அதிக ஆக்சிஜன் நுகர்வு அதிக ATP-ஐக் குறிக்குமா? மெத்திலீன் நீல ஆய்வுகளிலிருந்து படிப்பினைகள்

தனிமைப்படுத்தப்பட்ட ஒரு மைட்டோகாண்ட்ரியா, எரிபொருள் இருந்தும் ADP இல்லாத ஒரு அறையில் இருக்கிறது. அது ஆக்சிஜனை மெதுவாக நுகர்கிறது. ADP-ஐச் சேர்த்தால், ஆக்சிஜன் நுகர்வு பல மடங்கு உயர்கிறது. ADP தீரும்வரை காத்திருந்தால், ஆக்சிஜன் நுகர்வு மீண்டும் குறைகிறது. எரிபொருள் மாறவே இல்லை. ATP-க்கான தேவை மட்டுமே மாறியது.

இந்தக் கட்டுரை விளக்கும் முழு வேறுபாடும் அந்தச் சிறிய நிகழ்வுத் தொடரில் அடங்கியுள்ளது. சுவாசச் சங்கிலி வழியாக ஆக்சிஜனை நோக்கி எலக்ட்ரான்கள் எவ்வளவு வேகமாகச் செல்கின்றன என்பதை ஆக்சிஜன் நுகர்வு அளவிடுகிறது. அந்த ஓட்டத்தில் எவ்வளவு பகுதி பயன்படுத்தக்கூடிய ஆற்றலாகச் சேமிக்கப்படுகிறது என்பதை ATP உற்பத்தி அளவிடுகிறது. இவை இரண்டுக்கும் பொதுவான ஒரு இடைநிலை உள்ளது: மைட்டோகாண்ட்ரியாவின் உள் சவ்வுக்கு இருபுறமும் உள்ள புரோட்டான் செறிவுச் சரிவு. இந்தச் சரிவும் ATP தொகுப்பும் எவ்வளவு நெருக்கமாக இணைக்கப்பட்டுள்ளன என்பதை மாற்றும் எதுவும், இந்த இரு அளவீட்டு முடிவுகளையும் வெவ்வேறு திசைகளில் நகர்த்தக்கூடும். இதைப் புரிந்துகொள்ள மெத்திலீன் நீலம் உதவுகிறது. ஏனெனில், அது இருவிதமாகவும் செயல்படுவது காணப்பட்டுள்ளது: சில ஆய்வுத் தயாரிப்புகளில் ATP-யுடன் ஆக்சிஜன் பயன்பாட்டையும் உயர்த்துகிறது; மற்றவற்றில் ATP மாறாமல் இருக்கும்போதோ குறையும்போதோ ஆக்சிஜன் பயன்பாட்டை உயர்த்துகிறது.

முதலில் விரிவான எலக்ட்ரான் பரிமாற்றச் செயல்முறையை அறிய விரும்பும் வாசகர்கள், மெத்திலீன் நீலம் சுவாசச் சங்கிலி வழியாக எலக்ட்ரான்களை எவ்வாறு கடத்துகிறது என்பதிலிருந்து தொடங்கலாம். ஆரம்பகால ஆக்சிஜன் பரிசோதனைகளில் பயன்படுத்தப்பட்ட சொற்களை அறிய விரும்புவோர், முதல் சுவாச அளவீடுகள் உண்மையில் என்ன காட்டின என்பதைப் படிக்கலாம்.

சுவாசம், ATP மற்றும் அவற்றுக்கு இடையிலான சரிவு

NADH மற்றும் FADH2-இலிருந்து வரும் எலக்ட்ரான்கள், கூட்டமைப்புகள் I மற்றும் II-இல் சங்கிலிக்குள் நுழைந்து, கூட்டமைப்பு III வழியாக சைட்டோகுரோம் c-க்குச் செல்கின்றன. பின்னர் கூட்டமைப்பு IV வழியாக ஆக்சிஜனை அடைகின்றன. கூட்டமைப்புகள் I, III மற்றும் IV-இல் வெளியிடப்படும் ஆற்றல், புரோட்டான்களை உள் மேட்ரிக்ஸிலிருந்து சவ்வுகளுக்கு இடையிலான வெளிக்குச் செலுத்துகிறது. இதனால் உருவாகும் மின்னூட்டம் மற்றும் அமிலத்தன்மை வேறுபாடே புரோட்டான் உந்து விசை. அதன் மின்சாரக் கூறான சவ்வு மின்னழுத்தமே பொதுவாக முதன்மையான கூறாக உள்ளது.

ATP சிந்தேஸ், புரோட்டான்களை மீண்டும் மேட்ரிக்ஸுக்குள் செல்ல அனுமதிக்கிறது. அப்போது வெளியாகும் ஆற்றலைப் பயன்படுத்தி ADP-யையும் பாஸ்பேட்டையும் இணைத்து ATP-ஐ உருவாக்குகிறது. ஆகவே, இந்தத் தொடர்:

ஆக்சிஜன் நுகர்வு, பின்னர் புரோட்டான் செலுத்துதல், பின்னர் சரிவு, பின்னர் ATP தொகுப்பு.

ஆனால் புரோட்டான்கள் வேறு வழிகளிலும் திரும்ப முடியும் என்பதே சிக்கல். ATP சிந்தேஸைத் தவிர்த்து நிகழும் எந்தத் திரும்பும் ஓட்டமும் புரோட்டான் கசிவாகும். சவ்வு மின்னழுத்தத்தை நிலையாக வைத்திருக்க, அதே புரோட்டான்களை மீண்டும் செலுத்தும்படி இந்தக் கசிவு சங்கிலியைத் தூண்டுகிறது. இதனால் கூடுதல் ATP உருவாகாமலேயே அதிக ஆக்சிஜன் நுகரப்படுகிறது. கசிவு போதுமான அளவு வலுவாக இருந்தால், அது இணைப்பு விலகலாகிறது: ஆக்சிஜன் பயன்பாடு உயர்கிறது; ATP மாறாமல் இருக்கிறது அல்லது குறைகிறது; வீணாகும் ஆற்றல் வெப்பமாக வெளியேறுகிறது.

நிலை 3, நிலை 4 மற்றும் சுவாசக் கட்டுப்பாட்டு விகிதம்

இதற்கான வழக்கமான சொற்பயன்பாடு தனிமைப்படுத்தப்பட்ட மைட்டோகாண்ட்ரியாக்களிலிருந்து வருகிறது. நிலை 3 என்பது வினைமூலப்பொருளும் ADP-யும் இருக்கும் நிலையில் நிகழும் சுவாசம்: ATP சிந்தேஸ் சரிவைக் குறைக்கிறது, சவ்வு மின்னழுத்தம் தாழ்கிறது, அதை மீண்டும் உருவாக்கச் சங்கிலி வேகமடைகிறது. ATP உருவாக்கப்படுவதால் ஆக்சிஜன் பயன்பாடு அதிகமாக உள்ளது. நிலை 4 என்பது ADP தீர்ந்த பிறகு நிகழும் சுவாசம்: ATP சிந்தேஸ் செயலற்ற நிலையில் இருக்கிறது, சரிவு உயர்கிறது, அதிக சவ்வு மின்னழுத்தம் மேலும் புரோட்டான்களைச் செலுத்துவதை எதிர்க்கிறது. ஆக்சிஜன் பயன்பாடு, கசிவை ஈடுசெய்யத் தேவையான அளவுக்குக் குறைகிறது.

எனவே, நிலை 3-ஐ நிலை 4-ஆல் வகுத்துக் கிடைக்கும் சுவாசக் கட்டுப்பாட்டு விகிதம், ஆய்வுத் தயாரிப்பில் இணைப்பு எவ்வளவு நெருக்கமாக உள்ளது என்பதைக் காட்டுகிறது. அதிக விகிதம் என்பது ADP சுவாசத்தை வலுவாகக் கட்டுப்படுத்துகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது. நிலை 4 உயரும்போது விகிதம் குறைந்தால், கசிவின் தாக்கம் மேலோங்குகிறது என்று பொருள். கீழே உள்ள மெத்திலீன் நீல முடிவுகளைப் புரிந்துகொள்ள இதுவே அடிப்படை.

ஒரு கருத்துருவை நினைவில் வைத்திருப்பது பயனுள்ளது. அதிக சவ்வு மின்னழுத்தம் சங்கிலியை மெதுவாக்குகிறது. அந்த மின்னழுத்தத்தைத் தணிப்பது சங்கிலியை வேகப்படுத்துகிறது. புரோட்டான்களைச் செலுத்துவது எவ்வளவு கடினமாகியுள்ளது என்பதற்கே சங்கிலி எதிர்வினையாற்றுகிறது; ATP உருவாகிறதா என்பதற்கு நேரடியாக அல்ல.

அளவீட்டு முடிவுகள் ஒன்றாக மாறும்போது

இணைப்பு நிலைத்திருப்பதற்கான மிகத் தெளிவான எடுத்துக்காட்டு, சுவாசக் கூட்டமைப்புகள் தடுக்கப்பட்ட, தனிமைப்படுத்தப்பட்ட கினிப் பன்றியின் மூளை மைட்டோகாண்ட்ரியாக்களிலிருந்து கிடைக்கிறது. 100 nanomolar முதல் 1 micromolar வரையிலான மெத்திலீன் நீலத்தில், குளூட்டமேட்டுடன் மாலேட், சக்கினேட் அல்லது கிளிசரோபாஸ்பேட் ஆகியவை எரிபொருளாக இருந்தபோது ஓய்வுநிலை ஆக்சிஜன் நுகர்வு உயர்ந்தது. ஆனால் ADP-ஆல் தூண்டப்பட்ட சுவாசம் மாறவில்லை. கூட்டமைப்பு I அல்லது கூட்டமைப்பு III-இல் நச்சுப் பொருளால் தடுக்கப்பட்ட மைட்டோகாண்ட்ரியாக்களில், இந்தச் சாயம் ATP உற்பத்தியைச் சிறிதளவு அதிகரித்தது, சவ்வு மின்னழுத்தத்தை மீட்டது, கால்சியம் உட்கொள்ளலை மேம்படுத்தியது. முன்மொழியப்பட்ட பாதை ஒரு குறுக்குவழியாகும்: தடைக்கு முந்தைய இடத்தில் எலக்ட்ரான்களை ஏற்று, சேதமடைந்த கூட்டமைப்பைத் தவிர்த்து, அவற்றைச் சைட்டோகுரோம் c-க்கு இந்தச் சாயம் வழங்குகிறது.

இணைப்பு காணப்படும் இரண்டாவது நிகழ்வில், ATP-க்கான முற்றிலும் வேறுபட்ட ஆதாரம் பயன்படுத்தப்படுகிறது. ATP சிந்தேஸ் தடுக்கப்பட்ட, தனிமைப்படுத்தப்பட்ட மூளை மைட்டோகாண்ட்ரியாக்களில், பரிசோதிக்கப்பட்ட ஒவ்வொரு வினைமூலப்பொருளிலும் மெத்திலீன் நீலம் சுவாசத்தைத் தொடர்ந்து தூண்டியது. ஆனால் சக்கினைல் CoA-ஐ உருவாக்கும் ஆல்பா கீட்டோகுளூட்டரேட் மற்றும் குளூட்டமேட் ஆகிய இரு வினைமூலப்பொருள்களில் மட்டுமே ATP தொகுப்பு உயர்ந்தது. ஒலிகோமைசின் ATP சிந்தேஸைத் தடுத்திருந்ததால், கூடுதல் ATP ஆக்சிஜனேற்ற பாஸ்போரிலேற்றத்திலிருந்து வரவில்லை; சிட்ரிக் அமிலச் சுழற்சியில் சக்கினைல் CoA லிகேஸால் நடைபெறும் வினைமூலப்பொருள்-நிலை பாஸ்போரிலேற்றத்திலிருந்து வந்தது. கூட்டமைப்பு I மற்றும் ATP சிந்தேஸ் இரண்டும் ஒரே நேரத்தில் தடுக்கப்பட்டபோதும், இந்தச் சாயம் சவ்வு மின்னழுத்தத்தை மீட்டது. இங்கு ஆக்சிஜன் பயன்பாடும் ATP-யும் ஒன்றாக உயர்ந்தன. ஆனால் இரண்டாவது ATP பாதையை வினைமூலப்பொருள் அனுமதித்த இடங்களில் மட்டுமே இது நடந்தது. சக்கினேட் அல்லது மாலேட்டில் கூடுதல் ATP இல்லாமல் சுவாசம் உயர்ந்தது. அதே சாயம், அதே அறை, வேறு எரிபொருள், வேறு விடை.

அளவீட்டு முடிவுகள் வேறுபடும்போது

முடிவுகள் வேறுபடும் நிகழ்வுகளும் வெளியிடப்பட்ட ஆய்வுகளிலேயே உள்ளன; அவையும் அதே அளவு புரிதலை வழங்குகின்றன. 1997-இல் வெளியிடப்பட்ட, தனிமைப்படுத்தப்பட்ட எலியின் கல்லீரல் மைட்டோகாண்ட்ரியா ஆய்வில், நெருக்கமான இணைப்புடன் சக்கினேட்டைப் பயன்படுத்திச் சுவாசித்த மைட்டோகாண்ட்ரியாக்களில் மெத்திலீன் நீலம் நிலை 4 சுவாசத்தை வேகப்படுத்தியது. இதனால் சுவாசக் கட்டுப்பாட்டு விகிதம் குறைந்தது. இந்த விளைவு 0.5 micromolar-இலிருந்தே காணப்பட்டது; 5 micromolar-இல் வலுவாக இருந்தது. இந்தச் செறிவு, நரம்புவழியாக ஒரே முறையில் 100 milligram செலுத்திய பிறகு இரத்த பிளாஸ்மாவில் காணப்படும் அளவுகளுக்கு நெருக்கமானது. 5 micromolar-இல் மைட்டோகாண்ட்ரியாக்கள் வீங்கவும் செய்தன. ஆனால் இணைப்புக் குறைபாடு அதற்கு முன்பே, குறைந்த செறிவுகளில் தோன்றியது. எனவே, கட்டமைப்புச் சேதத்தால் கசிவு ஏற்பட்டதைவிட, சேதத்திற்கு முன்பே கசிவு ஏற்பட்டிருக்கலாம் என்பதை இது ஆதரிக்கிறது. இணைப்பு விலகிய மைட்டோகாண்ட்ரியாக்களில், செறிவைச் சார்ந்தும் ஒரு நிறைவு வரம்பை அடையும் வகையிலும் இந்தச் சாயம் சுவாசத்தைத் தூண்டியது. இரு ஆய்வுத் தயாரிப்புகளிலும் ஆக்சிஜன் பயன்பாடு உயர்ந்தது. நுகரப்பட்ட ஆக்சிஜன் அளவுக்கான ATP தொகுப்பு உயரவில்லை. ஒரே மூலக்கூறில் இணைப்பு விலகலும் எலக்ட்ரான் கடத்தலும் நிகழ்வதற்கான பாடநூல் எடுத்துக்காட்டு இது.

மிகத் தெளிவான பிரிவு விழித்திரையில் காணப்படுகிறது. AIF குறைபாடுள்ள எலிகளிலும் ரோட்டினோன் சேர்க்கப்பட்ட ஒளி உணர்வுச் செல்களிலும், மெத்திலீன் நீலம் விழித்திரையின் தடிமன், ஒளி உணர்வுச் செல் குறியீடுகள் மற்றும் மைட்டோகாண்ட்ரியாவின் கட்டமைப்பைப் பாதுகாத்தது. மேலும், NADH-க்கும் NAD-க்கும் இடையிலான விகிதத்தைக் குறைத்து, மடிப்படையாத புரதங்களுக்கான எதிர்வினை மற்றும் மைட்டோஃபாஜி உள்ளிட்ட அழுத்த எதிர்வினைப் பாதைகளையும் தணித்தது. ATP பற்றாக்குறையைச் சரிசெய்யாமலேயே இதைச் செய்தது. ஆற்றல் மீட்கப்படாமல் பாதுகாப்பு கிடைத்தது என்பதால், அந்த நன்மை கூடுதல் ATP வழியாக அல்லாமல், ஆக்சிஜனேற்ற-ஒடுக்கச் சமநிலை மற்றும் மைட்டோகாண்ட்ரியாவின் கட்டமைப்பு ஒருமைப்பாடு வழியாக வந்தது என்று பொருள். திசு உயிர்வாழ்வதை ஆற்றல் உற்பத்தி மீண்டதற்குச் சமமாகக் கருதினால், அந்தப் பரிசோதனை முற்றிலும் தவறாகப் புரிந்துகொள்ளப்படும்.

மூளை மைட்டோகாண்ட்ரியா ஆய்வு இதே கணக்கில் ஒரு பாதக விளைவையும் சேர்க்கிறது. உயிராற்றல் செயல்பாட்டை மேம்படுத்திய அதே குறைந்த செறிவுகள், பரிசோதிக்கப்பட்ட ஒவ்வொரு சூழலிலும் ஹைட்ரஜன் பெராக்சைடு உருவாக்கத்தை உயர்த்தின; அதை அகற்றுவதையும் மெதுவாக்கின. இது குறிப்பிட்ட தன்மையற்ற ஒரு சாயத்தால் அல்லாமல், அளவுத்திருத்தம் செய்யப்பட்ட Amplex சோதனையால் அளவிடப்பட்டது. அதிக ATP-யும் அதிக ஆக்சிஜனேற்றப் பொருளும் இணைந்தே வந்தன.

ஆய்வுகளைப் படிப்பதற்கான நடைமுறைச் சரிபார்ப்புப் பட்டியல்

இணைப்பு நிலைத்திருக்கும் முடிவையும் இணைப்பு விலகிய முடிவையும் நான்கு கேள்விகள் வேறுபடுத்துகின்றன.

முதலில், உண்மையில் எந்த அளவீட்டு முடிவு அளவிடப்பட்டது? ஆக்சிஜன் நுகர்வு மட்டும் ATP-ஐக் காட்ட முடியாது. ATP தொகுப்பு, சவ்வு மின்னழுத்தம் மற்றும் சுவாசக் கட்டுப்பாட்டு விகிதம் ஆகிய ஒவ்வொன்றும், ஆக்சிஜன் மின்முனையால் அறிய முடியாத ஒரு தகவலைச் சேர்க்கின்றன. மெத்திலீன் நீல ஆய்வுகளின் கூற்றுகளைப் படிப்பதற்கான வழிகாட்டி, அளவீட்டு முடிவுகளை இவ்வாறு கவனமாக அணுகுவதை விரிவாக விளக்குகிறது.

இரண்டாவது, மைட்டோகாண்ட்ரியாவுக்கு எந்த வினைமூலப்பொருள் வழங்கப்பட்டது? கூடுதல் சுவாசம் கூடுதல் ATP-ஆக மாற முடியுமா என்பதை எரிபொருள் தேர்வே தீர்மானிக்கக்கூடும் என்பதை சக்கினைல் CoA முடிவு காட்டுகிறது.

மூன்றாவது, எந்தச் செறிவு பயன்படுத்தப்பட்டது? மூளை மைட்டோகாண்ட்ரியாக்களில் nanomolar முதல் குறைந்த micromolar வரையிலான மெத்திலீன் நீலம், ஆக்சிஜனேற்றப் பொருட்கள் அதிகரிக்கும் பாதக விளைவுடன் சிறிதளவு உயிராற்றல் மேம்பாட்டை அளித்தது. கல்லீரல் மைட்டோகாண்ட்ரியாக்களில் அரை micromolar மற்றும் அதற்கு மேல் இணைப்பைச் சிதைத்தது; 5 micromolar வீக்கத்தையும் ஏற்படுத்தியது. செறிவு என்பது செயல்முறையின் ஒரு பகுதி; வெறும் பின்னணித் தகவல் அல்ல.

நான்காவது, எந்த ஆய்வு மாதிரியில் இந்த முடிவு கிடைத்தது? தனிமைப்படுத்தப்பட்ட மைட்டோகாண்ட்ரியாக்கள் செயல்பாட்டு இணைப்புகளை வெளிப்படுத்துகின்றன. ஆனால் முழுமையான செல்களும் திசுக்களும் பொருள் கடத்தல், நிறமற்ற வடிவமாக ஒடுக்கப்படுதல் மற்றும் எலக்ட்ரான்களை ஏற்கும் போட்டிப் பாதைகள் போன்ற கூடுதல் அம்சங்களைக் கொண்டுள்ளன. செறிவும் பரிசோதனை நடைமுறையும் மெத்திலீன் நீலத்தின் விளைவுகளை எவ்வாறு வடிவமைக்கின்றன என்பதையும் உள்ளடக்கிய ஆய்வக அளவு நிர்ணயப் பணியே, பரிசோதனை அறை அளவீடுகளுக்கும் ஒரு நபரைப் பற்றிய எந்தக் கூற்றுக்கும் இடையிலான பாலமாகும்.

ஆக்சிஜன் நுகர்வு எலக்ட்ரான் ஓட்டத்தைக் காட்டுகிறது. அந்த ஓட்டத்தில் எவ்வளவு ஆற்றல் சேமிக்கப்பட்டது என்பதை ATP காட்டுகிறது. மெத்திலீன் நீலம் இவற்றில் எதையும் மாற்றக்கூடும். மேலே உள்ள பரிசோதனைகள் பின்வரும் நான்கு விளைவு அமைப்புகளையும் காட்டுகின்றன: இரண்டும் உயர்கின்றன; வினைமூலப்பொருள் அனுமதிக்கும் இடங்களில் மட்டுமே சுவாசம் உயர்கிறது; இணைப்பு குறையும்போது சுவாசம் உயர்கிறது; ATP மாறாமல் இருக்கும்போதும் திசு பாதுகாக்கப்படுகிறது. ஆக்சிஜன் மின்முனையில் காணப்படும் எண், முடிவைப் புரிந்துகொள்வதற்கான தொடக்கமே தவிர இறுதி அல்ல.