Метилен зәңгәре һәм ATP: кислородны күбрәк тотыну энергия күбрәк дигәнне аңлатамы?

Аерып алынган митохондрия камерада ягулык белән, әмма ADP-сыз тора. Ул кислородны акрын тотына. ADP өстәсәң, кислород тотыну берничә тапкыр арта. ADP беткәнче көтсәң, кислород тотыну кабат кими. Ягулык үзгәрмәде. ATP-га ихтыяҗ гына үзгәрде.

Бу кыска эзлеклелек мәкаләдә каралган аерманы тулысынча күрсәтә. Кислород тотыну электроннарның сулыш чылбыры аша кислородка нинди тизлек белән күчүен үлчи. ATP җитештерү исә шул агымның күпме өлеше файдаланырлык энергия рәвешендә туплануын үлчи. Аларны уртак арадаш баскыч — митохондриянең эчке мембранасы аша протон градиенты — бәйли. Градиентның ATP синтезы белән бәйләнеш тыгызлыгын үзгәртә торган теләсә нәрсә бу ике нәтиҗә күрсәткечен төрле юнәлештә үзгәртә ала. Метилен зәңгәре монда яхшы аңлату чарасы булып тора, чөнки аның ике төрле тәэсире дә күзәтелгән: кайбер препаратларда ул кислород тотынуны ATP белән бергә арттыра, ә башкаларында кислород тотынуны арттырганда ATP үзгәрешсез кала яки кими.

Башта электроннарны тапшыруның гомуми күренешен аңларга теләгән укучылар метилен зәңгәренең электроннарны сулыш чылбыры аша ничек күчерүеннән башлый ала. Ә кислород белән үткәрелгән беренче тәҗрибәләрнең терминнарын аңларга теләүчеләр тәүге сулыш алу үлчәүләре чынлыкта нәрсә күрсәткәнен укый ала.

Сулыш алу, ATP һәм алар арасындагы градиент

NADH һәм FADH2 электроннары чылбырга I һәм II комплексларда керә, III комплекс аша цитохром c-га күчә, аннары IV комплекс аша кислородка барып җитә. I, III һәм IV комплексларда бүленеп чыккан энергия протоннарны матрикстан мембранаара киңлеккә кудыра. Заряд һәм кислоталылыкның шулай аерылуы протоннарны хәрәкәткә китерүче көчне тудыра; аның электр өлеше — мембрана потенциалы — гадәттә төп өлешне тәшкил итә.

ATP-синтаза протоннарны матрикска кире үткәрә һәм бүленеп чыккан энергияне ADP белән фосфатны ATP итеп берләштерү өчен куллана. Шулай итеп, чылбыр түбәндәгечә:

кислород тотыну, аннары протоннарны кудыру, аннары градиент, аннары ATP синтезы.

Ләкин протоннар башка юллар белән дә кире кайта ала. ATP-синтазаны читләтеп үткән теләсә нинди кайту протоннар агып чыгуы дип атала. Мембрана потенциалын тотрыклы саклау өчен, мондый агып чыгу чылбырны шул ук протоннарны яңадан кудырырга мәҗбүр итә; бу күбрәк ATP җитештермичә күбрәк кислород тотынуга китерә. Җитәрлек көчле агып чыгу бәйләнешне өзә: кислород тотыну арта, ә ATP үзгәрешсез кала яки кими, һәм әрәм булган энергия җылылык рәвешендә тарала.

3 нче халәт, 4 нче халәт һәм сулыш алуны контрольдә тоту нисбәте

Бу күренешнең классик терминнары аерып алынган митохондрияләрне өйрәнүдән килеп чыккан. 3 нче халәт — субстрат һәм ADP булганда сулыш алу: ATP-синтаза градиентны киметә, мембрана потенциалы төшә, аны яңадан торгызу өчен чылбыр тизләнә, һәм ATP җитештерелгәнгә кислород тотыну югары була. 4 нче халәт — ADP беткәч сулыш алу: ATP-синтаза эшләми диярлек, градиент арта, югары мембрана потенциалы протоннарны алга таба кудыруга каршы тора, һәм кислород тотыну агып чыгуны каплау өчен кирәк булган дәрәҗәгә кадәр кими.

Шуңа күрә сулыш алуны контрольдә тоту нисбәте — 3 нче халәтнең 4 нче халәткә бүлендеге — препаратта бәйләнешнең никадәр тыгыз булуын күрсәтә. Югары нисбәт ADP-ның сулыш алуны көчле контрольдә тотуын аңлата. 4 нче халәт үскәндә нисбәтнең төшүе агып чыгуның өстенлек ала башлавын күрсәтә. Түбәндәге метилен зәңгәре нәтиҗәләрен нәкъ шушы караш аша аңларга мөмкин.

Бер фикри модельне истә тотарга кирәк. Югары мембрана потенциалы чылбырны акрынайта. Потенциалның таралуы аны тизләтә. Чылбыр ATP җитештерелүенә турыдан-туры түгел, ә протоннарны кудыруның никадәр кыенлашуына җавап бирә.

Нәтиҗә күрсәткечләре бергә үзгәргәндә

Бәйләнеш сакланган иң ачык мисал сулыш комплекслары блокланган, диңгез дуңгызы миеннән аерып алынган митохондрияләрдән килә. Метилен зәңгәренең 100 наномолярдан 1 микромолярга кадәр концентрацияләрендә, ягулык буларак глутамат белән малат, сукцинат яки глицерофосфат кулланылганда, тыныч хәлдә кислород тотыну арткан, ә ADP этәргеч биргән сулыш алу үзгәрмәгән. I яки III комплекслары агуланган митохондрияләрдә буягыч ATP җитештерүне аз гына арттырган, мембрана потенциалын торгызган һәм кальцийны үзләштерүне яхшырткан. Тәкъдим ителгән юл кыскарак: буягыч электроннарны блокка кадәрге өлештә кабул итә һәм зарарланган комплексны читләтеп, аларны цитохром c-га тапшыра.

Бәйләнеш сакланган икенче очракта бөтенләй башка ATP чыганагы кулланыла. ATP-синтазасы тоткарланган, мидән аерып алынган митохондрияләрдә метилен зәңгәре тикшерелгән һәр субстратта сулыш алуны барыбер көчәйткән. Ләкин ATP синтезы сукцинил CoA барлыкка китерә торган ике субстратта — альфа-кетоглутаратта һәм глутаматта — гына арткан. Олигомицин ATP-синтазаны блоклаганда, өстәмә ATP оксидлашу фосфорлашуыннан түгел, ә лимон кислотасы циклында сукцинил CoA лигазасы башкарган субстрат дәрәҗәсендәге фосфорлашудан килгән. I комплекс һәм ATP-синтаза бергә тоткарланганда, буягыч мембрана потенциалын да торгызган. Монда кислород тотыну һәм ATP бергә үзгәргән, ләкин субстрат икенче ATP юлына мөмкинлек биргән очракта гына. Сукцинатта яки малатта сулыш алу өстәмә ATP-сыз арткан. Шул ук буягыч, шул ук камера, башка ягулык — башка җавап.

Нәтиҗә күрсәткечләре бер-берсеннән аерылганда

Күрсәткечләр аерылган очраклар да басылып чыккан һәм шул ук дәрәҗәдә гыйбрәтле. 1997 елда күсе бавырыннан аерып алынган митохондрияләрне тикшерүдә метилен зәңгәре сукцинат белән сулыш алган, бәйләнеше тыгыз митохондрияләрдә 4 нче халәттәге сулыш алуны тизләткән; бу сулыш алуны контрольдә тоту нисбәтен киметкән. Тәэсир 0.5 микромолярдан ук күренгән һәм 5 микромолярда көчле булган; бу концентрация 100 миллиграммны вена эченә болюс рәвешендә керткәннән соң плазмадагы дәрәҗәләргә якын. 5 микромолярда митохондрияләр шулай ук бүрткән, әмма бәйләнеш бозылуы башта түбәнрәк концентрацияләрдә барлыкка килгән. Бу агып чыгуның структур зарарланудан килеп чыгуын түгел, ә аңардан алда башлануын күрсәтә. Бәйләнеше өзелгән митохондрияләрдә буягыч сулыш алуны концентрациягә бәйле, туену чиге булган рәвештә көчәйткән. Ике препаратта да кислород тотыну арткан. Тотылган кислород берәмлегенә ATP синтезы артмаган. Бу — бер үк молекулада бәйләнеш өзелүенең һәм электроннарны күчерүнең дәреслекләрдәге кебек мисалы.

Иң кискен аерылу күзнең челтәр катлавында күзәтелгән. AIF җитмәгән тычканнарда һәм ротенон белән эшкәртелгән фоторецептор күзәнәкләрендә метилен зәңгәре челтәр катлавының калынлыгын, фоторецептор маркерларын һәм митохондрияләрнең төзелешен саклаган; шулай ук NADH-ның NAD-га нисбәтен киметкән һәм стресс юлларын, шул исәптән дөрес төрелмәгән аксымнарга җавапны һәм митофагияне, баскан. Ул моны ATP җитмәвен төзәтмичә башкарган. Энергия торгызылмыйча саклау файданың өстәмә ATP аша түгел, ә оксидлашу-кайтарылу тигезләнеше һәм митохондрияләрнең бөтенлеге аша килгәнен аңлата. Тукыманың исән калуын энергия җитештерүнең торгызылуына тиңләгән кеше бу тәҗрибәне бөтенләй ялгыш аңлар иде.

Баш мие митохондрияләре белән эш шул ук нәтиҗәләргә тискәре якны да өсти. Биоэнергетиканы яхшырткан шул ук түбән концентрацияләр тикшерелгән барлык шартларда водород пероксиды барлыкка килүен дә арттырган һәм аның бетерелүен акрынайткан. Бу махсус булмаган буягыч белән түгел, ә калибрланган Amplex анализы белән үлчәнгән. Күбрәк ATP һәм күбрәк оксидант бергә килгән.

Нәтиҗәләрне укыр өчен гамәли тикшерү исемлеге

Дүрт сорау бәйләнеш сакланган нәтиҗәне бәйләнеш өзелгән нәтиҗәдән аера.

Беренчедән, чынлыкта кайсы нәтиҗә күрсәткече үлчәнгән? Кислород тотыну гына ATP турында мәгълүмат бирә алмый. ATP синтезы, мембрана потенциалы һәм сулыш алуны контрольдә тоту нисбәте һәрберсе кислород электроды күрә алмаган бер мәгълүмат өлешен өсти. Метилен зәңгәре тикшеренүләрендәге раслауларны уку белешмәсе нәтиҗә күрсәткечләренә карата шушы таләпне җентекләп аңлата.

Икенчедән, митохондрияләрне кайсы субстрат тукландырган? Сукцинил CoA нәтиҗәсе ягулык сайлау өстәмә сулыш алуның гомумән өстәмә ATP-га әйләнә алу-алмавын билгели алганын күрсәтә.

Өченчедән, нинди концентрация кулланылган? Баш мие митохондрияләрендә наномолярдан түбән микромолярга кадәрге метилен зәңгәре оксидантлар артуы бәрабәренә биоэнергетик яктан аз гына яхшыру биргән; бавыр митохондрияләрендә ярты микромоляр һәм аннан югары концентрацияләр бәйләнешне какшаткан; 5 микромолярда бүртү дә өстәлгән. Концентрация — икенчел мәгълүмат түгел, механизмның бер өлеше.

Дүртенчедән, нәтиҗә нинди модельдә алынган? Аерып алынган митохондрияләр эчке бәйләнешләрне ачып күрсәтә, ләкин бөтен күзәнәкләр һәм тукымалар моңа ташылуны, төссез формага кайтарылуны һәм электроннар өчен көндәш кабул итү юлларын өсти. Лабораториядә дозалар белән эшләү, шул исәптән концентрация һәм протоколның метилен зәңгәре тәэсирләрен ничек формалаштыруы, камерадагы саннар белән кеше турында теләсә нинди раслау арасындагы күпер булып тора.

Кислород тотыну электроннар агымын күрсәтә. ATP шул агымның күпме өлеше тупланганын күрсәтә. Метилен зәңгәре аларның теләсә кайсын үзгәртә ала, һәм югарыдагы тәҗрибәләр шуннан килеп чыккан дүрт вариантны да күрсәтә: икесе дә арта; сулыш алу субстрат мөмкинлек биргәндә генә арта; бәйләнеш кимегәндә сулыш алу арта; ATP үзгәрешсез калганда тукыма саклана. Кислород электродындагы сан — аңлатманың ахыры түгел, ә башы.