የኦክስጅን ፍጆታ መጨመር የበለጠ ATP ማለት ነው? ከሜቲሊን ብሉ ጥናቶች የተገኙ ትምህርቶች

አንድ ተነጥሎ የተወሰደ ማይቶኮንድሪዮን ነዳጅ ባለበት፣ ነገር ግን ADP በሌለበት ክፍል ውስጥ ይገኛል። ኦክስጅንን በዝግታ ይጠቀማል። ADP ሲጨመር የኦክስጅን ፍጆታው በብዙ እጥፍ ይጨምራል። ADPው እስኪያልቅ ድረስ ሲጠበቅ፣ የኦክስጅን ፍጆታው ወደ ቀድሞው ይወርዳል። ነዳጁ አልተለወጠም። የተለወጠው የATP ፍላጎት ብቻ ነው።

ይህ አጭር ቅደም ተከተል ይህ ጽሑፍ የሚያብራራውን ልዩነት በሙሉ ይዟል። የኦክስጅን ፍጆታ ኤሌክትሮኖች በመተንፈሻ ሰንሰለቱ ውስጥ ወደ ኦክስጅን በምን ፍጥነት እንደሚፈስሱ ይለካል። የATP ምርት ደግሞ ከዚያ ፍሰት ምን ያህሉ ለአገልግሎት በሚውል ኃይል መልክ እንደሚያዝ ይለካል። ሁለቱን የሚያገናኝ መካከለኛ ደረጃ አለ፤ ይህም በማይቶኮንድሪያ ውስጠኛ ሽፋን ሁለት ጎኖች መካከል ያለው የፕሮቶን ግራዲየንት ነው። ይህ ግራዲየንት ከATP ውህደት ጋር ምን ያህል በጥብቅ እንደተሳሰረ የሚለውን የሚቀይር ማንኛውም ነገር፣ ሁለቱን የመጨረሻ መለኪያዎች በተለያዩ አቅጣጫዎች ሊያንቀሳቅስ ይችላል። ሜቲሊን ብሉ ይህን ለመረዳት ጠቃሚ ምሳሌ ነው፤ ምክንያቱም ሁለቱንም ሲያደርግ ታይቷል፦ በአንዳንድ የሙከራ ዝግጅቶች የኦክስጅን አጠቃቀምን ከATP ጋር አብሮ ሲያሳድግ፣ በሌሎች ደግሞ ATP ሳይለወጥ ወይም እየቀነሰ ሳለ የኦክስጅን አጠቃቀምን ሲያሳድግ።

መጀመሪያ የሰፋውን የኤሌክትሮን ቅብብል ሥዕል ማየት የሚፈልጉ አንባቢዎች፣ ሜቲሊን ብሉ ኤሌክትሮኖችን በመተንፈሻ ሰንሰለቱ ውስጥ እንዴት እንደሚያጓጉዝ በሚያብራራው ጽሑፍ ሊጀምሩ ይችላሉ። የቀደሙትን የኦክስጅን ሙከራዎች ቃላት ማወቅ የሚፈልጉ አንባቢዎች ደግሞ፣ የመጀመሪያዎቹ የሴል መተንፈስ መለኪያዎች በእርግጥ ምን እንዳሳዩ ሊያነቡ ይችላሉ።

የሴል መተንፈስ፣ ATP እና በመካከላቸው ያለው ግራዲየንት

ከNADH እና FADH2 የሚመጡ ኤሌክትሮኖች በኮምፕሌክስ I እና II በኩል ወደ ሰንሰለቱ ይገባሉ፤ በኮምፕሌክስ III በኩል ወደ ሳይቶክሮም c፣ ከዚያም በኮምፕሌክስ IV በኩል ወደ ኦክስጅን ያልፋሉ። በኮምፕሌክስ I፣ III እና IV የሚለቀቀው ኃይል ፕሮቶኖችን ከማትሪክሱ አውጥቶ ወደ ሽፋኖቹ መካከል ያለው ክፍተት ይገፋል። ይህ የኤሌክትሪክ ክፍያና የአሲዳማነት መለያየት የፕሮቶን አንቀሳቃሽ ኃይል ነው፤ የኤሌክትሪክ ክፍሉ የሆነው የሽፋን ፖቴንሻልም ብዙውን ጊዜ ዋነኛው ክፍል ነው።

ATP ሲንቴዝ ፕሮቶኖች ወደ ማትሪክሱ ተመልሰው እንዲፈስሱ ያስችላል፤ የሚለቀቀውንም ኃይል በመጠቀም ADP እና ፎስፌትን አጣምሮ ATP ይፈጥራል። ስለዚህ ሰንሰለቱ እንዲህ ነው፦

የኦክስጅን ፍጆታ፣ ከዚያ የፕሮቶን መገፋት፣ ከዚያ ግራዲየንት፣ ከዚያ የATP ውህደት።

ነገር ግን ፕሮቶኖች በሌሎች መንገዶችም ሊመለሱ ይችላሉ። ATP ሲንቴዝን ያለፈ ማንኛውም መመለስ የፕሮቶን መፍሰስ ነው። ይህ መፍሰስ የሽፋን ፖቴንሻሉን በተረጋጋ ደረጃ ለማቆየት፣ ሰንሰለቱ እነዚያኑ ፕሮቶኖች እንደገና እንዲገፋ ያስገድደዋል። ይህም ተጨማሪ ATP ሳይፈጥር ተጨማሪ ኦክስጅን ይጠቀማል። በቂ ጥንካሬ ያለው መፍሰስ የሂደቶቹን ትስስር መፍታት ያስከትላል፦ የኦክስጅን አጠቃቀም ይጨምራል፣ ATP ግን ሳይለወጥ ይቀራል ወይም ይቀንሳል፤ የባከነውም ኃይል በሙቀት መልክ ይወጣል።

ሁኔታ 3፣ ሁኔታ 4 እና የመተንፈስ ቁጥጥር ጥምርታ

ለዚህ የሚጠቀሙት ባህላዊ የሳይንስ ቃላት ከተነጠሉ ማይቶኮንድሪያዎች ጥናት የመጡ ናቸው። ሁኔታ 3 ማለት ሰብስትሬት እና ADP ባሉበት የሚካሄድ የሴል መተንፈስ ነው፦ ATP ሲንቴዝ ግራዲየንቱን ያሳንሳል፣ የሽፋን ፖቴንሻሉ ይቀንሳል፣ ሰንሰለቱም መልሶ ለመገንባት ይፈጥናል። ATP እየተሠራ ስለሆነ የኦክስጅን አጠቃቀም ከፍተኛ ይሆናል። ሁኔታ 4 ማለት ADP ካለቀ በኋላ የሚካሄድ የሴል መተንፈስ ነው፦ ATP ሲንቴዝ ሥራ ፈት ይሆናል፣ ግራዲየንቱ ይጨምራል፣ ከፍተኛው የሽፋን ፖቴንሻል ተጨማሪ የፕሮቶን መገፋትን ይቃወማል፤ የኦክስጅን አጠቃቀምም መፍሰሱን ለማካካስ ብቻ ወደሚያስፈልገው ደረጃ ይወርዳል።

ስለዚህ የመተንፈስ ቁጥጥር ጥምርታ፣ ማለትም ሁኔታ 3 ለሁኔታ 4 ሲካፈል የሚገኘው ውጤት፣ በሙከራ ዝግጅቱ ውስጥ ሂደቶቹ ምን ያህል በጥብቅ እንደተሳሰሩ ያሳያል። ከፍተኛ ጥምርታ ADP የሴል መተንፈስን በጠንካራ ሁኔታ እንደሚቆጣጠር ያመለክታል። ሁኔታ 4 እየጨመረ ሳለ ጥምርታው መቀነሱ፣ መፍሰስ ዋነኛው ተጽዕኖ እየሆነ መምጣቱን ያሳያል። ከታች የቀረቡት የሜቲሊን ብሉ ውጤቶች ትርጉም የሚሰጡት በዚህ አተያይ ሲመለከቱ ነው።

አንድ የአስተሳሰብ ሞዴል ማስታወስ ጠቃሚ ነው። ከፍተኛ የሽፋን ፖቴንሻል ሰንሰለቱን ያዘገየዋል። ፖቴንሻሉን ማሳነስ ያፋጥነዋል። ሰንሰለቱ ምላሽ የሚሰጠው ፕሮቶኖችን መግፋት ምን ያህል አስቸጋሪ እንደሆነ ነው፤ ATP እየተሠራ መሆኑን በቀጥታ ተከትሎ አይደለም።

የመጨረሻ መለኪያዎቹ አብረው ሲለወጡ

የተሳሰሩ ሂደቶችን በግልጽ የሚያሳየው ምሳሌ፣ የመተንፈሻ ኮምፕሌክሶቻቸው ከታገዱ የጊኒ አሳማ አንጎል ተነጥለው ከተወሰዱ ማይቶኮንድሪያዎች የተገኘ ነው። ከ100 nanomolar እስከ 1 micromolar ሜቲሊን ብሉ ሲጠቀሙ፣ ግሉታሜት ከማሌት ጋር፣ ሱክሲኔት ወይም ግሊሰሮፎስፌት እንደ ነዳጅ በተጠቀሙባቸው ሁኔታዎች የእረፍት የኦክስጅን ፍጆታ ጨመረ፤ በADP የተነቃቃው የሴል መተንፈስ ግን አልተለወጠም። በኮምፕሌክስ I ወይም በኮምፕሌክስ III ላይ በመርዝ በተገታ ማይቶኮንድሪያ ውስጥ፣ ቀለሙ የATP ምርትን በመጠኑ ጨመረ፣ የሽፋን ፖቴንሻልን መለሰ፣ የካልሲየም ወደ ውስጥ መውሰድንም አሻሻለ። የተጠቆመው መንገድ አቋራጭ ነው፦ ቀለሙ ከእገዳው በፊት ካለው የሰንሰለቱ ክፍል ኤሌክትሮኖችን ተቀብሎ ለሳይቶክሮም c ያስረክባል፤ በዚህም የተጎዳውን ኮምፕሌክስ ያልፋል።

ሁለተኛው የተሳሰረ ውጤት ፈጽሞ የተለየ የATP ምንጭ ይጠቀማል። ATP ሲንቴዝ በተገታባቸው፣ ከአንጎል ተነጥለው በተወሰዱ ማይቶኮንድሪያዎች ውስጥ፣ ሜቲሊን ብሉ በተፈተነ እያንዳንዱ ሰብስትሬት ላይ የሴል መተንፈስን ማነቃቃቱን ቀጠለ። የATP ውህደት ግን የጨመረው ሱክሲኒል CoA በሚፈጥሩት በሁለቱ ሰብስትሬቶች፣ በአልፋ ኬቶግሉታሬት እና በግሉታሜት ላይ ብቻ ነበር። ኦሊጎማይሲን ATP ሲንቴዝን ባገደበት ሁኔታ፣ ተጨማሪው ATP የመጣው በሲትሪክ አሲድ ዑደት ውስጥ ሱክሲኒል CoA ላይጌዝ ከሚያከናውነው በሰብስትሬት ደረጃ ፎስፎሪሌሽን እንጂ ከኦክሲዴቲቭ ፎስፎሪሌሽን አልነበረም። ኮምፕሌክስ I እና ATP ሲንቴዝ አብረው ሲገቱ፣ ቀለሙ የሽፋን ፖቴንሻልንም መለሰ። እዚህ የኦክስጅን አጠቃቀምና ATP አብረው ተለወጡ፤ ነገር ግን ይህ የሆነው ሰብስትሬቱ ሁለተኛውን የATP መንገድ በፈቀደበት ብቻ ነበር። በሱክሲኔት ወይም በማሌት ላይ፣ ተጨማሪ ATP ሳይኖር የሴል መተንፈስ ጨመረ። ተመሳሳይ ቀለም፣ ተመሳሳይ የሙከራ ክፍል፣ የተለየ ነዳጅ፣ የተለየ መልስ።

የመጨረሻ መለኪያዎቹ ሲለያዩ

መለኪያዎቹ የሚለያዩባቸው ውጤቶችም እንደዚሁ ታትመዋል፣ እንደዚሁም አስተማሪ ናቸው። በ1997 ከአይጥ ጉበት ተነጥለው በተወሰዱ ማይቶኮንድሪያዎች ላይ በተደረገ ጥናት፣ ሜቲሊን ብሉ ሱክሲኔትን በመጠቀም የሚተነፍሱና ሂደቶቻቸው በጥብቅ የተሳሰሩ ማይቶኮንድሪያዎች ውስጥ የሁኔታ 4 መተንፈስን አፋጠነ፤ ይህም የመተንፈስ ቁጥጥር ጥምርታን አሳነሰ። ተጽዕኖው ከ0.5 micromolar ጀምሮ ታይቷል፤ በ5 micromolar ላይም ጠንካራ ነበር። ይህ ክምችት 100 milligram በአንድ ጊዜ በደም ሥር ከተሰጠ በኋላ በፕላዝማ ውስጥ ከሚገኙት ደረጃዎች ጋር ቅርብ ነው። በ5 micromolar ላይ ማይቶኮንድሪያዎቹም አበጡ፤ ሆኖም የትስስር እክሉ መጀመሪያ በዝቅተኛ ክምችቶች ታይቶ ነበር። ይህም መፍሰሱ ከመዋቅር ጉዳቱ በፊት እንደመጣ እንጂ ከጉዳቱ እንዳልተነሳ ይደግፋል። ትስስራቸው በተፈታ ማይቶኮንድሪያዎች ውስጥ፣ ቀለሙ ከክምችት ጋር በሚለወጥና ወደ ሙሌት ገደብ በሚደርስ መንገድ የሴል መተንፈስን አነቃቃ። በሁለቱም የሙከራ ዝግጅቶች የኦክስጅን አጠቃቀም ጨመረ። በተጠቀሙት የኦክስጅን መጠን አንጻር የATP ውህደት ግን አልጨመረም። ይህ በአንድ ሞለኪውል ውስጥ የሚከሰት፣ በመማሪያ መጽሐፍ የሚገለጽ ዓይነት የትስስር መፍታት እና የኤሌክትሮን ማጓጓዝ ነው።

ከሁሉ ጎልቶ የሚታየው መለያየት ከሬቲና ጥናት ይመጣል። AIF በጎደላቸው አይጦች እና በሮቴኖን በተያዙ ብርሃን ተቀባይ ሴሎች ውስጥ፣ ሜቲሊን ብሉ የሬቲና ውፍረትን፣ የብርሃን ተቀባይ ሴሎችን ጠቋሚዎች እና የማይቶኮንድሪያ መዋቅርን ጠበቀ። እንዲሁም የNADH ለNAD ጥምርታን አሳነሰ፤ በትክክል ላልታጠፉ ፕሮቲኖች የሚሰጠውን ምላሽ እና ሚቶፋጂን ጨምሮ የጭንቀት ምላሽ መንገዶችን አረጋጋ። ይህን ያደረገው የATP እጥረቱን ሳያስተካክል ነበር። ኃይል ሳይመለስ ጥበቃ መኖሩ፣ ጥቅሙ የመጣው በሬዶክስ ሚዛንና በማይቶኮንድሪያ መዋቅራዊ ጤንነት በኩል እንጂ በተጨማሪ ATP በኩል እንዳልሆነ ያመለክታል። የሕብረ ሕዋሱን በሕይወት መቆየት ከኃይል ምርት መመለስ ጋር እኩል የሚያደርግ ማንኛውም ሰው ያንን ሙከራ ሙሉ በሙሉ በስህተት ይተረጉመዋል።

የአንጎል ማይቶኮንድሪያ ጥናት በዚሁ የውጤት ሚዛን ላይ የዋጋ ክፍል ይጨምራል። የባዮኤነርጄቲክስ ሂደቶችን ያሻሻሉት እነዚያው ዝቅተኛ ክምችቶች፣ በተፈተነ እያንዳንዱ ሁኔታ የሃይድሮጅን ፐሮክሳይድ መፈጠርንም ጨምረዋል፣ መወገዱንም አዘግይተዋል። ይህ የተለካው ልዩ ያልሆነ ቀለም በመጠቀም ሳይሆን፣ ካሊብሬሽን በተደረገለት የAmplex መለኪያ ሙከራ ነበር። የበለጠ ATP እና የበለጠ ኦክሲዳንት አብረው መጡ።

ጥናቶችን ለማንበብ ተግባራዊ የማረጋገጫ ዝርዝር

አራት ጥያቄዎች የተሳሰረ ውጤትን ትስስሩ ከተፈታ ውጤት ይለያሉ።

መጀመሪያ፣ በእርግጥ የተለካው የመጨረሻ መለኪያ የትኛው ነበር? የኦክስጅን ፍጆታ ብቻውን ATPን ሊያሳይ አይችልም። የATP ውህደት፣ የሽፋን ፖቴንሻል እና የመተንፈስ ቁጥጥር ጥምርታ እያንዳንዳቸው የኦክስጅን ኤሌክትሮዱ ሊያየው የማይችለውን አንድ መረጃ ይጨምራሉ። የሜቲሊን ብሉ የምርምር መግለጫዎችን ለማንበብ የተዘጋጀው መመሪያ፣ ይህን ለመጨረሻ መለኪያዎች የሚሰጥ ጥንቃቄ በዝርዝር ያብራራል።

ሁለተኛ፣ ማይቶኮንድሪያዎቹን የመገበው የትኛው ሰብስትሬት ነበር? የሱክሲኒል CoA ውጤት፣ የነዳጅ ምርጫ ተጨማሪ መተንፈስ ወደ ተጨማሪ ATP መቀየር ፈጽሞ ይችል እንደሆነ ሊወስን እንደሚችል ያሳያል።

ሦስተኛ፣ የተጠቀሙት ክምችት የትኛው ነበር? በአንጎል ማይቶኮንድሪያዎች ውስጥ ከnanomolar እስከ ዝቅተኛ micromolar ያለው ሜቲሊን ብሉ፣ ከኦክሲዳንት ጭማሪ ዋጋ ጋር መጠነኛ የባዮኤነርጄቲክስ መሻሻል አስገኝቷል፤ በጉበት ማይቶኮንድሪያዎች ውስጥ ግማሽ micromolar እና ከዚያ በላይ ትስስሩን አዳክሟል፤ 5 micromolar ደግሞ እብጠትን ጨምሯል። ክምችት የሥራ ዘዴው አካል ነው፣ የጀርባ ዝርዝር ብቻ አይደለም።

አራተኛ፣ ውጤቱ የተገኘው በየትኛው የሙከራ ሞዴል ነበር? ተነጥለው የተወሰዱ ማይቶኮንድሪያዎች የውስጥ ግንኙነቶቹን ያሳያሉ፤ ያልተበታተኑ ሴሎችና ሕብረ ሕዋሳት ግን ማጓጓዝን፣ በሪዳክሽን ወደ ቀለም አልባው መልክ መቀየርን እና ኤሌክትሮኖችን ለመቀበል የሚወዳደሩ ሌሎች መንገዶችን ይጨምራሉ። ክምችትና የሙከራ ሥነ ሥርዓት የሜቲሊን ብሉ ተጽዕኖዎችን እንዴት እንደሚቀርጹ የሚያብራራውን ጨምሮ፣ የላቦራቶሪ መጠን አወሳሰን ሥራ በሙከራ ክፍል ውስጥ በተገኙ ቁጥሮችና ስለ አንድ ሰው በሚቀርብ ማንኛውም መግለጫ መካከል ድልድይ ነው።

የኦክስጅን ፍጆታ የኤሌክትሮን ፍሰትን ያሳያል። ATP ከዚያ ፍሰት ምን ያህሉ እንደተያዘ ያሳያል። ሜቲሊን ብሉ ከሁለቱ ማንኛውንም ሊቀይር ይችላል፤ ከላይ ያሉትም ሙከራዎች የሚከተሉትን አራቱንም የውጤት ጥምረቶች ያሳያሉ፦ ሁለቱም ይጨምራሉ፣ የሴል መተንፈስ የሚጨምረው ሰብስትሬቱ በሚፈቅድበት ብቻ ነው፣ ትስስሩ እየቀነሰ ሳለ የሴል መተንፈስ ይጨምራል፣ እና ATP ሳይለወጥ ሳለ ሕብረ ሕዋሱ ይጠበቃል። በኦክስጅን ኤሌክትሮዱ ላይ ያለው ቁጥር የትርጓሜው መጀመሪያ ነው፣ መጨረሻው አይደለም።