मिथिलीन ब्लू आणि माइटोकॉन्ड्रिया: इलेक्ट्रॉन वहन आणि पुरावे

शेजारीशेजारी ठेवलेल्या दोन प्रयोगनमुन्यांची कल्पना करा. दोन्हींमध्ये रोतेनोनने विषबाधित केलेले मेंदूतील माइटोकॉन्ड्रिया आहेत. हे रसायन श्वसन साखळीतील कॉम्प्लेक्स I अडवते. एका नमुन्यात प्रयोगकर्ता पिपेटने मायक्रोमोलर प्रमाणातील मिथिलीन ब्लू घालतो. ऑक्सिजनचा वापर काही अंशी पूर्ववत होतो. झिल्लीचा विद्युत विभव काही अंशी परत येतो. थोड्या प्रमाणात ATP संश्लेषण पुन्हा सुरू होते. शेजारच्या क्युवेटमध्ये पेरॉक्साइड संवेदक या घटनेची दुसरी बाजू दाखवतो: तपासलेल्या प्रत्येक प्रमाणात आणि वापरून पाहिलेल्या प्रत्येक सब्स्ट्रेटसह हायड्रोजन पेरॉक्साइडची निर्मिती अनेक पटींनी वाढलेली असते.

दोन्ही मोजमापे बरोबर आहेत. मिथिलीन ब्लू हा असा इलेक्ट्रॉन वाहक आहे, जो श्वसन साखळीतील खराब झालेल्या भागाला वळसा घालून प्रवाह चालू ठेवू शकतो; पण हे करताना तोच वाहक पेरॉक्साइडच्या रूपात किंमतही आकारतो. या दोन्ही गोष्टी एकाच वेळी लक्षात घेतल्यास माइटोकॉन्ड्रियाच्या कार्यावर मिथिलीन ब्लूच्या परिणामांबद्दलचे संशोधन समजू लागते. फक्त एकच गोष्ट लक्षात घेतल्यास, आधी कोणता शोधनिबंध वाचला यानुसार ते चमत्कार किंवा धोका वाटू लागते.

वाहकाची भूमिका, सोप्या शब्दांत

श्वसन साखळी ही टप्प्याटप्प्याने इलेक्ट्रॉन पुढे सोपवणारी व्यवस्था आहे. इलेक्ट्रॉन कॉम्प्लेक्स I येथे (NADH मधून) किंवा कॉम्प्लेक्स II आणि संबंधित फ्लेविन एन्झाइम येथे (सक्सिनेट आणि तत्सम दात्यांकडून) प्रवेश करतात, कॉम्प्लेक्स III मधून फिरत्या वाहक सायटोक्रोम c पर्यंत जातात आणि नंतर कॉम्प्लेक्स IV मधून ऑक्सिजनपर्यंत पोहोचतात. प्रत्येक हस्तांतरणात प्रोटॉन आतील झिल्लीच्या पलीकडे पंप केले जातात आणि त्यामुळे निर्माण होणारा प्रवणता फरक ATP संश्लेषणाला चालना देतो. कोणतेही स्थान अडवल्यास त्याआधीच्या भागातील प्रवाह थांबतो.

मिथिलीन ब्लू या व्यवस्थेत समांतर संदेशवाहक म्हणून सामील होते. त्याचे ऑक्सिडित रूप आधीच्या वाहकांकडून इलेक्ट्रॉन घेते आणि रंगहीन अपचयित रूपात, म्हणजे ल्युकोमिथिलीन ब्लूमध्ये, बदलते. हे रूप पुढील भागात ते इलेक्ट्रॉन सोपवते आणि पुन्हा निळे होते. या दोन रूपांचे वर्णन रेडॉक्स जोडीच्या विवेचनात आहे, तर इलेक्ट्रॉन पुढे सोपवण्याच्या व्यापक प्रक्रियेची चर्चा सर्वसाधारण क्रियायंत्रणेच्या स्पष्टीकरणात आहे. अद्याप अनिर्णित प्रश्न असा आहे की हा संदेशवाहक साखळीत पुन्हा कुठे प्रवेश करतो: कॉम्प्लेक्स III मधील Qo स्थळ म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या क्विनॉल बंधन पोकळीत, की थेट सायटोक्रोम c येथे? कोणता निर्गमन मार्ग प्रबळ ठरतो हे परिस्थितीवर अवलंबून असते; कॉम्प्लेक्स III ला वळसा घालण्याच्या विश्लेषणात याची सविस्तर चर्चा आहे.

कृंतकांवरील तीन अभ्यासांनी प्रत्यक्षात काय मोजले

तिन्ही अभ्यासांत मेंदूतील विलग केलेले माइटोकॉन्ड्रिया वापरले होते, म्हणजे पेशीतून काढून विशिष्ट संघटनाच्या बफरमध्ये निलंबित ठेवलेली पेशीअंगके. अखंड पेशी नव्हत्या, पदार्थ दिलेले प्राणी नव्हते आणि मानवी सहभागीही नव्हते. सांद्रता ही पेशीअंगकांभोवतीच्या द्रवातील आहे; ती माणसाने तोंडावाटे घ्यायची मात्रा नाही. ही चौकट लक्षात ठेवल्यास आकडे स्पष्ट अर्थ सांगतात.

पहिल्या अभ्यासाने, 100 नॅनोमोलर ते 2 मायक्रोमोलर सांद्रतेवर गिनी पिगच्या मेंदूतील विलग माइटोकॉन्ड्रियामध्ये, एकाच प्रयोगनमुन्यात लाभ आणि किंमत दोन्ही मोजले. निरोगी माइटोकॉन्ड्रियामध्ये या रंगद्रव्याने विश्रांती अवस्थेतील ऑक्सिजनचा वापर वाढवला, पण ADP मुळे उत्तेजित होणारे श्वसन बदलले नाही; त्यामुळे श्वसनाशी जोडलेले ATP उत्पादन सुधारले नाही. कॉम्प्लेक्स I अडवलेला असताना, 2 मायक्रोमोलर सांद्रतेने ATP संश्लेषण 46 वरून 93 नॅनोमोल प्रति मिनिट प्रति मिलिग्रॅमपर्यंत वाढवले, तर सामान्य दर जवळपास 1109 होता. कॉम्प्लेक्स III अडवलेला असताना, त्याच सांद्रतेने ATP उत्पादन सुमारे 46 वरून 63 पर्यंत वाढवले, तर सामान्य दर जवळपास 910 होता. विद्युत विभव आणि कॅल्शियम ग्रहण काही अंशी पूर्ववत झाले. सायनाइडने कॉम्प्लेक्स IV अडवल्यास त्याला वळसा घालता आला नाही; यावरून उपयुक्त इलेक्ट्रॉन निर्गमन हे कार्यरत कॉम्प्लेक्स IV च्या आधी होते. कार्यातील प्रत्येक सुधारणा सांख्यिकीयदृष्ट्या खरी होती, पण लहान होती: सामान्य ATP उत्पादनाच्या एक-अंकी टक्केवारीइतकी.

दुसऱ्या अभ्यासाने, सुमारे 1 मायक्रोमोलर सांद्रतेवर माऊसच्या मेंदूच्या कॉर्टेक्समधील माइटोकॉन्ड्रियामध्ये, कॉम्प्लेक्स I ला वळसा घालता येत असल्याची पुष्टी केली आणि कॉम्प्लेक्स III येथे मर्यादा असल्याचे दाखवले. रोतेनोनने श्वसन सुमारे 121 वरून 2 पेक्षा कमी नॅनोमोल ऑक्सिजन प्रति मिनिट प्रति मिलिग्रॅमपर्यंत घटवले आणि रंगद्रव्याने ते सुमारे 21 पर्यंत वाढवले, म्हणजे सामान्य पातळीच्या साधारण एक षष्ठांशापर्यंत; त्याच वेळी झिल्लीचा विद्युत विभव जवळजवळ पूर्णपणे पूर्ववत झाला. पण कॉम्प्लेक्स III अडवल्यानंतर, 1 ते 5 मायक्रोमोलर या श्रेणीत श्वसन किंवा विद्युत विभव यांपैकी काहीही पूर्ववत झाले नाही आणि या अवरोधाने रंगद्रव्यामुळे निर्माण होणारा पेरॉक्साइड संकेत दडपला. लेखकांनी असे सुचवले की अपचयित रंगद्रव्य आपले इलेक्ट्रॉन कॉम्प्लेक्स III च्या Qo स्थळावर सोपवते: ते स्थळ व्यापलेले असल्यास संदेशवाहकाला इलेक्ट्रॉन सोपवण्यासाठी जागाच उरत नाही.

तिसऱ्या अभ्यासाने, मुख्यतः 2 मायक्रोमोलर सांद्रतेवर माऊस, रॅट आणि गिनी पिगच्या मेंदूतील माइटोकॉन्ड्रियामध्ये, या मतभेदाची थेट चाचणी घेतली आणि कॉम्प्लेक्स III वरील अडथळ्याला वळसा घालता येतो असे आढळले. Qo स्थळाचा अवरोधक मायक्सोथायाझोलने मूलभूत श्वसन 88 टक्क्यांनी घटवले असताना, रंगद्रव्याने ऑक्सिजनचा वापर अवरोध नसलेल्या दराच्या सुमारे 62 टक्क्यांपर्यंत पूर्ववत केला. एका थेट चाचणीत, अर्ध्या मायक्रोमोलर सांद्रतेने बाहेरून घातलेल्या सायटोक्रोम c चे अपचयन केले, कॉम्प्लेक्स III अडवलेला असतानाही. यामुळे NADH पासून रंगद्रव्यामार्गे सायटोक्रोम c आणि पुढे कॉम्प्लेक्स IV पर्यंत जाणाऱ्या मार्गाला आधार मिळाला. पण पूर्ववत झालेले श्वसन असामान्य पद्धतीने वागले: ADP घातल्यावर ऑक्सिजनचा वापर वाढण्याऐवजी कमी झाला आणि ATP संश्लेषण अडवल्यावर श्वसनाला चालना मिळाली. विद्युत विभवाचे पुनर्ध्रुवीकरण फक्त काही अंशी झाले. उलट्या कपलिंगसह जास्त ऑक्सिजन वापर होणे म्हणजे सामान्य ऊर्जा उत्पादन नव्हे.

प्रयोगशाळांचे निष्कर्ष वेगळे का आहेत आणि त्याचा उलगडा कशाने होतो

प्रजातीतील फरक हे स्पष्टीकरण सुरुवातीलाच टिकत नाही. तिसऱ्या गटाने तीन कृंतक प्रजातींमध्ये प्रयोग पुन्हा केला आणि सर्वांमध्ये गुणात्मकदृष्ट्या सारखाच वळसा घालणारा मार्ग आढळला; यात ज्या माऊस वंशात हा मार्ग नसल्याचा अहवाल होता तोही समाविष्ट होता. प्रत्यक्ष फरक सांद्रतेत (1 विरुद्ध 2 मायक्रोमोलर), अवरोधकांच्या प्रमाणांत, बफरमध्ये, विलगीकरणाच्या पद्धतींमध्ये आणि सर्वांत महत्त्वाचे म्हणजे तुलना केलेल्या ऊर्जास्थितीत आहेत: ADP घालण्यापूर्वी हा वळसा घालणारा मार्ग सर्वांत स्पष्ट दिसतो आणि नेमक्या त्याच अवस्थेत ADP ला विरोधाभासी प्रतिसाद दिसतो. त्यामुळे वस्तुस्थितीशी प्रामाणिक आकृती दोन परिस्थितीनुसार बदलणारे निर्गमन मार्ग दाखवते: एक Qo स्थळावर आणि दुसरा सायटोक्रोम c येथे. स्थानिक रसायनक्रिया जिथे परवानगी देतात, तिथे संदेशवाहक इलेक्ट्रॉन सोपवतो.

पेरॉक्साइडच्या रूपातील किंमत

कार्य पूर्ववत होण्याइतकीच त्याची किंमतही सातत्याने दिसते. गिनी पिगवरील अभ्यासात तपासलेल्या प्रत्येक अवस्थेत—विश्रांती अवस्थेत, ATP संश्लेषण होत असताना आणि रसायनांमुळे कार्य बिघडलेले असताना—तिन्ही सब्स्ट्रेटसह रंगद्रव्याने पेरॉक्साइडचे उत्सर्जन वाढवले. ATP संश्लेषणादरम्यान, 1 मायक्रोमोलर सांद्रतेवर उत्पादन सुमारे 148 वरून 1500 पेक्षा जास्त पिकोमोल प्रति मिनिट प्रति मिलिग्रॅमपर्यंत वाढले आणि अगदी 100 नॅनोमोलर सांद्रतेनेही संकेत चौपटीपेक्षा जास्त वाढवला. रंगद्रव्याने पेरॉक्साइड काढून टाकण्याची गतीही सुमारे 2.6 पटींनी मंदावली; त्यामुळे या संकेतामध्ये अधिक वेगाने होणारी निर्मिती आणि अधिक हळू होणारा निचरा या दोन्हींचा सहभाग आहे. शोधता येण्याजोगा सुपरऑक्साइड निर्माण न होता अपचयित रंगद्रव्याकडून ऑक्सिजनचे थेट अपचयन होते, अशी रासायनिक प्रक्रिया सुचवली गेली आहे; मात्र हा सिद्ध झालेला टप्पा नसून अजूनही निष्कर्षाचे स्पष्टीकरण आहे.

माऊसवरील अभ्यास या चित्राला उपयुक्त गुंतागुंत जोडतो. सांद्रता वाढल्यावर पेरॉक्साइड झपाट्याने वाढले: 2 मायक्रोमोलरवर ते जवळपास 76 या मूलभूत पातळीवरून जवळजवळ 2000 पिकोमोल प्रति मिनिट प्रति मिलिग्रॅमपर्यंत गेले. तरीही कॉम्प्लेक्स III अडवल्याने रंगद्रव्यामुळे निर्माण होणारा घटक दडपला गेला. पेरॉक्साइड केवळ अपचयित रंगद्रव्याच्या ऑक्सिजनशी होणाऱ्या अभिक्रियेतून तयार होत असते, तर साखळी अडवण्याचा इतका परिणाम व्हायला नको होता. पण तो होतो, म्हणजे साखळीचाही सहभाग आहे. अँटिऑक्सिडंट आणि प्रो-ऑक्सिडंट गुणधर्मांचा आढावा या दुहेरी भूमिकेला व्यापक संदर्भ देतो आणि ऑक्सिजन विरुद्ध ATP विश्लेषण केवळ ऑक्सिजनच्या आकड्यांवरून ऊर्जेबाबतचा दावा का निश्चित करता येत नाही हे स्पष्ट करते.

कार्य पूर्ववत होणे म्हणजे दुरुस्ती नव्हे

वापरातून काढून टाकण्याची गरज असलेला प्रश्न म्हणजे “मिथिलीन ब्लू माइटोकॉन्ड्रियाची दुरुस्ती करते का.” दुरुस्ती म्हणजे टिकाऊ सुधारणा: कॉम्प्लेक्सची पुनर्बांधणी, औषध निघून गेल्यानंतरही टिकणारे कपलिंग, अखंड पेशींमध्ये कार्य पूर्ववत होणे आणि त्यानंतर सजीवात कार्य सुधारणे. या तीन शोधनिबंधांपैकी कोणताही हे दाखवत नाही. ते नव्याने विलग केलेल्या पेशीअंगकांमध्ये कृत्रिम रासायनिक अवरोध असताना तात्कालिक मार्गबदल दाखवतात; त्यात ATP उत्पादन सामान्य पातळीच्या लहान अंशाइतके असते आणि कपलिंग कधी कधी स्पष्टपणे विचित्र असते. रोतेनोन आणि अँटिमायसिन ही प्रयोगशाळेतील साधने आहेत, वृद्धत्वाची किंवा मानवी माइटोकॉन्ड्रियल आजारांची मॉडेल नाहीत. इथल्या कोणत्याही निष्कर्षाचा अर्थ निरोगी व्यक्तीला अधिक ऊर्जा मिळते असा होत नाही; तो पुराव्यांबाबतचा स्वतंत्र प्रश्न आहे, ज्यासाठी मानवी अभ्यासांचे स्वतंत्र साहित्य आहे.

बायोहॅकिंगविषयक कोणताही निष्कर्ष प्रामाणिक ठेवण्यासाठी तीन मर्यादा महत्त्वाच्या आहेत. पहिले, आसपासच्या द्रवातील सांद्रता म्हणजे सेवनाची मात्रा नव्हे: विलग पेशीअंगकांभोवतीची 0.1 ते 2 मायक्रोमोलर सांद्रता मानवी मेंदूतील माइटोकॉन्ड्रियाजवळ अशी मुक्त सांद्रता निर्माण करण्यासाठी तोंडावाटे किती प्रमाण घ्यावे लागेल याबद्दल काहीही सांगत नाही. विशेषतः, रंगद्रव्य साचणे किंवा बाहेर पडणे हे झिल्लीच्या विद्युत विभवावरच अवलंबून असते. दुसरे, ऑक्सिजन म्हणजे ऊर्जा नव्हे: रंगद्रव्य उत्पादक फॉस्फोरिलेशनबरोबरच चक्रीय वहन आणि गळतीद्वारेही ऑक्सिजनचा वापर वाढवू शकते. त्यामुळे ATP आणि विद्युत विभवाची मोजमापे नसलेले श्वसनमापन ऊर्जेबाबतच्या दाव्याला आधार देऊ शकत नाही. तिसरे, लाभ आणि भार एकाच वाक्यात आले पाहिजेत: विद्युत विभव किंवा ATP पूर्ववत झाल्याचे सांगताना त्याच वेळी झालेली पेरॉक्साइडची वाढ वगळल्यास प्रयोगाचे चुकीचे वर्णन होते. संबंधित अटी आणि मर्यादांमध्ये NAD रेडॉक्स संतुलन, मात्रा-प्रतिसाद वक्राचा आकार आणि चाचणी मार्गदर्शक यांचा समावेश होतो.

एक व्यावहारिक तळटीप: ही इलेक्ट्रॉन वाहक भूमिका नेमक्या त्या रेणूचा गुणधर्म आहे. Azure B सारखी मिथिल गट काढलेली संबंधित संयुगेही रेडॉक्स-सक्रिय असतात, पण त्यांचे वर्तन वेगळे असते. त्यामुळे अंशतः विघटित झालेले द्रावण वापरणे हा अखंड रंगद्रव्य वापरण्यापेक्षा वेगळा प्रयोग असतो. केवळ धातूंच्या तपासणीऐवजी संपूर्ण औषधकोशीय विनिर्देश आणि प्रकाशित बॅच दस्तऐवजाचा आग्रह धरण्याचे हे एक कारण आहे. प्रकाशाच्या उपस्थितीत होणाऱ्या वापरासाठी प्रकाशप्रेरित रसायनक्रियांमुळे आणखी एक समांतर सावधगिरी लागू होते; तिची चर्चा लाल प्रकाशासोबतच्या वापरात केली आहे.

या सर्वानंतरही मर्यादित दावा टिकतो आणि तो लक्षात ठेवण्यासारखा आहे: खराब झालेल्या विलग माइटोकॉन्ड्रियामध्ये मिथिलीन ब्लू विशिष्ट परिस्थितीत इलेक्ट्रॉन संदेशवाहक म्हणून काम करू शकते आणि पेरॉक्साइडच्या रूपात किंमत मोजून प्रवाह काही अंशी टिकवू शकते. त्यापलीकडील सर्व दावे—ऊर्जा, दीर्घायुष्य, दुरुस्ती—अशा पुराव्यांची वाट पाहत आहेत, जे देण्यासाठी हे अभ्यास मुळात आखलेलेच नव्हते.