本文介绍了测量线粒体耗氧量(营养能量学的核心概念)以及质子漏(线粒体生成ATP效率低下的主要原因)的方法。这些结果可解释营养利用过程中30%的能量损失,有助于评估线粒体功能。
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本文介绍了测量线粒体耗氧量(营养能量学的核心概念)以及质子漏(线粒体生成ATP效率低下的主要原因)的方法。这些结果可解释营养利用过程中30%的能量损失,有助于评估线粒体功能。
耗氧量、质子动力势(PMF)和质子漏是线粒体呼吸功能的测量指标,反映了线粒体将NADH和FADH转化为ATP的能力。由于线粒体也是氧气利用以及营养物质氧化生成二氧化碳和水的主要场所,其利用氧气并生成ATP的效率直接关系到动物的营养代谢效率、营养需求以及整体健康状况。本方法旨在检测线粒体呼吸功能,可用于评估不同药物、饮食及环境因素对线粒体代谢的影响。检测结果包括以质子依赖性呼吸(状态3)和质子漏依赖性呼吸(状态4)表示的耗氧量。状态3与状态4呼吸的比值定义为呼吸控制比(RCR),可反映线粒体的能量转化效率。线粒体质子漏是一种使线粒体膜电位(MMP)耗散的过程,其通过解偶联氧化磷酸化与ADP的结合,降低ATP合成的效率。本方法采用对氧气和TRMP+敏感的电极,并结合线粒体底物及电子传递链抑制剂,用于测定状态3和状态4呼吸、线粒体膜PMF(即生成ATP的潜力)以及质子漏。该方法的局限性在于肝组织必须尽可能新鲜,所有活检和检测需在10小时内完成,这限制了单人在一天内可采集和处理的样本数量,约为5个。然而,每个检测仅需1 g肝组织,因此对于奶牛等大型动物而言,所需样本量相对于肝脏总体积较小,且动物恢复所需时间较短。
线粒体对应激非常敏感,其细胞内环境可能与多种代谢性疾病相关。线粒体的耗氧量和质子泄漏是衡量线粒体健康状况的指标。本文所述方法通过基于有无质子泄漏情况下的耗氧量,利用呼吸控制率(RCR)来估算线粒体的能量效率。这些结果可解释营养物质利用过程中约30%的能量损失1。耗氧量和质子泄漏的变化能够识别导致代谢性疾病的线粒体功能障碍,并反映能量效率的下降。这些方法还可用于评估不同处理对线粒体呼吸的影响。测定线粒体耗氧量和质子泄漏动力学的总体目标是评估线粒体功能及能量利用效率。
肝脏线粒体功能障碍已与奶牛的多种疾病相关。在泌乳早期面临能量负平衡时,细胞代谢在碳水化合物和脂类燃料之间转换的能力受到细胞内线粒体数量和功能的影响2。当线粒体无法适应能量需求增加以及β-氧化增强时,可能导致细胞内脂质积聚,进而引发胰岛素抵抗,并可能造成泌乳早期奶牛脂肪肝的形成。线粒体是酮体生成和利用的场所,因此在奶牛酮病中可发挥关键作用3。线粒体数量不足或功能障碍将影响外周组织的能量供应,并反映为氧耗量或呼吸控制率(RCR)的变化。
线粒体耗氧量会随炎症反应而发生变化。将7日龄的肉鸡随机分为两组,一组感染Eimeria maxima,另一组作为对照组4。未接受球虫感染攻击的肉鸡由于质子漏导致的耗氧量较低,且呼吸控制率(RCR)较高,表明肝脏线粒体在应对免疫刺激时会增加质子漏。尽管过去质子漏和活性氧的产生曾被视为线粒体膜功能障碍的标志,并被认为会损害能量利用效率,但现在已知其在线粒体蛋白质和钙离子的导入5以及产热过程1中具有重要作用。
呼吸链中的电子泄漏使线粒体易于产生活性氧,并导致线粒体膜蛋白、脂质和线粒体DNA发生氧化损伤。随着线粒体老化,损伤尤其容易在线粒体DNA(mtDNA)中累积,从而进一步导致线粒体代谢功能障碍6,并增加奶牛对疾病的易感性。在实际生产中,许多家畜常被饲喂高水平的铜(Cu)、锌(Zn)和锰(Mn)等添加剂,以增强抗氧化功能。然而,饲喂高水平的Cu、Zn和Mn会因质子泄漏(状态4呼吸)7而导致产奶量下降,并增加氧气消耗。
以往关于线粒体功能在牛能量利用效率中作用的研究主要集中在线粒体耗氧量和质子泄漏的变化。有关奶牛的研究报道极少,大多数论文将肉牛的饲料残差(RFI)形式的生产效率与线粒体功能进行比较。研究人员通过测定泌乳荷斯坦奶牛以及泌乳肉牛(安格斯牛、布拉 Angus 牛和海福特牛)肝脏中的状态3、状态4和呼吸控制率(RCR),考察了线粒体呼吸速率的变异性8。研究未发现肉牛的线粒体呼吸与生长或泌乳性状之间存在相关性,但在荷斯坦奶牛中报告了线粒体呼吸与泌乳性状之间的相关性。在两项研究中,将肉牛的RFI与其肌肉线粒体的线粒体呼吸速率(状态3、状态4和RCR)进行了比较9,10。线粒体呼吸速率随干物质采食量(DMI)发生变化,较低的呼吸速率与较低效率的肉牛公牛相关。在另一项研究中,比较高RFI和低RFI公牛后代公牛的RFI值,并比较两组后代之间的线粒体呼吸速率和质子泄漏动力学11。组间差异源于增重,证实了增重不影响肉牛线粒体呼吸的结论。
本文通过一项实验,研究在给泌乳奶牛饲喂3种抗氧化矿物质后肝脏RCR的变化,以此说明测定呼吸状态4和状态3期间耗氧量以及质子动力势(PMF)的方法的应用。
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本文所述所有方法、方案和研究均经加州大学戴维斯分校机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准。
1. 从荷斯坦奶牛获取肝活检样本
注意:肝脏活检应由有资质的兽医进行。活检可在奶牛所在的奶牛场现场实施。泌乳期奶牛在活检前后可照常挤奶,且奶制品无需从食物供应链中下架。建议至少需要4人协作完成奶牛肝脏活检:一名兽医负责执行活检操作;一名动物操作员站在奶牛臀部位置,以保护活检区域及兽医;一名实验室技术人员位于围栏外,负责在兽医与外部之间传递工具、材料和活检样本,并维护清洁区域(该区域可设于车辆后部)(图1);另需一名技术人员负责取回肝脏样本并开始线粒体分离操作。
2. 从奶牛肝脏中分离线粒体
3. 测量线粒体氧消耗(状态3和状态4)
4. 测量线粒体膜电位(MMP)和质子驱动力(PMF)
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显示RCR和质子漏出动力学阳性结果的数据分别见表1和图15。在本研究中7,测定了一组荷斯坦奶牛在产后70天时的RCR和质子漏出动力学,这些奶牛在之前28天内被饲喂5种不同水平的铜(Cu)、锌(Zn)和锰(Mn)。状态4(最大质子漏依赖性呼吸)有受到Cu、Mn和Zn矿物质摄入影响的趋势(p < 0.1)。状态3呼吸(最大ATP刺激性呼吸)以及RCR = 状态3 / 状态4(呼吸控制比)则未受矿物质摄入的影响。状态4呼吸在LowMn组中最高,在对照组中最低,表明Mn在减少质子漏依赖性呼吸方面具有重要作用。已知锰通过锰超氧化物歧化酶(Mn Superoxide Dismutase)可减少线粒体基质中的活性氧物质,从而降低质子漏12。较高的状态4呼吸与较低的乳产量和乳蛋白产量相关。由于质子漏是能量利用效率的重要组成部分,通过补充Mn降低状态4呼吸可能有助于提高能量利用效...
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该实验方案中最关键的步骤是获取具有代表性的肝组织样本,并在活检后尽快开始线粒体的分离。由于从奶牛到实验室的运输时间较短,呼吸测量值的变异程度较低(表1)。为缩短运输时间,我们在奶牛场办公室内设立了一个小型实验室,每采集一个肝组织样本后即刻送往该办公室内的实验室,确保在活检后10分钟内完成线粒体的分离。在样本采集和处理前一天,预先搭建并测试呼吸室及电极(氧气电极、TPMP+电极),同时校准用于记录质子梯度变化的pH计,可避免出现诸如质子漏动力学早期测量数据缺失等仪器故障(图16)。
由于需要新鲜的肝组织样本并快速分离线粒体,每天能够收集和处理的样本数量有限。每个样本的处理时间约为5至6小时,因此每个呼吸测定室每天大约只能完成5个样本的收集与分析。该方法通量较低,处理组的样本量受限,且微小的误差可能增加结果的变异性,影响显著性检测的能力。
分离技术可能会排除一些与细胞组分相关联的线粒体,这些线粒体会残留在沉淀中,或者在离心步骤的沉淀洗涤过...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由Alltech和美国农业部哈奇基金通过加州大学戴维斯分校兽医学院食品动物健康中心资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 肝脏活检 | |||
| 设备 | |||
| Schackelford-Courtney 牛肝活检器械 | Sontec Instruments Englewood CO | 1103-904 | |
| 缝合线 | Fisher Scientific | 19-037-516 | |
| 缝合针 | NA | NA | 随缝合线提供 |
| 手术刀 | Sigma - Aldrich | S2896 / S2646 | # 用于刀柄和刀片 |
| 手术巾 | Fisher Scientific | 50-129-6667 | |
| 50 mL Falcon 管 | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
| 镊子 | Sigma - Aldrich | Z168750 | |
| 50 mL 注射器 | Fisher Scientific | 22-314387 | |
| 注射针头(22号,2 1/2英寸) | VWR | MJ8881-200342 | |
| 牛用鼻缰 | Tractor Supply Co. | 101966599 | |
| 棉签 | Fisher Scientific | 14-959-102 | |
| 棉纱布方块(4×4英寸) | Fisher Scientific | 22-246069 | |
| 医用剪刀 | Sigma - Aldrich | Z265969 | |
| 化学试剂 | |||
| 球虫病疫苗,每头牛0.75瓶 | 由兽医提供 | ||
| 梭菌疫苗 | 由兽医提供 | ||
| 肝活检用抗生素(Excenel),每100磅体重注射2 cc,连续3天 | 由兽医提供 | ||
| 聚维酮碘消毒液 | Aspen Veterinary Resources | 21260221 | |
| 70%乙醇 | Sigma - Aldrich | 793213 | |
| 盐酸赛拉嗪,静脉注射,剂量为0.010–0.015 mg/kg体重,浓度100 mg/mL | 由兽医提供 | ||
| 2%盐酸利多卡因(10–15 mL) | 由兽医提供 | ||
| 氟尼辛葡甲胺静脉注射,剂量为1 mg/kg体重 | 由兽医提供 | ||
| 线粒体分离(肝脏) | |||
| 设备 | |||
| 30 mL Wheaton 玻璃瓶,配带聚四氟乙烯(Teflon)研杵,间隙为0.16 mm | Fisher Scientific | 02-911-527 | |
| 匀浆机电机 | Cole Parmer | EW-04369-10 | |
| 匀浆探头 | Cole Parmer | EW-04468-22 | |
| 自动移液器(10 mL) | Cole Parmer | SK-21600-74 | |
| 盛有冰的烧杯(500 mL) | Fisher Scientific | FB100600 | |
| 制冷型微量离心机 | Fisher Scientific | 75-002-441EW3 | |
| 微量离心管(1.5 mL) | Fisher Scientific | AM12400 | |
| 化学试剂 | |||
| 双辛可宁酸(BCA)蛋白检测试剂盒(适用于酶标仪的微孔板) | abcam | ab102536 | |
| 蔗糖 | Sigma - Aldrich | S7903-1KG | |
| Tris-HCl | Sigma - Aldrich | T1503-1KG | |
| EDTA | Sigma - Aldrich | EDS-1KG | |
| 牛血清白蛋白(无脂肪酸) | Sigma - Aldrich | A7030-50G | |
| 甘露醇 | Sigma - Aldrich | M4125-1KG | |
| 去离子水 | Sigma - Aldrich | 38796 | |
| Hepes | Sigma - Aldrich | H3375-500G | |
| 用于配制线粒体分离介质:220 mM 甘露醇、70 mM 蔗糖、20 mM HEPES、20 mM Tris-HCl、1 mM EDTA 和 0.1%(w/v)无脂肪酸 BSA, 在 4 °C 下 pH 为 7.4,置于冰箱中可保存 2 天 | |||
| 线粒体耗氧量测定 | |||
| 设备 | |||
| 氧电极测定系统 + 克拉克型氧电极 | Hansatech (PP Systems) | OXY1 | |
| 温控循环水浴泵 | ADInstruments | MLE2001 | |
| 克拉克型氧电极 | NA | NA | |
| 自动移液器(1 mL) | Cole Parmer | SK-21600-70 | 随 OXY1 系统提供 |
| 小型磁力搅拌子 | Fisher Scientific | 14-513-95 | |
| 微量移液器(10 μL) | Cole Parmer | SK-21600-60 | |
| pH计 | VWR | ||
| 化学试剂 | |||
| KCl | Sigma - Aldrich | P9333-1KG | |
| Hepes | Sigma - Aldrich | H3375-500G | |
| KH2PO4 | Sigma - Aldrich | P5655-1KG | |
| MgCl2 | Sigma - Aldrich | M1028-100ML | |
| EGTA | Sigma - Aldrich | E3889-100G | |
| 用于配制线粒体耗氧量测定介质:120 mM KCl、5 mM KH2PO4、5 mM MgCl2、5 mM Hepes 和 1 mM EGTA, 在 30 °C 下 pH 为 7.4,含 0.3% 脱脂 BSA | |||
| 鱼藤酮(4 mM 溶液) | Sigma - Aldrich | R8875-5G | |
| 琥珀酸(1 M 溶液) | Sigma - Aldrich | S3674-250G | |
| ADP(100 mM 溶液) | Sigma - Aldrich | A5285-1G | |
| 寡霉素(溶于乙醇,浓度为 8 μg/mL) | Sigma - Aldrich | 75351 | |
| FCCP | Sigma - Aldrich | C2920 | |
| 线粒体膜电位与质子驱动力测定 | |||
| 设备 | |||
| TPMP 电极 | World Precision Instruments. | DRIREF-2 | |
| 化学试剂—溶液无需新鲜配制,但需在每次实验间保存于冷冻条件下 | |||
| 丙二酸(0.1 mM 溶液) | Sigma - Aldrich | M1296 | |
| 寡霉素(8 μg/mL 溶于乙醇),需保存于冷冻条件下 | Sigma - Aldrich | 75351 | |
| 尼日尔菌素(80 ng/mL 溶于乙醇),需保存于冷冻条件下 | Sigma - Aldrich | N7143 | |
| FCCP | Sigma - Aldrich | C3920 | |
| TPMP | Sigma - Aldrich | T200 | |
| TPMP 溶液:10 mM TPMP、120 mM KCl、5 mM Hepes 和 1 mM EGTA, 在 30 °C 下 pH 为 7.4,含 0.3% 脱脂 BSA |
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