Mémoire

Ultrastructure and function of mitochondria in gametocytic stage of Plasmodium falciparum

Ultrastructure et fonction des mitochondries au stade gamétocyte de Plasmodium falciparum

¹ Department of Biochemistry, Faculty of Medicine, Chulalongkorn University, Rama IV Road, Bangkok 10330, Thailand.
² Department of Biochemistry, Faculty of Science, Rangsit University, Patumthani 12000, Thailand.

^* Correspondence : Jerapan Krungkrai. Tel. : (662)-2564482 - Fax : (662)-2524986. Email: fmedjkk@md2.md.chula.ac.th

Received: 28 October 1999
Accepted: 4 January 2000

Abstract

Morphological properties of the mitochondrial organelles in the asexual and sexual gametocytic stages of Plasmodium falciparum have been analyzed and found to be markedly different. From in vitro cultures of both stages in human erythrocytes, it has been demonstrated that the asexual stages contained a defined double-membrane organelle having a few tubular-like cristae. The numbers of mitochondria in the gametocytes were found to be ~ 6 organelles per parasite, and they showed a greater density of the cristae than that of the asexual stage parasite. The organelles of the gametocytes were successfully purified by differential centrifugation following Percoll density gradient separation with the results of ~ 7 % yields and ~ 5 folds. The gametocytic organelles contained much more activities of mitochondrial electron transporting enzymes (i.e., cytochrome c reductase, cytochrome c oxidase) than the asexual stage organelles. Mitochondrial function as measured by oxygen consumption were found to be different between these two stages organelles. Their rates of oxygen consumption were relatively low, as compared to those of human leukocyte and mouse liver mitochondria. In contrast to the coupled mammalian mitochondria, the gametocytic organelles were in the uncoupling state between oxidation and phosphorylation reactions during their respiration. However, they were sensitive to inhibitors of the electron transport system, e.g., antimycin A, cyanide. Our results suggest that the mitochondria of the gametocytic stages are metabolically active and still underdeveloped, although their inner membranes are extensively folded. The biochemical significance of the unique structure of the mitochondria in these developing stages in host erythrocytes remains to be elucidated.

Résumé

Les morphologies et les propriétés des organelles mitochondriales des stades asexués et sexués (gamétocytes) de P. falciparum, maintenu in vitro sur érythrocytes humains, ont été analysées. Le stade asexué (trophozoïte) contient une organelle à double membrane possédant peu de crêtes de type "tubulaire". Les gamétocytes possèdent par contre un plus grand nombre d'organelles mitochondriales présentant une plus grande densité de crêtes. Les organelles mitochondriales des gamétocytes ont été purifiées par centrifugation différentielle suivie d'une séparation sur gradient de densité de Percoll avec un rendement de 7 % et un facteur de purification de cinq. Les organelles gamétocytaires présentent des activités enzymatiques liées au transport des électrons (cytochrome c réductase, cytochrome c oxydase) plus important que les organelles du stade asexué. Des différences de consommations d'oxygène sont également observées entre ces organelles qui restent néanmoins relativement faibles comparées à celles des mitochondries des leucocytes humains et des cellules hépatiques de souris. Contrairement aux mitochondries des Mammifères qui sont dans un état couplé, les organelles gamétocytaires sont découplées entre des réactions d'oxydation et de phosphorylation. Cependant, elles sont sensibles aux inhibiteurs du transport des électrons (antimycin A, cyanide). Nos résultats suggèrent que les mitochondries des gamétocytes sont métaboliquement actives et encore sous-développées bien que leurs membranes internes présentent de nombreuses crêtes. La signification biochimique de la structure unique des mitochondries à ces stades de développement dans les hématies humaines reste à élucider.