મિથિલીન બ્લૂ અને માઇટોકોન્ડ્રિયા: ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન અને પુરાવા

બાજુબાજુ રાખેલા બે પ્રયોગાત્મક નમૂનાઓની કલ્પના કરો. બંનેમાં મગજના માઇટોકોન્ડ્રિયા છે, જેમને શ્વસન શૃંખલાના કોમ્પ્લેક્સ I ને અવરોધતા રસાયણ રોટેનોનથી વિષાક્ત કરવામાં આવ્યા છે. એકમાં પ્રયોગકર્તા પિપેટ વડે મિથિલીન બ્લૂની માઇક્રોમોલર માત્રા ઉમેરે છે. ઓક્સિજનનો વપરાશ આંશિક રીતે પુનઃસ્થાપિત થાય છે. પટલનો વિદ્યુત વિભવ આંશિક રીતે પાછો આવે છે. થોડું ATP સંશ્લેષણ ફરી શરૂ થાય છે. બાજુની ક્યુવેટમાં પેરોક્સાઇડ સેન્સર વાર્તાનો બીજો અડધો ભાગ બતાવે છે: ચકાસાયેલી દરેક માત્રાએ અને અજમાવેલા દરેક સબસ્ટ્રેટ સાથે હાઇડ્રોજન પેરોક્સાઇડનું ઉત્પાદન અનેકગણું વધી ગયું છે.

બંને માપન સાચાં છે. મિથિલીન બ્લૂ ઇલેક્ટ્રોનવાહક છે, જે શ્વસન શૃંખલાના નુકસાન પામેલા ભાગને બાજુ પર રાખીને પ્રવાહ ચાલુ રાખી શકે છે; પરંતુ આ જ વહન દરમિયાન પેરોક્સાઇડના રૂપમાં કિંમત પણ ચૂકવવી પડે છે. બંને તથ્યોને એકસાથે ધ્યાનમાં રાખો તો માઇટોકોન્ડ્રિયાના કાર્ય પર મિથિલીન બ્લૂ વિશેનું સંશોધન સાહિત્ય સમજાય છે. માત્ર એક તથ્ય ધ્યાનમાં રાખો તો તમે પહેલાં કયો સંશોધન લેખ ખોલ્યો તેના આધારે તે ચમત્કાર કે ખતરો લાગે છે.

ઇલેક્ટ્રોનનું વહન, સરળ શબ્દોમાં

શ્વસન શૃંખલા એક રિલે લાઇન છે. ઇલેક્ટ્રોન કોમ્પ્લેક્સ I માંથી (NADH માંથી) અથવા કોમ્પ્લેક્સ II અને સંબંધિત ફ્લેવિન ઉત્સેચકોમાંથી (સક્સિનેટ અને તેના જેવા દાતાઓમાંથી) પ્રવેશે છે, કોમ્પ્લેક્સ III મારફતે ગતિશીલ વાહક સાઇટોક્રોમ c સુધી જાય છે અને પછી કોમ્પ્લેક્સ IV મારફતે ઓક્સિજન સુધી પહોંચે છે. દરેક હસ્તાંતરણ આંતરિક પટલની આરપાર પ્રોટોનને પંપ કરે છે, અને પરિણામે બનતો ઢાળ ATP સંશ્લેષણને ચલાવે છે. કોઈ પણ મથક અવરોધો તો તેની પહેલાંનો પ્રવાહ અટકી જાય છે.

મિથિલીન બ્લૂ સમાંતર સંદેશવાહકની જેમ આ પ્રક્રિયામાં જોડાય છે. તેનું ઓક્સિડિત સ્વરૂપ શૃંખલામાં પહેલાં આવતા વાહકોમાંથી ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારે છે અને રંગવિહીન અપચયિત સ્વરૂપ, લ્યુકોમિથિલીન બ્લૂ, બને છે. આ સ્વરૂપ પછી ઇલેક્ટ્રોનને શૃંખલામાં આગળ સોંપે છે અને ફરી વાદળી બને છે. આ બે સ્વરૂપોનું વર્ણન રેડોક્સ યુગ્મની સમજણમાં છે, અને આ વ્યાપક રિલે વર્તન સામાન્ય ક્રિયાપદ્ધતિની સમજૂતીમાં સમાવાયેલું છે. હજી ખુલ્લો પ્રશ્ન એ છે કે આ સંદેશવાહક લાઇનમાં ફરી ક્યાં જોડાય છે: કોમ્પ્લેક્સ III ના ક્વિનોલ બંધન ખાંચામાં, જેને Qo સ્થળ કહે છે, કે સીધો સાઇટોક્રોમ c પર. કયો બહાર નીકળવાનો માર્ગ મુખ્ય બને છે તે પરિસ્થિતિઓ પર આધાર રાખે છે, જેમ કોમ્પ્લેક્સ III ને બાજુ પર રાખતા માર્ગનું વિશ્લેષણ વિગતે સમજાવે છે.

ઉંદરવર્ગનાં પ્રાણીઓ પરના ત્રણ અભ્યાસોએ ખરેખર શું માપ્યું

ત્રણેય અભ્યાસોમાં મગજમાંથી અલગ કરેલા માઇટોકોન્ડ્રિયાનો ઉપયોગ થયો હતો, એટલે કે કોષમાંથી કાઢીને નિર્ધારિત બફરમાં રાખેલા કોષાંગોનો. અખંડ કોષો નહીં, માત્રા આપેલાં પ્રાણીઓ નહીં, માનવ સહભાગીઓ નહીં. સાંદ્રતા કોષાંગોની આસપાસના દ્રાવણની છે, માનવ માટે મોઢેથી લેવાની માત્રાની નહીં. આ સંદર્ભને સ્થિર રાખો તો આંકડા સ્પષ્ટ અર્થ આપે છે.

પ્રથમ અભ્યાસે ગિની પિગના મગજમાંથી અલગ કરેલા માઇટોકોન્ડ્રિયામાં 100 નેનોમોલરથી 2 માઇક્રોમોલર સાંદ્રતાએ એક જ પ્રયોગાત્મક નમૂનામાં લાભ અને બોજ બંને માપ્યા. સ્વસ્થ માઇટોકોન્ડ્રિયામાં રંગદ્રવ્યએ આરામની અવસ્થામાં ઓક્સિજનનો વપરાશ વધાર્યો, પરંતુ ADP દ્વારા ઉત્તેજિત શ્વસનને બદલ્યું નહીં, તેથી શ્વસન સાથે જોડાયેલું ATP ઉત્પાદન વધ્યું નહીં. કોમ્પ્લેક્સ I અવરોધિત હતો ત્યારે 2 માઇક્રોમોલરે ATP સંશ્લેષણ 46 થી 93 નેનોમોલ પ્રતિ મિનિટ પ્રતિ મિલિગ્રામ સુધી પુનઃસ્થાપિત કર્યું, જ્યારે સામાન્ય દર લગભગ 1109 હતો. કોમ્પ્લેક્સ III અવરોધિત હતો ત્યારે એ જ માત્રાએ ATP ઉત્પાદન લગભગ 46 થી 63 સુધી પુનઃસ્થાપિત કર્યું, જ્યારે સામાન્ય દર લગભગ 910 હતો. વિદ્યુત વિભવ અને કેલ્શિયમનું ગ્રહણ આંશિક રીતે પુનઃસ્થાપિત થયાં. સાઇનાઇડ દ્વારા કોમ્પ્લેક્સ IV નો અવરોધ બાજુ પર રાખી શકાયો નહીં, જે દર્શાવે છે કે ઇલેક્ટ્રોન માટેનો ઉપયોગી બહાર નીકળવાનો માર્ગ કાર્યરત કોમ્પ્લેક્સ IV પહેલાં આવેલો છે. કાર્યનું દરેક પુનઃસ્થાપન આંકડાકીય રીતે વાસ્તવિક અને નાનું હતું: સામાન્ય ATP ઉત્પાદનની સરખામણીમાં એક અંકની ટકાવારી જેટલું.

બીજા અભ્યાસે માઉસના મગજના કોર્ટેક્સના માઇટોકોન્ડ્રિયામાં લગભગ 1 માઇક્રોમોલર સાંદ્રતાએ કોમ્પ્લેક્સ I ને બાજુ પર રાખતો માર્ગ પુષ્ટિ કર્યો અને કોમ્પ્લેક્સ III પર તેની મર્યાદા દર્શાવી. રોટેનોને શ્વસન લગભગ 121 થી ઘટાડીને 2 નેનોમોલ ઓક્સિજન પ્રતિ મિનિટ પ્રતિ મિલિગ્રામથી પણ ઓછું કર્યું, અને રંગદ્રવ્યએ તેને લગભગ 21 સુધી વધાર્યું, એટલે સામાન્યના આશરે છઠ્ઠા ભાગ જેટલું; જ્યારે પટલનો વિદ્યુત વિભવ લગભગ સંપૂર્ણપણે પુનઃસ્થાપિત થયો. પરંતુ કોમ્પ્લેક્સ III અવરોધિત થયા પછી 1 થી 5 માઇક્રોમોલર સુધી શ્વસન કે વિદ્યુત વિભવ, બંનેમાંથી કંઈ પુનઃસ્થાપિત થયું નહીં, અને આ અવરોધે રંગદ્રવ્યથી ઉત્પન્ન થતો પેરોક્સાઇડ સંકેત દબાવ્યો. લેખકોએ સૂચવ્યું કે અપચયિત રંગદ્રવ્ય પોતાના ઇલેક્ટ્રોન કોમ્પ્લેક્સ III ના Qo સ્થળ પર પહોંચાડે છે: એ સ્થળ રોકાયેલું હોય તો સંદેશવાહક પાસે પહોંચાડવા માટે કોઈ જગ્યા રહેતી નથી.

ત્રીજા અભ્યાસે માઉસ, રૅટ અને ગિની પિગના મગજના માઇટોકોન્ડ્રિયામાં મુખ્યત્વે 2 માઇક્રોમોલર સાંદ્રતાએ આ મતભેદને સીધો તપાસ્યો અને શોધ્યું કે કોમ્પ્લેક્સ III ના અવરોધને પાર કરતો માર્ગ શક્ય છે. Qo સ્થળના અવરોધક માયક્સોથાયાઝોલે મૂળભૂત શ્વસન 88 ટકા ઘટાડ્યું ત્યારે રંગદ્રવ્યએ ઓક્સિજનનો વપરાશ અવરોધ વિનાના દરના લગભગ 62 ટકા સુધી પુનઃસ્થાપિત કર્યો. સીધી ચકાસણીમાં અડધા માઇક્રોમોલરે બહારથી ઉમેરાયેલા સાઇટોક્રોમ c નું અપચય કર્યું, કોમ્પ્લેક્સ III અવરોધિત હોવા છતાં. આ પરિણામ NADH માંથી રંગદ્રવ્ય મારફતે સાઇટોક્રોમ c અને પછી કોમ્પ્લેક્સ IV સુધીના માર્ગને સમર્થન આપે છે. પરંતુ પુનઃસ્થાપિત શ્વસનનું વર્તન અસામાન્ય હતું: ADP ઉમેરવાથી ઓક્સિજનનો વપરાશ વધવાને બદલે ઘટ્યો, અને ATP સંશ્લેષણ અવરોધવાથી શ્વસન ઉત્તેજિત થયું. વિદ્યુત વિભવનું પુનઃધ્રુવીકરણ માત્ર આંશિક થયું. ઊલટા જોડાણ સાથે ઓક્સિજનનો ઊંચો વપરાશ સામાન્ય ઊર્જા ઉત્પાદન નથી.

પ્રયોગશાળાઓ વચ્ચે મતભેદ કેમ છે, અને તેનો ઉકેલ શું છે

પ્રજાતિનો તફાવત કારણ છે એવી સમજૂતી પહેલાં જ નિષ્ફળ જાય છે. ત્રીજા જૂથે ઉંદરવર્ગનાં ત્રણ પ્રાણીઓમાં આ કામનું પુનરાવર્તન કર્યું અને બધામાં ગુણાત્મક રીતે સમાન વૈકલ્પિક માર્ગ મેળવ્યો, જેમાં એ માઉસ જાત પણ સામેલ હતી જેમાં આ માર્ગ ગેરહાજર હોવાનું નોંધાયું હતું. તેના બદલે તફાવત સાંદ્રતા (1 સામે 2 માઇક્રોમોલર), અવરોધકોની માત્રા, બફર, અલગ કરવાની પદ્ધતિઓ અને સૌથી વધુ તો સરખામણી હેઠળની ઊર્જાત્મક અવસ્થામાં છે: ADP ઉમેરતાં પહેલાં આ વૈકલ્પિક માર્ગ સૌથી સ્પષ્ટ દેખાય છે, બરાબર એ જ અવસ્થામાં જ્યાં ADP પ્રત્યેનો વિરોધાભાસી પ્રતિભાવ દેખાય છે. તેથી તથ્યોને વફાદાર આલેખ પરિસ્થિતિ આધારિત બે બહાર નીકળવાના માર્ગો દર્શાવે છે, એક Qo સ્થળ પર અને બીજો સાઇટોક્રોમ c પર. સ્થાનિક રસાયણશાસ્ત્ર જ્યાં પહોંચાડવા દે છે ત્યાં સંદેશવાહક પહોંચાડે છે.

પેરોક્સાઇડના રૂપમાં ચૂકવાતી કિંમત

કાર્ય પુનઃસ્થાપિત થવાના પરિણામોની જેમ તેના બોજનાં પરિણામો પણ સુસંગત છે. ગિની પિગના અભ્યાસમાં ત્રણેય સબસ્ટ્રેટ સાથે ચકાસાયેલી દરેક પરિસ્થિતિમાં રંગદ્રવ્યએ પેરોક્સાઇડનું મુક્ત થવું વધાર્યું: આરામની અવસ્થામાં, ATP સંશ્લેષણ દરમિયાન અને રસાયણોથી કાર્યક્ષમતા ઘટાડેલી અવસ્થામાં. ATP સંશ્લેષણ દરમિયાન 1 માઇક્રોમોલરે ઉત્પાદન લગભગ 148 થી વધીને 1500 પિકોમોલ પ્રતિ મિનિટ પ્રતિ મિલિગ્રામથી પણ વધુ થયું, અને 100 નેનોમોલરે પણ સંકેત ચારગણાથી વધુ વધ્યો. રંગદ્રવ્યએ પેરોક્સાઇડ દૂર થવાની પ્રક્રિયા પણ આશરે 2.6 ગણી ધીમી કરી, તેથી આ સંકેત વધુ ઝડપી રચના અને વધુ ધીમી સફાઈ બંને દર્શાવે છે. સૂચવાયેલું રસાયણશાસ્ત્ર એવું છે કે અપચયિત રંગદ્રવ્ય ઓક્સિજનનું સીધું અપચય કરે છે અને શોધી શકાય તેવો સુપરઓક્સાઇડ બનતો નથી; જોકે આ હજી સાબિત થયેલું પગલું નહીં, પરંતુ એક અર્થઘટન છે.

માઉસનો અભ્યાસ આ ચિત્રને ઉપયોગી રીતે વધુ જટિલ બનાવે છે. માત્રા સાથે પેરોક્સાઇડ ઝડપથી વધ્યો, લગભગ 76 ના મૂળભૂત સ્તરથી 2 માઇક્રોમોલરે લગભગ 2000 પિકોમોલ પ્રતિ મિનિટ પ્રતિ મિલિગ્રામ સુધી; છતાં કોમ્પ્લેક્સ III ના અવરોધે રંગદ્રવ્યથી ઉત્પન્ન થતો ઘટક દબાવ્યો. જો પેરોક્સાઇડ માત્ર અપચયિત રંગદ્રવ્યની ઓક્સિજન સાથેની પ્રતિક્રિયાથી જ બનતો હોત, તો શૃંખલાને અવરોધવાથી આટલી અસર થવી ન જોઈએ. અસર થાય છે, એટલે શૃંખલા પણ તેમાં ભાગ લે છે. એન્ટિઑક્સિડન્ટ અને પ્રો-ઑક્સિડન્ટ વિશેની સમીક્ષા આ બેવડા વર્તનને વ્યાપક સંદર્ભમાં મૂકે છે, અને ઓક્સિજન સામે ATP નું વિશ્લેષણ સમજાવે છે કે માત્ર ઓક્સિજનના આંકડા ઊર્જા અંગેના દાવાનો નિર્ણય કેમ કરી શકતા નથી.

કાર્યનું પુનઃસ્થાપન એ સમારકામ નથી

જે શબ્દપ્રયોગ હવે છોડવાની જરૂર છે તે છે “શું મિથિલીન બ્લૂ માઇટોકોન્ડ્રિયાનું સમારકામ કરે છે.” સમારકામનો અર્થ ટકાઉ સુધારો થાય: ફરી રચાયેલા કોમ્પ્લેક્સ, દ્રવ્ય દૂર થયા પછી પણ ટકી રહેતું જોડાણ, અખંડ કોષોમાં કાર્યનું પુનઃસ્થાપન અને પછી જીવંત સજીવમાં સુધરેલું કાર્ય. ત્રણમાંથી કોઈ પણ સંશોધન લેખ આવું દર્શાવતો નથી. તેઓ કૃત્રિમ રાસાયણિક અવરોધ દરમિયાન તાજા અલગ કરેલા કોષાંગોમાં તાત્કાલિક માર્ગપરિવર્તન દર્શાવે છે, જેમાં ATP ઉત્પાદન સામાન્યના નાના અંશ જેટલું હોય છે અને ક્યારેક જોડાણ ખરેખર વિચિત્ર હોય છે. રોટેનોન અને એન્ટિમાઇસિન પ્રયોગશાળાનાં સાધનો છે, વૃદ્ધત્વ કે માનવ માઇટોકોન્ડ્રિયલ રોગનાં મૉડેલ નહીં; અને અહીંનું કશું પણ સ્વસ્થ વ્યક્તિને વધુ ઊર્જા મળે એવો અર્થ આપતું નથી. તે પુરાવા અંગેનો અલગ પ્રશ્ન છે, જેના માટે પોતાનું માનવ સંશોધન સાહિત્ય છે.

ત્રણ મર્યાદાઓ બાયોહેકિંગ અંગેના કોઈ પણ નિષ્કર્ષને તથ્યનિષ્ઠ રાખે છે. પ્રથમ, આસપાસના દ્રાવણની સાંદ્રતા એ સેવનની માત્રા નથી: અલગ કરેલા કોષાંગોની આસપાસ 0.1 થી 2 માઇક્રોમોલર હોવું એ જણાવતું નથી કે મોઢેથી કેટલી માત્રા લેવાથી માનવ મગજના માઇટોકોન્ડ્રિયા પાસે એટલી મુક્ત સાંદ્રતા ઉત્પન્ન થાય, ખાસ કરીને કારણ કે રંગદ્રવ્યનું એકઠું થવું કે મુક્ત થવું પોતે પટલના વિદ્યુત વિભવ પર આધારિત છે. બીજું, ઓક્સિજન એટલે ઊર્જા નહીં: રંગદ્રવ્ય ઉત્પાદક ફોસ્ફોરિલેશન ઉપરાંત ચક્રીય પ્રક્રિયા અને લીકેજ મારફતે પણ ઓક્સિજનનો વપરાશ વધારી શકે છે, તેથી ATP અને વિદ્યુત વિભવનાં માપન વિનાની શ્વસનમાપન પદ્ધતિ ઊર્જા અંગેના દાવાને આધાર આપી શકતી નથી. ત્રીજું, લાભ અને બોજ એક જ વાક્યમાં આવવા જોઈએ: વિદ્યુત વિભવ કે ATP પુનઃસ્થાપિત થયાં હોવાનું કોઈ પણ નિવેદન જો સાથે થયેલા પેરોક્સાઇડના વધારાને છોડી દે, તો તે પ્રયોગનું ખોટું વર્ણન કરે છે. સંબંધિત સ્પષ્ટતાઓમાં NAD રેડોક્સ સંતુલન, માત્રા-પ્રતિભાવનો આકાર અને પરીક્ષણ માર્ગદર્શિકા સામેલ છે.

એક વ્યવહારુ નોંધ: ઇલેક્ટ્રોનનું આ વહન ચોક્કસ અણુનો ગુણધર્મ છે. Azure B જેવા ડિમિથિલિત સંબંધિત સંયોજનો પણ રેડોક્સ સક્રિય હોય છે, પરંતુ તેમનું વર્તન જુદું હોય છે; તેથી આંશિક રીતે વિઘટિત દ્રાવણનો પ્રયોગ અખંડ રંગદ્રવ્યના પ્રયોગથી અલગ છે. માત્ર ધાતુઓની તપાસ કરાવવાને બદલે સંપૂર્ણ ફાર્માકોપીયલ વિશિષ્ટતાઓ અને પ્રકાશિત બૅચ દસ્તાવેજનો આગ્રહ રાખવાનું આ એક કારણ છે. પ્રકાશથી ચાલતું રસાયણશાસ્ત્ર પ્રકાશિત ઉપયોગો માટે આવી જ બીજી સાવચેતી ઉમેરે છે, જે લાલ પ્રકાશ સાથેના સંયોજનોમાં આવરી લેવામાં આવી છે.

આ બધાની વચ્ચે મર્યાદિત દાવો ટકી રહે છે અને તેને જાળવવો યોગ્ય છે: મિથિલીન બ્લૂ નુકસાન પામેલા, અલગ કરેલા માઇટોકોન્ડ્રિયામાં પરિસ્થિતિ આધારિત ઇલેક્ટ્રોન સંદેશવાહક તરીકે કામ કરી શકે છે અને પેરોક્સાઇડની કિંમત ચૂકવીને પ્રવાહને આંશિક રીતે જાળવી શકે છે. તેનાથી આગળનું બધું—ઊર્જા, દીર્ઘાયુષ્ય, સમારકામ—એવા પુરાવાની રાહ જુએ છે જે આપવા માટે આ અભ્યાસો રચાયા જ નહોતા.