Konsum akbar tal-ossiġnu jfisser aktar ATP? Lezzjonijiet minn studji dwar il-blu tal-metilen

Mitokondriju iżolat jinsab f’kamra b’karburant iżda mingħajr ADP. Jikkonsma l-ossiġnu bil-mod. Żid ADP u l-konsum tal-ossiġnu jiżdied diversi drabi. Stenna sakemm jispiċċa l-ADP u l-konsum tal-ossiġnu jerġa’ jonqos. Il-karburant ma nbidilx. Inbidlet biss id-domanda għall-ATP.

Din is-sekwenza qasira tiġbor id-distinzjoni kollha li jittratta dan l-artiklu. Il-konsum tal-ossiġnu jkejjel kemm l-elettroni jgħaddu malajr mill-katina respiratorja lejn l-ossiġnu. Il-produzzjoni tal-ATP tkejjel kemm minn dak il-fluss jinqabad bħala enerġija li tista’ tintuża. It-tnejn għandhom pass intermedju komuni, il-gradjent tal-protoni tul il-membrana mitokondrijali interna, u kull ħaġa li tbiddel kemm il-gradjent ikun akkoppjat mill-qrib mas-sinteżi tal-ATP tista’ tbiddel iż-żewġ riżultati finali f’direzzjonijiet differenti. Il-blu tal-metilen jgħin biex nifhmu dan għax ġie osservat jagħmel it-tnejn: iżid l-użu tal-ossiġnu flimkien mal-ATP f’xi preparazzjonijiet, u jżid l-użu tal-ossiġnu waqt li l-ATP jibqa’ l-istess jew jonqos f’oħrajn.

Il-qarrejja li l-ewwel iridu stampa usa’ tat-trasferiment jistgħu jibdew minn kif il-blu tal-metilen jittrasporta l-elettroni fil-katina respiratorja, u dawk li jridu jifhmu t-terminoloġija tal-ewwel esperimenti bl-ossiġnu jistgħu jaqraw x’urew fil-fatt l-ewwel kejlijiet tar-respirazzjoni.

Ir-respirazzjoni, l-ATP, u l-gradjent bejniethom

L-elettroni minn NADH u FADH2 jidħlu fil-katina fil-kumplessi I u II, jgħaddu mill-kumpless III lejn iċ-ċitokromu c, imbagħad mill-kumpless IV lejn l-ossiġnu. L-enerġija rilaxxata fil-kumplessi I, III, u IV tippompja l-protoni mill-matriċi lejn l-ispazju bejn il-membrani. Din is-separazzjoni tal-ċarġ elettriku u tal-aċidità hija l-forza li tmexxi l-protoni, u l-parti elettrika tagħha, il-potenzjal tal-membrana, normalment hija l-parti dominanti.

L-ATP sintasi tħalli l-protoni jerġgħu jgħaddu għal ġol-matriċi u tuża l-enerġija rilaxxata biex tgħaqqad l-ADP u l-fosfat f’ATP. Għalhekk il-katina hija:

il-konsum tal-ossiġnu, imbagħad l-ippumpjar tal-protoni, imbagħad il-gradjent, imbagħad is-sinteżi tal-ATP.

Il-problema hija li l-protoni jistgħu jirritornaw minn rotot oħra. Kull ritorn li jevita l-ATP sintasi huwa tnixxija tal-protoni. It-tnixxija ġġiegħel lill-katina terġa’ tippompja l-istess protoni biex iżżomm il-potenzjal tal-membrana stabbli, u dan jikkonsma aktar ossiġnu mingħajr ma jipproduċi aktar ATP. Tnixxija qawwija biżżejjed tikkawża diżakkoppjament: l-użu tal-ossiġnu jiżdied waqt li l-ATP jibqa’ l-istess jew jonqos, u l-enerġija moħlija toħroġ bħala sħana.

Stat 3, stat 4, u l-proporzjon tal-kontroll respiratorju

It-terminoloġija klassika għal dan ġejja mill-mitokondriji iżolati. Stat 3 huwa respirazzjoni fil-preżenza ta’ substrat u ADP: l-ATP sintasi tnaqqas il-gradjent, il-potenzjal tal-membrana jinżel, il-katina taċċellera biex terġa’ tibnih, u l-użu tal-ossiġnu jkun għoli għax ikun qed jiġi prodott ATP. Stat 4 huwa respirazzjoni wara li jispiċċa l-ADP: l-ATP sintasi ma tibqax attiva, il-gradjent jiżdied, il-potenzjal għoli tal-membrana jirreżisti aktar ippumpjar, u l-użu tal-ossiġnu jinżel għal dak li jkun meħtieġ biex jikkumpensa għat-tnixxija.

Il-proporzjon tal-kontroll respiratorju, stat 3 diviż bi stat 4, għalhekk jindika kemm il-preparazzjoni tkun akkoppjata mill-qrib. Proporzjon għoli jfisser li l-ADP jikkontrolla r-respirazzjoni b’mod qawwi. Proporzjon li jonqos waqt li jiżdied stat 4 ifisser li t-tnixxija qed issir dominanti. Din hija l-perspettiva li tagħmel ir-riżultati bil-blu tal-metilen hawn taħt jinftiehmu.

Mudell mentali wieħed ta’ min iżommu f’moħħu. Potenzjal għoli tal-membrana jnaqqas il-veloċità tal-katina. Id-dissipazzjoni tal-potenzjal tgħaġġilha. Il-katina tirreaġixxi għal kemm sar diffiċli l-ippumpjar, mhux direttament għal jekk ikunx qed jiġi prodott ATP.

Meta r-riżultati finali jinbidlu flimkien

L-aktar eżempju ċar ta’ akkoppjament ġej minn mitokondriji iżolati mill-moħħ ta’ fniek tal-Indi b’kumplessi respiratorji mblukkati. B’100 nanomolar sa 1 micromolar ta’ blu tal-metilen, il-konsum tal-ossiġnu waqt il-mistrieħ żdied meta l-karburant kien glutamat flimkien ma’ malat, suċċinat, jew gliċerofosfat, filwaqt li r-respirazzjoni stimulata mill-ADP baqgħet l-istess. F’mitokondriji avvelenati fil-kumpless I jew fil-kumpless III, il-kolorant żied modestament il-produzzjoni tal-ATP, reġa’ stabbilixxa l-potenzjal tal-membrana, u tejjeb l-assorbiment tal-kalċju. Ir-rotta proposta hija triq iqsar: il-kolorant jaċċetta l-elettroni qabel il-punt tal-imblukkar u jgħaddihom liċ-ċitokromu c, u b’hekk jevita l-kumpless danneġġat.

It-tieni każ ta’ akkoppjament juża sors tal-ATP għalkollox differenti. F’mitokondriji iżolati mill-moħħ bl-ATP sintasi inibita, il-blu tal-metilen xorta stimula r-respirazzjoni fuq kull substrat ittestjat. Iżda s-sinteżi tal-ATP żdiedet biss fuq l-alfa-ketoglutarat u l-glutamat, iż-żewġ substrati li jiffurmaw succinyl CoA. Bl-oligomiċina timblokka l-ATP sintasi, l-ATP żejjed ġie mill-fosforilazzjoni fil-livell tas-substrat permezz tas-succinyl CoA ligażi fiċ-ċiklu tal-aċidu ċitriku, mhux mill-fosforilazzjoni ossidattiva. Il-kolorant reġa’ stabbilixxa wkoll il-potenzjal tal-membrana meta l-kumpless I u l-ATP sintasi ġew inibiti flimkien. Hawnhekk l-użu tal-ossiġnu u l-ATP inbidlu flimkien, iżda biss fejn is-substrat ippermetta t-tieni mogħdija tal-ATP. Fuq is-suċċinat jew il-malat, ir-respirazzjoni żdiedet mingħajr ATP żejjed. L-istess kolorant, l-istess kamra, karburant differenti, tweġiba differenti.

Meta r-riżultati finali jinfirdu

Il-każijiet ta’ diverġenza huma wkoll ippubblikati u daqstant istruttivi. Fi studju tal-1997 dwar mitokondriji iżolati mill-fwied tal-firien, il-blu tal-metilen aċċellera r-respirazzjoni ta’ stat 4 f’mitokondriji akkoppjati mill-qrib li kienu jirrespiraw bis-suċċinat, u dan naqqas il-proporzjon tal-kontroll respiratorju. L-effett kien viżibbli minn 0.5 micromolar u qawwi f’5 micromolar, konċentrazzjoni qrib il-livelli fil-plażma wara bolus ġol-vina ta’ 100 milligram. F’5 micromolar il-mitokondriji nefħu wkoll, għalkemm id-difett fl-akkoppjament deher l-ewwel f’konċentrazzjonijiet aktar baxxi, u dan jissuġġerixxi li t-tnixxija ġiet qabel il-ħsara strutturali aktar milli bħala riżultat tagħha. F’mitokondriji diżakkoppjati l-kolorant stimula r-respirazzjoni b’mod li kien jiddependi mill-konċentrazzjoni u seta’ jilħaq is-saturazzjoni. L-użu tal-ossiġnu żdied fiż-żewġ preparazzjonijiet. Is-sinteżi tal-ATP għal kull ossiġnu kkonsmat ma żdiditx. Dan huwa eżempju klassiku ta’ diżakkoppjament flimkien ma’ trasport tal-elettroni, fl-istess molekula.

L-aktar separazzjoni impressjonanti ġejja mir-retina. Fi ġrieden b’defiċjenza ta’ AIF u ċelloli fotoreċetturi ttrattati bir-rotenone, il-blu tal-metilen ippreserva l-ħxuna tar-retina, il-markaturi tal-fotoreċetturi, u l-istruttura mitokondrijali, u naqqas il-proporzjon ta’ NADH għal NAD u kkalma l-mogħdijiet tal-istress, inklużi r-rispons għall-proteini mhux mitwija u l-mitofaġija. Għamel dan mingħajr ma kkoreġa n-nuqqas ta’ ATP. Protezzjoni mingħajr ma terġa’ tiġi stabbilita l-enerġija tfisser li l-benefiċċju għadda mill-bilanċ redox u l-integrità mitokondrijali, mhux minn ATP żejjed. Min iqis is-sopravivenza tat-tessut bħala ekwivalenti għall-irkupru tal-produzzjoni tal-enerġija jkun qed jinterpreta dak l-esperiment ħażin għalkollox.

Ix-xogħol fuq il-mitokondriji tal-moħħ iżid il-kost mal-istess bilanċ. L-istess konċentrazzjonijiet baxxi li tejbu l-bijoenerġetika żiedu wkoll il-ġenerazzjoni tal-perossidu tal-idroġenu taħt kull kundizzjoni ttestjata u naqqsu l-veloċità tal-eliminazzjoni tiegħu, kif imkejjel b’assaġġ Amplex ikkalibrat aktar milli b’kolorant mhux speċifiku. Aktar ATP u aktar ossidant ġew flimkien.

Lista prattika ta’ kontroll għall-qari

Erba’ mistoqsijiet jiddistingwu riżultat akkoppjat minn wieħed diżakkoppjat.

L-ewwel, liema riżultat finali tkejjel fil-fatt. Il-konsum tal-ossiġnu waħdu ma jistax jindika l-ATP. Is-sinteżi tal-ATP, il-potenzjal tal-membrana, u l-proporzjon tal-kontroll respiratorju kull wieħed iżidu biċċa informazzjoni li l-elettrodu tal-ossiġnu ma jistax jara. Il-gwida għall-qari tal-affermazzjonijiet fir-riċerka dwar il-blu tal-metilen tispjega fid-dettall din id-dixxiplina fl-evalwazzjoni tar-riżultati finali.

It-tieni, liema substrat alimenta l-mitokondriji. Ir-riżultat tas-succinyl CoA juri li l-għażla tal-karburant tista’ tiddetermina jekk ir-respirazzjoni żejda tistax issir ATP żejjed jew le.

It-tielet, liema konċentrazzjoni ntużat. Il-blu tal-metilen f’konċentrazzjonijiet minn nanomolar sa micromolar baxxi fil-mitokondriji tal-moħħ ta titjib modest fil-bijoenerġetika bi spiża f’ossidanti; nofs micromolar u aktar fil-mitokondriji tal-fwied dgħajfu l-akkoppjament; 5 micromolar żiedu wkoll in-nefħa. Il-konċentrazzjoni hija parti mill-mekkaniżmu, mhux dettall sekondarju.

Ir-raba’, liema mudell ipproduċa r-riżultat. Il-mitokondriji iżolati jikxfu l-konnessjonijiet, iżda ċ-ċelloli u t-tessuti intatti jżidu t-trasport, ir-riduzzjoni għall-forma bla kulur, u mogħdijiet kompetituri li jiġbdu l-elettroni. Ix-xogħol tad-dożaġġ fil-laboratorju, inkluż kif il-konċentrazzjoni u l-protokoll isawru l-effetti tal-blu tal-metilen, huwa l-pont bejn il-valuri fil-kamra u kwalunkwe affermazzjoni dwar persuna.

Il-konsum tal-ossiġnu jindika l-fluss tal-elettroni. L-ATP jindika kemm minn dak il-fluss inqabad. Il-blu tal-metilen jista’ jbiddel kull wieħed minnhom, u l-esperimenti ta’ hawn fuq juru l-erba’ kombinazzjonijiet li jirriżultaw: it-tnejn jiżdiedu, ir-respirazzjoni tiżdied biss fejn is-substrat jippermetti, ir-respirazzjoni tiżdied waqt li l-akkoppjament jonqos, u t-tessut jiġi ppreservat waqt li l-ATP jibqa’ l-istess. In-numru fuq l-elettrodu tal-ossiġnu huwa l-bidu tal-interpretazzjoni, mhux it-tmiem tagħha.