Summary

Karaciğer mitokondrial oksijen tüketimi ve Proton sızıntı kinetik Holstein süt sığır mitokondrial solunum tahmin etmek için ölçme

Published: November 30, 2018
doi:

Summary

Burada, mitokondrial oksijen tüketimi, beslenme enerji bilimi ve proton sızıntı, verimsizlik birincil nedeni mitokondriyal ATP nesil belirleyici bir kavram ölçme yöntemleri paylaşmak. Bu sonuçlar besin kullanımı mitokondriyal işlev değerlendirmek yardımcı olmak için kayıp enerjinin % 30 için hesap.

Abstract

Oksijen tüketimi, proton sebep kuvvet (PMF) ve proton sızıntı mitokondriyal solunum veya ne kadar iyi mitokondri NADH ve FADH ATP dönüştürmek mümkün ölçülerini vardır. Nasıl verimli oksijen kullanımı ve doğrudan ATP üretmek mitokondri de oksijen ve karbon dioksit ve su besin oksidasyon birincil site olduğundan, besin metabolizma, verimliliği ile ilgilidir hayvanın besin gereksinimleri ve hayvan sağlık. Bu yöntemin amacı farklı ilaçlar, diyetler ve mitokondriyal metabolizma üzerindeki çevresel etkileri etkilerini incelemek için kullanılan mitokondrial solunum incelemektir. Sonuçları proton bağlı solunum (durum 3) ve proton sızıntı bağımlı solunum (devlet 4) ölçülen oksijen tüketimi içerir. Devlet 3 / devlet 4 Solunum oranı solunum denetim oranı (RCR) tanımlanır ve mitokondrial enerjik verimliliği temsil edebilir. Mitokondrial proton sızıntı ADP ATP sentezi verimliliğini azalan dan uncoupling Oksidatif fosforilasyon tarafından mitokondri zar potansiyel (MMP) dağılımı sağlar bir süreç var. Oksijen ve TRMP + Hassas elektrotlar mitokondrial yüzeylerde ve elektron taşıma zinciri inhibitörleri ile durum 3 ve devlet 4 solunum, mitokondri zar PMF (veya ATP üretmek için potansiyel) ölçmek için kullanılır ve proton sızıntısı. Bu yöntem için kısıtlamaları karaciğer dokusu gibi taze olmalı ve tüm biyopsi ve deneyleri az 10 h içinde gerçekleştirilmesi gerekir vardır. Bu toplanan ve bir günde yaklaşık 5 için tek bir kişi tarafından işlenen örneklerin sayısını sınırlar. Ancak, yalnızca 1 g karaciğer doku, bu yüzden örnek gerekli miktarda süt sığır gibi büyük hayvanlarda karaciğer boyutuna göre küçük ve küçük kurtarma zaman gerekli gereklidir.

Introduction

Mitokondri stres çok duyarlıdır ve hücresel çevreleri çok çeşitli metabolik hastalıklar katkıda bulunabilir. Oksijen tüketimi ve mitokondri proton sızıntısı mitokondri sağlık göstergeleri vardır. Bu kağıt tahmin mitokondrial enerji verimliliğinde oksijen tüketimi ve proton sızıntısı olmayan temel RCR kullanarak açıklanan yöntemleri. Bu sonuçlar besin kullanımı1‘ kayıp enerjinin % 30 için hesap. Oksijen tüketimi ve proton sızıntı değişiklikleri için metabolik hastalık katkıda bulunur ve azalan enerji verimliliği sonuçları mitokondrial disfonksiyon tanımlayabilirsiniz. Bu yöntemler aynı zamanda mitokondrial solunum üzerinde farklı tedaviler etkisini incelemek için kullanılabilir. Mitokondrial oksijen tüketimi ve proton sızıntı kinetik ölçme genel mitokondriyal işlev ve enerjik etkinliğini değerlendirmek için hedeftir.

Hepatik mitokondrial disfonksiyon süt sığır çeşitli hastalıklar ile ilişkili olduğu düşünülmektedir. Hücresel metabolizma erken emzirme bir enerji açığı ile karşı karşıya zaman karbonhidrat ve lipid yakıtlar arasında geçiş yapma yeteneği sayısı ve mitokondri2hücre işlevi etkilenir. Mitokondri enerji ve artan β-oksidasyon için artan bir talep uyum yeteneği kusurları insülin direnci ile ilişkili hücre içi lipid birikimi yol açabilir ve erken emzirme süt ineklerin yağlı karaciğer oluşumuna yol açabilir. Mitokondri, keton vücut üretim ve kullanımı, site olarak ketozis süt inekleri3önemli bir rol oynayabilir. Mitokondri veya mitokondrial disfonksiyon eksikliği yakıt durumu çevre etkileyecek ve oksijen tüketimi veya RCR değişiklikleri yansıması.

Mitokondrial oksijen tüketimi değişiklikleri yanıt olarak inflamasyon. Yedi günlük eski yumurtlayanlar rastgele Eimeria maxima ve kontrol grubu4ile enfekte bir gruba ayrıldı. Coccidiosis meydan geçmesi değil yumurtlayanlar proton sızıntı ve daha yüksek RCR karaciğer mitokondri artan proton sızıntısı tarafından bir bağışıklık sınamasına yanıt belirten nedeniyle daha az oksijen tüketimi vardı. Proton sızıntı ve reaktif oksijen türleri üretim bir kez mitokondri zar disfonksiyon belirtisi olarak kabul edildi ve enerjik verimliliği için zararlı, şimdi bu protein ve kalsiyum içe mitokondri5 aktarmak için önemlidir Bilindiği ve ısı1nesil için.

Solunum zinciri elektron sızıntı mitokondri reaktif oksijen türleri üretim ve oksidatif hasar mitokondri zar proteinleri, lipidler ve mitokondriyal DNA getirir; Mitokondri yaşlandıkça, hasar için özellikle daha fazla mitokondriyal metabolizma6 ve daha fazla duyarlılık inek hastalığı disfonksiyon neden mtDNA birikir. Pratikte, çok hayvancılık hayvan takviyeleri Cu, Zn ve Mn antioksidan işlevi artırmak için gibi yüksek düzeyde beslenir. Ancak, Cu yüksek düzeyde besleme, Zn ve Mn süt üretimi azalmıştır ve oksijen tüketimi proton sızıntısı (devlet 4 solunum)7nedeniyle arttı.

Sığır enerji verimliliği mitokondriyal işlevde rolünü önceki araştırma mitokondrial oksijen tüketimi ve proton sızıntı değişiklikler üzerinde odaklanan. Çok az sayıda çalışmalar süt sığır yayınlanmış ve üretim verimliliği sığır mitokondriyal işlev artık yem alımı (RFI) şeklinde en kartları karşılaştırın. Mitokondrial solunum oranları emzikli Holstein inek ve emzikli sığır ciğeri state 3, devlet 4 ve RCR ölçerek incelenmiş değişkenliği (Angus, Brangus ve Hereford)8inekler. Araştırmacılar herhangi bir korelasyon büyüme veya özellikleri sığır için sağım mitokondrial solunum bulamadık ama mitokondrial solunum ve özellikleri Holsteins için sağım arasında bir ilişki rapor vermedi. İki çalışmalarda, RFI sığır mitokondrial solunum oranları (state 3, devlet 4 ve RCR) kas mitokondri9,10‘ karşılaştırıldı. DMI cevaben mitokondrial solunum oranları değişti ve düşük oranları daha az verimli sığır eti steers ile ilişkili bulunmuştur. Başka bir çalışmada, yüksek veya düşük RFI bulls gelen ederek RFI mitokondrial solunum oranları ve proton sızıntı kinetik Döl11iki grubu ile karşılaştırıldığında. Kazanç kazanç sonuç içinde sığır mitokondrial solunum etkisi yapar teyit nedeniyle farklılıklar vardı.

Bu kağıt, RCR 3 antioksidan mineral laktasyondaki süt sığır besleme yanıt ölçmek için yöntemleri kullanılışını karaciğer inceleyerek bir deney sırasında oksijen tüketimi 4 devlet ve devlet 3 solunum ve PMF.

Protocol

Tüm yöntemleri, protokolü ve burada açıklanan çalışmaları Davis kurumsal hayvan bakım ve kullanım Komitesi (IACUC) Kaliforniya Üniversitesi tarafından onaylanmıştır. 1. alma karaciğer biyopsisi bir Holstein süt ineği Not: Karaciğer biyopsisi lisanslı bir veteriner tarafından gerçekleştirilmelidir. Karaciğer biyopsi inekler konumlandırıldığı sitenin süt gerçekleştirilebilir. Laktasyondaki süt inekleri normalde Sağılan devam edebilir …

Representative Results

RCR ve proton sızıntı kinetik gösteren olumlu sonuçları Tablo 1 ve Şekil 15, sırasıyla gösterilir. Bu çalışmada7, RCR ve protein sızıntısı kinetik ölçülen Holstein Süt ineklerin süt 70 gün, inekler 28 gün boyunca 1, Cu, Zn ve Mn 5 farklı seviyelerde beslenen sonra. Devlet 4, en fazla proton sızıntı bağlı solunum, Cu, Mn ve Zn (p < 0,1) mineral alımını tarafından etkilenmiş gi…

Discussion

En kritik nokta protokolündeki temsilcisi karaciğer doku örneği alma ve mitokondri yalıtım en kısa zamanda biyopsi sonra başlangıcı. Solunum ölçüleri içinde çeşididir inek laboratuvar bir kısa ulaşım zaman nedeniyle düşük (Tablo 1). Taşıma süresini azaltmak için küçük bir laboratuvar süt ofiste kurulmuştur ve mitokondri biyopsi 10 dk içinde izole böylece her toplanan gibi karaciğer örnekleri için office laboratuvar sürüldüler. Kurulum ve proton degradeler kayıt far…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu araştırma, gıda hayvan sağlığı, UC Davis Veteriner Tıp Fakültesi için merkezi aracılığıyla Alltech ve USDA kapak fon tarafından desteklenmiştir.

Materials

Liver Biopsy
Equipment
Schackelford-Courtney bovine liver biopsy instrument Sontec Instruments Englewood CO 1103-904
Suture Fisher Scientific 19-037-516
Suture needles NA NA Included with Suture
Scalpels Sigma – Aldrich S2896 / S2646 # for handle and blades
Surgery towels Fisher Scientific 50-129-6667
Falcon tubes 50 mL Fisher Scientific 14-432-22
Tweezers Sigma – Aldrich Z168750
50 mL syringes Fisher Scientific 22-314387
Injection needles (22, 2 1/2) VWR MJ8881-200342
Cow halter Tractor Supply Co. 101966599
Cotton swabbing Fisher Scientific 14-959-102
cotton gauze squares (4×4) Fisher Scientific 22-246069
Medical scissors Sigma – Aldrich Z265969
Chemicals
Coccidiosis Vaccine 0.75 bottle/cow Provided by Veterinarian
Clostridia Vaccine Provided by Veterinarian
Liver biopsy antibiotics excenel 2 cc/100 lbs for 3 days Provided by Veterinarian
Providone Scrub Aspen Veteterinary Resources 21260221
Ethanol 70% Sigma – Aldrich 793213
Xylazine hydrochloride 100 mg/mL IV at 0.010-0.015 mg/kg bodyweight Provided by Veterinarian
2% lidocaine HCl (10-15 mL) Provided by Veterinarian
1 mg/kg IV injection of flunixin meglumine Provided by Veterinarian
Isolation of Mitochondria (liver)
Equipment
Wheaton vial 30 mL with a Teflon pestle of 0.16 mm clearance Fisher Scientific 02-911-527
Homogenizer Motor Cole Parmer EW-04369-10
Homogenizer Probe Cole Parmer EW-04468-22
Auto Pipette (10 mL) Cole Parmer SK-21600-74
Beaker (500 mL) with ice Fisher Scientific FB100600
Refrigerated microfuge Fisher Scientific 75-002-441EW3
Microfuge tubes (1.5 mL) Fisher Scientific AM12400
Chemicals
Bicinchoninic acid (BCA) protein assay kit (microplates for plate reader) abcam ab102536
Sucrose Sigma – Aldrich S7903-1KG
Tris-HCl Sigma – Aldrich T1503-1KG
EDTA Sigma – Aldrich EDS-1KG
BSA (fatty acid free) Sigma – Aldrich A7030-50G
Mannitol Sigma – Aldrich M4125-1KG
Deionized water Sigma – Aldrich 38796
Hepes Sigma – Aldrich H3375-500G
Use to create mitochondria isolation media: 220 mM mannitol, 70 mM sucrose, 20 mM HEPES, 20 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, and 0.1% (w/v) fatty acid free BSA,  pH 7.4 at 4 °C, will last 2 days in refrigerator
Mitochondrial Oxygen Comsuption
Equipment
Oxygraph Setup + Clark type oxygen electrode Hansatech (PP Systems) OXY1
Thermoregulated Water Pump ADInstruments MLE2001
Clark type Oxygen electrode NA NA
Autopipette (1 mL) Cole Parmer SK-21600-70 Included with Oxy1
Small magnetic stir bar Fisher Scientific 14-513-95
Micropipette (10 μL) Cole Parmer SK-21600-60
pH meter VWR
Chemicals
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
Use to make mitochondrial oxygen consumption media: 120 mM KCL, 5 mM KH2PO4, 5 mM MgCl2, 5 mM Hepes and 1 mM EGTA,  pH 7.4 at 30 °C with 0.3% defatted BSA
Rotenone (4 mM solution) Sigma – Aldrich R8875-5G
Succinate (1 M solution) Sigma – Aldrich S3674-250G
ADP (100 mM solution) Sigma – Aldrich A5285-1G
Oligomycin (solution of 8 μg/mL in ethanol) Sigma – Aldrich 75351
FCCP Sigma – Aldrich C2920
Mitochondrial Membrane Potential and Proton Motive Force
Equipment
TPMP electrode World Precision Instruments. DRIREF-2
Chemicals-solutions do not need to be fresh but they do need to be kept in a freezer between runs
Malonate (0.1 mM solution) Sigma – Aldrich M1296
Oligomycin (8 μg/mL in ethanol), keep in freezer Sigma – Aldrich 75351
Nigericin (80 ng/mL in ethanol), keep in freezer Sigma – Aldrich N7143
FCCP Sigma – Aldrich C3920
TPMP Sigma – Aldrich T200
TPMP solution: 10 mM TPMP, 120 mM KCL, 5 mM Hepes and 1 mM EGTA,  pH 7.4 at 30 °C with 0.3% defatted BSA

References

  1. Brand, M. D., Divakaruni, A. S. The regulation and physiology of mitochondrial proton leak. Physiology. 26, 192-205 (2011).
  2. Stephenson, E. J., Hawley, J. A. Mitochondrial function in metabolic health: A genetic and environmental tug of war. Biochimica et Biophysica Acta. 1840, 1285-1294 (2014).
  3. Bartlett, K., Eaton, S. Mitochondrial B oxidation. European Journal of Biochemistry. 271, 462-469 (2004).
  4. Acetoze, G., Kurzbard, R., Klasing, K. C., Ramsey, J. J., Rossow, H. A. Oxygen Consumption, Respiratory Control Ratio (RCR) and Mitochondrial Proton Leak of broilers with and without growth enhancing levels of minerals supplementation challenged with Eimeria maxima (Ei). Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition. 101, e210-e215 (2016).
  5. Wallace, D. C., Fan, W. Energetics, epigenetics, mitochondrial genetics. Mitochondrion. 10, 12-31 (2010).
  6. Paradies, G., Petrosillo, G., Paradies, V., Ruggiero, F. M. Oxidative stress, mitochondrial bioenergetics and cardiolipin in aging. Free Radicals in Biology and Medicine. 48, 1286-1295 (2010).
  7. Acetoze, G., Champagne, J., Ramsey, J. J., Rossow, H. A. Liver mitochondrial oxygen consumption and efficiency of milk production in lactating Holstein cows supplemented with Copper, Manganese and Zinc. Journal of Animal Physiology Animal Nutrition. 102, e787-e797 (2017).
  8. Brown, D. R., DeNise, S. K., McDaniel, R. G. Mitochondrial respiratory metabolism and performance of cattle. Journal of Animal Science. 66, 1347-1354 (1988).
  9. Golden, M. S., Keisler, J. W., H, D. The relationship between mitochondrial function and residual feed intake in Angus steers. Journal of Animal Science. 84, 861-865 (2006).
  10. Lancaster, P. A., Carstens, G. E., Michal, J. J., Brennan, K. M., Johnson, K. A., Davis, M. E. Relationships between residual feed intake and hepatic mitochondrial function in growing beef cattle. Journal of Animal Science. 92, 3134-3141 (2014).
  11. Acetoze, G., Weber, K. L., Ramsey, J. J., Rossow, H. A. Relationship between liver mitochondrial respiration and proton leak kinetics in low and high RFI steers from two lineages of RFI Angus bulls. ISRN Vet Sci. 2015 (194014), (2015).
  12. Halliwell, B., Gutteridge, J. M. C. Protection against oxidants in biological systems: The superoxide theory of oxygen toxicity. Free Radicals in Biology and Medicine. , 186-187 (1989).
  13. National Research Council. . Nutrient Requirements of Dairy Cattle. , (2001).
  14. Ramsey, J. J., Harper, M. E., Weindruch, R. Restriction of energy intake, energy expenditure, and aging. Free Radical Biology and Medicine. 29, 946-968 (2000).
  15. Mehta, M. M., Weinberg, S. E., Chandel, N. S. Mitochondrial control of immunity: beyond ATP. Nature. 17, 608-620 (2017).
  16. Kirby, D. M., Thorburn, D. R., Turnbull, D. M., Taylor, R. W. Biochemical assays of respiratory chain complex activity. Methods in Cell Biology. 80, 93-119 (2007).
  17. Alex, A. P., Collier, J. L., Hadsell, D. L., Collier, R. J. Milk yield differences between 1x and 4x milking are associated with changes in mammary mitochondrial number and milk protein gene expression, but not mammary cell apoptosis or SOCS gene expression. Journal of Dairy Science. 98, 4439-4448 (2015).
  18. Lossa, S., Lionetti, L., Mollica, M. P., Crescenzo, R., Botta, M., Barletta, A., Liverini, G. Effect of high-fat feeding on metabolic efficiency and mitochondrial oxidative capacity in adult rats. British Journal of Nutrition. 90, 953-960 (2003).
  19. Boily, G., Seifert, E. L., Bevilacqua, L., He, X. H., Sabourin, G., Estey, C., Moffat, C., Crawford, S., Saliba, S., Jardine, K., Xuan, J., Evans, M., Harper, M. E., McBurney, M. W. SirT1 regulates energy metabolism and response to caloric restriction in mice. PloS One. 3 (3), e1759 (2008).
  20. Chen, Y., Hagopian, K., Bibus, D., Villaba, J. M., Lopez-Lluch, G., Navas, P., Kim, K., McDonald, R. B., Ramsey, J. J. The influence of dietary lipid composition on liver mitochondria from mice following 1 month of calorie restriction. Bioscience Reports. 33, 83-95 (2013).
  21. Chacko, B. K., Kramer, P. A., Ravi, S., Benavides, G. A., Mitchell, T., Dranka, B. P., Ferrick, D., Singal, A. K., Ballinger, S. W., Bailey, S. M., Hardy, R. W., Zhang, J., Zhi, D., Darley-Usmar, V. M. The bioenergetic health index: a new concept in mitochondrial translational research. Clinical Science. 127, 367-373 (2014).

Play Video

Cite This Article
Rossow, H. A., Acetoze, G., Champagne, J., Ramsey, J. J. Measuring Liver Mitochondrial Oxygen Consumption and Proton Leak Kinetics to Estimate Mitochondrial Respiration in Holstein Dairy Cattle. J. Vis. Exp. (141), e58387, doi:10.3791/58387 (2018).

View Video