鱼类线粒体代谢研究概况

吴 斌

（江西省水产科学研究所，江西 南昌 330000）

组织、细胞和亚细胞水平的能量代谢是能量学研究的重要内容之一，而线粒体代谢研究是其重要组成部分。细胞内物质的能量代谢主要发生在线粒体呼吸链上，通过氧化磷酸化作用将其能量转化为能量通货ATP。而鱼类不但种类多，而且原始，是进行脊椎动物线粒体代谢研究的模式动物之一。

1 鱼类线粒体代谢的基本特征

鱼类线粒体代谢研究，当前还只能基于测定离体线粒体的能量代谢，间接衡量其在生物体内能量代谢水平［1］。但是，离体状态下很多体内环境难以实现人工模拟控制，如细胞内pH值［2］，细胞内ADP和NADH的量［3］，毛细血管中的氧和底物［4］等。离体线粒体耗氧存在四个呼吸状态，即，线粒体在无底物的呼吸缓冲液的呼吸状态为状态1，当加入底物时，就逐步转变到状态2，其代表线粒体的基础耗氧水平。当接着加入ADP时，状态2又慢慢向状态3转变;当ADP消耗完全时，状态3又最终转向状态4。状态4呼吸过程中释放出的部分能量并不能用于合成ATP，体现了线粒体质子漏状况，这一过程称为“解偶联呼吸”。通常把状态3与状态4的比值称为呼吸控制率，作为评价线粒体结构和功能的指标。当呼吸控制率值等于或大于4时，一般可以认定所测定的线粒体结构功能正常，其状态3值可以反映线粒体代谢能力［5］。

2 鱼类线粒体代谢的组织或器官差异

一般而言，肝脏线粒体耗氧率最小，脑线粒体耗氧率略大，心脏和骨骼肌或红肌线粒体耗氧率较大，而心脏线粒体耗氧率一般高于骨骼肌或红肌。对定居性鱼类南方鲇的研究表明，心脏线粒体表现出高含量、高代谢能力和低的耐受高温能力，而白肌为低含量、低代谢能力和低的耐受低温能力，肝脏、肾脏和脑表现为中等含量、中等活性和较高的耐受极端温度能力［6］。对洄游性鱼类圆口铜鱼的研究也有类似发现，而且与长距离洄游相适应的红肌线粒体代谢能力很强［7］。肌肉和心脏主要是通过对线粒体中呼吸链的调控来实现对呼吸水平的适应性需求变化，而在肝、肾和脑组织中，则主要是通过线粒体磷酸化系统来调控［8］。此外，鱼类线粒体代谢的组织或器官差异，可能还与肝脏是体内生化代谢中心，能量的持续稳定供应要求和微环境的复杂性等，导致其线粒体耗氧率处于较低水平，以保证能量代谢的有序进行。而脑以有氧代谢为主，耗氧量大，而且其是神经中枢，对氧自由基等有害物质很敏感，但其能量需求又较大，故其线粒体能量代谢处于中等偏下水平，在满足能量需求的同时尽量减少氧自由基等的产生。心脏是血液循环的动力器官，其线粒体能量代谢水平必须与其持续的高代谢水平相适应，建立对能量状态的快速高效的反馈机制。红肌与持续有氧运动相关，在运动时其能量需要达到较高水平，必须主要通过其线粒体代谢来满足高的能量需求，同时作为肌肉类组织器官，其对氧自由基等有害物质的敏感程度也相对较低。

3 鱼类线粒体代谢的主要影响因素

3.1 温度和氧对鱼类线粒体代谢的影响

温度对鱼类的很多新陈代谢过程都有明显影响，如酶促反应和物质扩散速率。长期的温度驯化导致的机体能量需求水平的变化可以改变组织的氧化能力，这样线粒体的氧化能力也就会随着温度驯化而改变。线粒体氧化能力的改变是控制组织ATP生产能力变化的重要途径之一［1］。一般认为在极限温度下，生物体不能够提供足够的氧给线粒体进行呼吸，氧供应和需求的失衡形成温度耐受极限，即供氧能力制约温度耐受［9］。冷驯化的短角杜父鱼（Myoxocephalus scorpius）的线粒体耗氧率均比热驯化的高［10］。低温时，增加线粒体的密度或功能可以保持有氧代谢范围，当温度升高时，高的线粒体的密度或功能又使得生物体静止代谢耗氧增加，从而有氧代谢范围变小［11］。

在实验研究中，氧对线粒体代谢的影响应当考虑两方面的因素，一是在测定过程中，呼吸缓冲液的氧浓度。生物体内线粒体是处于低氧的状态，但通常离体线粒体耗氧率的研究都是在饱和氧的状态下进行。有研究表明在一定程度的低氧条件下，氧化磷酸化效率相对饱和氧时得到提高，其非偶联呼吸受到抑制［12］。二是动物生活环境中的氧浓度，急性低氧时，质子漏增加，线粒体膜电位下降，能量合成不能满足机体的需求;而慢性低氧时，质子漏较急性低氧时减少，而膜电位较急性低氧升高，为线粒体合成ATP蓄积较多的电势能，有研究者提出慢性低氧中质子漏的相对降低可能是重要的低氧适应机制［13］。

3.2 其它因素对鱼类线粒体代谢的影响

呼吸缓冲液的渗透压也会影响线粒体耗氧，研究者分别在分析介质的渗透压为160～1500 mOsm下，测定鲨鱼（Carcharodon carcharias）心脏线粒体的耗氧率，结果发现在渗透压为1000 mOsm时，线粒体呼吸控制率最高。而P/O比在160～1000 mOsm之间其均保持在2.5～2.7的范围内，在1500 mOsm时其下降为1.8，提示在一定的渗透压范围内，尽管线粒体呼吸控制率受到一定程度的影响，其热力学功能的完整性仍可得到保持［14］。pH线粒体内膜需要维持一定的pH梯度势能，在质子回流时释放能量，以生产ATP和进行代谢底物转运，而线粒体耗氧所产生的能量将质子泵出线粒体内膜，又形成线粒体内的pH梯度势能。在一定范围内，线粒体内的pH梯度势能与线粒体外的pH负相关［15］。线粒体跨内膜pH梯度势能还存在一个重要的功能:摄取Ca2+，以维持细胞质游离Ca2+的低浓度，表现为高浓度Ca2+对状态3呼吸有抑制作用，降低P/O比值，导致出现一定程度的解偶联呼吸，增加产热。而低浓度Ca2+不导致显著的解偶联呼吸，甚至可能刺激线粒体呼吸和ATP的生产。高浓度的Mg2+抑制线粒体偶联呼吸，而低浓度的Mg2+有刺激ATP酶的功能［16、17］。

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