Zeitschrift für Physikalische Chemie und Biophysik
Offener Zugang

Abstrakt

Myoglobin und Mitochondrien: Wie funktioniert der „Sauerstoffspeicher“?

Galina B. Postnikova und Ekaterina A. Shekhovtsova

Wir haben zunächst gezeigt, dass die Sauerstofffreisetzung aus MbO2 bei nahezu null O2-Konzentrationen (pO2) nur dann erfolgt, wenn das Protein mit atmenden Mitochondrien interagiert. Wenn sie durch eine semipermeable Membran von der MbO2-Lösung getrennt sind, findet keine MbO2-Desoxygenierung statt. Die Raten der O2-Aufnahme durch Mitochondrien aus einer Lösung in Gegenwart von MbO2 (V1) und der MbO2-Desoxygenierung (V2) stimmen bei verschiedenen Mitochondrienpräparaten, den nativen, gefrorenen und durch FCCP entkoppelten, vollständig überein, da sowohl V1 als auch V2 durch die Atmungsaktivität der Mitochondrien bestimmt werden. V1 und V2 spiegeln jedoch unterschiedliche Prozesse wider, da sie unterschiedlich von Proteinen wie Lysozym beeinflusst werden, die mit MbO2 um die Bindung an Mitochondrien konkurrieren. Es wurde festgestellt, dass Myoglobin unspezifisch mit Phospholipidstellen der äußeren Mitochondrienmembran interagiert, während spezifische Proteine ​​oder Proteinkanäle für die Bindung an Myoglobin fehlen. Die ausgeprägte Abhängigkeit der Bindung von der Ionenstärke impliziert einen signifikanten Beitrag der Coulomb-Elektrostatik zur Bildung des Myoglobin-Mitochondrien-Komplexes. Da die Gesamtladung des Myoglobinmoleküls die MbO2- und MetMb-Affinität zur Mitochondrienmembran nicht beeinflusst, muss der Effekt der Ionenstärke auf lokale elektrostatische Wechselwirkungen zurückzuführen sein, höchstwahrscheinlich zwischen entgegengesetzt geladenen Phospholipidgruppen (den Köpfen) und polaren Myoglobinresten in der Umgebung der Hämhöhle. Die Verschiebung des Oxy-/Desoxy-Gleichgewichts in Richtung ligandenfreies Desoxymyoglobin unter anaeroben Bedingungen in Gegenwart von Mitochondrien- und künstlichen Phospholipidmembranen weist darauf hin, dass die Myoglobin-Membran-Wechselwirkung zu einer verringerten Myoglobin-Affinität für Sauerstoff (und erhöhtem p50) führt, was die O2-Ablösung von MbO2 bei physiologischen p02-Werten erleichtert. Daher sollten in Gegenwart von atmenden Mitochondrien mindestens zwei Arten von Myoglobinmolekülen in der Zelle vorhanden sein. Einige davon sind frei und haben eine hohe Affinität zu O2 bzw. einen niedrigen p50-Wert, während andere mit Mitochondrien assoziiert sind und geringere Affinitäten und einen höheren p50-Wert aufweisen. Für einen effektiven O2-Transfer aus dem Zytoplasma muss der Austausch zwischen diesen beiden Arten von MbO2-Molekülen relativ schnell erfolgen. Die Km-Werte der MbO2-Bindung an Mitochondrien (etwa 104 M-1 bei I = 0,15) und die Lebensdauer des Komplexes (zehn ns) entsprechen dieser Anforderung gut.