लेख
के बढी अक्सिजन खपत हुनुको अर्थ बढी ATP बन्नु हो? मेथिलिन ब्लुका अध्ययनबाट सिकाइ
अलग गरिएको एउटा माइटोकन्ड्रियन इन्धन भएको तर ADP नभएको कक्षमा छ। यसले बिस्तारै अक्सिजन खपत गर्छ। ADP थप्दा अक्सिजन खपत धेरै गुणा बढ्छ। ADP सकिँदासम्म पर्खँदा अक्सिजन खपत फेरि घट्छ। इन्धन कहिल्यै फेरिएन। ATP को माग मात्र फेरियो।
यो सानो क्रममै यस लेखले चर्चा गर्ने सम्पूर्ण भिन्नता समेटिएको छ। अक्सिजन खपतले श्वसन शृङ्खलाबाट अक्सिजनसम्म इलेक्ट्रोन कति छिटो प्रवाहित हुन्छन् भन्ने मापन गर्छ। ATP उत्पादनले त्यो प्रवाहको कति भाग प्रयोगयोग्य ऊर्जाका रूपमा सञ्चित हुन्छ भन्ने मापन गर्छ। यी दुईबीच एउटा साझा चरण छ: माइटोकन्ड्रियाको भित्री झिल्लीका दुईतर्फको प्रोटोन प्रवणता। यो प्रवणता ATP संश्लेषणसँग कति मजबुत रूपमा युग्मित छ भन्ने बदल्ने कुनै पनि कुराले यी दुई परिणामलाई फरक दिशामा लैजान सक्छ। यहाँ मेथिलिन ब्लु उपयोगी उदाहरण हो, किनकि यसले दुवै व्यवहार देखाएको छ: केही प्रयोगात्मक नमुनामा ATP सँगै अक्सिजनको प्रयोग बढाउने, र अरूमा ATP उस्तै रहँदा वा घट्दा पनि अक्सिजनको प्रयोग बढाउने।
पहिले इलेक्ट्रोन हस्तान्तरणको व्यापक चित्र बुझ्न चाहने पाठकले मेथिलिन ब्लुले श्वसन शृङ्खलामा इलेक्ट्रोन कसरी ओसार्छ भन्नेबाट सुरु गर्न सक्छन्। अक्सिजनसम्बन्धी प्रारम्भिक प्रयोगका शब्दावली बुझ्न चाहने पाठकले पहिलो श्वसन मापनहरूले वास्तवमा के देखाएका थिए भन्ने पढ्न सक्छन्।
श्वसन, ATP र तिनका बीचको प्रवणता
NADH र FADH2 बाट आएका इलेक्ट्रोन कम्प्लेक्स I र II मा शृङ्खलाभित्र प्रवेश गर्छन्, कम्प्लेक्स III हुँदै साइटोक्रोम c सम्म पुग्छन्, अनि कम्प्लेक्स IV हुँदै अक्सिजनसम्म पुग्छन्। कम्प्लेक्स I, III र IV मा मुक्त हुने ऊर्जाले प्रोटोनलाई म्याट्रिक्सबाट बाहिर निकालेर दुई झिल्लीबीचको स्थानमा पम्प गर्छ। विद्युतीय आवेश र अम्लताको यो पृथकीकरण नै प्रोटोन प्रेरक बल हो, र यसको विद्युतीय अंश, अर्थात् झिल्ली विभव, सामान्यतया प्रमुख अंश हुन्छ।
ATP सिन्थेजले प्रोटोनलाई म्याट्रिक्समा फर्कन दिन्छ र त्यस क्रममा मुक्त ऊर्जाको प्रयोग गरेर ADP र फस्फेटलाई जोडेर ATP बनाउँछ। त्यसैले क्रम यस्तो हुन्छ:
अक्सिजन खपत, त्यसपछि प्रोटोन पम्पिङ, त्यसपछि प्रवणता, अनि ATP संश्लेषण।
तर प्रोटोन अन्य बाटोबाट पनि फर्कन सक्छन्। ATP सिन्थेजलाई छलेर हुने यस्तो कुनै पनि पुनरागमन प्रोटोन चुहावट हो। चुहावट हुँदा झिल्ली विभव स्थिर राख्न शृङ्खलाले उही प्रोटोनलाई फेरि पम्प गर्नुपर्छ, जसले थप ATP नबनाई बढी अक्सिजन खपत गर्छ। पर्याप्त ठूलो चुहावटले अयुग्मन गराउँछ: अक्सिजनको प्रयोग बढ्छ तर ATP उस्तै रहन्छ वा घट्छ, र खेर गएको ऊर्जा तापका रूपमा बाहिरिन्छ।
अवस्था 3, अवस्था 4 र श्वसन नियन्त्रण अनुपात
यससम्बन्धी परम्परागत शब्दावली अलग गरिएका माइटोकन्ड्रियाका अध्ययनबाट आएको हो। अवस्था 3 भनेको सब्स्ट्रेट र ADP दुवै उपस्थित हुँदाको श्वसन हो: ATP सिन्थेजले प्रवणता घटाउँछ, झिल्ली विभव तल झर्छ, त्यसलाई पुनः निर्माण गर्न शृङ्खला तीव्र हुन्छ, र ATP बनिरहेको हुनाले अक्सिजनको प्रयोग उच्च हुन्छ। अवस्था 4 भनेको ADP सकिएपछिको श्वसन हो: ATP सिन्थेज निष्क्रिय हुन्छ, प्रवणता बढ्छ, उच्च झिल्ली विभवले थप पम्पिङलाई प्रतिरोध गर्छ, र अक्सिजनको प्रयोग चुहावटको क्षतिपूर्ति गर्न चाहिने स्तरसम्म घट्छ।
त्यसैले अवस्था 3 लाई अवस्था 4 ले भाग गर्दा आउने श्वसन नियन्त्रण अनुपातले प्रयोगात्मक नमुना कति मजबुत रूपमा युग्मित छ भन्ने देखाउँछ। उच्च अनुपातको अर्थ ADP ले श्वसनलाई बलियो रूपमा नियन्त्रण गर्छ भन्ने हो। अवस्था 4 बढ्दै जाँदा अनुपात घट्नुले चुहावट हावी हुँदै गएको देखाउँछ। तलका मेथिलिन ब्लुसम्बन्धी नतिजा बुझ्ने दृष्टिकोण यही हो।
एउटा अवधारणात्मक ढाँचा सम्झिराख्न उपयोगी हुन्छ। उच्च झिल्ली विभवले शृङ्खलालाई सुस्त बनाउँछ। विभव क्षय हुँदा शृङ्खला तीव्र हुन्छ। शृङ्खलाले पम्प गर्न कति कठिन भएको छ भन्नेमा प्रतिक्रिया दिन्छ, ATP बनिरहेको छ कि छैन भन्नेमा प्रत्यक्ष रूपमा होइन।
जब दुवै परिणाम सँगै बढ्छन्
युग्मित परिणामको सबैभन्दा स्पष्ट उदाहरण श्वसन कम्प्लेक्स अवरुद्ध गरिएका, गिनी पिगको मस्तिष्कबाट अलग गरिएका माइटोकन्ड्रिया बाट आउँछ। 100 nanomolar देखि 1 micromolar मेथिलिन ब्लुमा, ग्लुटामेट र म्यालेट, सक्सिनेट वा ग्लिसेरोफस्फेटलाई इन्धन बनाउँदा विश्राम अवस्थाको अक्सिजन खपत बढ्यो, जबकि ADP ले उत्तेजित गरेको श्वसन अपरिवर्तित रह्यो। कम्प्लेक्स I वा कम्प्लेक्स III मा विषालु पदार्थद्वारा अवरोध गरिएका माइटोकन्ड्रियामा उक्त रङद्रव्यले ATP उत्पादन केही बढायो, झिल्ली विभव पुनःस्थापित गर्यो र क्याल्सियम ग्रहण सुधार्यो। प्रस्तावित मार्ग एउटा छोटो वैकल्पिक बाटो हो: रङद्रव्यले अवरोधअघिको भागबाट इलेक्ट्रोन लिन्छ र क्षतिग्रस्त कम्प्लेक्सलाई छलेर साइटोक्रोम c लाई दिन्छ।
दोस्रो युग्मित उदाहरणले ATP को पूर्णतः फरक स्रोत प्रयोग गर्छ। ATP सिन्थेज अवरुद्ध गरिएका, मस्तिष्कबाट अलग गरिएका माइटोकन्ड्रिया मा मेथिलिन ब्लुले परीक्षण गरिएका सबै सब्स्ट्रेटमा श्वसनलाई अझै उत्तेजित गर्यो। तर ATP संश्लेषण अल्फा-केटोग्लुटारेट र ग्लुटामेटमा मात्र बढ्यो; यी दुई सब्स्ट्रेटले सक्सिनिल CoA बनाउँछन्। ओलिगोमाइसिनले ATP सिन्थेज अवरुद्ध गरेको अवस्थामा, थप ATP साइट्रिक एसिड चक्रमा सक्सिनिल CoA लाइगेजद्वारा हुने सब्स्ट्रेट-स्तरीय फस्फोराइलेसनबाट आयो, अक्सिडेटिभ फस्फोराइलेसनबाट होइन। कम्प्लेक्स I र ATP सिन्थेजलाई एकसाथ अवरुद्ध गर्दा रङद्रव्यले झिल्ली विभव पनि पुनःस्थापित गर्यो। यहाँ अक्सिजनको प्रयोग र ATP सँगै बढे, तर सब्स्ट्रेटले दोस्रो ATP मार्ग सम्भव बनाएको अवस्थामा मात्र। सक्सिनेट वा म्यालेटमा थप ATP नबनी श्वसन बढ्यो। उही रङद्रव्य, उही कक्ष, फरक इन्धन, फरक उत्तर।
जब परिणामहरू अलग हुन्छन्
परिणाम छुट्टिएका उदाहरण पनि उत्तिकै प्रकाशित र उत्तिकै शिक्षाप्रद छन्। सन् 1997 को मुसाको कलेजोबाट अलग गरिएका माइटोकन्ड्रियाको अध्ययन मा मेथिलिन ब्लुले सक्सिनेट प्रयोग गरेर श्वसन गर्ने, मजबुत रूपमा युग्मित माइटोकन्ड्रियामा अवस्था 4 को श्वसन तीव्र बनायो, जसले श्वसन नियन्त्रण अनुपात घटायो। प्रभाव 0.5 micromolar देखि नै देखियो र 5 micromolar मा बलियो थियो। यो सान्द्रता 100 milligram को एकमुष्ट अन्तःशिरा प्रविष्टिपछि प्लाज्मामा पुग्ने स्तरको नजिक छ। 5 micromolar मा माइटोकन्ड्रिया फुले पनि, युग्मनको खराबी पहिले नै कम सान्द्रतामा देखिएको थियो। यसले चुहावट संरचनात्मक क्षतिबाट आएको नभई त्यसभन्दा पहिले आएको तर्कलाई समर्थन गर्छ। अयुग्मित माइटोकन्ड्रियामा रङद्रव्यले सान्द्रतामा निर्भर र संतृप्तिमा पुग्ने ढङ्गले श्वसनलाई उत्तेजित गर्यो। दुवै प्रयोगात्मक नमुनामा अक्सिजनको प्रयोग बढ्यो। खपत भएको अक्सिजनको प्रति एकाइ ATP संश्लेषण भने बढेन। एउटै अणुमा अयुग्मन र इलेक्ट्रोन ओसार्ने कार्य सँगै भएको यो पाठ्यपुस्तकमा वर्णित जस्तै उदाहरण हो।
सबैभन्दा स्पष्ट भिन्नता रेटिनामा देखिन्छ। AIF को कमी भएका मुसा र रोटेनोनद्वारा उपचार गरिएका प्रकाशग्राही कोशिका मा मेथिलिन ब्लुले रेटिनाको मोटाइ, प्रकाशग्राहीका सूचक र माइटोकन्ड्रियाको संरचना जोगायो। यसले NADH र NAD को अनुपात घटायो र अनफोल्डेड प्रोटिन प्रतिक्रिया तथा माइटोफेजीलगायतका तनाव मार्गको सक्रियता कम गर्यो। तर यसले ATP को कमी भने सच्याएन। ऊर्जा पुनःस्थापित नभई संरक्षण हुनुको अर्थ लाभ थप ATP बाट नभई रेडक्स सन्तुलन र माइटोकन्ड्रियाको अखण्डताबाट आएको हो। तन्तु जीवित रहनुलाई ऊर्जा उत्पादन पुनःस्थापित भएकोसँग बराबर ठान्ने जोकोहीले त्यो प्रयोगलाई पूर्णतः गलत बुझ्नेछ।
मस्तिष्कका माइटोकन्ड्रियासम्बन्धी कामले यही हिसाबमा लागतको अर्को पाटो थप्छ। जैवऊर्जात्मक अवस्था सुधार्ने उही कम सान्द्रताले परीक्षण गरिएका सबै अवस्थाहरूमा हाइड्रोजन पेरोक्साइडको उत्पादन पनि बढायो र त्यसको निष्कासन सुस्त बनायो। यो मापन कुनै गैरविशिष्ट रङद्रव्यबाट नभई क्यालिब्रेट गरिएको Amplex परीक्षणबाट गरिएको थियो। बढी ATP र बढी अक्सिडेन्ट सँगसँगै आए।
अध्ययन पढ्नका लागि व्यावहारिक जाँचसूची
चार प्रश्नले युग्मित परिणामलाई अयुग्मित परिणामबाट छुट्याउँछन्।
पहिलो, वास्तवमा कुन परिणाम मापन गरिएको थियो? अक्सिजन खपतले मात्र ATP बारे बताउन सक्दैन। ATP संश्लेषण, झिल्ली विभव र श्वसन नियन्त्रण अनुपातमध्ये प्रत्येकले अक्सिजन इलेक्ट्रोडले देख्न नसक्ने एउटा पक्ष थप्छ। मेथिलिन ब्लुसम्बन्धी अनुसन्धानका दाबी पढ्ने मार्गदर्शिकाले मापन गरिएको परिणामप्रति ध्यान दिने यो अनुशासनलाई विस्तृत रूपमा बुझाउँछ।
दोस्रो, माइटोकन्ड्रियालाई कुन सब्स्ट्रेट दिइएको थियो? सक्सिनिल CoA को नतिजाले थप श्वसनबाट थप ATP बन्न सक्छ कि सक्दैन भन्ने कुरा नै इन्धनको छनोटले निर्धारण गर्न सक्ने देखाउँछ।
तेस्रो, कुन सान्द्रता प्रयोग गरिएको थियो? मस्तिष्कका माइटोकन्ड्रियामा nanomolar देखि कम micromolar स्तरको मेथिलिन ब्लुले अक्सिडेन्टको लागतसहित जैवऊर्जात्मक अवस्थामा सामान्य सुधार दियो; कलेजोका माइटोकन्ड्रियामा आधा micromolar र त्यसभन्दा माथिले युग्मन कमजोर बनायो; 5 micromolar मा फुल्ने प्रभाव पनि थपियो। सान्द्रता कार्यविधिकै अंश हो, पृष्ठभूमिको विवरण मात्र होइन।
चौथो, नतिजा कुन मोडेलमा देखिएको थियो? अलग गरिएका माइटोकन्ड्रियाले आन्तरिक कार्यसम्बन्ध देखाउँछन्, तर अक्षुण्ण कोशिका र तन्तुमा पदार्थको ओसारपसार, रङहीन स्वरूपमा अपचयन र इलेक्ट्रोन ग्रहण गर्ने प्रतिस्पर्धी मार्ग पनि थपिन्छन्। सान्द्रता र प्रयोग-विधिले मेथिलिन ब्लुका प्रभावलाई कसरी आकार दिन्छन् भन्ने कामसहित प्रयोगशालामा मात्रा निर्धारणसम्बन्धी अध्ययनले कक्षभित्रका सङ्ख्या र कुनै व्यक्तिबारे गरिने दाबीबीच पुलको काम गर्छ।
अक्सिजन खपतले इलेक्ट्रोनको प्रवाह जनाउँछ। ATP ले त्यो प्रवाहको कति भाग सञ्चित भयो भन्ने जनाउँछ। मेथिलिन ब्लुले यीमध्ये जुनसुकैलाई बदल्न सक्छ, र माथिका प्रयोगहरूले यी चारै ढाँचा देखाउँछन्: दुवै बढ्छन्, सब्स्ट्रेटले अनुमति दिएको अवस्थामा मात्र श्वसन बढ्छ, युग्मन घट्दा पनि श्वसन बढ्छ, र ATP उस्तै रहँदा पनि तन्तु जोगिन्छ। अक्सिजन इलेक्ट्रोडमा देखिने सङ्ख्या व्याख्याको सुरुवात हो, अन्त्य होइन।