Введение

Оценка скорости метаболизма путем измерения выработки тепла Респиратометрия - это общий термин, который охватывает ряд методов получения оценок скорости метаболизма позвоночных, беспозвоночных, растений, тканей, клеток или микроорганизмов посредством косвенной меры выработки тепла (калориметрия).

Метаболические показатели целого животного

Метаболизм животного оценивается путем определения скорости выработки углекислого газа (VCO2) и потребления кислорода (VO2) отдельных животных, либо в системе респиратометрии с закрытым, либо в системе респиратометрии с открытым контуром. Обычно получают два показателя: стандартный (SMR) или базальный метаболизм (BMR) и максимальный показатель (VO2max). SMR измеряется в состоянии покоя (но не сна) животного при определенных лабораторных условиях (температура, гидратация) и в определенных условиях (например, размер или аллометрия), возраст, репродуктивный статус, после абсорбции, чтобы избежать термического воздействия пищи. VO2max обычно определяется во время аэробных упражнений на уровне или близко к физиологическим пределам. Напротив, скорость метаболизма на поле (FMR) относится к скорости метаболизма неограниченного, активного животного в природе. Метаболические показатели целых животных относятся к этим показателям без коррекции по массе тела. Если значения SMR или BMR делят на значение массы тела животного, то показатель называется массососпецифическим. Именно это массовое значение, которое обычно слышится в сравнениях между видами.

Закрытая респиратометрия

Респиратометрия основана на принципе "входящее должно выходить". Сначала рассмотрим замкнутую систему. Представьте, что мы поместили мышь в герметичное сосудо. Воздух, запечатанный в контейнере, изначально содержит тот же состав и пропорции газов, которые присутствовали в помещении: 20,95% O2, 0,04% CO2, водяной пар (точный объем зависит от температуры воздуха, см. Точку росы), 78% (приблизительно) N2, 0,93% аргона и различные следовые газы, составляющие остальную часть (см. Атмосфера Земли). Со временем мышь в камере производит СО2 и водяной пар, но извлекает О2 из воздуха пропорционально своим потребностям в обмене веществ. Поэтому, если мы знаем объем системы, разница между концентрациями O2 и CO2 в начале, когда мы запечатали мышь в камеру (исходные или эталонные условия), по сравнению с количествами, присутствующими после того, как мышь вдохнула воздух в более позднее время, должна быть количеством CO2/O2, произведенным / потребленным мышью. Азот и аргон являются инертными газами, и поэтому их фракционные количества не изменяются при дыхании мыши. В закрытой системе окружающая среда в конечном итоге станет гипоксичной.

Открытая респиратометрия

Для открытой системы ограничения по конструкции включают характеристики промывки камеры для животных и чувствительность газоанализаторов. Однако основной принцип остается прежним: то, что входит в организм, должно выходить. Основное различие между открытой и закрытой системой заключается в том, что открытая система пропускает воздух через камеру (то есть воздух подталкивается или тянется насосом) со скоростью, которая постоянно пополняет O2 истощенный животным, удаляя CO2 и водяной пар, произведенный животным. Объемный расход должен быть достаточно высоким, чтобы животное никогда не потребляло весь кислород, присутствующий в камере, и в то же время должен быть достаточно низким, чтобы животное потребляло достаточно кислорода для обнаружения. Для мыши весом 20 г, скорость потока около 200 мл/мин через емкости объемом 500 мл обеспечит хороший баланс. При такой скорости потока в камеру поступает около 40 мл О2, и весь объем воздуха в камере обменивается в течение 5 минут. Для других мелких животных объемы камеры могут быть намного меньше, а скорость потока также будет снижена. Следует отметить, что для теплокровных или эндотермических животных (птиц и млекопитающих) размер камеры и/или скорость потока выбираются с учетом их более высоких скоростей метаболизма.

Митохондриальные скорости метаболизма

Внутри организма кислород поступает в клетки, а в клетках - в митохондрии, где он потребляется в процессе производства большей части энергии, необходимой организму. Митохондриальная респиратометрия измеряет потребление кислорода митохондриями без участия всего живого животного и является основным инструментом для изучения функции митохондрий. Такие респираторно-метрические исследования могут проводиться с использованием трех различных типов образцов: изолированных митохондрий (из клеточных культур, животных или растений); проницаемых клеток (из клеточных культур); и проницаемых волокон или тканей (из животных). В последних двух случаях клеточная мембрана становится проницаемой путем добавления химических веществ, выборочно оставляя митохондриальную мембрану нетронутой. Поэтому химические вещества, которые обычно не могут пересечь клеточную мембрану, могут непосредственно влиять на митохондрии. Благодаря проницаемости клеточной мембраны клетка перестает существовать как живой, определенный организм, оставляя только митохондрии как все еще функциональные структуры. В отличие от респиратометрии целых животных, митохондриальная респиратометрия проводится в растворе, т.е. образец суспендируется в среде. Сегодня митохондриальная респиратометрия в основном выполняется с использованием закрытого камеры.

Система закрытой камеры

Образец, суспендированный в подходящей среде, помещают в герметически закрытую метаболическую камеру. Митохондрии переходят в определенные "состояния" путем последовательного добавления субстратов или ингибиторов. Поскольку митохондрии потребляют кислород, концентрация кислорода падает. Это изменение концентрации кислорода регистрируется кислородным датчиком в камере. Из скорости снижения кислорода (с учетом коррекции диффузии кислорода) можно рассчитать скорость дыхания митохондрий. Функциональные различия между митохондриями разных видов изучаются респираметрией как аспект сравнительной физиологии.

Оборудование

Обычное оборудование включает в себя герметичное метаболическое помещение, датчик кислорода, устройства для записи данных, перемешивания, термостатизации и способ введения химических веществ в помещение. Как описано выше, для респиратометрии целых животных очень важен выбор материалов. Пластиковые материалы не подходят для камеры из-за их способности хранить кислород. Если пластиковые материалы неизбежны (например, для кольцов, покрытий мешалок или пробки), могут использоваться полимеры с очень низкой кислородной проницаемостью (например, PVDF в отличие от, например, PTFE). Остаточная диффузия кислорода в камеры или из них может быть обработана путем коррекции измеренных потоков кислорода для инструментального потока кислорода в фоне. Весь прибор, состоящий из упомянутых компонентов, часто называют оксиграфом. Компании, поставляющие оборудование для спирометрии целых животных, упомянутые выше, обычно не участвуют в митохондриальной респиратометрии. Обществу предоставляются услуги на самых разных уровнях цен и сложности такими компаниями, как Oroboros Instruments, Hansatech, Respirometer Systems & Applications, YSI Life Sciences или Strathkelvin Instruments .