Метилен көгі және ATP: оттегіні көбірек тұтыну энергияның артуын білдіре ме?

Оқшауланған митохондрия энергия субстраты бар, бірақ ADP жоқ камерада тұр. Ол оттегіні баяу тұтынады. ADP қосылса, оттегі тұтынуы бірнеше есе артады. ADP таусылғанша күтсеңіз, оттегі тұтынуы қайта төмендейді. Энергия субстраты өзгерген жоқ. Тек ATP-ге деген сұраныс өзгерді.

Осы қысқа оқиғалар тізбегі мақалада қарастырылатын айырмашылықтың мәнін толық ашады. Оттегі тұтынуы электрондардың тыныс алу тізбегі арқылы оттегіге қаншалықты жылдам өтетінін өлшейді. ATP түзілуі сол ағын энергиясының қанша бөлігі пайдалануға жарамды түрде жинақталатынын өлшейді. Екеуіне ортақ аралық кезең — митохондрияның ішкі мембранасындағы протондық градиент. Осы градиенттің ATP синтезімен қаншалықты тығыз ұштасатынын өзгертетін кез келген фактор екі соңғы көрсеткішті әртүрлі бағытта өзгерте алады. Метилен көгі мұны түсіндіруге қолайлы мысал, өйткені оның екі түрлі әсері де байқалған: кейбір препараттарда ол ATP-мен бірге оттегі тұтынуын арттырса, басқаларында ATP өзгермей қалғанда немесе төмендегенде де оттегі тұтынуын арттырған.

Алдымен электрондарды тасымалдаудың жалпы көрінісін түсінгісі келетін оқырмандар метилен көгінің тыныс алу тізбегі арқылы электрондарды қалай тасымалдайтынынан бастай алады. Ал оттегімен жүргізілген алғашқы тәжірибелердің терминологиясын білгісі келетіндер тыныс алудың алғашқы өлшемдері шын мәнінде нені көрсеткені туралы оқи алады.

Тыныс алу, ATP және олардың арасындағы градиент

NADH пен FADH2 электрондары тізбекке I және II кешендер арқылы кіріп, III кешен арқылы c цитохромына, содан кейін IV кешен арқылы оттегіге өтеді. I, III және IV кешендерде бөлінетін энергия протондарды матрикстен мембранааралық кеңістікке айдайды. Заряд пен қышқылдықтың осылай бөлінуі протондық қозғаушы күшті қалыптастырады, ал оның электрлік құрамдасы — мембраналық потенциал — әдетте басым үлесті құрайды.

ATP-синтаза протондарды матрикске қайта өткізеді және бөлінген энергияны ADP мен фосфатты біріктіріп, ATP түзуге пайдаланады. Демек, тізбек мынадай:

оттегіні тұтыну, содан кейін протондарды айдау, одан кейін градиент, соңында ATP синтезі.

Бірақ протондар басқа жолдармен де кері өте алады. ATP-синтазаны айналып өтетін кез келген кері ағын протондардың ағып кетуі деп аталады. Бұл ағып кету мембраналық потенциалды тұрақты ұстау үшін тізбекті сол протондарды қайта айдауға мәжбүр етеді. Нәтижесінде ATP қосымша түзілмесе де, оттегі көбірек тұтынылады. Ағып кету жеткілікті күшейсе, ұштасу ажырайды: оттегі тұтынуы артады, ал ATP өзгермей қалады немесе төмендейді, пайдаланылмаған энергия жылу түрінде бөлінеді.

3-күй, 4-күй және тыныс алуды бақылау коэффициенті

Мұның классикалық терминологиясы оқшауланған митохондриялармен жүргізілген зерттеулерден шыққан. 3-күй — субстрат пен ADP бар кездегі тыныс алу: ATP-синтаза градиентті азайтады, мембраналық потенциал төмендейді, оны қалпына келтіру үшін тізбек жылдамдайды, ал ATP түзіліп жатқандықтан оттегі тұтынуы жоғары болады. 4-күй — ADP таусылғаннан кейінгі тыныс алу: ATP-синтазаның жұмысы тоқтайды, градиент артады, жоғары мембраналық потенциал протондарды әрі қарай айдауға қарсы әсер етеді, ал оттегі тұтынуы ағып кетудің орнын толтыруға қажет деңгейге дейін төмендейді.

Сондықтан 3-күйдегі тыныс алуды 4-күйдегі тыныс алуға бөлу арқылы есептелетін тыныс алуды бақылау коэффициенті препараттағы ұштасудың қаншалықты тығыз екенін көрсетеді. Жоғары коэффициент ADP тыныс алуды күшті реттейтінін білдіреді. 4-күйдегі тыныс алу артып, коэффициент төмендесе, протондардың ағып кетуі басым бола бастағанын білдіреді. Төмендегі метилен көгіне қатысты нәтижелерді осы тұрғыдан түсінуге болады.

Бір түсінік үлгісін есте ұстаған жөн. Жоғары мембраналық потенциал тізбекті баяулатады. Потенциалдың сейілуі оны жылдамдатады. Тізбек ATP түзіліп жатқанына тікелей емес, протондарды айдаудың қаншалықты қиындағанына жауап береді.

Соңғы көрсеткіштер қатар өзгергенде

Ұштасудың ең айқын мысалы тыныс алу кешендері бөгелген, теңіз шошқасының миынан оқшауланған митохондриялар зерттеуінен алынған. Метилен көгінің концентрациясы 100 наномолярдан 1 микромолярға дейін болғанда, энергия субстраты ретінде глутамат пен малат, сукцинат немесе глицерофосфат қолданылған жағдайда тыныштықтағы оттегі тұтынуы артқан, ал ADP ынталандырған тыныс алу өзгермеген. I немесе III кешені уытты затпен тежелген митохондрияларда бояғыш ATP түзілуін аздап арттырып, мембраналық потенциалды қалпына келтірген және кальцийдің сіңірілуін жақсартқан. Ұсынылған жол — айналма жол: бояғыш электрондарды бөгелген бөліктен бұрын қабылдап, зақымдалған кешенді айналып өтіп, оларды c цитохромына береді.

Ұштасудың екінші мысалында ATP-дің мүлде басқа көзі қолданылады. ATP-синтазасы тежелген, мидан оқшауланған митохондрияларда метилен көгі сынақтан өткен барлық субстратта тыныс алуды ынталандырған. Бірақ ATP синтезі сукцинил CoA түзетін екі субстратта — альфа-кетоглутарат пен глутаматта ғана артқан. ATP-синтазаны олигомицин бөгегендіктен, қосымша ATP тотығулық фосфорланудан емес, лимон қышқылы цикліндегі сукцинил CoA-лигазаның қатысуымен жүретін субстрат деңгейіндегі фосфорланудан түзілген. I кешен мен ATP-синтаза қатар тежелгенде, бояғыш мембраналық потенциалды да қалпына келтірген. Бұл жағдайда оттегі тұтынуы мен ATP бірге артқан, бірақ тек субстрат ATP түзудің екінші жолына мүмкіндік берген кезде ғана. Сукцинатта немесе малатта тыныс алу артқанымен, қосымша ATP түзілмеген. Бояғыш та, камера да бірдей, бірақ энергия субстраты басқа болғандықтан, нәтиже де басқа.

Соңғы көрсеткіштер алшақтағанда

Көрсеткіштер алшақтаған жағдайлар да жарияланған және олардан да көп нәрсе үйренуге болады. 1997 жылы егеуқұйрық бауырынан оқшауланған митохондрияларға жүргізілген зерттеуде метилен көгі сукцинатпен тыныс алатын, ұштасуы тығыз митохондрияларда 4-күйдегі тыныс алуды жылдамдатып, тыныс алуды бақылау коэффициентін төмендеткен. Әсер 0.5 микромолярдан бастап байқалып, 5 микромолярда күшейген. Бұл концентрация көктамырға 100 миллиграмм болюстік енгізуден кейінгі плазма деңгейлеріне жақын. 5 микромолярда митохондриялар ісінген де, бірақ ұштасу бұзылысы алдымен төменірек концентрацияларда байқалған. Бұл ағып кету құрылымдық зақымнан туындағаннан гөрі, одан бұрын басталғанын меңзейді. Ұштасуы ажыратылған митохондрияларда бояғыш тыныс алуды концентрацияға тәуелді, қанығу шегіне жететін түрде ынталандырған. Екі препаратта да оттегі тұтынуы артқан. Ал тұтынылған оттегіге шаққандағы ATP синтезі артпаған. Бұл — бір молекулада қатар байқалған ұштасудың ажырауы мен электрон тасымалдаудың оқулықтағыдай мысалы.

Ең айқын алшақтау көздің тор қабығында байқалған. AIF тапшылығы бар тышқандарда және ротенонмен өңделген фоторецептор жасушаларында метилен көгі тор қабықтың қалыңдығын, фоторецептор маркерлерін және митохондрия құрылымын сақтаған. Сондай-ақ ол NADH-тың NAD-қа қатынасын төмендетіп, қате бүктелген ақуыздарға жауап пен митофагияны қоса алғанда, жасушалық стресс жолдарының белсенділігін бәсеңдеткен. Бірақ бұл ATP тапшылығын түзетпей-ақ жүзеге асқан. Энергия қалпына келмей тұрып қорғаныш әсерінің байқалуы пайданың қосымша ATP арқылы емес, тотығу-тотықсыздану теңгерімі мен митохондрия тұтастығы арқылы іске асқанын білдіреді. Тіннің сақталуын энергия өндірудің қалпына келуімен теңестіретін адам бұл тәжірибені мүлде қате түсінер еді.

Ми митохондрияларымен жүргізілген жұмыс осы нәтижелердің екінші жағын да көрсетеді. Биоэнергетиканы жақсартқан сол төмен концентрациялар сыналған барлық жағдайда сутек пероксидінің түзілуін де арттырып, оның жойылуын баяулатқан. Бұл арнайы емес бояғышпен емес, калибрленген Amplex сынағымен өлшенген. ATP-дің артуы тотықтырғыштың артуымен қатар жүрген.

Зерттеуді оқуға арналған практикалық тексеру тізімі

Төрт сұрақ ұштасқан нәтижені ұштасуы ажыраған нәтижеден ажыратуға көмектеседі.

Біріншіден, нақты қай соңғы көрсеткіш өлшенді? Тек оттегі тұтынуы ATP туралы мәлімет бере алмайды. ATP синтезі, мембраналық потенциал және тыныс алуды бақылау коэффициенті оттегі электроды көрсете алмайтын ақпараттың әрқайсысы бір бөлігін қосады. Метилен көгі жөніндегі зерттеу тұжырымдарын оқуға арналған нұсқаулықта соңғы көрсеткіштерді осылай ажырату қағидасы егжей-тегжейлі қарастырылады.

Екіншіден, митохондрияға қандай субстрат берілді? Сукцинил CoA бойынша нәтиже энергия субстратының таңдауы қосымша тыныс алудың жалпы қосымша ATP-ге айнала алатынын не айнала алмайтынын анықтай алатынын көрсетеді.

Үшіншіден, қандай концентрация қолданылды? Ми митохондрияларында метилен көгінің наномолярдан төмен микромолярға дейінгі концентрациялары тотықтырғыштың артуы есебінен биоэнергетиканы аздап жақсартқан; бауыр митохондрияларында жарты микромоляр және одан жоғары концентрациялар ұштасуды әлсіреткен; 5 микромолярда бұған ісіну де қосылған. Концентрация — жай қосымша мәлімет емес, механизмнің бір бөлігі.

Төртіншіден, нәтиже қандай модельде алынды? Оқшауланған митохондриялар жүйенің ішкі байланыстарын ашады, бірақ тұтас жасушалар мен тіндерде бұған тасымал, түссіз түрге дейін тотықсыздану және электрондарды қабылдау үшін бәсекелесетін басқа жолдар қосылады. Зертханалық дозалау жұмыстары, соның ішінде концентрация мен хаттаманың метилен көгі әсерлерін қалай өзгертетінін зерттеу, камерадағы сандар мен адамға қатысты кез келген тұжырым арасындағы көпір болып табылады.

Оттегі тұтынуы электрондар ағынын көрсетеді. ATP сол ағын энергиясының қанша бөлігі жинақталғанын көрсетеді. Метилен көгі осы көрсеткіштердің кез келгенін өзгерте алады, ал жоғарыдағы тәжірибелер төрт түрлі нәтижені көрсетеді: екеуі де артады; тыныс алу артып, ATP тек субстрат мүмкіндік бергенде ғана артады; тыныс алу артады, ал ұштасу әлсірейді; ATP өзгермей тұрғанда тін сақталады. Оттегі электродындағы сан — нәтижені түсіндірудің соңы емес, басы.