Isoflurane modulates cardiac mitochondrial bioenergetics by selectively attenuating respiratory complexes

Abstract

Mitochondrial dysfunction contributes to cardiac ischemia-reperfusion (IR) injury but volatile anesthetics (VA) may alter mitochondrial function to trigger cardioprotection. We hypothesized that the VA isoflurane (ISO) mediates cardioprotection in part by altering the function of several respiratory and transport proteins involved in oxidative phosphorylation (OxPhos). To test this we used fluorescence spectrophotometry to measure the effects of ISO (0, 0.5, 1, 2 mM) on the time-course of interlinked mitochondrial bioenergetic variables during states 2, 3 and 4 respiration in the presence of either complex I substrate K+-pyruvate/malate (PM) or complex II substrate K+-succinate (SUC) at physiological levels of extra-matrix free Ca2+ (~200 nM) and Na+ (10 mM). To mimic ISO effects on mitochondrial functions and to clearly delineate the possible ISO targets, the observed actions of ISO were interpreted by comparing effects of ISO to those elicited by low concentrations of inhibitors that act at each respiratory complex, e.g. rotenone (ROT) at complex I or antimycin A (AA) at complex III. Our conclusions are based primarily on the similar responses of ISO and titrated concentrations of ETC inhibitors during state 3. We found that with the substrate PM, ISO and ROT similarly decreased the magnitude of state 3 NADH oxidation and increased the duration of state 3 NADH oxidation, ΔΨm depolarization, and respiration in a concentration-dependent manner, whereas with substrate SUC, ISO and ROT decreased the duration of state 3 NADH oxidation, ΔΨm depolarization and respiration. Unlike AA, ISO reduced the magnitude of state 3 NADH oxidation with PM or SUC as substrate. With substrate SUC, after complete block of complex I with ROT, ISO and AA similarly increased the duration of state 3 ΔΨm depolarization and respiration. This study provides a mechanistic understanding in how ISO alters mitochondrial function in a way that may lead to cardioprotection.

The Effect of Mitochondrial Complex I-Linked Respiration by Isoflurane Is Independent of Mitochondrial Nitric Oxide Production

“…This effect of isoflurane is consistent with the findings of the studies by Agarwal et al [7] and Riess et al [5]. Riess et al [5] found that sevoflurane reduced state 3 respiration when applied in state 2.…”

“…It has been reported that isoflurane attenuated the magnitude and increased the duration of state 3 NADH oxidation. These effects are likely due to restricted proton pumping by complex I causing a slowed and prolonged proton entry into complex V after adding ADP [7]. …”

“…Although the precise mechanisms responsible for APC-induced cardioprotection remain incompletely characterized, the reversible alteration of mitochondrial function initiated by volatile anesthetics has been implicated in cardioprotection [4]. The effects of volatile anesthetics on mitochondrial respiration and the electron transport chain (ETC) has been demonstrated in recent studies [5-7]. Ljubkovic et al [6] showed that APC-treated heart mitochondria exhibited a better preservation of respiration and adenosine triphosphate (ATP) synthesis after hypoxia stress than non-APC treated mitochondria did.…”

Restructuring of Skeletal Muscle, Lung and Heart Tissues of Rats Under Hypoxia Training

“…Оскільки основна мітохондрі-альна функція -енергетична -зумовлюється роботою дихальних ферментів мітохондрій, які є мембранозв'язаними, то протяжність мембран цих субклітинних органел може бути побічним показником їх здатності до участі в енергетичному метаболізмі клітин. Отже, при адаптації до ГН створюються умови для активації мітохондріального мембранного комплексу І, змін функціональ-ного спряження деяких мітохондріальних кіназ і стимуляції утворення АТФ, а також перешкоджання переходу процесів у стадію декомпенсації [26]. Отже, отримані результати свідчать, що при експериментальному тритижневому фі-зичному навантаженні, попри розвиток ГН, починають формуватися або вже формують-ся адаптивні реакції (збільшення кількості функціонуючих капілярів; активація морфо-генезу мітохондрій; поява юних та з помірним ступенем набухання мітохондрій; посилення піноцитозу в ендотеліоцитах тощо), спрямо-вані на попередження розвитку вторинної тканинної гіпоксії та збереження адекватного енергетичного метаболізму.…”

Calix[4]arenes as Modulators of Energy-Dependent Cа2+- Accumulation and Functioning of the Electron Transport Chain in Smooth Muscle Mitochondria

“…Блокування І комплексу ротеноном (5 мкмоль/л) або ІІІ комплексу антиміцином А (1 мкг/мл) [17] призводило до зростання рівня флуоресценції НАДH, та не відображалось на флуоресценції від ФАД. У разі дії антиміцину інтенсивність окиснення ФАД була меншою, ніж в контролі, тобто повного блокування активності ІІ комплексу не спостерігалось (графічні результати не наведено).…”