Acoplamiento excitación-metabolismo : desde la despolarización de la membrana celular a los cambios en la función mitocondrial en músculo esquelético adulto

Abstract

Introducción: Es importante dilucidar los mecanismos que vinculan la contracción de la fibra con la síntesis de ATP para comprender la función del músculo esquelético. Las mitocondrias muestran una arquitectura particular en las fibras musculares esqueléticas. Una gran fracción reside entre el sarcolema y las miofibrillas, esta fracción se conoce como mitocondrias subsarcolemales. Una segunda población se encuentra entre las miofibrillas, donde la producción de ATP es esencial para la contracción e interactúa estrechamente con las estructuras de la tríada. Esta segunda población se conoce como mitocondrias intermiofibrilares. Sin embargo, la interacción funcional entre estas poblaciones mitocondriales aún es desconocida. Objetivo: Determinar el efecto de la despolarización de la membrana celular sobre el manejo del Ca2+ mitocondrial y su relación con la función mitocondrial en fibras musculares esqueléticas adultas. Métodos: Se utilizaron fibras musculares aisladas desde el músculo flexor digitorum brevis (FDB). Los niveles de Ca2+ citoplasmáticos y en la matriz mitocondrial se evaluaron utilizando herramientas moleculares específicas para cada compartimento. El papel de los canales intracelulares de Ca2+ se valoró usando tanto inhibidores farmacológicos específicos como herramientas genéticas. El consumo de O2 y el potencial de membrana mitocondrial se detectaron utilizando SeaHorse System y sondas fluorescentes respectivamente. Resultados: En las fibras musculares esqueléticas aisladas, la despolarización aumentó los niveles citoplasmáticos y mitocondriales de Ca2+. La captación mitocondrial de Ca2+ requirió de la activación tanto de los canales de Ca2+ IP3R como RyR1. Además, la inhibición de cualquiera de los dos canales disminuyó la tasa de consumo de O2 basal, pero solo la inhibición de RyR1 previno el aumento del consumo de O2 ligado a la síntesis de ATP. Las señales de Ca2+ inducidas por despolarización se acompañaron de una reducción en el potencial de membrana mitocondrial en las mitocondrias subsarcolemales; Las señales de Ca2+ se propagaron hacia las mitocondrias intermiofibrilares, donde el potencial de membrana mitocondrial aumentó. Los resultados son compatibles con una propagación dependiente de Ca2+ del potencial de membrana mitocondrial, desde la superficie hacia el centro de la fibra muscular. Conclusión: La despolarización de la fibra muscular esquelética aumenta el consumo mitocondrial de O2 y los niveles de Ca2+ mitocondrial, este último efecto depende tanto de la activación del IP3R así como del RyR1. La activación del RyR1, pero no del IP3R, es necesaria para el aumento del consumo de O2 inducido por despolarización. La propagación del potencial de membrana mitocondrial desde la superficie hacia el centro de la fibra podría tener un papel crítico en el control del metabolismo mitocondrial, tanto en reposo como después de la despolarización, formando parte de un proceso llamado acoplamiento "excitación-metabolismo" en las fibras del músculo esquelético. Este mecanismo sería fundamental para mantener la bioenergética del músculo esquelético, manteniendo el equilibrio entre los requerimientos y la síntesis de ATP, permitiendo así sostener la función muscular frente a las demandas ambientales.

Introduction: It is important to elucidate the mechanisms that link the contraction of skeletal muscle fiber with the synthesis of ATP to understand the function of skeletal muscle. Mitochondria show a particular architecture in the skeletal muscle fibers. A large fraction resides between the sarcolemma and the myofibrils, this fraction is known as subsarcolemmal mitochondria. A second population is found among the myofibrils, where the production of ATP is essential for contraction and interacts closely with the structures of the triad. This second population is known as intermyofibrillar mitochondria. However, the functional interaction between these mitochondrial populations is still unknown. Objective: To determine the effect of depolarization of the cell membrane on mitochondrial Ca2+ handling and its relationship with mitochondrial function in adult skeletal muscle fibers. Methods: Muscle fibers isolated from flexor digitorum brevis muscle (FDB) were used. Cytoplasmic and Ca2+ levels in the mitochondrial matrix were evaluated using specific molecular tools for each compartment. The role of intracellular Ca2+ channels was assessed using both specific pharmacological inhibitors and genetic tools. O2 consumption and mitochondrial membrane potential were detected using SeaHorse System and fluorescent probes respectively. Results: In isolated skeletal muscle fibers, depolarization increased the cytoplasmic and mitochondrial Ca2+ level. Mitochondrial Ca2+ uptake required the activation of both IP3R and RyR1 Ca2+ channels. In addition, the inhibition of either intracellular Ca2+ channels decreased the basal O2 consumption rate, but only the inhibition of RyR1 prevented the increase of O2 consumption linked to the ATP synthesis. Ca2+ signals induced by depolarization were accompanied by a reduction in mitochondrial membrane potential in subsarcolemmal mitochondria; The Ca2+ signals propagated to the intermyofibrillar mitochondria, where the mitochondrial membrane potential increased. The results are compatible with a Ca2+-dependent propagation of the mitochondrial membrane potential, from the surface to the center of the muscle fiber. Conclusion: The depolarization of the skeletal muscle fiber increases the mitochondrial O2 consumption rate and the levels of mitochondrial Ca2+, this latter effect depends both on the activation of the IP3R as well as the RyR1. The activation of RyR1, but not of IP3R, is necessary for the increase of O2 consumption induced by depolarization. The propagation of the mitochondrial membrane potential from the surface towards the fiber center could have a critical role in the control of mitochondrial metabolism, both at rest and after depolarization, forming part of a process termed "excitation metabolism coupling " in the skeletal muscle fibers. This mechanism would be fundamental to maintain the bioenergetics of the skeletal muscle, maintaining the balance between the requirements and the synthesis of ATP, thus allowing sustaining the muscle function in face of the environmental demands.