ნიშნავს თუ არა ჟანგბადის მეტი მოხმარება მეტ ATP-ს? გაკვეთილები მეთილენის ლურჯის კვლევებიდან

იზოლირებული მიტოქონდრია მოთავსებულია კამერაში, სადაც არის საწვავი, მაგრამ არ არის ADP. ის ჟანგბადს ნელა მოიხმარს. ADP-ის დამატებისას ჟანგბადის მოხმარება რამდენჯერმე იზრდება. როცა ADP ამოიწურება, ჟანგბადის მოხმარება კვლავ მცირდება. საწვავი არ შეცვლილა. შეიცვალა მხოლოდ ATP-ზე მოთხოვნა.

ამ მოკლე თანმიმდევრობაში ჩანს მთელი განსხვავება, რომელსაც ეს სტატია ეხება. ჟანგბადის მოხმარება ზომავს, რამდენად სწრაფად მიედინება ელექტრონები სასუნთქი ჯაჭვის გავლით ჟანგბადისკენ. ATP-ის წარმოქმნა კი ზომავს, ამ ნაკადის რა ნაწილი ინახება გამოსაყენებელი ენერგიის სახით. მათ საერთო შუალედური საფეხური აქვთ — პროტონული გრადიენტი მიტოქონდრიის შიდა მემბრანის გასწვრივ. ყველაფერი, რაც ცვლის ამ გრადიენტის ATP-ის სინთეზთან შეუღლების სიმჭიდროვეს, შეიძლება ამ ორ საბოლოო მაჩვენებელზე განსხვავებული მიმართულებით მოქმედებდეს. მეთილენის ლურჯი ამის კარგი თვალსაჩინო მაგალითია, რადგან ორივე მოქმედება აქვს გამოვლენილი: ზოგ პრეპარატში ის ჟანგბადის მოხმარებას ATP-სთან ერთად ზრდის, სხვებში კი ჟანგბადის მოხმარებას ზრდის მაშინ, როცა ATP უცვლელი რჩება ან მცირდება.

მკითხველებს, რომლებსაც ჯერ ელექტრონების გადაცემის უფრო ფართო სურათის გაცნობა სურთ, შეუძლიათ დაიწყონ იმით, თუ როგორ გადააქვს მეთილენის ლურჯს ელექტრონები სასუნთქ ჯაჭვში. ხოლო მათ, ვისაც ჟანგბადზე ჩატარებული ადრეული ექსპერიმენტების ტერმინოლოგიის გაგება სურს, შეუძლიათ წაიკითხონ, რა აჩვენა სინამდვილეში სუნთქვის პირველმა გაზომვებმა.

სუნთქვა, ATP და მათ შორის არსებული გრადიენტი

NADH-დან და FADH2-დან ელექტრონები ჯაჭვში I და II კომპლექსებთან შედის, III კომპლექსის გავლით ციტოქრომ c-ს გადაეცემა, შემდეგ კი IV კომპლექსის გავლით — ჟანგბადს. I, III და IV კომპლექსებთან გამოთავისუფლებული ენერგია პროტონებს მატრიქსიდან მემბრანათაშორის სივრცეში გადატუმბავს. მუხტისა და მჟავიანობის ეს განცალკევება ქმნის პროტონულ მამოძრავებელ ძალას, რომლის ელექტრული კომპონენტი — მემბრანული პოტენციალი — ჩვეულებრივ, დომინირებს.

ATP-სინთაზა პროტონებს მატრიქსში დაბრუნების საშუალებას აძლევს და გამოთავისუფლებულ ენერგიას ADP-ისა და ფოსფატის ATP-ად შესაერთებლად იყენებს. ამგვარად, თანმიმდევრობა ასეთია:

ჟანგბადის მოხმარება, შემდეგ პროტონების გადატუმბვა, შემდეგ გრადიენტი, შემდეგ ATP-ის სინთეზი.

სირთულე ისაა, რომ პროტონებს დაბრუნება სხვა გზებითაც შეუძლიათ. ნებისმიერი დაბრუნება, რომელიც ATP-სინთაზას გვერდს უვლის, პროტონების გაჟონვაა. გაჟონვა ჯაჭვს აიძულებს, მემბრანული პოტენციალის სტაბილურად შესანარჩუნებლად იგივე პროტონები ხელახლა გადატუმბოს. ეს მეტ ჟანგბადს მოიხმარს, მაგრამ მეტ ATP-ს არ წარმოქმნის. საკმარისად ძლიერი გაჟონვა განშეუღლებას იწვევს: ჟანგბადის მოხმარება იზრდება, მაშინ როცა ATP უცვლელი რჩება ან მცირდება, ხოლო დაკარგული ენერგია სითბოს სახით გამოიყოფა.

მდგომარეობა 3, მდგომარეობა 4 და სუნთქვის კონტროლის კოეფიციენტი

ამის კლასიკური ტერმინოლოგია იზოლირებული მიტოქონდრიების კვლევებიდან მომდინარეობს. მდგომარეობა 3 არის სუნთქვა სუბსტრატისა და ADP-ის არსებობისას: ATP-სინთაზა გრადიენტს ამცირებს, მემბრანული პოტენციალი ეცემა, ჯაჭვი მის აღსადგენად ჩქარდება, ხოლო ჟანგბადის მოხმარება მაღალია, რადგან ATP წარმოიქმნება. მდგომარეობა 4 არის სუნთქვა ADP-ის ამოწურვის შემდეგ: ATP-სინთაზა უმოქმედო ხდება, გრადიენტი იზრდება, მაღალი მემბრანული პოტენციალი შემდგომ გადატუმბვას ეწინააღმდეგება და ჟანგბადის მოხმარება მცირდება იმ დონემდე, რომელიც გაჟონვის კომპენსაციისთვისაა საჭირო.

ამიტომ სუნთქვის კონტროლის კოეფიციენტი — მდგომარეობა 3 გაყოფილი მდგომარეობა 4-ზე — აჩვენებს, რამდენად მჭიდროდ არის შეუღლებული პროცესები პრეპარატში. მაღალი კოეფიციენტი ნიშნავს, რომ ADP სუნთქვას ძლიერ აკონტროლებს. კოეფიციენტის შემცირება მდგომარეობა 4-ის სუნთქვის მატებასთან ერთად ნიშნავს, რომ გაჟონვა დომინანტური ხდება. ქვემოთ მოყვანილი მეთილენის ლურჯის შედეგები სწორედ ამ ჭრილში ხდება გასაგები.

ღირს ერთი წარმოდგენის დამახსოვრება. მაღალი მემბრანული პოტენციალი ჯაჭვს ანელებს. პოტენციალის გაფანტვა მას აჩქარებს. ჯაჭვი რეაგირებს იმაზე, რამდენად გართულდა გადატუმბვა, და არა უშუალოდ იმაზე, წარმოიქმნება თუ არა ATP.

როცა საბოლოო მაჩვენებლები ერთად იცვლება

შეუღლების ყველაზე მკაფიო მაგალითი მოდის ზღვის გოჭის ტვინის იზოლირებული მიტოქონდრიებიდან, რომელთა სასუნთქი კომპლექსებიც დაბლოკილი იყო. მეთილენის ლურჯის 100 ნანომოლარიდან 1 მიკრომოლარამდე კონცენტრაციებზე მოსვენებულ მდგომარეობაში ჟანგბადის მოხმარება იზრდებოდა, როცა საწვავად გამოიყენებოდა გლუტამატი მალატთან ერთად, სუქცინატი ან გლიცეროფოსფატი, ხოლო ADP-ით სტიმულირებული სუნთქვა უცვლელი რჩებოდა. მიტოქონდრიებში, რომელთა I ან III კომპლექსიც ტოქსიკური ზემოქმედებით იყო დათრგუნული, საღებავი ზომიერად ზრდიდა ATP-ის წარმოქმნას, აღადგენდა მემბრანულ პოტენციალს და აუმჯობესებდა კალციუმის ათვისებას. შემოთავაზებული გზა შემოვლითია: საღებავი ელექტრონებს ბლოკირების ადგილამდე იღებს და ციტოქრომ c-ს გადასცემს, რითაც დაზიანებულ კომპლექსს გვერდს უვლის.

შეუღლების მეორე მაგალითში ATP-ის სრულიად განსხვავებული წყაროა გამოყენებული. ტვინის იზოლირებულ მიტოქონდრიებში, რომლებშიც ATP-სინთაზა დათრგუნული იყო, მეთილენის ლურჯი მაინც ასტიმულირებდა სუნთქვას ყველა გამოკვლეულ სუბსტრატზე. თუმცა ATP-ის სინთეზი იზრდებოდა მხოლოდ ალფა-კეტოგლუტარატისა და გლუტამატის შემთხვევაში — ეს ორი სუბსტრატი სუქცინილ-CoA-ს წარმოქმნის. როცა ოლიგომიცინი ATP-სინთაზას ბლოკავდა, დამატებითი ATP წარმოიქმნებოდა ლიმონმჟავას ციკლში სუქცინილ-CoA-ლიგაზის მიერ სუბსტრატულ დონეზე ფოსფორილირებით და არა ჟანგვითი ფოსფორილირებით. საღებავი მემბრანულ პოტენციალსაც აღადგენდა, როცა I კომპლექსი და ATP-სინთაზა ერთდროულად იყო დათრგუნული. აქ ჟანგბადის მოხმარება და ATP ერთად იზრდებოდა, მაგრამ მხოლოდ მაშინ, როცა სუბსტრატი ATP-ის წარმოქმნის მეორე გზას შესაძლებელს ხდიდა. სუქცინატზე ან მალატზე სუნთქვა დამატებითი ATP-ის გარეშე იზრდებოდა. იგივე საღებავი, იგივე კამერა, განსხვავებული საწვავი — განსხვავებული პასუხი.

როცა საბოლოო მაჩვენებლები ერთმანეთს სცილდება

მაჩვენებლების დაშორების შემთხვევებიც გამოქვეყნებულია და არანაკლებ საგულისხმოა. 1997 წლის კვლევაში, რომელიც ვირთაგვის ღვიძლის იზოლირებულ მიტოქონდრიებზე ჩატარდა, მეთილენის ლურჯი აჩქარებდა მდგომარეობა 4-ის სუნთქვას მჭიდროდ შეუღლებულ მიტოქონდრიებში, რომლებიც სუნთქვისთვის სუქცინატს იყენებდნენ. ეს სუნთქვის კონტროლის კოეფიციენტს ამცირებდა. ეფექტი შესამჩნევი იყო 0.5 მიკრომოლარიდან და ძლიერი იყო 5 მიკრომოლარზე — კონცენტრაციაზე, რომელიც ახლოსაა პლაზმაში არსებულ დონეებთან 100 მილიგრამის ინტრავენური ბოლუსური შეყვანის შემდეგ. 5 მიკრომოლარზე მიტოქონდრიები ასევე შუპდებოდა, თუმცა შეუღლების დარღვევა პირველად უფრო დაბალ კონცენტრაციებზე ჩნდებოდა. ეს მიუთითებს, რომ გაჟონვა სტრუქტურულ დაზიანებას წინ უსწრებდა და მისგან არ გამომდინარეობდა. განშეუღლებულ მიტოქონდრიებში საღებავი სუნთქვას ასტიმულირებდა კონცენტრაციაზე დამოკიდებული, გაჯერებადი გზით. ჟანგბადის მოხმარება ორივე პრეპარატში იზრდებოდა. მოხმარებული ჟანგბადის ერთეულზე ATP-ის სინთეზი კი — არა. ეს განშეუღლებისა და ელექტრონების გადატანის კლასიკური მაგალითია, ერთსა და იმავე მოლეკულაში.

ყველაზე თვალსაჩინო დაშორება ბადურის კვლევაში ჩანს. AIF-ის დეფიციტის მქონე თაგვებსა და როტენონით დამუშავებულ ფოტორეცეპტორულ უჯრედებში მეთილენის ლურჯი ინარჩუნებდა ბადურის სისქეს, ფოტორეცეპტორების მარკერებსა და მიტოქონდრიების სტრუქტურას. ამასთან, ის ამცირებდა NADH-ის NAD-თან შეფარდებას და თრგუნავდა სტრესის გზებს, მათ შორის გაუშლელ ცილებზე პასუხსა და მიტოფაგიას. ეს ხდებოდა ATP-ის დეფიციტის გამოსწორების გარეშე. დაცვა ენერგიის აღდგენის გარეშე ნიშნავს, რომ სარგებელი რედოქს-ბალანსისა და მიტოქონდრიული მთლიანობის შენარჩუნებით მიიღებოდა და არა დამატებითი ATP-ით. ვინც ქსოვილის გადარჩენას ენერგიის გამომუშავების აღდგენასთან გააიგივებდა, ამ ექსპერიმენტს სრულიად არასწორად გაიგებდა.

ტვინის მიტოქონდრიებზე ჩატარებული კვლევა ამავე სურათს დანახარჯის მხარესაც ამატებს. იგივე დაბალი კონცენტრაციები, რომლებიც ბიოენერგეტიკას აუმჯობესებდა, ყველა გამოკვლეულ პირობებში ზრდიდა წყალბადის ზეჟანგის წარმოქმნას და ანელებდა მის მოცილებას. ეს გაზომილი იყო კალიბრირებული Amplex-ის ანალიზით და არა არასპეციფიკური საღებავით. მეტ ATP-ს მეტი ოქსიდანტიც ახლდა.

პრაქტიკული საკონტროლო სია კვლევის წასაკითხად

ოთხი კითხვა განასხვავებს შეუღლებულ შედეგს განშეუღლებულისგან.

პირველი: რომელი საბოლოო მაჩვენებელი გაიზომა სინამდვილეში? მხოლოდ ჟანგბადის მოხმარება ATP-ის შესახებ ინფორმაციას ვერ იძლევა. ATP-ის სინთეზი, მემბრანული პოტენციალი და სუნთქვის კონტროლის კოეფიციენტი თითოეულად ამატებს იმ სურათის ნაწილს, რომელსაც ჟანგბადის ელექტროდი ვერ ხედავს. მეთილენის ლურჯის კვლევებზე დაფუძნებული მტკიცებების წაკითხვის გზამკვლევი საბოლოო მაჩვენებლების შეფასების ამ მიდგომას დეტალურად განიხილავს.

მეორე: რომელი სუბსტრატით იკვებებოდა მიტოქონდრიები? სუქცინილ-CoA-ს შედეგი აჩვენებს, რომ საწვავის არჩევანმა შეიძლება განსაზღვროს, საერთოდ გადაიქცევა თუ არა დამატებითი სუნთქვა დამატებით ATP-ად.

მესამე: რა კონცენტრაცია გამოიყენებოდა? ტვინის მიტოქონდრიებში მეთილენის ლურჯის ნანომოლარიდან დაბალ მიკრომოლარულ კონცენტრაციებამდე დიაპაზონი იძლეოდა ზომიერ ბიოენერგეტიკულ გაუმჯობესებას, რომელსაც ოქსიდანტის მატება ახლდა; ღვიძლის მიტოქონდრიებში ნახევარი მიკრომოლარი და უფრო მაღალი კონცენტრაციები შეუღლებას ასუსტებდა; 5 მიკრომოლარზე ამას შეშუპებაც ემატებოდა. კონცენტრაცია მექანიზმის ნაწილია და არა ფონური დეტალი.

მეოთხე: რომელ მოდელში მიიღეს შედეგი? იზოლირებული მიტოქონდრიები პროცესების კავშირებს ავლენს, მაგრამ მთლიან უჯრედებსა და ქსოვილებში დამატებით მოქმედებს ტრანსპორტი, უფერო ფორმამდე აღდგენა და ელექტრონების კონკურენტული მიმღებები. ლაბორატორიული დოზირების კვლევა, მათ შორის ის, თუ როგორ განსაზღვრავს კონცენტრაცია და პროტოკოლი მეთილენის ლურჯის ეფექტებს, დამაკავშირებელი რგოლია კამერაში მიღებულ რიცხვებსა და ადამიანზე ნებისმიერ მტკიცებას შორის.

ჟანგბადის მოხმარება ასახავს ელექტრონების ნაკადს. ATP ასახავს, ამ ნაკადის რა ნაწილი იქნა შენახული. მეთილენის ლურჯს შეუძლია შეცვალოს ერთიც და მეორეც, ხოლო ზემოთ მოყვანილი ექსპერიმენტები ოთხივე შესაბამის კომბინაციას აჩვენებს: ორივე იზრდება; სუნთქვა იზრდება მხოლოდ იქ, სადაც სუბსტრატი ამის საშუალებას იძლევა; სუნთქვა იზრდება, ხოლო შეუღლება მცირდება; და ქსოვილი შენარჩუნებულია, მაშინ როცა ATP უცვლელი რჩება. ჟანგბადის ელექტროდზე ნაჩვენები რიცხვი ინტერპრეტაციის დასაწყისია და არა დასასრული.