Արդյո՞ք թթվածնի ավելի մեծ սպառումը նշանակում է ավելի շատ ATP։ Դասեր մեթիլենային կապույտի ուսումնասիրություններից

Մեկուսացված միտոքոնդրիումը գտնվում է խցիկում, որտեղ կա վառելիք, բայց չկա ADP։ Այն դանդաղ է սպառում թթվածինը։ Ավելացրեք ADP, և թթվածնի սպառումը կաճի մի քանի անգամ։ Սպասեք, մինչև ADP-ն սպառվի, և թթվածնի սպառումը կրկին կնվազի։ Վառելիքը չէր փոխվել։ Փոխվել էր միայն ATP-ի պահանջարկը։

Այս փոքր հաջորդականությունը պարունակում է այն ամբողջ տարբերությունը, որի մասին այս հոդվածն է։ Թթվածնի սպառումը չափում է, թե որքան արագ են էլեկտրոնները շնչառական շղթայով հոսում դեպի թթվածին։ ATP-ի արտադրությունը չափում է, թե այդ հոսքի որքան մասն է պահպանվում որպես օգտագործելի էներգիա։ Դրանք ունեն ընդհանուր միջանկյալ օղակ՝ միտոքոնդրիումի ներքին թաղանթի երկու կողմերի միջև պրոտոնային գրադիենտը։ Այն ամենը, ինչ փոխում է այդ գրադիենտի և ATP-ի սինթեզի զուգակցման սերտությունը, կարող է այս երկու վերջնական ցուցանիշները փոխել տարբեր ուղղություններով։ Մեթիլենային կապույտն այստեղ լավ ուսուցողական օրինակ է, քանի որ դիտվել են դրա երկու ազդեցություններն էլ․ որոշ պատրաստուկներում այն մեծացնում է թթվածնի սպառումը ATP-ի հետ միասին, իսկ մյուսներում՝ մեծացնում թթվածնի սպառումը, մինչդեռ ATP-ն մնում է անփոփոխ կամ նվազում է։

Այն ընթերցողները, որոնք նախ ուզում են հասկանալ էլեկտրոնների փոխանցման ավելի լայն պատկերը, կարող են սկսել նրանից, թե ինչպես է մեթիլենային կապույտը էլեկտրոններ տեղափոխում շնչառական շղթայով։ Իսկ թթվածնի հետ կապված վաղ փորձերի տերմինաբանությանը ծանոթանալ ցանկացողները կարող են կարդալ, թե իրականում ինչ էին ցույց տալիս շնչառության առաջին չափումները։

Շնչառությունը, ATP-ն և դրանց միջև եղած գրադիենտը

NADH-ից և FADH2-ից եկող էլեկտրոնները շղթա են մտնում I և II համալիրներում, III համալիրով անցնում են դեպի ցիտոքրոմ c, ապա IV համալիրով՝ դեպի թթվածին։ I, III և IV համալիրներում ազատվող էներգիան պրոտոնները մատրիքսից մղում է դեպի միջթաղանթային տարածություն։ Լիցքի և թթվայնության այս տարանջատումը պրոտոնաշարժ ուժն է, որի էլեկտրական բաղադրիչը՝ թաղանթային պոտենցիալը, սովորաբար գերակշռող մասն է։

ATP սինթազը թույլ է տալիս պրոտոններին հետ հոսել դեպի մատրիքս և ազատվող էներգիան օգտագործում է ADP-ն ու ֆոսֆատը միավորելու և ATP ստանալու համար։ Այսպիսով, հաջորդականությունն այսպիսին է․

թթվածնի սպառում, ապա պրոտոնների մղում, ապա գրադիենտ, ապա ATP-ի սինթեզ։

Բարդությունն այն է, որ պրոտոնները կարող են վերադառնալ նաև այլ ուղիներով։ ATP սինթազը շրջանցող ցանկացած վերադարձ պրոտոնների արտահոսք է։ Արտահոսքը ստիպում է շղթային նույն պրոտոնները կրկին մղել՝ թաղանթային պոտենցիալը կայուն պահելու համար։ Դա ավելի շատ թթվածին է պահանջում՝ առանց ավելի շատ ATP արտադրելու։ Բավական ուժեղ արտահոսքը հանգեցնում է ապազուգակցման․ թթվածնի սպառումն աճում է, մինչդեռ ATP-ն մնում է անփոփոխ կամ նվազում է, իսկ չօգտագործված էներգիան հեռանում է ջերմության տեսքով։

Վիճակ 3, վիճակ 4 և շնչառական վերահսկման հարաբերակցությունը

Այս երևույթի դասական տերմինաբանությունը գալիս է մեկուսացված միտոքոնդրիումների ուսումնասիրություններից։ Վիճակ 3-ը շնչառությունն է սուբստրատի և ADP-ի առկայության պայմաններում․ ATP սինթազը նվազեցնում է գրադիենտը, թաղանթային պոտենցիալն իջնում է, շղթան արագանում է այն վերականգնելու համար, և թթվածնի սպառումը բարձր է, քանի որ արտադրվում է ATP։ Վիճակ 4-ը շնչառությունն է ADP-ի սպառվելուց հետո․ ATP սինթազը պարապուրդի է մատնվում, գրադիենտն աճում է, բարձր թաղանթային պոտենցիալը դիմադրում է հետագա մղմանը, և թթվածնի սպառումը նվազում է մինչև արտահոսքը փոխհատուցելու համար անհրաժեշտ մակարդակը։

Հետևաբար, շնչառական վերահսկման հարաբերակցությունը՝ վիճակ 3-ը բաժանած վիճակ 4-ի վրա, ցույց է տալիս, թե որքան սերտ է զուգակցումը տվյալ պատրաստուկում։ Բարձր հարաբերակցությունը նշանակում է, որ ADP-ն ուժեղ է վերահսկում շնչառությունը։ Վիճակ 4-ի աճին զուգահեռ հարաբերակցության նվազումը նշանակում է, որ արտահոսքը սկսում է գերակշռել։ Հենց այս դիտանկյունից են հասկանալի դառնում ստորև ներկայացված մեթիլենային կապույտի արդյունքները։

Արժե մտքում պահել մեկ մոդել։ Բարձր թաղանթային պոտենցիալը դանդաղեցնում է շղթան։ Պոտենցիալի ցրումն արագացնում է այն։ Շղթան արձագանքում է նրան, թե որքան դժվար է դարձել պրոտոնների մղումը, այլ ոչ թե անմիջապես նրան, թե արդյոք ATP է արտադրվում։

Երբ վերջնական ցուցանիշները փոխվում են միասին

Զուգակցված փոփոխության ամենահստակ օրինակը գալիս է շնչառական համալիրների արգելափակմամբ՝ ծովախոզուկի ուղեղի մեկուսացված միտոքոնդրիումների ուսումնասիրությունից։ Մեթիլենային կապույտի 100 նանոմոլարից մինչև 1 միկրոմոլար կոնցենտրացիաների դեպքում հանգստի պայմաններում թթվածնի սպառումն աճում էր, երբ որպես վառելիք օգտագործվում էին գլուտամատը և մալատը, սուկցինատը կամ գլիցերոֆոսֆատը, մինչդեռ ADP-ով խթանված շնչառությունը մնում էր անփոփոխ։ I կամ III համալիրում թունավոր նյութով արգելակված միտոքոնդրիումներում ներկանյութը չափավոր մեծացնում էր ATP-ի արտադրությունը, վերականգնում թաղանթային պոտենցիալը և բարելավում կալցիումի կլանումը։ Առաջարկվող ուղին կարճ շրջանցում է․ ներկանյութն ընդունում է էլեկտրոնները արգելափակված հատվածից առաջ և փոխանցում դրանք ցիտոքրոմ c-ին՝ շրջանցելով վնասված համալիրը։

Զուգակցված փոփոխության երկրորդ դեպքում օգտագործվում է ATP-ի բոլորովին այլ աղբյուր։ ATP սինթազի արգելակմամբ՝ ուղեղի մեկուսացված միտոքոնդրիումներում մեթիլենային կապույտը շարունակում էր խթանել շնչառությունը փորձարկված բոլոր սուբստրատների դեպքում։ Բայց ATP-ի սինթեզն աճում էր միայն ալֆա-կետոգլուտարատի և գլուտամատի դեպքում՝ այն երկու սուբստրատների, որոնցից առաջանում է սուկցինիլ-CoA։ Երբ օլիգոմիցինն արգելափակում էր ATP սինթազը, լրացուցիչ ATP-ն առաջանում էր կիտրոնաթթվային ցիկլում սուկցինիլ-CoA լիգազի միջոցով կատարվող սուբստրատային մակարդակի ֆոսֆորիլացումից, ոչ թե օքսիդատիվ ֆոսֆորիլացումից։ Ներկանյութը նաև վերականգնում էր թաղանթային պոտենցիալը, երբ I համալիրը և ATP սինթազը միաժամանակ էին արգելակված։ Այստեղ թթվածնի սպառումն ու ATP-ն փոխվում էին միասին, բայց միայն այն դեպքում, երբ սուբստրատը թույլ էր տալիս գործել ATP-ի առաջացման երկրորդ ուղուն։ Սուկցինատի կամ մալատի դեպքում շնչառությունն աճում էր՝ առանց լրացուցիչ ATP-ի։ Նույն ներկանյութը, նույն խցիկը, այլ վառելիք, այլ պատասխան։

Երբ վերջնական ցուցանիշները տարամիտվում են

Տարամիտման դեպքերը նույնպես հրապարակված են և նույնքան ուսանելի։ 1997 թվականի՝ առնետի լյարդի մեկուսացված միտոքոնդրիումների ուսումնասիրության մեջ մեթիլենային կապույտն արագացնում էր վիճակ 4-ի շնչառությունը սուկցինատով շնչող, սերտ զուգակցված միտոքոնդրիումներում, ինչը նվազեցնում էր շնչառական վերահսկման հարաբերակցությունը։ Ազդեցությունը նկատելի էր 0.5 միկրոմոլարից սկսած և ուժեղ էր 5 միկրոմոլարի դեպքում՝ կոնցենտրացիա, որը մոտ է 100 միլիգրամի ներերակային բոլյուսային ներարկումից հետո պլազմայում դիտվող մակարդակներին։ 5 միկրոմոլարի դեպքում միտոքոնդրիումները նաև ուռչում էին, սակայն զուգակցման խանգարումը նախ հայտնվում էր ավելի ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում։ Սա հուշում է, որ արտահոսքը նախորդում էր կառուցվածքային վնասմանը, այլ ոչ թե առաջանում դրա հետևանքով։ Ապազուգակցված միտոքոնդրիումներում ներկանյութը շնչառությունը խթանում էր կոնցենտրացիայից կախված ձևով, ընդ որում ազդեցությունը հասնում էր հագեցման։ Երկու պատրաստուկներում էլ թթվածնի սպառումն աճում էր։ Սպառված թթվածնի մեկ միավորի հաշվով ATP-ի սինթեզը չէր աճում։ Սա ապազուգակցման և էլեկտրոնների տեղափոխման դասական համադրություն է՝ նույն մոլեկուլում։

Ամենավառ տարանջատումը դիտվել է ցանցաթաղանթում։ AIF-ի պակասով մկների և ռոտենոնով մշակված լուսընկալիչ բջիջների ուսումնասիրության մեջ մեթիլենային կապույտը պահպանում էր ցանցաթաղանթի հաստությունը, լուսընկալիչների մարկերները և միտոքոնդրիումների կառուցվածքը։ Այն նաև նվազեցնում էր NADH-ի և NAD-ի հարաբերակցությունը և թուլացնում սթրեսային ուղիների ակտիվությունը, այդ թվում՝ չծալված սպիտակուցների նկատմամբ պատասխանը և միտոֆագիան։ Դա տեղի էր ունենում առանց ATP-ի պակասը շտկելու։ Պաշտպանությունն առանց էներգիայի վերականգնման նշանակում է, որ օգտակար ազդեցությունն իրականացվում էր օքսիդավերականգնման հավասարակշռության և միտոքոնդրիումների ամբողջականության միջոցով, ոչ թե լրացուցիչ ATP-ի։ Յուրաքանչյուր ոք, ով հյուսվածքի գոյատևումը նույնացներ էներգիայի արտադրության վերականգնման հետ, ամբողջությամբ սխալ կմեկնաբաներ այդ փորձը։

Ուղեղի միտոքոնդրիումների ուսումնասիրությունն այս նույն հաշվեկշռին ավելացնում է նաև դրա գնի սյունակը։ Նույն ցածր կոնցենտրացիաները, որոնք բարելավում էին բիոէներգետիկան, նաև մեծացնում էին ջրածնի պերօքսիդի առաջացումը փորձարկված բոլոր պայմաններում և դանդաղեցնում դրա հեռացումը։ Սա չափվել էր տրամաչափարկված Amplex անալիզով, ոչ թե ոչ յուրահատուկ ներկանյութով։ Ավելի շատ ATP-ն և ավելի շատ օքսիդացնող նյութը հայտնվում էին միասին։

Արդյունքները կարդալու գործնական ստուգացանկ

Չորս հարց օգնում են զուգակցված արդյունքը տարբերել ապազուգակցվածից։

Առաջին՝ իրականում ո՞ր վերջնական ցուցանիշն է չափվել։ Միայն թթվածնի սպառումը չի կարող տեղեկություն տալ ATP-ի մասին։ ATP-ի սինթեզը, թաղանթային պոտենցիալը և շնչառական վերահսկման հարաբերակցությունը յուրաքանչյուրը լրացնում են պատկերի մի մասը, որը թթվածնային էլեկտրոդը չի կարող տեսնել։ Մեթիլենային կապույտի վերաբերյալ հետազոտական պնդումները կարդալու ուղեցույցը մանրամասն ներկայացնում է վերջնական ցուցանիշների մեկնաբանման այս մոտեցումը։

Երկրորդ՝ ո՞ր սուբստրատն էր սնուցում միտոքոնդրիումները։ Սուկցինիլ-CoA-ի արդյունքը ցույց է տալիս, որ վառելիքի ընտրությունը կարող է որոշել՝ արդյոք լրացուցիչ շնչառությունն ընդհանրապես կարող է վերածվել լրացուցիչ ATP-ի։

Երրորդ՝ ո՞ր կոնցենտրացիան էր օգտագործվել։ Ուղեղի միտոքոնդրիումներում մեթիլենային կապույտի նանոմոլարից մինչև ցածր միկրոմոլար կոնցենտրացիաները տալիս էին բիոէներգետիկայի չափավոր բարելավում՝ օքսիդացնող նյութերի ավելացման գնով։ Լյարդի միտոքոնդրիումներում կես միկրոմոլար և ավելի բարձր կոնցենտրացիաները թուլացնում էին զուգակցումը, իսկ 5 միկրոմոլարը նաև առաջացնում էր ուռչում։ Կոնցենտրացիան մեխանիզմի մաս է, ոչ թե երկրորդական մանրամասնություն։

Չորրորդ՝ ո՞ր մոդելում էր ստացվել արդյունքը։ Մեկուսացված միտոքոնդրիումները բացահայտում են ներքին կապերի սխեման, բայց ամբողջական բջիջներն ու հյուսվածքները դրան ավելացնում են փոխադրումը, մինչև անգույն ձևը վերականգնումը և էլեկտրոններն ընդունող մրցակցող ուղիները։ Լաբորատոր դոզավորման ուսումնասիրությունները, այդ թվում՝ այն, թե ինչպես են կոնցենտրացիան և փորձակարգը ձևավորում մեթիլենային կապույտի ազդեցությունները, կամուրջ են խցիկում ստացված թվերի և մարդու մասին ցանկացած պնդման միջև։

Թթվածնի սպառումը ցույց է տալիս էլեկտրոնների հոսքը։ ATP-ն ցույց է տալիս, թե այդ հոսքի որքան մասն է պահպանվել որպես էներգիա։ Մեթիլենային կապույտը կարող է փոխել դրանցից յուրաքանչյուրը, և վերը նկարագրված փորձերը ցույց են տալիս հնարավոր բոլոր չորս համադրությունները․ երկուսն էլ աճում են, շնչառության աճն ուղեկցվում է ATP-ի աճով միայն այն դեպքում, երբ սուբստրատը դա թույլ է տալիս, շնչառությունն աճում է՝ զուգակցման թուլացման պայմաններում, և հյուսվածքը պահպանվում է, մինչդեռ ATP-ն մնում է անփոփոխ։ Թթվածնային էլեկտրոդի ցույց տված թիվը մեկնաբանության սկիզբն է, ոչ թե վերջը։