શું ઓક્સિજનનો વધુ વપરાશ એટલે વધુ ATP? મિથિલીન બ્લૂના અભ્યાસોમાંથી મળતા પાઠ

એક અલગ કરેલું માઇટોકોન્ડ્રિયન એવા કોષ્ઠમાં છે જ્યાં ઇંધણ છે, પણ ADP નથી. તે ધીમે ધીમે ઓક્સિજન વાપરે છે. ADP ઉમેરો તો ઓક્સિજનનો વપરાશ અનેક ગણો વધી જાય છે. ADP ખૂટી જાય ત્યાં સુધી રાહ જુઓ તો ઓક્સિજનનો વપરાશ ફરી ઘટી જાય છે. ઇંધણમાં કોઈ ફેરફાર થયો નહોતો. માત્ર ATPની માંગ બદલાઈ હતી.

આ નાનકડા ક્રમમાં જ આ લેખનો આખો ભેદ સમાયેલો છે. ઓક્સિજનનો વપરાશ દર્શાવે છે કે શ્વસન શૃંખલામાંથી ઓક્સિજન સુધી ઇલેક્ટ્રોન કેટલા ઝડપથી વહે છે. ATPનું ઉત્પાદન દર્શાવે છે કે એ પ્રવાહનો કેટલો ભાગ ઉપયોગી ઊર્જા તરીકે સંગ્રહાય છે. બંને વચ્ચે એક સામાન્ય મધ્યવર્તી પગલું છે: માઇટોકોન્ડ્રિયાની અંદરની પટલની આરપાર રહેલો પ્રોટોન ઢાળ. આ ઢાળ ATP સંશ્લેષણ સાથે કેટલો ચુસ્ત રીતે જોડાયેલો છે તેમાં ફેરફાર કરતી કોઈ પણ બાબત આ બંને અંતિમ માપદંડોને જુદી દિશામાં લઈ જઈ શકે છે. અહીં મિથિલીન બ્લૂ આ ભેદ સમજાવવા માટે ઉપયોગી છે, કારણ કે તે બંને રીતે વર્તતું જોવા મળ્યું છે: કેટલીક તૈયારીઓમાં ATP સાથે ઓક્સિજનનો વપરાશ વધારતું, અને અન્યમાં ATP યથાવત્ રહે કે ઘટે ત્યારે પણ ઓક્સિજનનો વપરાશ વધારતું.

જે વાચકો પહેલાં ઇલેક્ટ્રોનના હસ્તાંતરણનું વ્યાપક ચિત્ર સમજવા માગે છે, તેઓ મિથિલીન બ્લૂ શ્વસન શૃંખલામાં ઇલેક્ટ્રોનનું વહન કેવી રીતે કરે છે તેનાથી શરૂઆત કરી શકે છે. અને જે વાચકો ઓક્સિજનના પ્રારંભિક પ્રયોગોની પરિભાષા સમજવા માગે છે, તેઓ શ્વસનના પ્રથમ માપનોએ ખરેખર શું દર્શાવ્યું હતું તે વાંચી શકે છે.

શ્વસન, ATP અને તેમની વચ્ચેનો ઢાળ

NADH અને FADH2માંથી આવતા ઇલેક્ટ્રોન સંકુલ I અને II ખાતે શૃંખલામાં પ્રવેશે છે, સંકુલ IIIમાંથી પસાર થઈ સાયટોક્રોમ c સુધી પહોંચે છે, અને પછી સંકુલ IVમાંથી પસાર થઈ ઓક્સિજન સુધી જાય છે. સંકુલ I, III અને IV ખાતે મુક્ત થતી ઊર્જા પ્રોટોનને મેટ્રિક્સમાંથી બહાર, બે પટલ વચ્ચેની જગ્યામાં પંપ કરે છે. વિદ્યુતભાર અને અમ્લતાનું આ વિભાજન પ્રોટોન પ્રેરક બળ છે, અને તેનો વિદ્યુતીય ભાગ, એટલે કે પટલ વિભવ, સામાન્ય રીતે મુખ્ય ભાગ હોય છે.

ATP સિન્થેઝ પ્રોટોનને પાછા મેટ્રિક્સમાં વહેવા દે છે અને મુક્ત થતી ઊર્જાનો ઉપયોગ ADP અને ફોસ્ફેટને જોડીને ATP બનાવવા માટે કરે છે. એટલે ક્રમ આ છે:

ઓક્સિજનનો વપરાશ, પછી પ્રોટોનનું પંપિંગ, પછી ઢાળ, પછી ATP સંશ્લેષણ.

પણ મુશ્કેલી એ છે કે પ્રોટોન અન્ય માર્ગોથી પણ પાછા આવી શકે છે. ATP સિન્થેઝને બાજુએ રાખીને થતો કોઈ પણ એવો પરત પ્રવાહ પ્રોટોન લીક છે. લીકને કારણે પટલ વિભવ સ્થિર રાખવા માટે શૃંખલાએ એ જ પ્રોટોનને ફરી પંપ કરવા પડે છે, જેથી વધુ ATP બનાવ્યા વિના વધુ ઓક્સિજન વપરાય છે. પૂરતી પ્રબળ લીકને જોડાણ છૂટવું, એટલે કે અનકપલિંગ, કહેવાય છે: ઓક્સિજનનો વપરાશ વધે છે, જ્યારે ATP યથાવત્ રહે છે અથવા ઘટે છે, અને વેડફાયેલી ઊર્જા ગરમી તરીકે બહાર નીકળે છે.

અવસ્થા 3, અવસ્થા 4 અને શ્વસન નિયંત્રણ ગુણોત્તર

આ માટેની પરંપરાગત પરિભાષા અલગ કરેલા માઇટોકોન્ડ્રિયાના અભ્યાસોમાંથી આવે છે. અવસ્થા 3 એ સબસ્ટ્રેટ અને ADP બંને હાજર હોય ત્યારે થતું શ્વસન છે: ATP સિન્થેઝ ઢાળ ઘટાડે છે, પટલ વિભવ નીચે જાય છે, તેને ફરી બનાવવા માટે શૃંખલા ઝડપ પકડે છે, અને ATP બની રહ્યું હોવાથી ઓક્સિજનનો વપરાશ ઊંચો હોય છે. અવસ્થા 4 એ ADP ખૂટી ગયા પછી થતું શ્વસન છે: ATP સિન્થેઝ નિષ્ક્રિય રહે છે, ઢાળ વધે છે, ઊંચો પટલ વિભવ વધુ પંપિંગનો પ્રતિકાર કરે છે, અને ઓક્સિજનનો વપરાશ લીકની ભરપાઈ કરવા જેટલી જરૂર હોય તેટલો ઘટી જાય છે.

તેથી શ્વસન નિયંત્રણ ગુણોત્તર, એટલે કે અવસ્થા 3ને અવસ્થા 4થી ભાગવાથી મળતો ગુણોત્તર, દર્શાવે છે કે તૈયારીમાં જોડાણ કેટલું ચુસ્ત છે. ઊંચો ગુણોત્તર દર્શાવે છે કે ADP શ્વસનને મજબૂત રીતે નિયંત્રિત કરે છે. અવસ્થા 4 વધવાની સાથે ગુણોત્તર ઘટે તો તેનો અર્થ થાય છે કે લીકનું પ્રભુત્વ વધી રહ્યું છે. નીચેના મિથિલીન બ્લૂના પરિણામોને આ દૃષ્ટિએ સમજવા જોઈએ.

એક માનસિક મોડેલ યાદ રાખવા જેવું છે. ઊંચો પટલ વિભવ શૃંખલાને ધીમી પાડે છે. વિભવ ઘટવાથી તે ઝડપી બને છે. શૃંખલા પંપિંગ કેટલું મુશ્કેલ બન્યું છે તેના આધારે પ્રતિક્રિયા આપે છે, ATP બની રહ્યું છે કે નહીં તેના આધારે સીધી પ્રતિક્રિયા આપતી નથી.

જ્યારે અંતિમ માપદંડો સાથે વધે છે

જોડાણ જળવાયેલું હોય તેવું સૌથી સ્પષ્ટ ઉદાહરણ શ્વસન સંકુલો અવરોધિત હોય એવા ગિની પિગના મગજમાંથી અલગ કરેલા માઇટોકોન્ડ્રિયામાંથી મળે છે. 100 nanomolarથી 1 micromolar મિથિલીન બ્લૂ પર, ઇંધણ તરીકે ગ્લુટામેટ સાથે મેલેટ, સક્સિનેટ અથવા ગ્લિસરોફોસ્ફેટ હોય ત્યારે આરામાવસ્થામાં ઓક્સિજનનો વપરાશ વધ્યો, જ્યારે ADPથી ઉત્તેજિત શ્વસન યથાવત્ રહ્યું. સંકુલ I અથવા સંકુલ III ખાતે ઝેરી પદાર્થથી અવરોધિત માઇટોકોન્ડ્રિયામાં આ રંગદ્રવ્યએ ATPનું ઉત્પાદન થોડું વધાર્યું, પટલ વિભવ પુનઃસ્થાપિત કર્યો અને કેલ્શિયમ ગ્રહણમાં સુધારો કર્યો. સૂચવાયેલો માર્ગ એક ટૂંકો વૈકલ્પિક માર્ગ છે: રંગદ્રવ્ય અવરોધ પહેલાંના ભાગમાંથી ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારે છે અને તેમને સાયટોક્રોમ cને સોંપે છે, જેથી નુકસાન પામેલા સંકુલને બાજુએ રાખી શકાય છે.

જોડાણ જળવાયેલું હોય તેવા બીજા કિસ્સામાં ATPનો સાવ જુદો સ્ત્રોત વપરાય છે. ATP સિન્થેઝ અવરોધિત હોય એવા મગજમાંથી અલગ કરેલા માઇટોકોન્ડ્રિયામાં પણ મિથિલીન બ્લૂએ પરીક્ષણ કરાયેલા દરેક સબસ્ટ્રેટ પર શ્વસનને ઉત્તેજિત કર્યું. પરંતુ ATP સંશ્લેષણ માત્ર આલ્ફા કીટોગ્લુટારેટ અને ગ્લુટામેટ પર વધ્યું, જે બંને સબસ્ટ્રેટ સક્સિનાઇલ CoA બનાવે છે. ઓલિગોમાઇસિનથી ATP સિન્થેઝ અવરોધિત હતું, એટલે વધારાનું ATP સાઇટ્રિક એસિડ ચક્રમાં સક્સિનાઇલ CoA લાઇગેઝ દ્વારા થતા સબસ્ટ્રેટ-સ્તરીય ફોસ્ફોરિલેશનમાંથી આવ્યું હતું, ઓક્સિડેટિવ ફોસ્ફોરિલેશનમાંથી નહીં. સંકુલ I અને ATP સિન્થેઝ બંનેને એકસાથે અવરોધિત કરવામાં આવ્યા ત્યારે રંગદ્રવ્યએ પટલ વિભવ પણ પુનઃસ્થાપિત કર્યો. અહીં ઓક્સિજનનો વપરાશ અને ATP સાથે વધ્યાં, પરંતુ માત્ર ત્યાં જ જ્યાં સબસ્ટ્રેટ બીજા ATP માર્ગને શક્ય બનાવતું હતું. સક્સિનેટ અથવા મેલેટ પર વધારાના ATP વિના શ્વસન વધ્યું. એ જ રંગદ્રવ્ય, એ જ કોષ્ઠ, જુદું ઇંધણ, જુદો જવાબ.

જ્યારે અંતિમ માપદંડો અલગ પડે છે

અંતિમ માપદંડો અલગ પડતા હોય એવા કિસ્સાઓ પણ પ્રકાશિત થયા છે અને એટલા જ બોધપ્રદ છે. 1997ના ઉંદરના યકૃતમાંથી અલગ કરેલા માઇટોકોન્ડ્રિયાના અભ્યાસમાં મિથિલીન બ્લૂએ સક્સિનેટનો ઉપયોગ કરીને શ્વસન કરતા, ચુસ્ત જોડાણ ધરાવતા માઇટોકોન્ડ્રિયામાં અવસ્થા 4નું શ્વસન ઝડપી બનાવ્યું, જેના કારણે શ્વસન નિયંત્રણ ગુણોત્તર ઘટ્યો. અસર 0.5 micromolarથી દેખાતી હતી અને 5 micromolar પર પ્રબળ હતી; આ સાંદ્રતા 100 milligramનો એકમુષ્ટ અંતઃશિરા ડોઝ આપ્યા પછીના પ્લાઝ્મા સ્તરની નજીક છે. 5 micromolar પર માઇટોકોન્ડ્રિયા ફૂલ્યાં પણ હતાં, જોકે જોડાણની ખામી પહેલાં ઓછી સાંદ્રતાઓએ દેખાઈ હતી. આ સૂચવે છે કે લીક માળખાકીય નુકસાન પહેલાં થઈ હતી, તેના પરિણામે નહીં. જોડાણ છૂટેલા માઇટોકોન્ડ્રિયામાં રંગદ્રવ્યએ સાંદ્રતા પર આધારિત રીતે શ્વસનને ઉત્તેજિત કર્યું, અને આ અસર સંતૃપ્તિ સુધી પહોંચતી હતી. બંને તૈયારીઓમાં ઓક્સિજનનો વપરાશ વધ્યો. વપરાયેલા ઓક્સિજન દીઠ ATP સંશ્લેષણ વધ્યું નહીં. એક જ અણુમાં જોડાણ છૂટવું અને ઇલેક્ટ્રોનનું વહન થવું—આ તેનું પાઠ્યપુસ્તક સમાન ઉદાહરણ છે.

સૌથી નોંધપાત્ર અલગાવ નેત્રપટલમાંથી જોવા મળે છે. AIFની ઊણપ ધરાવતા ઉંદરો અને રોટેનોનથી ઉપચારિત ફોટોરિસેપ્ટર કોષોમાં મિથિલીન બ્લૂએ નેત્રપટલની જાડાઈ, ફોટોરિસેપ્ટરના સૂચકો અને માઇટોકોન્ડ્રિયાનું માળખું જાળવી રાખ્યું. તેણે NADH અને NADનો ગુણોત્તર ઘટાડ્યો અને અનફોલ્ડેડ પ્રોટીન પ્રતિભાવ તથા મિટોફેજી સહિતના તણાવ-પ્રતિભાવ માર્ગોની સક્રિયતા ઓછી કરી. આ બધું તેણે ATPની ઘટ સુધાર્યા વિના કર્યું. ઊર્જા પુનઃસ્થાપિત કર્યા વિના મળેલા રક્ષણનો અર્થ એ છે કે લાભ વધારાના ATP દ્વારા નહીં, પરંતુ રેડોક્સ સંતુલન અને માઇટોકોન્ડ્રિયાની અખંડિતતા દ્વારા મળ્યો હતો. પેશીનું ટકી રહેવું એટલે ઊર્જાનું ઉત્પાદન પુનઃસ્થાપિત થવું એવું માનનાર કોઈ પણ વ્યક્તિ એ પ્રયોગને સંપૂર્ણપણે ખોટો સમજશે.

મગજના માઇટોકોન્ડ્રિયા પરનું કામ આ જ હિસાબમાં એક કિંમતનો સ્તંભ ઉમેરે છે. જે ઓછી સાંદ્રતાઓએ જૈવઊર્જાકીય કાર્યમાં સુધારો કર્યો, તેમણે પરીક્ષણ કરાયેલી દરેક પરિસ્થિતિમાં હાઇડ્રોજન પેરોક્સાઇડનું ઉત્પાદન પણ વધાર્યું અને તેને દૂર કરવાની પ્રક્રિયા ધીમી પાડી. આ માપન અવિશિષ્ટ રંગદ્રવ્યને બદલે કેલિબ્રેટ કરેલી Amplex પરીક્ષણ પદ્ધતિથી કરવામાં આવ્યું હતું. વધુ ATP અને વધુ ઓક્સિડન્ટ સાથે મળ્યાં.

અભ્યાસ વાંચવા માટેની વ્યવહારુ તપાસસૂચિ

ચાર પ્રશ્નો જોડાણ જળવાયેલું હોય તેવા પરિણામને જોડાણ છૂટેલું હોય તેવા પરિણામથી અલગ પાડે છે.

પહેલો, ખરેખર કયો અંતિમ માપદંડ માપવામાં આવ્યો હતો. માત્ર ઓક્સિજનનો વપરાશ ATP વિશે કહી શકતો નથી. ATP સંશ્લેષણ, પટલ વિભવ અને શ્વસન નિયંત્રણ ગુણોત્તર દરેક એવી એક માહિતી ઉમેરે છે જે ઓક્સિજન ઇલેક્ટ્રોડ જોઈ શકતો નથી. મિથિલીન બ્લૂના સંશોધનના દાવા વાંચવા માટેની માર્ગદર્શિકા અંતિમ માપદંડોને ધ્યાનમાં રાખવાની આ શિસ્ત વિગતે સમજાવે છે.

બીજો, માઇટોકોન્ડ્રિયાને કયું સબસ્ટ્રેટ આપવામાં આવ્યું હતું. સક્સિનાઇલ CoAનું પરિણામ દર્શાવે છે કે ઇંધણની પસંદગી નક્કી કરી શકે છે કે વધારાનું શ્વસન વધારાના ATPમાં ફેરવાઈ શકશે કે નહીં.

ત્રીજો, કઈ સાંદ્રતા વપરાઈ હતી. મગજના માઇટોકોન્ડ્રિયામાં nanomolarથી ઓછી micromolar સાંદ્રતાના મિથિલીન બ્લૂએ ઓક્સિડન્ટ વધવાની કિંમત સાથે જૈવઊર્જાકીય કાર્યમાં થોડો લાભ આપ્યો; યકૃતના માઇટોકોન્ડ્રિયામાં 0.5 micromolar અને તેનાથી વધુ સાંદ્રતાએ જોડાણ નબળું પાડ્યું; 5 micromolar પર ફૂલવું પણ જોવા મળ્યું. સાંદ્રતા કાર્યપદ્ધતિનો ભાગ છે, માત્ર પૃષ્ઠભૂમિની વિગત નહીં.

ચોથો, પરિણામ કયા મોડેલમાંથી મળ્યું હતું. અલગ કરેલા માઇટોકોન્ડ્રિયા આંતરિક જોડાણો ઉજાગર કરે છે, પરંતુ અખંડ કોષો અને પેશીઓમાં પરિવહન, રંગહીન સ્વરૂપમાં અપચય અને ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારતા સ્પર્ધાત્મક માર્ગો પણ ઉમેરાય છે. સાંદ્રતા અને પ્રોટોકોલ મિથિલીન બ્લૂની અસરોને કેવી રીતે આકાર આપે છે તે સહિતનું પ્રયોગશાળામાં ડોઝ અંગેનું કામ, કોષ્ઠમાં મળેલા આંકડા અને વ્યક્તિ વિશેના કોઈ પણ દાવા વચ્ચેનો સેતુ છે.

ઓક્સિજનનો વપરાશ ઇલેક્ટ્રોનનો પ્રવાહ દર્શાવે છે. ATP દર્શાવે છે કે એ પ્રવાહનો કેટલો ભાગ ઊર્જા તરીકે સંગ્રહાયો. મિથિલીન બ્લૂ આમાંથી કોઈ પણ એકને બદલી શકે છે, અને ઉપરના પ્રયોગો તેનાથી બનતાં ચારેય સંયોજનો દર્શાવે છે: બંને વધે છે, સબસ્ટ્રેટ અનુકૂળ હોય ત્યારે જ શ્વસનનો વધારો ATPના વધારા સાથે જોડાય છે, જોડાણ નબળું પડે ત્યારે પણ શ્વસન વધે છે, અને ATP યથાવત્ રહે ત્યારે પણ પેશી જળવાય છે. ઓક્સિજન ઇલેક્ટ્રોડ પરનો આંકડો અર્થઘટનની શરૂઆત છે, તેનો અંત નહીં.