxidation and phosphorylation, while their decrease under TCI is associated with a lack of substrates for mitochondrial respiration.

Conclusion. The most pronounced decrease in respiration indices of the mitochondrial fraction of brain homogenates occurs under total cerebral ischemia due to the complete cessation of neuron blood supply.

Key words: mitochondria, ischemia, neurons, respiration.

 

References

  1. Syed Suhail Andrabi, Suhel Parvez, Heena Tabassum. Ischemic stroke and mitochondria: mechanisms and targets. Protoplasm. 2020; 257: 335–343.

  2. Non Miyata, Osamu Kuge. Topology of phosphatidylserine synthase 1 in the endoplasmic reticulum membrane. Protein Sci. 2021; 30: 2346–2353.

  3. Hackenbrock C.R. Lateral diffusion and electron transfer in the mitochondrial inner membrane. Trends Biochemistry. 1981; 15: 151–154.

  4. Fabian Büttner, Christian Cordes, Frank Gerlach, Axel Heimann, Beat Alessandri, Ulrich Luxemburger, Ozlem Türeci, Thomas Hankeln, Oliver Kempski, Thorsten Burmester. Genomic response of the rat brain to global ischemia and reperfusion. Brain Research. 2009; 1252: 1–14.

  5. Baertling F. NDUFA9 point mutations cause a variable mitochondrial complex I assembly defect. Clinical Genet. 2018; 93: 111–118.

  6. Barkovskiy E.V., Bokut' S.B., Borodinskiy A.N., Buko V.U., Doroshenko E.M., Drozdov A.S., Smirnov V.Yu. Sovremennye problemy biokhimii. Metody issledovaniy [Current problems of biochemistry. Research methods]. Minsk: Vysheyshaya shkola; 2013. 491 (in Russian).

  7. Maksimovich N.Ye., Bon L.I., Dremza I.K. Structural and functional features of mitochondria and methods of their study in experiment. MEDICUS. 2019; 5: 8–18.

  8. Brand M.D., Murphy M.P. Control of electron flux through the respiratory chain in mitochondria and cells. Biological Review. 1987; 62: 141–193.

  9. Non Miyata, Osamu Kuge. Topology of phosphatidylserine synthase 1 in the endoplasmic reticulum membrane. Protein Sci. 2021; 30: 2346–2353.

  10. Batin N.V. Komp'yuternyy statisticheskiy analiz dannykh: ucheb.-metod. posobie [Computer statistical data analysis: Study guide]. Minsk; 2008. 160 (in Russian).

  11. Hoffmann C. The effect of differentiation and TGFß on mitochondrial respiration and mitochondrial enzyme abundance in cultured primary human skeletal muscle cells. Science Report. 2018; 8: 737–740.

  12. Holvoet P. Low Cytochrome Oxidase 1 Links Mitochondrial Dysfunction to Atherosclerosis in Mice and Pigs. PLoS One. 2017; 12: 307–312.

  13. Klinyerberg M. Principles of carrier catalysis elucidated by comparing two similar membrane translocators from mitochondria, the ADP/ATP carrier and the uncoupling protein. New York Academic Science. 1985; 456: 279–288.

  14. Leonard K., Haiker H., Weiss H. Three-dimensional structure of NADH: ubiquinone reductase (complex I) from Neurospora mitochondria determined by electron microscopy of membrane crystals. Моlecular Biology. 1987; 194: 277–286.

  15. Johanna Vilhjalmsdottir, Ingrid Albertsson, Margareta R A Blomberg, Pia Adelroth, Peter Brzezinski. Proton transfer in uncoupled variants of cytochrome c oxidase. Febs Letters. 2020; 594 (5): 813–822.

  16. Semchenko V.V., Stepanov S.S., Alekseeva G.V. Postanoksicheskaya entsefalopatiya [Post-anoxic encephalopathy]. Omsk; 1999. 466 (in Russian).

  17. Luk'yanova L.D., Dudchenko A.M. Regulyatornaya rol' mitokhondrial'noy disfunktsii pri gipoksii i ee vzaimodeystvie s transkriptsionnoy aktivnost'yu [Regulatory role of mitochondrial dysfunction under hypoxia and its interaction with transcriptional activity]. Vestnik RAMN. 2007; 2: 3–13 (in Russian).

  18. Peskin A.V. Vzaimodeystvie aktivnogo kisloroda s DNK (obzor) [Interaction of active oxygen with DNA (review)]. Biokhimiya. 1997; 62 (12): 1571–1578 (in Russian).

  19. Guo M.F., Yu J.Z., Ma C.G. Mechanisms related to neuron injury and death in cerebral hypoxic ischaemia. Folia Neuropathol. 2011; 49 (2): 78–87.

 Received 29 December 2021; accepted 03 March 2022.

 

Information about the authors

Bon Elizaveta Igorevna, Candidate of Sciences (Biology), Associate Professor, Chair of Pathological Physiology named after D.A. Maslakov, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7189-0838

Maksimovich Nataliya Evgen'evna, Doctor of Sciences (Medicine), Professor, Head of the Chair of Pathological Physiology named after D.A. Maslakov, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-3181-9513

Dremza Iosif Karlovich, Candidate of Sciences (Biology), Associate Professor, Chair of Pathological Physiology named after D.A. Maslakov, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-2971-0167

Nosovich Miroslav Alekseevich, Student, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-0090-7254

Khrapovitskaya Kseniya Aleksandrovna, Student, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7580-7915

 

For citation

Bon E.I., Maksimovich N.Ye., Dremza I.K., Nosovich M.A., Khrapovitskaya K.A. Dykhanie mitokhondriy neyronov golovnogo mozga krys pri tserebral'noy ishemii razlichnoy stepeni tyazhesti [Mitochondria respiration in rat brain neurons under cerebral ischemia of varying severity]. Ul’yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2022; 2: 128–138. DOI: 10.34014/2227-1848-2022-2-128-138 (in Russian).


Скачать статью

УДК 616.831.31-005.4-092.913:618.33

DOI 10.34014/2227-1848-2022-2-128-138

ДЫХАНИЕ МИТОХОНДРИЙ НЕЙРОНОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА КРЫС ПРИ ЦЕРЕБРАЛЬНОЙ ИШЕМИИ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ТЯЖЕСТИ

Е.И. Бонь, Н.Е. Максимович, И.К. Дремза, М.А. Носович, К.А. Храповицкая

УО «Гродненский государственный медицинский университет», г. Гродно, Республика Беларусь

 

Выяснение механизмов развития энергодефицита при ишемическом повреждении целесообразно для детализации патогенеза и оценки соотношения процессов повреждения и компенсации при данной патологии.

Цель. Изучение показателей дыхания митохондрий гомогенатов головного мозга крыс при его тотальной и субтотальной ишемии.

Материалы и методы. Эксперименты выполнены на 88 самцах беспородных белых крыс массой 260±20 г с соблюдением требований Директивы Европейского парламента и Совета Европейского союза № 2010/63/EU от 22.09.2010 о защите животных, использующихся для научных целей.

Результаты. В группе СИГМ продолжительностью 1 ч, по сравнению с контрольной группой, в присутствии малата/глутамата V2 увеличилась на 24 (18; 27) % (р<0,05), а коэффициент акцепторного контроля и коэффициент фосфорилирования уменьшились на 25 (17; 29) % (р<0,05). Остальные показатели (V1, V3, V4, коэффициент дыхательного контроля) не изменялись (р>0,05). В присутствии малата/глутамата при 1-часовой СИГМ показатели митохондриального дыхания V1, V2, V3 и V4 были больше, чем при 1-часовой ТИГМ, на 89 (82; 93), 58 (55; 63), 24 (21; 29) и 32 (27; 37) % соответственно (р<0,05). Уменьшение показателей V1, V2, и V3 при 1-суточной СИГМ является следствием снижения содержания кислорода для митохондриального дыхания. Угнетение энергетических процессов было более выраженным, чем при 1-часовой СИГМ, что отражает крайне низкий коэффициент фосфорилирования.

Изменение показателей V1, V2 и V3 при 1-часовой СИГМ и 1-часовой ТИГМ было разнонаправленным. Их увеличение при СИГМ связано с разобщением окисления и фосфорилирования, в то время как уменьшение при ТИГМ – с недостатком субстратов для митохондриального дыхания.

Выводы. Наиболее выраженное уменьшение показателей дыхания митохондриальной фракции гомогенатов головного мозга происходит при тотальной ишемии головного мозга вследствие полного прекращения кровоснабжения его нейронов.

Ключевые слова: митохондрии, ишемия, нейроны, дыхание.

 

Литература

  1. Syed Suhail Andrabi, Suhel Parvez, Heena Tabassum. Ischemic stroke and mitochondria: mechanisms and targets. Protoplasm. 2020; 257: 335–343.

  2. Non Miyata, Osamu Kuge. Topology of phosphatidylserine synthase 1 in the endoplasmic reticulum membrane. Protein Sci. 2021; 30: 2346–2353.

  3. Hackenbrock C.R. Lateral diffusion and electron transfer in the mitochondrial inner membrane. Trends Biochemistry. 1981; 15: 151–154.

  4. Fabian Büttner, Christian Cordes, Frank Gerlach, Axel Heimann, Beat Alessandri, Ulrich Luxemburger, Ozlem Türeci, Thomas Hankeln, Oliver Kempski, Thorsten Burmester. Genomic response of the rat brain to global ischemia and reperfusion. Brain Research. 2009; 1252: 1–14.

  5. Baertling F. NDUFA9 point mutations cause a variable mitochondrial complex I assembly defect. Clinical Genet. 2018; 93: 111–118.

  6. Барковский Е.В., Бокуть С.Б., Бородинский А.Н., Буко В.У., Дорошенко Е.М., Дроздов А.С., Смирнов В.Ю. Современные проблемы биохимии. Методы исследований. Минск: Вышэйшая школа; 2013. 491.

  7. Maksimovich N.Ye., Bon L.I., Dremza I.K. Structural and functional features of mitochondria and methods of their study in experiment. MEDICUS. 2019; 5: 8–18.

  8. Brand M.D., Murphy M.P. Control of electron flux through the respiratory chain in mitochondria and cells. Biological Review. 1987; 62: 141–193.

  9. Non Miyata, Osamu Kuge. Topology of phosphatidylserine synthase 1 in the endoplasmic reticulum membrane. Protein Sci. 2021; 30: 2346–2353.

  10. Батин Н.В. Компьютерный статистический анализ данных: учеб.-метод. пособие. Минск; 2008. 160.

  11. Hoffmann C. The effect of differentiation and TGFß on mitochondrial respiration and mitochondrial enzyme abundance in cultured primary human skeletal muscle cells. Science Report. 2018; 8: 737–740.

  12. Holvoet P. Low Cytochrome Oxidase 1 Links Mitochondrial Dysfunction to Atherosclerosis in Mice and Pigs. PLoS One. 2017; 12: 307–312.

  13. Klinyerberg M. Principles of carrier catalysis elucidated by comparing two similar membrane translocators from mitochondria, the ADP/ATP carrier and the uncoupling protein. New York Academic Science. 1985; 456: 279–288.

  14. Leonard K., Haiker H., Weiss H. Three-dimensional structure of NADH: ubiquinone reductase (complex I) from Neurospora mitochondria determined by electron microscopy of membrane crystals. Моlecular Biology. 1987; 194: 277–286.

  15. Johanna Vilhjalmsdottir, Ingrid Albertsson, Margareta R A Blomberg, Pia Adelroth, Peter Brzezinski. Proton transfer in uncoupled variants of cytochrome c oxidase. Febs Letters. 2020; 594 (5): 813–822.

  16. Семченко В.В., Степанов С.С., Алексеева Г.В. Постаноксическая энцефалопатия. Омск; 1999. 466.

  17. Лукьянова Л.Д., Дудченко А.М. Регуляторная роль митохондриальной дисфункции при гипоксии и ее взаимодействие с транскрипционной активностью. Вестник РАМН. 2007; 2: 3–13.

  18. Пескин А.В. Взаимодействие активного кислорода с ДНК (обзор). Биохимия. 1997; 62 (12): 1571–1578.

  19. Guo M.F., Yu J.Z., Ma C.G. Mechanisms related to neuron injury and death in cerebral hypoxic ischaemia. Folia Neuropathol. 2011; 49 (2): 78–87.

 Поступила в редакцию 29.12.2021; принята 03.03.2022.

 

Авторский коллектив

Бонь Елизавета Игоревна – кандидат биологических наук, доцент кафедры патологической физиологии им. Д.А. Маслакова, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7189-0838

Максимович Наталия Евгеньевна – доктор медицинских наук, профессор, заведующая кафедрой патологической физиологии им. Д.А. Маслакова, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.,
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-3181-9513

Дремза Иосиф Карлович – кандидат биологических наук, доцент кафедры патологической физиологии им. Д.А. Маслакова, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-2971-0167

Носович Мирослав Алексеевич – студент, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-0090-7254

Храповицкая Ксения Александровна – студентка, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7580-7915.

 

Образец цитирования

Бонь Е.И., Максимович Н.Е., Дремза И.К., Носович М.А., Храповицкая К.А. Дыхание митохондрий нейронов головного мозга крыс при церебральной ишемии различной степени тяжести. Ульяновский медико-биологический журнал. 2022; 2: 128–138. DOI: 10.34014/2227-1848-2022-2-128-138.