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Merck

Cytosolic, but not matrix, calcium is essential for adjustment of mitochondrial pyruvate supply.

The Journal of biological chemistry (2020-02-26)
Marten Szibor, Zemfira Gizatullina, Timur Gainutdinov, Thomas Endres, Grazyna Debska-Vielhaber, Matthias Kunz, Niki Karavasili, Kerstin Hallmann, Frank Schreiber, Alexandra Bamberger, Michael Schwarzer, Torsten Doenst, Hans-Jochen Heinze, Volkmar Lessmann, Stefan Vielhaber, Wolfram S Kunz, Frank N Gellerich
RESUMEN

Mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) and cellular workload are tightly balanced by the key cellular regulator, calcium (Ca2+). Current models assume that cytosolic Ca2+ regulates workload and that mitochondrial Ca2+ uptake precedes activation of matrix dehydrogenases, thereby matching OXPHOS substrate supply to ATP demand. Surprisingly, knockout (KO) of the mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU) in mice results in only minimal phenotypic changes and does not alter OXPHOS. This implies that adaptive activation of mitochondrial dehydrogenases by intramitochondrial Ca2+ cannot be the exclusive mechanism for OXPHOS control. We hypothesized that cytosolic Ca2+, but not mitochondrial matrix Ca2+, may adapt OXPHOS to workload by adjusting the rate of pyruvate supply from the cytosol to the mitochondria. Here, we studied the role of malate-aspartate shuttle (MAS)-dependent substrate supply in OXPHOS responses to changing Ca2+ concentrations in isolated brain and heart mitochondria, synaptosomes, fibroblasts, and thymocytes from WT and MCU KO mice and the isolated working rat heart. Our results indicate that extramitochondrial Ca2+ controls up to 85% of maximal pyruvate-driven OXPHOS rates, mediated by the activity of the complete MAS, and that intramitochondrial Ca2+ accounts for the remaining 15%. Of note, the complete MAS, as applied here, included besides its classical NADH oxidation reaction the generation of cytosolic pyruvate. Part of this largely neglected mechanism has previously been described as the "mitochondrial gas pedal." Its implementation into OXPHOS control models integrates seemingly contradictory results and warrants a critical reappraisal of metabolic control mechanisms in health and disease.

MATERIALES
Número de producto
Marca
Descripción del producto

Sigma-Aldrich
Seroalbúmina bovina, lyophilized powder, ≥96% (agarose gel electrophoresis)
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Sigma-Aldrich
Bicarbonato de sodio, powder, BioReagent, Molecular Biology, suitable for cell culture, suitable for insect cell culture
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Sigma-Aldrich
Clorhidrato de Trizma®, reagent grade, ≥99.0% (titration), crystalline
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Sigma-Aldrich
MOPS, ≥99.5% (titration)
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Sigma-Aldrich
Fosfato de potasio monobasic, powder, suitable for cell culture, suitable for insect cell culture, suitable for plant cell culture, ≥99.0%
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Sigma-Aldrich
Sacarosa, ≥99.5% (GC), BioXtra
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Sigma-Aldrich
Percoll®, pH 8.5-9.5 (20 °C)
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Sigma-Aldrich
Cloruro de sodio, BioXtra, ≥99.5% (AT)
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Sigma-Aldrich
Antimycin A from Streptomyces sp.
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Sigma-Aldrich
Adenosine 5′-diphosphate sodium salt, bacterial, ≥95% (HPLC)
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Sigma-Aldrich
Dextrosa, 97.5-102.0% anhydrous basis, meets EP, BP, JP, USP testing specifications
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Sigma-Aldrich
L-lactato de sodio, ~98%
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Sigma-Aldrich
Carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone, ≥98% (HPLC), powder
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Sigma-Aldrich
Piruvato sódico, powder, BioReagent, suitable for cell culture, suitable for insect cell culture, ≥99%
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Sigma-Aldrich
D-Manitol, ≥98% (GC)
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Sigma-Aldrich
Ácido perclórico, 70%, 99.999% trace metals basis
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Sigma-Aldrich
DL-Ditiotreitol, ≥99.0% (RT)
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Sigma-Aldrich
(+)-Sodium L-ascorbate, powder, BioReagent, suitable for cell culture
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Sigma-Aldrich
Cloruro de magnesio hexahydrate, BioXtra, ≥99.0%
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Sigma-Aldrich
L-Glutamic acid monosodium salt monohydrate, ≥98.0% (NT)
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Sigma-Aldrich
Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid, ≥97.0%
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Sigma-Aldrich
Cloruro de potasio, BioXtra, ≥99.0%
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Sigma-Aldrich
BAPTA-AM, ≥95% (HPLC)
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Sigma-Aldrich
L-(−)-Malic acid, ≥95% (titration)
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Sigma-Aldrich
Safranin O, Dye content ≥85 %
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Sigma-Aldrich
O-(Carboxymethyl)hydroxylamine hemihydrochloride, 98%
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Roche
Penicillin-Streptomycin, suitable for cell culture, lyophilized (clear, colorless solution after reconstitution), non-sterile; 0.2 μm filtered, sufficient for 20 mL
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Sigma-Aldrich
sn-Glycerol 3-phosphate bis(cyclohexylammonium) salt, ≥93% (GC)
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Sigma-Aldrich
Ruthenium Red, Technical grade
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Sigma-Aldrich
L-Aspartic acid potassium salt, ≥98% (HPLC)
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