მეთილენის ლურჯი და მიტოქონდრიები: ელექტრონების ტრანსპორტი და მტკიცებულებები

წარმოიდგინეთ გვერდიგვერდ მოთავსებული ორი პრეპარატი. ორივე შეიცავს ტვინის მიტოქონდრიებს, რომლებიც მოწამლულია როტენონით — ქიმიური ნივთიერებით, რომელიც სუნთქვითი ჯაჭვის I კომპლექსს ბლოკავს. ერთში ექსპერიმენტატორი პიპეტით ამატებს მეთილენის ლურჯის მიკრომოლარულ დოზას. ჟანგბადის მოხმარება ნაწილობრივ აღდგება. მემბრანის პოტენციალი ნაწილობრივ ბრუნდება. ATP-ის მცირე რაოდენობით სინთეზი კვლავ იწყება. მეზობელ კიუვეტაში პეროქსიდის სენსორი ამბის მეორე ნახევარს გვიჩვენებს: წყალბადის პეროქსიდის წარმოქმნა რამდენჯერმე გაიზარდა ყველა გამოცდილი დოზისა და ყველა გამოყენებული სუბსტრატის პირობებში.

ორივე მაჩვენებელი სწორია. მეთილენის ლურჯი ელექტრონების გადამტანია, რომელსაც შეუძლია სუნთქვითი ჯაჭვის დაზიანებული მონაკვეთის გვერდის ავლით ელექტრონების ნაკადი შეინარჩუნოს, თუმცა ამავე გადატანას პეროქსიდის მატება ახლავს. თუ ორივე ფაქტს ერთდროულად გაითვალისწინებთ, მეთილენის ლურჯის მიტოქონდრიული მოქმედების შესახებ ლიტერატურა გასაგები გახდება. თუ მხოლოდ ერთს გაითვალისწინებთ, ის სასწაულად ან საფრთხედ მოგეჩვენებათ — იმის მიხედვით, რომელი ნაშრომი გახსენით პირველად.

ელექტრონების გადატანა, მარტივად ახსნილი

სუნთქვითი ჯაჭვი ესტაფეტის ხაზს ჰგავს. ელექტრონები მასში შედის I კომპლექსთან (NADH-დან) ან II კომპლექსთან და მასთან დაკავშირებულ ფლავინურ ფერმენტებთან (სუქცინატიდან და მსგავსი დონორებიდან), III კომპლექსის გავლით გადადის მოძრავ გადამტან ციტოქრომ c-ზე, შემდეგ კი IV კომპლექსის გავლით — ჟანგბადზე. ყოველი გადაცემა პროტონებს შიდა მემბრანის მეორე მხარეს გადატუმბავს, ხოლო წარმოქმნილი გრადიენტი ATP-ის სინთეზს ამოძრავებს. ნებისმიერი სადგურის დაბლოკვისას მის წინ მდებარე მონაკვეთზე ნაკადი ჩერდება.

მეთილენის ლურჯი ამ პროცესში პარალელურ კურიერად ერთვება. მისი დაჟანგული ფორმა ელექტრონებს იღებს ჯაჭვის წინა მონაკვეთის გადამტანებისგან და უფერო აღდგენილ ფორმად, ლეიკომეთილენის ლურჯად, გარდაიქმნება. ეს ფორმა შემდეგ ელექტრონებს ჯაჭვის მომდევნო მონაკვეთს გადასცემს და კვლავ ლურჯი ხდება. ეს ორი ფორმა აღწერილია ჟანგვა-აღდგენითი წყვილის განხილვაში, ხოლო გადაცემის უფრო ფართო სურათი — მოქმედების ზოგადი მექანიზმის განმარტებაში. ღიად რჩება კითხვა, სად ბრუნდება კურიერი ჯაჭვში: III კომპლექსის ქინოლის შემაკავშირებელ უბანში, რომელსაც Qo უბანი ეწოდება, თუ უშუალოდ ციტოქრომ c-ზე. რომელი გამოსავალი ჭარბობს, პირობებზეა დამოკიდებული, როგორც ამას დეტალურად განმარტავს III კომპლექსის გვერდის ავლის ანალიზი.

რა გაზომა სინამდვილეში მღრღნელებზე ჩატარებულმა სამმა კვლევამ

სამივე კვლევაში გამოყენებული იყო ტვინის იზოლირებული მიტოქონდრიები — უჯრედიდან ამოღებული და განსაზღვრული შემადგენლობის ბუფერში შეწონილი ორგანელები. არ ყოფილა არც დაუზიანებელი უჯრედები, არც ცხოველები, რომლებსაც ნივთიერება მისცეს, და არც ადამიანებზე კვლევა. კონცენტრაციები ეხება ორგანელების გარშემო არსებულ ხსნარს და არა ადამიანის პერორალურ დოზას. თუ ამ ჩარჩოს არ გასცდებით, რიცხვები მკაფიო სურათს მოგცემთ.

პირველმა კვლევამ, რომელიც ჩატარდა ზღვის გოჭის ტვინის იზოლირებულ მიტოქონდრიებში, 100 ნანომოლარულიდან 2 მიკრომოლარულამდე კონცენტრაციებით, სარგებელი და დანახარჯი ერთ პრეპარატში შეაფასა. ჯანმრთელ მიტოქონდრიებში საღებავმა მოსვენებისას ჟანგბადის მოხმარება გაზარდა, მაგრამ ADP-ით სტიმულირებული სუნთქვა უცვლელი დატოვა, ამიტომ მასთან შეუღლებული ATP-ის წარმოქმნა არ გაუმჯობესებულა. I კომპლექსის ბლოკადისას 2 მიკრომოლარულმა კონცენტრაციამ ATP-ის სინთეზი 46-დან 93 ნანომოლამდე გაზარდა წუთში თითო მილიგრამზე, მაშინ როცა ნორმალური სიჩქარე დაახლოებით 1109 იყო. III კომპლექსის ბლოკადისას იმავე დოზამ ATP-ის წარმოქმნა დაახლოებით 46-დან 63-მდე გაზარდა, ნორმალური სიჩქარის — დაახლოებით 910-ის — ფონზე. მემბრანის პოტენციალი და კალციუმის შთანთქმა ნაწილობრივ აღდგა. ციანიდით გამოწვეული IV კომპლექსის ბლოკადის გვერდის ავლა ვერ მოხერხდა, რაც ნიშნავს, რომ ელექტრონების სასარგებლო გამოსავალი ფუნქციონირებადი IV კომპლექსის წინ მდებარეობს. აღდგენის ყოველი შემთხვევა სტატისტიკურად სარწმუნო და მცირე იყო: ნორმალური ATP-ის წარმოქმნის მხოლოდ ერთნიშნა პროცენტული წილი.

მეორე კვლევამ, რომელიც ჩატარდა თაგვის ტვინის ქერქის მიტოქონდრიებში, დაახლოებით 1 მიკრომოლარული კონცენტრაციით, დაადასტურა I კომპლექსის გვერდის ავლა და III კომპლექსთან ზღვარი გამოკვეთა. როტენონმა სუნთქვა დაახლოებით 121-დან 2-ზე ნაკლებ ნანომოლ ჟანგბადამდე შეამცირა წუთში თითო მილიგრამზე, ხოლო საღებავმა ის დაახლოებით 21-მდე, ანუ ნორმის დაახლოებით ერთ მეექვსედამდე, გაზარდა; ამავე დროს მემბრანის პოტენციალი თითქმის სრულად აღდგა. თუმცა III კომპლექსის ბლოკადის შემდეგ, 1-დან 5 მიკრომოლარულამდე კონცენტრაციებზე, არც სუნთქვა აღდგა და არც პოტენციალი; ბლოკადამ ასევე დათრგუნა საღებავით გამოწვეული პეროქსიდის სიგნალი. ავტორებმა ივარაუდეს, რომ აღდგენილი საღებავი ელექტრონებს III კომპლექსის Qo უბანზე გადასცემს: როდესაც ეს უბანი დაკავებულია, კურიერს ელექტრონების გადასაცემი ადგილი აღარ აქვს.

მესამე კვლევამ, რომელიც ჩატარდა თაგვის, ვირთაგვისა და ზღვის გოჭის ტვინის მიტოქონდრიებში, ძირითადად 2 მიკრომოლარული კონცენტრაციით, ეს წინააღმდეგობა უშუალოდ შეამოწმა და დაადგინა, რომ III კომპლექსის ბლოკადის გადალახვა შესაძლებელია. როდესაც Qo უბნის ინჰიბიტორმა მიქსოთიაზოლმა ბაზალური სუნთქვა 88 პროცენტით შეამცირა, საღებავმა ჟანგბადის მოხმარება დაუბლოკავი მდგომარეობის მაჩვენებლის დაახლოებით 62 პროცენტამდე აღადგინა. უშუალო შემოწმებისას ნახევარმიკრომოლარულმა კონცენტრაციამ გარედან დამატებული ციტოქრომ c აღადგინა მაშინაც კი, როდესაც III კომპლექსი დაბლოკილი იყო. ეს მხარს უჭერს გზას NADH-დან საღებავის გავლით ციტოქრომ c-მდე და შემდეგ IV კომპლექსამდე. თუმცა აღდგენილი სუნთქვა არანორმალურად მიმდინარეობდა: დამატებულმა ADP-მა ჟანგბადის მოხმარება გაზრდის ნაცვლად შეამცირა, ხოლო ATP-ის სინთეზის დაბლოკვამ სუნთქვა გაააქტიურა. მემბრანის პოტენციალი მხოლოდ ნაწილობრივ აღდგა. ჟანგბადის მაღალი მოხმარება შებრუნებული შეუღლების პირობებში ენერგიის ნორმალურ წარმოქმნას არ ნიშნავს.

რატომ ვერ თანხმდებიან ლაბორატორიები და რა ხსნის წინააღმდეგობას

პირველ რიგში, სახეობათა განსხვავებაზე დაფუძნებული ახსნა არ გამოდგება. მესამე ჯგუფმა ცდა მღრღნელების სამ სახეობაში გაიმეორა და ყველაში თვისებრივად ერთნაირი გვერდის ავლა მიიღო, მათ შორის თაგვის იმ ხაზშიც, რომელშიც მანამდე გვერდის ავლა არ დაფიქსირებულა. სინამდვილეში განსხვავდება კონცენტრაცია (1 და 2 მიკრომოლარული), ინჰიბიტორების დოზები, ბუფერები, იზოლაციის მეთოდები და, უპირველეს ყოვლისა, შესადარებელი ენერგეტიკული მდგომარეობა: გვერდის ავლა ყველაზე მკაფიოა ADP-ის დამატებამდე, სწორედ იმ პირობებში, რომლებშიც ADP-ზე პარადოქსული პასუხი ჩნდება. ამიტომ ზუსტი დიაგრამა ორ, პირობებზე დამოკიდებულ გამოსავალს აჩვენებს — ერთს Qo უბანთან და მეორეს ციტოქრომ c-სთან. კურიერი ელექტრონებს იქ გადასცემს, სადაც ადგილობრივი ქიმიური პირობები ამის საშუალებას იძლევა.

პეროქსიდის საფასური

დანახარჯის მხარე ისევე თანმიმდევრულად ვლინდება, როგორც ფუნქციის აღდგენის მხარე. ზღვის გოჭზე ჩატარებულ კვლევაში საღებავმა პეროქსიდის გამოყოფა ყველა შემოწმებულ მდგომარეობაში გაზარდა — მოსვენებისას, ATP-ის სინთეზისას და ქიმიური დაზიანებისას — სამივე სუბსტრატზე. ATP-ის სინთეზის დროს, 1 მიკრომოლარულ კონცენტრაციაზე, წარმოქმნა დაახლოებით 148-დან 1500-ზე მეტ პიკომოლამდე გაიზარდა წუთში თითო მილიგრამზე, ხოლო 100 ნანომოლარულმა კონცენტრაციამაც კი სიგნალი ოთხზე მეტჯერ გაზარდა. საღებავმა პეროქსიდის მოცილებაც დაახლოებით 2.6-ჯერ შეანელა, ამიტომ სიგნალი ასახავს როგორც წარმოქმნის აჩქარებას, ისე მოცილების შენელებას. შემოთავაზებული ქიმიური ახსნაა აღდგენილი საღებავით ჟანგბადის უშუალო აღდგენა, სუპეროქსიდის შესამჩნევი წარმოქმნის გარეშე, თუმცა ეს ჯერ ინტერპრეტაციაა და არა დადასტურებული ეტაპი.

თაგვზე ჩატარებული კვლევა სურათს სასარგებლოდ ართულებს. დოზის ზრდასთან ერთად პეროქსიდი მკვეთრად იმატებდა: საწყისი დაახლოებით 76-დან თითქმის 2000 პიკომოლამდე წუთში თითო მილიგრამზე, 2 მიკრომოლარული კონცენტრაციისას. თუმცა III კომპლექსის ბლოკადა საღებავით გამოწვეულ კომპონენტს თრგუნავდა. პეროქსიდი მხოლოდ აღდგენილი საღებავის ჟანგბადთან რეაქციის შედეგად რომ წარმოიქმნებოდეს, ჯაჭვის დაბლოკვას ასეთი დიდი მნიშვნელობა არ უნდა ჰქონდეს. მაგრამ აქვს, ამიტომ პროცესში ჯაჭვიც მონაწილეობს. ანტიოქსიდანტური და პროოქსიდანტური მოქმედების მიმოხილვა ამ ორმაგობას უფრო ფართო კონტექსტში განიხილავს, ხოლო ჟანგბადისა და ATP-ის შედარებითი ანალიზი ხსნის, რატომ ვერ ასაბუთებს მხოლოდ ჟანგბადის მაჩვენებლები ენერგიასთან დაკავშირებულ მტკიცებას.

ფუნქციის აღდგენა შეკეთება არ არის

ფრაზა, რომლის გამოყენებაც უნდა შეწყდეს, არის „შეუძლია მეთილენის ლურჯს მიტოქონდრიების შეკეთება“. შეკეთება ხანგრძლივ გამოსწორებას ნიშნავს: აღდგენილ კომპლექსებს, შეუღლებას, რომელიც პრეპარატის მოცილების შემდეგაც შენარჩუნდება, ფუნქციის აღდგენას დაუზიანებელ უჯრედებში და შემდეგ ფუნქციის გაუმჯობესებას ცოცხალ ორგანიზმში. სამი ნაშრომიდან არცერთი ამას არ აჩვენებს. ისინი აჩვენებს გზის მწვავე გადართვას ახლად იზოლირებულ ორგანელებში, ხელოვნური ქიმიური ბლოკადის დროს, როდესაც ATP-ის წარმოქმნა ნორმის მცირე წილს შეადგენს, ხოლო შეუღლება ზოგჯერ აშკარად უჩვეულოა. როტენონი და ანტიმიცინი ლაბორატორიული ინსტრუმენტებია და არა დაბერების ან ადამიანის მიტოქონდრიული დაავადების მოდელები. აქ ნაჩვენები არაფერი ნიშნავს მეტი ენერგიის მიღებას ჯანმრთელი ადამიანისთვის — ეს მტკიცებულებების ცალკე საკითხია, რომელსაც ადამიანებზე ჩატარებული კვლევების საკუთარი ლიტერატურა აქვს.

სამი ზღვრის გათვალისწინება ბიოჰაკინგის შესახებ ნებისმიერ დასკვნას სიზუსტეს უნარჩუნებს. პირველი: გარემომცველი ხსნარის კონცენტრაცია დოზა არ არის. იზოლირებული ორგანელების გარშემო 0.1-დან 2 მიკრომოლარულამდე კონცენტრაცია არაფერს ამბობს იმაზე, თუ პერორალურად მიღებული რა რაოდენობა წარმოქმნის ასეთ თავისუფალ კონცენტრაციას ადამიანის ტვინის მიტოქონდრიასთან, მით უმეტეს, რომ საღებავის დაგროვება ან გამოთავისუფლება თავად მემბრანის პოტენციალზეა დამოკიდებული. მეორე: ჟანგბადი ენერგია არ არის. საღებავს შეუძლია ჟანგბადის მოხმარება გაზარდოს როგორც ციკლური რეაქციებითა და გაჟონვით, ისე პროდუქტიული ფოსფორილირებით, ამიტომ რესპირომეტრია ATP-ისა და პოტენციალის გაზომვის გარეშე ენერგიის შესახებ მტკიცების საფუძველს ვერ იძლევა. მესამე: სარგებელი და დანახარჯი ერთ წინადადებაში უნდა განიხილებოდეს. პოტენციალის ან ATP-ის აღდგენის შესახებ ნებისმიერი განცხადება, რომელიც თანმხლებ პეროქსიდის მატებას გამოტოვებს, ექსპერიმენტს არასწორად აღწერს. დამატებითი გასათვალისწინებელი საკითხებია NAD-ის ჟანგვა-აღდგენითი ბალანსი, დოზაზე პასუხის მრუდის ფორმა და ანალიზის მეთოდების გზამკვლევი.

ერთი პრაქტიკული შენიშვნა: ელექტრონების გადატანა სწორედ ამ კონკრეტული მოლეკულის თვისებაა. დემეთილირებული მონათესავე ნაერთებიც, მაგალითად Azure B, ჟანგვა-აღდგენითად აქტიურია, თუმცა სხვაგვარად იქცევა. ამიტომ ნაწილობრივ დაშლილი ხსნარით ჩატარებული ექსპერიმენტი განსხვავდება დაუშლელი საღებავით ჩატარებულისგან. ეს ერთ-ერთი მიზეზია, რატომ უნდა მოითხოვოთ სრულ ფარმაკოპეულ სპეციფიკაციასთან შესაბამისობა და გამოქვეყნებული პარტიის დოკუმენტი, მხოლოდ ლითონებზე შემოწმების ნაცვლად. სინათლით გამოწვეული ქიმიური პროცესები დამატებით სიფრთხილეს მოითხოვს განათების პირობებში გამოყენებისას; ეს განხილულია წითელ სინათლესთან კომბინაციების შესახებ სტატიაში.

ვიწრო მტკიცება ამ ყველაფრის გათვალისწინებითაც ძალაში რჩება და მისი შენარჩუნება ღირს: მეთილენის ლურჯს შეუძლია დაზიანებულ, იზოლირებულ მიტოქონდრიებში პირობებზე დამოკიდებულ ელექტრონების კურიერად იმოქმედოს და ნაკადი ნაწილობრივ შეინარჩუნოს პეროქსიდის მატების ფასად. ყველაფერი, რაც ამის ფარგლებს სცდება — ენერგია, დღეგრძელობა, შეკეთება — ელოდება მტკიცებულებებს, რომელთა მისაღებადაც ეს კვლევები საერთოდ არ ყოფილა დაგეგმილი.