क्या ऑक्सीजन की अधिक खपत का मतलब अधिक ATP है? मेथिलीन ब्लू के अध्ययनों से सीख

एक पृथक माइटोकॉन्ड्रियन ऐसे कक्ष में है जिसमें ईंधन तो है, लेकिन ADP नहीं। वह धीरे-धीरे ऑक्सीजन का उपभोग करता है। ADP डालने पर ऑक्सीजन की खपत कई गुना बढ़ जाती है। ADP खत्म होने तक इंतज़ार करें, तो ऑक्सीजन की खपत फिर घट जाती है। ईंधन कभी नहीं बदला। सिर्फ़ ATP की मांग बदली।

इस छोटे-से घटनाक्रम में वह पूरा अंतर समाया है जिसके बारे में यह लेख है। ऑक्सीजन की खपत मापती है कि श्वसन शृंखला से होकर ऑक्सीजन तक इलेक्ट्रॉन कितनी तेज़ी से पहुँचते हैं। ATP का उत्पादन मापता है कि उस प्रवाह का कितना हिस्सा उपयोग योग्य ऊर्जा के रूप में संचित होता है। दोनों के बीच एक साझा चरण है: माइटोकॉन्ड्रिया की भीतरी झिल्ली के आर-पार प्रोटॉन प्रवणता। कोई भी कारक जो इस प्रवणता और ATP संश्लेषण के बीच युग्मन की मज़बूती बदलता है, इन दोनों मापनीय परिणामों को अलग-अलग दिशाओं में ले जा सकता है। मेथिलीन ब्लू इसे समझने का उपयोगी उदाहरण है, क्योंकि इसे दोनों तरह से काम करते देखा गया है: कुछ प्रयोगात्मक तैयारियों में ATP के साथ ऑक्सीजन का उपयोग बढ़ाते हुए, और अन्य में ATP स्थिर रहने या घटने के बावजूद ऑक्सीजन का उपयोग बढ़ाते हुए।

जो पाठक पहले इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की व्यापक तस्वीर समझना चाहते हैं, वे इस विवरण से शुरुआत कर सकते हैं कि मेथिलीन ब्लू श्वसन शृंखला में इलेक्ट्रॉनों को कैसे पहुँचाता है। शुरुआती ऑक्सीजन प्रयोगों की शब्दावली समझने के इच्छुक पाठक पढ़ सकते हैं कि श्वसन के शुरुआती मापों ने वास्तव में क्या दिखाया था।

श्वसन, ATP और उनके बीच की प्रवणता

NADH और FADH2 से आने वाले इलेक्ट्रॉन कॉम्प्लेक्स I और II पर शृंखला में प्रवेश करते हैं, कॉम्प्लेक्स III से होकर साइटोक्रोम c तक जाते हैं, और फिर कॉम्प्लेक्स IV से होकर ऑक्सीजन तक पहुँचते हैं। कॉम्प्लेक्स I, III और IV पर मुक्त ऊर्जा प्रोटॉनों को मैट्रिक्स से बाहर, झिल्लियों के बीच के स्थान में पंप करती है। आवेश और अम्लता का यह पृथक्करण प्रोटॉन प्रेरक बल है। इसका विद्युत घटक, यानी झिल्ली विभव, आम तौर पर प्रमुख घटक होता है।

ATP सिंथेज़ प्रोटॉनों को वापस मैट्रिक्स में प्रवाहित होने देता है और मुक्त ऊर्जा का उपयोग करके ADP और फॉस्फेट को जोड़कर ATP बनाता है। इसलिए क्रम यह है:

ऑक्सीजन की खपत, फिर प्रोटॉन पंपिंग, फिर प्रवणता, फिर ATP संश्लेषण।

पेच यह है कि प्रोटॉन दूसरे रास्तों से भी लौट सकते हैं। ATP सिंथेज़ को दरकिनार करके होने वाली कोई भी वापसी प्रोटॉन रिसाव है। रिसाव के कारण झिल्ली विभव को स्थिर रखने के लिए शृंखला को उन्हीं प्रोटॉनों को दोबारा पंप करना पड़ता है। इससे अधिक ATP बनाए बिना अधिक ऑक्सीजन खर्च होती है। पर्याप्त रूप से प्रबल रिसाव अयुग्मन कहलाता है: ऑक्सीजन का उपयोग बढ़ता है, जबकि ATP स्थिर रहता है या घटता है, और व्यर्थ गई ऊर्जा ऊष्मा के रूप में निकल जाती है।

अवस्था 3, अवस्था 4 और श्वसन नियंत्रण अनुपात

इसकी पारंपरिक शब्दावली पृथक माइटोकॉन्ड्रिया के अध्ययन से आती है। अवस्था 3 वह श्वसन है जिसमें सब्सट्रेट और ADP दोनों मौजूद होते हैं: ATP सिंथेज़ प्रवणता को कम करता है, झिल्ली विभव गिरता है, उसे फिर बनाने के लिए शृंखला तेज़ होती है, और ऑक्सीजन का उपयोग अधिक होता है क्योंकि ATP बन रहा होता है। अवस्था 4, ADP खत्म होने के बाद का श्वसन है: ATP सिंथेज़ निष्क्रिय रहता है, प्रवणता बढ़ती है, ऊँचा झिल्ली विभव आगे की पंपिंग का विरोध करता है, और ऑक्सीजन का उपयोग घटकर उतना रह जाता है जितना रिसाव की भरपाई के लिए ज़रूरी है।

इसलिए श्वसन नियंत्रण अनुपात, यानी अवस्था 3 को अवस्था 4 से भाग देने पर मिला मान, बताता है कि प्रयोगात्मक तैयारी में युग्मन कितना मज़बूत है। ऊँचे अनुपात का मतलब है कि ADP श्वसन को मज़बूती से नियंत्रित करता है। अवस्था 4 बढ़ने के साथ अनुपात घटने का मतलब है कि रिसाव हावी हो रहा है। नीचे दिए गए मेथिलीन ब्लू के परिणामों को इसी दृष्टिकोण से समझा जा सकता है।

एक मानसिक मॉडल याद रखना उपयोगी है। ऊँचा झिल्ली विभव शृंखला को धीमा करता है। विभव का क्षय उसे तेज़ करता है। शृंखला इस बात पर प्रतिक्रिया देती है कि पंपिंग कितनी कठिन हो गई है, न कि सीधे इस बात पर कि ATP बन रहा है या नहीं।

जब दोनों मापनीय परिणाम साथ बदलते हैं

युग्मन का सबसे स्पष्ट उदाहरण अवरुद्ध श्वसन कॉम्प्लेक्स वाले गिनी पिग के मस्तिष्क से पृथक किए गए माइटोकॉन्ड्रिया से मिलता है। 100 nanomolar से 1 micromolar मेथिलीन ब्लू पर, ग्लूटामेट और मैलेट, सक्सिनेट या ग्लिसरोफॉस्फेट को ईंधन बनाने पर विश्राम अवस्था में ऑक्सीजन की खपत बढ़ी, जबकि ADP से प्रेरित श्वसन अपरिवर्तित रहा। जिन माइटोकॉन्ड्रिया में कॉम्प्लेक्स I या कॉम्प्लेक्स III को विषाक्त पदार्थ से अवरुद्ध किया गया था, उनमें इस रंजक ने ATP का उत्पादन थोड़ा बढ़ाया, झिल्ली विभव बहाल किया और कैल्शियम ग्रहण में सुधार किया। प्रस्तावित मार्ग एक छोटा रास्ता है: रंजक अवरोध से पहले इलेक्ट्रॉन ग्रहण करता है और उन्हें साइटोक्रोम c को दे देता है, जिससे क्षतिग्रस्त कॉम्प्लेक्स को दरकिनार किया जाता है।

युग्मन का दूसरा उदाहरण ATP के एक बिल्कुल अलग स्रोत का उपयोग करता है। ATP सिंथेज़ को अवरुद्ध किए गए पृथक मस्तिष्क माइटोकॉन्ड्रिया में भी मेथिलीन ब्लू ने परीक्षण किए गए हर सब्सट्रेट पर श्वसन बढ़ाया। लेकिन ATP संश्लेषण केवल अल्फा-कीटोग्लूटारेट और ग्लूटामेट पर बढ़ा, जो सक्सिनिल CoA बनाने वाले दो सब्सट्रेट हैं। जब ओलिगोमाइसिन ने ATP सिंथेज़ को अवरुद्ध किया, तो अतिरिक्त ATP ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन से नहीं, बल्कि साइट्रिक अम्ल चक्र में सक्सिनिल CoA लाइगेज़ द्वारा किए गए सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन से आया। जब कॉम्प्लेक्स I और ATP सिंथेज़ दोनों को एक साथ अवरुद्ध किया गया, तब रंजक ने झिल्ली विभव भी बहाल किया। यहाँ ऑक्सीजन का उपयोग और ATP साथ बढ़े, लेकिन केवल वहाँ जहाँ सब्सट्रेट ने ATP बनने के दूसरे मार्ग की अनुमति दी। सक्सिनेट या मैलेट पर अतिरिक्त ATP बने बिना श्वसन बढ़ा। वही रंजक, वही कक्ष, अलग ईंधन, अलग उत्तर।

जब दोनों मापनीय परिणाम अलग-अलग बदलते हैं

अलग-अलग बदलाव दिखाने वाले उदाहरण भी प्रकाशित हैं और उतने ही शिक्षाप्रद हैं। 1997 के एक अध्ययन में चूहे के यकृत से पृथक किए गए माइटोकॉन्ड्रिया में मेथिलीन ब्लू ने सक्सिनेट पर श्वसन करने वाले, मज़बूती से युग्मित माइटोकॉन्ड्रिया में अवस्था 4 का श्वसन तेज़ किया। इससे श्वसन नियंत्रण अनुपात घट गया। यह प्रभाव 0.5 micromolar से दिखाई देने लगा और 5 micromolar पर प्रबल था। यह सांद्रता 100 milligram के अंतःशिरा बोलस के बाद प्लाज़्मा में मिलने वाले स्तरों के करीब है। 5 micromolar पर माइटोकॉन्ड्रिया फूल भी गए, हालांकि युग्मन में दोष पहले ही कम सांद्रताओं पर दिखाई देने लगा था। यह इस विचार का समर्थन करता है कि रिसाव संरचनात्मक क्षति से पहले हुआ, न कि उसकी वजह से। अयुग्मित माइटोकॉन्ड्रिया में रंजक ने सांद्रता पर निर्भर तरीके से श्वसन बढ़ाया, और यह प्रभाव संतृप्ति तक पहुँच सकता था। दोनों प्रयोगात्मक तैयारियों में ऑक्सीजन का उपयोग बढ़ा। लेकिन खर्च हुई ऑक्सीजन की प्रति इकाई पर ATP संश्लेषण नहीं बढ़ा। यह एक ही अणु में अयुग्मन और इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण का पाठ्यपुस्तक जैसा उदाहरण है।

सबसे उल्लेखनीय अलगाव रेटिना में मिलता है। AIF की कमी वाले चूहों और रोटेनोन से उपचारित प्रकाशग्राही कोशिकाओं में मेथिलीन ब्लू ने रेटिना की मोटाई, प्रकाशग्राही कोशिकाओं के सूचक और माइटोकॉन्ड्रिया की संरचना बनाए रखी। उसने NADH से NAD का अनुपात घटाया और अनफोल्डेड प्रोटीन प्रतिक्रिया तथा माइटोफैजी सहित तनाव-संबंधी मार्गों की सक्रियता कम की। यह सब ATP की कमी दूर किए बिना हुआ। ऊर्जा बहाल हुए बिना संरक्षण मिलने का मतलब है कि लाभ अतिरिक्त ATP से नहीं, बल्कि रेडॉक्स संतुलन और माइटोकॉन्ड्रिया की अखंडता के माध्यम से आया। ऊतक के जीवित बने रहने को ऊर्जा उत्पादन की बहाली के बराबर मानने वाला कोई भी व्यक्ति इस प्रयोग को पूरी तरह गलत समझेगा।

मस्तिष्क माइटोकॉन्ड्रिया का शोध इसी हिसाब में एक लागत भी जोड़ता है। जिन कम सांद्रताओं ने जैवऊर्जात्मक प्रक्रियाओं में सुधार किया, उन्हीं ने परीक्षण की हर परिस्थिति में हाइड्रोजन पेरॉक्साइड का उत्पादन भी बढ़ाया और उसके निष्कासन को धीमा किया। यह माप किसी गैर-विशिष्ट रंजक के बजाय अंशांकित Amplex परीक्षण से किया गया था। अधिक ATP और अधिक ऑक्सीकारक साथ-साथ मिले।

अध्ययन पढ़ने की एक व्यावहारिक जाँच-सूची

चार प्रश्न युग्मित परिणाम को अयुग्मित परिणाम से अलग करते हैं।

पहला, वास्तव में कौन-सा मापनीय परिणाम मापा गया था। अकेले ऑक्सीजन की खपत ATP की जानकारी नहीं दे सकती। ATP संश्लेषण, झिल्ली विभव और श्वसन नियंत्रण अनुपात में से हर एक ऐसी जानकारी जोड़ता है जिसे ऑक्सीजन इलेक्ट्रोड नहीं देख सकता। मेथिलीन ब्लू शोध के दावों को पढ़ने की मार्गदर्शिका मापनीय परिणामों के प्रति इस अनुशासन को विस्तार से समझाती है।

दूसरा, माइटोकॉन्ड्रिया को कौन-सा सब्सट्रेट दिया गया था। सक्सिनिल CoA वाला परिणाम दिखाता है कि ईंधन का चुनाव यह तय कर सकता है कि अतिरिक्त श्वसन से अतिरिक्त ATP बन भी सकता है या नहीं।

तीसरा, कौन-सी सांद्रता इस्तेमाल की गई थी। मस्तिष्क माइटोकॉन्ड्रिया में nanomolar से निम्न micromolar सांद्रताओं वाले मेथिलीन ब्लू से मामूली जैवऊर्जात्मक लाभ मिले, लेकिन साथ में ऑक्सीकारक की लागत भी आई; यकृत माइटोकॉन्ड्रिया में 0.5 micromolar और उससे ऊपर युग्मन कमज़ोर हुआ; 5 micromolar पर फूलना भी जुड़ गया। सांद्रता क्रियाविधि का हिस्सा है, केवल पृष्ठभूमि की जानकारी नहीं।

चौथा, परिणाम किस प्रयोगात्मक मॉडल से मिला था। पृथक माइटोकॉन्ड्रिया आंतरिक कार्यप्रणाली दिखाते हैं, लेकिन अक्षुण्ण कोशिकाओं और ऊतकों में परिवहन, रंगहीन रूप में अपचयन और इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करने वाले प्रतिस्पर्धी मार्ग भी जुड़ जाते हैं। प्रयोगशाला में दी जाने वाली मात्रा पर किया गया शोध, जिसमें यह भी शामिल है कि सांद्रता और प्रयोग-विधि मेथिलीन ब्लू के प्रभावों को कैसे आकार देती हैं, कक्ष में मिले संख्यात्मक परिणामों और किसी व्यक्ति के बारे में किए गए दावे के बीच की कड़ी है।

ऑक्सीजन की खपत इलेक्ट्रॉन प्रवाह बताती है। ATP बताता है कि उस प्रवाह का कितना हिस्सा संचित हुआ। मेथिलीन ब्लू इनमें से किसी को भी बदल सकता है, और ऊपर के प्रयोग इससे उत्पन्न चारों तरह के परिणाम दिखाते हैं: दोनों बढ़ते हैं, श्वसन केवल वहाँ बढ़ता है जहाँ सब्सट्रेट अनुमति देता है, युग्मन घटने के साथ श्वसन बढ़ता है, और ATP स्थिर रहने के बावजूद ऊतक सुरक्षित रहता है। ऑक्सीजन इलेक्ट्रोड पर दिखने वाला अंक व्याख्या की शुरुआत है, उसका अंत नहीं।