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    單線(xiàn)態(tài)氧對大鼠腦細胞線(xiàn)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(fā)的主要因素之一,同時(shí)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(guò)程。單線(xiàn)態(tài)氧(1O2)是活性氧的一種,是氧氣(三線(xiàn)態(tài)氧)的電子激發(fā)態(tài)(氧分子的**激發(fā)態(tài))的通稱(chēng)。水溶液中單線(xiàn)態(tài)氧的壽命高于大多數活性氧。

    因此,單線(xiàn)態(tài)氧可以作為信號和刺激分子參與許多生理過(guò)程,或者與三線(xiàn)態(tài)氧參與相同的反應,但是單線(xiàn)態(tài)氧可能具有更高的反應活性和效率。由于技術(shù)限制,單線(xiàn)態(tài)氧在生理學(xué)和病理學(xué)中的作用尚不明確,與其他活性氧相比,無(wú)法進(jìn)行深層次的研究。

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    已有報道證實(shí)1267nm的紅外激光脈沖照射有機溶液和癌細胞可以產(chǎn)生單線(xiàn)態(tài)氧。利用這一現象,2021年英國倫敦大學(xué)Plamena R. Angelova 課題組在Free Radical Biology andMedicine 雜志上發(fā)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(chǎn)生的單線(xiàn)態(tài)氧對大鼠腦細胞線(xiàn)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(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生單線(xiàn)態(tài)氧,并且隨著(zhù)激光照射強度的增加,單線(xiàn)態(tài)氧的產(chǎn)生速率加快(圖1)

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    圖1. 1267nm激光照射下神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞的單線(xiàn)態(tài)氧產(chǎn)量

    (二)單線(xiàn)態(tài)氧對線(xiàn)粒體的影響

    人體細胞以ATP的形式產(chǎn)生能量滿(mǎn)足不同組織器官能量需求。大腦是一個(gè)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(chǎn)生活性氧,那么單線(xiàn)態(tài)是否會(huì )對線(xiàn)粒體產(chǎn)生影響呢?
    線(xiàn)粒體膜電位(Δψm)是線(xiàn)粒體健康和功能的指標。1267 nm激光照射后,初級神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞的線(xiàn)粒體膜電位均呈劑量依賴(lài)性增加。同時(shí),在1267 nm的高強度激光(>205 mW;187.8 J/cm2)照射下,神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞Δψm瞬時(shí)下降。
    這表明高強度1267nm激光照射下產(chǎn)生的單線(xiàn)態(tài)氧對線(xiàn)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(xiàn)粒體膜電位,激活了NADH和FADH依賴(lài)的呼吸

    NADH是線(xiàn)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(huì )改變NADH自發(fā)熒光的水平(圖2d)。然而,高強度的激光照射,線(xiàn)粒體NADH池減少20–30%,而FAD的自發(fā)熒光增加(圖2d, e),這與線(xiàn)粒體復合物II的激活相對應。

    因此,1267nm激光產(chǎn)生的單線(xiàn)態(tài)氧會(huì )激活神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞中線(xiàn)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(jīng)膠質(zhì)細胞中ATP的產(chǎn)生

    另一方面,1267nm激光誘導產(chǎn)生的單線(xiàn)態(tài)氧對線(xiàn)粒體呼吸的影響導致了ATP產(chǎn)生加快,并且隨著(zhù)照射強度的增加,ATP產(chǎn)生加快(圖3)。

    (三)單線(xiàn)態(tài)氧對線(xiàn)粒體呼吸的影響

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

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    圖4. 1267nm激光照射提高了線(xiàn)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(xiàn)態(tài)氧存在時(shí)線(xiàn)粒體的氧化磷酸化效率提高。添加0.5μM FCCP能夠激活線(xiàn)粒體最大耗氧量,1267nm激光照射的線(xiàn)粒體呼吸速率顯著(zhù)高于對照組。

    結論

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


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