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编号:10266019
牛磺酸对大鼠肝线粒体氧自由基损伤的保护作用
http://www.100md.com 《安徽医科大学学报》 2000年第2期
     作者:汪朝晖 张贤康 缪明永 王学敏

    单位:汪朝晖 张贤康(第二军医大学附属长征医院消化科,上海 200003);缪明永 王学敏(第二军医大学生化教研室,上海 200433);汪朝晖(现在解放军第81医院肝病研究所,南京 210002)

    关键词:牛磺酸;药理学;自由基;线粒体;肝;药物作用;氧化磷酸化;细胞呼吸;大鼠

    安徽医科大学学报000210 摘要 目的 观察氧自由基对线粒体的损伤以及牛磺酸的保护作用。方法 采用氧自由基发生系统FeSO4/VitC损伤线粒体,分离的肝线粒体分为3组:对照组(A组),损伤组(B组),牛磺酸保护组(C组)。分别测定线粒体呼吸功能、3种氧化酶活性、丙二醛含量。结果 B组线粒体状态3速率、呼吸控制率、磷/氧比、氧化磷酸化效率降低,说明线粒体呼吸功能和氧化磷酸化功能受损;B组线粒体电子传递链的琥珀酸氧化酶、NADH氧化酶、细胞色素氧化酶活性下降,说明氧自由基可损伤线粒体电子传递链;并且氧自由基可致线粒体丙二醛水平明显升高,造成线粒体脂质过氧化损伤。上述变化B组与A组、C组比较差异均有显著性(P<0.05或P<0.01);C组与A组比较差异均无显著性。结论 牛磺酸有自由基清除作用和直接膜保护作用,可预防氧自由基对线粒体的损伤,对线粒体结构和功能起保护作用。
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    中图分类号 R329.24;R914.4

    文献标识码 A 文章编号 1000-1492(2000)02-0111-03

    The protective effect of taurine of the injury of oxygen

    free radicals on rat liver mitochondria


    Wang Zhaohui,Zhang Xiankang,Miao Mingyong et al

    (Institute of Liver Disease, 81st Hospital of PLA, Nanjing 210002)

    Abstract Objective To observe the damage of oxygen free radicals on rat liver mitochondria and the protective effect of taurine. Methods An oxygen free radical generation system FeSO4/ Ascorbic acid was used. Hepatic mitochondria were isolated and divided into three groups: control group(A),injury group(B) and protection group(C). Mitochondrial respiratory function,the activities of three oxidase and MDA content were measured. Results Oxygen free radicals led to decrease of R3、RCR、P/O and OPR, indicating that the respiratory function and oxidative phosphorylation function were damaged. The activities of Suc-Ox、 NADH-Ox and Cytc-Ox decreased, showing oxygen free radicals caused the damage of electric transfer chain. Oxygen free radicals significantly increased MDA content, indicating oxygen free radicals induced mitochondrial lipid peroxidation. Conclusion Taurine shows free radical scavenging effect and direct protective effect on membrane, which can prevent the damage of oxygen free radicals on the mitochondria, and protect mitochondrial structure and function.
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    MeSH taurine/pharmacology; free radicals; mitochondria; liver/drug eff; oxidative phosphorylation ; cell respiration; rats 线粒体是细胞内最重要的细胞器之一,其结构和功能特点决定线粒体极易受氧自由基的损伤。牛磺酸(taurine,Tau)是体内含量最丰富的氨基酸,具有广泛的生物学作用。研究表明,Tau具有清除自由基和抗脂质过氧化作用。本实验采用FeSO4/VitC这一OH·发生系统,观察氧自由基对线粒体的损伤以及Tau的保护作用。

    1 材料和方法

    1.1 动物 Wistar大鼠,♂,180~200 g,由第二军医大学动物中心提供(医动字02-25-04)。

    1.2 方法
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    1.2.1 肝脏标本的获取 用断头器将大鼠断头处死,迅速开腹,取出肝脏左叶和中叶。

    1.2.2 线粒体分离 根据缪明永等〔1〕方法稍作改变,分离线粒体,用双缩脲法测定线粒体蛋白浓度。

    1.3 实验分组 将分离的线粒体平均分为3组:对照组(A组):线粒体无处理;损伤组(B组):线粒体+FeSO4 (终浓度为0.1 mmol.L-1)+VitC(终浓度为0.5 mmol.L-1);保护组(C组):线粒体+FeSO4(终浓度为0.1 mmol.L-1)+VitC(终浓度为0.5 mmol.L-1)+Tau(终浓度为10 mmol.L-1)。每组均为8例,均在30℃孵育30 min后进行以下实验。
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    1.4 线粒体呼吸功能测定 采用Clark氧电极法计算状态3速率(R3)、状态4速率(R4)、呼吸控制率(RCR)、磷/氧比(P/O)、氧化磷酸化效率(OPR)。

    1.5 线粒体电子传递链组成成分中氧化酶的测定 参照徐卫刚等〔2〕方法,测定琥珀酸氧化酶(Suc-Ox)、NADH氧化酶(NADH-Ox)、细胞色素氧化酶(Cytc-Ox)的活性。

    1.6 丙二醛(MDA)测定 采用TBA法测定线粒体MDA含量。

    1.7 统计学处理 数据为±s,采用t检验比较组间差异。

    2 结果

    2.1 线粒体呼吸功能的变化 表1显示了线粒体R3、R4和RCR变化,B组R3显著低于A组(P<0.05)和C组(P<0.05);B组R4显著高于A组(P<0.05)和C组(P<0.05)。B组RCR与A组和C组相比明显降低,差异有高度显著性(P<0.01)。C组和A组之间差异均无显著性。说明损伤的线粒体RCR变化是由R3降低和R4升高共同变化造成,氧自由基可损害线粒体呼吸功能,Tau对氧自由基致线粒体损伤有保护作用。
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    表1 以Suc为底物的线粒体呼吸功能的变化(n=8,±s) 组别

    R3(μmol.min-1.g-1 Pro)

    R4(μmol.min-1.g-1 Pro)

    RCR

    A

    43.30±4.96*
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    10.13±1.74*

    4.35±0.52**

    B

    35.07±4.03

    18.30±2.98

    2.00±0.21

    C

    43.95±4.00*

    8.53±1.75*

    5.32±1.03**

, http://www.100md.com     与B组相比:*P<0.05,**P<0.01

    2.2 线粒体氧化磷酸化的变化 表2显示线粒体氧化磷酸化的变化,B组P/O比值显著低于A组和C组(P<0.05)。B组OPR较A组和C组明显降低,差异有高度显著性(P<0.01),C组与A组相比差异无显著性。说明氧自由基可损害线粒体氧化磷酸化功能,Tau则对氧自由基损伤有保护作用。

    表2 线粒体氧化磷酸化的变化(n=8, ±s) 组别

    P/O

    OPR(ATP:μmol.min-1.g-1 Pro)
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    A

    1.38±0.10*

    59.60±6.10**

    B

    1.06±0.17

    36.54±3.82

    C

    1.42±0.14*

    63.18±7.82**

    与B组相比:*P<0.05,**P<0.01
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    2.3 线粒体呼吸链氧化酶活性的变化 表3显示线粒体电子传递链成分中3个氧化酶活性的变化。B组Suc-Ox,NADH-Ox,Cytc-Ox活性均低于A组和C组,差异有高度显著性(P<0.01),C组和A组相比差异无显著性。证明氧自由基可造成线粒体电子传递链的3个氧化酶活性损害,而Tau对线粒体电子传递链中氧化酶活性均有保护作用。

    表3 线粒体呼吸链氧化酶活性的变化

    (μmol.min-1.g-1 Pro,n=8,±s) 组别

    Suc-Ox

    NADH-Ox
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    CytC-Ox

    A

    81.90±4.59**

    211.90±14.95**

    1 192.31±226.93**

    B

    59.15±5.18

    144.30±20.90

    876.59±160.90

    C

    76.22±7.71**
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    181.75±9.75**

    1 205.87±220.34**

    与B组相比:**P<0.01

    2.4 线粒体脂质过氧化水平的变化 氧自由基可造成线粒体脂质过氧化损伤,使MDA水平(μmol.g-1 Pro)明显升高,为5.15±0.44,与A组(2.88±0.54)相比,差异有高度显著性(P<0.01);加用Tau保护后,可明显降低线粒体脂质过氧化程度,MDA水平为4.06±0.36,差异有高度显著性(P<0.01)。说明Tau有抗脂质过氧化作用,可减轻氧自由基致线粒体脂质过氧化损伤。

    3 讨论

    线粒体是细胞内最重要的细胞器之一,其最基本功能是氧化磷酸化,是细胞产生ATP的重要场所。根据Mitchell化学渗透理论,实际控制呼吸速率是跨越呼吸链质子移位区的氧化还原单位(ΔEh)与质子跨膜化学电位梯度(Δμh)间失去平衡的程度〔3〕。R4依赖膜的天然质子传导(CMH+),即反映内膜通透性,内膜通透性损害即脱偶联的表现。R3则依赖于状态3中,任何一个限速步骤,主要包括底物通透性(底物载体)、底物脱氢酶、呼吸链、ATP合成酶和腺苷酸移位体。RCR是评价线粒体完整性和氧化磷酸化偶联程度的灵敏指标。而P/O比值的下降则代表氧化磷酸化脱偶联〔4〕是体内活性氧的主要来源。只要有过渡金属离子存在,就能通过Fenton反应和Harber-weiss反应生成OH·。OH·是化学性质最活泼的氧自由基,它几乎与细胞内每一类有机物都能反应,并且有非常高的速度常数。它也是脂质过氧化作用的主要引发剂,因此破坏性极强。
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    线粒体的功能和结构特点决定线粒体极易受氧自由基损伤。本实验采用FeSO4/VitC这一OH·发生系统直接损伤线粒体来观察氧自由基对线粒体的损伤。实验证实线粒体呼吸功能损害表现为R3下降,R4升高,RCR下降,说明OH·可损伤电子传递链,并可致膜通透性增加,造成线粒体呼吸功能下降,P/O下降、OPR下降,说明OH·可致线粒体氧化磷酸化解偶联,从而损伤氧化磷酸化功能。线粒体膜上的电子传递体大多紧密地镶嵌在线粒体内膜上,结合成功能上相互联系的大分子复合物。本实验中的NADH-Ox、Suc-Ox和Cytc-Ox是以上复合物中的组成部分。线粒体复合物均为脂蛋白,因而容易受自由基损害,且对膜中的脂质环境变化比较敏感〔5〕,本实验证实OH·可致以上3个氧化酶活性下降,与R3和RCR的变化一致。
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    线粒体磷脂中含有较大量的多不饱和脂肪酸(PUFA),所以线粒体对自由基损害高度敏感,极易发生脂质过氧化反应。OH·是脂质过氧化的主要引发剂,一经产生立即在局部通过链式反应引发广泛的膜脂质过氧化反应。脂质过氧化产物是造成损伤的物质基础,也是脂质过氧化速率和强度测定的依据。目前讨论较多的是MDA。本实验采用FeSO4/VitC这一OH·发生体系损伤线粒体,可使线粒体MDA水平明显增高,造成线粒体的脂质过氧化损伤。膜的脂质过氧化,一方面使膜酶受到损伤,另一方面使膜失去作为区域化的功能,导致按功能需要排列的酶的紊乱。而线粒体内膜的多酶体系正是一种高度有序结构〔6〕,这种多酶体系有序性变化必然造成线粒体功能下降。膜脂质过氧化使膜中不饱和脂肪酸受到破坏,加上MDA可与膜中磷脂和蛋白质分子反应形成共轭交联结构,使膜的流动性下降,通透性增加,可使线粒体内基质和呼吸链成分丢失而影响整个呼吸链电子传递,必然造成线粒体结构和功能的损害。这些均与前面线粒体呼吸功能和氧化磷酸化损害结果相符。
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    本实验还研究了Tau对线粒体自由基损伤的保护作用。实验证实,Tau不仅对氧自由基致线粒体电子传递链成分损伤有保护作用,又对氧自由基致线粒体膜脂质过氧化损伤有保护作用,维持膜结构的完整,从而保护了线粒体呼吸功能和氧化磷酸化功能。说明Tau可明显减轻氧自由基对线粒体的损伤,对线粒体结构和功能均有明显的保护作用。

    Tau对线粒体的保护作用可能与以下因素有关:①Tau具有清除氧自由基、抗脂质过氧化损伤作用;并且这种作用和Tau剂量是依赖性关系〔7〕。②Tau参与膜主要成分磷脂代谢,保护膜磷脂免受降解,具有直接膜稳定作用,并调节膜对离子通透性〔8〕。本实验证实Tau能减轻氧自由基对线粒体的损伤,从而保护线粒体结构和功能的相对稳定。

    汪朝晖,男,31岁,硕士,主治医师

    张贤康,男,63岁,教授,硕士生导师
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    参考文献

    1 缪明永,朱善宏,石汉平等.失血性休克时大鼠肝线粒体内膜的损伤.中国病理生理杂志,1995;11(1):86~89

    2 徐卫刚,陈晓晴,缪明永等.应激大鼠心肌线粒体三种氧化酶活性变化及β受体阻滞剂对其的影响.第四军医大学学报,1996;17(5):350~352

    3 尼柯尔斯著,程中云译.生物化学-化学渗透理论介绍.北京:科学出版社,1987:98~162

    4 严仪昭.细胞内氧的利用异常.中国病理生理杂志,1987;3(2):111~115

    5 Zheng X, Shoffner JM, Lott MT et al. Evidence in a nuclear mutation affecting respiratory complexes I and IV. Neurology,1989;39(9):1 203~1 209
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    6 Sjostrand FS, Allen BS, Beyersdorf F et al. A long-range ordered structure in mitochondrial cristae revenled by a pathological structure modification. J Ultarstruct Mol Struct Res,1988;99(1):1~17

    7 李兆萍,唐朝枢,王锦霞等.牛磺酸对离体大鼠心肌缺血再灌注损伤的保护作用.北京医科大学学报,1990;22(3):207~208

    8 Huxtuble RJ. Physiological action of taurine. J Physiol Rev,1992;77(1):8

    1999-10-19收稿,2000-01-20修回, 百拇医药