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线粒体是存在于真核细胞中的关键细胞器它在细胞能量代谢、细胞衰老与凋亡、细胞分化和疾病发展中扮演重要角色。
在研究线粒体的过程中一系列工具化合物发挥了重要的作用例如可对线粒体进行成像分析的荧光染料、阻断线粒体氧化磷酸化和能量代谢的抑制剂以及诱导线粒体分裂或者自噬的诱导剂等。
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线粒代谢机制[1]
线粒体特异的荧光染料荧光染料是线粒体成像的重要工具用于实时监测线粒体状态和代谢活动。
JC-1AbMoleM9724是一种亲脂性阳离子荧光染料常用于分析细胞线粒体中的膜电位MMPΔΨ变化。
线粒体膜电位是由电子传递链将质子从线粒体基质泵至膜间隙产生的跨膜电势差。
线粒体膜电位可反映线粒体功能的异常例如线粒体起始的早期凋亡常伴随着膜电位的去极化膜电位降低因此JC-1AbMoleM10454也可以用于分析细胞凋亡状态[2]。
当ΔΨ位于高电位状态时JC-1在线粒体基质内形成聚集体J-aggregates发射红色荧光峰值约590 nm反之当膜电位降低时JC-1以单体形式存在发射绿色荧光峰值约527nm。
可通过荧光显微镜、激光扫描共聚焦显微镜等技术手段进行观测或通过流式细胞术量化分析红绿荧光强度比值检测线粒体膜电位的变化。
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线粒体膜电位的产生机制和工作原理[3]TMRE四甲基罗丹明乙酯AbMoleM9743是另一种线粒体膜电位探针其设计原理为TMRETetramethylrhodamine ethyl ester perchlorate CAS No.
可发射橙红色荧光通常在激发光下可视其荧光强度与线粒体膜电位成正比。
去极化或不活跃的线粒体无法有效积累TMRE导致荧光信号消失或减弱从而直观反映线粒体膜电位变化和功能状态如能量代谢和ATP生成能力。
MitoSOX RedMitochondrial Superoxide IndicatorM19992是一种特异性检测线粒体超氧化物的荧光探针MitoSOX RedCAS No.
可选择性地积累在线粒体基质中该探针被线粒体超氧化物例如超氧阴离子氧化后会发出红色荧光激发/发射波长约为510/580 nm荧光强度与超氧化物水平成正比。
Rhodamine 123罗丹明123AbMoleM11522也是一种线粒体染料。
罗丹明123CAS No.
广泛用于标记活细胞中的线粒体可视化其分布、数量和动态变化如线粒体伸长、嵴结构[4]。
MitoTracker Deep Red FMM45078是一种支持染色后固定的线粒体荧光探针其染色原理是基于自身携带的氯甲基和线粒体内蛋白的巯基反应并共价连接因此后续固定操作不会完全消除该探针的荧光仅会导致荧光强度减弱。
范例详解JC-1AbMoleM9724探针用于染色髓核细胞线粒体并检测细胞内线粒体膜电位的变化。
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来自AbMole客户发表文献Bioact Mater. 2024 Mar 15;37:51-
71.
线粒体电子传递链和能量代谢抑制剂电子传递链抑制剂ETC inhibitors可以靶向线粒体呼吸链复合物抑制电子传递过程从而影响ATP生产实验中常用的解偶联剂也属于此类化合物。
Rotenone鱼藤酮AbMoleM6209是一种高亲和力的线粒体复合物I抑制剂可特异地阻断电子从NADH向泛醌的转移造成电子传递链中断。
这导致ATP生成减少、能量代谢受损以及线粒体功能紊乱[5]。
RotenoneCAS No.
还能诱导活性氧ROS生成和氧化应激并导致细胞凋亡。
Rotenone鱼藤酮在神经系统的研究中是一种常用的造模剂例如Rotenone能促进α-synuclein的磷酸化和聚集在大鼠体内诱导产生类似于帕金森病PD的病理特征[6]。
此外Rotenone还可以选择性损伤大鼠和小鼠的黑质substantia nigra和纹状体striatum中的多巴胺能神经元[6]以及激活神经炎症[7]。
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线粒体嵴和位于嵴上的氧化磷酸化和电子传递链示意图[8]FCCPCarbonyl cyanide-4-(trifluoromethoxy) phenylhydrazoneAbMoleM9051是一种经典的线粒体氧化磷酸化解偶联剂它通过破坏线粒体内膜质子梯度抑制ATP合成同时显著增强耗氧量。
FCCPCAS:
的作用机理是直接穿透线粒体内膜并转运质子H⁺以消除电化学梯度导致电子传递链ETC持续运转但无法生成ATP[9]。
研究显示FCCP可诱导线粒体膜电位ΔΨm去极化并触发钙离子Ca²外流[10]。
在细胞模型中FCCP被广泛用于研究能量代谢与细胞行为的关系。
UK-5099PF-1005023AbMoleM7455是一种线粒体丙酮酸载体MPC抑制剂通过阻断丙酮酸进入线粒体并抑制细胞有氧代谢从而影响细胞的能量代谢途径。
UK-5099CAS
具有抑制肿瘤生长的能力在非小细胞肺癌NSCLC和乳腺癌等多种模型中均有活性。
UK-5099在乳腺癌细胞4T1中以10 μM浓度处理24小时后显著降低细胞的氧消耗率OCR和细胞外酸化率ECAR并诱导培养基pH下降证实其对丙酮酸代谢的干扰[11]。
Metformin二甲双胍1,1-DimethylbiguanideAbMoleM3244是一种具有多种活性的小分子化合物可以直接作用于线粒体抑制复合物Imitochondrial complex I和线粒体甘油磷酸脱氢酶mitochondrial glycerophosphate dehydrogenase导致氧化磷酸化受阻。
上述反应还能引发代谢应激metabolic stress降低ATP生产进一步激活AMPK[12]。
MetforminCAS:
还能调控细胞自噬、 影响肠道微生物以及用于动物心血管和肥胖模型的研究[13]。
范例详解FCCPAbMoleM9051用于阻断棕色脂肪细胞的线粒体电子传递链以评估线粒体能量合成在棕色脂肪细胞白化过程中的作用。
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来自AbMole客户发表文献Cell Rep. 2025 May 27;44(
:
AbMole的Rotenone鱼藤酮AbMoleM6209通过破会大鼠神经元细胞中的线粒体诱导大鼠帕金森疾病模型。
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来自AbMole客户发表文献Front Microbiol. 2024 Feb 21;15:
1358525.
线粒体自噬、线粒体分裂与融合调节剂线粒体自噬Mitophagy是一种选择性清除受损或多余线粒体的自噬过程细胞通过该机制实现线粒体质量控制。
线粒体自噬可分为以下2种第一种是由PINK1/Parkin通路介导在线粒体膜电位丧失时可招募Parkin蛋白介导泛素化启动线粒体降解程序。
第二种是由受体介导FUNDC
AMBRA1等受体直接结合LC3蛋白启动自噬。
线粒体分裂Mitochondrial Fission与融合是指线粒体通过分裂产生新的线粒体或通过膜融合形成互联网络促进内容物交换和功能互补分别由Drp1和Mfn1/Mfn2或Opa1介导。
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线粒体的分裂与融合示意图[14]Mdivi-1AbMoleM2830是Drp1的抑制剂。
通过限制Drp1的GTP酶活性从而阻断线粒体分裂[15]。
在机制上Mdivi-1Mitochondrial division inhibitor 1可降低Drp1的磷酸化水平如Ser616位点以及减少Drp1向线粒体的转位[16]。
Mdivi-1(CAS:
-
还能改善线粒体功能与氧化应激能维持线粒体膜电位MMP、减轻细胞内Ca²⁺超载防止线粒体通透性转换孔mPTP开放[17]。
MFI8AbMoleM56716是一种线粒体融合抑制剂可通过抑制融合蛋白Mfn1的功能干扰线粒体动态平衡。
MFI8 (
可用于模拟线粒体功能障碍相关的PD帕金森动物模型[18]。
P62-mediated mitophagy inducerPMIAbMoleM54772是一种线粒体自噬的激动剂可激活线粒体自噬并且不需要募集Parkin在缺乏 PINK1/Parkin 通路的细胞中仍然能激活线粒体自噬。
P62-mediated mitophagy inducer (CAS No.
可以通过激活NRF2通路进而诱导线粒体自噬[19]。
范例详解Mdivi-1Mitochondrial division inhibitor-1AbMoelM2830有效抑制了网膜色素上皮RPE细胞的线粒体分裂。
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来自AbMole客户发表文献Phytomedicine. 2024 Dec;135:
156088.
线粒体起始的细胞凋亡及其调节剂线粒体起始的凋亡途径是细胞凋亡的常见类型之一线粒体凋亡受Bcl-2家族蛋白如促凋亡蛋白Bax与抗凋亡蛋白Bcl-2的比值调控。
Bax上调可促进细胞色素ccytochrome c从线粒体释放至胞质细胞色素c与Apaf-1结合形成凋亡体激活caspase-9和caspase-3最终导致细胞凋亡。
Ciprofloxacin环丙沙星AbMoleM4903是一种拓扑异构酶IV抑制剂能诱导线粒体 DNA 和核 DNA 损伤并导致线粒体功能障碍和活性氧产生。
CiprofloxacinBay 09867CAS:
还可上调促凋亡蛋白Bax下调抗凋亡蛋白Bcl-2进一步促进线粒体通透性转换孔mPT开放导致凋亡小体形成和执行性caspases激活[20]。
IMT1AbMoleM11519是一种线粒体RNA聚合酶POLRMT抑制剂IMT1能通过特异性靶向POLRMT抑制其转录活性从而阻断线粒体DNAmtDNA的转录过程。
IMT1(CAS No.
还能显著降低线粒体呼吸链复合物的活性如mt-CO2蛋白水平减少和线粒体耗氧率。
并诱导线粒体凋亡级联反应[21]。
线粒体相关的抗氧化剂线粒体是细胞内ROS的主要产生部位尤其是电子传递链ETC在能量代谢过程中通过不完全氧还原生成超氧阴离子O₂⁻和过氧化氢H₂O₂。
低浓度线粒体活性氧mROS是重要的信号分子参与调节代谢、免疫应答、自噬和细胞分化等过程[22]。
过量mROS导致氧化应激破坏蛋白质、脂质和DNA引发线粒体功能障碍、能量衰竭和细胞死亡如凋亡、铁死亡和焦亡[23]。
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线粒体中的ROS产生示意图[24]传统的抗氧化剂难以靶向作用于线粒体Mito-TEMPOAbMoleM10919的结构中含有TPP三苯基膦TPP具有线粒体靶向结构首先TPP的亲脂性使其能够穿透生物膜其次TPP的正电荷可通过线粒体膜电位ΔΨm滞留在线粒体基质中[25]。
另外Mito-TEMPOCAS:
结构中的TEMPO2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基具有超氧化物歧化酶SOD模拟活性可以分解超氧阴离子在内的多种ROS。
研究表明Mito-TEMPO处理细胞后可显著降低mtROS水平改善线粒体膜电位(MMP)去极化状态并恢复线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)功能[26]。
MitoquinoneMitoQ米托蒽醌AbMoleM9068也是一种线粒体靶向的抗氧化剂它由TPP与泛醌辅酶Q10两个部分组成可特异性富集于线粒体基质中直接中和线粒体活性氧mtROS从而调控氧化应激与相应的细胞功能。
MitoquinoneMitoQCAS:
作用机制主要包括1通过氧化还原循环MitoQ/MitoQH2清除超氧化物和过氧化氢减轻脂质过氧化[27]2激活Nrf2/ARE通路上调血红素加氧酶-1HO-1等抗氧化酶表达[28]3调控线粒体自噬mitophagy促进PINK1/Parkin通路介导的受损线粒体清除[29]4抑制凋亡相关蛋白如Bax、Cleaved Caspase-3并增强抗凋亡因子如Bcl-xl表达[29]。
范例详解MitoquinoneMitoQAbMoleM9068作为线粒体ROS清除剂在实验中用于验证线粒体ROS对炎症反应的驱动作用。
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来自AbMole客户发表文献Redox Biol. 2021 Feb;39:
Mito-TEMPOAbMoleM10919处理L8824细胞后成功抑制了ROS的生成恢复线粒体膜电位抑制了炎症小体激活及下游炎症因子的表达从而减轻焦亡炎症反应。
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来自AbMole客户发表文献Pesticide Biochemistry and Physiology. 2024 Apr
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