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單線態氧對大鼠腦細胞線粒體能量代謝的影響

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文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2020.12.022

氧,以活性氧(ROS)的形式參與氧化應激,氧化應激是許多疾病觸發的主要因素之一,同時活性氧還可以作為信號和細胞刺激參與細胞的許多生理過程。單線態氧(1O2)是活性氧的一種,是氧氣(三線態氧)的電子激發態(氧分子的**激發態)的通稱。水溶液中單線態氧的壽命高于大多數活性氧。

因此,單線態氧可以作為信號和刺激分子參與許多生理過程,或者與三線態氧參與相同的反應,但是單線態氧可能具有更高的反應活性和效率。由于技術限制,單線態氧在生理學和病理學中的作用尚不明確,與其他活性氧相比,無法進行深層次的研究。

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已有報道證實1267nm的紅外激光脈沖照射有機溶液和癌細胞可以產生單線態氧。利用這一現象,2021年英國倫敦大學Plamena R. Angelova 課題組在Free Radical Biology andMedicine 雜志上發表了題為“Singletoxygen stimulates mitochondrial bioenergetics in brain cells ”的研究論文,探討了1267nm激光照射產生的單線態氧對大鼠腦細胞線粒體能量代謝的影響。

主要研究結果如下:

(一)1267nm激光可誘導初級神經元和星形膠質細胞產生單線態氧,并且隨著激光照射強度的增加,單線態氧的產生速率加快(圖1)

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圖1. 1267nm激光照射下神經元和星形膠質細胞的單線態氧產量

(二)單線態氧對線粒體的影響

人體細胞以ATP的形式產生能量滿足不同組織器官能量需求。大腦是一個相對較小的器官(約占體重的1-2%),但是能量需求巨大,消耗的氧氣和葡萄糖是其他器官的十倍。
如此高水平的氧氣和代謝條件的變化很容易產生活性氧,那么單線態是否會對線粒體產生影響呢?
線粒體膜電位(Δψm)是線粒體健康和功能的指標。1267 nm激光照射后,初級神經元和星形膠質細胞的線粒體膜電位均呈劑量依賴性增加。同時,在1267 nm的高強度激光(>205 mW;187.8 J/cm2)照射下,神經元和星形膠質細胞Δψm瞬時下降。
這表明高強度1267nm激光照射下產生的單線態氧對線粒體有毒害作用(圖2a, b & c)。

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圖2. 1267nm激光照射增加了線粒體膜電位,激活了NADH和FADH依賴的呼吸

NADH是線粒體電子傳遞鏈(ETC)復合體I的底物和電子供體。低強度的1267 nm激光照射,不會改變NADH自發熒光的水平(圖2d)。然而,高強度的激光照射,線粒體NADH池減少20–30%,而FAD的自發熒光增加(圖2d, e),這與線粒體復合物II的激活相對應。

因此,1267nm激光產生的單線態氧會激活神經元和星形膠質細胞中線粒體ETC復合物I和復合物II。

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圖3. 1267nm激光照射刺激神經膠質細胞中ATP的產生

另一方面,1267nm激光誘導產生的單線態氧對線粒體呼吸的影響導致了ATP產生加快,并且隨著照射強度的增加,ATP產生加快(圖3)。

(三)單線態氧對線粒體呼吸的影響

為了進一步研究單線態氧對線粒體呼吸的影響,本文利用英國Hansatech公司生產的Clark液相氧電極研究了單線態氧影響下的大鼠腦線粒體狀態呼吸。
在1267nm激光照射下離體大鼠腦線粒體的耗氧量隨著照射強度的增加而加快。同時,1267nm激光產生的單線態氧激活了線粒體的ADP依賴性(V3)和非ADP依賴性(V4)呼吸,但是呼吸控制率RCR沒有顯著變化,表明線粒體呼吸的加快不是由線粒體解偶聯引起的(圖4 c)。

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圖4. 1267nm激光照射提高了線粒體氧化磷酸化效率

此外,1267nm激光照射導致了ADP/O的增加(圖4a),表明單線態氧存在時線粒體的氧化磷酸化效率提高。添加0.5μM FCCP能夠激活線粒體最大耗氧量,1267nm激光照射的線粒體呼吸速率顯著高于對照組。

結論

1267nm激光照射產生的單線態氧會導致大鼠腦線粒體膜電位增加,NADH和FADH依賴性呼吸的激活,重要的是,雖然呼吸控制率沒有顯著變化,但是單線態氧增加了線粒體的最大呼吸速率,ADP/O增加,線粒體呼吸的激活刺激了細胞產生更多的ATP。因此,1267nm激光脈沖產生的單線態氧可以作為大腦線粒體呼吸和ATP生成的激活劑。


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