వ్యాసం
మిథిలీన్ బ్లూ మరియు మైటోకాండ్రియా: ఎలక్ట్రాన్ రవాణా, ఆధారాలు
పక్కపక్కనే ఉన్న రెండు ప్రయోగ నమూనాలను ఊహించుకోండి. రెండింటిలోనూ శ్వాసక్రియా గొలుసులోని Complex Iను నిరోధించే రొటెనోన్ అనే రసాయనంతో విషప్రభావానికి గురిచేసిన మెదడు మైటోకాండ్రియా ఉన్నాయి. ఒకదానిలోకి ప్రయోగకర్త పైపెట్‌తో micromolar స్థాయిలో మిథిలీన్ బ్లూ మోతాదును వేస్తారు. ఆక్సిజన్ వినియోగం కొంత పునరుద్ధరిస్తుంది. పొర వోల్టేజ్ కొంత తిరిగి వస్తుంది. స్వల్ప పరిమాణంలో ATP సంశ్లేషణ మళ్లీ మొదలవుతుంది. పక్కనున్న క్యూవెట్‌లో పెరాక్సైడ్ సెన్సర్ కథలోని మిగిలిన సగాన్ని చెబుతుంది: పరీక్షించిన ప్రతి మోతాదులోనూ, ప్రయత్నించిన ప్రతి సబ్‌స్ట్రేట్‌తోనూ హైడ్రోజన్ పెరాక్సైడ్ ఉత్పత్తి అనేక రెట్లు పెరిగింది.
రెండు కొలతలూ సరైనవే. మిథిలీన్ బ్లూ ఎలక్ట్రాన్‌లను తరలించే వాహకంగా పనిచేస్తూ, శ్వాసక్రియా గొలుసులో దెబ్బతిన్న భాగాన్ని దాటించి ప్రవాహాన్ని కొనసాగించగలదు. అదే సమయంలో, ఆ తరలింపుకు పెరాక్సైడ్ పెరుగుదల రూపంలో మూల్యం చెల్లించాల్సి వస్తుంది. ఈ రెండు వాస్తవాలనూ ఒకేసారి గుర్తుంచుకుంటే, మైటోకాండ్రియా పనితీరులో మిథిలీన్ బ్లూపై పరిశోధన సాహిత్యం అర్థమవుతుంది. ఒక్కదానినే గుర్తుంచుకుంటే, ముందుగా ఏ పత్రం చదివారనే దాన్ని బట్టి అది అద్భుతంగా లేదా ముప్పుగా కనిపిస్తుంది.
ఎలక్ట్రాన్‌ల తరలింపు: సరళమైన వివరణ
శ్వాసక్రియా గొలుసు ఒక రిలే వరుస వంటిది. ఎలక్ట్రాన్‌లు Complex I వద్దకు NADH నుంచి, లేదా Complex II మరియు సంబంధిత ఫ్లావిన్ ఎంజైమ్‌ల వద్దకు సక్సినేట్, దానిలాంటి ఇతర దాతల నుంచి ప్రవేశిస్తాయి. అవి Complex III ద్వారా చలనశీల వాహకమైన సైటోక్రోమ్ cకి, ఆ తర్వాత Complex IV ద్వారా ఆక్సిజన్‌కు చేరతాయి. ప్రతి బదిలీ అంతర్గత పొర మీదుగా ప్రోటాన్‌లను పంపుతుంది; ఫలితంగా ఏర్పడే ప్రవణత ATP సంశ్లేషణను నడిపిస్తుంది. ఏ దశనైనా నిరోధిస్తే, దానికి ముందున్న ప్రవాహం నిలిచిపోతుంది.
మిథిలీన్ బ్లూ సమాంతర రవాణాదారుగా ఈ వ్యవస్థలో చేరుతుంది. దాని ఆక్సీకరణ రూపం ముందున్న వాహకాల నుంచి ఎలక్ట్రాన్‌లను స్వీకరించి, రంగులేని రిడక్షన్ రూపమైన ల్యూకోమిథిలీన్ బ్లూగా మారుతుంది. ఆ రూపం ఎలక్ట్రాన్‌లను తదుపరి దశలకు అందించి, తిరిగి నీలిరంగు రూపంలోకి మారుతుంది. ఈ రెండు రూపాల వివరణ రెడాక్స్ జంట గురించిన వ్యాసంలో ఉంది; విస్తృతమైన రిలే ప్రవర్తనను సాధారణ యంత్రాంగ వివరణ చర్చిస్తుంది. ఇంకా తేలాల్సిన ప్రశ్న ఏమిటంటే, ఈ రవాణాదారు గొలుసులోకి తిరిగి ఎక్కడ ప్రవేశిస్తాడు: Qo స్థానం అని పిలిచే Complex IIIలోని క్వినాల్ బంధన జేబులోనా, లేక నేరుగా సైటోక్రోమ్ c వద్దనా? ఏ మార్గం ప్రధానంగా పనిచేస్తుందనేది పరిస్థితులపై ఆధారపడి ఉంటుందని Complex IIIని దాటే ప్రత్యామ్నాయ మార్గ విశ్లేషణ వివరంగా వివరిస్తుంది.
ఎలుకల జాతులపై మూడు అధ్యయనాలు నిజంగా కొలిచినవి
మూడు అధ్యయనాల్లోనూ వేరుచేసిన మెదడు మైటోకాండ్రియాను ఉపయోగించారు. అంటే, కణం నుంచి తీసిన కణాంగాలను నిర్దిష్ట కూర్పు గల బఫర్‌లో ఉంచారు. సంపూర్ణ కణాలు లేవు, మోతాదు ఇచ్చిన జంతువులు లేవు, మానవ పాల్గొనేవారు లేరు. ఇక్కడ సాంద్రతలు కణాంగాల చుట్టూ ఉన్న ద్రావణానికి సంబంధించినవి, మనిషి నోటి ద్వారా తీసుకునే మోతాదుకు కాదు. ఈ సందర్భాన్ని గుర్తుంచుకుంటే సంఖ్యలు స్పష్టంగా అర్థమవుతాయి.
మొదటి అధ్యయనం వేరుచేసిన గినియా పంది మెదడు మైటోకాండ్రియాలో 100 nanomolar నుంచి 2 micromolar వరకు ఒకే ప్రయోగ నమూనాలో ప్రయోజనాన్నీ, మూల్యాన్నీ కొలిచింది. ఆరోగ్యకరమైన మైటోకాండ్రియాలో ఈ రంగు పదార్థం విశ్రాంతి స్థితిలో ఆక్సిజన్ వినియోగాన్ని పెంచింది. కానీ ADPతో ప్రేరేపించిన శ్వాసక్రియను మార్చలేదు; అందువల్ల శ్వాసక్రియతో అనుసంధానమైన ATP ఉత్పత్తి మెరుగుపడలేదు. Complex I నిరోధించినప్పుడు, 2 micromolar వద్ద ATP సంశ్లేషణ 46 నుంచి 93 nanomoles per minute per milligram వరకు పునరుద్ధరించింది; సాధారణ రేటు సుమారు 1109. Complex III నిరోధించినప్పుడు, అదే మోతాదు ATP ఉత్పత్తిని సుమారు 46 నుంచి 63 వరకు పునరుద్ధరించింది; సాధారణ రేటు సుమారు 910. వోల్టేజ్, కాల్షియం గ్రహణం కొంత పునరుద్ధరించాయి. సైనైడ్‌తో Complex IVను నిరోధించినప్పుడు దాన్ని దాటడం సాధ్యం కాలేదు. అంటే ఉపయోగకరమైన ఎలక్ట్రాన్ నిష్క్రమణ స్థానం, పనిచేస్తున్న Complex IVకు ముందుంటుంది. ప్రతి పునరుద్ధరణ గణాంకపరంగా నిజమైనదే అయినా స్వల్పమే: సాధారణ ATP ఉత్పత్తిలో ఏక అంకె శాతాల పరిమాణం మాత్రమే.
రెండవ అధ్యయనం సుమారు 1 micromolar వద్ద మౌస్ మెదడు కార్టెక్స్ మైటోకాండ్రియాలో Complex Iని దాటే ప్రత్యామ్నాయ మార్గాన్ని నిర్ధారించి, Complex III వద్ద ఒక పరిమితిని గుర్తించింది. రొటెనోన్ శ్వాసక్రియను సుమారు 121 నుంచి 2 కంటే తక్కువ nanomoles of oxygen per minute per milligram స్థాయికి తగ్గించింది. ఈ రంగు పదార్థం దాన్ని సుమారు 21కి, అంటే సాధారణ స్థాయిలో సుమారు ఆరవ వంతుకు పెంచింది; అదే సమయంలో పొర వోల్టేజ్ దాదాపు పూర్తిగా పునరుద్ధరించింది. కానీ Complex IIIని నిరోధించిన తర్వాత, 1 నుంచి 5 micromolar వరకు శ్వాసక్రియ గానీ వోల్టేజ్ గానీ పునరుద్ధరించలేదు. ఆ నిరోధం రంగు పదార్థం వల్ల ఏర్పడిన పెరాక్సైడ్ సంకేతాన్ని కూడా అణచివేసింది. రిడక్షన్ చెందిన రంగు పదార్థం తన ఎలక్ట్రాన్‌లను Complex IIIలోని Qo స్థానం వద్ద అందిస్తుందని రచయితలు ప్రతిపాదించారు: ఆ స్థానం ఆక్రమించబడి ఉంటే, రవాణాదారు వాటిని అందించడానికి చోటు ఉండదు.
మూడవ అధ్యయనం ప్రధానంగా 2 micromolar వద్ద మౌస్, ర్యాట్, గినియా పంది మెదడు మైటోకాండ్రియాలో ఈ విభేదాన్ని నేరుగా పరీక్షించి, Complex III నిరోధాన్ని దాటడం సాధ్యమేనని కనుగొంది. Qo స్థానం నిరోధకమైన మిక్సోథియాజోల్ మూలస్థాయి శ్వాసక్రియను 88 percent తగ్గించినప్పుడు, ఈ రంగు పదార్థం ఆక్సిజన్ వినియోగాన్ని నిరోధం లేని రేటులో సుమారు 62 percent వరకు పునరుద్ధరించింది. ఒక ప్రత్యక్ష పరీక్షలో, అర micromolar సాంద్రత వద్ద బయట నుంచి జోడించిన సైటోక్రోమ్ c రిడక్షన్ చెందింది; Complex III నిరోధించినా ఇది జరిగింది. ఇది NADH నుంచి రంగు పదార్థం ద్వారా సైటోక్రోమ్ cకి, అక్కడి నుంచి Complex IVకి వెళ్లే మార్గానికి మద్దతునిచ్చింది. అయితే పునరుద్ధరించిన శ్వాసక్రియ అసాధారణంగా ప్రవర్తించింది: ADPని జోడిస్తే ఆక్సిజన్ వినియోగం పెరగడానికి బదులుగా తగ్గింది; ATP సంశ్లేషణను నిరోధిస్తే శ్వాసక్రియ ప్రేరేపితమైంది. వోల్టేజ్ పునఃధ్రువీకరణ కొంతవరకే జరిగింది. అనుసంధానం తలకిందులైన స్థితిలో అధిక ఆక్సిజన్ వినియోగం సాధారణ శక్తి ఉత్పత్తి కాదు.
ప్రయోగశాలల మధ్య విభేదానికి కారణమేమిటి, దాన్ని ఏది తేలుస్తుంది
జాతుల తేడానే కారణమనే వివరణ ముందుగా విఫలమవుతుంది. మూడవ బృందం మూడు ఎలుకల జాతుల్లో ప్రయోగాన్ని పునరావృతం చేసి, అన్నింటిలోనూ ఒకే రకమైన ప్రత్యామ్నాయ మార్గాన్ని గమనించింది. ఆ మార్గం లేదని గతంలో నివేదించిన మౌస్ వంశం కూడా ఇందులో ఉంది. బదులుగా తేడాలు ఉన్నవి సాంద్రతలో (1 వర్సెస్ 2 micromolar), నిరోధకాల మోతాదుల్లో, బఫర్‌లలో, వేరుచేసే పద్ధతుల్లో, అన్నింటికంటే ముఖ్యంగా పోల్చిన శక్తి స్థితిలో: ADP జోడించకముందు ప్రత్యామ్నాయ మార్గం అత్యంత స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది; విరుద్ధమైన ADP ప్రతిస్పందన కనిపించేది కూడా అదే స్థితిలో. అందువల్ల వాస్తవాలను ప్రతిబింబించే చిత్రం పరిస్థితులపై ఆధారపడే రెండు నిష్క్రమణ స్థానాలను చూపుతుంది: ఒకటి Qo స్థానం వద్ద, మరొకటి సైటోక్రోమ్ c వద్ద. స్థానిక రసాయన పరిస్థితులు ఎక్కడ అనుమతిస్తే, రవాణాదారు అక్కడ ఎలక్ట్రాన్‌లను అందిస్తాడు.
పెరాక్సైడ్ రూపంలో చెల్లించే మూల్యం
పునరుద్ధరణ వైపు కనిపించే స్థిరత్వం, మూల్యం వైపూ కనిపిస్తుంది. గినియా పంది అధ్యయనంలో, పరీక్షించిన ప్రతి పరిస్థితిలోనూ ఈ రంగు పదార్థం పెరాక్సైడ్ విడుదలను పెంచింది: విశ్రాంతి స్థితిలో, ATP సంశ్లేషణ సమయంలో, రసాయనాల వల్ల పనితీరు దెబ్బతిన్న స్థితిలో, మూడు సబ్‌స్ట్రేట్‌లతోనూ. ATP సంశ్లేషణ సమయంలో, 1 micromolar వద్ద ఉత్పత్తి సుమారు 148 నుంచి 1500 కంటే ఎక్కువ picomoles per minute per milligram స్థాయికి పెరిగింది. 100 nanomolar వద్ద కూడా సంకేతం నాలుగు రెట్లకు మించి పెరిగింది. ఈ రంగు పదార్థం పెరాక్సైడ్ తొలగింపును కూడా సుమారు 2.6 రెట్లు మందగించింది. కాబట్టి ఆ సంకేతం వేగంగా ఏర్పడటాన్నీ, నెమ్మదిగా తొలగించబడటాన్నీ ప్రతిబింబిస్తుంది. గుర్తించదగిన సూపర్‌ఆక్సైడ్ లేకుండానే, రిడక్షన్ చెందిన రంగు పదార్థం ఆక్సిజన్‌ను నేరుగా రిడక్షన్ చేయడమే ప్రతిపాదిత రసాయన ప్రక్రియ. అయితే అది నిరూపిత దశ కాకుండా ఇప్పటికీ ఒక వ్యాఖ్యానమే.
మౌస్ అధ్యయనం ఈ దృశ్యాన్ని ఉపయోగకరమైన రీతిలో మరింత సంక్లిష్టం చేస్తుంది. మోతాదుతో పాటు పెరాక్సైడ్ వేగంగా పెరిగింది: సుమారు 76 మూలస్థాయి నుంచి, 2 micromolar వద్ద దాదాపు 2000 picomoles per minute per milligram వరకు. అయినా Complex III నిరోధం రంగు పదార్థం వల్ల ఏర్పడిన భాగాన్ని అణచివేసింది. రిడక్షన్ చెందిన రంగు పదార్థం ఆక్సిజన్‌తో ప్రతిస్పందించడం వల్ల మాత్రమే పెరాక్సైడ్ ఏర్పడుతుంటే, గొలుసును నిరోధించడం ఇంత ప్రభావం చూపకూడదు. కానీ చూపుతుంది; కాబట్టి గొలుసు కూడా ఈ ప్రక్రియలో పాల్గొంటుంది. యాంటీఆక్సిడెంట్, ప్రో-ఆక్సిడెంట్ సమీక్ష ఈ ద్వంద్వ స్వభావాన్ని విస్తృత సందర్భంలో వివరిస్తుంది. ఆక్సిజన్ వర్సెస్ ATP విశ్లేషణ ఆక్సిజన్ సంఖ్యలు మాత్రమే శక్తికి సంబంధించిన వాదనను ఎందుకు తేల్చలేవో వివరిస్తుంది.
పనితీరు పునరుద్ధరణ మరమ్మతు కాదు
వాడటం మానేయాల్సిన ప్రశ్న: “మిథిలీన్ బ్లూ మైటోకాండ్రియాను బాగుచేస్తుందా.” మరమ్మతు అంటే నిలకడైన సవరణ కావాలి: తిరిగి నిర్మితమైన కాంప్లెక్స్‌లు, ఔషధం వెళ్లిపోయిన తర్వాత కూడా కొనసాగే అనుసంధానం, సంపూర్ణ కణాల్లో పునరుద్ధరణ, ఆ తర్వాత సజీవ జీవిలో మెరుగైన పనితీరు. మూడు పత్రాల్లో ఏదీ అది చూపించలేదు. కృత్రిమ రసాయన నిరోధం సమయంలో, తాజాగా వేరుచేసిన కణాంగాల్లో తక్షణం మార్గం మళ్లించడాన్ని అవి చూపించాయి. అందులో ATP ఉత్పత్తి సాధారణ స్థాయిలో స్వల్ప భాగాలకే పరిమితమైంది; కొన్నిసార్లు అనుసంధానం స్పష్టంగా విచిత్రంగా ఉంది. రొటెనోన్, యాంటిమైసిన్ ప్రయోగశాల సాధనాలు; వృద్ధాప్యానికి లేదా మానవ మైటోకాండ్రియా వ్యాధికి నమూనాలు కావు. ఇక్కడి ఫలితాలు ఆరోగ్యకరమైన వ్యక్తికి ఎక్కువ శక్తి లభిస్తుందని సూచించవు. అది మానవులపై జరిగిన పరిశోధన సాహిత్యంతో కూడిన వేరొక ఆధారాల ప్రశ్న.
బయోహ్యాకింగ్‌కు సంబంధించిన ఏ నిర్ధారణనైనా వాస్తవాలకు కట్టుబడి ఉంచే మూడు పరిమితులు ఉన్నాయి. మొదటిది, కణాంగాల చుట్టూ ఉన్న ద్రావణ సాంద్రత మోతాదు కాదు: వేరుచేసిన కణాంగాల చుట్టూ 0.1 నుంచి 2 micromolar ఉండటం, మనిషి మెదడులోని మైటోకాండ్రియం వద్ద అంత స్వేచ్ఛా సాంద్రతను ఏ నోటి మోతాదు కలిగిస్తుందో చెప్పదు. ముఖ్యంగా, ఈ రంగు పదార్థం పేరుకుపోవడం లేదా విడుదల కావడం పొర వోల్టేజ్‌పైనే ఆధారపడి ఉంటుంది. రెండవది, ఆక్సిజన్ అంటే శక్తి కాదు: ఈ రంగు పదార్థం ఉత్పాదక ఫాస్ఫోరైలేషన్ ద్వారా మాత్రమే కాకుండా, చక్రీయ ప్రక్రియలు, లీకేజీ ద్వారా కూడా ఆక్సిజన్ వినియోగాన్ని పెంచగలదు. అందువల్ల ATP, వోల్టేజ్ కొలతలు లేకుండా చేసిన శ్వాసక్రియ కొలతలు శక్తికి సంబంధించిన వాదనకు ఆధారం కాలేవు. మూడవది, ప్రయోజనం, భారం ఒకే వాక్యంలో ఉండాలి: వోల్టేజ్ లేదా ATP పునరుద్ధరించిందని చెబుతూ, దానితోపాటు పెరిగిన పెరాక్సైడ్‌ను ప్రస్తావించకపోతే, ఆ ప్రయోగాన్ని తప్పుగా నివేదించినట్లే. సంబంధిత పరిమితులు NAD రెడాక్స్ సమతుల్యత, మోతాదు–ప్రతిస్పందన వక్రరేఖ ఆకారం, పరీక్షల మార్గదర్శినిలో ఉన్నాయి.
ఒక ఆచరణాత్మక గమనిక: ఎలక్ట్రాన్‌లను తరలించే ఈ లక్షణం నిర్దిష్టమైన ఆ అణువుకే చెందినది. Azure B వంటి డీమిథైలేషన్ చెందిన సంబంధిత సమ్మేళనాలు కూడా రెడాక్స్ క్రియాశీలమైనవే, కానీ వాటి ప్రవర్తన భిన్నంగా ఉంటుంది. అందువల్ల కొంత విచ్ఛిన్నమైన ద్రావణంతో చేసే ప్రయోగం, చెక్కుచెదరని రంగు పదార్థంతో చేసే ప్రయోగానికి భిన్నమైనది. లోహాల కోసం మాత్రమే పరీక్షించే నివేదికకు బదులుగా, పూర్తి ఫార్మకోపియా నిర్దేశాలు, ప్రచురిత బ్యాచ్ పత్రం తప్పనిసరిగా ఉండాలని కోరడానికి ఇది ఒక కారణం. వెలుతురులో ఉపయోగించేటప్పుడు, కాంతితో నడిచే రసాయన ప్రక్రియలు మరో జాగ్రత్తను జోడిస్తాయి; ఇది ఎరుపు కాంతితో కలిపి ఉపయోగించడంలో వివరించబడింది.
ఈ పరిమితమైన వాదన ఇవన్నీ ఎదుర్కొన్నా నిలబడుతుంది; దాన్ని నిలుపుకోవడం సముచితం: దెబ్బతిన్న, వేరుచేసిన మైటోకాండ్రియాలో మిథిలీన్ బ్లూ పరిస్థితులకు అనుగుణంగా ఎలక్ట్రాన్ రవాణాదారుగా పనిచేసి, పెరాక్సైడ్ పెరుగుదల అనే మూల్యంతో ప్రవాహాన్ని కొంతవరకు కొనసాగించగలదు. దానికి మించిన ప్రతిదీ—శక్తి, దీర్ఘాయుష్షు, మరమ్మతు—ఈ అధ్యయనాలు అందించడానికి రూపొందించని ఆధారాల కోసం ఇంకా ఎదురుచూస్తోంది.