ఎక్కువ ఆక్సిజన్ వినియోగం అంటే ఎక్కువ ATP ఉత్పత్తి అవుతుందా? మిథిలీన్ బ్లూ అధ్యయనాల నుంచి పాఠాలు

వేరుచేసిన ఒక మైటోకాండ్రియన్‌ను ఇంధనం ఉన్నా ADP లేని ఒక ప్రయోగ గదిలో ఉంచారు. అది నెమ్మదిగా ఆక్సిజన్‌ను వినియోగిస్తుంది. ADPని జోడిస్తే ఆక్సిజన్ వినియోగం అనేక రెట్లు పెరుగుతుంది. ADP అయిపోయే వరకు వేచి ఉంటే ఆక్సిజన్ వినియోగం మళ్లీ తగ్గుతుంది. ఇంధనం ఎప్పుడూ మారలేదు. మారింది ATP అవసరం మాత్రమే.

ఈ చిన్న క్రమంలోనే ఈ వ్యాసం చర్చించే తేడా అంతా ఉంది. శ్వాసక్రియా గొలుసు గుండా ఆక్సిజన్‌కు ఎలక్ట్రాన్లు ఎంత వేగంగా ప్రవహిస్తున్నాయో ఆక్సిజన్ వినియోగం కొలుస్తుంది. ఆ ప్రవాహంలో ఎంత భాగం ఉపయోగించగల శక్తిగా అందిపుచ్చుకోబడుతుందో ATP ఉత్పత్తి కొలుస్తుంది. ఈ రెండింటికీ ఒక ఉమ్మడి మధ్యదశ ఉంది: మైటోకాండ్రియా లోపలి పొరకు ఇరువైపులా ఉండే ప్రోటాన్ గ్రేడియెంట్. ఆ గ్రేడియెంట్ ATP సంశ్లేషణతో ఎంత పటిష్ఠంగా అనుసంధానమై ఉందో మార్చే ఏ అంశమైనా ఈ రెండు తుది కొలమానాలను వేర్వేరు దిశల్లో కదిలించగలదు. ఇక్కడ మిథిలీన్ బ్లూ ఒక ఉపయోగకరమైన బోధన ఉదాహరణ. ఎందుకంటే అది రెండు విధాలుగా పనిచేయడం గమనించారు: కొన్ని ప్రయోగ నమూనాల్లో ATPతో పాటు ఆక్సిజన్ వినియోగాన్ని పెంచింది; మరికొన్నింటిలో ATP మారకుండా ఉన్నా లేదా తగ్గినా ఆక్సిజన్ వినియోగాన్ని పెంచింది.

ముందుగా ఎలక్ట్రాన్ల బదిలీ గురించి విస్తృత అవగాహన కావాలనుకునే పాఠకులు, మిథిలీన్ బ్లూ శ్వాసక్రియా గొలుసు గుండా ఎలక్ట్రాన్లను ఎలా చేరవేస్తుందో తెలుసుకోవడంతో ప్రారంభించవచ్చు. తొలి ఆక్సిజన్ ప్రయోగాల్లో ఉపయోగించిన పదజాలాన్ని తెలుసుకోవాలనుకునేవారు, మొదటి శ్వాసక్రియా కొలతలు వాస్తవంగా ఏమి చూపించాయో చదవవచ్చు.

శ్వాసక్రియ, ATP, వాటి మధ్య గ్రేడియెంట్

NADH, FADH2 నుంచి వచ్చే ఎలక్ట్రాన్లు కాంప్లెక్స్‌లు I, II వద్ద గొలుసులోకి ప్రవేశించి, కాంప్లెక్స్ III గుండా సైటోక్రోమ్ cకి, తరువాత కాంప్లెక్స్ IV గుండా ఆక్సిజన్‌కు చేరుతాయి. కాంప్లెక్స్‌లు I, III, IV వద్ద విడుదలయ్యే శక్తి ప్రోటాన్లను మ్యాట్రిక్స్ నుంచి పొరల మధ్య ప్రదేశంలోకి పంపుతుంది. విద్యుత్ ఆవేశం, ఆమ్లత్వంలో ఏర్పడే ఈ విభజనే ప్రోటాన్ చోదక శక్తి. దానిలోని విద్యుత్ భాగమైన పొర విద్యుత్ పొటెన్షియల్ సాధారణంగా ప్రధాన భాగంగా ఉంటుంది.

ATP సింథేస్ ప్రోటాన్లు తిరిగి మ్యాట్రిక్స్‌లోకి ప్రవహించడానికి వీలు కల్పించి, విడుదలయ్యే శక్తితో ADP, ఫాస్ఫేట్‌లను కలిపి ATPని తయారు చేస్తుంది. కాబట్టి ఈ క్రమం ఇలా ఉంటుంది:

ఆక్సిజన్ వినియోగం, తరువాత ప్రోటాన్ల పంపింగ్, తరువాత గ్రేడియెంట్, తరువాత ATP సంశ్లేషణ.

అయితే ప్రోటాన్లు ఇతర మార్గాల్లో కూడా తిరిగి రావచ్చు. ATP సింథేస్‌ను దాటవేస్తూ జరిగే ఏ తిరుగు ప్రవాహమైనా ప్రోటాన్ లీక్ అవుతుంది. పొర పొటెన్షియల్‌ను స్థిరంగా ఉంచడానికి, అదే ప్రోటాన్లను మళ్లీ పంప్ చేయాల్సిన పరిస్థితిని ఈ లీక్ గొలుసుకు కల్పిస్తుంది. ఫలితంగా మరింత ATP తయారవకుండానే మరింత ఆక్సిజన్ వినియోగమవుతుంది. లీక్ తగినంత బలంగా ఉంటే దాన్ని అనుసంధానం విడిపోవడం అంటారు: ATP మారకుండా ఉన్నా లేదా తగ్గినా ఆక్సిజన్ వినియోగం పెరుగుతుంది; వృథా అయిన శక్తి వేడిగా బయటకు వెళ్తుంది.

స్థితి 3, స్థితి 4, శ్వాసక్రియా నియంత్రణ నిష్పత్తి

దీనికి సంబంధించిన సాంప్రదాయ పదజాలం వేరుచేసిన మైటోకాండ్రియా అధ్యయనాల నుంచి వచ్చింది. సబ్‌స్ట్రేట్‌తో పాటు ADP కూడా ఉన్నప్పుడు జరిగే శ్వాసక్రియను స్థితి 3 అంటారు: ATP సింథేస్ గ్రేడియెంట్‌ను తగ్గిస్తుంది, పొర పొటెన్షియల్ తగ్గుతుంది, దాన్ని పునరుద్ధరించడానికి గొలుసు వేగం పెరుగుతుంది. ATP తయారవుతోంది కాబట్టి ఆక్సిజన్ వినియోగం ఎక్కువగా ఉంటుంది. ADP అయిపోయిన తరువాత జరిగే శ్వాసక్రియను స్థితి 4 అంటారు: ATP సింథేస్ నిష్క్రియంగా ఉంటుంది, గ్రేడియెంట్ పెరుగుతుంది, అధిక పొర పొటెన్షియల్ మరింత పంపింగ్‌ను నిరోధిస్తుంది. ఆక్సిజన్ వినియోగం లీక్‌ను భర్తీ చేయడానికి అవసరమైన స్థాయికి తగ్గుతుంది.

అందువల్ల స్థితి 3ని స్థితి 4తో భాగిస్తే వచ్చే శ్వాసక్రియా నియంత్రణ నిష్పత్తి, ప్రయోగ నమూనాలో అనుసంధానం ఎంత పటిష్ఠంగా ఉందో తెలియజేస్తుంది. నిష్పత్తి ఎక్కువగా ఉంటే ADP శ్వాసక్రియను బలంగా నియంత్రిస్తోందని అర్థం. స్థితి 4 పెరుగుతుండగా నిష్పత్తి తగ్గితే లీక్ ప్రభావం పైచేయి సాధిస్తోందని అర్థం. దిగువ మిథిలీన్ బ్లూ ఫలితాలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఇదే దృక్కోణం.

ఒక భావనను గుర్తుంచుకోవడం ఉపయోగకరం. అధిక పొర పొటెన్షియల్ గొలుసును నెమ్మదింపజేస్తుంది. ఆ పొటెన్షియల్‌ను తగ్గిస్తే గొలుసు వేగం పెరుగుతుంది. ATP తయారవుతోందా లేదా అన్నదానికి నేరుగా కాకుండా, పంపింగ్ ఎంత కష్టంగా మారిందనే దానికి గొలుసు స్పందిస్తుంది.

తుది కొలమానాలు కలిసి మారినప్పుడు

అనుసంధానానికి అత్యంత స్పష్టమైన ఉదాహరణ శ్వాసక్రియా కాంప్లెక్స్‌లను నిరోధించిన, వేరుచేసిన గినియా పంది మెదడు మైటోకాండ్రియా నుంచి వచ్చింది. 100 nanomolar నుంచి 1 micromolar మిథిలీన్ బ్లూ వద్ద, గ్లూటమేట్‌తో పాటు మాలేట్, సక్సినేట్ లేదా గ్లిసెరోఫాస్ఫేట్‌ను ఇంధనంగా ఉపయోగించినప్పుడు విశ్రాంతి స్థితిలో ఆక్సిజన్ వినియోగం పెరిగింది. అయితే ADPతో ప్రేరేపించిన శ్వాసక్రియ మారలేదు. కాంప్లెక్స్ I లేదా కాంప్లెక్స్ III వద్ద విషపదార్థాలతో నిరోధించిన మైటోకాండ్రియాలో ఈ రంగు పదార్థం ATP ఉత్పత్తిని స్వల్పంగా పెంచింది, పొర పొటెన్షియల్‌ను పునరుద్ధరించింది, కాల్షియం గ్రహణాన్ని మెరుగుపరిచింది. ప్రతిపాదిత మార్గం ఒక ప్రత్యామ్నాయ సంక్షిప్త మార్గం: నిరోధానికి ముందు భాగంలో ఈ రంగు పదార్థం ఎలక్ట్రాన్లను స్వీకరించి, దెబ్బతిన్న కాంప్లెక్స్‌ను దాటవేస్తూ వాటిని సైటోక్రోమ్ cకి అందిస్తుంది.

రెండో అనుసంధాన ఉదాహరణ పూర్తిగా భిన్నమైన ATP మూలాన్ని ఉపయోగిస్తుంది. ATP సింథేస్‌ను నిరోధించిన, వేరుచేసిన మెదడు మైటోకాండ్రియాలో, పరీక్షించిన ప్రతి సబ్‌స్ట్రేట్‌పైనా మిథిలీన్ బ్లూ శ్వాసక్రియను ప్రేరేపించింది. కానీ సక్సినైల్ CoAని ఏర్పరిచే ఆల్ఫా కీటోగ్లూటరేట్, గ్లూటమేట్ అనే రెండు సబ్‌స్ట్రేట్‌లపైనే ATP సంశ్లేషణ పెరిగింది. ఒలిగోమైసిన్ ATP సింథేస్‌ను నిరోధించడంతో, అదనపు ATP ఆక్సిడేటివ్ ఫాస్ఫోరైలేషన్ నుంచి కాకుండా సిట్రిక్ ఆమ్ల చక్రంలో సక్సినైల్ CoA లైగేస్ ద్వారా జరిగే సబ్‌స్ట్రేట్ స్థాయి ఫాస్ఫోరైలేషన్ నుంచి వచ్చింది. కాంప్లెక్స్ I, ATP సింథేస్ రెండింటినీ కలిపి నిరోధించినప్పుడు ఈ రంగు పదార్థం పొర పొటెన్షియల్‌ను కూడా పునరుద్ధరించింది. ఇక్కడ ఆక్సిజన్ వినియోగం, ATP కలిసి పెరిగాయి; అయితే రెండో ATP మార్గానికి సబ్‌స్ట్రేట్ అనుకూలించినప్పుడు మాత్రమే. సక్సినేట్ లేదా మాలేట్‌పై అదనపు ATP లేకుండానే శ్వాసక్రియ పెరిగింది. అదే రంగు పదార్థం, అదే ప్రయోగ గది, వేరు ఇంధనం, వేరు సమాధానం.

తుది కొలమానాలు వేరుపడినప్పుడు

ఈ కొలమానాలు వేరుపడిన సందర్భాలు కూడా ప్రచురితమైనవే, అంతే బోధనాత్మకమైనవే. 1997లో వేరుచేసిన ఎలుక కాలేయ మైటోకాండ్రియాపై చేసిన అధ్యయనంలో, సక్సినేట్‌ను ఉపయోగిస్తూ పటిష్ఠమైన అనుసంధానంతో శ్వాసక్రియ జరిపే మైటోకాండ్రియాలో మిథిలీన్ బ్లూ స్థితి 4 శ్వాసక్రియను వేగవంతం చేసింది. దీంతో శ్వాసక్రియా నియంత్రణ నిష్పత్తి తగ్గింది. ఈ ప్రభావం 0.5 micromolar నుంచే కనిపించింది; 5 micromolar వద్ద బలంగా ఉంది. ఈ సాంద్రత 100 milligram మోతాదును ఒకేసారి శిరలో ఇచ్చిన తరువాత ప్లాస్మాలో కనిపించే స్థాయికి దగ్గరగా ఉంది. 5 micromolar వద్ద మైటోకాండ్రియా ఉబ్బాయి కూడా. అయితే అనుసంధాన లోపం అంతకంటే తక్కువ సాంద్రతల వద్దనే ముందుగా కనిపించింది. అంటే నిర్మాణాత్మక నష్టం వల్ల లీక్ ఏర్పడటం కంటే, ఆ నష్టానికి ముందే లీక్ ఏర్పడిందనే వాదనకు ఇది మద్దతు ఇస్తుంది. అనుసంధానం విడిపోయిన మైటోకాండ్రియాలో ఈ రంగు పదార్థం సాంద్రతపై ఆధారపడి, ఒక సంతృప్తి పరిమితిని చేరే విధంగా శ్వాసక్రియను ప్రేరేపించింది. రెండు ప్రయోగ నమూనాల్లోనూ ఆక్సిజన్ వినియోగం పెరిగింది. కానీ వినియోగించిన ఆక్సిజన్‌కు అనుగుణంగా ATP సంశ్లేషణ పెరగలేదు. ఒకే అణువులో అనుసంధానం విడిపోవడం, ఎలక్ట్రాన్ల బదిలీ రెండూ ఉండటానికి ఇది పాఠ్యపుస్తక ఉదాహరణ.

అత్యంత స్పష్టమైన వేరుపాటు రెటీనాలో కనిపించింది. AIF లోపం ఉన్న ఎలుకలు, రోటెనోన్‌తో చికిత్స చేసిన కాంతిగ్రాహక కణాలులో మిథిలీన్ బ్లూ రెటీనా మందాన్ని, కాంతిగ్రాహక కణాల సూచికలను, మైటోకాండ్రియా నిర్మాణాన్ని కాపాడింది. అలాగే NADH నుంచి NADకు నిష్పత్తిని తగ్గించి, ముడుచుకోని ప్రోటీన్ల ప్రతిస్పందన, మైటోఫాజీ సహా ఒత్తిడి ప్రతిస్పందన మార్గాలను తగ్గించింది. ATP లోటును సరిచేయకుండానే ఇవన్నీ చేసింది. శక్తిని పునరుద్ధరించకుండానే రక్షణ లభించిందంటే, ఆ ప్రయోజనం అదనపు ATP ద్వారా కాకుండా రెడాక్స్ సమతుల్యత, మైటోకాండ్రియా సమగ్రత ద్వారా వచ్చిందని అర్థం. కణజాలం బతికి ఉండటాన్ని శక్తి ఉత్పత్తి పునరుద్ధరణతో సమానంగా భావించే ఎవరైనా ఆ ప్రయోగాన్ని పూర్తిగా తప్పుగా అర్థం చేసుకుంటారు.

మెదడు మైటోకాండ్రియాపై చేసిన పరిశోధన ఇదే లెక్కకు ఒక ప్రతికూల ఫలితాల కాలమ్‌ను జోడిస్తుంది. జీవశక్తి ప్రక్రియలను మెరుగుపరిచిన అదే తక్కువ సాంద్రతలు, పరీక్షించిన ప్రతి పరిస్థితిలోనూ హైడ్రోజన్ పెరాక్సైడ్ ఉత్పత్తిని పెంచి, దాని తొలగింపును నెమ్మదింపజేశాయి. దీన్ని నిర్దిష్టత లేని రంగు పదార్థంతో కాకుండా, క్రమాంకనం చేసిన Amplex పరీక్షతో కొలిచారు. ఎక్కువ ATP, ఎక్కువ ఆక్సిడెంట్ జంటగా వచ్చాయి.

పరిశోధనను చదవడానికి ఆచరణాత్మక తనిఖీ జాబితా

అనుసంధానంతో వచ్చిన ఫలితాన్ని అనుసంధానం విడిపోవడంతో వచ్చిన ఫలితం నుంచి నాలుగు ప్రశ్నలు వేరు చేస్తాయి.

మొదటిది, వాస్తవంగా ఏ తుది కొలమానాన్ని కొలిచారు? ఆక్సిజన్ వినియోగం ఒక్కటే ATP గురించి చెప్పలేదు. ATP సంశ్లేషణ, పొర పొటెన్షియల్, శ్వాసక్రియా నియంత్రణ నిష్పత్తి—వీటిలో ప్రతి ఒక్కటీ ఆక్సిజన్ ఎలక్ట్రోడ్ చూడలేని ఒక అంశాన్ని జోడిస్తుంది. మిథిలీన్ బ్లూ పరిశోధన వాదనలను చదవడానికి రూపొందించిన మార్గదర్శిని, తుది కొలమానాల విషయంలో పాటించాల్సిన ఈ క్రమశిక్షణను వివరంగా వివరిస్తుంది.

రెండోది, మైటోకాండ్రియాకు ఏ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను అందించారు? అదనపు శ్వాసక్రియ అసలు అదనపు ATPగా మారగలదా లేదా అన్నది ఇంధన ఎంపిక నిర్ణయించగలదని సక్సినైల్ CoA ఫలితం చూపిస్తుంది.

మూడోది, ఏ సాంద్రతను ఉపయోగించారు? మెదడు మైటోకాండ్రియాలో nanomolar నుంచి తక్కువ micromolar స్థాయిల మిథిలీన్ బ్లూ, ఆక్సిడెంట్ పెరుగుదల అనే ప్రతికూలతతో పాటు స్వల్ప జీవశక్తి మెరుగుదలలను ఇచ్చింది. కాలేయ మైటోకాండ్రియాలో అర micromolar, అంతకంటే ఎక్కువ స్థాయిలు అనుసంధానాన్ని బలహీనపరిచాయి; 5 micromolar వద్ద ఉబ్బడం కూడా జరిగింది. సాంద్రత అనేది యంత్రాంగంలో భాగమే, కేవలం నేపథ్య వివరమేమీ కాదు.

నాలుగోది, ఏ నమూనాలో ఆ ఫలితం వచ్చింది? వేరుచేసిన మైటోకాండ్రియా అంతర్గత అనుసంధానాలను వెల్లడిస్తాయి. కానీ చెక్కుచెదరని కణాలు, కణజాలాల్లో రవాణా, రంగులేని రూపానికి రిడక్షన్, ఎలక్ట్రాన్లను స్వీకరించడానికి పోటీపడే ఇతర మార్గాలు కూడా చేరతాయి. సాంద్రత, ప్రయోగ విధానం మిథిలీన్ బ్లూ ప్రభావాలను ఎలా రూపొందిస్తాయనే అంశంతో సహా ప్రయోగశాల మోతాదు పరిశోధన, ప్రయోగ గదిలోని సంఖ్యలకు, ఒక వ్యక్తి గురించి చేసే ఏ వాదనకైనా మధ్య వారధిగా ఉంటుంది.

ఆక్సిజన్ వినియోగం ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహాన్ని తెలియజేస్తుంది. ఆ ప్రవాహంలో ఎంత భాగాన్ని అందిపుచ్చుకున్నారో ATP తెలియజేస్తుంది. మిథిలీన్ బ్లూ వీటిలో దేనినైనా మార్చగలదు. పై ప్రయోగాలు దాని ఫలితంగా కనిపించే నాలుగు కలయికలనూ చూపిస్తాయి: రెండూ పెరగడం, సబ్‌స్ట్రేట్ అనుమతించినప్పుడే ATP పెరుగుదలతో శ్వాసక్రియ పెరగడం, అనుసంధానం తగ్గుతుండగా శ్వాసక్రియ పెరగడం, ATP మారకుండా ఉండగా కణజాలం కాపాడబడటం. ఆక్సిజన్ ఎలక్ట్రోడ్‌పై కనిపించే సంఖ్య ఫలితాల అర్థాన్వేషణకు ఆరంభమే, ముగింపు కాదు.