Hypoxia and Mitochondrial Oxidative Metabolism

1. AbstrakSekarang jelas bahwa cacat mitokondria berhubungan dengan berbagai macam

fenotipe klinis. Hal ini adalah hasil dari peran sentral mitokondria dalam produksi energi, reaktif homeostasis spesies oksigen, dan kematian sel. Proses ini saling tergantung dan dapat terjadi dalam berbagai kondisi menekankan, di antaranya tingkat oksigen yang rendah (hipoksia) tentu menonjol. Sel terkena hipoksia merespon akut dengan metabolit endogen dan protein segera mengatur jalur metabolik, tetapi jika kadar oksigen rendah berkepanjangan, sel mengaktifkan mekanisme beradaptasi, yaitu dengan hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1). Aktivasi faktor ini benar-benar terikat pada fungsi mitokondria, yang juga berkaitan dengan tingkat oksigen. Oleh karena itu dalam hipoksia, mitokondria berperan sebagai sensor, menyampaikan sinyal ke HIF-1 secara langsung atau tidak langsung, dan berkontribusi terhadap potensi redoks sel, homeostasis ion, dan produksi energi. Meskipun selama dua dekade terakhir respon seluler terhadap tekanan oksigen rendah telah dipelajari secara ekstensif, mekanisme yang mendasari fungsi-fungsi ini masih terbatas. Di sini kita meninjau pengetahuan saat ini peran mitokondria dalam hipoksia, dengan fokus terutama pada peran mereka dalam energi sel dan reaktif oksigen spesies homeostasis dalam kaitannya dengan HIF-1 stabilisasi. Selain itu, kami membahas keterlibatan HIF-1 dan protein inhibitor dari F1F0 ATPase dalam autophagy mitokondria hipoksia diinduksi.

2. Pendahuluan

Selama dua dekade terakhir fungsi mitokondria yang rusak terkait dengan hipoksia telah dipanggil dalam banyak gangguan kompleks yang beragam, seperti diabetes tipe 2, penyakit Alzheimer, iskemia jantung / reperfusi cedera, peradangan jaringan, dan kanker.

Mitokondria memiliki peran sentral dalam tubuh, yakni menghasilkan energi. Apabila sel mengalami hipoksia atau keadaan rendah oksigen maka akan terbentuk jalur metabolik. Apabila hipoksia terjadi lebih lama, maka tubuh akan membentuk HIF-1 atau Hypoxia Inducible Factor. Hipoksia menyebabkan beberapa penyakit, yaitu: Diabetes Tipe II, Alzheimer, Cardiac Ischemia, dan kanker. Mitokondria mengonsumsi banyak oksigen untuk melakukan proses fosforilasi oksidatif.

Ulasan ini merangkum data eksperimen baru-baru ini berkaitan dengan struktur dan fungsi mitokondria adaptasi terhadap hipoksia dan mengevaluasi itu dalam terang parameter struktural dan fungsional utama mendefinisikan bioenergetika mitokondria. Karena mitokondria mengandung protein inhibitor, IF1, yang beraksi di F1F0 ATPase telah dianggap selama puluhan tahun sangat penting dalam hipoksia / iskemia, pemberitahuan khusus akan didedikasikan untuk menganalisis aspek molekul peraturan IF1 enzim dan peran yang mungkin dalam metabolisme perubahan yang disebabkan oleh kadar oksigen yang rendah dalam sel.

3. Mekanisme Aktivasi HIF-1HIF-1 terdiri dari HIF-1yang aktif pada gilirannya mengikat inti elemen respon hipoksia dalam beragam gen mengikutsertakan proses biologi yang berbeda dan secara langsung

1

mengtransaktivasi  gen enzim glikolitik. Konsentrasi 02, produk mitokondria yang multiple, termasuk siklus TCA dan spesies oksigen yang reaktif (ROS),  bisa mengkoordinasi aktivitas PHD, stabilisasi dari HIF, namun delplesi 02. Secara tidak sengaja, aliran dari siklus TCA yang mengalami gangguan bisa menyebabkan kehilangan produksi energy dari kedua rantai transport electron dan siklus krebs, dan juga pada produksi berlebihan di radikal bebas.  Telah di sadari oleh sebagian pengarang percaya bahwa reactive oxygen species (ROS) pengting untung mengaktivasi HIF-1 tapi yang lain menantang ide ini, oleh karena itu, peran dari mitokondria ROS dalam regulasi HIF-1 dalam hypoxia masih kontroversial. Lebih lagi, kotribusi ada fungsi mitokondria ke regulasi HIF-1 masih dipertanyakan.

4. Pengaruh dari Pengurangan Tingkat Oksigen pada Metabolisme Energi di dalam SelSel beradaptasi dengan reduksi oksigen dengan cara menginduksi HIF aktif, yang dapat

menyebabkan inaktivasi anabolisme, aktivasi glikolisis anaerobik, dan penghambatan metabolisme mitokondria aerobik: siklus TCA, dan OXPHOS. Karena OXPHOS memasok sebagian besar ATP diperlukan untuk proses seluler, tekanan oksigen yang rendah akan sangat mengurangi ketersediaan energi sel.

Hal ini terjadi melalui beberapa mekanisme: pertama, tekanan oksigen yang rendah menurunkan laju respirasi, yang pertama dikarenakan nonsaturating substrat untuk cytochrome c oxidase (COX), yang kedua dikarenakan modulasi alosterik COX. Sebagai konsekuensinya, potensial fosforilasi menurun, dan laju glikolisis meningkat dikarenakan peningkatan alosterik dari aktivitas phosphofructokinase. Selain itu, HIF-1 mengaktifkan transkripsi gen yang mengkode transporter glukosa dan enzim glikolitik.

Kedua, HIF-1 mengkoordinat dua tindakan yang berbeda pada fase mitokondria dari oksidasi glukosa: akan mengaktifkan transkripsi gen PDK1 pengkodean kinase yang memfosforilasi dan menginaktivasi piruvat dehidrogenase, sehingga memindahkan piruvat dari mitokondria dengan mencegah dekarboksilasi oksidatif yang menjadi asetil-CoA. Selain itu, HIF-1 menginduksi pergantian dalam komposisi sitokrom c oksidase dari COX4-1 ke COX4-2 isoform, yang meningkatkan aktivitas spesifik dari enzim. Akibatnya, baik tingkat respirasi dan tingkat ATP dari sel hipoksia membawa COX4-2 isoform dari sitokrom c oksidase yang meningkat secara signifikan sehubungan dengan sel-sel yang sama dan yang membawa COX4-1 isoform. HIF-1 juga dapat meningkatkan ekspresi karbonat anhidrase 9, yang mengkatalisis hidrasi reversibel CO2 untuk HCO3- dan H +, sehingga berkontribusi terhadap regulasi pH.

5. Pengaruh dari Pengurangan Tingkat Oksigen pada Mitokondria5.1. Pengaruh Hipoksia pada Struktur dan Dinamika Mitokondrial

Pada keadaan normal mitokondria penuh dengan substrat karena dalam keadaan normal, mitokondria memiliki cukup oksigen untuk mengurangi konsumsi glukosa. Sedangkan dalam keadaan hipoksia, mitokondria kekurangan substrat, dikarenakan kekurangan oksigen. Sehingga konsumsi glukosa meningkat dan membuat bentuk mitokondria yang hipoksia lebih kecil daripada mitokondria normal.

5.2. Pengaruh Hipoksia pada Kompleks Rantai PernapasanTingkat laju respirasi dalam sel yang terkena kondisi hipoksia dapat mengakibatkan

penurunan pernafasan yang signifikan. Penurunan laju respirasi tersebut berasal dari autofagi mitokondria karena ekspresi HIF-1 di oleh BNIP3. Ketika sel sel yang sedang dalam kondisi

2

hipoksik, sintesis oksida nitrat (NOS) diaktifkan dan maka NO dilepaskan.NO merupakan kompetitor yang kuat dari O2 untuk sitokrom c oksidase, maka pengurangan sitokrom mitokondria dan semua pusat redoks dari rantai pernafasan terjadi. Penghambatan NO bergantung kepada sitokrom c oksidase yang memungkinkan menyimpan O2 untuk mendistribusikan dalam sel yang akan digunakan oleh enzim lain, termasuk prolyl hydroxylase domain yang menginvaktifasi HIF. Oleh karena itu, kecuali jika NO menghambat sitokrom c oksidase terjadi hanya ketika O2 sangat rendah, penghambatan konsumsi oksigen mitokondria dapat menciptakan situasi di mana sel mungkin gagal untuk berada dalam kondisi hipoksik

Secara khusus, hipoksia bisa mengurangi fusi mitokondria dengan merusak potensial membran mitokondria, yang pada gilirannya dapat menyebabkan pembongkaran supercomplexes, meningkatkan produksi ROS.

5.3. Kompleks III dan produksi ROSTelah diperkirakan bahwa dibawah kondisi fisiologi dibawah normonix, 1-2%

aliran electron dari rantai pernafasan mitokondria menimbulkan adanya ROS. Telah dikenali bahwa bagian utama dari produksi ROS adalah dalam complex I, dan III.  Telah diharapkan juga kalau hipoksia bisa menurunkan produksi ROS karena turunnya level 02 dan dikurangnya respirasi mitokondria. Tetapi level ROS secara paradox naik. Beberapa penelitian ada bukti bagus yang menunjukkan kalau ROS mitokondria memicu transkripsi induksi hipoksia dan beberapa tahun kemudian pada grup yang sama ditunjukkan bahwa ROS dihasilkan dari complex III pada rantai respirasi mitokondria. Walaupun beberapa mengusulkan bahwa mekanise tersebut di indikasi dari peran mitokondria di regulasi HIF- selama hypoxia. Disisi lain, Kontribusi mitokondria dengan HIF-1masih dipertanyakan. Penelitian lain mengatakan kalau inhibisi dari transport electron complex I,III dan IV yang sama juga dengan inhibisi mitokondrial FOF1 ATPase, mencegah ekspresi HIF-1 dan mitokondrial ROS tidak termasuk dalam HIF-1  regulasi selama hypoxia.  Ada juga yang menemukan bahwa level HIF-1 sebanding dengan normal dan sel o ( sel yang kurang DNA mitokondria). Pada kebalikannya,  sebuah eksperimen membawa model genetic terdiri dari kedua sel yang kurang sitokrom c atau sel  yang bisa menjadi bukti pada peran esensial dari repirasi mitokondrial untuk menstabilisasi hIF-1. 

5.4. Hipoksia dan ATP SintaseEnzim yang bertanggung jawab atas katalisasi ADP fosforilasi sebagai tahap

terakhir OXPHOS adalah F1 F0 ATPase (ATP sintase). Ini adalah mekanisme putaran yang menggunakan motif proton untuk melintasi membran dalam mitokondria yang akan mendorong terjadinya sintesis ATP. ATP sintase adalah enzim yang dapat dibalik dengan ATP sintesis atau hidrolisis.

F1 F0 ATPase dapat berfungsi pada mode pembalikan: menghidrolisis ATP (diproduksi oleh glikolisis anaerob) dan menggunakan energi yang dilepaskan untuk memompa proton dari matriks mitokondria ke ruang antarmembran, bertindak bersamaan dengan adenine nukleotida (yaitu hipoksia menukar ATP4−¿ ¿ sitosol untuk matriks ATP3−¿¿) untuk mempertahankan yang fisiologis. Karena kondisi ketersediaan oksigen terbatas penurunan fosfat sitoplasma energi tinggi ini terutama disebabkan oleh hidrolisis

3

oleh sintase ATP bekerja secara terbalik. Enzim harus diatur secara ketat untuk menghindari pembuangan ATP.

IF1terkait dengan produksi ROS dan autofagi (kematian sel) mitokondria. Ini adalah mekanisme yang melibatkan degradasi katabolic makromolekul dan organel melali jalur lisosom yang memberikan kontribusi untuk rumah tangga dan regenerasi metabolit. Degradasi autofagi terlibat dalam regulasi proses penuaan dan beberapa penyakit manusia seperti miokardial iskemia/reperfusi, Alzheimer dan lainnya.

Dalam sel Hela pada kondisi normoxic, aktivitas autofagi basal bervariasi dalam kaitannya dengan tingkat ekspresi IF1 . Sel-sel yang mengekspresikan hasil IF1dalam produksi ROS mirip dengan kontrol. Sebaliknya sel dimana ekspresi IF1ditekan menunjukkan produksi ROS ditingkatkan. Secara pararel, sel-sel yang terakhir menunjukkan aktivasi jalur mitofagi, karna itu menunjukkan bahwa variasi dalam tingkan ekspresi IF1mungkin memainkan peran penting dalam menentukan dua parameter.

6. KesimpulanMitokondria adalah platform selular terpenting untuk menyebarkan dan memullai sinyal

intraselular untuk keseluruhan seluler dan respon metaboloik. Dalam sel hypoxia terdapat peningkatan transkripsi, sintesis pada jalur enzim glikolitik dan reduksi sintesis protein yang termasuk di katabolisme mitokondrial.  Meskipun parameter reaksi kinetic di hypoxia berkurang, biasanya berasumsi kalau transkripsi ini berubah menjadi modifikasi flux metabolic. Durasi dan keganasan stress hypoxic mengaktivasi respon yang telah dibahas sepanjang dan bisa menjadi variasi fenotipik substansi dan secara pasti diketahui.

Pekerja di masa depan akan melanjutkan eksplorasi terhadap efek induksi hypoxia dan membantu untuk memberikan kejelasan posisi pada fungsi mitokondria. Sinyal antara jalur multi selular, termasuk yang ikut dalam kelainan kompleks seperti tumor, komplikasi dari diabetes dan neurodegenerasi yang berhubungan dengan hypoxia. 

4