Метилен көгү жана ATP: кычкылтекти көбүрөөк керектөө көбүрөөк энергия дегенди билдиреби?

Бөлүп алынган митохондрия энергиялык субстрат бар, бирок ADP жок камерада турат. Ал кычкылтекти жай керектейт. ADP кошулганда кычкылтек керектөө бир нече эсе өсөт. ADP түгөнгөнчө күткөндө кычкылтек керектөө кайра төмөндөйт. Субстрат өзгөргөн жок. ATPге болгон муктаждык гана өзгөрдү.

Бул кыска ырааттуулук макалада каралуучу айырманы толугу менен камтыйт. Кычкылтек керектөө электрондордун дем алуу чынжыры аркылуу кычкылтекке канчалык тез өтөрүн өлчөйт. ATP өндүрүшү ошол агымдын канча бөлүгү пайдаланууга жарактуу энергия катары топтоло турганын өлчөйт. Экөөнү ортодогу бир баскыч — митохондриянын ички мембранасынын эки тарабындагы протондук градиент — байланыштырат. Бул градиенттин ATP синтези менен канчалык тыгыз байланышканын өзгөрткөн ар кандай фактор эки акыркы көрсөткүчтү ар башка багытта өзгөртө алат. Метилен көгү муну түшүндүрүүгө ыңгайлуу мисал, анткени анын эки башка таасири тең байкалган: айрым препараттарда ал ATP менен кошо кычкылтек керектөөнү жогорулатса, башкаларында ATP өзгөрбөй же төмөндөп турганда кычкылтек керектөөнү жогорулаткан.

Алгач электрондорду өткөрүп берүүнүн жалпы көрүнүшүн түшүнгүсү келген окурмандар метилен көгүнүн электрондорду дем алуу чынжыры аркылуу кантип ташый турганынан баштаса болот. Ал эми кычкылтек боюнча алгачкы тажрыйбалардын терминдерин билгиси келгендер дем алуунун биринчи өлчөөлөрү чындыгында эмнени көрсөткөнүн окуй алышат.

Дем алуу, ATP жана алардын ортосундагы градиент

NADH жана FADH2ден келген электрондор чынжырга I жана II комплекстерден кирип, III комплекс аркылуу цитохром cге, андан соң IV комплекс аркылуу кычкылтекке өтөт. I, III жана IV комплекстерде бөлүнүп чыккан энергия протондорду матрикстен мембраналар аралык мейкиндикке айдайт. Заряд менен кычкылдуулуктун мындай бөлүнүшү протондук кыймылдаткыч күчтү түзөт. Анын электрдик бөлүгү — мембраналык потенциал — адатта негизги бөлүк болуп саналат.

ATP-синтаза протондордун кайра матрикске өтүшүнө жол берип, бөлүнүп чыккан энергияны ADP менен фосфатты бириктирип ATP түзүүгө колдонот. Демек, ырааттуулук мындай:

кычкылтек керектөө, андан соң протондорду айдоо, андан соң градиент, андан соң ATP синтези.

Бирок протондор башка жолдор менен да кайта алат. ATP-синтазаны айланып өткөн ар кандай кайтуу протондордун агып кетиши болуп саналат. Мембраналык потенциалды туруктуу кармоо үчүн мындай агып кетүү чынжырды ошол эле протондорду кайра айдоого мажбурлайт. Натыйжада ATP көбүрөөк өндүрүлбөй туруп, кычкылтек көбүрөөк керектелет. Жетиштүү күчтүү агып кетүү дем алуу менен ATP синтезинин ажырашына алып келет: кычкылтек керектөө өсөт, ал эми ATP өзгөрбөйт же төмөндөйт, текке кеткен энергия болсо жылуулук катары бөлүнөт.

3-абал, 4-абал жана дем алууну көзөмөлдөө катышы

Бул классикалык терминдер бөлүп алынган митохондрияларды изилдөөдөн келип чыккан. 3-абал — субстрат жана ADP бар кездеги дем алуу: ATP-синтаза градиентти азайтат, мембраналык потенциал төмөндөйт, аны калыбына келтирүү үчүн чынжыр ылдамдайт. ATP өндүрүлүп жаткандыктан, кычкылтек керектөө жогору болот. 4-абал — ADP түгөнгөндөн кийинки дем алуу: ATP-синтаза иштебей турат, градиент өсөт, жогорку мембраналык потенциал протондорду андан ары айдоого каршылык көрсөтөт. Кычкылтек керектөө протондордун агып кетишинин ордун толтурууга керектүү деңгээлге чейин төмөндөйт.

Ошондуктан дем алууну көзөмөлдөө катышы, башкача айтканда 3-абалдагы дем алуунун 4-абалдагы дем алууга болгон катышы, препаратта дем алуу менен ATP синтези канчалык тыгыз байланышканын көрсөтөт. Жогорку катыш ADP дем алууну күчтүү көзөмөлдөп турганын билдирет. 4-абалдагы дем алуу өсүп, катыш төмөндөсө, протондордун агып кетиши үстөмдүк кыла баштаганын билдирет. Төмөндө берилген метилен көгүнүн натыйжаларын ушул көз караш менен түшүнүүгө болот.

Бир түшүнүктү эстеп калуу маанилүү. Жогорку мембраналык потенциал чынжырды жайлатат. Потенциалдын тарашы аны ылдамдатат. Чынжыр ATP өндүрүлүп жатканына түздөн-түз эмес, протондорду айдоо канчалык кыйын болуп калганына жооп берет.

Акыркы көрсөткүчтөр чогуу өзгөргөндө

Байланышкан өзгөрүүнүн эң айкын мисалы дем алуу комплекстери бөгөттөлгөн, деңиз чочкосунун мээсинен бөлүп алынган митохондрияларды изилдөөдөн алынган. Метилен көгүнүн концентрациясы 100 наномолярдан 1 микромолярга чейин болгондо, энергиялык субстрат катары глутамат менен малат, сукцинат же глицерофосфат колдонулса, тынч абалдагы кычкылтек керектөө өскөн. Ал эми ADP түрткү берген дем алуу өзгөргөн эмес. I же III комплекси уулуу зат менен бөгөттөлгөн митохондрияларда боёк ATP өндүрүшүн бир аз жогорулатып, мембраналык потенциалды калыбына келтирип, кальцийдин сиңирилишин жакшырткан. Сунушталган механизм — кыска жол: боёк электрондорду бөгөттөн мурдагы бөлүктөн кабыл алып, бузулган комплексти айланып өтүп, аларды цитохром cге берет.

Байланышкан өзгөрүүнүн экинчи мисалында ATPнин таптакыр башка булагы колдонулат. ATP-синтазасы басаңдатылган, бөлүп алынган мээ митохондрияларында метилен көгү текшерилген бардык субстраттарда дем алууну күчөткөн. Бирок ATP синтези сукцинил-КоА түзүүчү эки субстратта — альфа-кетоглутаратта жана глутаматта — гана өскөн. Олигомицин ATP-синтазаны бөгөттөп турганда кошумча ATP кычкылдануу фосфорлоосунан эмес, лимон кислотасынын циклиндеги сукцинил-КоА-лигаза жүргүзгөн субстраттык деңгээлдеги фосфорлоодон алынган. I комплекс менен ATP-синтаза бир учурда басаңдатылганда боёк мембраналык потенциалды да калыбына келтирген. Бул жерде кычкылтек керектөө менен ATP чогуу өзгөргөн, бирок субстрат ATP өндүрүүнүн экинчи жолуна мүмкүнчүлүк бергенде гана. Сукцинатта же малатта дем алуу күчөгөнү менен, кошумча ATP пайда болгон эмес. Боёк да, камера да бирдей, бирок субстрат башка болсо, жыйынтык да башка.

Акыркы көрсөткүчтөр ар башка өзгөргөндө

Көрсөткүчтөрдүн ажыраган учурлары да жарыяланган жана алар да маанилүү сабак берет. 1997-жылы келемиштин боорунан бөлүп алынган митохондрияларга жүргүзүлгөн изилдөөдө метилен көгү сукцинат менен дем алган, дем алуусу ATP синтези менен тыгыз байланышкан митохондрияларда 4-абалдагы дем алууну ылдамдаткан. Натыйжада дем алууну көзөмөлдөө катышы төмөндөгөн. Таасир 0.5 микромолярдан баштап байкалып, 5 микромолярда күчтүү болгон. Бул концентрация 100 миллиграммды венага болюс түрүндө киргизгенден кийинки плазма деңгээлине жакын. 5 микромолярда митохондриялар да шишиген. Бирок байланыштын бузулушу адегенде төмөнүрөөк концентрацияларда пайда болгон. Бул протондордун агып кетиши түзүмдүк бузулуудан келип чыкпастан, андан мурда башталганын көрсөтөт. Дем алуу менен ATP синтези ажыратылган митохондрияларда боёк дем алууну концентрацияга көз каранды, белгилүү бир чекте каныгууга жетүүчү жол менен күчөткөн. Эки препаратта тең кычкылтек керектөө өскөн. Ал эми керектелген кычкылтектин бирдигине туура келген ATP синтези өскөн эмес. Бул — бир эле молекулада дем алуу менен ATP синтезинин ажырашы жана электрондорду ташуу бирге жүргөнүнүн классикалык мисалы.

Эң айкын ажырым торчодо байкалган. AIF жетишсиз чычкандарда жана ротенон менен иштетилген фоторецептор клеткаларында метилен көгү торчонун калыңдыгын, фоторецепторлордун маркерлерин жана митохондриялардын түзүмүн сактап калган. Ошондой эле NADHнын NADга болгон катышын төмөндөтүп, стресс жоопторунун жолдорун, анын ичинде бүктөлбөгөн белокторго жоопту жана митофагияны басаңдаткан. Мунун баары ATP жетишсиздиги оңдолбостон болгон. Энергия калыбына келбестен коргоонун болушу пайдалуу таасир кошумча ATP аркылуу эмес, кычкылдануу-калыбына келүү тең салмагы жана митохондриялардын бүтүндүгү аркылуу жүргөнүн билдирет. Ткандын сакталышын энергия өндүрүшүнүн калыбына келиши менен теңеген адам бул тажрыйбаны толугу менен туура эмес түшүнмөк.

Мээ митохондрияларындагы изилдөө ушул эле жыйынтыктардын терс жагын да көрсөтөт. Биоэнергетиканы жакшырткан ошол эле төмөн концентрациялар текшерилген бардык шарттарда суутек пероксидинин пайда болушун көбөйтүп, анын жоюлушун жайлаткан. Бул спецификалуу эмес боёк менен эмес, калибрленген Amplex анализи менен өлчөнгөн. ATPнин көбөйүшү менен кычкылдандыргычтын көбөйүшү бирге жүргөн.

Изилдөөнү окуудагы практикалык текшерүү тизмеси

Төрт суроо дем алуу менен ATP синтези байланышкан натыйжаны алар ажыраган натыйжадан айырмалоого жардам берет.

Биринчиден, иш жүзүндө кайсы акыркы көрсөткүч өлчөнгөн? Кычкылтек керектөө жалгыз өзү ATP жөнүндө маалымат бере албайт. ATP синтези, мембраналык потенциал жана дем алууну көзөмөлдөө катышы кычкылтек электроду көрө албаган маалыматтын бирден бөлүгүн кошот. Метилен көгү боюнча изилдөөлөрдүн ырастоолорун окуу колдонмосу акыркы көрсөткүчтөргө ушундай кылдат мамиле кылууну кеңири түшүндүрөт.

Экинчиден, митохондрияларга кайсы субстрат берилген? Сукцинил-КоА боюнча натыйжа энергиялык субстратты тандоо кошумча дем алуу дегеле кошумча ATPге айлана алабы же жокпу, ошону аныктай аларын көрсөтөт.

Үчүнчүдөн, кандай концентрация колдонулган? Мээ митохондрияларында метилен көгүнүн наномолярдан төмөн микромолярга чейинки концентрациялары биоэнергетиканы бир аз жакшырткан, бирок кычкылдандыргычтын көбөйүшү менен коштолгон; боор митохондрияларында жарым микромоляр жана андан жогору концентрациялар дем алуу менен ATP синтезинин байланышын начарлаткан; 5 микромолярда буга шишүү да кошулган. Концентрация — кошумча маалымат эмес, механизмдин бир бөлүгү.

Төртүнчүдөн, натыйжа кайсы моделде алынган? Бөлүп алынган митохондриялар механизмдин түзүлүшүн ачып берет, бирок бүтүн клеткалар менен ткандарда заттын ташылышы, түссүз формага чейин калыбына келиши жана электрондорду кабыл алуу үчүн атаандашкан башка жолдор да кошулат. Лабораториялык дозалоо боюнча иштер, анын ичинде концентрация менен протокол метилен көгүнүн таасирин кантип аныктай турганы, камерадагы сандар менен адам жөнүндө айтылган ар кандай ырастоонун ортосундагы көпүрө болуп саналат.

Кычкылтек керектөө электрондордун агымын көрсөтөт. ATP ошол агымдын канча бөлүгү энергия катары топтолгонун көрсөтөт. Метилен көгү булардын каалаганын өзгөртө алат. Жогорудагы тажрыйбалар мындан келип чыккан төрт айкалыштын баарын көрсөтөт: экөө тең өсөт; дем алуу субстрат мүмкүнчүлүк бергенде гана өсөт; дем алуу өсүп, анын ATP синтези менен байланышы начарлайт; ATP өзгөрбөй турганда ткань сакталат. Кычкылтек электродундагы сан — чечмелөөнүн аягы эмес, башталышы.