Дали поголемата потрошувачка на кислород значи повеќе ATP? Поуки од студиите за метиленско сино

Изолирана митохондрија се наоѓа во комора со гориво, но без ADP. Таа бавно троши кислород. Додајте ADP и потрошувачката на кислород се зголемува неколкукратно. Почекајте да се потроши ADP и потрошувачката на кислород повторно се намалува. Горивото воопшто не се променило. Се променила само потребата за ATP.

Оваа кратка низа ја содржи целата разлика за која зборува оваа статија. Потрошувачката на кислород мери колку брзо електроните течат низ респираторниот синџир до кислородот. Производството на ATP мери колкав дел од тој проток се заробува како употреблива енергија. Двете имаат заеднички меѓучекор, протонскиот градиент низ внатрешната митохондриска мембрана, а сè што ја менува тесната спрегнатост на градиентот со синтезата на ATP може да ги придвижи двата крајни показатела во различни насоки. Метиленското сино е поучен пример бидејќи кај него се забележани двете појави: во некои препарати ја зголемува потрошувачката на кислород заедно со ATP, а во други ја зголемува потрошувачката на кислород додека ATP останува непроменет или се намалува.

Читателите што прво сакаат поширока слика за преносот можат да почнат со тоа како метиленското сино пренесува електрони низ респираторниот синџир, а оние што сакаат да се запознаат со терминологијата на раните експерименти со кислород можат да прочитаат што навистина покажале првите мерења на респирацијата.

Респирацијата, ATP и градиентот меѓу нив

Електроните од NADH и FADH2 влегуваат во синџирот кај комплексите I и II, минуваат низ комплексот III до цитохром c, а потоа низ комплексот IV до кислородот. Енергијата ослободена кај комплексите I, III и IV пумпа протони од матриксот во меѓумембранскиот простор. Оваа раздвоеност на полнежот и киселоста ја создава протонската движечка сила, а нејзината електрична компонента, мембранскиот потенцијал, обично е доминантна.

ATP-синтазата им овозможува на протоните да се вратат во матриксот и ја користи ослободената енергија за да ги спои ADP и фосфатот во ATP. Значи, низата е:

потрошувачка на кислород, потоа пумпање протони, потоа градиент, потоа синтеза на ATP.

Проблемот е што протоните можат да се вратат и по други патишта. Секое враќање што ја заобиколува ATP-синтазата е протонско протекување. Протекувањето го принудува синџирот повторно да ги пумпа истите протони за да го одржи мембранскиот потенцијал стабилен, со што се троши повеќе кислород без да се создаде повеќе ATP. Доволно силното протекување претставува распрегнување: потрошувачката на кислород се зголемува додека ATP останува непроменет или се намалува, а неискористената енергија се ослободува како топлина.

Состојба 3, состојба 4 и коефициентот на респираторна контрола

Класичната терминологија за ова потекнува од испитувањата на изолирани митохондрии. Состојба 3 е респирација во присуство на супстрат и ADP: ATP-синтазата го намалува градиентот, мембранскиот потенцијал опаѓа, синџирот забрзува за да го обнови, а потрошувачката на кислород е висока бидејќи се создава ATP. Состојба 4 е респирација откако ќе се потроши ADP: ATP-синтазата мирува, градиентот се зголемува, високиот мембрански потенцијал го отежнува понатамошното пумпање, а потрошувачката на кислород се намалува до нивото потребно за да се надомести протекувањето.

Затоа коефициентот на респираторна контрола, состојба 3 поделена со состојба 4, покажува колку тесно е спрегнат препаратот. Висок коефициент значи дека ADP силно ја контролира респирацијата. Намалување на коефициентот со зголемување на респирацијата во состојба 4 значи дека протекувањето станува доминантно. Низ оваа призма резултатите со метиленско сино подолу стануваат разбирливи.

Вреди да се запомни еден ментален модел. Високиот мембрански потенцијал го забавува синџирот. Намалувањето на потенцијалот го забрзува. Синџирот реагира на тоа колку е отежнато пумпањето, а не директно на тоа дали се создава ATP.

Кога крајните показатели се менуваат заедно

Најјасниот пример за спрегнатост доаѓа од изолирани митохондрии од мозок на заморче со блокирани респираторни комплекси. При концентрации на метиленско сино од 100 наномоларни до 1 микромоларна, потрошувачката на кислород во мирување се зголемила со глутамат и малат, сукцинат или глицерофосфат како гориво, додека респирацијата стимулирана со ADP останала непроменета. Во митохондрии со токсично инхибиран комплекс I или комплекс III, бојата умерено го зголемила производството на ATP, го обновила мембранскиот потенцијал и го подобрила преземањето калциум. Предложениот пат е кратенка: бојата прифаќа електрони пред местото на блокадата и ги предава на цитохром c, заобиколувајќи го оштетениот комплекс.

Вториот случај на спрегнатост користи сосема друг извор на ATP. Во изолирани мозочни митохондрии со инхибирана ATP-синтаза, метиленското сино и понатаму ја стимулирало респирацијата со секој испитан супстрат. Но синтезата на ATP се зголемила само со алфа-кетоглутарат и глутамат, двата супстрата што формираат сукцинил-CoA. Кога олигомицинот ја блокирал ATP-синтазата, дополнителниот ATP потекнувал од фосфорилација на ниво на супстрат преку сукцинил-CoA-лигазата во циклусот на лимонската киселина, а не од оксидативна фосфорилација. Бојата го обновила и мембранскиот потенцијал кога комплексот I и ATP-синтазата биле инхибирани истовремено. Тука потрошувачката на кислород и ATP се менувале заедно, но само кога супстратот го овозможувал вториот пат за создавање ATP. Со сукцинат или малат, респирацијата се зголемила без дополнителен ATP. Иста боја, иста комора, различно гориво, различен одговор.

Кога крајните показатели се разидуваат

Случаите на разидување се исто така објавени и подеднакво поучни. Во студија од 1997 со изолирани митохондрии од црн дроб на стаорец, метиленското сино ја забрзало респирацијата во состојба 4 кај тесно спрегнати митохондрии што користеле сукцинат за респирација, со што се намалил коефициентот на респираторна контрола. Ефектот бил видлив од 0.5 микромоларна концентрација и силен при 5 микромоларна концентрација, што е блиску до плазматските нивоа по интравенски болус од 100 милиграми. При 5 микромоларна концентрација митохондриите и набабриле, иако нарушувањето на спрегнатоста прво се појавило при пониски концентрации, што укажува дека протекувањето ѝ претходело на структурната повреда, наместо да произлегло од неа. Кај распрегнати митохондрии бојата ја стимулирала респирацијата на начин зависен од концентрацијата, со достигнување заситување. Потрошувачката на кислород се зголемила во двата препарата. Синтезата на ATP по потрошен кислород не се зголемила. Тоа е учебнички пример за распрегнување и пренос на електрони, во истата молекула.

Највпечатливото разидување доаѓа од ретината. Кај глувци со недостаток на AIF и фоторецепторни клетки третирани со ротенон, метиленското сино ги зачувало дебелината на ретината, фоторецепторните маркери и митохондриската структура, а го намалило соодносот NADH спрема NAD и ги смирило патиштата на одговор на стрес, вклучително и одговорот на несвиткани протеини и митофагијата. Тоа го постигнало без да го коригира недостигот на ATP. Заштита без обновена енергија значи дека користа се остварила преку редокс-рамнотежата и митохондрискиот интегритет, а не преку дополнителен ATP. Секој што би го изедначил преживувањето на ткивото со обновеното производство на енергија целосно би го погрешил толкувањето на тој експеримент.

Истражувањето со мозочни митохондрии додава и колона за цената на овие ефекти. Истите ниски концентрации што ја подобриле биоенергетиката го зголемиле и создавањето водород пероксид во сите испитани услови и го забавиле неговото отстранување, измерено со калибриран Amplex-тест наместо со неспецифична боја. Повеќе ATP и повеќе оксидант се појавиле заедно.

Практична листа за проверка при читање

Четири прашања го разликуваат спрегнатиот резултат од распрегнатиот.

Прво, кој краен показател навистина бил измерен. Самата потрошувачка на кислород не може да го покаже ATP. Синтезата на ATP, мембранскиот потенцијал и коефициентот на респираторна контрола додаваат по еден дел што кислородната електрода не може да го види. Водичот за читање на тврдењата од истражувањата за метиленско сино детално ја објаснува оваа дисциплина во разгледувањето на крајните показатели.

Второ, кој супстрат ги снабдувал митохондриите. Резултатот со сукцинил-CoA покажува дека изборот на гориво може да одреди дали дополнителната респирација воопшто може да се претвори во дополнителен ATP.

Трето, која концентрација била употребена. Метиленското сино во наномоларни до ниски микромоларни концентрации кај мозочни митохондрии дало умерени биоенергетски придобивки, но со цена во вид на оксидант; половина микромоларна концентрација и повисоки концентрации кај митохондрии од црн дроб ја нарушиле спрегнатоста; 5 микромоларна концентрација дополнително предизвикала набабрување. Концентрацијата е дел од механизмот, а не спореден детаљ.

Четврто, во кој модел бил добиен резултатот. Изолираните митохондрии ги откриваат механизмите на поврзување, но интактните клетки и ткива додаваат транспорт, редукција до безбојната форма и конкурентни одредишта за електроните. Лабораториските истражувања на дозирањето, вклучително и тоа како концентрацијата и протоколот ги обликуваат ефектите на метиленското сино, се мостот меѓу бројките од комората и какво било тврдење за човек.

Потрошувачката на кислород го покажува протокот на електрони. ATP покажува колкав дел од тој проток бил заробен. Метиленското сино може да ја промени едната или другата величина, а експериментите погоре ги покажуваат сите четири комбинации што произлегуваат: двете се зголемуваат, респирацијата се зголемува само таму каде што супстратот го дозволува тоа, респирацијата се зголемува додека спрегнатоста се намалува, и ткивото е зачувано додека ATP останува непроменет. Бројката на кислородната електрода е почетокот на толкувањето, а не неговиот крај.