微型溫度計(jì)測(cè)量線粒體如何通過(guò)釋放質(zhì)子能量來(lái)加熱細(xì)胞

美國(guó)CHAMPAIGN-Illinois大學(xué)的研究人員為新一代新陳代謝設(shè)備配備了一個(gè)新的溫度計(jì)探頭，可以快速測(cè)量細(xì)胞溫度，從而產(chǎn)生熱量。

研究人員發(fā)現(xiàn)，線粒體是電池的發(fā)電站，它通過(guò)釋放儲(chǔ)存在內(nèi)部質(zhì)子“電池”中的電能來(lái)快速釋放熱量。他們說(shuō)，更好地理解這一過(guò)程可能會(huì)為肥胖和癌癥的治療指出新的目標(biāo)。

在機(jī)械科學(xué)與工程教授Sanjiv Sinha的帶領(lǐng)下，他們?cè)凇蹲匀弧冯s志《通訊生物學(xué)》上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

辛哈說(shuō)：“產(chǎn)生熱量是線粒體在代謝活動(dòng)中心作用的一部分。“它需要為細(xì)胞活動(dòng)產(chǎn)生能源資金。在大多數(shù)情況下，熱量是副產(chǎn)品之一。但是有一種機(jī)制可以提升這個(gè)過(guò)程，在身體需要的時(shí)候產(chǎn)生更多的熱量。這就是脂肪細(xì)胞在體溫下降時(shí)需要加熱時(shí)所做的事情。”

為了更好地理解這種熱量輸出的增加，研究人員開(kāi)發(fā)了一種微型快速讀數(shù)溫度計(jì)探頭，用于測(cè)量活細(xì)胞內(nèi)部的溫度。事實(shí)證明，機(jī)械設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性：它必須足夠長(zhǎng)，才能到達(dá)顯微鏡下的細(xì)胞，但它的直徑足夠小，不會(huì)損壞細(xì)胞或破壞其內(nèi)部過(guò)程。

“想想我們是如何用舌頭檢測(cè)溫度的。我們基本上在做同樣的事情，但是在一個(gè)細(xì)胞里，”辛哈說(shuō)。“我們希望快速衡量正在發(fā)生的事情。這件事在牢房里發(fā)生得很快。就像，如果你給孩子量體溫，你需要快速完成，否則他們會(huì)移動(dòng)，這會(huì)贏得‘準(zhǔn)確性’?！?

辛哈的研究團(tuán)隊(duì)與伊利諾伊州分子和綜合生理學(xué)榮譽(yù)教授Rhanor Gillette實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，測(cè)試富含線粒體的神經(jīng)元菌株的探針。他們使用了在以前的工作中建立的方法來(lái)誘導(dǎo)線粒體產(chǎn)生熱量，但是他們被探針可以測(cè)量的非?？焖俚臏囟茸兓痼@。

“我們發(fā)現(xiàn)一些結(jié)果與之前發(fā)表的完全不同，”該研究的第一作者、研究生Manjunath Rajagopal說(shuō)?！拔覀兛吹揭粋€(gè)非常大且短暫的溫度峰值——大約5攝氏度，不到一秒鐘。測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)是熒光，但是看到這么短的高爆熱太慢了。我們只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的探頭進(jìn)行高速測(cè)量，我們已經(jīng)證明，我們可以找出其他方法遺漏了什么?！?

研究人員此前認(rèn)為線粒體熱量輸出的增加來(lái)自葡萄糖的分解，但辛哈團(tuán)隊(duì)測(cè)量的熱量過(guò)高。

“它不能通過(guò)代謝儲(chǔ)存的葡萄糖來(lái)釋放能量。這完全沒(méi)有意義，”辛哈說(shuō)?！八菑哪睦飦?lái)的？這種能量一定有來(lái)源?！?

研究人員確定峰值能量與質(zhì)子驅(qū)動(dòng)蜂窩電池的放電一致。他們通過(guò)誘導(dǎo)相似的溫度峰值證實(shí)了這一點(diǎn)，特殊的分子可以打開(kāi)線粒體膜上的蛋白質(zhì)通道。

“在線粒體中，部分葡萄糖代謝以質(zhì)子電池的形式儲(chǔ)存一些能量。它將所有質(zhì)子推到膜的一側(cè)，從而形成能量?jī)?chǔ)存，”拉賈戈帕爾說(shuō)?！拔覀兓旧习褍?chǔ)存的能量短路了?！?

研究人員計(jì)劃使用溫度探針來(lái)研究其他細(xì)胞系中線粒體短路的過(guò)程，目的是確定治療目標(biāo)。例如，脂肪細(xì)胞有天然存在的蛋白質(zhì)，它打開(kāi)質(zhì)子門釋放儲(chǔ)存的質(zhì)子能量。辛哈的團(tuán)隊(duì)希望與生物學(xué)家合作，研究脂肪細(xì)胞中的過(guò)程如何在需要加熱時(shí)自然發(fā)生——例如，當(dāng)身體溫度下降時(shí)——以及質(zhì)子釋放的蛋白質(zhì)是否可以用作肥胖的治療目標(biāo)。

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