Кабуди метилен ва ATP: оё истеъмоли бештари оксиген маънои энергияи бештарро дорад?

Митохондрияи ҷудокардашуда дар камерае ҷойгир аст, ки сӯзишворӣ дорад, вале ADP надорад. Он оксигенро оҳиста истеъмол мекунад. ADP илова кунед ва истеъмоли оксиген чанд баробар меафзояд. Интизор шавед, то ADP тамом шавад, ва истеъмоли оксиген боз коҳиш меёбад. Сӯзишворӣ тағйир наёфт. Танҳо талабот ба ATP тағйир ёфт.

Ин пайдарпаии кӯтоҳ тамоми фарқиятеро дар бар мегирад, ки ин мақола ба он бахшида шудааст. Истеъмоли оксиген чен мекунад, ки электронҳо тавассути занҷири нафаскашӣ ба оксиген бо чӣ суръат мерасанд. Истеҳсоли ATP чен мекунад, ки чӣ қадар аз ин ҷараён ҳамчун энергияи қобили истифода захира мешавад. Ин ду раванд як марҳилаи миёнаи муштарак доранд: градиенти протонҳо дар ду тарафи мембранаи дохилии митохондрия. Ҳар чизе, ки дараҷаи пайвастагии ин градиентро бо синтези ATP тағйир медиҳад, метавонад ду нишондиҳандаи ниҳоиро ба самтҳои гуногун барад. Кабуди метилен дар ин маврид намунаи омӯзандаи хуб аст, зеро ҳар ду таъсири он мушоҳида шудаанд: дар баъзе препаратҳо он истеъмоли оксигенро ҳамроҳ бо ATP зиёд мекунад, дар дигарҳо бошад, истеъмоли оксиген меафзояд, вале ATP бетағйир мемонад ё коҳиш меёбад.

Хонандагоне, ки аввал мехоҳанд тасвири умумии интиқоли электронҳоро фаҳманд, метавонанд аз он оғоз кунанд, ки кабуди метилен чӣ гуна электронҳоро дар занҷири нафаскашӣ интиқол медиҳад. Хонандагоне, ки мехоҳанд бо истилоҳоти озмоишҳои аввалини оксиген шинос шаванд, метавонанд бихонанд, ки ченкуниҳои аввалини нафаскашӣ дар асл чиро нишон доданд.

Нафаскашӣ, ATP ва градиенти байни онҳо

Электронҳо аз NADH ва FADH2 дар комплексҳои I ва II ба занҷир ворид шуда, тавассути комплекси III ба ситохроми c ва сипас тавассути комплекси IV ба оксиген мегузаранд. Энергияи дар комплексҳои I, III ва IV озодшуда протонҳоро аз матрикс ба фазои байни мембранаҳо мебарорад. Ин ҷудошавии заряд ва туршӣ қувваи пешбарандаи протонҳоро ба вуҷуд меорад; қисми электрикии он, яъне потенсиали мембрана, одатан қисми бартаридошта аст.

ATP-синтаза имкон медиҳад, ки протонҳо ба матрикс баргарданд ва энергияи озодшударо барои пайвастани ADP ва фосфат ба ATP истифода мебарад. Пас, пайдарпаӣ чунин аст:

истеъмоли оксиген, сипас интиқоли протонҳо, сипас градиент, сипас синтези ATP.

Нуктаи муҳим ин аст, ки протонҳо метавонанд бо роҳҳои дигар низ баргарданд. Ҳар бозгаште, ки ATP-синтазаро давр мезанад, ихроҷи протонҳо мебошад. Барои устувор нигоҳ доштани потенсиали мембрана, ихроҷ занҷирро водор мекунад, ки ҳамон протонҳоро дубора берун барорад. Ин оксигени бештарро сарф мекунад, вале ATP-и бештар намесозад. Ихроҷи ба қадри кофӣ қавӣ пайвастагиро мешиканад: истеъмоли оксиген меафзояд, дар ҳоле ки ATP бетағйир мемонад ё коҳиш меёбад ва энергияи беҳудасарфшуда ҳамчун гармӣ хориҷ мешавад.

Ҳолати 3, ҳолати 4 ва таносуби назорати нафаскашӣ

Истилоҳоти классикии ин мавзӯъ аз омӯзиши митохондрияҳои ҷудокардашуда бармеояд. Ҳолати 3 нафаскашӣ дар ҳузури субстрат ва ADP аст: ATP-синтаза градиентро кам мекунад, потенсиали мембрана паст мешавад, занҷир барои барқарор кардани он суръат мегирад ва истеъмоли оксиген баланд аст, зеро ATP ҳосил мешавад. Ҳолати 4 нафаскашӣ пас аз тамом шудани ADP аст: ATP-синтаза амалан бекор мемонад, градиент зиёд мешавад, потенсиали баланди мембрана ба интиқоли минбаъдаи протонҳо муқобилат мекунад ва истеъмоли оксиген то сатҳе паст мешавад, ки танҳо барои ҷуброни ихроҷ зарур аст.

Аз ин рӯ, таносуби назорати нафаскашӣ, яъне ҳолати 3 тақсим бар ҳолати 4, нишон медиҳад, ки пайвастагӣ дар препарат то чӣ андоза зич аст. Таносуби баланд маънои онро дорад, ки ADP нафаскаширо сахт назорат мекунад. Паст шудани таносуб ҳамзамон бо афзоиши ҳолати 4 маънои онро дорад, ки ихроҷ бартарӣ пайдо мекунад. Натиҷаҳои кабуди метилен, ки дар зер оварда шудаанд, аз ҳамин дидгоҳ маъно пайдо мекунанд.

Як модели зеҳниро дар хотир нигоҳ доштан меарзад. Потенсиали баланди мембрана кори занҷирро суст мекунад. Паст шудани потенсиал онро суръат мебахшад. Занҷир ба он ҷавоб медиҳад, ки интиқоли протонҳо то чӣ андоза душвор шудааст, на мустақиман ба он ки ATP ҳосил мешавад ё не.

Вақте ки нишондиҳандаҳои ниҳоӣ якҷоя тағйир меёбанд

Равшантарин намунаи пайвастагӣ аз митохондрияҳои ҷудокардашудаи мағзи хукчаи баҳрӣ бо комплексҳои басташудаи нафаскашӣ бармеояд. Дар консентратсияи аз 100 наномоляр то 1 микромоляр кабуди метилен, истеъмоли оксиген дар ҳолати оромӣ бо глутамат ва малат, сукцинат ё глисерофосфат ҳамчун сӯзишворӣ афзуд, дар ҳоле ки нафаскашии бо ADP ангезишёфта бетағйир монд. Дар митохондрияҳое, ки комплекси I ё комплекси III-и онҳо бо заҳр боздошта шуда буд, ранг истеҳсоли ATP-ро андаке зиёд кард, потенсиали мембранаро барқарор намуд ва ҷаббиши калсийро беҳтар кард. Роҳи пешниҳодшуда як миёнбур аст: ранг электронҳоро пеш аз ҷои басташавӣ қабул карда, ба ситохроми c медиҳад ва комплекси осебдидаро давр мезанад.

Дар намунаи дуюми пайвастагӣ манбаи ATP тамоман дигар аст. Дар митохондрияҳои ҷудокардашудаи мағз бо ATP-синтазаи боздошташуда, кабуди метилен ҳанӯз ҳам нафаскаширо бо ҳар як субстрати санҷидашуда ангезиш дод. Аммо синтези ATP танҳо бо алфа-кетоглутарат ва глутамат афзуд — ду субстрате, ки сукцинил-CoA ҳосил мекунанд. Вақте ки олигомицин ATP-синтазаро баста буд, ATP-и иловагӣ аз фосфоронӣ дар сатҳи субстрат тавассути сукцинил-CoA-лигаза дар даври кислотаи лимӯ ҳосил шуд, на аз фосфоронии оксидативӣ. Ранг инчунин потенсиали мембранаро барқарор кард, вақте ки комплекси I ва ATP-синтаза ҳамзамон боздошта шуда буданд. Дар ин ҷо истеъмоли оксиген ва ATP якҷоя тағйир ёфтанд, вале танҳо дар он ҳолатҳое, ки субстрат роҳи дуюми ҳосилшавии ATP-ро имконпазир мекард. Бо сукцинат ё малат нафаскашӣ афзуд, вале ATP-и иловагӣ ҳосил нашуд. Ҳамон ранг, ҳамон камера, сӯзишвории дигар ва ҷавоби дигар.

Вақте ки нишондиҳандаҳои ниҳоӣ аз ҳам ҷудо мешаванд

Ҳолатҳои аз ҳам ҷудо шудани нишондиҳандаҳо низ дар таҳқиқоти нашршуда оварда шудаанд ва ба ҳамон андоза омӯзандаанд. Дар таҳқиқоти соли 1997 оид ба митохондрияҳои ҷудокардашудаи ҷигари калламуш, кабуди метилен нафаскашии ҳолати 4-ро дар митохондрияҳои дорои пайвастагии зич, ки бо сукцинат нафас мекашиданд, суръат бахшид ва ин таносуби назорати нафаскаширо паст кард. Таъсир аз 0.5 микромоляр намоён буд ва дар 5 микромоляр қавӣ шуд — консентратсияе, ки ба сатҳи плазма пас аз болюси дохиливаридии 100 миллиграмм наздик аст. Дар 5 микромоляр митохондрияҳо инчунин варам карданд, гарчанде ки нуқси пайвастагӣ аввал дар консентратсияҳои пасттар пайдо шуда буд. Ин ба он ишора мекунад, ки ихроҷ пеш аз осеби сохторӣ ба вуҷуд омадааст, на дар натиҷаи он. Дар митохондрияҳои пайвастагиашон кандашуда ранг нафаскаширо ба тарзи вобаста ба консентратсия ва дорои ҳадди сершавӣ ангезиш дод. Истеъмоли оксиген дар ҳар ду препарат афзуд. Синтези ATP ба ҳар воҳиди оксигени истеъмолшуда зиёд нашуд. Ин намунаи классикии кандашавии пайвастагӣ ва интиқоли электронҳо дар як молекула аст.

Равшантарин ҷудошавӣ дар шабакия дида мешавад. Дар мушҳои дорои норасоии AIF ва ҳуҷайраҳои фоторетсептории бо ротенон коркардшуда, кабуди метилен ғафсии шабакия, маркерҳои фоторетсепторҳо ва сохтори митохондрияҳоро нигоҳ дошт. Он инчунин таносуби NADH ба NAD-ро паст кард ва роҳҳои ҷавоб ба стресс, аз ҷумла ҷавоб ба сафедаҳои нодуруст печхӯрда ва митофагияро суст намуд. Ҳамаи ин бе бартараф кардани камбуди ATP рух дод. Муҳофизат бе барқароршавии энергия маънои онро дорад, ки фоида тавассути тавозуни оксиду барқароршавӣ ва якпорчагии митохондрияҳо ба даст омад, на тавассути ATP-и иловагӣ. Ҳар касе, ки зинда мондани бофтаро бо барқароршавии истеҳсоли энергия баробар мешуморад, ин озмоишро комилан нодуруст мефаҳмад.

Таҳқиқоти митохондрияҳои мағз ба ҳамин ҳисоб сутуни хароҷотро низ илова мекунад. Ҳамон консентратсияҳои пасте, ки биоэнергетикаро беҳтар карданд, дар ҳамаи шароити санҷидашуда ҳосилшавии пероксиди гидрогенро низ зиёд карда, хориҷшавии онро суст намуданд. Ин бо санҷиши калибршудаи Amplex чен карда шуд, на бо ранги ғайримахсус. ATP-и бештар ва оксидкунандаи бештар якҷоя пайдо шуданд.

Рӯйхати санҷишӣ барои хондани амалӣ

Чор савол натиҷаи дорои пайвастагиро аз натиҷаи бе пайвастагӣ ҷудо мекунанд.

Аввал, кадом нишондиҳандаи ниҳоӣ воқеан чен карда шуд. Танҳо истеъмоли оксиген наметавонад миқдори ATP-ро нишон диҳад. Синтези ATP, потенсиали мембрана ва таносуби назорати нафаскашӣ ҳар кадом як ҷузъи маълумотро илова мекунанд, ки электроди оксиген дида наметавонад. Роҳнамои хондани иддаоҳои таҳқиқоти кабуди метилен ин муносибати дақиқ ба нишондиҳандаҳои ниҳоиро муфассал шарҳ медиҳад.

Дуюм, кадом субстрат митохондрияҳоро таъмин мекард. Натиҷаи сукцинил-CoA нишон медиҳад, ки интихоби сӯзишворӣ метавонад муайян кунад, ки оё нафаскашии иловагӣ умуман ба ATP-и иловагӣ табдил меёбад ё не.

Сеюм, кадом консентратсия истифода шуд. Кабуди метилен дар консентратсияҳои наномоляр то микромолярии паст дар митохондрияҳои мағз беҳбудиҳои андаки биоэнергетикӣ овард, вале бо афзоиши оксидкунандаҳо; ним микромоляр ва бештар аз он дар митохондрияҳои ҷигар пайвастагиро заиф кард; 5 микромоляр варамро низ ба вуҷуд овард. Консентратсия қисми механизм аст, на ҷузъиёти канорӣ.

Чорум, натиҷа дар кадом модел ба даст омад. Митохондрияҳои ҷудокардашуда тарҳи робитаҳоро ошкор мекунанд, вале ҳуҷайраҳо ва бофтаҳои яклухт интиқол, барқароршавӣ ба шакли беранг ва қабулкунандагони рақобаткунандаи электронҳоро низ илова мекунанд. Корҳои лабораторӣ оид ба миқдори модда, аз ҷумла он ки консентратсия ва протокол таъсирҳои кабуди метиленро чӣ гуна муайян мекунанд, пули байни рақамҳои камера ва ҳар гуна иддао дар бораи инсон мебошанд.

Истеъмоли оксиген ҷараёни электронҳоро нишон медиҳад. ATP нишон медиҳад, ки чӣ қадар аз ин ҷараён захира шудааст. Кабуди метилен метавонад ҳар яке аз онҳоро тағйир диҳад ва озмоишҳои боло ҳамаи чор ҳолатро нишон медиҳанд: ҳар ду меафзоянд, нафаскашӣ танҳо дар ҷое меафзояд, ки субстрат имкон медиҳад, нафаскашӣ меафзояд, вале пайвастагӣ коҳиш меёбад, ва бофта нигоҳ дошта мешавад, дар ҳоле ки ATP бетағйир мемонад. Рақами электроди оксиген оғози тафсир аст, на анҷоми он.