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氧化还原研究应用：鱼类心脏中肌红蛋白、有氧能力、一氧化氮合酶活性和线粒体功能之间的关系
引言
一氧化氮（NO）是一种气体传递物质，通常由酶一氧化氮合酶（NOS）催化的反应产生，该反应需要O2氧化L-精氨酸，并涉及多种辅因子，如四氢生物蝶呤（H4B）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）。然而，组织中的NO水平也受到涉及含金属的氧结合蛋白（例如肌红蛋白，Mb）的反应的影响。在正常氧含量条件下，与氧结合的肌红蛋白（氧合肌红蛋白）与NO反应形成亚甲基肌红蛋白和硝酸盐，而在缺氧/无氧条件下，脱氧肌红蛋白作为亚硝酸盐还原酶，将亚硝酸盐还原为NO。在心脏线粒体水平上，这种动态的NO-Mb循环驱动呼吸的可逆调整，并根据细胞内氧张力优化氧气利用，同时控制自由基的水平。NO可以可逆地与复合物-IV（CIV）结合，并导致复合物-I（CI）的S-亚硝化，从而调节线粒体的氧气消耗和产生活性氧物质（ROS）。例如，最近的研究表明，CI的S-亚硝化会降低淡水龟Trachemys scripta心脏线粒体中的ROS产生和CI活性。因此，缺乏NO清除剂肌红蛋白可能对ROS的产生和CI能力产生重要影响。
图片来源参考文章：Myoglobin and mitochondria: A relationship bound by oxygen and nitric oxide
摘要
肌红蛋白 (Myoglobin, Mb) 和一氧化氮 (Nitric Oxide, NO) 在心血管系统中的动态相互作用引起了广泛关注。一些氧合性鱼类心脏中的Mb损失提供了一个独特的机会，用于评估这种球蛋白在一氧化氮稳态和线粒体功能中的作用。研究者测量了三种氧合性鱼类心脏中的Mb含量、一氧化氮合酶 (Nitric Oxide Synthase, NOS) 和柠檬酸合酶 (Citrate Synthase) 酶活性，以及线粒体参数（复合物-I和-I+II呼吸、偶联效率、活性氧产生/释放速率和线粒体对一氧化氮抑制的敏感性，即NO IC50）。结果显示，Mb的表达与NOS活性和NO IC50呈正相关。与Mb表达的大西洋鲑 (Salmo salar) 和短角鲉 (Myoxocephalus scorpius) 相比，无Mb的大嘴鲱鱼 (Cyclopterus lumpus) 具有较低的NOS活性和降低的NO IC50。总体而言，数据显示，一氧化氮水平经过精细调节，以保持一氧化氮稳态和线粒体功能。在没有Mb的物种中，还表明存在补偿性机制来严格调节一氧化氮水平和线粒体功能，并强烈暗示线粒体对氧化磷酸化的NO IC50与鱼类对低氧耐受性密切相关。
一些鱼类心脏中肌红蛋白（Mb）的缺失，因此失去了主要的一氧化氮降解机制，可能对线粒体和心血管调节产生重要影响。实际上，一些鱼类心脏中的线粒体呼吸已被证明受一氧化氮的调控。加拿大纽芬兰与拉布拉多省圣约翰（St. John's）的纪念大学海洋科学系对此产生浓厚兴趣，并于2021年在《antioxidants》杂志上发表题为“The Relationship between Myoglobin, Aerobic Capacity, NitricOxide Synthase Activity and Mitochondrial Function in Fish Hearts”一文，该研究使用了三种鱼类的心脏：一种缺乏肌红蛋白（Mb−）的物种（大嘴鲱鱼；Cyclopterus lumpus）和两种表达肌红蛋白（Mb+）的鱼类物种，即大西洋鲑鱼（Salmo salar）和短角鲉（Myoxocephalus scorpius）。这些鱼类具有不同的生态生理特性（包括活动水平）。
我们的研究目的是：
（1）测定心脏线粒体氧气消耗、活性氧产生和对一氧化氮抑制的线粒体敏感性（NO IC50）；
（2）测量NOS和柠檬酸合酶的活性，作为一氧化氮产生和细胞氧化能力的指标；
（3）研究心脏肌红蛋白水平、NOS活性和NO IC50之间的关系，以了解其在调节心脏线粒体功能方面的作用。这种比较分析为我们提供了宝贵的见解，揭示了肌红蛋白组织水平、一氧化氮产生和对一氧化氮的线粒体敏感性如何相互作用，以调整线粒体功能和心脏代谢，确保其持续功能，并避免过多活性氧产生的损害效应。
一、样本制备过程——鱼类心肌线粒体提取
二、实验方案设计
O2k仪器可检测以上全部参数，此实验采用圈选的检测指标参数开展实验
三、实验结果
线粒体氧化磷酸化功能与ROS的产生
线粒体氧化磷酸化功能与NO的发生
三种鱼类氧化磷酸化水平：
包括复合物I的功能状态、整体氧化磷酸化水平、呼吸控制比率RCR、磷氧比P:O等；其中短角鲉（Myoxocephalus scorpius）呈现出氧利用率差，磷氧比P:O过高，可能与其生活习性底栖，运动能力差有关，而大嘴鲱鱼（Cyclopterus lumpus）的整体氧化磷酸化水平与有肌红蛋白的鱼类相差无几
三种鱼类氧化磷酸化水过程中的ROS产生情况；其中短角鲉（Myoxocephalus scorpius），因活动能力差，其活性氧清除能力弱，具有一定的活性氧积累情况
NO IC50水平评估，测量线粒体呼吸降低50％的一氧化氮浓度（即线粒体对一氧化氮的敏感性），大嘴鲱鱼（Cyclopterus lumpus）心脏线粒体对一氧化氮的抑制更为敏感（即NO IC50降低）
四、结论
本研究探讨了肌红蛋白的存在与否是否与氧化能力以及心肌和线粒体中NOS/NO系统的相关性。总体而言，与肌红蛋白阳性的大西洋鲑鱼和短角鲉相比，肌红蛋白阴性的大嘴鲱鱼在NOS活性方面减少，同时在对一氧化氮的敏感性上升（至少在线粒体水平上）。这些对一氧化氮的线粒体敏感性调整和心脏NOS活性的变化可能是为了弥补肌红蛋白的丧失（在心脏组织中是重要的一氧化氮清除剂和产生物），并确保线粒体功能在不同条件下得到精确调节。这个使用具有不同肌红蛋白含量的Hb+物种的比较研究极大地丰富了我们对全球蛋白和一氧化氮之间动态复杂关系的认识，并进一步深入了解心脏如何应对氧气供应的限制。 研究结果表明，肌红蛋白的存在与否对鱼类心脏中NOS活性和线粒体对一氧化氮的敏感性产生影响。缺乏肌红蛋白的情况下，心脏NOS活性下降，线粒体对一氧化氮的敏感性增加，可能是为了弥补肌红蛋白的丧失，确保心脏线粒体在不同条件下能够精确调节功能。 这项研究对于我们深入了解肌红蛋白、有氧能力、一氧化氮合酶活性和心脏线粒体功能之间的关系提供了重要的见解，并有助于揭示鱼类心脏如何应对不同环境条件下的变化。
五、参考文章
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