魚(yú)類線粒體代謝研究概況

吳 斌

（江西省水產(chǎn)科學(xué)研究所，江西 南昌 330000）

組織、細(xì)胞和亞細(xì)胞水平的能量代謝是能量學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，而線粒體代謝研究是其重要組成部分。細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的能量代謝主要發(fā)生在線粒體呼吸鏈上，通過(guò)氧化磷酸化作用將其能量轉(zhuǎn)化為能量通貨ATP。而魚(yú)類不但種類多，而且原始，是進(jìn)行脊椎動(dòng)物線粒體代謝研究的模式動(dòng)物之一。

1 魚(yú)類線粒體代謝的基本特征

魚(yú)類線粒體代謝研究，當(dāng)前還只能基于測(cè)定離體線粒體的能量代謝，間接衡量其在生物體內(nèi)能量代謝水平［1］。但是，離體狀態(tài)下很多體內(nèi)環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)人工模擬控制，如細(xì)胞內(nèi)pH值［2］，細(xì)胞內(nèi)ADP和NADH的量［3］，毛細(xì)血管中的氧和底物［4］等。離體線粒體耗氧存在四個(gè)呼吸狀態(tài)，即，線粒體在無(wú)底物的呼吸緩沖液的呼吸狀態(tài)為狀態(tài)1，當(dāng)加入底物時(shí)，就逐步轉(zhuǎn)變到狀態(tài)2，其代表線粒體的基礎(chǔ)耗氧水平。當(dāng)接著加入ADP時(shí)，狀態(tài)2又慢慢向狀態(tài)3轉(zhuǎn)變;當(dāng)ADP消耗完全時(shí)，狀態(tài)3又最終轉(zhuǎn)向狀態(tài)4。狀態(tài)4呼吸過(guò)程中釋放出的部分能量并不能用于合成ATP，體現(xiàn)了線粒體質(zhì)子漏狀況，這一過(guò)程稱為“解偶聯(lián)呼吸”。通常把狀態(tài)3與狀態(tài)4的比值稱為呼吸控制率，作為評(píng)價(jià)線粒體結(jié)構(gòu)和功能的指標(biāo)。當(dāng)呼吸控制率值等于或大于4時(shí)，一般可以認(rèn)定所測(cè)定的線粒體結(jié)構(gòu)功能正常，其狀態(tài)3值可以反映線粒體代謝能力［5］。

2 魚(yú)類線粒體代謝的組織或器官差異

一般而言，肝臟線粒體耗氧率最小，腦線粒體耗氧率略大，心臟和骨骼肌或紅肌線粒體耗氧率較大，而心臟線粒體耗氧率一般高于骨骼肌或紅肌。對(duì)定居性魚(yú)類南方鲇的研究表明，心臟線粒體表現(xiàn)出高含量、高代謝能力和低的耐受高溫能力，而白肌為低含量、低代謝能力和低的耐受低溫能力，肝臟、腎臟和腦表現(xiàn)為中等含量、中等活性和較高的耐受極端溫度能力［6］。對(duì)洄游性魚(yú)類圓口銅魚(yú)的研究也有類似發(fā)現(xiàn)，而且與長(zhǎng)距離洄游相適應(yīng)的紅肌線粒體代謝能力很強(qiáng)［7］。肌肉和心臟主要是通過(guò)對(duì)線粒體中呼吸鏈的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸水平的適應(yīng)性需求變化，而在肝、腎和腦組織中，則主要是通過(guò)線粒體磷酸化系統(tǒng)來(lái)調(diào)控［8］。此外，魚(yú)類線粒體代謝的組織或器官差異，可能還與肝臟是體內(nèi)生化代謝中心，能量的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)要求和微環(huán)境的復(fù)雜性等，導(dǎo)致其線粒體耗氧率處于較低水平，以保證能量代謝的有序進(jìn)行。而腦以有氧代謝為主，耗氧量大，而且其是神經(jīng)中樞，對(duì)氧自由基等有害物質(zhì)很敏感，但其能量需求又較大，故其線粒體能量代謝處于中等偏下水平，在滿足能量需求的同時(shí)盡量減少氧自由基等的產(chǎn)生。心臟是血液循環(huán)的動(dòng)力器官，其線粒體能量代謝水平必須與其持續(xù)的高代謝水平相適應(yīng)，建立對(duì)能量狀態(tài)的快速高效的反饋機(jī)制。紅肌與持續(xù)有氧運(yùn)動(dòng)相關(guān)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)其能量需要達(dá)到較高水平，必須主要通過(guò)其線粒體代謝來(lái)滿足高的能量需求，同時(shí)作為肌肉類組織器官，其對(duì)氧自由基等有害物質(zhì)的敏感程度也相對(duì)較低。

3 魚(yú)類線粒體代謝的主要影響因素

3.1 溫度和氧對(duì)魚(yú)類線粒體代謝的影響

溫度對(duì)魚(yú)類的很多新陳代謝過(guò)程都有明顯影響，如酶促反應(yīng)和物質(zhì)擴(kuò)散速率。長(zhǎng)期的溫度馴化導(dǎo)致的機(jī)體能量需求水平的變化可以改變組織的氧化能力，這樣線粒體的氧化能力也就會(huì)隨著溫度馴化而改變。線粒體氧化能力的改變是控制組織ATP生產(chǎn)能力變化的重要途徑之一［1］。一般認(rèn)為在極限溫度下，生物體不能夠提供足夠的氧給線粒體進(jìn)行呼吸，氧供應(yīng)和需求的失衡形成溫度耐受極限，即供氧能力制約溫度耐受［9］。冷馴化的短角杜父魚(yú)（Myoxocephalus scorpius）的線粒體耗氧率均比熱馴化的高［10］。低溫時(shí)，增加線粒體的密度或功能可以保持有氧代謝范圍，當(dāng)溫度升高時(shí)，高的線粒體的密度或功能又使得生物體靜止代謝耗氧增加，從而有氧代謝范圍變小［11］。

在實(shí)驗(yàn)研究中，氧對(duì)線粒體代謝的影響應(yīng)當(dāng)考慮兩方面的因素，一是在測(cè)定過(guò)程中，呼吸緩沖液的氧濃度。生物體內(nèi)線粒體是處于低氧的狀態(tài)，但通常離體線粒體耗氧率的研究都是在飽和氧的狀態(tài)下進(jìn)行。有研究表明在一定程度的低氧條件下，氧化磷酸化效率相對(duì)飽和氧時(shí)得到提高，其非偶聯(lián)呼吸受到抑制［12］。二是動(dòng)物生活環(huán)境中的氧濃度，急性低氧時(shí)，質(zhì)子漏增加，線粒體膜電位下降，能量合成不能滿足機(jī)體的需求;而慢性低氧時(shí)，質(zhì)子漏較急性低氧時(shí)減少，而膜電位較急性低氧升高，為線粒體合成ATP蓄積較多的電勢(shì)能，有研究者提出慢性低氧中質(zhì)子漏的相對(duì)降低可能是重要的低氧適應(yīng)機(jī)制［13］。

3.2 其它因素對(duì)魚(yú)類線粒體代謝的影響

呼吸緩沖液的滲透壓也會(huì)影響線粒體耗氧，研究者分別在分析介質(zhì)的滲透壓為160～1500 mOsm下，測(cè)定鯊魚(yú)（Carcharodon carcharias）心臟線粒體的耗氧率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在滲透壓為1000 mOsm時(shí)，線粒體呼吸控制率最高。而P/O比在160～1000 mOsm之間其均保持在2.5～2.7的范圍內(nèi)，在1500 mOsm時(shí)其下降為1.8，提示在一定的滲透壓范圍內(nèi)，盡管線粒體呼吸控制率受到一定程度的影響，其熱力學(xué)功能的完整性仍可得到保持［14］。pH線粒體內(nèi)膜需要維持一定的pH梯度勢(shì)能，在質(zhì)子回流時(shí)釋放能量，以生產(chǎn)ATP和進(jìn)行代謝底物轉(zhuǎn)運(yùn)，而線粒體耗氧所產(chǎn)生的能量將質(zhì)子泵出線粒體內(nèi)膜，又形成線粒體內(nèi)的pH梯度勢(shì)能。在一定范圍內(nèi)，線粒體內(nèi)的pH梯度勢(shì)能與線粒體外的pH負(fù)相關(guān)［15］。線粒體跨內(nèi)膜pH梯度勢(shì)能還存在一個(gè)重要的功能:攝取Ca2+，以維持細(xì)胞質(zhì)游離Ca2+的低濃度，表現(xiàn)為高濃度Ca2+對(duì)狀態(tài)3呼吸有抑制作用，降低P/O比值，導(dǎo)致出現(xiàn)一定程度的解偶聯(lián)呼吸，增加產(chǎn)熱。而低濃度Ca2+不導(dǎo)致顯著的解偶聯(lián)呼吸，甚至可能刺激線粒體呼吸和ATP的生產(chǎn)。高濃度的Mg2+抑制線粒體偶聯(lián)呼吸，而低濃度的Mg2+有刺激ATP酶的功能［16、17］。

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