Pharmacological Blockade of High Threshold L-Type Calcium Channels in Cardiomyocytes Restores Respiratory Chain Activity Disturbed by Vibration

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The transport of calcium ions across the cardiomyocyte cellular membrane is associated with crossing a high energy barrier and can be dysregulated by the vibration. Calcium channel blockers are a group of medication that reduce damage of mitochondria and cell membranes. In this study, the effects of nifedipine (adalat), a calcium channel blocker drug, 7.5 mg/kg on energy metabolism of cardiomyocytes which underwent vibration induced hypoxia (exposure to 56 vibration sessions at a single frequency, 44 Hz with an amplitude of 0.5 mm) were evaluated. The functional states of mitochondria in 30% rabbit left ventricular myocardial tissue homogenate were studied polarographically using a closed galvanic oxygen sensor in a 1 ml cuvette with thermostatic holder, the protein concentration in the system was 2.4 ± 0.5 mg and a modified microbiuret method was used for protein determination. In animals injected with calcium channel blockers and exposed to vibration, the rate of endogenous respiration (V e) remained at the level as in intact animals and was 16.4 ± 4.1 [ng-atom O] min–1mg–1 protein, amytal sensitivity increased by 39%, and malonate sensitivity decreased by 40% as compared to animals that were not injected with calcium channel blockers but exposed to vibration. The indices of the ratio of the activity of mitochondrial enzyme complex I and complex II and the processes of regulation of mitochondria in different metabolic states indicate that the activity of mitochondrial complex I , inhibited by vibration, is restored and mitochondrial complex II exhibits limited regulatory functions. This study has shown the energy-protective action of calcium channel blockers, due to which tissue resistance in response to vibration increases, thereby preventing the development of necrotic changes in the tissue.

About the authors

V. V Vorobieva

Institute of Experimental Medicine

Email: v.v.vorobeva@mail.ru
St. Petersburg, Russia

O. S Levchenkova

Smolensk State Medical University

Smolensk, Russia

P. D Shabanov

Institute of Experimental Medicine

St. Petersburg, Russia

References

  1. Ertel Е. А., Campbell К. Р., Harpold М. М., Hofmann F., Mori Y., Perez-Reyes E., Schwartz А., Snutch T. P., Tanabe Т., Birnbaumer L., Tsien R. W., and Catterall W. A. Nomenclature of voltage-gated calcium channels. Neuron, 25, 533 (2000).
  2. Ткачук В. А. и Авакян А. Э. Молекулярные механизмы сопряжения G-белков с мембранными рецепторами и системами вторичных посредников. Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 94 (12). 1478 (2008).
  3. Catterall W. A. Structure and regulation of voltage-gated CaM channels. Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 16, 521 (2000).
  4. Foell J. D., Balijepalli R. C., Delisle B. P., Yunker A. M. R., Robia S. L., Walker J. W., McEnery M. W., January C. T., and Kamp T. J. Molecular heterogeneity of calcium channel β-subunits in canine and human heart: evidence for differential subcellular localization. Physiol. Genomics, 17, 183 (2004).
  5. Hrynevich S. V., Waseem T. V., and Fedorovich S. V. Еstimation of the mitochondrial calcium pool in rat brain synaptosomes using rhod-2 am f luorescent dye. Biophysics, 62 (1), 75 (2017). DOI: 10.1134/ S0006350917010079
  6. Leung A. W., Waranyuwatana P., and Halestrap A. P. The mitochondrial phosphate carrier interacts with cyclophillin D and may play a key role in the permeability transition. J. Biol. Chem., 283, 26312 (2008). doi: 10.1074/jbc M805235200
  7. Hirabayashi Y., Kwon S.K., Paek H., Pernice W.M., Paul M.A., Lee J., Erfani P., Raczkowski A., Petrey D.S., Pon L.A., Polleux F. ER-mitochondria tethering by PDZD8 regulates Ca dynamics in mammalian neuros. Science, 358, 623 (2017). doi: 10.1126/science.aan6009
  8. Зинченко В. П., Каймачников Н. П., Долгачева Л. П. и Черных А. М. Регуляция и функциональное значение рецепторзависимого Са сигнала митохондрий. В сб. Матер. симп. «Митохондрии, клетки и активные формы кислорода» (Пущино, 2000), 179.
  9. Palty R., Silverman W. F., Hershfinkel М., Caporale T., Sensi S. L., Parnis J., Nolte С., Fishman D., Shoshan-Barmatz V., Herrmann S., Khananshvili D., and Sekler I. NCLX is an essential component of mitochondrial Na/Ca exchange. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 435 (2010).
  10. Коломиец В. В. О патофизиологической роли нарушений обмена кальция в развитии ангиодистонического синдрома вибрационной болезни. Гигиена труда и проф. заболевания, 10, 21 (1987).
  11. Костюк И. Ф. и Капустник В. А. Роль внутриклеточного обмена кальция в развитии вазоспастических реакций при вибрационной болезни. Медицина труда и пром. экология, № 7, 14 (2004).
  12. Кирьяков В. А., Павловская Н. А., Лапко И. В., Богатырева И. А., Антошина Л. И. и Ошкодеров О. А. Воздействие производственной вибрации на организм человека на молекулярно-клеточном уровне. Медицина труда и пром. экология, № 9, 34 (2018). doi: 10.31089/1026-9428-2018-9-34-43
  13. Корзенева Е. В. и Синева Е. Л. Заболевание сердечно-сосудистой системы у рабочих ведущих профессий горнорудной и машиностроительной промышленности. Медицина труда и пром. экология, № 10, 26 (2007).
  14. Мелентьев А. В., Серебряков П. В. и Жеглова А. В. Влияние шума и вибрации на нервную регуляцию сердца. Медицина труда и пром. экология, № 9, 19 (2018).
  15. Vorobieva V. V. and Shabanov P. D. Exposure to whole body vibration impairs the functional activity of the energy producing system in rabbit myocardium. Biophysics, 64 (2), 337 (2019). DOI: 10.1134/ 2FS0006350919020210
  16. Vater W., Kroneberg G., and Hoffmeister F. Pharmakologie von 4-(2 Nitrophenyl)-2, 6-dimethyl-1,4-dihidropyridin-3, 5-dicarbonsauredim ethylester (Bay a 1040, Nifedipine). Arzneim. Forsch., 22, 1 (1972).
  17. Abernethy D. R. and Soldatov J. Structure-functional diversity of human L-type Ca2+ channel: perspective for new pharmacological targets. J. Pharmacol. Exp. Ther., 300 (3), 724 (2002). doi: 10.1124/jpet.300.3.724
  18. Pogzig H. and Becher C. Voltage-dependent cooperative in interactions between Сa-channel blocking drugs in intact cardiac cell. Ann. N.Y. Acad. Sci., 560, 306 (1994).
  19. Clarc R. E., Christieb I. Y., Henry P. D., Fischer A. E., Nora J. D., Williamson J. R., Sobel B. E. Nifedipine: a miocardial protective agent. Amеr. J. Cardiol., 44 (5), 825–831 (1979). doi: 10.1016/0002-9149(79)90204-2
  20. Воробьева В. В. и Шабанов П. Д. Вибрационная модель гипоксического типа клеточного метаболизма, оцененная на кардиомиоцитах кролика. Бюл. эксперим. биологии и медицины, 147 (6), 712 (2009).
  21. Солодовникова И. М., Морфофункциональные характеристики митохондрий кардиомиоцитов изолированных кусочков миокарда при инкубации в условиях гипоксии. Дис. …канд. биол. наук (Москва, 2007).
  22. Захарченко М. В., Хундерякова Н. В. и Кондрашова М. Н. Важность сохранения биофизической организации выделенных митохондрий для выявления физиологической регуляции их функций Биофизика, 56 (5), 840 (2011).
  23. Руководство по изучению биологического окисления полярографическим методом, под ред. Г. М. Франка и М. Н. Кондрашовой (Наука, М., 1973).
  24. Никольс Д. Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию (Мир, М., 1985).
  25. Коваль А. Н., Грицук А. И. и Свергун В. Т. Параметры тканевого дыхания миокарда белых крыс при продолжительной инкорпорации радиоцезия. В сб. Матер. Всерос. раб. сов. «Митохондрии в патологии» (Пущино, 2001), с. 125.
  26. Chance B. and Williams G. Respiratory enzymes in oxidative phosphorylation. J. Biol. Chem., 217 (1), 324 (1955).
  27. Chance B. and Hollunger G. The interaction of energy and electron transfer reactions in mitochondria. J. Biol. Chem., 236 (5), 1534 (1961).
  28. Маевский Е. И., Розенфельд А. С., Гришина Е. В. и Кондрашова М. Н. Коррекция метаболического ацидоза путем поддержания функций митохондрий (Пущино, 2001).
  29. Akopova O. V., Nosar V. I., Mankovskaya I. N., and Sagach V. F. Еffect of potential-dependent potassium uptake on production of reactive oxygen species in rat brain mitochondria. Biochemistry, 73, (10), 1429 (2008). doi: 10.1134/s0006297914010076
  30. Brustovetsky N. N., Maevsky E. I., Kolaeva S. G., Danilova L. S., and Solomonov N. G. Regulation of the degree of coupling of oxidation with phosphorylation in rat liver mitochondria: relation to thermogenesis Biochem. Physiol., 82 (3), 545 (1985).
  31. Koves T. R., Noland R. C., Bates A. L., Henes S. T., Muoio D. M., and Cortright R. N. Subsarcolemmal and intermyofibrillar motochondria play distinct roles in regulating skeletal muscle fatty acid metabolism. Am. Physiol. Cell. Physiol., 288, (l), 1074 (2005). doi: 10.1152/ajpcell.00391.2004
  32. Grishina E. V., Maevsky E. I., Brustovetsky N. N., and Okon M. S. Energy efficiency of anaerobic substrate transformation in mitochondria in rats. Hypoxia Med. J., 2, 30 (1996).
  33. Vorobieva V. V. and Shabanov P. D., Tissue-specific peculiarities of vibration-induced hypoxia in rabbit liver and kidney. Bull. Experim. Biol. Med., 167 (5), 621 (2019) DOI: 101007/s10517-019-04583-0
  34. Лукьянова Л. Д. Проблемы гипоксии: молекулярные, физиологические и медицинские аспекты (Медицина, М., 2004).
  35. Воробьева В. В. и Шабанов П. Д. Тканеспецифические особенности вибрационно-опосредованной гипоксии сердца, печени и почки кролика. Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии, 14 (1), 46 (2016). doi: 10.17816/RCF14146-62
  36. Погорелов А. Г., Погорелова В. Н. и Дубровкин М. И. Активация специфических мембранных механизмов мышечной клетки сердца на начальной стадии ишемии. Биофизика, 47, 744 (2002).
  37. Дерябина Ю. И., Исакова Е. П. и Звягильская Р. А. Са-транспортирующие системы митохондрий: свойства, регуляция, таксономические особенности. Биохимия, 69 (1), 114 (2004).
  38. Авдонин П. В. и Ткачук В. А. Рецепторы и внутриклеточный кальций (Наука, М., 1994).
  39. Белостоцкая Л. И., Чайка Л. А. и Гомон О. Н. Влияние циннаризина на митохондриальную систему окисления мозга, антиоксидантную активность крови и поведение крыс при гипоксии. Эксперим. клин. фармакология, 66 (6),16 (2003).
  40. Кудюков Д. Н. и Векшин Н. Л. О «набухании» митохондрий под действием пальмитиновой кислоты, кальция и гипотонии. Биофизика, 61 (4), 736 (2016).
  41. Chastukhin D. S., Borodin A. V., and Khodorov B. I. Mathematical modeling of delayed calcium deregulation in brain neurons caused by hyperstimulation of glutamate receptors. Biophysics, 59 (2), 236 (2014). doi: 10.1134/s0006350914020067.
  42. Facundo H. T. F., de Paula J. G., and Kowaltowski A. J. Mitochondrial ATP-Sensitive K+ Channels Prevent Oxidative Stress, Permeability Transition and Cell Death. J. Bioenerg. Biomembr., 37, 75–82 (2005). doi: 10.1007/s10863-005-4130-1.
  43. Катцунг Б. Г. Базисная и клиническая фармакология, в 2-x томах (Бином, Диалект, М., 2004).

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies