魚類線粒體代謝研究概況

吳 斌

（江西省水產科學研究所，江西 南昌 330000）

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

1 魚類線粒體代謝的基本特征

魚類線粒體代謝研究，當前還只能基于測定離體線粒體的能量代謝，間接衡量其在生物體內能量代謝水平［1］。但是，離體狀態(tài)下很多體內環(huán)境難以實現(xiàn)人工模擬控制，如細胞內pH值［2］，細胞內ADP和NADH的量［3］，毛細血管中的氧和底物［4］等。離體線粒體耗氧存在四個呼吸狀態(tài)，即，線粒體在無底物的呼吸緩沖液的呼吸狀態(tài)為狀態(tài)1，當加入底物時，就逐步轉變到狀態(tài)2，其代表線粒體的基礎耗氧水平。當接著加入ADP時，狀態(tài)2又慢慢向狀態(tài)3轉變;當ADP消耗完全時，狀態(tài)3又最終轉向狀態(tài)4。狀態(tài)4呼吸過程中釋放出的部分能量并不能用于合成ATP，體現(xiàn)了線粒體質子漏狀況，這一過程稱為“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，作為評價線粒體結構和功能的指標。當呼吸控制率值等于或大于4時，一般可以認定所測定的線粒體結構功能正常，其狀態(tài)3值可以反映線粒體代謝能力［5］。

2 魚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。對定居性魚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］。對洄游性魚類圓口銅魚的研究也有類似發(fā)現(xiàn)，而且與長距離洄游相適應的紅肌線粒體代謝能力很強［7］。肌肉和心臟主要是通過對線粒體中呼吸鏈的調控來實現(xiàn)對呼吸水平的適應性需求變化，而在肝、腎和腦組織中，則主要是通過線粒體磷酸化系統(tǒng)來調控［8］。此外，魚類線粒體代謝的組織或器官差異，可能還與肝臟是體內生化代謝中心，能量的持續(xù)穩(wěn)定供應要求和微環(huán)境的復雜性等，導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行。而腦以有氧代謝為主，耗氧量大，而且其是神經中樞，對氧自由基等有害物質很敏感，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盡量減少氧自由基等的產生。心臟是血液循環(huán)的動力器官，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，建立對能量狀態(tài)的快速高效的反饋機制。紅肌與持續(xù)有氧運動相關，在運動時其能量需要達到較高水平，必須主要通過其線粒體代謝來滿足高的能量需求，同時作為肌肉類組織器官，其對氧自由基等有害物質的敏感程度也相對較低。

3 魚類線粒體代謝的主要影響因素

3.1 溫度和氧對魚類線粒體代謝的影響

溫度對魚類的很多新陳代謝過程都有明顯影響，如酶促反應和物質擴散速率。長期的溫度馴化導致的機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生產能力變化的重要途徑之一［1］。一般認為在極限溫度下，生物體不能夠提供足夠的氧給線粒體進行呼吸，氧供應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（Myoxocephalus scorpius）的線粒體耗氧率均比熱馴化的高［10］。低溫時，增加線粒體的密度或功能可以保持有氧代謝范圍，當溫度升高時，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］。

在實驗研究中，氧對線粒體代謝的影響應當考慮兩方面的因素，一是在測定過程中，呼吸緩沖液的氧濃度。生物體內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飽和氧時得到提高，其非偶聯(lián)呼吸受到抑制［12］。二是動物生活環(huán)境中的氧濃度，急性低氧時，質子漏增加，線粒體膜電位下降，能量合成不能滿足機體的需求;而慢性低氧時，質子漏較急性低氧時減少，而膜電位較急性低氧升高，為線粒體合成ATP蓄積較多的電勢能，有研究者提出慢性低氧中質子漏的相對降低可能是重要的低氧適應機制［13］。

3.2 其它因素對魚類線粒體代謝的影響

呼吸緩沖液的滲透壓也會影響線粒體耗氧，研究者分別在分析介質的滲透壓為160～1500 mOsm下，測定鯊魚（Carcharodon carcharias）心臟線粒體的耗氧率，結果發(fā)現(xiàn)在滲透壓為1000 mOsm時，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，在1500 mOsm時其下降為1.8，提示在一定的滲透壓范圍內，盡管線粒體呼吸控制率受到一定程度的影響，其熱力學功能的完整性仍可得到保持［14］。pH線粒體內膜需要維持一定的pH梯度勢能，在質子回流時釋放能量，以生產ATP和進行代謝底物轉運，而線粒體耗氧所產生的能量將質子泵出線粒體內膜，又形成線粒體內的pH梯度勢能。在一定范圍內，線粒體內的pH梯度勢能與線粒體外的pH負相關［15］。線粒體跨內膜pH梯度勢能還存在一個重要的功能:攝取Ca2+，以維持細胞質游離Ca2+的低濃度，表現(xiàn)為高濃度Ca2+對狀態(tài)3呼吸有抑制作用，降低P/O比值，導致出現(xiàn)一定程度的解偶聯(lián)呼吸，增加產熱。而低濃度Ca2+不導致顯著的解偶聯(lián)呼吸，甚至可能刺激線粒體呼吸和ATP的生產。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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