A novel perspective on the evolutionary loss of plasma-accessible carbonic anhydrase at the teleost gill  

關(guān)于硬骨魚鰓血漿可接觸碳酸酐酶進(jìn)化喪失的新視角

來源： Journal of Experimental Biology (2023) 226, jeb246016. doi:10.1242/jeb.246016

 

一、摘要核心內(nèi)容

 

本文挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)假說（即鰓部血漿可接觸碳酸酐酶（paCA）會(huì)干擾紅細(xì)胞β-腎上腺素能鈉-質(zhì)子交換器（β-NHE）對(duì)血紅蛋白-氧結(jié)合（Hb-O?）的保護(hù)作用），提出：  

開放系統(tǒng)（模擬鰓）：paCA存在時(shí)，β-NHE仍能有效保護(hù)Hb-O?飽和度，不受酸中毒影響。  

 

封閉系統(tǒng)（模擬組織毛細(xì)血管）：paCA會(huì)破壞β-NHE的保護(hù)作用。  

 

進(jìn)化新視角：鰓作為開放系統(tǒng)，paCA催化產(chǎn)生的CO?可擴(kuò)散至水中，不會(huì)酸化紅細(xì)胞，因此paCA的進(jìn)化缺失需其他解釋。  

 

二、研究目的

驗(yàn)證傳統(tǒng)假說：檢驗(yàn)paCA是否干擾β-NHE對(duì)紅細(xì)胞pH?（細(xì)胞內(nèi)pH）的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響Hb-O?結(jié)合。  

 

區(qū)分微環(huán)境差異：探究開放系統(tǒng)（鰓）與封閉系統(tǒng)（毛細(xì)血管）中paCA作用的差異。  

 

重新解釋進(jìn)化缺失：為硬骨魚鰓部paCA缺失提供新機(jī)制解釋。  

 

三、研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

開放系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：模擬鰓環(huán)境（氣體可擴(kuò)散至外界），通過分光光度法測(cè)量Hb-O?飽和度（圖1）。  

 

封閉系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：模擬毛細(xì)血管環(huán)境（氣體無法擴(kuò)散），使用Unisense氧微電極監(jiān)測(cè)PO?變化（圖3）。  

關(guān)鍵操作：  

 

藥物處理：β-腎上腺素激動(dòng)劑（ISO）、NHE抑制劑（Amiloride）、外源CA。  

 

酸中毒誘導(dǎo)：呼吸性酸中毒（調(diào)節(jié)PCO?）或代謝性酸中毒（注射HCl）。  

機(jī)制驗(yàn)證：免疫染色觀察β-NHE蛋白轉(zhuǎn)位至紅細(xì)胞膜（圖2）。  

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

Hb-O?飽和度（開放系統(tǒng)，圖1）  

數(shù)據(jù)：β-NHE激活（ISO處理）使EC??PCO?升高（1.56±0.13 kPa vs 對(duì)照組1.14±0.04 kPa），paCA（ISO+CA）未削弱此效應(yīng)。  

 

意義：證明在開放系統(tǒng)中，paCA不干擾β-NHE對(duì)Hb-O?結(jié)合的保護(hù)作用。  

PO?動(dòng)態(tài)變化（封閉系統(tǒng)，圖3）  

 

數(shù)據(jù)：添加CA后PO?顯著上升（ΔPO?=31.7±7.2 mmHg），表明β-NHE保護(hù)作用被破壞。  

 

意義：證實(shí)封閉系統(tǒng)中paCA通過加速Jacobs-Stewart循環(huán)，導(dǎo)致H?內(nèi)流增加，干擾pH?調(diào)節(jié)。  

β-NHE蛋白定位（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：腎上腺素刺激后β-NHE蛋白從胞質(zhì)轉(zhuǎn)位至紅細(xì)胞膜邊緣帶。  

 

意義：揭示β-NHE激活的細(xì)胞機(jī)制，支持其功能與膜定位相關(guān)。  

紅細(xì)胞參數(shù)  

數(shù)據(jù)：ISO處理組紅細(xì)胞腫脹（提示β-NHE激活），CA添加無影響。  

 

意義：佐證開放系統(tǒng)中paCA不影響β-NHE活性。  

 

五、丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

檢測(cè)目標(biāo)：  

實(shí)時(shí)PO?監(jiān)測(cè)：在封閉系統(tǒng)中追蹤藥物處理后的氧分壓變化（圖3）。  

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義：  

精準(zhǔn)量化β-NHE"短路"效應(yīng)：  

 

CA注入后PO?上升31.7±7.2 mmHg（P<0.003），直接反映Hb-O?結(jié)合能力下降（因H?內(nèi)流增加）。  

 

意義：為"paCA在封閉系統(tǒng)破壞β-NHE保護(hù)"提供直接證據(jù)。  

區(qū)分酸中毒類型：  

 

對(duì)比HCl（代謝性）與CO?飽和鹽水（呼吸性）誘導(dǎo)的酸中毒，PO?變化趨勢(shì)一致但幅度不同（圖3C）。  

 

 

意義：驗(yàn)證不同酸中毒機(jī)制均依賴paCA介導(dǎo)的Jacobs-Stewart循環(huán)加速。  

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：  

 

高時(shí)空分辨率：每秒記錄PO?，捕捉瞬時(shí)變化（如CA注入后數(shù)秒內(nèi)PO?上升）。  

 

微環(huán)境模擬：封閉腔室（Micro Respiration Chamber）精準(zhǔn)模擬毛細(xì)血管的擴(kuò)散限制。  

 

意義：克服傳統(tǒng)分光光度法在封閉系統(tǒng)中的氣體擴(kuò)散限制，提供動(dòng)態(tài)生理響應(yīng)數(shù)據(jù)。  

 

六、結(jié)論

推翻傳統(tǒng)假說：鰓部作為開放系統(tǒng)，paCA不會(huì)干擾β-NHE對(duì)紅細(xì)胞pH?和Hb-O?結(jié)合的保護(hù)。  

 

微環(huán)境決定機(jī)制：  

 

毛細(xì)血管（封閉系統(tǒng)）中，paCA加速CO?/H?循環(huán)，導(dǎo)致β-NHE"短路"。  

 

鰓部（開放系統(tǒng)）中，paCA生成的CO?可擴(kuò)散至水，避免H?內(nèi)流。  

進(jìn)化新視角：硬骨魚鰓部paCA缺失可能非為保護(hù)β-NHE，需探索其他選擇壓力（如CO?排泄效率優(yōu)化）。