Signaling Role of Mitochondrial Enzymes and Ultrastructure in the Formation of Molecular Mechanisms of Adaptation to Hypoxia

Abstract

This study was the first comprehensive investigation of the dependence of mitochondrial enzyme response (catalytic subunits of mitochondrial complexes (MC) I-V, including NDUFV2, SDHA, Cyt b, COX1 and ATP5A) and mitochondrial ultrastructure in the rat cerebral cortex (CC) on the severity and duration of in vivo hypoxic exposures. The role of individual animal’s resistance to hypoxia was also studied. The respiratory chain (RC) was shown to respond to changes in environmental [O2] as follows: (a) differential reaction of mitochondrial enzymes, which depends on the severity of the hypoxic exposure and which indicates changes in the content and catalytic properties of mitochondrial enzymes, both during acute and multiple exposures; and (b) ultrastructural changes in mitochondria, which reflect various degrees of mitochondrial energization. Within a specific range of reduced О2 concentrations, activation of the МС II is a compensatory response supporting the RC electron transport function. In this process, MC I develops new kinetic properties, and its function recovers in hypoxia by reprograming the RC substrate site. Therefore, the mitochondrial RC performs as an in vivo molecular oxygen sensor. Substantial differences between responses of rats with high and low resistance to hypoxia were determined.

Hydroxytyrosol Alleviated Hypoxia-Mediated PC12 Cell Damage through Activating PI3K/AKT/mTOR-HIF-1α Signaling

“…OXPHOS adapts to hypoxia by reshaping the electron transport chain (ETC) and the activity of the TCA cycle. Hypoxia induces a reductive carboxylation reaction, which increases the production of ROS [18]. Excessive ROS production or insufficient antioxidants in the body can cause damage to free radicals and aerobic organisms, which is called oxidative stress [19].…”

Succinate and succinate dehydrogenase as a «foothold» in the Krebs cycle in critical conditions

“…Все эти механизмы обеспечивают снижение активности I комплекса и включают реверсию цикла трикарбоновых кислот с образованием сукцината и сопряжённую сукцинат-зависимую активацию аминотрансферазных реакций, фосфорилирование субстрата α-кетоглутарата, α-глицерофосфата и активацию пуринового нуклеотидного цикла [25,26]. Авторами был сделан вывод, что для поддержания энергетики клеток животных в условиях дефицита кислорода целесообразно использовать субстраты, способные участвовать в анаэробном образовании сукцината, тогда как при гипоксии целесообразно использовать сам сукцинат [27,28].…”

Relief from Toxic Effects of Oxygen Using Succinates in Patients with COVID-19 Undergoing High-Flow Oxygen Therapy

“…4, динамичное снижение уровня лактата к 12 ч проводимой ВПО является доказательством эффективного восстановления кислотно-щелочного баланса за счёт увеличения эффективности использования кислорода клетками, увеличения активности ферментов биологического окисления и, в первую очередь, сукцинатдегидрогеназы, окисляющей сукцинат в структуре дыхательной цепи. Это, в целом, восстанавливает привычный механизм окислительного фосфорилирования на уровне митохондрий для синтеза АТФ, что согласуется с данными экспериментальных исследований [18,19].…”

“…Общей чертой большинства пациентов, поступавших с коронавирусной болезнью в период 2019-2022 гг. (COVID- 19), являлось наличие пневмонии (пневмонит), протекавшей с симптомами поражения нижних дыхательных путей, что приводило к гипоксимической дыхательной недостаточности с высокой потребностью в дополнительном кислороде [3]. Добавление кислорода в том или ином варианте являлось спасительным методом в комплексе лечения COVID-19, но, как показывают многие публикации, также гипероксия была связана и с побочными эффектами [4].…”