Kislorod sarfining ortishi ko‘proq ATP deganimi? Metilen ko‘ki tadqiqotlaridan saboqlar

Ajratib olingan mitoxondriya energiya substrati bor, ammo ADP yo‘q kamerada turibdi. U kislorodni sekin sarflaydi. ADP qo‘shilsa, kislorod sarfi bir necha baravar oshadi. ADP tugaguncha kutilsa, kislorod sarfi yana pasayadi. Energiya substrati o‘zgarmadi. Faqat ATPga bo‘lgan talab o‘zgardi.

Bu qisqa ketma-ketlik ushbu maqolada tushuntiriladigan farqni to‘liq aks ettiradi. Kislorod sarfi elektronlarning nafas olish zanjiri orqali kislorodga qanchalik tez oqishini o‘lchaydi. ATP hosil bo‘lishi esa shu oqimning qancha qismi foydalanish mumkin bo‘lgan energiya sifatida o‘zlashtirilishini o‘lchaydi. Ularning umumiy oraliq bosqichi bor: mitoxondriyaning ichki membranasi bo‘ylab proton gradienti. Gradientning ATP sintezi bilan qanchalik chambarchas bog‘langanini o‘zgartiradigan har qanday omil bu ikki yakuniy ko‘rsatkichni turli yo‘nalishlarda siljitishi mumkin. Metilen ko‘ki bu farqni tushunish uchun yaxshi misol, chunki uning har ikkala holatni yuzaga keltirishi kuzatilgan: ayrim preparatlarda ATP bilan birga kislorod sarfini oshirgan, boshqalarida esa ATP o‘zgarmagan yoki kamaygan holda kislorod sarfini oshirgan.

Avval elektronlar uzatilishining umumiy manzarasini tushunmoqchi bo‘lgan o‘quvchilar metilen ko‘ki elektronlarni nafas olish zanjiri orqali qanday tashishini o‘rganishdan boshlashlari mumkin. Kislorodga oid dastlabki tajribalardagi atamalar bilan tanishmoqchi bo‘lganlar esa ilk nafas olish o‘lchovlari aslida nimani ko‘rsatganini o‘qishlari mumkin.

Nafas olish, ATP va ular orasidagi gradient

NADH va FADH2 dan kelgan elektronlar zanjirga I va II komplekslarda kiradi, III kompleks orqali sitoxrom c ga, so‘ng IV kompleks orqali kislorodga o‘tadi. I, III va IV komplekslarda ajralgan energiya protonlarni matriksdan membranalararo bo‘shliqqa haydaydi. Zaryad va kislotalilikning bunday ajralishi proton harakatlantiruvchi kuchini hosil qiladi. Uning elektr tarkibiy qismi — membrana potensiali — odatda ustunlik qiladi.

ATP sintaza protonlarni matriksga qayta o‘tkazadi va ajralgan energiyadan ADP bilan fosfatni birlashtirib, ATP hosil qilish uchun foydalanadi. Demak, ketma-ketlik quyidagicha:

kislorod sarfi, keyin protonlarni haydash, keyin gradient, keyin ATP sintezi.

Ammo protonlar boshqa yo‘llar orqali ham qaytishi mumkin. ATP sintazani chetlab o‘tadigan har qanday qaytish proton sizishi hisoblanadi. Sizish membrana potensialini barqaror saqlash uchun zanjirni o‘sha protonlarni yana haydashga majbur qiladi. Natijada ko‘proq ATP hosil bo‘lmasdan, ko‘proq kislorod sarflanadi. Yetarlicha kuchli sizish nafas olish bilan ATP sintezi orasidagi bog‘lanishni uzadi: kislorod sarfi ortadi, ATP esa o‘zgarmaydi yoki kamayadi, behuda sarflangan energiya esa issiqlik sifatida chiqib ketadi.

3-holat, 4-holat va nafas olish nazorati nisbati

Bunga oid klassik atamalar ajratib olingan mitoxondriyalar ustidagi ishlardan kelib chiqqan. 3-holat — substrat va ADP mavjud bo‘lgan paytdagi nafas olish: ATP sintaza gradientni kamaytiradi, membrana potensiali pasayadi, zanjir uni tiklash uchun tezlashadi va ATP hosil bo‘layotgani sababli kislorod sarfi yuqori bo‘ladi. 4-holat — ADP tugagandan keyingi nafas olish: ATP sintaza faoliyatsiz qoladi, gradient ortadi, yuqori membrana potensiali protonlarning yana haydalishiga qarshilik qiladi va kislorod sarfi sizishni qoplash uchun zarur darajagacha tushadi.

Shuning uchun nafas olish nazorati nisbati, ya’ni 3-holatning 4-holatga nisbati, preparatda nafas olish ATP sintezi bilan qanchalik chambarchas bog‘langanini ko‘rsatadi. Yuqori nisbat ADP nafas olishni kuchli boshqarishini anglatadi. 4-holat ortib, nisbat pasayishi esa sizish ustunlik qila boshlaganini bildiradi. Quyidagi metilen ko‘ki natijalarini shu nuqtayi nazardan tushunish mumkin.

Bitta tasavvurni yodda tutish foydali. Yuqori membrana potensiali zanjirni sekinlashtiradi. Potensialning kamayishi uni tezlashtiradi. Zanjir ATP hosil bo‘layotganiga bevosita emas, protonlarni haydash qanchalik qiyinlashganiga javob beradi.

Yakuniy ko‘rsatkichlar birga o‘zgarganda

Bog‘lanish saqlangan eng aniq misol nafas olish komplekslari bloklangan, ajratib olingan dengiz cho‘chqasi miya mitoxondriyalaridan keladi. Metilen ko‘ki 100 nanomolar dan 1 micromolar gacha bo‘lganida, glutamat va malat, suksinat yoki glitserofosfat energiya substrati sifatida ishlatilganda tinch holatdagi kislorod sarfi ortgan, ADP bilan rag‘batlantirilgan nafas olish esa o‘zgarmagan. I yoki III kompleksi zaharli modda bilan bloklangan mitoxondriyalarda bo‘yoq ATP hosil bo‘lishini biroz oshirgan, membrana potensialini tiklagan va kalsiy yutilishini yaxshilagan. Taklif qilingan yo‘l qisqa aylanma yo‘ldir: bo‘yoq elektronlarni bloklangan nuqtadan oldin qabul qilib, shikastlangan kompleksni chetlab o‘tgan holda sitoxrom c ga uzatadi.

Ko‘rsatkichlar birga o‘zgargan ikkinchi holatda ATP butunlay boshqa manbadan hosil bo‘lgan. ATP sintazasi ingibirlangan, ajratib olingan miya mitoxondriyalarida metilen ko‘ki sinovdan o‘tkazilgan barcha substratlarda nafas olishni baribir rag‘batlantirgan. Ammo ATP sintezi faqat suksinil CoA hosil qiladigan ikki substrat — alfa-ketoglutarat va glutamat — bilan ortgan. ATP sintaza oligomitsin bilan bloklanganida, qo‘shimcha ATP oksidlovchi fosforlanishdan emas, limon kislotasi siklida suksinil CoA ligaza amalga oshiradigan substrat darajasidagi fosforlanishdan kelib chiqqan. I kompleks va ATP sintaza birgalikda ingibirlanganda bo‘yoq membrana potensialini ham tiklagan. Bu yerda kislorod sarfi va ATP birga o‘zgargan, ammo faqat substrat ikkinchi ATP hosil qilish yo‘liga imkon bergan hollarda. Suksinat yoki malat bilan nafas olish qo‘shimcha ATP hosil bo‘lmasdan ortgan. Bo‘yoq ham, kamera ham bir xil, ammo energiya substrati boshqa — natija ham boshqa.

Yakuniy ko‘rsatkichlar bir-biridan ajralganda

Ko‘rsatkichlar bir-biridan ajralgan holatlar ham chop etilgan tadqiqotlarda qayd etilgan va ular ham birdek muhim saboq beradi. 1997-yilda ajratib olingan kalamush jigari mitoxondriyalari ustida o‘tkazilgan tadqiqotda metilen ko‘ki suksinat bilan nafas olayotgan, nafas olish va ATP sintezi chambarchas bog‘langan mitoxondriyalarda 4-holatdagi nafas olishni tezlashtirgan. Bu nafas olish nazorati nisbatini pasaytirgan. Ta’sir 0.5 micromolar dan boshlab ko‘ringan va 5 micromolar da kuchli bo‘lgan; bu konsentratsiya vena ichiga 100 milligram bolyus yuborilgandan keyingi plazma darajalariga yaqin. 5 micromolar da mitoxondriyalar ham shishgan, biroq bog‘lanishdagi buzilish avvalroq, pastroq konsentratsiyalarda paydo bo‘lgan. Bu sizish tuzilish shikastlanishidan kelib chiqmaganini, balki undan oldin yuzaga kelganini ko‘rsatadi. Bog‘lanishi uzilgan mitoxondriyalarda bo‘yoq nafas olishni konsentratsiyaga bog‘liq va to‘yinish chegarasiga ega tarzda rag‘batlantirgan. Har ikkala preparatda kislorod sarfi ortgan. Sarflangan kislorod birligiga to‘g‘ri keladigan ATP sintezi esa ortmagan. Bu bitta molekulada bog‘lanishning uzilishi va elektron tashishning klassik birikmasidir.

Eng yaqqol ajralish to‘r pardada kuzatilgan. AIF yetishmovchiligi bo‘lgan sichqonlar va rotenon bilan ishlov berilgan fotoretseptor hujayralarda metilen ko‘ki to‘r parda qalinligini, fotoretseptor markerlarini va mitoxondriya tuzilishini saqlab qolgan. Shuningdek, NADH ning NAD ga nisbatini pasaytirgan hamda stressga javob yo‘llarini, jumladan, noto‘g‘ri buklangan oqsillarga javob reaksiyasi va mitofagiyani susaytirgan. U bunga ATP yetishmovchiligini bartaraf etmasdan erishgan. Energiya tiklanmasdan kuzatilgan himoya foyda qo‘shimcha ATP orqali emas, oksidlanish-qaytarilish muvozanati va mitoxondriya yaxlitligi orqali yuzaga kelganini anglatadi. To‘qimaning saqlanib qolishini energiya ishlab chiqarish tiklanganiga tenglashtirgan kishi bu tajribani butunlay noto‘g‘ri talqin qilgan bo‘lardi.

Miya mitoxondriyalari ustidagi ishlar bu natijalarning salbiy tomonini ham ko‘rsatadi. Bioenergetikani yaxshilagan o‘sha past konsentratsiyalar sinovdan o‘tkazilgan barcha sharoitlarda vodorod peroksid hosil bo‘lishini ham oshirgan va uning yo‘qotilishini sekinlashtirgan. Bu nospetsifik bo‘yoq bilan emas, kalibrlangan Amplex tahlili bilan o‘lchangan. Ko‘proq ATP bilan birga ko‘proq oksidlovchi modda ham hosil bo‘lgan.

Natijalarni o‘qish uchun amaliy tekshiruv ro‘yxati

To‘rtta savol bog‘lanish saqlangan natijani bog‘lanish uzilgan natijadan ajratadi.

Birinchisi: aslida qaysi yakuniy ko‘rsatkich o‘lchangan? Faqat kislorod sarfining o‘zi ATP haqida ma’lumot bera olmaydi. ATP sintezi, membrana potensiali va nafas olish nazorati nisbati kislorod elektrodi ko‘ra olmaydigan jihatlarni alohida-alohida ochib beradi. Metilen ko‘ki tadqiqotlaridagi da’volarni o‘qish bo‘yicha qo‘llanmada yakuniy ko‘rsatkichlarga bunday qat’iy yondashuv batafsil tushuntirilgan.

Ikkinchisi: mitoxondriyalar qaysi substratdan foydalangan? Suksinil CoA bilan olingan natija energiya substratini tanlash qo‘shimcha nafas olish umuman qo‘shimcha ATPga aylana oladimi yoki yo‘qmi, shuni belgilashi mumkinligini ko‘rsatadi.

Uchinchisi: qaysi konsentratsiya ishlatilgan? Miya mitoxondriyalarida nanomolar dan past micromolar darajalarigacha bo‘lgan metilen ko‘ki oksidlovchi moddalar ortishi evaziga bioenergetikada kichik yaxshilanishlar bergan; jigar mitoxondriyalarida yarim micromolar va undan yuqori darajalar bog‘lanishni susaytirgan; 5 micromolar da bunga shishish ham qo‘shilgan. Konsentratsiya ikkinchi darajali tafsilot emas, mexanizmning bir qismidir.

To‘rtinchisi: natija qaysi modelda olingan? Ajratib olingan mitoxondriyalar ichki mexanizmlarni ochib beradi, ammo yaxlit hujayralar va to‘qimalarda bunga tashilish, rangsiz shaklgacha qaytarilish hamda elektronlarni qabul qilish uchun raqobatlashuvchi boshqa yo‘llar ham qo‘shiladi. Laboratoriyada dozalashga oid ishlar, jumladan, konsentratsiya va tajriba protokoli metilen ko‘ki ta’sirini qanday belgilashi, kamerada olingan raqamlar bilan insonga oid har qanday da’vo o‘rtasidagi ko‘prikdir.

Kislorod sarfi elektronlar oqimini ko‘rsatadi. ATP esa shu oqimning qancha qismi energiya sifatida o‘zlashtirilganini ko‘rsatadi. Metilen ko‘ki bu ikkisidan istalgan birini o‘zgartirishi mumkin. Yuqoridagi tajribalar quyidagi to‘rtta natijani ko‘rsatadi: ikkalasi ham ortadi; nafas olish ortadi, ammo ATP faqat substrat imkon berganida ortadi; nafas olish ortadi, bog‘lanish esa susayadi; va ATP o‘zgarmagan holda to‘qima saqlanib qoladi. Kislorod elektrodidagi raqam talqinning oxiri emas, boshlanishidir.