J Physiol-1999-Duchen-1-17

8/6/2019 J Physiol-1999-Duchen-1-17

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S i n c e t h e a w a r d o f t h e 1 9 7 8 N o b e l p r i z e f o r C h e m i s t r y t o

P e t e r M i t c h e l l f o r h i s f o r m u l a t i o n o f t h e c h e m i o s m o t i c

t h e o r y o f o x i d a t i v e p h o s p h o r y l a t i o n ( M i t c h e l l & M o y l e ,

1 9 6 7 ) , m o s t p h y s i o l o g i s t s h a v e r e g a r d e d m i t o c h o n d r i a a s

s o l v e d . T h e y h a v e b e e n p e r c e i v e d a s d i v o r c e d f r o m t h o s e

a s p e c t s o f p h y s i o l o g y t h a t a r e d e e m e d e x c i t i n g a n d

s i g n i f i c a n t , a n d d i s m i s s e d a s b o r i n g s t r u c t u r e s w h o s e s o l e

f u n c t i o n i s t o m a n u f a c t u r e A T P u n o b t r u s i v e l y a n d o n

d e m a n d , s u b s e r v i e n t t o t h e e n e r g e t i c d e m a n d s o f t h e c e l l .

T h i s e s s a y w a s u n w i t t i n g l y p r o m p t e d b y a c o l l e a g u e w h o s a t

d o w n n e x t t o m e a t c o f f e e o n e m o r n i n g , a f t e r g i v i n g a n

u n d e r g r a d u a t e l e c t u r e o n b a s i c c e l l b i o l o g y a n d c o m m e n t e d

Y o u w o r k o n m i t o c h o n d r i a , d o n t y o u ? W h y a r e t h e y

i n t e r e s t i n g ? W h a t s h o u l d I t e l l t h e s t u d e n t s ? O v e r t h e l a s t

f e w y e a r s , m i t o c h o n d r i a h a v e r e - e m e r g e d i n t o t h e s p o t l i g h t

o f s c i e n t i f i c s c r u t i n y a f t e r m a n y y e a r s i n t h e w i n g s , a s

u n f a m i l i a r r o l e s a r e a t t r i b u t e d t o t h e m t h a t e v e n P e t e r

M i t c h e l l w o u l d p r o b a b l y n e v e r h a v e i m a g i n e d ( s e e a l s o

M i l l e r , 1 9 9 8 ) .

T h e b i g g e s t p i c t u r e ?

O x y g e n i s n e c e s s a r y f o r l i f e b u t o n l y b e c a u s e o u r

m i t o c h o n d r i a u s e i t t o g e n e r a t e A T P . T h o u g h t t o b e d e r i v e d

f r o m p r o k a r y o t i c m i c r o - o r g a n i s m s w h i c h e v o l v e d a s y m b i o t i c

r e l a t i o n s h i p w i t h t h e i r e u k a r y o t i c h o s t s ( f o r r e v i e w , s e e

M a r g u l i s , 1 9 9 6 a n d s e e G r a y , 1 9 9 8 ) , m i t o c h o n d r i a a r e o u r

p r i m a r y c o n s u m e r s o f o x y g e n , a n d i t c o u l d b e a r g u e d t h a t

t h e m i t o c h o n d r i a l r e q u i r e m e n t f o r o x y g e n d e l i v e r y h a s

d r i v e n t h e e v o l u t i o n o f t h e r e s p i r a t o r y a n d c a r d i o v a s c u l a r

s y s t e m s . M i t o c h o n d r i a , d e s p i t e a l l t h a t f o l l o w s h e r e , a r e

p r i m a r i l y A T P g e n e r a t o r s . T h i s i s f a r f r o m t r i v i a l : A T P i s

t h e m a j o r c u r r e n c y i n t h e c e l l u l a r e c o n o m y , r e q u i r e d t o

d r i v e b y f a r t h e m a j o r i t y o f e n e r g y - r e q u i r i n g r e a c t i o n s i n a l l

l i v i n g t h i n g s , f r o m b a c t e r i a a n d p l a n t s t o m a n . I t i s

n e c e s s a r y f o r t h e p h o s p h o r y l a t i o n r e a c t i o n s t h a t m o d u l a t e

s o m a n y f u n d a m e n t a l c e l l u l a r p r o c e s s e s . I t m a y b e s t o r e d

a n d u s e d a s a ( n e u r o ) t r a n s m i t t e r , a n d i t c o n t r o l s t h e a c t i v i t y

o f s e v e r a l c l a s s e s o f i o n c h a n n e l ( s u c h a s t h e A T P - s e n s i t i v e

K ( K A T P

) c h a n n e l , t h e c a l c i u m r e l e a s e c h a n n e l o f

s a r c o p l a s m i c r e t i c u l u m a n d v o l t a g e - g a t e d c a l c i u m c h a n n e l s ) .

M i t o c h o n d r i a a l s o t a k e u p c a l c i u m , a n d a r e f u n c t i o n a l l y

t i g h t l y i n t e g r a t e d i n t o m e c h a n i s m s o f c e l l u l a r c a l c i u m

s i g n a l l i n g , a n d t h i s w i l l p r o v i d e a m a j o r f o c a l p o i n t b e l o w . I t

i s a l s o o f t e n f o r g o t t e n t h a t m i t o c h o n d r i a h o u s e a n u m b e r o f

c r i t i c a l l y i m p o r t a n t b i o c h e m i c a l p r o c e s s e s q u i t e d i s t i n c t a n d

s e p a r a t e f r o m e n e r g y m e t a b o l i s m k e y e n z y m e s i n v o l v e d

i n h a e m o g l o b i n a n d s t e r o i d s y n t h e s i s , f o r e x a m p l e , a n d e v e n

t h e c a r b o n i c a n h y d r a s e n e e d e d t o m a k e g a s t r i c a c i d .

J o u r n a l o f P h y s i o l o g y ( 1 9 9 9 ) , 5 1 6 . 1 , p p . 1 1 7

1

T o p i c a l R e v i e w

C o n t r i b u t i o n s o f m i t o c h o n d r i a t o a n i m a l p h y s i o l o g y : f r o m

h o m e o s t a t i c s e n s o r t o c a l c i u m s i g n a l l i n g a n d c e l l d e a t h

M i c h a e l R . D u c h e n

D e p a r t m e n t o f P h y s i o l o g y , U n i v e r s i t y C o l l e g e L o n d o n , G o w e r S t r e e t ,

L o n d o n W C 1 E 6 B T , U K

( R e c e i v e d 6 J a n u a r y 1 9 9 9 ; a c c e p t e d a f t e r r e v i s i o n 1 0 F e b r u a r y 1 9 9 9 )

O v e r r e c e n t y e a r s , i t h a s b e c o m e c l e a r t h a t m i t o c h o n d r i a p l a y a c e n t r a l r o l e i n m a n y k e y

a s p e c t s o f a n i m a l p h y s i o l o g y a n d p a t h o p h y s i o l o g y . T h e i r c e n t r a l a n d u b i q u i t o u s t a s k i s

c l e a r l y t h e p r o d u c t i o n o f A T P . N e v e r t h e l e s s , t h e y a l s o p l a y s u b t l e r o l e s i n g l u c o s e

h o m e o s t a s i s , a c t i n g a s t h e s e n s o r f o r s u b s t r a t e s u p p l y i n t h e t r a n s d u c t i o n p a t h w a y t h a t

p r o m o t e s i n s u l i n s e c r e t i o n b y t h e p a n c r e a t i c _ c e l l a n d t h a t m o d u l a t e s t h e e x c i t a b i l i t y o f t h e

h y p o t h a l a m i c g l u c o s e - s e n s i t i v e n e u r o n s i n v o l v e d i n a p p e t i t e c o n t r o l . M i t o c h o n d r i a m a y a l s o

a c t a s s e n s o r s o f a v a i l a b i l i t y o f o x y g e n , t h e o t h e r m a j o r m i t o c h o n d r i a l s u b s t r a t e , i n t h e

r e g u l a t i o n o f r e s p i r a t i o n . M i t o c h o n d r i a t a k e u p c a l c i u m , a n d t h e h i g h c a p a c i t y m i t o c h o n d r i a l

c a l c i u m u p t a k e p a t h w a y p r o v i d e s a m e c h a n i s m t h a t c o u p l e s e n e r g y d e m a n d t o i n c r e a s e d

A T P p r o d u c t i o n t h r o u g h t h e c a l c i u m - d e p e n d e n t u p r e g u l a t i o n o f m i t o c h o n d r i a l e n z y m e

a c t i v i t y . M i t o c h o n d r i a l c a l c i u m a c c u m u l a t i o n m a y a l s o h a v e a s u b s t a n t i a l i m p a c t o n t h e

s p a t i o t e m p o r a l d y n a m i c s o f c e l l u l a r c a l c i u m s i g n a l s , w i t h s u b t l e d i f f e r e n c e s o f d e t a i l i n

d i f f e r e n t c e l l t y p e s . R e c e n t w o r k h a s a l s o r e v e a l e d t h e c e n t r a l i t y o f m i t o c h o n d r i a l

d y s f u n c t i o n a s a n i r r e v e r s i b l e s t e p i n t h e p a t h w a y t o b o t h n e c r o t i c a n d a p o p t o t i c c e l l d e a t h .

T h i s r e v i e w l o o k s a t r e c e n t d e v e l o p m e n t s i n t h e s e r a p i d l y e v o l v i n g a r e a s o f c e l l p h y s i o l o g y

i n a n a t t e m p t t o d r a w t o g e t h e r d i s p a r a t e a r e a s o f r e s e a r c h i n t o a c o m m o n t h e m e .

9 1 2 6

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w h i c h i n i s o l a t i o n , c a n s h o w c h a n n e l - l i k e p r o p e r t i e s i n t h e

p r e s e n c e o f h i g h [ C a ] ( B r u s t o v e t s k y & K l i n g e n b e r g , 1 9 9 6 ) .

P e r h a p s m o s t s i g n i f i c a n t l y , t h e c h a n n e l i s c l o s e d b y

c y c l o s p o r i n A ( C s A ; C r o m p t o n e t a l . 1 9 8 8 ) , w h i c h b i n d s t o

c y c l o p h i l i n D ( c y p D ) , a m i t o c h o n d r i a l p r o t e i n t h a t

m e d i a t e s c h a n n e l o p e n i n g ( F i g . 1 A ) . T h e p h a r m a c o l o g y i s

u n s a t i s f a c t o r y a s C s A h a s m a n y s i t e s o f a c t i o n , i n t e r a c t i n g

w i t h a w h o l e f a m i l y o f c y c l o p h i l i n s w h o s e p r o p e r t i e s r e m a i n

p o o r l y c h a r a c t e r i z e d . R e c e n t l y , m e t h y l - v a l i n e C s A w a s

m a d e a v a i l a b l e w i t h a m o r e s e l e c t i v e a c t i o n o n t h e c h a n n e l .

A d e t a i l e d r e v i e w o f t h e c h a n n e l i s o u t o f p l a c e h e r e , a n d

t h e r e a d e r i s r e f e r r e d t o a n u m b e r o f r e c e n t r e v i e w s ( Z o r a t t i

& S z a b o , 1 9 9 5 ; I c h a s & M a z a t , 1 9 9 8 ) , w h i l e i t s p o s s i b l e

p h y s i o l o g i c a l a n d p a t h o p h y s i o l o g i c a l r o l e s w i l l b e d i s c u s s e d

b e l o w .

C a u s e s a n d c o n s e q u e n c e s o f m i t o c h o n d r i a l

d e p o l a r i z a t i o n ; m i t o c h o n d r i a a s A T P c o n s u m e r s . I t i s

p e r h a p s i m p o r t a n t h e r e t o e m p h a s i s e t h a t m i t o c h o n d r i a l

d e p o l a r i z a t i o n i s n o t s p e c i f i c t o a n y s i n g l e p r o c e s s . I n f l u x o f

c a t i o n s s u c h a s C a o r K w i l l c a r r y a c u r r e n t a n d

d e p o l a r i z e t h e m e m b r a n e , j u s t a s a n i n w a r d c u r r e n t

d e p o l a r i z e s t h e p l a s m a m e m b r a n e . O p e n i n g o f a c h a n n e l

s u c h a s t h e l a r g e c o n d u c t a n c e p a t h w a y p r o v i d e d b y t h e

M P T , o r t h e a c t i o n o f t h e p r o t o n o p h o r i c u n c o u p l e r s , s u c h a s

F C C P o r C C C P , w h i c h s h u t t l e p r o t o n s a c r o s s t h e m e m b r a n e ,

s h o r t c i r c u i t s m . T h e i n t a c t r e s p i r a t o r y c h a i n r e s p o n d s t o

t h e d e p o l a r i z a t i o n b y c o n s u m i n g o x y g e n a t a m a x i m a l r a t e .

U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s , t h e r e i s n o d r i v i n g f o r c e f o r A T P

s y n t h e s i s , a n d A T P m a y b e c o n s u m e d a s t h e F 1 F 0 - A T P

s y n t h a s e r u n s i n r e v e r s e m o d e : t h e e q u i l i b r i u m o f t h e

A T P s y n t h a s e i s d e t e r m i n e d b o t h b y m a n d b y t h e

A T P A D P . P r a t i o . I n d e e d , t h e e n z y m e m a y b e r e g a r d e d

s i m p l y a s a n A T P a s e w h i c h i s d r i v e n a s a n A T P s y n t h a s e b y

v i r t u e o f t h e m i t o c h o n d r i a l p o t e n t i a l . I n r e s p o n s e t o

m i t o c h o n d r i a l d e p o l a r i z a t i o n , t h e e n z y m e a c t i v i t y r e v e r t s t o

i t s A T P a s e a c t i v i t y , i . e . i t n o w c o n s u m e s A T P a n d p u m p s

p r o t o n s o u t w a r d s , i n a f u t i l e , e n e r g y - c o n s u m i n g c y c l e .

I n d e e d , A T P m a y b e c o n s u m e d i n m i n u t e s i n r e s p o n s e t o

a n u n c o u p l e r ( e . g . s e e L e y s s e n s e t a l . 1 9 9 6 ) . R e m o v a l o f

s u b s t r a t e e i t h e r o f o x y g e n o r o f c a r b o n s o u r c e s o r

e x p o s u r e t o i n h i b i t o r s o f t h e r e s p i r a t o r y c h a i n s t o p s

r e s p i r a t i o n , t h e p r o c e s s t h a t s u s t a i n s t h e p o t e n t i a l . T h e

c o n s e q u e n c e t h e n d e p e n d s o n t h e l e a k i n e s s o f t h e i n n e r

m i t o c h o n d r i a l m e m b r a n e a n d o n t h e a c t i v i t y o f t h e A T P a s e

i n r e v e r s e m o d e , w h i c h , b y a c t i n g a s a p r o t o n p u m p , c a n

s u s t a i n t h e p o t e n t i a l i n s o m e c e l l s u n t i l A T P i s d e p l e t e d

( e . g . s e e D u c h e n e t a l . 1 9 9 3 a ) . I s i t n o t r e m a r k a b l e t h a t t h e

p o w e r h o u s e o f t h e c e l l m a y p r o v i d e a p r i m a r y m e c h a n i s m

o f A T P d e p l e t i o n a n d m a y p r e c i p i t a t e c e l l d e a t h w h e n

f u n c t i o n i s c o m p r o m i s e d ? T h i s a c t i v i t y c a n b e a s c r i b e d t o

t h e r e l a t i v e i n d e p e n d e n c e o f m i t o c h o n d r i a : i t i s u s e f u l f o r t h e

m i t o c h o n d r i o n t o c o n s u m e A T P a n d c o n s e r v e m

a s t h i s

p r e v e n t s m i t o c h o n d r i a l s w e l l i n g . H o w e v e r , i t i s n o t i n t h e

b e s t i n t e r e s t s o f t h e c e l l , a n d m a n y c e l l s h a v e e v o l v e d a

p r o c e s s t o i m p o s e t h e i r o w n i n t e r e s t s o v e r a n d a b o v e t h a t o f

t h e m i t o c h o n d r i a l p o o l , a n d e x p r e s s a p r o t e i n k n o w n a s I F 1

( t h e i n h i b i t o r y p r o t e i n s e e W a l k e r , 1 9 9 4 ) , a c o m p o n e n t o f

t h e A T P s y n t h a s e c o m p l e x , w h i c h i n h i b i t s m i t o c h o n d r i a l

A T P c o n s u m p t i o n . U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s , t h e p o w e r p l a y

b e t w e e n t h e i n t e r e s t s o f m i t o c h o n d r i a l a n d c e l l r e q u i r e m e n t s

i s r e v e a l e d , p e r h a p s g i v i n g a r e m i n d e r o f t h e i r e v o l u t i o n a r y

o r i g i n s .

S t u d i e s o f m i t o c h o n d r i a l f u n c t i o n i n s i n g l e c e l l s

U n t i l r e c e n t l y , a l m o s t a l l t h e l i t e r a t u r e c o n c e r n i n g

m i t o c h o n d r i a l f u n c t i o n w a s d e r i v e d f r o m s t u d i e s o f i s o l a t e d

m i t o c h o n d r i a i n s u s p e n s i o n . T y p i c a l l y , t h i s m e a n s b r a i n ,

h e a r t o r l i v e r . I t w a s v e r y d i f f i c u l t t o g a t h e r d a t a a b o u t t h e

s p e c i f i c p r o p e r t i e s o f m i t o c h o n d r i a i n d i s c r e t e c e l l t y p e s i n

c e r e b e l l a r g r a n u l e c e l l s a s o p p o s e d t o P u r k i n j e c e l l s o r

h i p p o c a m p a l p y r a m i d a l n e u r o n s f o r e x a m p l e . T h e g r o w t h o f

o u r k n o w l e d g e a b o u t t h e b e h a v i o u r o f m i t o c h o n d r i a i n

l i v i n g c e l l s o w e s m u c h t o t h e d e v e l o p m e n t o f f l u o r e s c e n c e

m e a s u r e m e n t a n d i m a g i n g t e c h n o l o g i e s ( s e e F i g . 1 B D ) .

M e a s u r e m e n t s o f m i t o c h o n d r i a l p o t e n t i a l , o f i n t r a -

m i t o c h o n d r i a l [ C a ] ( [ C a ] m

) a n d o f m i t o c h o n d r i a l r e d o x

s t a t e i n s i n g l e c e l l s h a s m a d e i t p o s s i b l e t o e x p l o r e t h e

p r o p e r t i e s o f m i t o c h o n d r i a w i t h i n i d e n t i f i a b l e c e l l t y p e s a n d

t h e i r r e s p o n s e s t o p h y s i o l o g i c a l a n d p a t h o p h y s i o l o g i c a l

s t i m u l i i n g r e a t d e t a i l , a l t h o u g h i t h a s t o b e s a i d t h a t t h e s e

m e a s u r e m e n t s a r e n o t w i t h o u t p i t f a l l s , a s i n t e r p r e t a t i o n o f

t h e f l u o r e s c e n c e s i g n a l s f r o m s o m e o f t h e i n d i c a t o r s u s e d

r e m a i n s s o m e w h a t a m b i g u o u s . P r e s u m a b l y t h e r e i s s t i l l m u c h

t o b e l e a r n e d a b o u t t h e s p e c i a l i z a t i o n s o f m i t o c h o n d r i a l

f u n c t i o n i n d i f f e r e n t c e l l t y p e s .

M i t o c h o n d r i a l c o n t r i b u t i o n s t o m a c r o p h y s i o l o g y :

m i t o c h o n d r i a p l a y a c e n t r a l r o l e i n s e n s i n g g l u c o s e

a n d o x y g e n

T h e p r i m a r y e n e r g y s u p p l y f o r m i t o c h o n d r i a l m e t a b o l i s m i s

d e r i v e d f r o m g l u c o s e a n d o x y g e n . I t m i g h t , t h e r e f o r e , s e e m

a p p r o p r i a t e t h a t m i t o c h o n d r i a a r e u s e d a s s u b s t r a t e s e n s o r s

i n t h e m a j o r b i o l o g i c a l s y s t e m s i n v o l v e d i n t h e h o m e o s t a t i c

r e g u l a t i o n o f t h e s e f u n d a m e n t a l v a r i a b l e s i n t h e

p a n c r e a t i c - c e l l ( A s h c r o f t & G r i b b l e , 1 9 9 8 ) , i n t h e g l u c o s e -

s e n s i n g n e u r o n s o f t h e h y p o t h a l a m u s ( A s h f o r d e t a l . 1 9 9 0 )

a n d i n t h e o x y g e n - s e n s i n g c a r o t i d b o d y ( D u c h e n & B i s c o e ,

1 9 9 2 a , b ) .

R o l e o f m i t o c h o n d r i a i n g l u c o s e h o m e o s t a s i s . I n b o t h t h e

p a n c r e a t i c _ c e l l a n d t h e g l u c o s e - s e n s i n g n e u r o n s o f t h e

h y p o t h a l a m u s , d e l i v e r y o f s u b s t r a t e s t i m u l a t e s m i t o c h o n d r i a l

r e s p i r a t i o n , a n d t h e r e s u l t i n g i n c r e a s e i n A T P A D P . P r a t i o

c l o s e s a c l a s s o f K c h a n n e l s i n t h e p l a s m a l e m m a ( K A T P

c h a n n e l s ) . T h e c e l l m e m b r a n e p o t e n t i a l d e p o l a r i z e s , o p e n i n g

v o l t a g e - g a t e d C a c h a n n e l s , r a i s i n g [ C a ] . I n t h e _ c e l l ,

t h i s p r o m o t e s i n s u l i n s e c r e t i o n , t h e i n s u l i n l o w e r s p l a s m a

[ g l u c o s e ] a n d c l o s e s t h e f e e d b a c k l o o p . I n t h e h y p o t h a l a m u s ,

r e g u l a t i o n o f n e u r o n a l e x c i t a b i l i t y b y A T P - d e p e n d e n t K

c h a n n e l s a l s o a p p e a r s t o p l a y a r o l e i n t h e c o n t r o l o f t o t a l

b o d y g l u c o s e t h r o u g h t h e r e g u l a t i o n o f a p p e t i t e . I n d e e d , t h e

s i t u a t i o n i s e v e n m o r e c o m p l e x : t w o c e l l t y p e s h a v e b e e n

d e s c r i b e d , s o m e e x p r e s s i n g a K A T P

c h a n n e l a n d d e p o l a r i z i n g

i n r e s p o n s e t o a n i n c r e a s e d s u p p l y o f g l u c o s e , w h i l e a n o t h e r

c l a s s o f c e l l s e x p r e s s a n A T P - a c t i v a t e d K c h a n n e l , a n d

M i t o c h o n d r i a l p h y s i o l o g y

J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

3



4/17

M . R . D u c h e n

J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

4

F i g u r e 1 . I m a g i n g m i t o c h o n d r i a l f u n c t i o n

A , c a r t o o n o f a m i t o c h o n d r i o n , i l l u s t r a t i n g t h e b a s i c p r i n c i p l e s o f t h e c h e m i o s m o t i c b a s i s f o r o x i d a t i v e

p h o s p h o r y l a t i o n . T h e s u p p l y o f s u b s t r a t e ( o n l y g l u c o s e i s s h o w n , b u t o t h e r s u b s t r a t e s k e t o n e s a n d f a t t y

a c i d s a r e a l s o u s e d b y s o m e c e l l s ) t o t h e t r i c a r b o x y l i c a c i d c y c l e ( T C A o r K r e b s c y c l e ) p r o m o t e s t h e

r e d u c t i o n o f N A D t o N A D H a n d o f F A D t o F A D H . A s t h e s e a r e r e - o x i d i z e d , t h e y s u p p l y e l e c t r o n s t o t h e

r e s p i r a t o r y c h a i n . T h o s e e l e c t r o n s a r e t r a n s f e r r e d t h r o u g h t h e e n z y m e c o m p l e x e s o f t h e r e s p i r a t o r y c h a i n

t o o x y g e n , w i t h t h e p r o d u c t i o n o f w a t e r . I n t h e p r o c e s s , p r o t o n s a r e t r a n s l o c a t e d a c r o s s t h e i n n e r

m i t o c h o n d r i a l m e m b r a n e , g e n e r a t i n g a p o t e n t i a l g r a d i e n t o f a p p r o x i m a t e l y 1 5 0 t o 2 0 0 m V ( r e f e r r e d t o

a s m

) . A T P s y n t h e s i s t a k e s p l a c e a t a s e p a r a t e s i t e , t h e A T P s y n t h a s e , w h i c h c o n s i s t s o f a p r o t o n

c h a n n e l ( t h e F 0 s u b u n i t ) a n d a n A T P s y n t h a s e ( t h e F 1 s u b u n i t ) . T h e e n z y m e i s d r i v e n b y t h e d o w n h i l l

m o v e m e n t o f p r o t o n s t h r o u g h t h e F 0 c h a n n e l a n d p h o s p h o r y l a t e s A D P , p r o d u c i n g A T P , w h i c h i s

t r a n s p o r t e d o u t o f t h e m i t o c h o n d r i a b y t h e a d e n i n e n u c l e o t i d e t r a n s l o c a s e ( A N T , w h i c h a l s o i m p o r t s A D P ) .

T h e A N T f o r m s p a r t o f t h e m i t o c h o n d r i a l p e r m e a b i l i t y t r a n s i t i o n p o r e ( M P T P ) b u t h a s b e e n s h o w n

s e p a r a t e l y f o r c l a r i t y . T h e s i t e s o f a c t i o n o f a n u m b e r o f c o m m o n l y u s e d r e a g e n t s a r e i n d i c a t e d i n b l u e .

B D , i m a g e s o f l i v i n g m i t o c h o n d r i a w i t h i n s i n g l e c e l l s . B s h o w s a c o n f o c a l i m a g e t o i l l u s t r a t e t h e

d i s t r i b u t i o n o f e n d o g e n o u s o r a u t o f l u o r e s c e n c e d e r i v e d f r o m N A D H i n a s i n g l e r a t c a r d i o m y o c y t e

i l l u m i n a t e d w i t h U V l i g h t ( a t 3 5 0 n m ) . T h e m i t o c h o n d r i a w i t h i n t h e s e c e l l s r u n l o n g i t u d i n a l l y w i t h t h e

a x i s o f t h e c e l l ( M . R . D u c h e n , u n p u b l i s h e d o b s e r v a t i o n ) . I n C , t h e m i t o c h o n d r i a o f a r a t c o r t i c a l a s t r o c y t e



5/17

t h e r e f o r e h y p e r p o l a r i z e o n t h e s u p p l y o f g l u c o s e ( R o w e e t a l .

1 9 9 6 ) . T h e m o d u l a t i o n o f t h e s e c o n d u c t a n c e s b y l e p t i n , t h e

m o d u l a t o r o f a p p e t i t e , ( S p a n s w i c k e t a l .

1 9 9 7 ) , a n d

a b n o r m a l i t i e s i n t h e g e n e t i c a l l y o b e s e m o u s e s e e m t o p l a c e

t h e i r r o l e f i r m l y i n t h e r e a l m o f a p p e t i t e c o n t r o l ( a n d s e e

F r i e d m a n & H a l a a s , 1 9 9 8 ) .

I n t h e _ c e l l , t h e s u p p l y o f g l u c o s e t o t h e c e l l i n c r e a s e s

s u b s t r a t e s u p p l y t o t h e T C A c y c l e , i n c r e a s e s t h e p r o v i s i o n o f

N A D H a n d F A D H t o t h e r e s p i r a t o r y c h a i n , a n d i n c r e a s e s

r e s p i r a t o r y r a t e . T h i s d r i v e s t h e h y p e r p o l a r i z a t i o n o f t h e

m i t o c h o n d r i a l i n n e r m e m b r a n e w h i c h i s t h e b a s i s f o r t h e

i n c r e a s e d r a t e o f A T P p r o d u c t i o n ( D u c h e n e t a l . 1 9 9 3 b ; f o r

r e v i e w , s e e A s h c r o f t & R o r s m a n , 1 9 8 9 ) . T h i s s e q u e n c e

r e s u l t s i n a h i g h [ C a ] c i n t h e p r e s e n c e o f h y p e r p o l a r i z e d

m i t o c h o n d r i a , e n c o u r a g i n g m i t o c h o n d r i a l C a a c c u m u l a t i o n .

A m o s t s u r p r i s i n g s t o r y t o e m e r g e r e c e n t l y i n t h e _ c e l l

l i t e r a t u r e s u g g e s t s t h a t , f o l l o w i n g m i t o c h o n d r i a l C a

u p t a k e , a n d g i v e n a n a p p r o p r i a t e c a r b o n s u b s t r a t e f o r t h e

T C A c y c l e , m i t o c h o n d r i a r e l e a s e a ( s t i l l u n i d e n t i f i e d ) f a c t o r

w h i c h f a c i l i t a t e s i n s u l i n s e c r e t i o n a t a p e r m i s s i v e [ C a ] c

( M a e c h l e r e t a l . 1 9 9 7 ) . T h e s e a u t h o r s h a v e a l s o s u g g e s t e d

t h a t t h e m o d u l a t i o n o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e m a y b e

i n v o l v e d i n t h e d e s e n s i t i z a t i o n o f i n s u l i n s e c r e t i o n i n

r e s p o n s e t o r e p e a t e d e x p o s u r e s t o m e t a b o l i c s u b s t r a t e : a

d i s s e c t i o n o f t h e m e t a b o l i c p a t h w a y ( M a e c h l e r e t a l . 1 9 9 8 )

r e v e a l e d t h a t A T P p r o d u c t i o n w a s e q u i v a l e n t f o r e a c h

e x p o s u r e , b u t t h e k e y d i f f e r e n c e b e t w e e n r e s p o n s e s w a s a

d e c r e a s e i n a s s o c i a t e d m i t o c h o n d r i a l C a a c c u m u l a t i o n .

T h e s e a u t h o r s s u g g e s t e d t h a t a r e d u c t i o n i n t h e m i t o c h o n d r i a l

[ C a ] l o a d c o u l d a c c o u n t f o r t h e r e d u c t i o n i n i n s u l i n

s e c r e t i o n , a l t h o u g h t h e m e c h a n i s m f o r t h i s p r o c e s s r e m a i n s

u n k n o w n . W h i l e t h i s f a c t o r r e m a i n s m y s t e r i o u s , t h e

o b s e r v a t i o n s e m p h a s i z e t h e p i v o t a l r o l e o f m i t o c h o n d r i a i n

t h e r e g u l a t i o n o f i n s u l i n s e c r e t i o n ( s e e a l s o , K e n n e d y &

W o l l h e i m , 1 9 9 8 ) . A d d i n g a l i t t l e f l a v o u r o f i n t e g r a t i v e

p h y s i o l o g y t o t h e s t o r y , t h e _ c e l l K A T P c h a n n e l s ( a t l e a s t ,

i n a n i n s u l i n - s e c r e t i n g c e l l l i n e , H a r v e y e t a l . 1 9 9 7 ) a l s o a r e

r e g u l a t e d b y l e p t i n , a n d s o a p p e t i t e c o n t r o l a n d g l u c o s e

h o m e o s t a s i s a p p e a r c l o s e l y l i n k e d . T h e c e n t r a l r o l e o f

m i t o c h o n d r i a i n t h e t r a n s d u c t i o n p a t h w a y h a s l e d t o

s u g g e s t i o n s t h a t a t l e a s t s o m e f o r m s o f l a t e o n s e t d i a b e t e s

m e l l i t u s , a d i s o r d e r r e s p o n s i b l e f o r s u c h w i d e s p r e a d

m o r b i d i t y a n d m o r t a l i t y , m a y i n v o l v e m i t o c h o n d r i a l

d y s f u n c t i o n .

R o l e o f t h e m i t o c h o n d r i a i n o x y g e n s e n s i n g . T h e r o l e o f

t h e m i t o c h o n d r i a i n o x y g e n s e n s i n g i s f a r m o r e c o n t e n t i o u s .

A s I h a v e a p e r s o n a l i n t e r e s t i n t h i s s t o r y , I w i l l r e h e a r s e i t ,

i f o n l y b r i e f l y , b u t s t r e s s t h a t t h i s m e c h a n i s m i s b y n o

m e a n s w i d e l y a c c e p t e d ( f o r c o u n t e r v i e w s , s e e A c k e r , 1 9 9 4 ;

L o p e z B a r n e o , 1 9 9 6 ; B u c k l e r , 1 9 9 7 ) . T h e c a r o t i d b o d y

s e n s e s a f a l l i n a r t e r i a l o x y g e n t e n s i o n . E x c i t a t i o n i n c r e a s e s

t h e f r e q u e n c y o f a c t i o n p o t e n t i a l s c o n v e y e d b y t h e s i n u s

n e r v e t o t h e r e s p i r a t o r y c e n t r e s . I t i s t h e e x c i t a t i o n o f t h e

c a r o t i d b o d y t h a t m a k e s y o u f e e l b r e a t h l e s s i n t h e r a r e f i e d

a t m o s p h e r e a t h i g h a l t i t u d e a n d t h a t c o n t r i b u t e s t o t h e

s e n s e o f b r e a t h l e s s n e s s o f t h e c h r o n i c b r o n c h i t i c . I n r e s p o n s e

t o a f a l l i n o x y g e n t e n s i o n , t h e t y p e I ( o r g l o m u s ) c e l l s o f

t h e s t r u c t u r e d e p o l a r i z e , [ C a ] r i s e s a n d c a t e c h o l a m i n e s a r e

s e c r e t e d . T h e b a s i s f o r t h e t r a n s d u c t i o n m e c h a n i s m i s s t i l l

t r o u b l e s o m e h o w d o t h e c e l l s s e n s e s u b t l e c h a n g e s i n

o x y g e n t e n s i o n t h a t w o u l d b e i n s i g n i f i c a n t f o r m o s t o t h e r

c e l l s ? T h e r e i s e v i d e n c e f o r a s p e c i a l i z e d N A D P H o x i d a s e i n

t h e p l a s m a m e m b r a n e ( A c k e r , 1 9 9 4 ) , f o r K c h a n n e l s t h a t

d i r e c t l y s e n s e o x y g e n ( L o p e z - B a r n e o , 1 9 9 6 ) a n d f o r

m o d u l a t i o n o f C a - d e p e n d e n t K c h a n n e l s ( P e e r s , 1 9 9 7 ; b u t

s e e a l s o L a h i r i e t a l . 1 9 9 8 a n d D o n n e l l y , 1 9 9 7 ) . N e v e r t h e l e s s ,

o n e o f t h e r e m a r k a b l e f e a t u r e s o f t h e c a r o t i d b o d y i s t h a t i t

i s e x c i t e d b y a l l a g e n t s k n o w n t o i m p a i r m i t o c h o n d r i a l

o x i d a t i v e p h o s p h o r y l a t i o n , a g e n t s t h a t h a v e n o s t r u c t u r a l

p h a r m a c o k i n e t i c f e a t u r e s i n c o m m o n ( A n i c h k o v & B e l e n k i i ,

1 9 6 3 ; B i s c o e & D u c h e n , 1 9 9 0 ; D u c h e n & B i s c o e , 1 9 9 2 a , b ;

s e e a l s o B u c k l e r & V a u g h a n - J o n e s , 1 9 9 8 ) . T . B i s c o e a n d I

f o u n d t h a t m i t o c h o n d r i a l m e m b r a n e p o t e n t i a l a n d r e d o x

s t a t e o f t h e T y p e I c e l l s s h o w a u n i q u e s e n s i t i v i t y t o

m o d e r a t e l y l o w o x y g e n t e n s i o n s , c h a n g i n g a t P O v a l u e s o f

2 0 3 0 m m H g , w h i c h h a v e n o e f f e c t o n m i t o c h o n d r i a l

f u n c t i o n i n a n y o t h e r c e l l t h a t w e h a v e e v e r s t u d i e d . T h e

j u r y i s s t i l l o u t , b u t t h e r e i s a c a s e t o b e a d d r e s s e d f o r a

s p e c i a l i z e d r o l e o f m i t o c h o n d r i a i n t h e s e c e l l s c o u p l e d w i t h

e v i d e n c e f o r e x p r e s s i o n o f a s p e c i a l i z e d c y t o c h r o m e a a 3

( M i l l s & J

o b s i s , 1 9 7 0 , 1 9 7 2 ; s e e a l s o L a h i r i e t a l . 1 9 9 6 ) , a n d

i t i s t e m p t i n g t o s p e c u l a t e t h a t t h i s i s a n o t h e r e x a m p l e i n

w h i c h m i t o c h o n d r i a l s u b s t r a t e s u p p l y p l a y s a c e n t r a l r o l e i n

a c e l l u l a r t r a n s d u c t i o n p r o c e s s . T h e r e i s a n a t t r a c t i v e

s y m m e t r y i n a s c h e m e w h e r e b y t h e o r g a n e l l e s t h a t r e q u i r e

o x y g e n a n d g l u c o s e a r e a l s o r e s p o n s i b l e f o r e n s u r i n g t h e

h o m e o s t a s i s o f t h o s e v e r y s u b s t r a t e s . E v e n l o c a l o x y g e n

d e l i v e r y t o t i s s u e s i s r e g u l a t e d b y t h e e n e r g y - t r a n s d u c i n g

K A T P c h a n n e l s e x p r e s s e d i n v a s c u l a r s m o o t h m u s c l e c e l l s

( s e e Q u a y l e e t a l . 1 9 9 7 ) , a l t h o u g h t h e s e a r e p r o b a b l y m a i n l y

r e g u l a t e d b y t r a n s m i t t e r ( r a t h e r t h a n m e t a b o l i c ) a c t i v i t y .

M i t o c h o n d r i a l c a l c i u m u p t a k e a n d p h y s i o l o g i c a l

c a l c i u m s i g n a l l i n g

A p a r t f r o m t h e p r o d u c t i o n o f A T P , t h e m a j o r c o n t r i b u t i o n

o f m i t o c h o n d r i a t o c e l l p h y s i o l o g y m u s t l i e i n t h e i r i m p a c t

o n C a s i g n a l l i n g . I s o l a t e d m i t o c h o n d r i a w i l l a c c u m u l a t e


J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

5

h a v e b e e n s t a i n e d w i t h t h e p o t e n t i o m e t r i c d y e , t e t r a m e t h y l r h o d a m i n e e t h y l e s t e r ( T M R E ) , w h i c h

p a r t i t i o n s b e t w e e n t h e m i t o c h o n d r i a a n d c y t o s o l i n r e s p o n s e t o m

b y v i r t u e o f t h e p o s i t i v e c h a r g e o n t h e

d y e . T h e i m a g e w a s o b t a i n e d o n a c o n f o c a l s y s t e m a n d s h o w s a r e c o n s t r u c t i o n o f a s e r i e s o f c o n f o c a l s l i c e s

t h r o u g h t h e z p l a n e ( M . R . D u c h e n , u n p u b l i s h e d o b s e r v a t i o n s ) . D s h o w s a 3 - d i m e n s i o n a l r e c o n s t r u c t i o n o f

d i g i t a l f l u o r e s c e n t i m a g e s o f m i t o c h o n d r i a e x p r e s s i n g t a r g e t e d g r e e n f l u o r e s c e n t p r o t e i n ( G F P ) i n a H e L a

c e l l , i n w h i c h t h e m i t o c h o n d r i a a p p e a r t o f o r m a c o n t i g u o u s b u t l a b i l e n e t w o r k ( r e p r o d u c e d f r o m R i z z u t o e t

a l . 1 9 9 8 , w i t h p e r m i s s i o n ) .



6/17

M . R . D u c h e n

J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

6

F i g u r e 2 . D i r e c t m e a s u r e m e n t s o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e

A , m e a s u r e m e n t s o f m i t o c h o n d r i a l [ C a ] ( i ) a n d c y t o s o l i c [ C a ] ( i i ) i n a r a t a d r e n a l c h r o m a f f i n c e l l

f o l l o w i n g d e p o l a r i z a t i o n o f t h e p l a s m a m e m b r a n e a n d C a i n f l u x t h r o u g h v o l t a g e _ g a t e d c h a n n e l s . T h e

b r i s k [ C a ] c i n c r e a s e a n d e a r l y r e c o v e r y ( i i ) w e r e f o l l o w e d b y a p r o l o n g e d s l o w e r d e c a y p h a s e ( s e e n a s t h e

d o t t e d a n d e n l a r g e d t r a c e ) w h i c h c o i n c i d e d w i t h t h e t i m e c o u r s e o f t h e s l o w d e c l i n e i n [ C a ] m r e v e a l e d w i t h

r h o d _ 2 f l u o r e s c e n c e ( i ) ( m o d i f i e d f r o m B a b c o c k e t a l . 1 9 9 7 , w i t h p e r m i s s i o n ) . B : ( i ) s t i m u l a t i o n o f a H e L a c e l l

w i t h h i s t a m i n e m o b i l i z e s C a f r o m I P - s e n s i t i v e E R s t o r e s . T h e r e d t r a c e s h o w s t h e r i s e i n [ C a ] m

r e v e a l e d w i t h a e q u o r i n t a r g e t e d t o t h e m i t o c h o n d r i a l m a t r i x . N o t e t h e v e r y l a r g e i n c r e a s e i n [ C a ] m

w h i c h

w a s a b o l i s h e d b y p r e t r e a t m e n t w i t h F C C P ( b l u e t r a c e ) , p r e v e n t i n g m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e . ( i i ) , a n

a e q u o r i n c o n s t r u c t t a r g e t e d t o t h e m i t o c h o n d r i a l i n t e r m e m b r a n e s p a c e ( m i m s ) t o s e n s e l o c a l c h a n g e s i n

[ C a ] c s h o w e d a b r i s k b u t s m a l l e r r i s e i n [ C a ] i n r e s p o n s e t o t h e s a m e s t i m u l u s . P r e t r e a t m e n t w i t h F C C P

h a d n o s i g n i f i c a n t e f f e c t o n t h e a m p l i t u d e o f t h e r e s p o n s e b u t s i g n i f i c a n t l y s l o w e d t h e d e c a y p h a s e ,

c o n s i s t e n t w i t h a r o l e o f m i t o c h o n d r i a l u p t a k e i n r e m o v i n g [ C a ] c

. ( T h e s e d a t a w e r e o b t a i n e d f r o m

p o p u l a t i o n s o f c e l l s ; f r o m R i z z u t o e t a l . 1 9 9 8 , w i t h p e r m i s s i o n . ) C s h o w s d i g i t a l f l u o r e s c e n c e i m a g e s o f r a t



7/17

h u g e a m o u n t s o f C a i n t h e p r e s e n c e o f i n o r g a n i c p h o s p h a t e .

C a i n f l u x i s d r i v e n p r i m a r i l y b y t h e m i t o c h o n d r i a l i n n e r

m e m b r a n e p o t e n t i a l . T h u s , t h e d r i v i n g f o r c e f o r C a

m o v e m e n t w i l l f a v o u r u p t a k e i n t o t h e m a t r i x o n c e t h e

c o n c e n t r a t i o n o f C a c l o s e t o t h e m i t o c h o n d r i a r i s e s i n t o t h e

r a n g e o f t h e a f f i n i t y o f t h e u n i p o r t e r , t y p i c a l l y d e s c r i b e d a s

a l o w a f f i n i t y ( Kd

1 5 ) , h i g h c a p a c i t y p a t h w a y ( s e e

R i z z u t o e t a l . 1 9 9 4 ; G u n t e r e t a l . 1 9 9 8 ) , a l t h o u g h i t m u s t b e

s a i d t h a t t h e c o n c e p t o f a K d m a y b e m i s l e a d i n g , a n d n e t

C a u p t a k e i s r a t h e r a k i n e t i c b a l a n c e b e t w e e n u n i p o r t e r

a c t i v i t y a n d t h e e f f l u x p a t h w a y s ( F i g . 1 A ) . U n t i l r e c e n t l y ,

t w o m a j o r q u e s t i o n s r e m a i n e d : f i r s t l y , i s m i t o c h o n d r i a l C a

u p t a k e s i g n i f i c a n t d u r i n g p h y s i o l o g i c a l C a s i g n a l l i n g ?

S e c o n d l y , a m o r e t e l e o l o g i c a l q u e s t i o n w h a t i s t h a t u p t a k e

f o r , o r m o r e o b j e c t i v e l y , w h a t i s i t s f u n c t i o n a l s i g n i f i c a n c e ?

M o r e r e c e n t l y , t h e s e q u e s t i o n s h a v e b e e n e x t e n d e d t o a s k

a b o u t t h e i m p a c t o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e o n t h e

q u a n t i t a t i v e a n d s p a t i o t e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f C a

s i g n a l s ( s e e a l s o r e c e n t r e v i e w s b y M i l l e r , 1 9 9 8 ; B a b c o c k &

H i l l e , 1 9 9 8 ; S i m p s o n & R u s s e l l , 1 9 9 8 ) .

A s u b s t a n t i a l i m p e t u s w a s g i v e n t o a t t e m p t s t o a d d r e s s

t h e s e i s s u e s b y t h e d i s c o v e r y t h a t t h e k e y r a t e - l i m i t i n g

e n z y m e s o f t h e c i t r i c a c i d c y c l e a r e u p r e g u l a t e d b y C a ,

e i t h e r d i r e c t l y o r t h r o u g h t h e r e g u l a t i o n o f p h o s p h o r y l a t i o n

r e a c t i o n s ( f o r r e v i e w , s e e M c C o r m a c k e t a l . 1 9 9 0 ) . T h e r e i s

n o w c l e a r e v i d e n c e t h a t t h i s p r o c e s s i s s i g n i f i c a n t d u r i n g

p h y s i o l o g i c a l [ C a ] c s i g n a l l i n g . T h e f i r s t d i r e c t s t u d y i n

i n t a c t c e l l s w a s p r o b a b l y t h a t o f F e i n & T s a c o p o u l o s ( 1 9 8 8 ) ,

w h o s h o w e d t h a t a r i s e o f [ C a ] c f o l l o w i n g a f l a s h o f l i g h t

i n c r e a s e d o x y g e n c o n s u m p t i o n i n L i m u l u s p h o t o r e c e p t o r s .

I n s e n s o r y n e u r o n s , a r i s e i n [ C a ] c

i n r e s p o n s e t o v o l t a g e -

g a t e d C a i n f l u x w a s a s s o c i a t e d w i t h a m o d e s t t r a n s i e n t

m i t o c h o n d r i a l d e p o l a r i z a t i o n a n d a p r o l o n g e d i n c r e a s e i n

N A D H a u t o f l u o r e s c e n c e ( a n i n c r e a s e i n N A D H N A D r a t i o ,

c o n s i s t e n t w i t h u p r e g u l a t i o n o f t h e T C A c y c l e ) w h i c h w a s

b l o c k e d b y i n h i b i t i o n o f t h e m i t o c h o n d r i a l u n i p o r t e r b y

m i c r o i n j e c t i o n o f R u R ( D u c h e n , 1 9 9 2 ) . M o r e r e c e n t s t u d i e s

h a v e e x t e n d e d t h e s e o b s e r v a t i o n s t o e x p l o r e t h e m e t a b o l i c

c o n s e q u e n c e s o f C a m o b i l i z a t i o n f r o m I P - d e p e n d e n t

i n t e r n a l s t o r e s ( P r a l o n g e t a l . 1 9 9 4 ; H a j n o c z k y e t a l . 1 9 9 5 ;

R o b b - G a s p e r s e t a l . 1 9 9 8 ) . M o s t i n t r i g u i n g l y , t h e r e a p p e a r

t o b e s u b t l e d i f f e r e n c e s i n t h e r e s p o n s e s o f d i f f e r e n t c e l l t y p e s .

T h u s , I P - d e p e n d e n t o s c i l l a t i o n s o f [ C a ] c i n h e p a t o c y t e s ,

a l t h o u g h c o m m u n i c a t e d t o m i t o c h o n d r i a a s o s c i l l a t o r y

c h a n g e s i n [ C a ] m

( H a j n o c z k y e t a l . 1 9 9 5 ) , w e r e t r a n s l a t e d

a s g r a d e d b u t s u s t a i n e d c h a n g e s i n t h e r e d u c t i o n o f

m i t o c h o n d r i a l N A D t o N A D H ( P r a l o n g e t a l . 1 9 9 4 ;

H a j n o c z k y e t a l . 1 9 9 5 ) . I n t h e h e p a t o c y t e s , t h e C a -

d e p e n d e n t m e t a b o l i c a c t i v a t i o n c l e a r l y o u t l a s t e d t h e [ C a ] m

s i g n a l , t h e r e b y a c t i n g a s a n i n t e g r a t o r o f o s c i l l a t o r y [ C a ] -

s i g n a l l i n g a c t i v i t y . T h e r i s e i n [ C a ] m w a s s h o w n t o

u p r e g u l a t e p y r u v a t e d e h y d r o g e n a s e , i n c r e a s e N A D H a u t o -

f l u o r e s c e n c e a n d t h e n t o i n i t i a t e a s l o w e r i n c r e a s e i n

m i t o c h o n d r i a l p o t e n t i a l ( R o b b - G a s p e r s e t a l .

1 9 9 8 ) , w h i c h

w o u l d t h e n d r i v e a n i n c r e a s e i n A T P p r o d u c t i o n . I n

c o n t r a s t , [ C a ] c o s c i l l a t i o n s i n p a n c r e a t i c _ c e l l s a n d

a d r e n a l g l o m e r u l o s a c e l l s w e r e a s s o c i a t e d w i t h o s c i l l a t o r y

c h a n g e s i n N A D H ( P r a l o n g e t a l . 1 9 9 4 ) . T h e s e a p p a r e n t

d i f f e r e n c e s i n s i g n a l n e e d t o b e e x p l o r e d f u r t h e r t o e s t a b l i s h

t h e d e g r e e a n d o r i g i n o f v a r i a b i l i t y i n m i t o c h o n d r i a l

f u n c t i o n b e t w e e n d i f f e r e n t c e l l t y p e s .

I t n o w s e e m s l i k e l y t h a t t h e m a j o r c o n s e q u e n c e o f t h e C a

u p t a k e p a t h w a y i n t e r m s o f m i t o c h o n d r i a l f u n c t i o n i s t h e

u p r e g u l a t i o n o f e n e r g y m e t a b o l i s m . T h i s m a k e s g o o d s e n s e

o x i d a t i v e p h o s p h o r y l a t i o n i s m o d u l a t e d i n r e l a t i o n t o

e n e r g y d e m a n d b y t h e r e l a y e d C a s i g n a l , a s i n c r e a s e d

e n e r g y d e m a n d i s a l m o s t a l w a y s a c c o m p a n i e d b y a r i s e i n

[ C a ] c

f o r s e c r e t i o n o r c o n t r a c t i o n f o r e x a m p l e . T h e

f u n c t i o n a l i m p o r t a n c e o f t h i s m e c h a n i s m i s i l l u s t r a t e d

n i c e l y b y s t u d i e s o f t h e c a r d i o m y o p a t h i c h a m s t e r ( D i L i s a e t

a l . 1 9 9 3 ) , i n w h i c h a n i m p a i r e d [ C a ] c s i g n a l i n c a r d i a c

m u s c l e i s a s s o c i a t e d w i t h i m p a i r e d e n e r g y m e t a b o l i s m .

N o t o n l y h a s t h i s b o d y o f w o r k d e m o n s t r a t e d t h e f u n c t i o n a l

s i g n i f i c a n c e o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e , b u t i t a l s o s h o w e d

t h a t p h y s i o l o g i c a l C a s i g n a l l i n g i s a s s o c i a t e d w i t h

s i g n i f i c a n t m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e . I n d e e d , i t i s n o w

c l e a r t h a t m i t o c h o n d r i a d o i n d e e d t a k e u p C a d u r i n g

p h y s i o l o g i c a l s i g n a l l i n g i n m o s t c e l l s t h a t h a v e b e e n s t u d i e d .

T h e t e c h n o l o g y r e q u i r e d t o a n s w e r t h e s e q u e s t i o n s h a s

d e v e l o p e d l a r g e l y t h r o u g h i m p r o v e m e n t s i n f l u o r e s c e n c e

m i c r o s c o p y a n d i m a g i n g t e c h n i q u e s , e s p e c i a l l y t h r o u g h

i m p r o v e m e n t s i n c o n f o c a l m i c r o s c o p y , a n d , p e r h a p s m o s t

d r a m a t i c a l l y , t h r o u g h t h e i n t r o d u c t i o n o f g e n e t i c a l l y

e n g i n e e r e d , s i t e - d i r e c t e d e x p r e s s i o n o f t h e C a - s e n s i t i v e

p h o t o p r o t e i n , a e q u o r i n , t h a t p e r m i t s s p e c i f i c m e a s u r e m e n t

o f [ C a ] w i t h i n u n a m b i g u o u s l y i d e n t i f i a b l e c o m p a r t m e n t s

( s e e B r i n i e t a l . 1 9 9 5 a n d F i g . 2 ) o r u s i n g m i t o c h o n d r i a l l y

l o c a l i z e d f l u o r e s c e n t i n d i c a t o r s , s u c h a s r h o d - 2 ( e . g . s e e

H a j n o c z k y e t a l .

1 9 9 5 ; B a b c o c k e t a l .

1 9 9 7 ; R o b b - G a s p e r s e t

a l . 1 9 9 8 ; F i g . 2 ) .

T h e k i n e t i c s o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e a n d r e l e a s e a p p e a r

t o d i f f e r b e t w e e n c e l l t y p e s ( F i g . 2 ) , p e r h a p s r e f l e c t i n g

d i f f e r e n c e s i n [ N a ] a v a i l a b i l i t y f o r t h e m i t o c h o n d r i a l


J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

7

c o r t i c a l a s t r o c y t e s l o a d e d w i t h r h o d _ 2 , n o r m a l i z e d w i t h r e s p e c t t o t h e f i r s t i m a g e t o r e v e a l r e l a t i v e c h a n g e s

i n s i g n a l . S t i m u l a t i o n w i t h A T P ( 1 0 0 ) t o m o b i l i z e C a f r o m E R s t o r e s r a i s e d [ C a ] c

f i r s t , b e s t s e e n o v e r

t h e n u c l e u s ( * , a t 1 3 s i n t o t h e s e q u e n c e ) , f o l l o w e d l a t e r b y a l a r g e a n d s u s t a i n e d i n c r e a s e o v e r t h e

m i t o c h o n d r i a . T h i s i s i l l u s t r a t e d f u r t h e r b y t h e i m a g e s i n D , w h i c h s h o w t h e e v o l u t i o n o f t h e s i g n a l w i t h

t i m e , m e a s u r e d a s a n i n t e n s i t y p r o f i l e a l o n g a l i n e s e l e c t e d a l o n g t h e a x i s o f t h e c e l l a n d d i s p l a y e d a s a

s u r f a c e p l o t i n ( i ) a n d a s a l i n e i m a g e , s e e n a s i f f r o m a b o v e i n ( i i ) . T h e r e l a t i v e l y f a s t a n d t r a n s i e n t i n c r e a s e

o v e r t h e n u c l e u s ( * ) c o n t r a s t s w i t h t h e s l o w e r b u t s u s t a i n e d i n c r e a s e i n s i g n a l o v e r t h e m i t o c h o n d r i a

( d o w n w a r d - p o i n t i n g a r r o w h e a d ) ( M . R . D u c h e n & E . B o i t i e r , u n p u b l i s h e d o b s e r v a t i o n s ) .



8/17

N a C a e x c h a n g e r . A l m o s t a l l r e p o r t s t o d a t e d e s c r i b e a

r a p i d u p t a k e f o l l o w e d b y m u c h s l o w e r r e - e q u i l i b r a t i o n , w i t h

t h e e x c e p t i o n o f t h e m e a s u r e m e n t s b y R i z z u t o e t a l . ( 1 9 9 2 ,

1 9 9 4 ) i n H e L a c e l l s , u s i n g s i t e - d i r e c t e d a e q u o r i n a n d b y

R o b b - G a s p e r s e t a l . ( 1 9 9 8 ) i n h e p a t o c y t e s , u s i n g r h o d - 2 . I n

b o t h t h e s e s t u d i e s , r e c o v e r y o f [ C a ] m

a p p e a r e d r e l a t i v e l y

f a s t d e s p i t e a s u s t a i n e d r i s e i n [ C a ] c . O u r o w n i m a g i n g

s t u d y o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e i n a d u l t r a t c o r t i c a l

a s t r o c y t e s u s i n g t h e m i t o c h o n d r i a l l y l o c a l i z e d C a i n d i c a t o r

r h o d _ 2 s u g g e s t s t h a t a b r i e f t r a n s i e n t r i s e i n [ C a ] c w a s

f o l l o w e d b y a s u s t a i n e d i n c r e a s e i n [ C a ] m

t h a t c o u l d l a s t

f o r m a n y m i n u t e s ( B o i t i e r e t a l . 1 9 9 9 ; s e e F i g . 2 C a n d D ) ,

a l t h o u g h J o u e t a l .

( 1 9 9 6 ) d e s c r i b e d o s c i l l a t i o n s o f [ C a ] m

a s s o c i a t e d w i t h [ C a ] c o s c i l l a t i o n s i n a n e o n a t a l a s t r o c y t i c

c e l l l i n e . I t i s n o t y e t c l e a r w h e t h e r t h e s e a r e r e a l d i f f e r e n c e s

i n [ C a ] m

h o m e o s t a s i s b e t w e e n c e l l t y p e s , o r t e c h n i c a l

i s s u e s r e l a t e d t o t h e p r o p e r t i e s ( c o n s u m p t i o n , a f f i n i t y ,

l o a d i n g c o n d i t i o n s e t c . ) o f t h e i n d i c a t o r s u s e d . H o w e v e r , t h e

k i n e t i c s a r e i m p o r t a n t a n d h a v e a n u m b e r o f f a s c i n a t i n g

f u n c t i o n a l c o n s e q u e n c e s . A t n e r v e t e r m i n a l s , f o r e x a m p l e ,

t h e s l o w r e l e a s e o f t h e C a t h a t a c c u m u l a t e s w i t h i n

m i t o c h o n d r i a d u r i n g p e r i o d s o f r a p i d r e p e a t e d s t i m u l a t i o n

m a i n t a i n s a n e l e v a t e d [ C a ] c i n t h e t e r m i n a l f o r a

s u b s t a n t i a l p e r i o d o f t i m e . F u r t h e r s t i m u l a t i o n d u r i n g t h a t

p e r i o d t h e r e f o r e r a i s e s [ C a ] c

m o r e t h a n w o u l d o t h e r w i s e b e

e x p e c t e d a n d p o t e n t i a t e s t r a n s m i t t e r r e l e a s e i n o t h e r

w o r d s , t h e t e m p o r a l b u f f e r i n g o f [ C a ] c b y m i t o c h o n d r i a l

C a u p t a k e p l a y s a c e n t r a l r o l e i n p o s t - t e t a n i c p o t e n t i a t i o n

( T a n g & Z u c k e r , 1 9 9 7 ; D a v i d e t a l . 1 9 9 8 ; M e l a m e d - B o o k &

R a h a m i m o f f , 1 9 9 8 ) .

M o s t o b v i o u s l y , i f m i t o c h o n d r i a t a k e u p C a , t h e y m a y a c t

a s a f i x e d b u f f e r i n g s y s t e m . T h e i m p a c t t h a t t h i s h a s o n

c e l l u l a r [ C a ] c s i g n a l l i n g w i l l d e p e n d o n a n u m b e r o f

f a c t o r s , n o t l e a s t t h e b a l a n c e o f C a - r e g u l a t i n g s y s t e m s

e x p r e s s e d b y t h e c e l l , t h e r e l a t i v e v o l u m e o f m i t o c h o n d r i a i n

t h e c e l l a n d t h e m i t o c h o n d r i a l m e m b r a n e p o t e n t i a l . T h e

c o n s e q u e n c e s o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e f o r [ C a ] c

s i g n a l l i n g h a s n o w b e e n w i d e l y s t u d i e d , r e v e a l i n g p r o f o u n d

a l t e r a t i o n s i n s h a p i n g g l o b a l [ C a ] c r e s p o n s e s t o d e p o l a r i z -

a t i o n i n a d r e n a l c h r o m a f f i n c e l l s , s e n s o r y n e u r o n s a n d

c e n t r a l n e u r o n s w h e n m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e w a s

d i s a b l e d , a c h i e v e d m o s t s i m p l y b y d i s s i p a t i n g m u s i n g a n

u n c o u p l e r ( T h a y e r & M i l l e r , 1 9 9 0 ; W e r t h & T h a y e r , 1 9 9 4 ;

F r i e l & T s i e n , 1 9 9 4 ; W h i t e & R e y n o l d s , 1 9 9 5 ; H e r r i n g t o n

e t a l . 1 9 9 6 ; K h o d o r o v e t a l . 1 9 9 6 ; S t o u t e t a l . 1 9 9 8 ) . O n t h i s

p o i n t i t i s c r u c i a l t o d i f f e r e n t i a t e b e t w e e n c h a n g e s i n [ C a ] c

s i g n a l d u e s p e c i f i c a l l y t o r e d u c e d m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e ,

a n d c h a n g e s d u e t o A T P d e p l e t i o n t h a t m a y f o l l o w a l o s s o f

m ( s e e a l s o L a n d o l f i e t a l .

1 9 9 8 ) , a s d e p l e t i o n o f A T P w i l l

c l e a r l y a l t e r t h e a b i l i t y o f c e l l s t o e x t r u d e o r s e q u e s t e r a C a

l o a d q u i t e i n d e p e n d e n t l y o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e . I n

m a n y e x c i t a b l e c e l l s , d e p o l a r i z a t i o n c a u s e s C a i n f l u x

t h r o u g h v o l t a g e g a t e d c h a n n e l s a n d a f a s t [ C a ] c t r a n s i e n t

w h i c h s h o w s a b i p h a s i c r e c o v e r y ; a r a p i d e a r l y p h a s e

f o l l o w e d b y a l o n g s l o w p h a s e t h a t m a y l a s t f o r m i n u t e s

( F i g . 3 A a n d B ) . I n h i b i t i o n o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e

g e n e r a l l y i n c r e a s e s t h e a m p l i t u d e o f t h e t r a n s i e n t r e s p o n s e

a n d r e m o v e s t h e s l o w r e c o v e r y p h a s e ( F i g . 3 A a n d B ; W e r t h

& T h a y e r , 1 9 9 4 ; H e r r i n g t o n e t a l . 1 9 9 6 ) . M i t o c h o n d r i a l

d e p o l a r i z a t i o n d u r i n g t h e s l o w r e c o v e r y p h a s e c a u s e s a l a r g e

[ C a ] c t r a n s i e n t ( F i g . 3 B ) , s u g g e s t i n g C a r e l e a s e f r o m

C a - l o a d e d m i t o c h o n d r i a . T h e s l o w p h a s e i s a l s o i m p a i r e d

b y i n h i b i t i o n o f t h e m i t o c h o n d r i a l N a C a e x c h a n g e b y

a g e n t s s u c h a s d i l t i a z e m o r C G P - 3 7 1 5 7 ( W h i t e & R e y n o l d s ,

1 9 9 7 ) . T h i s m e c h a n i s m t h u s s h a p e s t h e g l o b a l [ C a ] c

t r a n s i e n t f o l l o w i n g p e r i o d s o f d e p o l a r i z a t i o n , p r o m o t i n g

r a p i d r e c o v e r y f r o m a p e a k o f h i g h [ C a ] c

f o l l o w e d b y a

s u s t a i n e d p l a t e a u o f r a i s e d [ C a ] c

a s t h e m i t o c h o n d r i a l C a

h o m e o s t a t i c s y s t e m s r e - e q u i l i b r a t e .

I n s o m e o t h e r m o d e l s , t h e f u n c t i o n a l c o n s e q u e n c e s o f

m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e a r e r a t h e r m o r e c o m p l e x a n d

s u b t l e . F o r e x a m p l e , d u r i n g m e a s u r e m e n t s o f c a p a c i t a t i v e

C a s i g n a l l i n g i n p o p u l a t i o n s o f T l y m p h o c y t e s ( H o t h e t a l .

1 9 9 7 ) , t h e p l a t e a u p h a s e o f s u s t a i n e d C a i n f l u x s e e n i n

m e a s u r e m e n t s f r o m c e l l p o p u l a t i o n s w a s i m p a i r e d b y t h e

u n c o u p l e r C C C P ( F i g . 3 C ) . H i g h [ C a ] r e d u c e s t h e o p e n

p r o b a b i l i t y o f t h e c h a n n e l t h a t c a r r i e s t h e C a f l u x i n

r e s p o n s e t o e m p t y i n g o f E R s t o r e s ( IC R A C

t h e c a l c i u m

r e l e a s e - a c t i v a t e d c a l c i u m c u r r e n t ) . T h e s e a u t h o r s t h e r e f o r e

p r o p o s e d t h a t t h e s p a t i a l b u f f e r i n g o f C a b y m i t o c h o n d r i a l

C a u p t a k e l i m i t s t h e r i s e i n [ C a ] c c l o s e t o t h e c h a n n e l

m o u t h , t h e IC R A C

c h a n n e l s s t a y o p e n , t h e t o t a l C a f l u x i s

g r e a t e r a n d E R s t o r e r e f i l l i n g i s m o r e e f f e c t i v e . R e m o v e

m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e , a n d t h e l o c a l a c c u m u l a t i o n o f

[ C a ] c c l o s e t o t h e c h a n n e l m o u t h w i l l c l o s e t h e c h a n n e l s ,

a n d t h e r e f o r e l i m i t s s t o r e r e f i l l i n g . M i t o c h o n d r i a l C a

e x p o r t t h r o u g h a N a C a e x c h a n g e m e c h a n i s m i n t u r n

a p p a r e n t l y m a i n t a i n s t h e h i g h p l a t e a u g l o b a l [ C a ] c

s i g n a l

d u r i n g t h e a c t i v a t i o n o f t h e C a i n f l u x p a t h w a y . T h i s w h o l e

p r o c e s s i s p e r h a p s m o r e c o m p l e x t h a n i t i n i t i a l l y s e e m s i t

m u s t o f n e c e s s i t y r e q u i r e s o m e s p a t i a l s e p a r a t i o n o f t h e

m i t o c h o n d r i a l e f f l u x p a t h w a y f r o m t h e f o c a l h i g h [ C a ] c

n e a r t h e c h a n n e l m o u t h r e s p o n s i b l e f o r c h a n n e l i n a c t i v a t i o n ,

o r t h e m o d e l c o u l d n o t w o r k m i t o c h o n d r i a l e f f l u x w o u l d

s i m p l y s u s t a i n t h e h i g h l o c a l [ C a ] c a n d c a u s e c h a n n e l

i n a c t i v a t i o n . T h e s e c o n s i d e r a t i o n s m i g h t p r o m p t s p e c u l a t i o n

a b o u t t h e s p a t i a l o r g a n i z a t i o n o f m i t o c h o n d r i a l s t r u c t u r e s :

t h e o b s e r v a t i o n s o f R i z z u t o e t a l . ( 1 9 9 8 ) i n H e L a c e l l s

t r a n s f e c t e d w i t h a m i t o c h o n d r i a l l y l o c a l i z e d g r e e n f l u o r e s c e n t

p r o t e i n ( G F P ) s u g g e s t e d t h a t , a t l e a s t i n t h e s e c e l l s ,

m i t o c h o n d r i a m a y f o r m a c o n t i g u o u s n e t w o r k ( F i g . 1 D ) a n d

e v e n t h e m o r e c o n v e n t i o n a l c o n f o c a l r e c o n s t r u c t i o n s h o w n

i n F i g . 1 C s h o w s a s u b s t a n t i a l n e t w o r k s t r u c t u r e . D o e s t h i s

m e a n t h a t C a c o u l d b e t a k e n u p i n o n e p a r t o f t h e c e l l a n d

r e l e a s e d a t s o m e d i s t a n t s i t e f r o m a n o t h e r p a r t o f t h e s a m e

m i t o c h o n d r i a l n e t w o r k a n o t i o n o f C a t u n n e l l i n g

t h r o u g h a n o r g a n e l l e s t r u c t u r e a k i n t o t h a t d e s c r i b e d f o r t h e

E R n e t w o r k o f p a n c r e a t i c a c i n a r c e l l s ( M o g a m i e t a l .

1 9 9 7 ) ?

M o d u l a t i o n o f s p a t i o t e m p o r a l [ C a ] c

s i g n a l s b y

m i t o c h o n d r i a

T h e e l e g a n t e x p e r i m e n t s o f R i z z u t o e t a l . ( 1 9 9 8 ) u s i n g s i t e -

d i r e c t e d t r a n s f e c t i o n o f t h e C a - s e n s i t i v e p h o t o p r o t e i n

a e q u o r i n , m o r e r e c e n t l y c o m b i n e d w i t h G F P t a r g e t e d t o E R

M . R . D u c h e n

J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

8



9/17


J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

9

F i g u r e 3 . I m p a c t o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e o n g l o b a l [ C a ] c

s i g n a l l i n g i n a v a r i e t y o f c e l l

t y p e s

A , i n a b o v i n e a d r e n a l c h r o m a f f i n c e l l , a b r i e f d e p o l a r i z a t i o n c a u s e d a t r a n s i e n t r i s e a n d r a p i d r e c o v e r y o f

[ C a ] c

w h i c h w a s f o l l o w e d b y a p r o l o n g e d t a i l p h a s e o f s l o w r e c o v e r y ( c f . F i g . 2 A ) . P r e v e n t i n g

m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e b y p r i o r d e p o l a r i z a t i o n o f m

w i t h C C C P : ( i ) i n c r e a s e d t h e a m p l i t u d e o f t h e

r e s p o n s e ; ( i i ) g r e a t l y s l o w e d r e c o v e r y ; a n d ( i i i ) a b o l i s h e d t h e s l o w r e c o v e r y p h a s e ( m o d i f i e d f r o m

H e r r i n g t o n e t a l . 1 9 9 6 , w i t h p e r m i s s i o n ) . B , a s i m i l a r p a t t e r n o f [ C a ] c s i g n a l w a s s e e n i n s e n s o r y n e u r o n s :

a l a r g e [ C a ] c l o a d f o l l o w i n g p r o l o n g e d d e p o l a r i z a t i o n s h o w e d a b i p h a s i c r e c o v e r y a r a p i d p h a s e f o l l o w e d

b y a p r o l o n g e d s e c o n d a r y p l a t e a u . D e p o l a r i z a t i o n o f m

b y t h e a p p l i c a t i o n o f C C C P d u r i n g t h e p l a t e a u

c a u s e d a m a s s i v e i n c r e a s e i n [ C a ] c

, s u g g e s t i n g C a r e l e a s e f r o m C a - l o a d e d m i t o c h o n d r i a . P r i o r

a p p l i c a t i o n o f C C C P a b o l i s h e d t h e p l a t e a u p h a s e c o m p l e t e l y ( m o d i f i e d f r o m W e r t h & T h a y e r , 1 9 9 4 , w i t h

p e r m i s s i o n ) . C , i n a p o p u l a t i o n o f T l y m p h o c y t e s , c a p a c i t a t i v e C a i n f l u x w a s s t u d i e d t h u s : i n t e r n a l s t o r e s

w e r e e m p t i e d b y i n h i b i t i o n o f t h e E R C a A T P a s e w i t h t h a p s i g a r g i n ( T G ) i n t h e a b s e n c e o f e x t e r n a l C a .

R e i n t r o d u c t i o n o f [ C a ] c a u s e d a l a r g e s u s t a i n e d [ C a ] c s i g n a l . I f C a w a s t h e n a g a i n r e m o v e d , a

c h a l l e n g e w i t h i o n o m y c i n r e v e a l e d t h a t a n i n t e r n a l s t o r e , p r o b a b l y m i t o c h o n d r i a l , h a d n o w b e e n f i l l e d .

W i t h m i t o c h o n d r i a l u p t a k e d i s a b l e d w i t h C C C P ( d o t t e d l i n e ) , t h e s u s t a i n e d c o m p o n e n t o f t h e c a p a c i t a t i v e

i n f l u x s i g n a l w a s m u c h r e d u c e d , a n d t h e f i n a l i o n o m y c i n c h a l l e n g e c o n f i r m e d t h e l a c k o f m i t o c h o n d r i a l C a

a c c u m u l a t i o n . T h i s , a l o n g w i t h o t h e r d a t a f r o m t h e s t u d y , s h o w e d t h a t m i t o c h o n d r i a l u p t a k e h e l p s t o d e f i n e

t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c a p a c i t a t i v e C a i n f l u x ( m o d i f i e d f r o m H o t h e t a l . 1 9 9 7 , w i t h p e r m i s s i o n ) .



10/17

m e m b r a n e s a n d a s e p a r a t e a e q u o r i n c o n s t r u c t t a r g e t e d t o

t h e o u t e r l e a f l e t o f t h e i n n e r m i t o c h o n d r i a l m e m b r a n e

( R i z z u t o e t a l . 1 9 9 8 ) , h a v e r e v e a l e d a t i g h t a p p o s i t i o n o f

m i t o c h o n d r i a w i t h E R m e m b r a n e s a n d a f u n c t i o n a l

e x c h a n g e o f E R C a r e l e a s e a n d m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e .

T h i s m e a n s t h a t i n c e l l s t h a t d e p e n d p r i m a r i l y o n I P -

m e d i a t e d C a s i g n a l l i n g f r o m E R ( o r p e r h a p s , r y a n o d i n e -

s e n s i t i v e C a - i n d u c e d C a r e l e a s e f r o m S R ) , t h e a n a t o m i c a l

o r g a n i z a t i o n o f m i t o c h o n d r i a r e s u l t s i n t h e e x p o s u r e o f

m i t o c h o n d r i a t o m i c r o d o m a i n s o f h i g h [ C a ] c c l o s e t o E R

C a r e l e a s e s i t e s ( F i g . 2 B ) . T h i s i s i m p o r t a n t , a s i t i m p l i e s

t h a t m i t o c h o n d r i a w i t h i n t h e c e l l m a y b e e x p o s e d i n s o m e

s i t e s t o a l o c a l [ C a ] c f a r h i g h e r t h a n t h e a v e r a g e d [ C a ] c

m e a s u r e d a c r o s s t h e c e l l . T h u s a t t e m p t s t o e x t r a p o l a t e f r o m

s t u d i e s o f C a h a n d l i n g b y i s o l a t e d m i t o c h o n d r i a i n o r d e r

t o p r e d i c t t h e f u n c t i o n a l c o n s e q u e n c e s o f m i t o c h o n d r i a l

C a u p t a k e m u s t c o n s i d e r t h e l o c a l n o t t h e g l o b a l C a

c o n c e n t r a t i o n s . O b s e r v a t i o n s f r o m o u r o w n l a b o r a t o r y a l s o

p o i n t t o a t i g h t l o c a l c o u p l i n g o f E R S R C a r e l e a s e a n d

C a u p t a k e b y n e a r b y m i t o c h o n d r i a . W e h a v e m e a s u r e d

l o c a l c h a n g e s i n m i t o c h o n d r i a l p o t e n t i a l i n c a r d i o m y o c y t e s

a n d , m o r e r e c e n t l y , i n a s t r o c y t e s i n c u l t u r e , a n d n o t e d

h i g h l y l o c a l i z e d t r a n s i e n t m i t o c h o n d r i a l d e p o l a r i z a t i o n s

w h i c h w e r e d e p e n d e n t o n l o c a l C a r e l e a s e f r o m i n t e r n a l

s t o r e s a n d s u b s e q u e n t m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e ( F i g . 4 A ;

D u c h e n e t a l . 1 9 9 8 ; J a c o b s o n & D u c h e n , 1 9 9 8 ) . U l t r a -

s t r u c t u r a l s t u d i e s a l s o s u g g e s t t h a t t h e c e l l u l a r o r g a n i z a t i o n

o f m i t o c h o n d r i a m a y b e a r r a n g e d i n r e l a t i o n t o c e l l

f u n c t i o n : E M s t u d i e s d e s c r i b e d b y L a w r i e e t a l . ( 1 9 9 6 )

s u g g e s t t h a t w h i l e m i t o c h o n d r i a m a y b e j u x t a p o s e d t o E R

i n i n e x c i t a b l e c e l l s , t h e y a r e m o r e l i k e l y t o l i e c l o s e t o t h e

p l a s m a l e m m a i n e x c i t a b l e c e l l s . A s f a r a s I a m a w a r e , t h e r e

a r e n o c l u e s t o t e l l u s h o w t h i s o r g a n i z a t i o n i s c o n t r o l l e d .

T h e f u n c t i o n a l c o n s e q u e n c e s o f t h e l o c a l j u x t a p o s i t i o n o f

m i t o c h o n d r i a a n d E R S R f o r [ C a ] c s i g n a l l i n g a r e n o t s o

e a s y t o p r e d i c t . I n t u i t i v e l y , t w o q u i t e o p p o s i n g c o n s e q u e n c e s

s u g g e s t t h e m s e l v e s : ( i ) m i t o c h o n d r i a t a k e u p C a a s i t i s

r e l e a s e d a n d t h e r e f o r e l i m i t t h e s p a t i a l s p r e a d o f t h e [ C a ] c

s i g n a l , i . e . a c t i n g a s a s p a t i a l b u f f e r ; ( i i ) t h e r e g u l a t i o n o f

l o c a l [ C a ] c

b y s t r a t e g i c a l l y p l a c e d m i t o c h o n d r i a m a y

r e g u l a t e l o c a l C a f l u x t h r o u g h C a - s e n s i t i v e C a r e l e a s e

c h a n n e l s a n d t h u s m o d u l a t e [ C a ] c s i g n a l l i n g , m u c h a s

d e s c r i b e d a b o v e f o r I C R A C . F o r e x a m p l e , t h e I P ( t y p e 1 )

C a r e l e a s e c h a n n e l i s s e n s i t i v e t o [ C a ] , e n h a n c e d a t l o w

[ C a ] ( < 5 0 0 n ) , b u t i n h i b i t e d a s t h e C a c o n c e n t r a t i o n

r i s e s i n t o t h e m i c r o m o l a r r a n g e , g i v i n g r i s e t o a b e l l - s h a p e d

[ C a ] c C a r e l e a s e c u r v e ( I i n o , 1 9 9 0 ; B e z p r o z v a n n y e t a l .

1 9 9 1 ) . T h u s t h e l o c a l b u f f e r i n g o f [ C a ] c

b y m i t o c h o n d r i a

m a y h a v e a m a j o r i m p a c t o n E R C a r e l e a s e . T h e p e a k o f

t h e C a r e l e a s e [ C a ] c c u r v e l i e s a r o u n d 4 0 0 5 0 0 n , t h e

v a l u e a t w h i c h m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e b e c o m e s s i g n i f i c a n t .

A s [ C a ] c

r i s e s t o l e v e l s c l o s e r t o 1 , c h a n n e l o p e n i n g i s

i n h i b i t e d . R e m o v a l o f l o c a l C a b y m i t o c h o n d r i a m a y t h u s

s e r v e t o k e e p t h e c h a n n e l s o p e n a n d t h e r e f o r e h e l p s u s t a i n

E R C a e f f l u x , w h i l e t h e s p a t i a l o r i e n t a t i o n o f m i t o c h o n d r i a

m a y s u p p o r t t h e d i s p e r s a l o f t h e C a i n t h e c y t o s o l a w a y

f r o m t h e m o u t h o f o p e n C a - s e n s i t i v e I P - s e n s i t i v e

c h a n n e l s . T h i s i s t h e m e c h a n i s m p r o p o s e d b y J o u a v i l l e e t a l .

( 1 9 9 5 ) t o a c c o u n t f o r o b s e r v a t i o n s i n X e n o p u s o o c y t e s , i n

w h i c h t h e r a t e o f p r o p a g a t i o n o f [ C a ] c w a v e s w a s m o d u l a t e d

b y v a r y i n g m i t o c h o n d r i a l p o t e n t i a l t h e l a r g e r t h e

m i t o c h o n d r i a l p o t e n t i a l , t h e f a s t e r a n d m o r e c o - o r d i n a t e d

t h e w a v e ( F i g . 4 A ) . T h i s m i g h t s e e m c o u n t e r - i n t u i t i v e

w i t h a l a r g e r p o t e n t i a l , m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e i s m o r e

e f f i c i e n t a n d s h o u l d s e r v e a s a m o r e p o w e r f u l b u f f e r .

H o w e v e r , b y b u f f e r i n g m i c r o d o m a i n s o f [ C a ] c , m i t o c h o n d r i a

c o u l d r e g u l a t e t h e r a t e o f e f f l u x f r o m t h e E R C a r e l e a s e

c h a n n e l s , p u l l i n g t h e [ C a ] c

i n t o a r e g i o n i n w h i c h t h e

[ C a ] c

d e p e n d e n c e o f C a r e l e a s e l a y a t t h e r i s i n g p h a s e o f

t h e b e l l - s h a p e d c u r v e .

W e h a v e r e c e n t l y e x a m i n e d t h e r o l e o f m i t o c h o n d r i a l C a

u p t a k e a s a d e t e r m i n a n t o f t h e r a t e o f C a w a v e

p r o p a g a t i o n i n m a m m a l i a n a s t r o c y t e s , a n d h a v e f o u n d t h e

o p p o s i t e [ C a ] c w a v e p r o p a g a t i o n w a s c l e a r l y s i g n i f i c a n t l y

f a s t e r w h e n m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e w a s i m p a i r e d

( B o i t i e r e t a l . 1 9 9 9 ; F i g . 4 B ) . W h y s h o u l d t h e s e s i m i l a r

e x p e r i m e n t a l m o d e l s y i e l d d i f f e r e n t a n s w e r s ? O n e

p o s s i b i l i t y i s s i m p l y t h a t , i n t h e a s t r o c y t e s , l o c a l [ C a ] c

m a y n o t h a v e r e a c h e d l e v e l s a t w h i c h E R C a r e l e a s e i s

i m p a i r e d . A l t e r n a t i v e l y , t h e a n s w e r m a y l i e i n t h e

p r o p e r t i e s o f d i f f e r e n t c l a s s e s o f I P r e c e p t o r s . A s t r o c y t e s

p r e d o m i n a n t l y e x p r e s s t y p e 2 I P - d e p e n d e n t E R C a

r e l e a s e c h a n n e l s ( S h e p h e r d e t a l . 1 9 9 7 ; E . B o i t i e r , S . B r i n d &

M . R . D u c h e n , u n p u b l i s h e d o b s e r v a t i o n s ) w h i c h d o n o t s h o w

t h e s a m e b e l l - s h a p e d [ C a ] c s e n s i t i v i t y a s t h e t y p e 1

r e c e p t o r s ( R a m o s - F r a n c o e t a l . 1 9 9 8 ) . I n d e e d , t y p e 3

r e c e p t o r s a l s o s h o w a m o n o t o n i c [ C a ] c

s e n s i t i v i t y ( H a g a r e t

a l . 1 9 9 8 ) . T h u s , t h e c o n s e q u e n c e o f t h i s f o c a l i n t e r a c t i o n

b e t w e e n o r g a n e l l e s m a y v a r y b e t w e e n c e l l s , d e p e n d i n g o n

t h e r e l a t i v e e x p r e s s i o n o f t h e s e p r o t e i n s . I n t h e a s t r o c y t e ,

w i t h t y p e 2 r e c e p t o r s d o m i n a n t , m i t o c h o n d r i a a c t e f f e c t i v e l y

a s a s p a t i a l b u f f e r , l i m i t i n g t h e r a t e a n d e x t e n t o f s p r e a d

o f a [ C a ] c

s i g n a l . T h i s m a y h a v e s i g n i f i c a n t i m p l i c a t i o n s

f o r t h e p r o p a g a t i o n o f C a s i g n a l s d u r i n g p e r i o d s o f

a n o x i a i s c h a e m i a i n t h e C N S , d u r i n g w h i c h m i t o c h o n d r i a l

p o t e n t i a l w i l l d i s s i p a t e , a n d b e c o m e s p a r t i c u l a r l y i n t e r e s t i n g

i n t h e l i g h t o f r e c e n t d e m o n s t r a t i o n t h a t d e a t h s i g n a l s m a y

a l s o p r o p a g a t e t h r o u g h c e l l u l a r n e t w o r k s ( L i n e t a l . 1 9 9 8 ) .

A m o s t i n t r i g u i n g c o n t r i b u t i o n t o t h i s s t o r y h a s e v o l v e d

r e c e n t l y , g r o w i n g o u t o f a n u m b e r o f r e l a t e d o b s e r v a t i o n s . I t

h a s b e e n s u g g e s t e d t h a t m i t o c h o n d r i a m a y p a r t i c i p a t e i n

t h e a c t i v e p r o p a g a t i o n o f a [ C a ] c s i g n a l a c r o s s t h e c e l l

t h r o u g h a p r o c e s s o f C a - i n d u c e d C a r e l e a s e ( C I C R ; s e e

I c h a s & M a z a t , 1 9 9 8 , f o r r e v i e w ) . T h e m e c h a n i s m t h a t

u n d e r p i n s t h i s s t o r y i s t h e m i t o c h o n d r i a l p e r m e a b i l i t y

t r a n s i t i o n , o r M P T ( s e e a b o v e ) . W h i l e m o s t o f t h e r e l e v a n t

l i t e r a t u r e d e a l s w i t h p a t h o l o g i c a l c o n s e q u e n c e s o f t h e M P T

w i t h p r o p o s e d r o l e s f o r i n i t i a t i o n o f a p o p t o s i s , A T P

d e p l e t i o n a n d r e p e r f u s i o n i n j u r y I c h a s e t a l . ( 1 9 9 7 )

s u g g e s t e d t h a t t h e M P T m a y o p e n t r a n s i e n t l y a t a l o w

c o n d u c t a n c e s t a t e d u r i n g n o r m a l [ C a ] c s i g n a l l i n g . I t i s

p r o p o s e d t h a t a r i s e i n [ C a ] m a n d a r e s u l t a n t s m a l l f a l l i n

i n t r a m i t o c h o n d r i a l p H m i g h t s u f f i c e t o t r i g g e r t r a n s i e n t

M . R . D u c h e n

J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

1 0



11/17

f l i c k e r i n g o p e n i n g s o f t h e c h a n n e l i n a l o w c o n d u c t a n c e

s t a t e ; o n c e o p e n , t h e a c c u m u l a t e d C a i s r e l e a s e d , c a u s i n g

a l o c a l m i c r o d o m a i n o f h i g h [ C a ] c . T h i s m a y t r i g g e r l o c a l

C I C R f r o m E R o r m a y b e t a k e n u p b y t h e n e x t b a n k o f

q u i e s c e n t m i t o c h o n d r i a w h i c h w i l l i n t u r n r e l e a s e t h e C a .

T h e a u t h o r s w e r e a b l e t o c r e a t e a p r o p a g a t i n g , C s A - s e n s i t i v e

[ C a ] w a v e t h r o u g h a l a w n o f i s o l a t e d m i t o c h o n d r i a s e e d e d

o n t o a c o v e r s l i p , s i m p l y i n r e s p o n s e t o a m i c r o d o m a i n o f

[ C a ] c

g e n e r a t e d a t o n e c o r n e r o f t h e l a w n , i . e . a w a v e o f

C a t h r o u g h t h e m i t o c h o n d r i a l l a w n w a s g e n e r a t e d i n t h e

a b s e n c e o f a n y o t h e r c o m p o n e n t s o f t h e c y t o s o l . T h i s w a s , o f

c o u r s e , a w a v e o f [ C a ] m

, n o t t h e p r o p a g a t i o n o f a c y t o s o l i c

w a v e . E v i d e n c e f o r t h e r o l e o f t h i s m e c h a n i s m i n c e l l u l a r

[ C a ] c s i g n a l l i n g w a s b a s e d o n t h e o b s e r v a t i o n s t h a t t h e


J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

1 1

F i g u r e 4 . I m p a c t o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e o n p r o p a g a t e d [ C a ] c

w a v e s

A s h o w s t h e e f f e c t o f m i t o c h o n d r i a l e n e r g i z a t i o n o n t h e p r o p e r t i e s o f [ C a ] c

w a v e s i n X e n o p u s o o c y t e s .

[ C a ] c

w a v e s i n a X e n o p u s o o c y t e t r i g g e r e d b y f l a s h p h o t o l y t i c r e l e a s e o f a c a g e d , n o n - h y d r o l y s a b l e

a n a l o g u e o f I P w e r e i n i t i a l l y c h a o t i c a n d s m a l l i n a m p l i t u d e . F o l l o w i n g m i c r o i n j e c t i o n o f t h e m i t o c h o n d r i a l

s u b s t r a t e s p y r u v a t e a n d m a l a t e ( a t t h e t i m e i n d i c a t e d b y t h e a r r o w s ) , m i t o c h o n d r i a l p o t e n t i a l i n c r e a s e d

( m e a s u r e d s e p a r a t e l y ) a n d t h e w a v e s b e c a m e i n c r e a s i n g l y c o - o r d i n a t e d , l a r g e r i n a m p l i t u d e , a n d t h e r a t e o f

p r o p a g a t i o n i n c r e a s e d . A ( i ) s h o w s e x a m p l e s o f t h e w a v e s b e f o r e ( 9 0 s ) a n d a f t e r ( a t 2 4 0 a n d 4 8 0 s ) i n j e c t i o n

o f t h e s u b s t r a t e s . A

( i i ) s h o w s a l i n e i m a g e t o i l l u s t r a t e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e w a v e s w i t h t i m e , a n d a p l o t

o f a m p l i t u d e w i t h t i m e f o r a s i n g l e p o i n t i n t h e c e l l i s s h o w n i n ( i i i ) ( m o d i f i e d f r o m J o u a v i l l e e t a l . 1 9 9 5 ,

w i t h p e r m i s s i o n ) . B , m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e h a s o p p o s i t e e f f e c t s o n t h e p r o p a g a t i o n o f [ C a ] c

w a v e s i n

r a t c o r t i c a l a s t r o c y t e s i n c u l t u r e . B ( i ) s h o w s a p l o t o f i n t e n s i t y w i t h t i m e a t a s e r i e s o f e q u i d i s t a n t p o i n t s

t h r o u g h a s i n g l e c e l l . T h e i m a g e s i n B ( i i ) i l l u s t r a t e t h e s p r e a d o f t h e [ C a ] c s i g n a l t h r o u g h t h e c e l l w i t h

t i m e . T o o b t a i n t h e i m a g e s s h o w n i n ( i i i ) a n d ( i v ) , w h i c h i l l u s t r a t e t h e p r o p a g a t i n g w a v e f r o n t , t h e i m a g e

s e r i e s w a s d i f f e r e n t i a t e d ( a p r o c e s s o f s e q u e n t i a l s u b t r a c t i o n s t h a t r e v e a l s a s i g n a l o n l y i n p i x e l s i n w h i c h

t h e s i g n a l c h a n g e d ) . A l i n e w a s t h e n s e l e c t e d a l o n g t h e a x i s o f t h e c e l l a n d t h e c o l o u r - c o d e d i n t e n s i t y p r o f i l e

a l o n g t h a t l i n e w a s p l o t t e d a s a f u n c t i o n o f t i m e , r e v e a l i n g t h e w a v e f r o n t a s a d i a g o n a l b a n d a s i t

p r o g r e s s e d a c r o s s t h e c e l l w i t h t i m e . T h e r a t e o f p r o p a g a t i o n o f t h e w a v e c l e a r l y i n c r e a s e d i n c e l l s i n w h i c h

m i t o c h o n d r i a l C a a c c u m u l a t i o n w a s a b o l i s h e d b y d i s s i p a t i n g m

( i v ) , u s i n g a n t i m y c i n A 1 c o m b i n e d w i t h

o l i g o m y c i n , t o l i m i t m i t o c h o n d r i a l A T P c o n s u m p t i o n ( M . R . D u c h e n , R . R e a & E . B o i t i e r , u n p u b l i s h e d

o b s e r v a t i o n s ) .



12/17

M . R . D u c h e n

J . P h y s i o l . 5 1 6 . 1

1 2

F i g u r e 5 . I m p a c t o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e o n m i t o c h o n d r i a l p o t e n t i a l

A , m i c r o d o m a i n s o f h i g h [ C a ] c d u e t o r e l e a s e f r o m S R o r E R c a u s e b r i e f t r a n s i e n t d e p o l a r i z a t i o n s o f

m i t o c h o n d r i a . T h e s e e v e n t s w e r e s e e n i n s i n g l e c e l l s l o a d e d w i t h t h e p o t e n t i o m e t r i c p r o b e , t e t r a m e t h y l

r h o d a m i n e e t h y l e s t e r ( T M R E ) , i n v o l v i n g e i t h e r c l u s t e r s o f m i t o c h o n d r i a o r e v e n a s i n g l e m i t o c h o n d r i o n , a s

s h o w n i n ( i i ) i n a n e o n a t a l c a r d i o m y o c y t e i n c u l t u r e . T h e t i m e c o u r s e o f t h e e v e n t i s i l l u s t r a t e d i n ( i i i ) i n

w h i c h t h e i n t e n s i t y p r o f i l e a l o n g a l i n e s e l e c t e d t h r o u g h t h e m i t o c h o n d r i o n i s s h o w n w i t h t i m e . T h e m e a n

i n t e n s i t y p l o t t e d w i t h t i m e i s s u p e r i m p o s e d . T h e s e e v e n t s w e r e a b o l i s h e d b y r y a n o d i n e o r i n t r a c e l l u l a r

c a l c i u m c h e l a t i o n . B , a s i m i l a r p r o c e s s o p e r a t e s d u r i n g c o - o r d i n a t e d [ C a ] c s i g n a l l i n g , i l l u s t r a t e d d u r i n g a

[ C a ] w a v e i n a c a r d i o m y o c y t e ( a l s o l o a d e d w i t h T M R E ) . A [ C a ] w a v e i n t h e s e c e l l s c a u s e s a c o n t r a c t i l e

w a v e w h i c h w a s a s s o c i a t e d h e r e w i t h a w a v e o f m i t o c h o n d r i a l d e p o l a r i z a t i o n , s e e n a s a n i n c r e a s e i n

f l u o r e s c e n c e s i g n a l . T h e l i n e i m a g e ( i i ) i l l u s t r a t e s t h e e v o l u t i o n o f t h e s i g n a l w i t h t i m e a l o n g a l i n e s e l e c t e d

a l o n g t h e a x i s o f t h e c e l l ( s h o w n i n ( i ) , w h i t e l i n e ) . T h e c o n t r a c t i o n s t a r t e d f i r s t a t t h e u p p e r m a r g i n ( t h e t o p

l e f t i n ( i ) a n d p r o p a g a t e d a l o n g t h e l e n g t h o f t h e c e l l . T h e c o n t r a c t i o n c a n b e s e e n a t t h e e d g e s o f t h e l i n e

i m a g e ( a r r o w s ) a s t h e l i n e e x t e n d e d b e y o n d t h e e d g e s o f t h e c e l l ( m o d i f i e d f r o m D u c h e n e t a l . 1 9 9 8 , w i t h

p e r m i s s i o n ) . T w o s p o n t a n e o u s t r a n s i e n t e v e n t s o f s i m i l a r a m p l i t u d e a s t h e w a v e w e r e s e e n l a t e r ( * ) . C s h o w s

s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n t s o f [ C a ] c a n d m m a d e i n r a t h i p p o c a m p a l n e u r o n s i n c u l t u r e u s i n g f u r a _ 2

(0

) a n d r h o d a m i n e 1 2 3 ( c o n t i n u o u s l i n e s ) . ( i ) , d e p o l a r i z a t i o n o f t h e p l a s m a m e m b r a n e w i t h 5 0 m K C l f o r

1 0 m i n r a i s e d [ C a ] c

b u t c a u s e d o n l y a s m a l l t r a n s i e n t m i t o c h o n d r i a l d e p o l a r i z a t i o n . ( i i ) , d e p o l a r i z a t i o n f o r

1 0 m i n w i t h g l u t a m a t e u n d e r c o n d i t i o n s t h a t c a u s e d 7 5 % c e l l d e a t h 2 4 h l a t e r , a l s o r a i s e d [ C a ] c

b u t



13/17

a m p l i t u d e o f c y t o s o l i c [ C a ] c

s i g n a l s w e r e m o d u l a t e d b y

C s A , w h i c h i n h i b i t s t h e M P T . I t w o u l d b e n i c e t o b e

c o m p l e t e l y c o n f i d e n t t h a t t h e C s A w a s d o i n g n o t h i n g e l s e i n

t h e c e l l , a s C s A i s a l s o a p o t e n t i n h i b i t o r o f t h e C a -

d e p e n d e n t p h o s p h a t a s e , c a l c i n e u r i n , b u t t h e p o s s i b i l i t y t h a t

m i t o c h o n d r i a m a y p l a y a n a c t i v e r o l e i n [ C a ] c

s i g n a l l i n g ,

a t l e a s t i n s o m e c e l l s , r e m a i n s h i g h l y i n t r i g u i n g .

A t t h e v e r y l e a s t , i t s h o u l d b e c l e a r f r o m t h e a r g u m e n t s

p r e s e n t e d t h a t m i t o c h o n d r i a p l a y a s i g n i f i c a n t , a l t h o u g h

v a r i e d , r o l e i n s h a p i n g c e l l u l a r [ C a ] s i g n a l s . [ C a ]

s i g n a l l i n g i s s o c e n t r a l t o a l l n o r m a l p h y s i o l o g i c a l f u n c t i o n s

i n a l l c e l l t y p e s t h a t a n y d i s t u r b a n c e s i n t h e s u b t l e t i e s o f

[ C a ] s i g n a l l i n g t h a t r e s u l t f r o m m i t o c h o n d r i a l d y s f u c t i o n

w i l l i n e v i t a b l y h a v e a s u b s t a n t i a l i m p a c t o n c e l l f u n c t i o n ,

a n d m o r e b r o a d l y , o n t h e i n t e g r a t i v e f u n c t i o n o f m o r e

c o m p l e x o r g a n s y s t e m s .

C o n s e q u e n c e s o f m i t o c h o n d r i a l C a u p t a k e f o r

m i t o c h o n d r i a l f u n c t i o n : f r o m c e l l s i g n a l l i n g t o c e l l

d e a t h

T h e m o s t i m m e d i a t e c o n s e q u e n c e o f m i t o c h o n d r i a l C a

u p t a k e i s a m i t o c h o n d r i a l d e p o l a r i z a t i o n . T h i s i s m o s t

p r o b a b l y s i m p l y t h e c o n s e q u e n c e o f t h e f l o w o f a C a

c u r r e n t , a s t h e u n i p o r t e r i s e l e c t r o g e n i c . I t i s s e e n a s a

r e s p o n s e t o t h e a d d i t i o n o f C a t o p r e p a r a t i o n s o f i s o l a t e d

m i t o c h o n d r i a , a n d i s s e e n i n i n t a c t c e l l s a s a r e p o n s e t o

p h y s i o l o g i c a l [ C a ] c s i g n a l s . T r a n s i e n t m i t o c h o n d r i a l

d e p o l a r i z a t i o n s h a v e b e e n d e s c r i b e d i n e x c i t a b l e c e l l s i n

r e s p o n s e t o d e p o l a r i z a t i o n i n s e n s o r y n e u r o n s ( D u c h e n , 1 9 9 2 ) ,

h i p p o c a m p a l n e u r o n s i n s l i c e s ( B i n d o k a s e t a l . 1 9 9 8 ) o r i n

c u l t u r e ( K e e l a n e t a l . 1 9 9 8 a n d s e e F i g . 5 C ) a n d i n r e s p o n s e

t o a p r o p a g a t i n g [ C a ] c w a v e i n c a r d i o m y o c y t e s ( F i g . 5 B ;

D u c h e n e t a l . 1 9 9 8 ) , a n d h a v e a l s o b e e n s e e n i n i n e x c i t a b l e

c e l l s i n r e s p o n s e t o m o b i l i z a t i o n o f E R C a ( P e u c h e n e t a l .

1 9 9 6 ; B o i t i e r , R a e & M . R . D u c h e n , s u b m i t t e d ) . R e c e n t l y w e

h a v e a l s o d e s c r i b e d f o c a l m i t o c h o n d r i a l d e p o l a r i z a t i o n s i n

r e l a t i o n t o f o c a l S R E R C a r e l e a s e ( D u c h e n e t a l . 1 9 9 8 ;

F i g . 5 A ) , a f u n c t i o n a l c o n s e q u e n c e o f t h e c l o s e a p p o s i t i o n o f

E R C a r e l e a s e s i t e s a n d m i t o c

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J Physiol-1999-Duchen-1-17