Bluu ya methilini na mitokondria: usafirishaji wa elektroni na ushahidi

Fikiria sampuli mbili zilizotayarishwa na kuwekwa kando ya kila mmoja. Zote zina mitokondria ya ubongo iliyotiwa sumu ya rotenone, kemikali inayozuia Kompleksi I ya mnyororo wa upumuaji. Katika moja, mtafiti anaongeza kwa pipeti kiasi cha bluu ya methilini chenye ukolezi wa micromolar. Matumizi ya oksijeni yanarejea kwa kiasi. Volteji ya utando inarejea kwa kiasi. Usanisi mdogo wa ATP unaanza tena. Katika kyuveti iliyo jirani, kihisi cha peroksidi kinaeleza nusu nyingine ya kisa hiki: uzalishaji wa peroksidi ya hidrojeni umeongezeka mara kadhaa, katika kila kiasi kilichojaribiwa, na kwa kila substrati iliyotumika.

Vipimo vyote viwili ni sahihi. Bluu ya methilini ni kisafirishaji cha elektroni kinachoweza kuendeleza mtiririko wa mkondo kwa kupita pembeni ya sehemu iliyoharibika ya mnyororo wa upumuaji, na kisafirishaji hicho hicho hutoza gharama ya peroksidi kinapofanya hivyo. Ukizingatia ukweli wote wawili kwa pamoja, maandiko ya kisayansi kuhusu utendaji wa bluu ya methilini katika mitokondria yanaeleweka. Ukizingatia mmoja tu, yanaonekana kuzungumzia muujiza au tishio kutegemea makala ya utafiti uliyosoma kwanza.

Usafirishaji huo, kwa lugha rahisi

Mnyororo wa upumuaji ni safu ya kupokezana. Elektroni huingia kupitia Kompleksi I (kutoka NADH) au kupitia Kompleksi II na vimeng'enya vinavyohusiana vya flavini (kutoka suksinati na watoaji wengine wanaofanana), hupitia Kompleksi III hadi kwenye kibebaji kinachosogea, sitokromu c, kisha hupitia Kompleksi IV hadi kwenye oksijeni. Kila upokezanaji husukuma protoni kuvuka utando wa ndani, na tofauti ya ukolezi inayotokana na hilo huendesha usanisi wa ATP. Zuia kituo chochote na shughuli katika sehemu inayokitangulia hukoma.

Bluu ya methilini hujiingiza kama msafirishaji sambamba. Umbo lake lililooksidishwa huchukua elektroni kutoka kwa vibebaji vya sehemu inayotangulia, na kuwa umbo lililopunguzwa lisilo na rangi, bluu ya leukomethilini. Kisha umbo hilo hukabidhi elektroni hizo kwenye sehemu inayofuata na kurudi kuwa la bluu. Maumbo hayo mawili yameelezwa katika maelezo ya jozi ya redoksi, na tabia pana ya kupokezana imejadiliwa katika maelezo ya utaratibu wa jumla. Swali ambalo bado halijajibiwa ni mahali msafirishaji huyo anapojiunga tena na safu: kwenye mfuko wa kufungamana na kwinoli wa Kompleksi III unaojulikana kama eneo la Qo, au moja kwa moja kwenye sitokromu c. Njia ya kutokea inayotawala hutegemea hali zilizopo, kama uchanganuzi wa kupita pembeni ya Kompleksi III unavyoeleza kwa kina.

Tafiti tatu za panya zilipima nini hasa

Tafiti zote tatu zilitumia mitokondria ya ubongo iliyotengwa, yaani organeli zilizotolewa kwenye seli na kuwekwa katika myeyusho wa bafa wenye muundo uliobainishwa. Hakukuwa na seli zisizoharibiwa, wanyama waliopewa dutu hiyo, wala washiriki binadamu. Ukolezi unahusu myeyusho unaozunguka organeli, si dozi ya kumezwa na binadamu. Ukizingatia muktadha huo, namba zinaeleweka wazi.

Utafiti wa kwanza, uliohusu mitokondria iliyotengwa ya ubongo wa nguruwe wa Guinea katika ukolezi wa 100 nanomolar hadi 2 micromolar, ulipima faida na gharama katika sampuli moja iliyotayarishwa. Katika mitokondria yenye afya, rangi hiyo iliongeza matumizi ya oksijeni katika hali ya utulivu lakini haikubadilisha upumuaji uliochochewa na ADP, kwa hiyo uzalishaji wa ATP uliounganishwa na upumuaji haukuimarika. Kompleksi I ilipozuiwa, 2 micromolar ilirejesha usanisi wa ATP kutoka 46 hadi 93 nanomoles kwa dakika kwa milligram, ikilinganishwa na kiwango cha kawaida cha karibu 1109. Kompleksi III ilipozuiwa, kiasi hicho hicho kilirejesha ATP kutoka takriban 46 hadi 63, ikilinganishwa na kiwango cha kawaida cha karibu 910. Volteji na uchukuaji wa kalsiamu vilirejea kwa kiasi. Kizuizi cha sianidi kwenye Kompleksi IV hakikuweza kupitwa pembeni, jambo linaloweka njia muhimu ya kutokea kwa elektroni kabla ya Kompleksi IV inayofanya kazi. Kila urejeshaji ulikuwa halisi kitakwimu lakini mdogo: asilimia za tarakimu moja za uzalishaji wa kawaida wa ATP.

Utafiti wa pili, uliohusu mitokondria ya gamba la ubongo wa panya wadogo katika ukolezi wa karibu 1 micromolar, ulithibitisha kupita pembeni ya Kompleksi I na kubaini kikomo kwenye Kompleksi III. Rotenone ilipunguza upumuaji kutoka takriban 121 hadi chini ya 2 nanomoles za oksijeni kwa dakika kwa milligram, na rangi hiyo ikauinua hadi takriban 21, karibu moja ya sita ya kiwango cha kawaida, huku volteji ya utando ikirejea karibu kikamilifu. Lakini baada ya Kompleksi III kuzuiwa, wala upumuaji wala volteji havikurejea katika ukolezi wa 1 hadi 5 micromolar, na kizuizi hicho kilipunguza ishara ya peroksidi iliyosababishwa na rangi. Waandishi walipendekeza kwamba rangi iliyopunguzwa hukabidhi elektroni zake kwenye eneo la Qo la Kompleksi III: eneo hilo likiwa limezibwa, msafirishaji hana mahali pa kukabidhi.

Utafiti wa tatu, uliohusu mitokondria ya ubongo wa panya wadogo, panya wakubwa na nguruwe wa Guinea katika ukolezi hasa wa 2 micromolar, ulijaribu moja kwa moja tofauti hiyo ya matokeo na kubaini kwamba kizuizi cha Kompleksi III kinaweza kupitwa. Huku myxothiazol, kizuiaji cha eneo la Qo, ikipunguza upumuaji wa msingi kwa asilimia 88, rangi hiyo ilirejesha matumizi ya oksijeni hadi takriban asilimia 62 ya kiwango bila kizuizi. Katika jaribio la moja kwa moja, nusu ya micromolar ilipunguza sitokromu c iliyoongezwa kutoka nje hata wakati Kompleksi III ilikuwa imezuiwa, ikiunga mkono njia kutoka NADH kupitia rangi hadi sitokromu c na kuendelea hadi Kompleksi IV. Lakini upumuaji uliorejeshwa ulifanya kazi kwa namna isiyo ya kawaida: ADP iliyoongezwa ilipunguza matumizi ya oksijeni badala ya kuyaongeza, na kuzuia usanisi wa ATP kulichochea upumuaji. Utando ulipata tena tofauti ya volteji kwa kiasi tu. Matumizi makubwa ya oksijeni huku uunganishaji ukifanya kazi kinyume si uzalishaji wa kawaida wa nishati.

Kwa nini maabara zinatofautiana, na nini kinatoa ufafanuzi

Maelezo yanayotegemea tofauti za spishi ndiyo ya kwanza kushindwa. Kundi la tatu lilirudia kazi hiyo katika aina tatu za panya na kupata aina ileile ya kupita pembeni katika zote, ikiwemo nasaba ya panya wadogo ambayo iliripotiwa kutokuwa na njia hiyo. Kinachotofautiana badala yake ni ukolezi (1 dhidi ya 2 micromolar), kiasi cha vizuiaji, bafa, mbinu za kutenga mitokondria, na zaidi ya yote hali ya nishati inayolinganishwa: njia ya kupita pembeni huonekana wazi zaidi kabla ya kuongeza ADP, mahali pale ambapo mwitikio wa ADP unaokinzana na matarajio hujitokeza. Kwa hiyo mchoro unaowakilisha ushahidi kwa uaminifu unaonyesha njia mbili za kutokea zinazotegemea hali zilizopo, moja kwenye eneo la Qo na nyingine kwenye sitokromu c. Msafirishaji hukabidhi pale ambapo kemia ya eneo hilo inamruhusu.

Gharama ya peroksidi

Upande wa gharama unaonyesha uthabiti sawa na upande wa kurejesha utendaji. Katika utafiti wa nguruwe wa Guinea, rangi hiyo iliongeza utoaji wa peroksidi katika kila hali iliyojaribiwa: hali ya utulivu, usanisi wa ATP na utendaji uliodhoofishwa kwa kemikali, kwa substrati zote tatu. Wakati wa usanisi wa ATP, uzalishaji ulipanda kutoka takriban 148 hadi zaidi ya 1500 picomoles kwa dakika kwa milligram katika ukolezi wa 1 micromolar, na hata 100 nanomolar iliongeza ishara zaidi ya mara nne. Rangi hiyo pia ilipunguza kasi ya uondoaji wa peroksidi kwa takriban mara 2.6, kwa hiyo ishara inaakisi uzalishaji wa haraka zaidi pamoja na uondoaji wa polepole zaidi. Kemia iliyopendekezwa ni upunguzaji wa moja kwa moja wa oksijeni na rangi iliyopunguzwa bila superoksidi inayoweza kugunduliwa, ingawa hilo bado ni tafsiri badala ya hatua iliyothibitishwa.

Utafiti wa panya wadogo unaongeza utata wenye manufaa. Peroksidi iliongezeka kwa kasi kulingana na kiasi cha rangi, kutoka kiwango cha msingi cha karibu 76 hadi karibu 2000 picomoles kwa dakika kwa milligram katika ukolezi wa 2 micromolar, lakini kizuizi cha Kompleksi III kilipunguza sehemu iliyosababishwa na rangi. Ikiwa peroksidi ingetokana tu na rangi iliyopunguzwa kuitikia na oksijeni, kuzuia mnyororo kusingekuwa na athari kubwa hivyo. Kina athari hiyo, kwa hiyo mnyororo unashiriki. Mapitio ya sifa za kuzuia na kuchochea oksideshi yanaweka hali hii ya pande mbili katika muktadha mpana zaidi, na uchanganuzi wa oksijeni dhidi ya ATP unaeleza kwa nini namba za oksijeni pekee haziwezi kamwe kuamua dai kuhusu nishati.

Kurejesha utendaji si kurekebisha

Kauli inayopaswa kuachwa ni "je, bluu ya methilini hurekebisha mitokondria." Kurekebisha kungemaanisha marekebisho ya kudumu: kompleksi zilizojengwa upya, uunganishaji unaoendelea baada ya dawa kuondoka, kurejea kwa utendaji katika seli zisizoharibiwa, kisha utendaji ulioimarika katika kiumbe hai. Hakuna hata moja ya makala hizo tatu inayoonyesha hilo. Zinaonyesha kuelekezwa upya kwa mtiririko kwa muda mfupi katika organeli zilizotengwa karibuni wakati wa kizuizi bandia cha kemikali, huku uzalishaji wa ATP ukiwa sehemu ndogo za kiwango cha kawaida na wakati mwingine uunganishaji ukiwa wa ajabu waziwazi. Rotenone na antimycin ni zana za maabara, si mifumo ya kuiga kuzeeka au magonjwa ya mitokondria ya binadamu, na hakuna chochote hapa kinachomaanisha nishati zaidi kwa mtu mwenye afya. Hilo ni swali tofauti la ushahidi lenye maandiko yake ya utafiti kwa binadamu.

Mipaka mitatu huweka hitimisho lolote kuhusu kujiboresha kibayolojia katika uaminifu. Kwanza, ukolezi wa myeyusho si dozi: 0.1 hadi 2 micromolar kuzunguka organeli zilizotengwa haisemi chochote kuhusu kiasi cha kumezwa kinachoweza kutoa ukolezi huo huru kwenye mitokondrioni ya ubongo wa binadamu, hasa kwa kuwa rangi hiyo hujikusanya au hutolewa kutegemea volteji ya utando wenyewe. Pili, oksijeni si nishati: rangi inaweza kuongeza matumizi ya oksijeni kupitia mizunguko na uvujaji, pamoja na kupitia fosforilesheni inayozalisha ATP, kwa hiyo upimaji wa upumuaji bila vipimo vya ATP na volteji hauwezi kuhalalisha dai kuhusu nishati. Tatu, faida na mzigo lazima zitajwe pamoja: kauli yoyote kuhusu volteji au ATP iliyorejeshwa ambayo haijumuishi ongezeko la peroksidi linaloambatana nayo inaripoti jaribio vibaya. Mambo mengine yanayoweka mipaka ya tafsiri ni pamoja na uwiano wa redoksi wa NAD, umbo la mwitikio kulingana na kiasi na mwongozo wa vipimo.

Dokezo moja la vitendo: usafirishaji huo ni sifa ya molekuli hiyo mahususi. Molekuli zinazohusiana ambazo zimeondolewa vikundi vya methili, kama Azure B, pia hushiriki katika redoksi, lakini zina tabia tofauti. Kwa hiyo myeyusho ulioharibika kwa kiasi hufanya jaribio tofauti na rangi ambayo haijaharibika. Hiyo ni sababu moja ya kusisitiza vipimo kamili vya farmakopea na hati iliyochapishwa ya kundi la uzalishaji badala ya uchunguzi wa metali pekee. Kemia inayoendeshwa na mwanga inaongeza tahadhari nyingine kwa matumizi yenye mwangaza, iliyoelezwa katika mchanganyiko na mwanga mwekundu.

Dai lenye mipaka finyu linabaki thabiti licha ya yote haya na linafaa kuhifadhiwa: bluu ya methilini inaweza kufanya kazi kama msafirishaji wa elektroni unaotegemea hali zilizopo katika mitokondria iliyoharibika na kutengwa, ikidumisha mtiririko kwa kiasi kwa gharama ya peroksidi. Kila jambo linalozidi hilo, iwe nishati, maisha marefu au marekebisho, linasubiri ushahidi ambao tafiti hizi hazikubuniwa kamwe kutoa.