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微小的温度计通过释放质子能量来测量线粒体如何加热细胞

美国伊利诺伊州CHAMPAIGN - 伊利诺伊大学的研究人员用一种可以快速测量细胞温度的新型温度计探针装备了新一代的新陈代谢:热量生成。

研究人员发现,线粒体是电池的发电站,通过释放存储在内部质子“电池”中的电能释放出快速的热量。他们说,更好地了解这一过程可能会指出治疗肥胖和癌症的新目标。

在机械科学和工程学教授Sanjiv Sinha的带领下,他们在Nature journalCommunications Biology上发表了他们的发现。

“产生热量是线粒体在新陈代谢活动中心的作用的一部分,”辛哈说。“它需要产生用于细胞活动的能量货币,在大多数情况下,热量是副产品之一。但是有一种机制可以在身体需要时将这个过程提升到产生更多的热量。这就是脂肪细胞在身体温度下降时需要加热时所做的事情。“

为了更好地理解这种热量输出的增加,研究人员开发了一种微型,快速读取的温度计探头,用于内部测量活细胞内的温度。机械设计证明具有挑战性:它必须足够长才能在显微镜下到达细胞,但直径足够小,不会损害细胞或破坏其内部过程。

“考虑一下我们如何用舌头探测温度。我们基本上都在做同样的事情,但在一个单元格里面,”辛哈说。“而且我们想要非常快速地测量正在发生的事情。事情发生在牢房内很快。就像,如果你带着一个小孩的温度,你需要很快地完成它,或者它们会移动而且它会赢得'准确的。“

Sinha的研究小组与来自伊利诺伊州分子和整合生理学荣誉教授Rhanor Gillette的实验室的研究人员合作,测试了富含线粒体的神经元菌株的探针。他们使用先前工作建立的方法诱导线粒体产生热量,但他们却被探针能够测量的非常快速的温度变化所震惊。

“我们发现了一些与以前发表的结果完全不同的结果,”该研究的第一作者,研究生Manjunath Rajagopal说。“我们看到一个非常大且寿命很短的温度尖峰 - 大约5摄氏度,不到一秒。测量的金标准是荧光,但是看到这么短,高爆发的热量太慢了只需用一个高速测量的简单探头,我们已经证明我们可以找到其他方法遗漏的东西。“

研究人员此前曾认为,线粒体的热量输出增加来自葡萄糖的分解,但Sinha小组测得的热量过高。

“它不能通过代谢储存的葡萄糖释放出那种能量。它只是没有意义,”辛哈说。“它来自哪里?必须有这种能量的来源。”

研究人员确定能量峰值与由质子驱动的蜂窝电池放电一致。他们通过诱导类似的温度峰值来证实这一点,特殊的分子可以打开线粒体膜上的蛋白质通道。

“在线粒体中,葡萄糖代谢反应的一部分将一些能量存储为质子电池。它将所有质子推向膜的一侧,从而形成能量存储,”Rajagopal说。“我们基本上将储存的能量短路了。”

研究人员计划使用温度探针研究其他细胞系中的线粒体短路过程,目的是确定治疗靶点。例如,脂肪细胞具有天然存在的蛋白质,其打开质子门以释放储存的质子能量。Sinha的小组希望与生物学家合作,研究当需要加热时 - 例如当身体的温度下降时 - 脂肪细胞中的过程如何自然发生 - 以及质子释放蛋白质是否可以作为肥胖症的治疗目标。

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