Misurazione del consumo dell'ossigeno mitocondriale del fegato e cinetica di perdita del protone per stimare la respirazione mitocondriale nei bovini da latte Holstein

Summary

Qui, si condividono i metodi di misurazione del consumo di ossigeno mitocondriale, un concetto di definizione di energetica nutrizionale e perdita di protone, la causa primaria di inefficienza nella generazione mitocondriale di ATP. Questi risultati possono rappresentare 30% di energia perdita nell’utilizzazione dei nutrienti per aiutare a valutare la funzione mitocondriale.

Abstract

Consumo di ossigeno, (PMF) della forza motrice protonica e perdita del protone sono misurazioni di respirazione mitocondriale, o quanto bene i mitocondri sono in grado di convertire NADH e FADH in ATP. Poiché i mitocondri sono anche il luogo primario per l’uso di ossigeno e nutrienti ossidazione ad anidride carbonica e acqua, quanto efficientemente usano ossigeno e produrre ATP direttamente riguarda l’efficienza del metabolismo dei nutrienti, esigenze nutrizionali dell’animale, e salute dell’animale. Lo scopo di questo metodo è quello di esaminare la respirazione mitocondriale, che può essere utilizzata per esaminare gli effetti di diversi farmaci, le diete e gli effetti ambientali sul metabolismo mitocondriale. I risultati includono consumo di ossigeno misurato come respirazione dipendente protone (stato 3) e protone perdita dipendente respirazione (stato 4). Il rapporto della respirazione 4 3 / stato stato è definito come rapporto di controllo respiratorio (RCR) e può rappresentare l’efficienza energetica mitocondriale. Perdita di mitocondriale del protone è un processo che permette la dissipazione del potenziale di membrana mitocondriale (MMP) da disgiungere fosforilazione ossidativa da ADP diminuendo l’efficienza della sintesi di ATP. Ossigeno e TRMP + elettrodi sensibili con substrati mitocondriali e inibitori della catena di trasporto degli elettroni sono utilizzati per misurare State 3 e 4 di stato respirazione, membrana mitocondriale PMF (o il potenziale di produrre l’ATP) e perdita del protone. Limitazioni a questo metodo sono che il tessuto del fegato deve essere più fresco possibile e tutte le biopsie e le analisi devono essere eseguite in meno di 10 ore. Questo limita il numero di campioni che possono essere raccolti ed elaborati da una sola persona in un giorno per circa 5. Tuttavia, è necessario solo 1 g di tessuto del fegato, quindi in grandi animali, come bovini da latte, la quantità di campione necessaria è piccola rispetto alle dimensioni del fegato e c’è poco tempo di recupero necessario.

Introduction

I mitocondri sono molto sensibili allo stress e loro ambiente cellulare può contribuire a una vasta gamma di malattie metaboliche. Consumo di ossigeno e perdita di protoni in mitocondri sono indicatori della salute di mitocondri. I metodi descritti in questa efficienza energetica mitocondriale di carta stima utilizzando RCR basano sul consumo di ossigeno con e senza perdita di protoni. Questi risultati possono rappresentare 30% dell’energia perdita in utilizzazione nutriente¹. Cambiamenti nella perdita del protone e consumo di ossigeno possono identificare la disfunzione mitocondriale che contribuisce alla malattia metabolica e si traduce in una riduzione dell’efficienza energetica. Questi metodi possono essere utilizzati anche per esaminare l’effetto di trattamenti diversi su respirazione mitocondriale. L’obiettivo generale di misurare il consumo di ossigeno mitocondriale e cinetica di perdita del protone è di valutare la funzione mitocondriale ed efficienza energetica.

Disfunzione mitocondriale epatica è stata associata con parecchie malattie nei bovini da latte. La capacità del metabolismo cellulare per passare tra combustibili del carboidrato e del lipido di fronte a un deficit energetico in lattazione iniziale è influenzata dal numero e dalla funzione dei mitocondri in cellule². Difetti nella capacità di adattarsi a un aumento della domanda di energia e β-ossidazione aumentata dei mitocondri possono portare ad accumulo di lipidi intracellulari associati con insulino-resistenza e possono portare alla formazione di fegato grasso nelle vacche da latte di inizio lattazione. I mitocondri, come il sito di produzione di corpi chetonici e l’uso, possono giocare un ruolo chiave in chetosi nelle vacche da latte³. Una mancanza di mitocondri o disfunzione mitocondriale urterà la disponibilità di carburante alla periferia e rifletteva in variazioni di consumo di ossigeno o RCR.

Modifiche di consumo di ossigeno mitocondriale in risposta ad infiammazione. Sette-giorno-vecchio polli da carne sono stati assegnati a un gruppo infettato da Eimeria maxima e un gruppo di controllo⁴. Polli da carne che non subissero sfida coccidiosi aveva più basso consumo di ossigeno a causa di perdita di protone e RCR superiore che indica che i mitocondri del fegato rispondano ad una sfida immune da crescente perdita di protoni. Durante la perdita di protone e reattiva produzione di specie di ossigeno una volta era considerata un segno di disfunzione mitocondriale della membrana e dannosa per l’efficienza energetica, ora è conosciuto che è importante per l’importazione di proteine e di calcio in mitocondri⁵ e per la generazione di calore¹.

Perdita di elettroni dalla catena respiratoria rende i mitocondri suscettibile di produzione di specie reattive dell’ossigeno ed il danno ossidativo alle proteine della membrana mitocondriale, lipidi e DNA mitocondriale. Come età di mitocondri, danno può accumularsi soprattutto al mtDNA causando ulteriore disfunzione nel metabolismo mitocondriale⁶ e una maggiore suscettibilità della mucca alla malattia. In pratica, molti animali da allevamento sono alimentati alti livelli di integratori come Cu, Zn e Mn per amplificare la funzione antiossidante. Tuttavia, d’alimentazione alti livelli di Cu, Zn e Mn diminuita produzione di latte e aumento del consumo di ossigeno a causa di protone perdita (stato 4 respirazione)⁷.

Precedenti ricerche sul ruolo della funzione mitocondriale dell’efficienza energetica nei bovini è focalizzata sui cambiamenti nel consumo di ossigeno mitocondriale e perdita di protoni. Molto pochi studi sono stati pubblicati nei bovini da latte e la maggior parte delle carte confrontare l’efficienza di produzione sotto forma di assunzione di mangime residuo (RFI) per la funzione mitocondriale in bovini da carne. Variabilità nella respirazione mitocondriale tariffe sono state esaminate misurando stato 3 4 e RCR in fegati da vacche Holstein in lattazione e allattamento manzo mucche (Angus, Hereford and Brangus)⁸. I ricercatori non hanno trovato alcuna correlazione nella respirazione mitocondriale con crescita o mungitura tratti per bovini da carne, ma hanno dato una correlazione tra la respirazione mitocondriale e tratti per Holsteins di mungitura. In due studi, RFI è stato confrontato in bovini da carne a tasso di respirazione mitocondriale (stato 3, stato 4 e RCR) nel muscolo mitocondri^9,10. Tassi di respirazione mitocondriale ha cambiato in risposta a DMI e tassi bassi sono stati associati con meno efficiente manzo manzi. In un altro studio, RFI di manzi da tori RFI alte o basse sono stati confrontati con i tassi di respirazione mitocondriale e cinetica di perdita del protone fra i due gruppi di progenie¹¹. Le differenze erano dovuto guadagno conferma la conclusione che guadagno fa non respirazione mitocondriale di impatto nei bovini da carne.

In questa carta, un esperimento esame fegato RCR in risposta all’alimentazione 3 minerali antiossidanti per bovini da latte durante l’allattamento viene illustrato l’utilizzo di metodi per misurare il consumo di ossigeno durante stato 4 e stato 3 PMF e respirazione.

Protocol

Tutti i metodi, protocollo e studi descritti qui sono stati approvati dal istituzionale Animal Care e uso Committee (IACUC) della University of California, Davis. 1. ottenere una biopsia del fegato da una mucca da latte dell’Holstein Nota: Una biopsia del fegato deve essere eseguita da un veterinario autorizzato. Le biopsie del fegato possono essere eseguite sul sito latteria dove si trovano le mucche. Vacche da latte in lattazione possono continuare a essere munte no…

Representative Results

Risultati positivi risultati RCR e protone perdita cinetica sono mostrati in tabella 1 e Figura 15, rispettivamente. In questo studio7, RCR e proteina perdita cinetica sono stati misurati in vacche Holstein a 70 giorni nel latte dopo le mucche erano state alimentate 1 di 5 diversi livelli di Cu, Zn e Mn per 28 giorni. Stato 4, respirazione di protone massima perdita-dipendente, aveva la tendenza a essere influenzato da…

Discussion

Il punto più critico nel protocollo è ottenere un campione rappresentativo del tessuto del fegato e cominciando l’isolamento dei mitocondri più presto possibile dopo la biopsia. Variazione nelle misurazioni di respirazione è bassa (tabella 1) a causa di un tempo breve trasporto dalla mucca al laboratorio. Per ridurre i tempi di trasporto, un piccolo laboratorio è stato istituito presso l’ufficio del caseificio, e campioni di fegato sono stati guidati al laboratorio ufficio come ciascuno è stato rac…

Materials

Liver Biopsy
Equipment
Schackelford-Courtney bovine liver biopsy instrument	Sontec Instruments Englewood CO	1103-904
Suture	Fisher Scientific	19-037-516
Suture needles	NA	NA	Included with Suture
Scalpels	Sigma – Aldrich	S2896 / S2646	# for handle and blades
Surgery towels	Fisher Scientific	50-129-6667
Falcon tubes 50 mL	Fisher Scientific	14-432-22
Tweezers	Sigma – Aldrich	Z168750
50 mL syringes	Fisher Scientific	22-314387
Injection needles (22, 2 1/2)	VWR	MJ8881-200342
Cow halter	Tractor Supply Co.	101966599
Cotton swabbing	Fisher Scientific	14-959-102
cotton gauze squares (4×4)	Fisher Scientific	22-246069
Medical scissors	Sigma – Aldrich	Z265969
Chemicals
Coccidiosis Vaccine 0.75 bottle/cow			Provided by Veterinarian
Clostridia Vaccine			Provided by Veterinarian
Liver biopsy antibiotics excenel 2 cc/100 lbs for 3 days			Provided by Veterinarian
Providone Scrub	Aspen Veteterinary Resources	21260221
Ethanol 70%	Sigma – Aldrich	793213
Xylazine hydrochloride 100 mg/mL IV at 0.010-0.015 mg/kg bodyweight			Provided by Veterinarian
2% lidocaine HCl (10-15 mL)			Provided by Veterinarian
1 mg/kg IV injection of flunixin meglumine			Provided by Veterinarian
Isolation of Mitochondria (liver)
Equipment
Wheaton vial 30 mL with a Teflon pestle of 0.16 mm clearance	Fisher Scientific	02-911-527
Homogenizer Motor	Cole Parmer	EW-04369-10
Homogenizer Probe	Cole Parmer	EW-04468-22
Auto Pipette (10 mL)	Cole Parmer	SK-21600-74
Beaker (500 mL) with ice	Fisher Scientific	FB100600
Refrigerated microfuge	Fisher Scientific	75-002-441EW3
Microfuge tubes (1.5 mL)	Fisher Scientific	AM12400
Chemicals
Bicinchoninic acid (BCA) protein assay kit (microplates for plate reader)	abcam	ab102536
Sucrose	Sigma – Aldrich	S7903-1KG
Tris-HCl	Sigma – Aldrich	T1503-1KG
EDTA	Sigma – Aldrich	EDS-1KG
BSA (fatty acid free)	Sigma – Aldrich	A7030-50G
Mannitol	Sigma – Aldrich	M4125-1KG
Deionized water	Sigma – Aldrich	38796
Hepes	Sigma – Aldrich	H3375-500G
Use to create mitochondria isolation media: 220 mM mannitol, 70 mM sucrose, 20 mM HEPES, 20 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, and 0.1% (w/v) fatty acid free BSA,  pH 7.4 at 4 °C, will last 2 days in refrigerator
Mitochondrial Oxygen Comsuption
Equipment
Oxygraph Setup + Clark type oxygen electrode	Hansatech (PP Systems)	OXY1
Thermoregulated Water Pump	ADInstruments	MLE2001
Clark type Oxygen electrode	NA	NA
Autopipette (1 mL)	Cole Parmer	SK-21600-70	Included with Oxy1
Small magnetic stir bar	Fisher Scientific	14-513-95
Micropipette (10 μL)	Cole Parmer	SK-21600-60
pH meter	VWR
Chemicals
KCl	Sigma – Aldrich	P9333-1KG
Hepes	Sigma – Aldrich	H3375-500G
KH2PO4	Sigma – Aldrich	P5655-1KG
MgCl2	Sigma – Aldrich	M1028-100ML
EGTA	Sigma – Aldrich	E3889-100G
Use to make mitochondrial oxygen consumption media: 120 mM KCL, 5 mM KH2PO4, 5 mM MgCl2, 5 mM Hepes and 1 mM EGTA,  pH 7.4 at 30 °C with 0.3% defatted BSA
Rotenone (4 mM solution)	Sigma – Aldrich	R8875-5G
Succinate (1 M solution)	Sigma – Aldrich	S3674-250G
ADP (100 mM solution)	Sigma – Aldrich	A5285-1G
Oligomycin (solution of 8 μg/mL in ethanol)	Sigma – Aldrich	75351
FCCP	Sigma – Aldrich	C2920
Mitochondrial Membrane Potential and Proton Motive Force
Equipment
TPMP electrode	World Precision Instruments.	DRIREF-2
Chemicals-solutions do not need to be fresh but they do need to be kept in a freezer between runs
Malonate (0.1 mM solution)	Sigma – Aldrich	M1296
Oligomycin (8 μg/mL in ethanol), keep in freezer	Sigma – Aldrich	75351
Nigericin (80 ng/mL in ethanol), keep in freezer	Sigma – Aldrich	N7143
FCCP	Sigma – Aldrich	C3920
TPMP	Sigma – Aldrich	T200
TPMP solution: 10 mM TPMP, 120 mM KCL, 5 mM Hepes and 1 mM EGTA,  pH 7.4 at 30 °C with 0.3% defatted BSA