ऑक्सिजनचा अधिक वापर म्हणजे अधिक ATP का? मिथिलीन ब्लूच्या अभ्यासांतून मिळालेले धडे

वेगळे काढलेले एक मायटोकॉन्ड्रिऑन इंधन असलेल्या, पण ADP नसलेल्या कक्षात आहे. ते हळूहळू ऑक्सिजन वापरते. ADP घातल्यावर ऑक्सिजनचा वापर अनेक पटींनी वाढतो. ADP संपेपर्यंत थांबल्यावर ऑक्सिजनचा वापर पुन्हा कमी होतो. इंधन बदललेले नसते. फक्त ATP ची मागणी बदललेली असते.

या छोट्याशा क्रमात या लेखाचा संपूर्ण भेद सामावलेला आहे. ऑक्सिजनचा वापर म्हणजे श्वसन साखळीतून ऑक्सिजनपर्यंत इलेक्ट्रॉन किती वेगाने वाहतात याचे मोजमाप. ATP निर्मिती म्हणजे त्या प्रवाहातील किती भाग वापरण्यायोग्य ऊर्जेच्या रूपात साठवला जातो याचे मोजमाप. या दोन्हींमध्ये एक समान मधला टप्पा असतो: मायटोकॉन्ड्रियाच्या आतील झिल्लीच्या दोन्ही बाजूंमधील प्रोटॉन प्रवणता. ही प्रवणता ATP संश्लेषणाशी किती घट्ट युग्मित आहे हे बदलणारी कोणतीही गोष्ट या दोन अंतिम मापनांना वेगवेगळ्या दिशांनी बदलू शकते. हे समजून घेण्यासाठी मिथिलीन ब्लू उपयुक्त आहे, कारण ते दोन्ही प्रकारे वागताना आढळले आहे: काही प्रयोगातील नमुन्यांमध्ये ATP सोबत ऑक्सिजनचा वापर वाढवताना, तर इतरांमध्ये ATP स्थिर राहत असताना किंवा कमी होत असताना ऑक्सिजनचा वापर वाढवताना.

इलेक्ट्रॉनच्या हस्तांतरणाचे व्यापक चित्र आधी समजून घ्यायचे असल्यास, वाचक मिथिलीन ब्लू श्वसन साखळीतून इलेक्ट्रॉनची ने-आण कशी करते यापासून सुरुवात करू शकतात. सुरुवातीच्या ऑक्सिजन प्रयोगांमधील संज्ञा समजून घ्यायच्या असल्यास, पहिल्या श्वसन मापनांनी प्रत्यक्षात काय दाखवले हे वाचू शकतात.

श्वसन, ATP आणि त्यांच्यामधील प्रवणता

NADH आणि FADH2 मधील इलेक्ट्रॉन संकुल I आणि II येथे साखळीत प्रवेश करतात, संकुल III मधून सायटोक्रोम c कडे जातात आणि नंतर संकुल IV मधून ऑक्सिजनपर्यंत पोहोचतात. संकुल I, III आणि IV येथे मुक्त होणारी ऊर्जा प्रोटॉनना मॅट्रिक्समधून बाहेर, दोन झिल्लींमधील अवकाशात पंप करते. विद्युतभार आणि आम्लतेमधील हा फरक म्हणजे प्रोटॉन प्रेरक बल. त्यातील विद्युत घटक, म्हणजे झिल्ली विभव, सहसा प्रमुख असतो.

ATP सिंथेज प्रोटॉनना पुन्हा मॅट्रिक्समध्ये वाहू देते आणि त्यातून मुक्त होणाऱ्या ऊर्जेचा वापर करून ADP व फॉस्फेट जोडून ATP बनवते. त्यामुळे हा क्रम असा आहे:

ऑक्सिजनचा वापर, मग प्रोटॉन पंपिंग, मग प्रवणता, मग ATP संश्लेषण.

पण अडचण अशी आहे की प्रोटॉन इतर मार्गांनीही परत येऊ शकतात. ATP सिंथेजला वळसा घालून होणारे कोणतेही पुनरागमन म्हणजे प्रोटॉन गळती. झिल्ली विभव स्थिर ठेवण्यासाठी या गळतीमुळे साखळीला तेच प्रोटॉन पुन्हा पंप करावे लागतात. यात अधिक ATP न बनवता अधिक ऑक्सिजन वापरला जातो. पुरेशी तीव्र गळती म्हणजे अयुग्मन: ऑक्सिजनचा वापर वाढतो, तर ATP स्थिर राहते किंवा कमी होते आणि वाया गेलेली ऊर्जा उष्णतेच्या रूपात बाहेर पडते.

अवस्था 3, अवस्था 4 आणि श्वसन नियंत्रण गुणोत्तर

यासाठीच्या पारंपरिक संज्ञा वेगळ्या काढलेल्या मायटोकॉन्ड्रियाच्या अभ्यासांतून आल्या आहेत. अवस्था 3 म्हणजे सब्स्ट्रेट आणि ADP उपस्थित असतानाचे श्वसन: ATP सिंथेज प्रवणता कमी करते, झिल्ली विभव घटतो, तो पुन्हा तयार करण्यासाठी साखळीचा वेग वाढतो आणि ATP तयार होत असल्यामुळे ऑक्सिजनचा वापर जास्त असतो. अवस्था 4 म्हणजे ADP संपल्यानंतरचे श्वसन: ATP सिंथेज निष्क्रिय होते, प्रवणता वाढते, उच्च झिल्ली विभव पुढील पंपिंगला विरोध करतो आणि गळतीची भरपाई करण्यासाठी जितका आवश्यक आहे तितकाच ऑक्सिजनचा वापर उरतो.

त्यामुळे श्वसन नियंत्रण गुणोत्तर, म्हणजे अवस्था 3 भागिले अवस्था 4, प्रयोगातील नमुना किती घट्ट युग्मित आहे हे दर्शवते. उच्च गुणोत्तर म्हणजे ADP श्वसनावर ठळक नियंत्रण ठेवते. अवस्था 4 वाढत असताना गुणोत्तर कमी होत असेल, तर गळतीचा प्रभाव वाढत आहे. खालील मिथिलीन ब्लूचे निष्कर्ष समजून घेण्यासाठी हीच दृष्टी उपयुक्त ठरते.

एक संकल्पनात्मक चित्र लक्षात ठेवण्यासारखे आहे. उच्च झिल्ली विभव साखळीचा वेग कमी करतो. विभव कमी झाला की तिचा वेग वाढतो. साखळी पंपिंग किती कठीण झाले आहे याला प्रतिसाद देते; ATP तयार होत आहे की नाही याला थेट नाही.

अंतिम मापने एकत्र बदलतात तेव्हा

युग्मित परिणामाचे सर्वात स्पष्ट उदाहरण श्वसन संकुले अवरुद्ध केलेल्या, वेगळ्या काढलेल्या गिनी पिगच्या मेंदूतील मायटोकॉन्ड्रियामधून येते. 100 nanomolar ते 1 micromolar मिथिलीन ब्लूच्या उपस्थितीत, ग्लुटामेट आणि मॅलेट, सक्सिनेट किंवा ग्लिसेरोफॉस्फेट हे इंधन असताना विश्रांतीतील ऑक्सिजनचा वापर वाढला; मात्र ADP मुळे उत्तेजित झालेले श्वसन बदलले नाही. संकुल I किंवा संकुल III वर विषारी अवरोध घातलेल्या मायटोकॉन्ड्रियामध्ये या रंजकाने ATP निर्मिती किंचित वाढवली, झिल्ली विभव पूर्ववत केला आणि कॅल्शियमचे ग्रहण सुधारले. सुचवलेला मार्ग हा एक पर्यायी लघुमार्ग आहे: रंजक अवरोधाच्या आधीच्या टप्प्यावर इलेक्ट्रॉन स्वीकारतो आणि खराब झालेल्या संकुलाला वळसा घालून ते सायटोक्रोम c कडे देतो.

दुसऱ्या युग्मित उदाहरणात ATP चा पूर्णपणे वेगळा स्रोत वापरला जातो. ATP सिंथेज प्रतिबंधित केलेल्या, वेगळ्या काढलेल्या मेंदूतील मायटोकॉन्ड्रियामध्ये, मिथिलीन ब्लूने तपासलेल्या प्रत्येक सब्स्ट्रेटवर श्वसनाला उत्तेजन दिले. पण ATP संश्लेषण फक्त अल्फा केटोग्लुटारेट आणि ग्लुटामेटवर वाढले; ही दोन सब्स्ट्रेट्स सक्सिनिल CoA तयार करतात. ऑलिगोमायसिनने ATP सिंथेज अवरुद्ध केलेले असल्यामुळे, अतिरिक्त ATP हे सिट्रिक आम्ल चक्रातील सक्सिनिल CoA लायगेजद्वारे होणाऱ्या सब्स्ट्रेट-स्तरीय फॉस्फोरिलेशनमधून आले, ऑक्सिडेटिव्ह फॉस्फोरिलेशनमधून नाही. संकुल I आणि ATP सिंथेज एकाच वेळी प्रतिबंधित केलेले असतानाही रंजकाने झिल्ली विभव पूर्ववत केला. येथे ऑक्सिजनचा वापर आणि ATP एकत्र बदलले, पण फक्त सब्स्ट्रेटने दुसऱ्या ATP मार्गाला परवानगी दिली तेव्हाच. सक्सिनेट किंवा मॅलेटवर अतिरिक्त ATP न बनता श्वसन वाढले. तोच रंजक, तोच कक्ष, वेगळे इंधन, वेगळे उत्तर.

अंतिम मापने वेगवेगळ्या दिशांनी बदलतात तेव्हा

वेगवेगळ्या दिशांनी बदलणारे निष्कर्षही तितकेच प्रकाशित आणि तितकेच बोधप्रद आहेत. 1997 मधील वेगळ्या काढलेल्या उंदराच्या यकृतातील मायटोकॉन्ड्रियाच्या अभ्यासात, मिथिलीन ब्लूने सक्सिनेटवर श्वसन करणाऱ्या, घट्ट युग्मित मायटोकॉन्ड्रियामध्ये अवस्था 4 मधील श्वसन वेगवान केले. त्यामुळे श्वसन नियंत्रण गुणोत्तर कमी झाले. हा परिणाम 0.5 micromolar पासून दिसू लागला आणि 5 micromolar वर तीव्र होता. ही सांद्रता शिरेतून एकाच वेळी दिलेल्या 100 milligram मात्रेनंतरच्या प्लाझ्मातील पातळीच्या जवळ होती. 5 micromolar वर मायटोकॉन्ड्रिया सुजलेही; मात्र युग्मनातील दोष त्याआधी कमी सांद्रतेवरच दिसला. यावरून गळती संरचनात्मक हानीमुळे निर्माण झाली नसून, ती हानीच्या आधी सुरू झाली असावी असे सूचित होते. अयुग्मित मायटोकॉन्ड्रियामध्ये रंजकाने सांद्रतेवर अवलंबून असलेल्या आणि संतृप्ती गाठणाऱ्या पद्धतीने श्वसनाला उत्तेजन दिले. दोन्ही प्रकारच्या नमुन्यांमध्ये ऑक्सिजनचा वापर वाढला. वापरलेल्या ऑक्सिजनच्या तुलनेत ATP संश्लेषण वाढले नाही. एकाच रेणूमध्ये अयुग्मन आणि इलेक्ट्रॉनची ने-आण या दोन्हींचे हे पाठ्यपुस्तकातील उदाहरण आहे.

सर्वात ठळक फारकत रेटिनाच्या अभ्यासात दिसते. AIF ची कमतरता असलेल्या उंदरांमध्ये आणि रोटेनोनने प्रक्रिया केलेल्या प्रकाशग्राही पेशींमध्ये, मिथिलीन ब्लूने रेटिनाची जाडी, प्रकाशग्राही पेशींचे निर्देशक आणि मायटोकॉन्ड्रियाची रचना टिकवून ठेवली. तसेच त्याने NADH ते NAD गुणोत्तर कमी केले आणि ताणाशी संबंधित मार्गांची सक्रियता कमी केली; यात न उलगडलेल्या प्रथिनांवरील प्रतिसाद आणि मायटोफॅजी यांचा समावेश होता. ATP ची कमतरता दूर न करताच हे घडले. ऊर्जा पूर्ववत न होता संरक्षण मिळाले, याचा अर्थ लाभ अतिरिक्त ATP मधून नव्हे, तर रेडॉक्स संतुलन आणि मायटोकॉन्ड्रियाची अखंडता यांमधून मिळाला. ऊतक टिकून राहणे म्हणजे ऊर्जा निर्मिती पूर्ववत होणे असे मानणारा कोणीही या प्रयोगाचा पूर्णपणे चुकीचा अर्थ लावेल.

मेंदूतील मायटोकॉन्ड्रियावरील संशोधन याच हिशेबात किंमतीचा एक स्तंभही जोडते. जैवऊर्जाविषयक कार्य सुधारलेल्या त्याच कमी सांद्रतांनी तपासलेल्या प्रत्येक परिस्थितीत हायड्रोजन पेरॉक्साइडची निर्मितीही वाढवली आणि त्याचे निर्मूलन मंदावले. हे मापन अविशिष्ट रंजकाऐवजी अंशांकित Amplex चाचणीने केले गेले. अधिक ATP आणि अधिक ऑक्सिडंट हे जोडीने आले.

अभ्यास वाचण्यासाठी व्यावहारिक तपासणीसूची

चार प्रश्न युग्मित परिणाम आणि अयुग्मित परिणाम यांतील फरक स्पष्ट करतात.

पहिला, प्रत्यक्षात कोणते अंतिम मापन केले गेले? केवळ ऑक्सिजनचा वापर ATP बद्दल सांगू शकत नाही. ATP संश्लेषण, झिल्ली विभव आणि श्वसन नियंत्रण गुणोत्तर यांपैकी प्रत्येक मापन ऑक्सिजन इलेक्ट्रोडला न दिसणारी एक बाजू उघड करते. मिथिलीन ब्लूवरील संशोधनातील दावे वाचण्याचे मार्गदर्शन अंतिम मापनांबाबतची ही शिस्त तपशीलवार स्पष्ट करते.

दुसरा, मायटोकॉन्ड्रियाला कोणते सब्स्ट्रेट पुरवले गेले? सक्सिनिल CoA चा निष्कर्ष दाखवतो की अतिरिक्त श्वसनातून अतिरिक्त ATP बनू शकते की नाही, हे इंधनाची निवड ठरवू शकते.

तिसरा, कोणती सांद्रता वापरली गेली? मेंदूतील मायटोकॉन्ड्रियामध्ये nanomolar ते कमी micromolar सांद्रतेतील मिथिलीन ब्लूने ऑक्सिडंट वाढण्याच्या किंमतीवर माफक जैवऊर्जाविषयक सुधारणा दिल्या; यकृतातील मायटोकॉन्ड्रियामध्ये अर्धा micromolar आणि त्यावरील सांद्रतांनी युग्मन कमकुवत केले; 5 micromolar वर सूजही दिसली. सांद्रता हा यंत्रणेचाच भाग आहे, केवळ पार्श्वभूमीतील तपशील नाही.

चौथा, हा निष्कर्ष कोणत्या प्रयोगात्मक मॉडेलमध्ये मिळाला? वेगळे काढलेले मायटोकॉन्ड्रिया अंतर्गत कार्यजोडणी उघड करतात; पण अखंड पेशी आणि ऊतकांमध्ये वाहतूक, रंगहीन रूपात होणारे अपचयन आणि इलेक्ट्रॉन स्वीकारण्यासाठी स्पर्धा करणारे इतर घटकही असतात. सांद्रता आणि प्रयोगपद्धती मिथिलीन ब्लूचे परिणाम कसे घडवतात यासह प्रयोगशाळेतील मात्रा-निर्धारणाचे संशोधन, कक्षातील आकडे आणि एखाद्या व्यक्तीबद्दलचा कोणताही दावा यांना जोडणारा दुवा आहे.

ऑक्सिजनचा वापर इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह दर्शवतो. ATP त्या प्रवाहातील किती भाग ऊर्जेच्या रूपात साठवला गेला हे दर्शवते. मिथिलीन ब्लू यांपैकी कोणतेही एक बदलू शकते, आणि वरील प्रयोग चारही शक्यता दाखवतात: दोन्ही वाढतात, सब्स्ट्रेट परवानगी देते तिथेच श्वसन वाढते, युग्मन कमी होत असताना श्वसन वाढते आणि ATP स्थिर राहूनही ऊतक टिकून राहते. ऑक्सिजन इलेक्ट्रोडवरील आकडा हा अर्थ लावण्याचा आरंभ आहे, शेवट नाही.