stringtranslate.com

Респирометрия

Респирометрия — это общий термин, который охватывает ряд методов получения оценок скорости метаболизма позвоночных , беспозвоночных , растений , тканей, клеток или микроорганизмов посредством косвенного измерения выработки тепла ( калориметрии ) .

Скорость метаболизма у всех животных

Метаболизм животного оценивается путем определения скорости выработки углекислого газа (VCO 2 ) и потребления кислорода (VO 2 ) отдельными животными, либо в замкнутой, либо в открытой системе респирометрии. Обычно получают два показателя: стандартный (SMR) или базальный уровень метаболизма (BMR) и максимальный уровень ( VO2max ). SMR измеряется, когда животное находится в состоянии покоя (но не спит) при определенных лабораторных (температура, гидратация) и специфических для субъекта условиях (например, размер или аллометрия [1] ), возрасте, репродуктивном статусе, постабсорбтивном, чтобы избежать термического эффекта пищи ). [2] VO 2 max обычно определяется во время аэробных упражнений на физиологических пределах или вблизи них. [3] Напротив, полевая скорость метаболизма (FMR) относится к скорости метаболизма необузданного, активного животного в природе. [4] Скорость метаболизма всего животного относится к этим показателям без поправки на массу тела. Если значения SMR или BMR делятся на значение массы тела животного, то скорость называется удельной массой. Это та величина удельной массой, которую обычно слышишь при сравнении видов. [5]

Закрытая респирометрия

Респирометрия основана на принципе «то, что входит, должно выходить». [6] Сначала рассмотрим закрытую систему. Представьте, что мы помещаем мышь в герметичный контейнер. Воздух, запечатанный в контейнере, изначально содержит тот же состав и пропорции газов, которые присутствовали в комнате: 20,95% O 2 , 0,04% CO 2 , водяной пар (точное количество зависит от температуры воздуха, см. точку росы ), 78% (приблизительно) N 2 , 0,93% аргона и различные следовые газы, составляющие остальное (см. атмосферу Земли ). С течением времени мышь в камере производит CO 2 и водяной пар, но извлекает O 2 из воздуха пропорционально своим метаболическим потребностям. Следовательно, пока мы знаем объем системы, разница между концентрациями O 2 и CO 2 в начале, когда мы запечатали мышь в камере (базовые или референтные условия), по сравнению с количествами, присутствующими после того, как мышь вдохнула воздух в более позднее время, должна быть количеством CO 2 /O 2, произведенным/потребленным мышью . Азот и аргон являются инертными газами, и поэтому их фракционные количества не изменяются при дыхании мыши. В закрытой системе окружающая среда в конечном итоге станет гипоксической .

Открытая респирометрия

Для открытой системы ограничения конструкции включают характеристики промывки камеры для животных и чувствительность газоанализаторов. [7] [8] Однако основной принцип остается тем же: то, что входит, должно выходить. Основное различие между открытой и закрытой системой заключается в том, что открытая система пропускает воздух через камеру (т. е. воздух проталкивается или вытягивается насосом) со скоростью, которая постоянно пополняет O 2 , истощенный животным, удаляя CO 2 и водяной пар, производимый животным. Объемная скорость потока должна быть достаточно высокой, чтобы гарантировать, что животное никогда не потребляет весь кислород, присутствующий в камере, и в то же время скорость должна быть достаточно низкой, чтобы животное потребляло достаточно O 2 для обнаружения. Для мыши весом 20 г скорость потока около 200 мл/мин через контейнеры объемом 500 мл обеспечит хороший баланс. При этой скорости потока около 40 мл O 2 поступает в камеру, и весь объем воздуха в камере заменяется в течение 5 минут. Для других меньших животных объемы камер могут быть намного меньше, а скорости потока также будут скорректированы. Обратите внимание, что для теплокровных или эндотермических животных ( птиц и млекопитающих ) размеры камер и/или скорости потока будут выбираться с учетом их более высоких скоростей метаболизма.

Расчеты

Расчет скоростей VO2 и /или VCO2 требует знания скоростей потоков в камеру и из нее, а также фракционных концентраций газовых смесей в камеру и из нее. В общем, скорости метаболизма рассчитываются из стационарных условий (т. е. предполагается, что скорость метаболизма животного постоянна [9] [10] ). Чтобы узнать скорости потребления кислорода , необходимо знать местоположение расходомера относительно камеры для животных (если он расположен перед камерой, расходомер находится «выше по течению», если он расположен после камеры, расходомер находится «ниже по течению»), а также присутствуют ли реактивные газы (например, CO2 , вода , метан , см. инертный газ ).

Для открытой системы с расходомером на входе, водой (например, безводным сульфатом кальция ) и CO2 , удаленными до анализатора кислорода , подходящим уравнением является

Для открытой системы с расходомером ниже по потоку, водой и CO2 , удаленными до анализатора кислорода , подходящим уравнением является

где

Например, значения BMR для мыши весом 20 г ( Mus musculus ) могут быть FR = 200 мл/мин, а показания фракционной концентрации O 2 от анализатора кислорода составляют F in O 2 = 0,2095, F ex O 2 = 0,2072. Расчетная скорость потребления кислорода составляет 0,58 мл/мин или 35 мл/час. Предполагая, что энтальпия сгорания O 2 составляет 20,1  джоуля на миллилитр, мы затем рассчитаем теплопродукцию (и, следовательно, метаболизм) для мыши как 703,5 Дж/ч.

Оборудование для респирометрии

Для системы открытого потока список оборудования и деталей длинный по сравнению с компонентами закрытой системы, но главное преимущество открытой системы в том, что она позволяет вести непрерывную регистрацию скорости метаболизма. Риск гипоксии также намного меньше в открытой системе.

Насосы для потока воздуха

Расходомеры и регуляторы расхода

Трубки и камеры

Анализаторы

Наконец, типичным дополнением к системе будет компьютерная система сбора и управления данными. Вместо самописца непрерывные записи потребления кислорода и/или производства углекислого газа производятся с помощью аналого-цифрового преобразователя, соединенного с компьютером. Программное обеспечение захватывает, фильтрует, преобразует и отображает сигнал в соответствии с потребностями экспериментатора. Различные компании и лица обслуживают сообщество респирометров (например, Sable Systems , Qubit Systems, см. также Warthog Systems).

Скорость метаболизма митохондрий

Внутри организма кислород доставляется в клетки, а в клетках — в митохондрии , где он потребляется в процессе генерации большей части энергии, необходимой организму. Митохондриальная респирометрия измеряет потребление кислорода митохондриями без вовлечения всего живого животного и является основным инструментом для изучения функции митохондрий. [13] Таким респирометрическим исследованиям могут подвергаться три различных типа образцов: изолированные митохондрии (из клеточных культур, животных или растений); пермеабилизированные клетки (из клеточных культур); и пермеабилизированные волокна или ткани (из животных). В последних двух случаях клеточная мембрана становится проницаемой путем добавления химических веществ, выборочно оставляя митохондриальную мембрану нетронутой. Таким образом, химические вещества, которые обычно не могут проникнуть через клеточную мембрану, могут напрямую влиять на митохондрии. Благодаря пермеабилизации клеточной мембраны клетка перестает существовать как живой, определенный организм, оставляя только митохондрии в качестве все еще функциональных структур. В отличие от респирометрии целых животных, митохондриальная респирометрия происходит в растворе, т.е. образец взвешен в среде. Сегодня митохондриальная респирометрия в основном выполняется с использованием подхода закрытой камеры.

Система с закрытой камерой

Образец, взвешенный в подходящей среде, помещается в герметично закрытую метаболическую камеру. Митохондрии приводятся в определенные «состояния» путем последовательного добавления субстратов или ингибиторов. Поскольку митохондрии потребляют кислород, концентрация кислорода падает. Это изменение концентрации кислорода регистрируется кислородным датчиком в камере. Из скорости снижения кислорода (с учетом поправки на диффузию кислорода) можно вычислить частоту дыхания митохондрий. [13]

Приложения

Фундаментальные исследования

Функционирование митохондрий изучается в области биоэнергетики . [14] Функциональные различия между митохондриями разных видов изучаются с помощью респирометрии как аспекта сравнительной физиологии . [15] [16]

Прикладные исследования

Митохондриальная респирометрия используется для изучения функциональности митохондрий при митохондриальных заболеваниях или заболеваниях с (предположительно) сильной связью с митохондриями, например, сахарный диабет 2 типа , [17] [18] ожирение [19] и рак . [20] Другими областями применения являются, например, спортивная наука и связь между функцией митохондрий и старением . [21]

Оборудование

Обычное оборудование включает в себя герметичную метаболическую камеру, датчик кислорода и устройства для записи данных, перемешивания, термостатирования и способа введения химических веществ в камеру. Как описано выше для респирометрии целых животных выбор материалов очень важен. [13] Пластиковые материалы не подходят для камеры из-за их способности накапливать кислород. Когда пластиковые материалы неизбежны (например, для уплотнительных колец, покрытий мешалок или стопоров), можно использовать полимеры с очень низкой проницаемостью для кислорода (например, ПВДФ в отличие от, например, ПТФЭ ). Остаточную диффузию кислорода в материалы камеры или из них можно контролировать, корректируя измеренные потоки кислорода для инструментального фонового потока кислорода. Весь прибор, включающий упомянутые компоненты, часто называют оксиграфом. Компании, поставляющие оборудование для респирометрии целых животных, упомянутые выше, обычно не занимаются митохондриальной респирометрией. Сообщество обслуживается по самым разным ценам и уровням сложности такими компаниями, как Oroboros Instruments, Hansatech, Respirometer Systems & Applications, YSI Life Sciences или Strathkelvin Instruments.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Уайт, CR и RS Seymour. 2005. Аллометрическое масштабирование метаболизма млекопитающих. Журнал экспериментальной биологии 208(9):1611–1619.
  2. ^ Blaxter, K. 1989. Энергетический метаболизм у животных и человека . Cambridge University Press. ISBN  0-521-36931-2
  3. ^ Weibel, ER и H. Hoppeler. 2005. Максимальная скорость метаболизма, вызванная физическими упражнениями, зависит от аэробной способности мышц. Журнал экспериментальной биологии 208(9):1635–1644.
  4. ^ Надь, КА 2005. Скорость метаболизма в полевых условиях и размер тела. Журнал экспериментальной биологии 208(9):1621–1625.
  5. ^ Макарьева, AM, Горшков, VG, Ли, BL, Чоун, SL, Райх, PB, и Гаврилов, VM (2008). Средние удельные скорости метаболизма поразительно схожи в основных доменах жизни: доказательства метаболического оптимума жизни. Труды Национальной академии наук 105(44):16994-16999.
  6. ^ Фраппелль, П.Б., Х.А. Блевин и Р.В. Боденетт. 1989. Понимание камер респирометрии: что входит, должно выходить. Журнал теоретической биологии 138(4):479–494. PMID  2593683
  7. ^ Withers, PC 2001. Проектирование, калибровка и расчет для систем проточной респирометрии. Australian Journal of Zoology 49:445–461.
  8. ^ Lighton, JRB 2008. Измерение скорости метаболизма: руководство для ученых. Oxford University Press. ISBN 0-19-531061-6
  9. ^ Бартоломью, GA, Д. Флек и CM Флек. 1981. Мгновенные измерения потребления кислорода во время предполетного разогрева и послеполетного охлаждения у бражников и сатурнийских молей. Журнал экспериментальной биологии 90(1):17–32.
  10. ^ Пендар, Х. и Соха, Дж. Дж. (2015). Оценка мгновенного газообмена в проточных респирометрических системах: современный пересмотр метода Z-преобразования Бартоломью. PLOS ONE 10(10): e0139508.
  11. ^ Леви, А. 1964. Точность метода пузырькового расходомера для измерения расхода газа. Журнал научных приборов 41(7):449–453.
  12. ^ Стивенс, Э.Д. 1992. Использование пластиковых материалов в системах измерения кислорода. Журнал прикладной физиологии 72:801–804
  13. ^ abc Gnaiger, E. 2008. Полярографические датчики кислорода, оксиграф и респирометрия высокого разрешения для оценки митохондриальной функции. В: Митохондриальная дисфункция при токсичности, вызванной лекарствами (Dykens JA и Will Y., ред.) John Wiley: 327–352. ISBN 978-0-470-11131-4 
  14. ^ Gnaiger E, ed (2007) "Митохондриальные пути и дыхательный контроль". OROBOROS MiPNet Publications, Инсбрук, Электронное 1-е издание, ISBN 978-3-9502399-0-4 
  15. ^ Хильдебрандт, ТМ и Грисхабер, МК, 2008 Три ферментативных активности катализируют окисление сульфида в тиосульфат в митохондриях млекопитающих и беспозвоночных. FEBS J. (275): 3352–3361.
  16. ^ Nann A. Fangue NA, Richards JG и Schulte1 PM 2009. «Объясняют ли свойства митохондрий внутривидовые различия в термоустойчивости?». Журнал экспериментальной биологии 212:514–522.
  17. ^ Филикс Э., Шраувен-Хиндерлинг В.Б., Менсинк М., Ленаерс Э., Микс Р., Хукс Дж., Кои М.Э., Мунен-Корнипс Э., Селс Дж.П., Хесселинк М.К., Шраувен П., 2008 Нижний внутренний АДФ- Стимуляция митохондриального дыхания лежит в основе митохондриальной дисфункции in vivo в мышцах мужчин, больных диабетом 2 типа. Диабет 57 (11): 2943–9.
  18. ^ Knauf C., Cani PD, Ait-Belgnaoui A., Benani A., Dray C., Cabou C., Colom A., Uldry M., Rastrelli S., Sabatier E., Godet N., Waget A., Pénicaud L., Valet P., Burcelin R., 2008. Сигнализация глюкагоноподобного пептида 1 в мозге контролирует начало резистентности к инсулину, вызванной диетой с высоким содержанием жиров, и снижает расход энергии. Эндокринология 149: 4768–4777.
  19. ^ Хукс Дж., Бриде Дж. Дж., де Фогель Дж., Шаарт Г., Наббен М., Мунен-Корнипс Э., Хесселинк М.К., Шраувен П., 2008. Митохондриальная функция, содержание и выработка АФК в скелетных мышцах крыс: влияние кормление с высоким содержанием жиров. ФЭБС Летт. 582: 510–516.
  20. ^ Увеличение митохондриального биогенеза, окислительного стресса и гликолиза в мышиных лимфомах Энрике Сампера, Э., Моргадоб, Л., Эстрадаб, Дж. К., Бернадб, А., Хаббарда, А., Сусана Каденас, С. и Мелова С., 2009. Увеличение митохондриального биогенеза, окислительного стресса и гликолиза в мышиных лимфомах. Free Radical Biology and Medicine 46(3): 387–396.
  21. ^ Hutter E., Unterluggauer H., Garedew A., Jansen-Durr P. и Gnaiger E. 2006 Высокоразрешающая респирометрия – современный инструмент в исследовании старения. Exp. Gerontol. 41:103–109.

Внешние ссылки