Merkir størri súrevnisnýtsla meira ATP? Lærdómur úr kanningum av metylenbláum

Ein avbyrgd mitokondria er í einum kamari við brennievni, men ongum ADP. Hon brúkar súrevni spakuliga. Verður ADP lagt afturat, økist súrevnisnýtslan fleiri ferðir. Tá ið ADP er uppi, fellur súrevnisnýtslan aftur. Brennievnið broyttist ongantíð. Tað gjørdi bert tørvurin á ATP.

Henda lítla hendingarrøðin rúmar øllum tí muninum, sum henda greinin snýr seg um. Súrevnisnýtsla mátar, hvussu skjótt ravindir fara gjøgnum andadráttarketuna til súrevni. ATP-framleiðsla mátar, hvussu nógv av hesum flutningi verður bundið sum nýtilig orka. Bæði hava eitt felags millumstig: protongradientin tvørtur um innaru mitokondriuhinnuna. Alt, sum broytir, hvussu tætt gradienturin er koplaður at ATP-myndanini, kann flyta tey bæði endamálini í ymiskar ættir. Metylenblátt er lærdómsríkt í hesum sambandi, tí tað hevur víst seg at gera bæði: økja súrevnisnýtsluna saman við ATP í summum royndarsýnum og økja súrevnisnýtsluna, meðan ATP er óbroytt ella fellur í øðrum.

Lesarar, sum fyrst vilja hava breiðara yvirlitið yvir ravindaflutningin, kunnu byrja við, hvussu metylenblátt flytur ravindir gjøgnum andadráttarketuna. Lesarar, sum vilja kenna hugtøkini í teimum fyrstu súrevnisroyndunum, kunnu lesa um, hvat fyrstu andadráttarmátingarnar í veruleikanum vístu.

Andadráttur, ATP og gradienturin teirra millum

Ravindir frá NADH og FADH2 koma inn í ketuna við kompleks I og II, fara gjøgnum kompleks III til cytokrom c og síðan gjøgnum kompleks IV til súrevni. Orkan, sum verður latin leys við kompleks I, III og IV, pumpar protonir úr matriksinum út í rúmið millum hinnurnar. Hesin skilnaðurin í løðing og súrleika er protondrívkraftin, og elektriski parturin av henni, hinnupotentialið, er vanliga tann ráðandi parturin.

ATP-syntasa letur protonir renna aftur inn í matriksið og nýtir leysgivnu orkuna til at sameina ADP og fosfat til ATP. Ketan er sostatt:

súrevnisnýtsla, síðan protonpumpa, síðan gradientur, síðan ATP-myndan.

Trupulleikin er, at protonir kunnu fara aftur aðrar leiðir. Allur afturflutningur, sum fer uttan um ATP-syntasu, er protonleki. Leki noyðir ketuna at pumpa somu protonirnar aftur fyri at halda hinnupotentialinum støðugum. Tað brúkar meira súrevni uttan at framleiða meira ATP. Er lekin nóg sterkur, er talan um avkopling: súrevnisnýtslan økist, meðan ATP er óbroytt ella minkar, og orkan, sum fer til spillis, verður latin frá sum hiti.

Støða 3, støða 4 og andadráttarstýrilutfallið

Klassisku hugtøkini á hesum øki stava frá avbyrgdum mitokondrium. Støða 3 er andadráttur, tá ið bæði substrat og ADP eru til staðar: ATP-syntasa troyttir gradientin, hinnupotentialið lækkar, ketan ferðast skjótari fyri at byggja tað upp aftur, og súrevnisnýtslan er stór, tí ATP verður framleitt. Støða 4 er andadráttur, eftir at ADP er uppi: ATP-syntasa er óvirkin, gradienturin økist, høga hinnupotentialið mótvirkar víðari pumping, og súrevnisnýtslan fellur niður á tað støðið, sum krevst fyri at viga upp ímóti leka.

Andadráttarstýrilutfallið, støða 3 býtt við støðu 4, vísir tí, hvussu tætt royndarsýnið er koplað. Eitt høgt lutfall merkir, at ADP stýrir andadráttinum í stóran mun. Eitt fallandi lutfall saman við vaksandi støðu 4 merkir, at leki tekur yvir. Hetta er sjónarhornið, sum ger úrslitini við metylenbláum niðanfyri skiljandi.

Ein hugsanarháttur er verdur at varðveita. Høgt hinnupotential seinkar ketuni. Tá ið potentialið verður minkað, fer ketan skjótari. Ketan reagerar upp á, hvussu torført tað er vorðið at pumpa, ikki beinleiðis upp á, um ATP verður framleitt.

Tá ið endamálini fylgjast

Tað greiðasta dømið um kopling kemur frá avbyrgdum mitokondrium úr heila hjá marsvínum við blokeraðum andadráttarkompleksum. Við 100 nanomolar til 1 micromolar av metylenbláum øktist súrevnisnýtslan í hvíld við glutamati saman við malati, succinati ella glycerofosfati sum brennievni, meðan andadrátturin, sum ADP stimbraði, var óbroyttur. Í mitokondrium við eiturávirkaðum kompleks I ella kompleks III økti litievnið ATP-framleiðsluna eitt sindur, endurreisti hinnupotentialið og bøtti um kalsiumupptøkuna. Leiðin, sum varð skotin upp, er ein stytting: litievnið tekur ímóti ravindum undan blokeringini og letur tær til cytokrom c, so tað skadda kompleksi verður lopið um.

Eitt annað dømi um kopling nýtir eina heilt aðra ATP-keldu. Í avbyrgdum heilamitokondrium við tarnaðari ATP-syntasu stimbraði metylenblátt framvegis andadráttin við øllum substratum, sum vórðu roynd. Men ATP-myndanin øktist bert við alfa-ketoglutarati og glutamati, teimum báðum substratunum, sum mynda succinyl CoA. Tá ið oligomycin blokeraði ATP-syntasu, kom eyka ATP frá fosforylering á substratstigi við succinyl CoA-ligasu í sitrónsýruringrásini, ikki frá oxidativari fosforylering. Litievnið endurreisti eisini hinnupotentialið, tá ið kompleks I og ATP-syntasa vórðu tarnað samstundis. Her øktust súrevnisnýtsla og ATP saman, men bert har substratið loyvdi hini ATP-leiðini. Við succinati ella malati øktist andadrátturin uttan eyka ATP. Sama litievni, sama kamar, annað brennievni, annað svar.

Tá ið endamálini fara hvør sína leið

Dømini, har endamálini fara hvør sína leið, eru eins væl útgivin og eins lærdómsrík. Í einari kanning frá 1997 av avbyrgdum mitokondrium úr rottulivur økti metylenblátt andadráttin í støðu 4 í tætt koplaðum mitokondrium, sum nýttu succinat til andadrátt. Hetta fekk andadráttarstýrilutfallið at falla. Ávirkanin sást frá 0.5 micromolar og var sterk við 5 micromolar, einum konsentratiónsstigi nær plasmanøgdunum eftir eina bolusinnspræning í æðr av 100 milligram. Við 5 micromolar bólgnaðu mitokondriurnar eisini, hóast koplingarbrekið fyrst kom fram við lægri konsentratiónum. Tað bendir á, at lekin kom undan bygnaðarskaðanum heldur enn av honum. Í avkoplaðum mitokondrium stimbraði litievnið andadráttin á ein konsentratiónsháðan hátt, sum kundi mettast. Súrevnisnýtslan øktist í báðum royndarsýnunum. ATP-myndanin fyri hvørt brúkt súrevni gjørdi tað ikki. Hetta er eitt skúladømi um avkopling saman við ravindaflutningi í somu sameind.

Tann mest eyðsýndi skilnaðurin kemur frá nethinnuni. Í músum við AIF-troti og ljósnæmum kyknum, sum vóru viðgjørdar við rotenone, varðveitti metylenblátt tjúgdina á nethinnuni, markørar fyri ljósnæmar kyknur og mitokondriubygnaðin. Tað lækkaði eisini lutfallið millum NADH og NAD og dempaði strongdarleiðir, millum annað svarið upp á ófoldað protein og mitofagi. Hetta hendi uttan at rætta ATP-trotið. Vernd uttan endurreista orku merkir, at ágóðin kom gjøgnum redoxjavnvág og varðveitslu av mitokondriunum, ikki gjøgnum eyka ATP. Tann, sum setur javnaðarmerki millum, at vevnaðurin yvirlivir, og at orkuframleiðslan er endurreist, hevði mistulkað hesa royndina fullkomiliga.

Arbeiðið við heilamitokondrium leggur ein kostnað afturat somu meting. Somu lágu konsentratiónirnar, sum bøttu um bioenergetikkin, øktu eisini framleiðsluna av hydrogenperoxidi undir øllum royndum umstøðum og seinkaðu burturbeiningini av tí. Hetta varð mátað við einari kalibreraðari Amplex-greining heldur enn einum óserskildum litievni. Meira ATP og meira oxidant komu saman.

Ein verkligur eftirlitslisti til lesing

Fýra spurningar skilja eitt koplað úrslit frá einum avkoplaðum.

Fyrst: hvat endamál varð í veruleikanum mátað? Súrevnisnýtsla einsamøll kann ikki siga nakað um ATP. ATP-myndan, hinnupotential og andadráttarstýrilutfall leggja hvørt sítt afturat, sum súrevniselektrodan ikki kann síggja. Vegleiðingin í at lesa uppáhald úr gransking um metylenblátt fer nágreiniliga gjøgnum henda aga í valinum av endamálum.

Annað: hvat substrat fingu mitokondriurnar? Úrslitið við succinyl CoA vísir, at valið av brennievni kann gera av, um eyka andadráttur yvirhøvur kann verða til eyka ATP.

Triðja: hvør konsentratión varð nýtt? Metylenblátt í konsentratiónum frá nanomolar til lágt micromolar í heilamitokondrium gav hóvligar bioenergetiskar betringar við einum kostnaði í oxidantum; hálvt micromolar og meira í livurmitokondrium viknaði koplingina; 5 micromolar gav eisini bólgning. Konsentratiónin er partur av mekanismuni, ikki ein hjáupplýsing.

Fjórða: í hvørjum modelli kom úrslitið fram? Avbyrgdar mitokondriur avdúka sambandini, men heilar kyknur og vevnaður leggja flutning, reduktión til litleysa formið og kapping um at taka ímóti ravindum afturat. Arbeiði við skamtan í starvsstovu, millum annað hvussu konsentratión og royndarmannagongd ávirka virknaðin av metylenbláum, er brúgvin millum tøl úr royndarkamarinum og eitt og hvørt uppáhald um ein persón.

Súrevnisnýtsla vísir ravindaflutning. ATP vísir, hvussu nógv av hesum flutningi varð bundið. Metylenblátt kann broyta annaðhvørt, og royndirnar omanfyri vísa allar fýra samansetingarnar, sum fylgja: bæði økjast, andadrátturin økist bert har substratið loyvir tí, andadrátturin økist meðan koplingin viknar, og vevnaðurin verður varðveittur meðan ATP er óbroytt. Talið á súrevniselektroduni er byrjanin á tulkingini, ikki endin á henni.