ATP na bluu ya methilini: je, matumizi zaidi ya oksijeni yanamaanisha nishati zaidi?

Mitokondrioni iliyotengwa iko katika chumba cha majaribio chenye chanzo cha nishati lakini bila ADP. Inatumia oksijeni polepole. Ukiongeza ADP, matumizi ya oksijeni huongezeka mara kadhaa. Ukisubiri hadi ADP iishe, matumizi ya oksijeni hushuka tena. Chanzo cha nishati hakikubadilika kamwe. Kilichobadilika ni mahitaji ya ATP pekee.

Mfuatano huo mfupi unaonyesha tofauti yote inayojadiliwa katika makala hii. Matumizi ya oksijeni hupima kasi ambayo elektroni hutiririka kupitia mnyororo wa upumuaji hadi kwenye oksijeni. Uzalishaji wa ATP hupima kiasi cha mtiririko huo kinachohifadhiwa kama nishati inayoweza kutumika. Vyote viwili vina hatua ya kati inayofanana: tofauti ya protoni kati ya pande mbili za utando wa ndani wa mitokondria. Kitu chochote kinachobadilisha jinsi tofauti hiyo inavyounganishwa kwa karibu na usanisi wa ATP kinaweza kufanya vipimo hivyo viwili viende katika mielekeo tofauti. Bluu ya methilini ni mfano mzuri wa kujifunzia hapa kwa sababu imeonekana kufanya yote mawili: kuongeza matumizi ya oksijeni pamoja na ATP katika baadhi ya sampuli za majaribio, na kuongeza matumizi ya oksijeni huku ATP ikibaki palepale au ikishuka katika nyingine.

Wasomaji wanaotaka kwanza picha pana ya upitishaji wa elektroni wanaweza kuanza na jinsi bluu ya methilini inavyosafirisha elektroni kupitia mnyororo wa upumuaji. Wasomaji wanaotaka kuelewa istilahi za majaribio ya awali ya oksijeni wanaweza kusoma kile ambacho vipimo vya kwanza vya upumuaji vilionyesha hasa.

Upumuaji, ATP, na tofauti ya protoni kati yake

Elektroni kutoka NADH na FADH2 huingia katika mnyororo kupitia kompleksi I na II, hupitia kompleksi III hadi saitokromu c, kisha hupitia kompleksi IV hadi kwenye oksijeni. Nishati inayotolewa katika kompleksi I, III, na IV husukuma protoni kutoka kwenye matriksi hadi katika nafasi kati ya tando. Utenganishaji huo wa chaji na asidi ndio nguvu inayosukuma protoni, na sehemu yake ya umeme, tofauti ya potenshali katika utando, kwa kawaida ndiyo sehemu inayotawala.

Sintasi ya ATP huruhusu protoni kurudi kwenye matriksi na hutumia nishati inayotolewa kuunganisha ADP na fosfati kuwa ATP. Kwa hiyo, mnyororo ni:

matumizi ya oksijeni, kisha usukumaji wa protoni, kisha tofauti ya protoni, kisha usanisi wa ATP.

Tatizo ni kwamba protoni zinaweza kurudi kupitia njia nyingine. Kurudi kokote kunakopita bila kutumia sintasi ya ATP ni uvujaji wa protoni. Uvujaji hulazimisha mnyororo kusukuma protoni zilezile tena ili kudumisha tofauti ya potenshali katika utando, jambo linalotumia oksijeni zaidi bila kuzalisha ATP zaidi. Uvujaji wenye nguvu ya kutosha husababisha kutenganika kwa upumuaji na usanisi wa ATP: matumizi ya oksijeni huongezeka huku ATP ikibaki palepale au ikishuka, na nishati inayopotea hutolewa kama joto.

Hali ya 3, hali ya 4, na uwiano wa udhibiti wa upumuaji

Istilahi za jadi za jambo hili zinatokana na mitokondria zilizotengwa. Hali ya 3 ni upumuaji wakati substrati na ADP zipo: sintasi ya ATP hupunguza tofauti ya protoni, tofauti ya potenshali katika utando hushuka, mnyororo huongeza kasi ili kuirejesha, na matumizi ya oksijeni huwa makubwa kwa sababu ATP inatengenezwa. Hali ya 4 ni upumuaji baada ya ADP kuisha: sintasi ya ATP huwa bila shughuli, tofauti ya protoni huongezeka, tofauti kubwa ya potenshali katika utando huzuia usukumaji zaidi, na matumizi ya oksijeni hushuka hadi kiwango kinachohitajika kufidia uvujaji.

Kwa hiyo, uwiano wa udhibiti wa upumuaji, yaani hali ya 3 ikigawanywa kwa hali ya 4, huonyesha kiwango ambacho upumuaji na usanisi wa ATP vimeunganishwa katika sampuli. Uwiano mkubwa unamaanisha kwamba ADP inadhibiti upumuaji kwa nguvu. Uwiano unaoshuka huku hali ya 4 ikiongezeka unamaanisha kwamba uvujaji unaanza kutawala. Huu ndio mtazamo unaosaidia kuelewa matokeo ya bluu ya methilini yaliyo hapa chini.

Kuna mfano mmoja wa kufikiria unaofaa kukumbukwa. Tofauti kubwa ya potenshali katika utando hupunguza kasi ya mnyororo. Kupunguza tofauti hiyo huongeza kasi yake. Mnyororo huitikia ugumu wa kusukuma protoni, si moja kwa moja iwapo ATP inatengenezwa.

Wakati vipimo hubadilika pamoja

Mfano ulio wazi zaidi wa uunganishaji unatokana na mitokondria zilizotengwa kutoka kwenye ubongo wa panya wa Guinea zenye kompleksi za upumuaji zilizozuiwa. Katika viwango vya bluu ya methilini vya 100 nanomolar hadi 1 micromolar, matumizi ya oksijeni wakati wa mapumziko yaliongezeka wakati glutamati pamoja na malati, suksinati, au gliserofosfati zilitumika kama chanzo cha nishati, huku upumuaji uliochochewa na ADP ukibaki bila kubadilika. Katika mitokondria zilizoharibiwa kwa sumu kwenye kompleksi I au kompleksi III, rangi hiyo iliongeza uzalishaji wa ATP kwa kiasi kidogo, ikarejesha tofauti ya potenshali katika utando, na kuboresha uchukuaji wa kalsiamu. Njia inayopendekezwa ni njia ya mkato: rangi hiyo hupokea elektroni kabla ya sehemu iliyozuiwa na kuzikabidhi kwa saitokromu c, hivyo kuipita kompleksi iliyoharibiwa.

Mfano wa pili wa uunganishaji hutumia chanzo tofauti kabisa cha ATP. Katika mitokondria zilizotengwa kutoka kwenye ubongo ambazo sintasi ya ATP ilikuwa imezuiwa, bluu ya methilini bado ilichochea upumuaji kwa kila substrati iliyojaribiwa. Lakini usanisi wa ATP uliongezeka tu kwa alfa-ketoglutarati na glutamati, substrati mbili zinazounda suksinili CoA. Oligomis ini ilipozuia sintasi ya ATP, ATP ya ziada ilitokana na ufosforilishaji katika kiwango cha substrati unaofanywa na ligasi ya suksinili CoA katika mzunguko wa asidi ya sitriki, si ufosforilishaji wa kioksidishaji. Rangi hiyo pia ilirejesha tofauti ya potenshali katika utando wakati kompleksi I na sintasi ya ATP zilizuiwa pamoja. Hapa, matumizi ya oksijeni na ATP viliongezeka pamoja, lakini tu pale substrati iliporuhusu njia ya pili ya kutengeneza ATP. Kwa suksinati au malati, upumuaji uliongezeka bila ATP ya ziada. Rangi ileile, chumba kilekile, chanzo tofauti cha nishati, jibu tofauti.

Wakati vipimo hutofautiana

Mifano ya kutofautiana pia imechapishwa na inafundisha kwa kiwango kilekile. Katika utafiti wa mwaka 1997 wa mitokondria zilizotengwa kutoka kwenye ini la panya, bluu ya methilini iliharakisha upumuaji wa hali ya 4 katika mitokondria zilizokuwa na uunganishaji thabiti na zilizotumia suksinati kwa upumuaji, jambo lililopunguza uwiano wa udhibiti wa upumuaji. Athari ilionekana kuanzia 0.5 micromolar na ilikuwa kubwa katika 5 micromolar, ukolezi ulio karibu na viwango vya plasma baada ya bolasi ya 100 milligram iliyotolewa kwenye mshipa. Katika 5 micromolar, mitokondria pia zilivimba, ingawa kasoro ya uunganishaji ilionekana kwanza katika viwango vya chini zaidi. Hilo linaunga mkono kwamba uvujaji ulitangulia uharibifu wa muundo badala ya kutokana nao. Katika mitokondria ambazo upumuaji na usanisi wa ATP vilikuwa vimetenganishwa, rangi hiyo ilichochea upumuaji kwa namna iliyotegemea ukolezi na iliyoweza kufikia kikomo. Matumizi ya oksijeni yaliongezeka katika sampuli zote mbili. Usanisi wa ATP kwa kila kiasi cha oksijeni kilichotumika haukuongezeka. Huo ni mfano wa kawaida wa kutenganika kwa upumuaji na usanisi wa ATP pamoja na usafirishaji wa elektroni, vyote katika molekuli ileile.

Tofauti iliyo dhahiri zaidi inatokana na retina. Katika panya wenye upungufu wa AIF na seli zinazopokea mwanga zilizowekwa katika rotenoni, bluu ya methilini ilihifadhi unene wa retina, viashiria vya seli zinazopokea mwanga, na muundo wa mitokondria. Pia ilipunguza uwiano wa NADH kwa NAD na kupunguza shughuli za njia za mwitikio wa msongo, zikiwemo mwitikio wa protini zisizokunjika na mitofajia. Ilifanya hivyo bila kurekebisha upungufu wa ATP. Ulinzi bila kurejeshwa kwa nishati unamaanisha kwamba manufaa yalitokana na uwiano wa redoksi na uadilifu wa mitokondria, si ATP ya ziada. Yeyote anayelinganisha kuendelea kuishi kwa tishu na kurejeshwa kwa uzalishaji wa nishati angeutafsiri vibaya kabisa utaratibu huo wa majaribio.

Utafiti wa mitokondria za ubongo unaongeza upande wa gharama katika picha hiyo hiyo. Viwango vilevile vya chini vilivyoboresha michakato ya nishati ya kibayolojia pia viliongeza uzalishaji wa peroksidi ya hidrojeni katika kila hali iliyojaribiwa na kupunguza kasi ya uondoaji wake. Hili lilipimwa kwa kipimo cha Amplex kilichokalibishwa badala ya rangi isiyo mahususi. ATP zaidi na kioksidishaji zaidi vilikuja pamoja.

Orodha ya ukaguzi ya kusoma matokeo kwa vitendo

Maswali manne hutofautisha matokeo yenye uunganishaji na yale yenye kutenganika.

Kwanza, ni kipimo gani kilichopimwa hasa. Matumizi ya oksijeni pekee hayawezi kuonyesha ATP. Usanisi wa ATP, tofauti ya potenshali katika utando, na uwiano wa udhibiti wa upumuaji kila kimoja huongeza taarifa ambayo elektrodi ya oksijeni haiwezi kuonyesha. Mwongozo wa kusoma madai ya utafiti wa bluu ya methilini unaeleza kwa kina namna hii ya kuchunguza vipimo.

Pili, ni substrati gani iliyolisha mitokondria. Matokeo ya suksinili CoA yanaonyesha kwamba uchaguzi wa chanzo cha nishati unaweza kuamua iwapo upumuaji wa ziada unaweza kuwa ATP ya ziada hata kidogo.

Tatu, ni ukolezi gani uliotumika. Bluu ya methilini katika viwango vya nanomolar hadi micromolar vya chini katika mitokondria za ubongo ilileta maboresho madogo ya michakato ya nishati ya kibayolojia, pamoja na gharama ya vioksidishaji; nusu micromolar na zaidi katika mitokondria za ini ilidhoofisha uunganishaji; 5 micromolar iliongeza uvimbe. Ukolezi ni sehemu ya utaratibu wa utendaji, si taarifa ya pembeni.

Nne, ni mfumo gani wa majaribio uliotoa matokeo. Mitokondria zilizotengwa huonyesha jinsi michakato ilivyounganishwa, lakini seli na tishu nzima huongeza usafirishaji, ubadilishaji kwa reduksheni hadi umbo lisilo na rangi, na njia zinazoshindana kupokea elektroni. Tafiti za kiasi kinachotumika maabara, zikiwemo jinsi ukolezi na itifaki zinavyobadilisha athari za bluu ya methilini, ndizo kiungo kati ya vipimo vya chumba cha majaribio na dai lolote kuhusu mtu.

Matumizi ya oksijeni huonyesha mtiririko wa elektroni. ATP huonyesha ni kiasi gani cha mtiririko huo kilihifadhiwa. Bluu ya methilini inaweza kubadilisha chochote kati ya hivyo viwili, na majaribio yaliyo hapo juu yanaonyesha mifumo yote minne inayofuata: vyote viwili huongezeka, upumuaji huongezeka lakini ATP huongezeka tu pale substrati inaporuhusu, upumuaji huongezeka huku uunganishaji ukipungua, na tishu huhifadhiwa huku ATP ikibaki palepale. Nambari kwenye elektrodi ya oksijeni ni mwanzo wa tafsiri, si mwisho wake.