微型温度计测量线粒体如何通过释放质子能量来加热细胞

美国CHAMPAIGN-Illinois大学的研究人员为新一代新陈代谢设备配备了一个新的温度计探头，可以快速测量细胞温度，从而产生热量。

研究人员发现，线粒体是电池的发电站，它通过释放储存在内部质子“电池”中的电能来快速释放热量。他们说，更好地理解这一过程可能会为肥胖和癌症的治疗指出新的目标。

在机械科学与工程教授Sanjiv Sinha的带领下，他们在《自然》杂志《通讯生物学》上发表了他们的发现。

辛哈说：“产生热量是线粒体在代谢活动中心作用的一部分。“它需要为细胞活动产生能源资金。在大多数情况下，热量是副产品之一。但是有一种机制可以提升这个过程，在身体需要的时候产生更多的热量。这就是脂肪细胞在体温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数温度计探头，用于测量活细胞内部的温度。事实证明，机械设计具有挑战性：它必须足够长，才能到达显微镜下的细胞，但它的直径足够小，不会损坏细胞或破坏其内部过程。

“想想我们是如何用舌头检测温度的。我们基本上在做同样的事情，但是在一个细胞里，”辛哈说。“我们希望快速衡量正在发生的事情。这件事在牢房里发生得很快。就像，如果你给孩子量体温，你需要快速完成，否则他们会移动，这会赢得‘准确性’。”

辛哈的研究团队与伊利诺伊州分子和综合生理学荣誉教授Rhanor Gillette实验室的研究人员合作，测试富含线粒体的神经元菌株的探针。他们使用了在以前的工作中建立的方法来诱导线粒体产生热量，但是他们被探针可以测量的非常快速的温度变化所震惊。

“我们发现一些结果与之前发表的完全不同，”该研究的第一作者、研究生Manjunath Rajagopal说。“我们看到一个非常大且短暂的温度峰值——大约5摄氏度，不到一秒钟。测量的金标准是荧光，但是看到这么短的高爆热太慢了。我们只需要一个简单的探头进行高速测量，我们已经证明，我们可以找出其他方法遗漏了什么。”

研究人员此前认为线粒体热量输出的增加来自葡萄糖的分解，但辛哈团队测量的热量过高。

“它不能通过代谢储存的葡萄糖来释放能量。这完全没有意义，”辛哈说。“它是从哪里来的？这种能量一定有来源。”

研究人员确定峰值能量与质子驱动蜂窝电池的放电一致。他们通过诱导相似的温度峰值证实了这一点，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，部分葡萄糖代谢以质子电池的形式储存一些能量。它将所有质子推到膜的一侧，从而形成能量储存，”拉贾戈帕尔说。“我们基本上把储存的能量短路了。”

研究人员计划使用温度探针来研究其他细胞系中线粒体短路的过程，目的是确定治疗目标。例如，脂肪细胞有天然存在的蛋白质，它打开质子门释放储存的质子能量。辛哈的团队希望与生物学家合作，研究脂肪细胞中的过程如何在需要加热时自然发生——例如，当身体温度下降时——以及质子释放的蛋白质是否可以用作肥胖的治疗目标。

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