Metabolismo de óxido nítrico, anión superóxido y peroxinitrito en mitocondrias de corazón: Participación del complejo I y de la mtNOS en mecanismos de disfunción mitocondrial

Abstract

El corazón, para poder suplir la demanda metabólica y contráctil, depende de las concentraciones de O2 y ATP. Las mitocondrias son las organelas encargadas de producir ATP y son los sitios subcelulares más activos en cuanto a la producción de especies reactivas derivadas del oxígeno (O2- y H2O2) y del nitrógeno (NO y ONOO-). Por lo cual, alteraciones en su función pueden llevar a la disfunción bioenergética del corazón y falla cardiaca. El complejo I es el primer complejo multienzimático de la cadena respiratoria, con un papel central en la producción de energía celular, siendo, a su vez, uno de los sitios de generación de O2-. El NO es generado por la óxido nítrico sintasa mitocondrial (mtNOS), localizada en la membrana interna mitocondrial, cuya actividad y/o expresión es regulada en situaciones fisiológicas, patológicas y farmacológicas. El NO modula la función y el metabolismo energético ya que inhibe la actividad de citocromo oxidasa y la transferencia de electrones entre los citocromos b y c, impactando, de esta forma, en las concentraciones en estado estacionario del propio NO y de otras especies reactivas, tales como O2-, H2O2 y ONOO-.La hipótesis de trabajo sostiene que la mtNOS interacciona física y funcionalmente con subunidades del complejo I mitocondrial, explicando otro de los mecanismos reguladores del NO sobre la cadena respiratoria en situaciones fisiológicas, y la disfunción del complejo I asociada a cambios en la producción mitocondrial de NO, observada en situaciones fisiopatológicas.El objetivo fue estudiar la relación funcional entre el complejo I y la mtNOS, en situaciones fisiológicas y patológicas, desde un aspecto bioenergético y haciendo hincapié en el metabolismo de especies reactivas del oxígeno y del nitrógeno, en mitocondrias de corazón. Se abordó el estudio desde un punto de vista fisiológico (capítulo I) y a través de dos modelos experimentales, que simulan situaciones fisiopatológicas de estrés oxidativo: atontamiento miocárdico (capítulo II) y diabetes (capítulo III).En el capítulo I se analizó la interacción funcional entre la mtNOS y las proteínas del complejo I utilizando partículas fosforilantes invertidas (ETPH). Se observó que dichas partículas producen NO, utilizando tanto los electrones cedidos por el sustrato fisiológico de las NOS, el NADPH, como los electrones provenientes de la cadena respiratoria funcionando en condiciones de flujo reverso. Tanto la actividad NAD+ reductasa como la producción de NO en condiciones de flujo reverso, se inhibieron por el agregado de rotenona. Adicionalmente, la actividad de mtNOS fue detectada en la fracción mitocondrial enriquecida en complejo I, la cual fue reconocida por anticuerpos anti-nNOS. Estos resultados avalan que la mtNOS y proteínas del complejo I estarían contiguas, interaccionando funcionalmente, permitiendo a la mtNOS aceptar electrones provenientes de la cadena respiratoria para su actividad enzimática.En el capítulo II se estudió la funcionalidad mitocondrial en un modelo de atontamiento miocárdico. La disfunción ventricular se acompañó de disfunción mitocondrial, caracterizada por disminución del consumo de O2 en estado 3 sustentado por malato-glutamato y de las actividades de complejo I y de mtNOS; y por aumento en la generación de H2O2, en la oxidación a proteínas y lípidos y en la nitración de tirosinas. Los cambios en la función mitocondrial son compatibles con los descriptos para el ?síndrome del complejo I?, situación previamente observada en mitocondrias de áreas cerebrales en enfermedades neurodegenerativas. Cabe mencionar que la actividad del complejo I y las actividades bioquímica y funcional de mtNOS disminuyeron en forma conjunta y progresiva, alcanzando un máximo de reducción a los 30 min de reperfusión. Estos resultados refuerzan la idea de la interacción estructural y funcional entre el complejo I y la mtNOS, así como de la co-localización en la producción de O2- y NO, generando ONOO-, llevando a modificaciones reversibles o irreversibles de dicho complejo. Por otro lado, la administración de adenosina revirtió las alteraciones ventriculares y mitocondriales observadas en el atontamiento miocárdico, preservando a las mitocondrias de la aparición del ?síndrome del complejo I?.En el capítulo III se evaluó la funcionalidad y biogénesis mitocondrial cardiaca en diabetes inducida por estreptozotocina. En los corazones de los animales diabéticos se observó disfunción en la reserva contráctil y lusitrópica ante una sobrecarga de trabajo, acompañada de una disminución en el consumo de O2 tisular y mitocondrial, en las actividades de los complejos mitocondriales, en la producción de ATP, y en la eficiencia de la fosforilación oxidativa; así como de un aumento en la generación de H2O2 y NO. Asimismo, se evidenció incremento en la masa mitocondrial, en la densidad numérica y volumétrica y en la expresión del factor PCG-1α, junto con la presencia de daño mitocondrialUna diferencia a enfatizar entre el modelo de atontamiento miocárdico y el de diabetes es que aunque en ambos se observó disfunción mitocondrial, en el primero, la disfunción mitocondrial fue acompañada de una reducción en la actividad de mtNOS y en el estado estacionario de NO, mientras que en el segundo, la disfunción mitocondrial conlleva a un aumento en la producción y estado estacionario de NO, con incrementada expresión de mtNOS. Esto explicaría que en el atontamiento miocárdico, en donde la disfunción ventricular revierte, el NO podría estar ejerciendo su función regulatoria sobre la cadena de transferencia de electrones, a través de una menor inhibición sobre la citocromo oxidasa, de modo de restaurar el balance redox y energético mitocondrial. Por el contrario, en el modelo de diabetes, el aumento en la generación de NO mitocondrial y su difusión al citosol, sería la señal ?distintiva? que activaría al factor PGC-1α y desencadenaría la biogénesis mitocondrial. Ante la persistencia de la hiperglucemia, las nuevas mitocondrias generadas no serían funcionalmente activas, pudiendo explicar el daño en el metabolismo energético cardíaco observado en la Diabetes.Para concluir, perturbaciones del estado redox y energético mitocondrial pueden transmitirse al núcleo y/o al citosol e inducir una respuesta compensatoria inmediata o adaptativa. En este proceso, modificaciones en la producción y/o estado estacionario de los segundos mensajeros H2O2 y/o NO, serían parte del mecanismo bioquímico subyacente a enfermedades cardiovasculares asociadas a fallas energéticas cardíacas. En este contexto, la asociación funcional entre el complejo I y la mtNOS podría explicar el papel del NO y/o ONOO- en la regulación fisiológica de la cadena respiratoria, y en la inactivación irreversible del complejo I en situaciones fisiopatológicas.