Метилений хөх ба ATP: хүчилтөрөгчийн хэрэглээ ихсэх нь илүү их энерги гэсэн үг үү?

Тусгаарласан нэг митохондри энергийн эх үүсвэртэй боловч ADP-гүй камерт байна. Тэр хүчилтөрөгчийг удаан хэрэглэнэ. ADP нэмэхэд хүчилтөрөгчийн хэрэглээ хэд дахин огцом өснө. ADP дуусахыг хүлээвэл хүчилтөрөгчийн хэрэглээ эргээд буурна. Энергийн эх үүсвэр огт өөрчлөгдөөгүй. Зөвхөн ATP-ийн хэрэгцээ л өөрчлөгдсөн.

Энэ богино дараалалд уг нийтлэлийн тайлбарлах ялгаа бүхэлдээ багтана. Хүчилтөрөгчийн хэрэглээ нь электронууд амьсгалын гинжээр хүчилтөрөгч рүү хэр хурдан урсаж байгааг хэмждэг. ATP-ийн үүсэлт нь тэр урсгалын хэр их хэсгийг ашиглаж болох энерги болгон хуримтлуулж байгааг хэмждэг. Энэ хоёрын дунд митохондрийн дотоод мембраны хоёр талын протоны градиент гэсэн нийтлэг үе шат бий. Уг градиент ATP-ийн нийлэгжилттэй хэр нягт хослохыг өөрчилдөг аливаа хүчин зүйл энэ хоёр эцсийн үзүүлэлтийг өөр өөр чиглэлд хөдөлгөж болно. Метилений хөх үүнийг тайлбарлахад тохиромжтой жишээ болдог. Учир нь зарим бэлдцэд хүчилтөрөгчийн хэрэглээг ATP-тай хамт нэмэгдүүлж, бусдад нь ATP өөрчлөгдөхгүй эсвэл буурах үед хүчилтөрөгчийн хэрэглээг нэмэгдүүлдэг нь ажиглагдсан.

Электрон дамжуулалтын ерөнхий дүр зургийг эхлээд ойлгохыг хүссэн уншигчид метилений хөх амьсгалын гинжээр электроныг хэрхэн зөөдөг тухай тайлбараас эхэлж болно. Харин хүчилтөрөгчтэй хийсэн анхны туршилтуудын нэр томьёог ойлгохыг хүсвэл амьсгалын анхны хэмжилтүүд үнэндээ юуг харуулсан тухай уншиж болно.

Амьсгал, ATP ба тэдгээрийн хоорондох градиент

NADH болон FADH2-оос ирэх электронууд I ба II цогцолбороор гинжид орж, III цогцолбороор дамжин цитохром c-д хүрээд, дараа нь IV цогцолбороор хүчилтөрөгч рүү дамжина. I, III, IV цогцолборт чөлөөлөгдөх энерги нь протоныг матриксаас мембран хоорондын орон зай руу шахдаг. Цэнэг болон хүчиллэгийн энэ ялгаа нь протоны хөдөлгөгч хүч бөгөөд түүний цахилгаан бүрэлдэхүүн болох мембраны потенциал нь ихэвчлэн давамгайлдаг.

ATP-синтаза протоныг матрикс руу буцаан урсгаж, чөлөөлөгдөх энергийг ашиглан ADP ба фосфатыг нэгтгэж ATP үүсгэдэг. Тэгэхээр дараалал нь:

хүчилтөрөгчийн хэрэглээ, дараа нь протоны шахалт, дараа нь градиент, дараа нь ATP-ийн нийлэгжилт.

Гол асуудал нь протонууд өөр замаар буцаж болдогт оршино. ATP-синтазыг тойрон буцах аливаа урсгал нь протоны алдагдал юм. Алдагдал үүсэхэд мембраны потенциалыг тогтвортой барихын тулд гинж ижил протонуудыг дахин шахах шаардлагатай болдог. Ингэснээр илүү их ATP үүсгэлгүйгээр илүү их хүчилтөрөгч хэрэглэнэ. Хангалттай хүчтэй алдагдал нь хослолтыг салгана: хүчилтөрөгчийн хэрэглээ өсөх боловч ATP өөрчлөгдөхгүй эсвэл буурч, үрэгдсэн энерги дулаан болж гадагшилна.

3-р төлөв, 4-р төлөв ба амьсгалын хяналтын харьцаа

Үүнийг тайлбарлах сонгодог нэр томьёо нь тусгаарласан митохондрийн судалгаанаас гаралтай. 3-р төлөв гэдэг нь субстрат болон ADP хоёул байгаа үеийн амьсгал юм: ATP-синтаза градиентыг бууруулж, мембраны потенциал багасна. Гинж түүнийг сэргээхийн тулд хурдасдаг бөгөөд ATP үүсэж байгаа учраас хүчилтөрөгчийн хэрэглээ өндөр байна. 4-р төлөв гэдэг нь ADP дууссаны дараах амьсгал юм: ATP-синтаза идэвхгүй болж, градиент өснө. Өндөр мембраны потенциал цаашдын шахалтыг эсэргүүцэж, хүчилтөрөгчийн хэрэглээ зөвхөн алдагдлыг нөхөхөд шаардагдах хэмжээнд хүртэл буурна.

Тиймээс 3-р төлөвийг 4-р төлөвт хуваасан амьсгалын хяналтын харьцаа нь тухайн бэлдцийн хослолт хэр нягт байгааг илэрхийлдэг. Харьцаа өндөр байвал ADP амьсгалыг хүчтэй хянаж байна гэсэн үг. 4-р төлөв өсөхийн зэрэгцээ харьцаа буурвал алдагдал давамгайлж эхэлж байна гэсэн үг. Доорх метилений хөхийн үр дүнг энэ өнцгөөс харвал ойлгомжтой болно.

Нэг ойлголтыг санаж явах хэрэгтэй. Мембраны потенциал өндөр байх нь гинжийг удаашруулдаг. Потенциалыг сарниулах нь түүнийг хурдасгадаг. Гинж нь ATP үүсэж байгаа эсэхэд шууд бус, протон шахахад хэр хэцүү болсонд хариу үйлдэл үзүүлдэг.

Эцсийн үзүүлэлтүүд хамт өөрчлөгдөх үед

Хосолсон өөрчлөлтийн хамгийн тод жишээ нь амьсгалын цогцолборуудыг хориглосон, далайн гахайн тархинаас тусгаарласан митохондрийн судалгаанд бий. Метилений хөхийн концентраци 100 nanomolar-аас 1 micromolar хүртэл байхад глутамат ба малат, сукцинат эсвэл глицерофосфатыг энергийн эх үүсвэр болгон ашигласан үеийн тайван төлөвийн хүчилтөрөгчийн хэрэглээ өссөн боловч ADP-ээр өдөөгдсөн амьсгал өөрчлөгдөөгүй. I эсвэл III цогцолборыг нь хорт бодисоор хориглосон митохондрид уг будаг ATP-ийн үүсэлтийг бага зэрэг нэмэгдүүлж, мембраны потенциалыг сэргээж, кальцийн шингээлтийг сайжруулсан. Санал болгож буй зам нь товчилсон зам юм: будаг хориг үүссэн хэсгийн өмнөөс электрон хүлээн авч, гэмтсэн цогцолборыг тойрон цитохром c-д дамжуулна.

Хосолсон өөрчлөлтийн хоёр дахь тохиолдолд ATP огт өөр эх үүсвэрээс үүсдэг. ATP-синтазыг нь дарангуйлсан, тархинаас тусгаарласан митохондрид метилений хөх туршсан бүх субстрат дээр амьсгалыг өдөөсөн хэвээр байв. Гэхдээ ATP-ийн нийлэгжилт зөвхөн сукцинил CoA үүсгэдэг хоёр субстрат болох альфа-кетоглутарат болон глутамат дээр нэмэгдсэн. Олигомицин ATP-синтазыг хориглосон нөхцөлд нэмэлт ATP нь исэлдэлттэй фосфоржуулалтаас бус, нимбэгийн хүчлийн мөчлөг дэх сукцинил CoA лигазын явуулдаг субстратын түвшний фосфоржуулалтаас үүссэн. I цогцолбор болон ATP-синтазыг хамтад нь дарангуйлахад уг будаг мөн мембраны потенциалыг сэргээсэн. Энд хүчилтөрөгчийн хэрэглээ ба ATP хамт өссөн боловч зөвхөн субстрат нь ATP үүсгэх хоёр дахь замыг боломжтой болгосон үед л тэгсэн. Сукцинат эсвэл малат дээр амьсгал нэмэгдсэн ч нэмэлт ATP үүсээгүй. Ижил будаг, ижил камер, өөр энергийн эх үүсвэр, өөр үр дүн.

Эцсийн үзүүлэлтүүд зөрөх үед

Үзүүлэлтүүд зөрсөн тохиолдлууд ч мөн адил нийтлэгдсэн бөгөөд адилхан сургамжтай. 1997 оны, хархны элэгнээс тусгаарласан митохондрийн судалгаанд метилений хөх нь сукцинат ашиглан амьсгалж буй, нягт хосолсон митохондрийн 4-р төлөвийн амьсгалыг хурдасгасан бөгөөд энэ нь амьсгалын хяналтын харьцааг бууруулсан. Нөлөө 0.5 micromolar-аас ажиглагдаж, 5 micromolar үед хүчтэй байсан. Сүүлийн концентраци нь судсаар 100 milligram-ыг нэг удаа хурдан тарьсны дараах сийвэнгийн түвшинтэй ойролцоо юм. 5 micromolar үед митохондри мөн хөөсөн. Гэхдээ хослолтын доголдол эхлээд бага концентрацид илэрсэн нь алдагдал бүтцийн гэмтлээс үүдсэн бус, харин түүний өмнө үүссэнийг дэмжинэ. Хослолт нь салсан митохондрид уг будаг амьсгалыг концентрациас хамааралтай, ханалтын хязгаартай байдлаар өдөөсөн. Хоёр бэлдцэд хоёуланд нь хүчилтөрөгчийн хэрэглээ өссөн. Харин хэрэглэсэн хүчилтөрөгч тутамд ногдох ATP-ийн нийлэгжилт өсөөгүй. Энэ бол нэг молекул дотор хослолт салгах болон электрон зөөх хоёр үйл явц зэрэг явагддагийн сурах бичгийн жишээ юм.

Хамгийн тод зөрүү нь торлог бүрхэвчийн судалгаанаас гардаг. AIF-ийн дутагдалтай хулгана болон ротеноноор боловсруулсан гэрэл хүлээн авагч эсүүдэд метилений хөх торлог бүрхэвчийн зузаан, гэрэл хүлээн авагчийн маркерууд, митохондрийн бүтцийг хадгалж, NADH ба NAD-ийн харьцааг бууруулан, буруу эвхэгдсэн уургийн хариу урвал болон митофаги зэрэг стрессийн замуудын идэвхийг намжаасан. Гэхдээ ATP-ийн дутагдлыг засалгүйгээр эдгээр нөлөөг үзүүлсэн. Энергийн үүсэлтийг сэргээхгүйгээр хамгаалсан нь ажиглагдсан эерэг нөлөө нэмэлт ATP-ээр бус, исэлдэн ангижрах тэнцвэр болон митохондрийн бүтцийн бүрэн байдлаар дамжсаныг илтгэнэ. Эдийн амьд үлдэлтийг энергийн гарц сэргэсэнтэй адилтгавал энэ туршилтыг бүхэлд нь буруу тайлбарлана.

Тархины митохондрийн судалгаа энэ тооцоонд сөрөг үр дагаврын баганыг нэмдэг. Биоэнергетикийг сайжруулсан мөн тэр бага концентрациуд туршсан бүх нөхцөлд устөрөгчийн хэт ислийн үүсэлтийг нэмэгдүүлж, түүний зайлуулалтыг удаашруулсан. Үүнийг өвөрмөц бус будгаар бус, тохируулга хийсэн Amplex шинжилгээгээр хэмжсэн. Илүү их ATP болон илүү их исэлдүүлэгч хамт бий болсон.

Үр дүнг уншихад хэрэглэх шалгах жагсаалт

Дөрвөн асуулт хосолсон үр дүнг хослолт нь салсан үр дүнгээс ялгана.

Нэгдүгээрт, үнэндээ ямар эцсийн үзүүлэлтийг хэмжсэн бэ? Зөвхөн хүчилтөрөгчийн хэрэглээ ATP-ийн талаар мэдээлж чадахгүй. ATP-ийн нийлэгжилт, мембраны потенциал, амьсгалын хяналтын харьцаа тус бүр хүчилтөрөгчийн электродын харуулж чадахгүй нэг хэсэг мэдээллийг нэмдэг. Метилений хөхийн судалгааны мэдэгдлүүдийг унших гарын авлагад эцсийн үзүүлэлтүүдийг ингэж нягтлах аргыг дэлгэрэнгүй тайлбарласан.

Хоёрдугаарт, митохондрид ямар субстрат өгсөн бэ? Сукцинил CoA-тай холбоотой үр дүнгээс харахад энергийн эх үүсвэрийн сонголт нь нэмэлт амьсгал ерөөсөө нэмэлт ATP болж чадах эсэхийг шийдэж болно.

Гуравдугаарт, ямар концентраци ашигласан бэ? Тархины митохондрид nanomolar-аас бага micromolar хүрээний метилений хөх биоэнергетикийг бага зэрэг сайжруулсан ч исэлдүүлэгчийн нэмэгдэл дагалдсан. Элэгний митохондрид 0.5 micromolar болон түүнээс дээш концентраци хослолтыг сулруулж, 5 micromolar үед хөөлт нэмэгдсэн. Концентраци нь дагалдах мэдээлэл бус, механизмын нэг хэсэг юм.

Дөрөвдүгээрт, ямар загварт энэ үр дүн гарсан бэ? Тусгаарласан митохондри дотоод холбоосуудыг илчилдэг боловч бүтэн эс болон эдэд тээвэрлэлт, өнгөгүй хэлбэрт ангижрах явц, электрон хүлээн авахын төлөө өрсөлдөх бусад зам нэмэгддэг. Концентраци ба протокол метилений хөхийн нөлөөг хэрхэн тодорхойлдог тухай ажлыг багтаасан лабораторийн тунгийн судалгаа нь камер дахь тоон үзүүлэлтүүдийг хүний тухай аливаа мэдэгдэлтэй холбох гүүр юм.

Хүчилтөрөгчийн хэрэглээ электроны урсгалыг илэрхийлдэг. ATP нь тэр урсгалын хэр их хэсгийг энерги болгон хуримтлуулсныг илэрхийлдэг. Метилений хөх эдгээрийн аль нэгийг өөрчилж чадна. Дээрх туршилтууд үүнээс гарах дөрвөн хувилбарыг бүгдийг харуулж байна: хоёулаа өсөх; амьсгал нэмэгдэх боловч ATP зөвхөн субстрат боломж олгосон үед өсөх; хослолт буурахын зэрэгцээ амьсгал өсөх; ATP өөрчлөгдөхгүй байхад эд хадгалагдах. Хүчилтөрөгчийн электродын заасан тоо бол тайлбарын төгсгөл биш, эхлэл юм.