معلومة

ما هو تسرب البروتون؟

ما هو تسرب البروتون؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لدي فكرة عنها هل هو التدفق الخلفي المهدر لأيونات H + من خلال فصل البروتينات أثناء التنفس الهوائي؟

شكرا لك


إجابة قصيرة: نعم. كما يتضمن أيضًا تسربًا غير محدد دون مساعدة البروتينات المنفصلة ، نظرًا لأن الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ليس مانعًا تمامًا للبروتونات. على سبيل المثال ، قد تسقط البروتونات للخلف من خلال مجمعات ضخ البروتون ، أو من خلال ناقلات مذابة أخرى ، أو من خلال فتحات أو مخالفات أخرى في الغشاء.


تنظيم وفسيولوجيا تسرب البروتون الميتوكوندريا

يتنفس زوج الميتوكوندريا لتخليق ATP من خلال تدرج بروتوني كهروكيميائي. يسمح تسرب البروتون عبر الغشاء الداخلي بضبط كفاءة الاقتران. الهدف من هذه المراجعة ثلاثة أضعاف: 1) تعريف القارئ غير المألوف بتسرب البروتونات وأهميته الفسيولوجية ، 2) مراجعة دور وتنظيم فصل البروتينات ، و 3) حدد احتمالات تسرب البروتون كوسيلة لعلاج السمنة والسكري والأمراض المرتبطة بالعمر.


تتوسط أنواع الأكسجين التفاعلي في الميتوكوندريا تنشيط الخلايا البطانية التي يسببها ليسوفوسفاتيديل كولين

موضوعي: يعتبر تنشيط الخلايا البطانية التي يسببها فرط شحميات الدم حدثًا أوليًا مسؤولاً عن تجنيد وحيدات في تصلب الشرايين. ومع ذلك ، فإنه لا يزال غير محدد بشكل جيد ما هي الآلية الكامنة وراء تنشيط EC الناجم عن فرط شحميات الدم. هنا ، اختبرنا فرضية جديدة مفادها أن أنواع الأكسجين التفاعلي للميتوكوندريا (mtROS) تعمل كوسيط إشارات لتنشيط EC في تصلب الشرايين المبكر.

النهج والنتائج: كشفت تحليلات الأيض والنسخ أن العديد من أنواع ليسوفوسفاتيديل كولين (LPC) ، مثل 16: 0 ، 18: 0 ، و 18: 1 ، وإنزيمات المعالجة الخاصة بهم ، بما في ذلك Pla2g7 و Pla2g4c ، تم تحفيزها بشكل كبير في الشريان الأورطي لفئران صميم البروتين الشحمي E خلال تصلب الشرايين المبكر. باستخدام رنين الإلكترون والتدفق الخلوي ، وجدنا أن LPC 16: 0 و 18: 0 و 18: 1 تسبب في mtROS في ECs الأبهر البشري الأولي ، بصرف النظر عن أنشطة نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات أوكسيديز. ميكانيكيًا ، باستخدام الفحص المجهري متحد البؤر ومحلل الميتوكوندريا Seahorse XF ، أظهرنا أن mtROS الناجم عن LPC عن طريق زيادة فريدة من نوعها بوساطة دخول الكالسيوم من تسرب البروتون وتقليل O2 الميتوكوندريا. بالإضافة إلى ذلك ، وجدنا أن mtROS ساهم في تنشيط EC الناجم عن LPC من خلال تنظيم الارتباط النووي للبروتين المنشط -1 وتحفيز التعبير الجيني لجزيء التصاق 1 بين الخلايا في المختبر. علاوة على ذلك ، أظهرنا أن مثبط mtROS MitoTEMPO قام بقمع تنشيط EC وتوظيف وحيدات الأبهر في الفئران التي تم إخراجها من صميم البروتين الشحمي E باستخدام طرق الفحص المجهري داخل الجسم والتدفق الخلوي.

الاستنتاجات: تتوسط زيادة mtROS - تخليق ATP - غير المنفصل ، ولكن مقترنًا بتسريب البروتون ، في تنشيط EC الناجم عن LPC أثناء تصلب الشرايين المبكر. تشير هذه النتائج إلى أن مضادات الأكسدة في الميتوكوندريا هي علاجات واعدة لالتهاب الأوعية الدموية وأمراض القلب والأوعية الدموية.

الكلمات الدالة: تصلب الشرايين الخلايا البطانية فرط شحميات الدم الميتوكوندريا أنواع الأكسجين التفاعلي.


نتائج

التقرب

من الناحية المفاهيمية ، تعمل جميع المجمعات الثلاثة لنقل البروتون في السلسلة التنفسية (الشكل 1) بالطريقة نفسها ، على الرغم من اختلاف الآليات الجزيئية التفصيلية اختلافًا كبيرًا. في جميع الحالات ، نحن نتعامل مع رد فعل شاق أو مرن أو "مدفوع" لانتقال البروتون من الجانب N سالب الشحنة إلى الجانب P موجب الشحنة من غشاء الميتوكوندريا الداخلي (يُعرّف هنا على أنه رد فعل 1). لا يمكن أن يحدث هذا التفاعل تلقائيًا ، ولكنه يصبح ممكنًا عندما يقترن بتفاعل شديد الانحدار ، أو تفاعل طارد للطاقة أو "قيادة" (تفاعل 2) ، وهو أكسدة NADH بواسطة يوبيكوينون (محفزًا بواسطة المركب I) ، وأكسدة يوبيكوينول بواسطة فيريسيتوكروم ج (محفزًا بواسطة المركب III) أو أكسدة ferrocytochrome ج عن طريق الديوكسيجين (الذي يتم دفعه بواسطة المركب الرابع) ، أو أي مزيج من هذه الوظائف الثلاث (الشكل 1).

تم تصوير المجمعات البروتونية الأولى والثالثة والرابعة في الغشاء الداخلي ، جنبًا إلى جنب مع المكونات الإضافية للسلسلة ، المركب II ، السيتوكروم ج و يوبيكوينون (Q) ، المتبرعين بالهيدروجين NADH والسكسينات والمقبل ، O2. إن الجمع بين N و N و N و N’-tetramethyl-phenylene-diamine (TMPD) والأسكوربات (لا يظهر للتوضيح انظر النص) يمنح الإلكترونات مباشرة إلى السيتوكروم ج وبالتالي يشرك المجمع الرابع فقط. تصور الأسهم السوداء عمليات نقل الهيدروجين والإلكترون في السلسلة ، مما يؤدي في النهاية إلى تقليل O2 إلى الماء. الأسهم الحمراء ترمز إلى الأحداث المرتبطة بحركة البروتون ضن هو البروتوني الفعال H + / e - قياس العناصر المتكافئة ، 2 للمركب I والمركب IV ، 1 للمركب III (انظر "الطرق") و n هو اسم المجمع. متوسط ​​الفروق النموذجية في احتمال الأكسدة والاختزال (Δه) عبر كل مجمع. صافي تغير الطاقة الحرة (Δجي) لأي مجموعة من المجمعات كمجموع حسابي لاختلاف جهد الأكسدة والاختزال ذي الصلة والقوة المحركة للبروتون (Δص) مضروبة في H + / e - قياس العناصر المتكافئة (ض) حيث Δه علامة سالبة وأكبر منص للحالة التي تؤدي فيها كيمياء الأكسدة والاختزال إلى إزاحة البروتون.

معالجة هذا على المستوى العام للديناميكا الحرارية للتفاعلات غير المتوازنة المقترنة ، يمكن للمرء أن يكتب (انظر المراجع. 14 ، 15 ، 16)

أين ي1 و ي2 هي تدفقات التفاعلات المزدوجة ، و X1 و X2 الرجوع إلى القوى المقابلة (الطاقات الحرة). في حالة معقدات سلسلة نقل الإلكترون ، يصبح هذا:

أين يح هو تدفق البروتون (سلبي عند ضخ البروتونات من N إلى الجانب P من الغشاء) ، يه هو تدفق الإلكترون ، Δص هي القوة المحركة للبروتون و Δه هو امتداد الأكسدة والاختزال أو الاختلاف في إمكانات الأكسدة والاختزال لناقلات الأكسدة والاختزال على الجانب المانح والمستقبل للتفاعل الذي تم النظر فيه. معاملات الاقتران المتقاطع إل12 و إل21 من المفترض أن تكون متساوية ، ما يسمى تناظر Onsager ، والذي يتم استيفاؤه في ظل العديد من ظروف الفسفرة المؤكسدة (انظر المراجع 15 ، 16 وما بعدها). لمضخة ، إل11 و إل22 سلبية و إل12 و إل21 إيجابية.

من المهم أن نلاحظ أن علاجنا لانتقال البروتون المرتبط بالأكسدة والاختزال بالميتوكوندريا بواسطة المعادلات 1 هو تبسيط بقدر تدفق البروتون ، يح، من تدفق البروتون عبر F.ا جزء من سينسيز ATP الذي يؤدي إلى تخليق ATP (انظر أدناه). لا تتضمن المعادلة (1 ب) صراحة تدفق البروتون عبر عازل الغشاء (تسرب البروتون). تسرب البروتونات هذا ، بالإضافة إلى الاقتران غير الكامل بين الإلكترونات والبروتونات في المجمعات التنفسية نفسها (أي البروتون أو الإلكترون "ينزلق" ، انظر المراجع. 7،8،9،10،11،12،13،17 والشكل 2) ، بدلاً من ذلك بشكل جماعي في "درجة الاقتران" (ف) من ردود الفعل 1 و 2 ، كما سيتم تحديده أدناه.

يُظهر الرسم الكارتوني نموذجًا أوليًا لمركب الأكسدة والاختزال الحركي للبروتونات لسلسلة الجهاز التنفسي (يسار) ومنظر تخطيطي لـ F1Fا سينسيز ATP (يمين) ، كلاهما مضمن في غشاء فسفوليبيد الميتوكوندريا الداخلي. الأسهم الحمراء تصور نقل الإلكترون من الاختزال إلى المؤكسد ، سواء كان مرتبطًا (يه ص ) لضخ البروتون عبر الغشاء (يح ص ) أو منفصلة عنه ("زلة الإلكترون" ، يه س ). يح إل يصور تسرب بروتون جوهري في آلية المضخة ("زلة بروتون"). يح م تعني فقدان القوة الدافعة للبروتون من خلال تسرب البروتون عبر الغشاء. تدفق البروتون عبر Fا مجال سينسيز ATP (يح F ) من المفترض أن يكون مقترنًا تمامًا بتركيب ATP بدون زلات كبيرة (انظر النص). تم حذف الجوانب المتكافئة (نسب H + / e - و H + / ATP) من أجل الوضوح (لكن انظر النص).

تحديد نسب المخرجات وقوى المدخلات والتدفقات حسب x (= Δص/ Δه) و ي (=يح/ يه) ، على التوالي ، والقياس الميكانيكي H + / e - متكافئ ، ض، كجذر تربيعي للنسبة بين معاملات التدفق / اقتران القوة الأولية ، أي ض = √ (L.11/ ل22)، يحصل المرء من Eq. (1) 14 ، 15 ، 16

أين ف اعطي من قبل:

العامل ف تسمى درجة الاقتران بين عمليات الإدخال والإخراج 14 وتتراوح بين 0 (لا يوجد اقتران) و 1 (اقتران كامل). مع الاقتران الكامل للتفاعلين (أي ف = 1) نسبة التدفق ي يساوي −Z.

النسبة ي/ض، ما يعادل (H + / e -) /ض، وقد أطلق عليها اسم "الكفاءة المتكافئة" 18 ، والتي يجب عدم الخلط بينها وبين الكفاءة الديناميكية الحرارية (راجع أدناه). ي/ض لا يعادل أيضًا درجة الاقتران (ف) ، باستثناء الحالة الخاصة حيث x = 0 ، أي عندما تكون قوة رد الفعل الدافع صفر (Δص = 0) ويستمر التفاعل المقترن بدون حمل (انظر المعادلة (2)). تم تسمية هذه الحالة الخاصة بـ "مستوى التدفق" 14 ، 15 ، 16 ، وهي حالة يتم السعي إليها عادةً في معظم طرق تحديد نسبة H + / e بشكل تجريبي (ولكن انظر أدناه). من الجدير بالذكر أن هذه النسبة المشتقة تجريبياً H + / e (ي) عند مستوى التدفق لا يساوي القياس المتكافئ الميكانيكي الحقيقي (ض) ، ولكن بهذه القيمة مضروبة في درجة الاقتران ، أي qZ.

التركيز

يتمثل أحد أهداف هذا العمل في تقييم الكفاءة الديناميكية الحرارية لانتقال البروتون الذي يحركه الأكسدة والاختزال. منذ الكفاءة الديناميكية الحرارية (η) على أنها النسبة بين قوى المخرجات والمدخلات لتفاعلين مقترنين ، وبما أن القوة هي نتاج التدفق (ي) والقوة (X) قد نكتب

حيث تشير الإشارة السالبة إلى تدفق التفاعل المدفوع (يح) يحدث في اتجاه مقابل قوته المرافقة (Δص) ، أي أن صافي تدفق البروتون يهيمن عليه الضخ بدلاً من التسرب. من التعريفات السابقة لنسب التدفق والقوة (ي و x) ، يتم تبسيط هذه المعادلة إلى

وبالتالي الكفاءة الديناميكية الحرارية (η) من سلسلة نقل الإلكترون بالكامل تقترب من الصفر في الحالة 4 للميتوكوندريا لأن ضخ البروتون يساوي تسرب البروتون بحيث تدفق البروتون الصافي (ي F ح، الشكل 2) تقترب من الصفر. ومع ذلك ، يمكن أن يظل كل مجمع ضخ بروتون فردي يعمل بكفاءة عالية في الحالة 4 ، لكن الطاقة المنقولة بواسطة مضخات البروتون تتبدد بالتسرب عبر الغشاء. في حالة عدم الارتباط الكامل ، تسمى أيضًا مستوى التدفق 14،15،16 ، القوة الدافعة للبروتون (أي طاقة الخرج ، X1) يقترب من الصفر وبالتالي η هي صفر كذلك. من الواضح أن أقصى كفاءة للتفاعل الكلي تتحقق في مكان ما بين الرأس الثابت وتدفق المستوى (الشكل 3 ، لمزيد من التفاصيل انظر أدناه). في نموذج رياضي لمضخة البروتون من السيتوكروم ج وجد أوكسيديز وكيم وهامر 19 اعتمادًا مشابهًا جدًا على شكل جرس للكفاءة الديناميكية الحرارية على القوة الدافعة للبروتون مثل القوة النظرية الموضحة في الشكل 3.

يرسم الشكل الاعتماد على الكفاءة (η) على النسبة بين قوى الخرج (الدافع البروتوني) والمدخلات (الأكسدة) التي تم تطبيعها بواسطة الميكانيكي (المثالي) H + / e - قياس العناصر المتكافئة (ض) (انظر أيضًا المرجع 14) ، وفقًا للمعادلة. (4) ، لأربع درجات مختلفة من الاقتران (ف) على النحو المحدد بواسطة Eq. (7). تم تقديم منحنيات المثال فقط للحالة "الشاقة" حيث يؤدي تفاعل الأكسدة والاختزال إلى انتقال البروتون. تُظهر الخطوط الزرقاء الرفيعة النطاق التقريبي لنسب القوة والكفاءات التي لوحظت في الحالة 3 لميتوكوندريا الفئران المعزولة (انظر الجدول 1). يشار إلى المنطقة التي تغطيها البيانات كمستطيل أزرق.

الحالة 3 ، حيث يوجد فائض من ADP والفوسفات غير العضوي (P.أنا) يدعم معدل التنفس المرتفع 6 وما يصاحب ذلك من تخليق من ATP مدفوعًا بـ Δص، تقع بين الرأس الثابت وتدفق المستوى ، وبالتالي فهي الحالة الوحيدة المحددة جيدًا للميتوكوندريا المعزولة المناسبة لتحديد الكفاءة الديناميكية الحرارية.

تحديد الكفاءة باستخدام المعادل. (5) يتطلب معرفة نسبة القوة في الدولة 3 (x) ، والتي يمكن حسابها من بيانات الأدب حيث اتزان الأكسدة والاختزال لـ NAD + / NADH ، ubiquinone / ubiquinol ، ferri- / ferrocytochrome ج تم الإبلاغ عن أزواج أكسجين / ماء أكسجين. ومع ذلك ، فإن نسبة التدفق (ي) (أي نسبة H + / e) لا يمكن قياسها مباشرة في الحالة 3. لحسن الحظ ، لدينا وصول إلى التحليل التلوي لكمية ATP المتكونة لكل إلكترونات منقولة (ما يسمى ATP / 2e - أو P / نسبة O) في المجالات المختلفة لسلسلة الجهاز التنفسي للميتوكوندريا في الدولة 3 21. يمكن تحويل بيانات ATP / 2e هذه إلى نسب H + / 2e (وهي ضعف نسب التدفق ، j) من خلال العلاقة

حيث H + / ATP ، أي عدد البروتونات المنقولة من الجانب P إلى الجانب N من الغشاء الداخلي لكل جزيء ATP المركب ، هو 3.67 في الميتوكوندريا الحيوانية في حالة ATP المنتجة خارج الخلية. نظرًا للوحدات الفرعية الثمانية c لهيكل الحلقة الغشائية لـ ATP synthase في الميتوكوندريا الحيوانية ، يتم نقل ثمانية بروتونات لكل دورة كاملة مع توليف لاحق لثلاثة جزيئات من ATP 22 ، مما ينتج عنه 8/3 أو 2.67 H + / ATP. مزيد من الانتقال من ATP المتكون إلى الفضاء خارج الميتوكوندريا ، في مقابل ADP و P.أنا في الاتجاه المعاكس ، على حاملات ADP / ATP والفوسفات ، على التوالي ، في مقابل نقل بروتون واحد آخر 22.

من الضروري ملاحظة أن نسبة التدفق ، ي، الذي تم تقييمه بهذه الطريقة ، يقيس فقط تدفق البروتون المنتج المستخدم في تخليق ATP (انظر الشكل 2 وما يليه).

من أجل اشتقاق درجة الاقتران (ف) في الحالة 3 الميتوكوندريا ، لا يكفي معرفة القياس الكيميائي الميكانيكي (ض) ونسبة H + / e (ي). كما ذكر أعلاه، ف = ي/ض فقط في الحالة الخاصة حيث لا يوجد حمل ، أي أين x = 0. الحالة 3 لا تعمل الميتوكوندريا عند مستوى التدفق (Δص = 0) ، ولكن بنسبة قوة كبيرة (x) Δص غالبًا ما يكون كاليفورنيا. 170 مللي فولت 7،8،9،10،13،23. وبالتالي فمن الضروري حل المعادلة. (3) فيما يتعلق ف، العائد

في حين أن درجة اقتران (ف) ثابتًا في هذا العلاج ، نسبة H + / e (أي نسبة التدفق ي) ليست كذلك ، ولكنها تتناقص مع زيادة الحمل (x) من قيمته القصوى البالغة qZ عند تحميل صفر 14،15،16.

الكفاءة الديناميكية الحرارية

يوضح الجدول 1 البيانات التي تم الحصول عليها لمجمعات الأكسدة والاختزال الثلاثة في الميتوكوندريا المعزولة في الحالة 3 ، إما تعمل معًا ، أو يتم تقييمها بشكل منفصل (انظر "الطرق"). للمقارنة بين مجمعات الأكسدة والاختزال الثلاثة ، فإن نسبة القوة (x) يتم تطبيعه عن طريق الضرب باستخدام H + / e - قياس العناصر المتكافئ الميكانيكي ، ض، وهي 2 و 1 و 2 ، على التوالي للمجمعات الأول والثالث والرابع (انظر "الطرق") ، ونسبة التدفق (ي) يتم تطبيعه عن طريق القسمة مع ض. تم الحصول على البيانات الخاصة بالمجمعات الفردية على النحو التالي (انظر الشكل 1). ATP / 2e - بالنسبة للمركب ، تم اعتباره الفرق بين متوسط ​​النسب مع الركائز المرتبطة بـ NADH والسكسينات. استندت نسبة المركب IV إلى متوسط ​​ATP / 2e - مع TMPD + أسكوربات كركيزة. استندت النسبة للمركب III على الفرق بين نسب ATP / 2e مع سكسينات و TMPD + أسكوربات كركائز.

كما هو مبين في الجدول 1 ، فإن الكفاءة الديناميكية الحرارية المحسوبة (η) يختلف بين

67 و 87٪ ، أعلىها كفاءة المركب I. تم إدراج مجموعتين من البيانات للمركب IV ، وهو موضح في القسم التالي.

الحالة الخاصة للمركب الرابع (السيتوكروم ج أوكسيديز)

تشير المعالجة التقليدية للبيانات IV المعقدة (الجدول 1 ، البيانات الموجودة بين قوسين) إلى أن الإنزيم الطرفي للسلسلة التنفسية سيكون له إلى حد بعيد أقل كفاءة في نقل الطاقة ، 67٪ ، مقارنة بكفاءات المركب III (78٪) و المركب الأول (87٪). قد يشك المرء في أن هذا مرتبط بحقيقة أن تفاعل IV المعقد الكلي لا رجوع فيه ، لذا فإن توليد O2 من الماء غير ممكن بسبب القوة الدافعة للبروتون. ومع ذلك ، فقد كشف توضيح آلية الحفز الوريدي المعقد 1،24 أن اللارجعة هي نتيجة لانقسام لا رجعة فيه لرابطة O-O في خطوة التفاعل الجزئي بسبب كبير Δجي 0 ، حيث يتم تحويل الوسيط A المرتبط بالأكسجين إلى P وسيط (انظر المرجع 25 ، الشكل 4) ، وهو تفاعل لا يقترن بضخ البروتون ولا بنقل الإلكترون الغشائي أو نقل البروتون 1،24. تجليد O2 إلى وسيط R قابل للانعكاس بالكامل 26،27 ، والأهم من ذلك ، أن جميع التفاعلات الجزئية الأربعة الأخرى للدورة التحفيزية مقترنة بانتقال البروتون 1،24 ، وقد ثبت بالفعل أنها تنعكس بواسطة القوة الدافعة للبروتون 28.

يظهر المركز الثنائي النووي على شكل مستطيل يتكون من حيم أ3 (Fe) النحاس القريبب (Cu) والتيروزين المحفوظ (tyr-OH ، tyrosine tyr-O - ، tyrosinate tyr-O * ، جذري التيروزين المحايد) المرتبط تساهميًا بإحدى روابط الهيستيدين الثلاثة للنحاسب. روابط الهيستيدين الثلاثة للنحاسب والحامض الهيستيدين القريب من الدم أ3 لا تظهر للتوضيح. تم العثور على اسم كل حالة وسيطة خارج الزاوية اليمنى لكل مستطيل. تحدد الأسهم الحمراء التفاعلات التي ينطوي كل منها على نقل الإلكترون إلى الموقع من الجزء المغزلي المنخفض أ، النقل الصافي لركيزة واحدة من البروتون من الجانب N من الغشاء لإكمال كيمياء تقليل الأكسجين ، وامتصاص (من الجانب N) وإطلاق (إلى الجانب P) من بروتون آخر (أي ضخ البروتون). ومن ثم ، تشير الأسهم الحمراء إلى تفاعلات الأكسدة والاختزال الجزئية التي يمكن عكسها عند ارتفاعص. يصور السهم الأزرق خطوة التفاعل الجزئي التي لا رجعة فيها حيث رابطة O – O لـ O2 ينكسر في تفاعل غير مرتبط بنقل الطاقة. لاحظ أن الوسيط "ferrous-Oxy" الوسيط A 26 أكثر دقة يوصف بأنه حالة أكسيد الحديد الفائق من الدم. أ3 5 .

عدم رجوع السيتوكروم الكلي ج لذلك لا ينبغي أن يؤخذ تفاعل أوكسيديز على اقتراح اقتران فضفاض من كيمياء الأكسدة والاختزال مع إزاحة البروتون. من أجل تركيز التحليل على خطوات التفاعل المقترنة هذه ، قمنا بطرح تغير الطاقة الحرة لخطوة التفاعل غير القابل للعكس A → P (الشكل 4 ca 5 kcal / mol 25) من القوة الدافعة المعيارية الإجمالية. في التحليل الأساسي (الجدول 1 ، البيانات بين قوسين) ، افترضنا متوسط ​​تركيز O2 120 ميكرومتر في حساب القوة الدافعة. ومع ذلك ، كما أوضح ويلسون وآخرون. 29 ، احتمال الأكسدة لدى المتبرع ، السيتوكروم ج، لم يتم خفض (CYT. ج لا ينخفض ​​أكثر) في حالة الثبات حتى ينخفض ​​تركيز الأكسجين إلى أقل من كاليفورنيا. 10 ميكرومتر. لذلك قمنا بتعديل إمكانات الأكسدة والاختزال لـ O2/ 2 ح2يا زوجين إلى 12 ميكرومتر O2 للحصول على تقدير أفضل للكفاءة الحقيقية.كما هو مبين في الجدول 1 ، يرفع هذان التغييران الكفاءة الديناميكية الحرارية من 67٪ إلى 77٪ ، ويرجع ذلك كليًا إلى التغيير في نسبة القوة. نستنتج أن متوسط ​​الكفاءة الديناميكية الحرارية لعناصر مضخة البروتون الفعلية للمركب الرابع (الأسهم الحمراء في الشكل 4) يمكن مقارنتها تمامًا بتلك الموجودة في المجمعات الأخرى ، وأن الكفاءة الكلية المنخفضة لوظيفة IV المعقدة ناتجة عن الخطوة التي لا رجعة فيها من كسر رابطة O – O غير المقترنة بتوليد القوة المحركة للبروتون.

درجة الاقتران

يوضح الجدول 1 نتائج درجة الاقتران (ف) محسوبة للحالة 3 وفقًا لـ Eq. (7). ما هو ضروري هنا هو أن درجة الاقتران عالية جدًا لجميع المجمعات الثلاثة للسلسلة التنفسية ف يزيد كثيرًا عن 0.99. نتيجة لهذا ، فإن نسبة قوة الإخراج / المدخلات الطبيعية (Zx) في الحالة 3 يعطي تقديرًا تقريبيًا للكفاءة الديناميكية الحرارية (انظر المعادلات (2) و (5)) ، مما يعطي مصداقية لاستخدام هذه النسبة كمؤشر كفاءة (على سبيل المثال ، المرجع 30). درجة الاقتران غير حساسة إلى حد ما للقوة الدافعة للبروتون في الحالة 3 ، والتي يُفترض هنا أنها 170 مللي فولت (انظر أعلاه). إذا كانت Δص أعلى ، ستكون درجة الاقتران أعلى من الجدول 1. إذا كانت 150 مللي فولت ، فإن درجة اقتران أكسدة السكسينات (المجمعات III + IV) ، على سبيل المثال ، ستنخفض فقط إلى 0.992.

درجة عالية جدًا من الاقتران (ف & gt 0.99) الموجودة هنا من بيانات الميتوكوندريا الفسفورية (الحالة 3) قد تبدو في تناقض حاد مع الاستنتاجات التي تم التوصل إليها مسبقًا على أساس اعتماد معدلات التنفس الميتوكوندريا على إمكانات الغشاء. على سبيل المثال ، Hinkle et al. وجد 23 أن معدل التنفس في الحالة 4 ، الذي تم قياسه بنفس إمكانات الغشاء كما في حالة الفسفرة 3 ، كان جزءًا كبيرًا من معدل التنفس في الحالة 3. وكان فقدان الطاقة المقدر بهذه الطريقة 4 ٪ تقريبًا مع السكسينات كركيزة (نشاط مجمع III + IV) و

7٪ للمجمع الرابع وحده (انظر أيضًا "المناقشة"). ومع ذلك ، فإن نسب التدفق (H + / e -) في الحالة 3 التي لوحظت هنا كانت 0.95-0.98 بعد التطبيع إلى ض (الجدول 1) ، مما يشير إلى خسارة 2-5٪ للتسريبات وهو ما يتفق مع البيانات المذكورة أعلاه. يجب التأكيد على أنه طالما أن درجة الاقتران ليست مثالية (أي ف & lt 1) ، لا بد أن تنخفض نسبة التدفق مع زيادة نسبة القوة 14،15،16. كما سبق وخلصنا أعلاه ، ي يساوي qZ فقط في x = 0 ، أي عند مستوى التدفق عندما تكون القوة المحركة للبروتون صفرًا.

ردود الفعل المزدوجة تقترب من التوازن

Δجي يشير إلى تغيير الطاقة الحرة للتفاعل المقترن لنقل البروتون المرتبط بالأكسدة لأي شخص من المجمعات الثلاثة المحركة للبروتونات أو مزيجها ، أي

مدى الأكسدة والاختزال للمجمعات المختلفة للسلسلة التنفسية (X2, أو Δه) من الأدب كما كان من قبل (الجدول 2 20،31). بالنسبة للحالة 3 ، افترضنا أن pmf 170 mV (انظر أعلاه) ، وهذا ينتج تغييرًا حرًا في الطاقة ca. −44 مللي فولت للمجمعات الأول والثالث ، والتي تتوافق مع

−1 كيلو كالوري / مول ، مما يدل على أنه حتى في الحالة 3 ، تعمل هذه المجمعات بالقرب من التوازن الديناميكي الحراري. يبدو المركب IV أقل قابلية للانعكاس ، ولكن عندما يتم طرح تقسيم السندات O – O الذي لا رجعة فيه ويكون O2 معدل التركيز المعدل وفقًا للمستويات الفسيولوجية (انظر أعلاه) ، فإن متوسط ​​تغير الطاقة الحرة للتفاعلات التي تدفع فعليًا نقل البروتون عبر الغشاء يكون فقط في حدود 1.8 kcal / mol (−78 mV).

يتم سرد قيم الحالة 4 أيضًا في الجدول 2. في حالة عدم وجود قيمة تجريبية لـص في تجربتي Muraoka & amp Slater 20 ، قدرناها على النحو التالي. لقد قمنا بجمع الحالات التي تمت فيها دراسة التنفس باستخدام السكسينات ومع TMPD + أسكوربات كركائز 20 ، حيث لا يوجد تدفق إلكترون صافٍ أو محدود جدًا عبر المعقد الأول.ص يدفع الإلكترونات للخلف من السيتوكروم ج و ubiquinone إلى NAD + حتى يتم الوصول إلى حالة مستقرة ، حيث يجب موازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال للمركب مع Δص. في ظل هذه الظروف ، وجدنا أن Δه عبر المجمع كنت 373 و 374 mV ، على التوالي ، أي المقابلة لـ aص 187 مللي فولت ، والذي يبدو أنه تقريبي جيد جدًا لميتوكوندريا الفئران المعزولة في الكبد في وجود 10 ملي مولار من الفوسفات غير العضوي 7،9. استخدام هذه القيمة لـ Δص، نجد أن المركب I يعمل بالفعل بالقرب من التوازن الديناميكي الحراري في الحالة 4 أثناء أكسدة الركائز المرتبطة بـ NAD. على النقيض من ذلك ، فإن المجمعات الثالثة والرابعة تنحرف أكثر عن التوازن (الجدول 2 انظر أدناه).

هل درجة الاقتران ثابتة؟

يتم تعريف الحالة 4 (رأس ثابت) على أنها الحالة التي يكون فيها صافي توليد Δص (ي1) يختفي. لو ي هي صفر في المعادلة. (2) ، إذن يجب أن يكون بسط الجانب الأيمن صفرًا ، ومنه يتبع نسبة القوة ، x = Δص/ Δه، هي دالة مباشرة لدرجة اقتران 14،15،16 ، مثل أن

هذا تبسيط لأن أي تسرب بروتون عبر الغشاء 7،8،9،10 سيضمن أن الجيل الصافي لـ Δص (ي1) بواسطة مجمعات الضخ لا يزال يحدث بمعدل يحدده هذا التسرب. ومع ذلك ، في الميتوكوندريا جيدة الاقتران يكون التسرب بطيئًا بالنسبة إلى التدفقات الأمامية والخلفية في السلسلة التنفسية ، بحيث تظل تفاعلات الأكسدة والاختزال للمجمعات التنفسية قريبة إلى حد ما من التوازن مع القوة المحركة للبروتون في الحالة 4 ، وحتى في الحالة 3 (الجدول 2).

تطبيق المعادل. (9) إلى بيانات الدولة 4 (الجدول 2) تشير إلى ذلك ف هو 0.99 للمركب I ، ولكن فقط 0.84 و 0.90 للمجمعات III و IV ، على التوالي ، على الرغم من أن الأخير تم تعديله من أجل عدم قابلية الانعكاس لتقسيم السندات O-O وتقييمها عند 12 ميكرومتر O2، كما هو موضح أعلاه. قيم ف تم الإبلاغ عن أصغر بكثير من 0.99 من قبل بالنسبة للميتوكوندريا المعزولة 15 ، ولكنها أيضًا تستند إلى المعادل. (9) والدولة 4 الحالة.

تشير هذه النتيجة إلى نهج وثيق للتوازن الديناميكي الحراري بين تفاعل الأكسدة للمركب I وانتقال البروتون المرتبط به في الحالة 4 ، وبالتالي فإن درجة الاقتران قريبة من الوحدة كما وجد في الحالة 3 (الجدول 1). على النقيض من ذلك ، يبدو أن درجة اقتران المجمعات III و IV قد انخفضت بوضوح من القيمة الموجودة في الحالة 3 ، أي أثناء التأكسد التأكسدي النشط.


MITOCHONDRIA المعزولة

التدفقات: تيار بروتون الميتوكوندريا (معدل التنفس)

يعد قياس تيار البروتون عمومًا أكثر إفادة من قياس pmf إذا كان سيتم قياس واحد فقط (ولكن من الأفضل معرفة كليهما). بالطريقة نفسها ، من المفيد معرفة التيار المستخرج من شبكة الكهرباء بواسطة أجهزتك المنزلية بدلاً من معرفة انخفاض الجهد عبر صندوق إمداد الكهرباء.

إن الاقتران الوثيق بين نقل الإلكترون وبثق البروتون في كل من الميتوكوندريا والخلايا [35-37] يعني أن معدل استخدام الأكسجين في الميتوكوندريا بالنسبة لركيزة معينة هو مقياس دقيق لإجمالي تيار البروتون. يقيس هذا المعدل نشاط عملية واحدة: النقل داخل مركب IV لأربعة إلكترونات إلى جزيء من الأكسجين لتوليد جزيئين من الماء. على الرغم من هذا القيد الواضح ، يمكن تصميم التجارب للحصول على معلومات حول مجموعة متنوعة من العمليات ، بما في ذلك نقل الركيزة إلى الخلية ، والتمثيل الغذائي السيتوبلازمي ، والنقل إلى الميتوكوندريا ، والتمثيل الغذائي للميتوكوندريا ، وتسليم الإلكترون إلى السلسلة التنفسية ، وأنشطة المعقد الأول أو II ، المركب III ، المركب IV ، تخليق ATP ، تسرب البروتون ، تصدير ATP إلى السيتوبلازم واستخدام الخلية ATP. يكمن فن استخدام التنفس للكشف عن الخلل الوظيفي في مجموعة متنوعة من الوحدات والتفاعلات في تصميم التجارب التي تنقل التحكم إلى هذا التفاعل بحيث يتم التعرف على الخلل وتحديده بسهولة أكبر. تم استخدام قطب الأكسجين كلارك لمدة 50 عامًا لقياس تنفس الميتوكوندريا [38] ، ولكن طرق أخرى ، مثل اختبارات التألق القائمة على الصفائح [39،40] ، يمكن أن توفر نفس المعلومات.

التحكم في الجهاز التنفسي بالميتوكوندريا: أفضل مقياس عام لوظيفة الميتوكوندريا في الميتوكوندريا المعزولة

تم ابتكار تجارب قطب الأكسجين الكلاسيكي لتحديد وظيفة الطاقة الحيوية للميتوكوندريا بواسطة تشانس وويليامز [38]. تُضاف الركيزة إلى حضانة الميتوكوندريا ، متبوعة بكمية صغيرة من ADP ، مما يسمح لـ ATP synthase بالعمل ، و pmf للإسقاط وتسريع نقل الإلكترون ('الحالة 3ADP"). عندما تقترب نسبة ATP / ADP من التوازن ، يرتفع pmf ، وإعادة دخول البروتون من خلال توقف synthase ويتباطأ التنفس ("الحالة 4"). في الممارسة العملية ، قد يكون لوجود ATP في الحضانة تأثيرات إضافية في الحالة 4. أي نشاط ملوث لـ ATPase (مثل الميتوكوندريا المكسورة مع ATPases غير المنفصلة أو ألياف العضلات المتبقية في تحضير الميتوكوندريا العضلية) سيمنع استعادة التنفس المنخفض. لهذا السبب ، أذكر 3ADP يمكن إنهاء التنفس عن طريق إضافة أوليغوميسين مثبط سينثيز ATP لتحقيق "الحالة 4o" ("الحالة 4"أوليغوميسين') ، حيث لا يمكن أن تساهم إعادة تدوير ATP. يمكن أن يتبع إضافة الأوليغوميسين تركيز معاير بعناية لحامل البروتون ، مثل FCCP (سيانيد الكربونيل ص- ثلاثي فلورو ميثوكسيفينيل هيدرازون) ، لإعطاء تنفس غير مزدوج (الحالة 3بروتوكول FCCP"أو" الدولة 3u "). في بعض الميتوكوندريا ، مثل تلك الموجودة في الدهون البنية حيث يكون نشاط سينسيز ATP محدودًا للغاية ، قد تكون الحالة 3u أعلى بكثير من الحالة القصوى 3ADP [41].

لا يزال يتم استخدام معلمتين "ما قبل التناضح الكيميائي" لتحديد سلوك الميتوكوندريا في هذه التجربة الكلاسيكية: نسبة التحكم في التنفس (الحالة 3 / الحالة 4) للميتوكوندريا] ، والتي تم تعريفها على أنها التنفس في الحالة 3ADP مقسومًا على ذلك في الحالة 4 ، ونسبة P / O ، مول من ATP المركب لكل مول من O (1 /2ا2) تستخدم. مع استثناءات نادرة ، مثل الميتوكوندريا ذات الدهون البنية التي يتم تنشيط البروتين غير المقارن بواسطة الأحماض الدهنية [42] ، تُظهر الميتوكوندريا "الصحية" في ظل ظروف حضانة مصممة بشكل صحيح تحكمًا عاليًا في الجهاز التنفسي: زيادة كبيرة في معدل التنفس مع ADP متبوعًا بالعودة إلى الحالة 4 التحكم التنفسي في الميتوكوندريا يغلف الوظيفة الرئيسية للميتوكوندريا: قدرتها على الخمول بمعدل منخفض مع الاستجابة لـ ADP بجعل ATP بمعدل مرتفع. يشير RCR المرتفع إلى أن الميتوكوندريا لديها قدرة عالية على أكسدة الركيزة ودوران ATP وتسرب بروتون منخفض. ومع ذلك ، لا توجد قيمة RCR مطلقة لتشخيص الميتوكوندريا المختلة وظيفيًا ، لأن القيم تعتمد على الركيزة والأنسجة. يعد التحكم في الجهاز التنفسي بالميتوكوندريا وظيفة معقدة تعتمد قيمتها على عوامل عديدة ، وهذا التعقيد هو قوتها الرئيسية: أي تغيير في أي جانب تقريبًا من جوانب الفسفرة المؤكسدة سيغير RCR.

الدولة 3ADP يتم التحكم فيه بشكل متساوٍ تقريبًا (اعتمادًا على الأنسجة والظروف) من خلال نشاط دوران ATP (بشكل أساسي ترانسليوكاز النوكليوتيدات الأدينين وناقل الفوسفات وسينثاز ATP) وأكسدة الركيزة (بما في ذلك امتصاص الركيزة وإنزيمات المعالجة ومجمعات سلسلة نقل الإلكترون ذات الصلة ، أحجام تجمع UQ (يوبيكوينون) والسيتوكروم جو [س2]) (الشكل 2C). سيؤدي منع أي من هذه العمليات إلى تقليل معدل الحالة 3.

يتم التحكم في الحالة 3u حصريًا عن طريق أكسدة الركيزة وسوف تكتشف خللاً في مكونات سلسلة الجهاز التنفسي أو ترانسوكاسيس الركيزة أو نازعة الهيدروجين. تسمح الركائز المختلفة بسبر مسارات التمثيل الغذائي المتعددة أو المجمعات التنفسية.

يتم التحكم في الحالة 4 بشكل أساسي عن طريق تسرب البروتون وأي قواعد ATPases ملوثة تعيد تدوير ATP المركب مثل ADP (وإلى حد صغير عن طريق نشاط أكسدة الركيزة) (الشكل 2C).

يتم التحكم في الحالة 4o بواسطة نشاط تسرب البروتون (وحوالي 10٪ بواسطة أكسدة الركيزة). يشير معدل الحالة المنخفض 4o إلى أن الميتوكوندريا تحافظ على معدل ضغط عالٍ بما يكفي لتقييد نقل الإلكترون (انظر منحنى "أكسدة الركيزة" في الشكل 2 ب ، حيث يجب أن يكون pmf & gt100-120 mV لإبطاء معدل التنفس). يشير معدل الحالة الأعلى 4o إلى تغيير تسرب البروتون في الجسم الحي أو تقنيات العزل غير المناسبة التي تؤدي إلى تسرب البروتون الفعلي.

وبالتالي ، فإن سجلات RCR ، أي من الدولتين 3ADP/ الحالة 4 أو ، بدرجة أقل ، الحالة 3u / الحالة 4o ، تتأثر بشدة بكل جانب وظيفي تقريبًا من الفسفرة المؤكسدة ، مما يجعلها مؤشرات جيدة للخلل الوظيفي. ومع ذلك ، فإن المعدلات حساسة جدًا للأخطاء في القياس إذا كان نظام الإلكترود المستخدم يحتوي على انتشار خلفي كبير للأكسجين من قضيب التحريك التفلون (الذي يمكن أن يحتفظ بنصف الأكسجين في معلق) أو من الوعاء أو الغلاف الجوي المحيط ، الحالة يمكن الاستهانة بمعدلات 4 بشكل ملحوظ ، مما يؤدي إلى بعض قيم RCR الواضحة للغاية الموجودة في الأدبيات. الاختبار لهذا هو تكرار الحالة 3 / الدولة 4 دورة للتأكد من أن RCR يظل كما هو عند انخفاض توتر الأكسجين ، أو لمنع التنفس تمامًا والتحقق من الانجراف التصاعدي.

الركائز التي تغذي الإلكترونات إلى تجمع UQ ، مثل السكسينات (وفوسفات الجلسرين في الأنسجة المناسبة) ، تنقل عددًا أقل من البروتونات لكل زوج إلكترون من الركائز المرتبطة بـ NADH ، لذلك يتطلب نفس معدل دوران البروتون معدل تنفس أعلى. لا يؤثر هذا على معدل التنفيذ الحقيقي ، حيث تتغير كل من الحالة 3 والحالة 4 بنفس العامل. ومع ذلك ، تميل RCR إلى أن تكون أقل مع هذه الركائز لأنها تولد قوة ضغط أعلى ، لأسباب حركية وديناميكية حرارية. نظرًا لأن معدل تسرب البروتون يعتمد على الجهد [22] (انظر منحنى "تسرب البروتون" في الشكل 2 ب) ، فإن هذا يزيد من معدل الحالة 4 دون تغيير في تسرب البروتون. علاوة على ذلك ، في ظل ظروف حضانة متطابقة ، يمكن رؤية RCRs مختلفة جدًا مع الميتوكوندريا من أنسجة مختلفة ، مما يعكس حركية أكسدة الركيزة المختلفة والأدوار الفسيولوجية المختلفة لتسرب البروتون الداخلي [43].

في الختام ، فإن نسبة التحكم في التنفس هي المقياس العام الأكثر فائدة للوظيفة في الميتوكوندريا المعزولة. يشير RCR العالي إلى وظيفة جيدة ، وعادة ما يشير انخفاض RCR إلى وجود خلل وظيفي. تعتمد فائدة RCR على مدى تعقيدها: فعليًا أي تغيير في الفسفرة المؤكسدة سيغير RCR. إذا لم تتأثر المعدلات المطلقة و RCR بالعلاج ، فمن الآمن التأكيد على أنه لا يوجد خلل وظيفي عام في الطاقة الحيوية في الميتوكوندريا المعزولة. بمجرد تحديد الخلل الوظيفي في RCR وتحديد أسبابه المباشرة (هل كان التغيير في معدل الحالة 3 أم معدل الحالة 4؟) ، ستكون هناك حاجة لمزيد من التجارب لتحديد الأسباب الأولية ، باستخدام التحليلات الحركية المعيارية أو فحوصات النشاط المرشح.

يمكن أن يعطي معدل التنفس المطلق رؤى مفيدة حول آلية الخلل الوظيفي

المؤشر المباشر لوظيفة الميتوكوندريا المعزولة هو معدل تنفسها المطلق ، المتوافق مع البروتين أو السيتوكروم أ، في الدولة 3ADP أو الدولة 3u. قد تكون سلسلة نقل الإلكترون التالفة غير قادرة على دعم معدلات التنفس العالية ، على سبيل المثال ، السيتوكروم الكبير ج فقد من الفضاء بين الغشاء بسبب تلف الغشاء الخارجي. يمكن أن تحدث تغييرات صغيرة في معدل التنفس المطلق بسبب التغيرات في النقاء التي قد لا تكون مرتبطة بشكل مباشر بخلل وظائف الميتوكوندريا. بمجرد تحديد RCR ، تعد معدلات التنفس المطلقة طريقة مفيدة لاكتساب مزيد من التبصر في موقع (مواقع) الخلل الوظيفي: هل انخفض التحكم في الجهاز التنفسي بسبب انخفاض معدل الحالة 3u (خلل موضعي لأكسدة الركيزة) أو معدل الحالة 3 فقط ( خلل وظيفي في تخليق ATP) ، أو بسبب ارتفاع معدل الحالة 4o (خلل في توصيل البروتون) أو معدل الحالة 4 فقط (خلل وظيفي بسبب تلوث ATPase)؟ إذا كانت الحالة 3u منخفضة ، فهل هي منخفضة لجميع الركائز (عيب IV معقد) أم فقط لركائز معينة (على سبيل المثال المركب II إذا تم اختراق أكسدة السكسينات فقط)؟

نسبة P / O: مراسل ضعيف لاختلال وظائف الميتوكوندريا

نسبة P / O هي الحد الأقصى لعدد جزيئات ATP المصنوعة عندما يمر زوج الإلكترون أسفل السلسلة التنفسية من الركيزة إلى الأكسجين. إنه قياس العناصر المتكافئ H + / O للتنفس مقسومًا على H + / ATP القياس المتكافئ لتخليق ATP ، وبالتالي فهو ثابت ميكانيكي لأي ركيزة معينة. لن تتغير قيمته في الخلل الوظيفي ما لم يتم تغيير آلية الاقتران نفسها (على سبيل المثال ، تنزلق المجمعات التنفسية وتضخ بروتونات أقل من المعتاد). تعكس تقارير الأدب الخاصة بنسب P / O المتغيرة دائمًا التغييرات في تصحيح تسرب البروتون مع تغير معدلات الحالة 3 والحالة 4 ، لذلك من الأفضل الإبلاغ عن هذه المعدلات و RCR مباشرة.

نسبة P / O الفعالة (أو كفاءة الاقتران) هي قيمة تجريبية لا تقوم بأي تصحيح لتسرب البروتون ، لكنها تشير إلى التدفقات النسبية من خلال مسارات سينسيز ATP وتسرب البروتون [44]. كفاءة الاقتران بالقرب من الحالة 4 حساسة للتغيرات في تسرب البروتون ودوران ATP ، وهي مقياس مفيد في الخلايا السليمة (انظر أدناه).

القوات: mitochondrial pmf

في التناظرية الكهربائية لدائرة البروتون ، يتوافق قطب الأكسجين مع عداد الكهرباء الذي يراقب إجمالي استهلاك التيار بواسطة الأجهزة في المنزل: قم بتشغيل التلفزيون ويزداد التيار. لا نقوم عادة بمراقبة جهد التيار الكهربائي بشكل منفصل لأن انخفاض الجهد عند تشغيل التلفزيون صغير. المتغير المكافئ في دائرة البروتون ، pmf ، يكون أقل ثباتًا ، وينخفض ​​قليلاً (بنسبة 10-20٪) أثناء الانتقال من 4 إلى 3 أو عندما يتراكم Ca 2+ أو يرتفع قليلاً عند تعزيز إمداد الركيزة [45]. يمكن أن تساعد مراقبة pmf ، بالتوازي مع التنفس بشكل مثالي ، في إزالة الغموض. على سبيل المثال ، يمكن للعلاج أن يزيد تنفس الحالة 4 عن طريق تحفيز فك الاقتران أو تخليق ATP ، أو عن طريق زيادة توافر الركيزة pmf ، التي يتم مراقبتها بالتوازي ، يمكن أن تميز بين الأول (إزالة الاستقطاب) والأخير (فرط الاستقطاب).

يحتوي pmf على مكونين: إمكانات الغشاء (Δψم) وتدرج الأس الهيدروجيني (ΔpH) (eqn 1). على الرغم من Δψم هي المهيمنة دائمًا ، في ظل الظروف القاسية (الميتوكوندريا المستنفدة للفوسفات التي تتراكم Ca 2+) ، يمكن أن تساهم ΔpH بنسبة 50 ٪ من pmf. بدلاً من ذلك ، فإن ΔpH هي صفر في وسط قائم على KCl في وجود K + / H + nigericin الحامل للأيون. إن الاستخدام الدقيق للنيجيريسين يبسط التجارب مع الميتوكوندريا المعزولة من خلال السماح بمساواة pmf بـم، على الرغم من أنه بالنسبة للدراسات النوعية في وجود الفوسفات ، فإن التغييرات في Δψم تميل إلى أن تكون موازية لتغيرات مماثلة ، ولكن أصغر ، في ΔpH [45].

على عكس الفيزيولوجيا الكهربية الخلوية ، حيث يمكن ترقيع الخلايا الفردية أو اختراقها بواسطة الأقطاب الكهربائية لتحديد إمكانات الغشاء بشكل مباشر ، يجب استخدام تقنيات غير مباشرة للميتوكوندريا الأصغر بكثير. Δψم يتم تقديرها من خلال مراقبة توزيع الكاتيونات أحادية التكافؤ الغشائية الدائمة (C +) بين وسط الحضانة ومصفوفة الميتوكوندريا بعد توازن Nernst (eqn 2):

نموذجي Δψم تتوافق قيم 150-180 ملي فولت مع تراكم 300-1000 ضعف. تعني العلاقة اللوغاريتمية في eqn (2) أن الإشارات حساسة للتغيرات الصغيرة في الإمكانات ، ولكن يمكن أن تكون الأخطاء في تقدير الإمكانات المنخفضة كبيرة.

القيم المطلقة الدقيقة بشكل معقول لـ Δψم يمكن الحصول عليها عن طريق تحديد تراكم الكاتيون وحجم المصفوفة مع تصحيح معامل النشاط الظاهر للكاتيون. يمكن تقدير حجم المصفوفة عن طريق تعليق الميتوكوندريا في وسط يحتوي على 3 ساعات2O و [14 C] السكروز ، والطرد المركزي وتحديد حجم نفاذية الماء والسكروز الكتيمة من الحبيبات [46]. الحجم النموذجي هو 0.5-1 ميكرولتر لكل ملجم من بروتين الميتوكوندريا. بشكل أكثر ملاءمة ، غالبًا ما يعتمد معامل الارتباط الظاهر للمسبار على حجم المصفوفة ، لذلك Δψم يمكن حسابها باستخدام تصحيح ربط مُقاس مسبقًا يعتمد على الحجم يسمح بالقياس الروتيني لـم دون الحاجة إلى قياس حجم المصفوفة أو افتراض أنها تظل ثابتة أثناء التجربة [47 ، 48].

تقنية شائعة لرصد Δψم هو موازنة حضانات الميتوكوندريا بتركيزات منخفضة من الكاتيونات الغشائية المحبة للدهون ، مثل TPP + (أيون رباعي فينيل فوسفونيوم) أو TPMP + (أيون ثلاثي فينيل ميثيل فوسفونيوم) ، ولتحديد امتصاص الكاتيونات من الانخفاض في التركيز الكلي الذي يتم رصده بواسطة خارجي -قطب كهربائي [48،49]. كما يتم استخدام الكاتيونات ذات الأغشية الدائمة التي تمتلك امتصاصًا مميزًا أو مضانًا. الطريقة الأكثر شيوعًا هي تعليق الميتوكوندريا في كفيت مقلب منظم بدرجة الحرارة أو لوحة متعددة الطبقات ولتحديد التغيير في النقل الكلي أو انبعاث الحضانة استجابةً لمؤثرات إمكانات الغشاء. يتم استخدام الكاتيونات في نطاق تركيز كافٍ لينتج عن التجميع والتبريد الفلوري داخل المصفوفة ، ونتيجة لذلك ، تنخفض الإشارة الإجمالية من الكوفيت كدالة لتراكم المصفوفة ، وبالتالي Δψم. عادة ما تتم معايرة استجابة الفلورسنت بالتوازي عن طريق تغيير [K +] خارجي في وجود فالينومايسين وتطبيق معادلة نرنست بافتراض ثبات داخلي [K +] [50]. هناك علاقات حادة بين pmf والتدفقات من خلال الوحدات الثلاث من الفسفرة المؤكسدة في القيم الفسيولوجية لـ pmf (الشكل 2B) ، لذلك ترتبط التغييرات الكبيرة في التنفس بتغييرات صغيرة إلى حد ما في pmf. على الرغم من أن pmf تبلغ عن حالة الطاقة الحيوية ، إلا أنها أقل حساسية للتغيرات في الوظيفة وأقل فائدة بشكل عام من قياسات معدلات التنفس. ومع ذلك ، فإن الجمع بين pmf ومعدلات التنفس أقوى بكثير وإفادة من قياس أي منهما بمفرده.

التحليل الحركي المعياري

يتيح القياس الكمي لكل من تيار البروتون و pmf تحليلًا حركيًا معياريًا ، مما يسمح بوصف كامل وكمي لأي تغيير في الوظيفة ومواقع عملها الأولية والثانوية. على سبيل المثال ، دور مهم كمي Δψم التحديد ، بالاشتراك مع التنفس ، هو اكتشاف وقياس التغيرات الطفيفة في تسرب البروتون وكفاءة الاقتران بين مستحضرات الميتوكوندريا. في الدائرة الكهربائية المكافئة (الشكل 1) ، يتم تعريف توصيل المكون باستخدام قانون أوم باعتباره التيار لكل وحدة فرق الجهد. تم استخدام نهج مماثل لتحديد توصيل البروتون للغشاء الداخلي للميتوكوندريا. Δψم (أو أفضل ، pmf) يتم تحديده بالتوازي مع التنفس ، عادة مع الأكسجين و TPMP + الأقطاب الكهربائية التي يتم إدخالها في نفس الحضانة. في غياب تخليق ATP الصافي ، يسمح هذا بحساب التوصيل البروتوني الأساسي للغشاء [21،45] وهذا غير أوم ، ويزداد بشكل غير متناسب عند ارتفاع pmf [19،51]. للحصول على معظم المعلومات حول تسرب البروتون ، من الضروري إنشاء مخطط للتيار / الجهد للتوصيل على مدى مجموعة من الجهود ، من خلال البدء في الحالة 4 والحد تدريجياً من نقل الإلكترون ، على سبيل المثال عن طريق معايرة malonate في تأكسد حضانة ميتوكوندريا معزولة سكسينات وفي نفس الوقت تحديد التنفس و pmf [19،22] أوم مع قطب TPMP في وجود النيجيريسين [33،52] (منحنى "تسرب البروتون" في الشكل 2 ب). يمكن بعد ذلك تكرار هذا التحليل الحركي المعياري للوحدتين الأخريين من الفسفرة المؤكسدة (أكسدة الركيزة ودوران ATP) ، مما يعطي الصورة الكاملة للحالة الوظيفية للميتوكوندريا (الشكل 2 ب).

يصف التحليل الحركي المعياري بشكل كامل (على مستوى النظام) أي تغيير وظيفي في الفسفرة المؤكسدة. بمجرد اكتشاف الخلل الوظيفي عن طريق قياس معدل التنفس (RCR) ومعدلات التنفس المطلقة ، فإن التحليل الحركي المعياري هو الطريقة المفضلة للكشف عن الأسباب الأولية والثانوية لهذا الخلل الوظيفي.

تركيزات وأنشطة المجمعات والإنزيمات المرشحة

تتمثل إحدى الطرق الشائعة جدًا لمعالجة الخلل الوظيفي الحيوي في الميتوكوندريا في قياس التعبير أو التركيز أو الحد الأقصى لنشاط عدد قليل من مجمعات نقل الإلكترون المرشحة أو الإنزيمات الأيضية ، مثل إنزيمات دورة حمض الكربوكسيل 1 المعقدة أو المركب الرابع أو ثلاثي الكربوكسيل. أحد أسباب شعبية النهج المرشح هو السهولة التي يمكن من خلالها تقييم النصوص المحددة في المصفوفات الدقيقة ، ويمكن اختبار بروتينات معينة باستخدام تقنية الأجسام المضادة ، ويمكن اختبار أنشطة إنزيم معينة باستخدام مجموعات تجارية. الافتراض الضمني هو أن هذه البروتينات تتحكم في معدل التنفس ووظيفة الطاقة الحيوية ، لذلك إذا تم تغييرها ، يجب تغيير الوظيفة ، وإذا لم يتم تغييرها ، يجب أن تكون الوظيفة سليمة. هذا غير صحيح لسببين. أولاً ، يتم مشاركة التحكم في معدل دوران ATP أو أكسدة الركيزة في الميتوكوندريا المعزولة على نطاق واسع ، مع عدم وجود إنزيم واحد يحد من المعدل ، ويتغير توزيع التحكم مع تغير الظروف (مثل الشكل 2C). قد يكون المرشح لديه سيطرة كبيرة في ظل الظروف المختارة وتغيير في نشاطه يشير بشكل صحيح إلى خلل في الطاقة الحيوية. ومع ذلك ، فمن المرجح أن التغييرات المعتدلة في نشاط المجمع المرشح لها تأثير ضئيل على سلوك النظام العام ، مما يؤدي إلى إيجابيات خاطئة. ثانيًا ، تعتمد الوظيفة على تكامل العديد من العمليات ، لذلك حتى الخطوات التي ليس لها سيطرة في ظل الظروف العادية قد تصبح تحكمًا قويًا في المعدل إذا تم اختراقها. سيؤدي حذف هذه الخطوات من قائمة المرشحين إلى نتائج سلبية خاطئة.

وظائف واختلالات محددة أخرى

يعتمد اختيار الخلل الوظيفي الذي يجب قياسه على السؤال المعين الذي يتم طرحه. تشمل الوظائف المتخصصة للميتوكوندريا دورة اليوريا ، ودورة حمض γ-aminobutyric ، واستقلاب الأحماض الأمينية ، والتمثيل الغذائي للكربون الواحد ، وتخليق بروتين FeS ، وتخليق الدم ، واستقلاب الأحماض الدهنية ، ونقل الكالسيوم والتوازن ، واستقلاب أنواع الأكسجين التفاعلي ، ومسام انتقال نفاذية الميتوكوندريا في السيطرة على السيتوكروم ج الافراج والاستماتة والانشطار والاندماج. سوف تتطلب فحوصات الاختلالات في هذه المسارات المحددة مناهج متخصصة بدلاً من مناهج الطاقة الحيوية العامة الموضحة في هذه الورقة.

ملخص: فحص الخلل الوظيفي في الميتوكوندريا المعزولة

الاختبار الأبسط والأكثر كشفًا للخلل النشط في الميتوكوندريا المعزولة هو قياس التحكم في الجهاز التنفسي في الميتوكوندريا. يمكن للقيم المطلقة لمعدلات التنفس في مختلف الحالات والظروف ، والقياسات النوعية لـ pmf ، توضيح الآليات ، ولكن أفضل طريقة لاكتساب البصيرة الميكانيكية هي معايرة كل من معدل التنفس و pmf في نفس الوقت ورسم حركية الوحدات المختلفة من الفسفرة المؤكسدة ( الشكل 2 ب). يمكن أن تكون فحوصات المرشح لكميات وأنشطة المجمعات والإنزيمات المحددة ، ومورفولوجيا الميتوكوندريا والاستجابات لضغوط معينة مفيدة لاختبار فرضيات محددة ، ولكن يجب عمومًا الاحتفاظ بها في الاحتياطي وعدم استخدامها كمقايسة أولية لخلل الميتوكوندريا.


بيولوجيا الميتوكوندريا

- متوسط ​​شحنة مجموعات الحديد بين Fe2 + و Fe3 +.

- يمكن للمجموعات الاحتفاظ بإلكترون واحد فقط في كل مرة.

- تُترجم قوة الطاقة القادمة من الإلكترون المار من NADH والذي تم تمريره إلى مجموعات بروتين فلافوبروتين والحديد والكبريت ، إلى قوة فيزيائية تغير هيكل النفق.

- يرتبط CoQ المحمل بموقع الإرساء 3 المعقد. 2 بروتون تم إطلاقهما من CoQH2 إلى حيز غشاء الميتوكوندريا الداخلي.

- يتم تمرير إلكترون الطاقة المنخفضة (أحدهما) عبر كتلة من الحديد الكبريت إلى السيتوكروم ج.

- يتم نقل الإلكترون عالي الطاقة من خلال السيتوكروم ب داخل المركب 3 ، ثم يتم إجباره على CoQ لصنع CoQH. الشكل الجذري لـ COQ (CoQH).

- نظرًا لأن الشكل الجذري غير مستقر بدرجة كبيرة ، فإنه يتلقى إلكترونًا آخر يمر من السيتوكروم B (من آخر CoQH2 arriviste عند المركب 3). هذا يفي بالراديكالية مما يجعله CoQH2 مرة أخرى. ينتقل هذا للخلف إلى موقع الربط المعقد 3 ، ثم يطلق البروتونات المرتبطة بـ CoQH2 المتكون حديثًا.


تطبيقات الاشعاع

  • علاج السرطان: يستخدم الإشعاع لتدمير الخلايا السرطانية. يستخدم العلاج الإشعاعي التقليدي أشعة سينية عالية الطاقة أو أشعة جاما لاستهداف السرطان. نظرًا لمداها الطويل ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تلف الخلايا السليمة المحيطة. لتقليل هذه المخاطر ، يتم عادةً جدولة العلاجات في جرعات صغيرة متعددة. العلاج الإشعاعي بالبروتونات هو شكل جديد نسبيًا من العلاج. يستخدم البروتونات عالية الطاقة (من معجل الجسيمات) لاستهداف الخلايا. معدل فقدان الطاقة للأيونات الثقيلة ، مثل البروتونات ، يتبع منحنى Bragg المميز كما هو موضح أدناه. يوضح المنحنى أن البروتونات سوف تودع الطاقة فقط لمسافة محددة جيدًا وبالتالي يتم تقليل الضرر الذي يلحق بالخلايا السليمة.

الشكل النموذجي لمنحنى براج ، الذي يُظهر تباين معدل فقد الطاقة لأيون ثقيل ، مثل البروتون ، مع المسافة المقطوعة. يتم استغلال الانخفاض الحاد (قمة براج) بواسطة العلاج الإشعاعي بالبروتون.


6. تصميم التدريع

في هذا القسم ، سنراجع بإيجاز تصميم التدريع لحماية البشر من الإشعاع الشارد. على وجه الخصوص ، سنركز على حواجز الحماية السائبة (مثل الجدران والسقوف) والمتاهات. يعد التدريع السائب جانبًا مهمًا للغاية في تصميم المنشأة لأن معدات العلاج بالبروتون قادرة على إنتاج مستويات مميتة من الإشعاع الشارد. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحماية السائبة تتطفل على المساحة المتاحة للمعدات والأفراد وهي باهظة الثمن. من نواحٍ عديدة ، يعد تصميم الحماية السائبة مشكلة هندسية كلاسيكية يطور المرء حلاً يشتمل على توازن مقبول للسمات المنافسة للسلامة والمنفعة والتكلفة.

على نطاق واسع ، لتصميم التدريع ، يجب أن يكون لدى المرء معرفة بإنتاج الإشعاع الشارد ونقله وتخفيفه في حواجز الحماية. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد أهداف تصميم التدريع ، أي معدل التعرض المسموح به في مكان مشغول ، على جزء من الوقت الذي تشغله المنطقة ، وتعيينها كمنطقة خاضعة للرقابة أو غير خاضعة للرقابة ، ونوع الأفراد الموجودين ، أي المرضى والموظفين ( عمال الإشعاع) وعامة الناس. عادة ما تكون هناك أهداف تصميم متعددة يجب تحقيقها ، على سبيل المثال واحدة للتعرضات قصيرة المدى (بمتوسط ​​أكثر من ساعة واحدة) وواحدة للتعرضات طويلة المدى (بمتوسط ​​يزيد عن عام واحد). بشكل عام ، لا يعرف المرء بداهة هدف التصميم الذي سيحكم في النهاية تصميم التدريع ، مما يستلزم حسابات التدريع التي تمثل سيناريوهات متعددة.

قبل مناقشة الفيزياء الأساسية لتصميم الحماية ، نستطرد بإيجاز للإشارة إلى أن حواجز الحماية هي أحد المكونات العديدة الضرورية لبرنامج الحماية من الإشعاع الفعال. الحواجز الواقية وحدها لا تضمن السلامة. من غير العملي ، ناهيك عن التكلفة الباهظة ، بناء دروع توفر في حد ذاتها حماية كافية للاستخدام غير المقيد لأنظمة العلاج بالبروتونات المعاصرة. وبالتالي ، فإن الضوابط الإدارية على استخدام الحزمة ضرورية ، ولأسباب واضحة ، يجب أن يؤخذ استخدام الحزمة المتوقع في الاعتبار في عملية تصميم التدريع. غالبًا ما يكون من الصعب التنبؤ بمعرفة استخدام حزمة البروتون ، خاصة بالنسبة لوحدات المعالجة الأولى من نوعها حيث يكون إنتاج النيوترونات في أنظمة إنتاج الحزمة وإيصالها غير معروف جيدًا. بالإضافة إلى ذلك ، قد تؤدي النتيجة المستقبلية لتجربة سريرية أو تغيير في سياسة الرعاية الصحية إلى تغيير استخدام حزمة البروتون بشكل كبير. وبغض النظر عن أوجه عدم اليقين هذه ، لا يحتاج المرء فقط إلى معرفة استخدام الحزمة (الطاقات والشحنات والتيارات واتجاهات السفر) في كل موقع من مواقع العلاج ، ولكن أيضًا جميع معدلات فقدان البروتون المقابلة في نظام التسريع واختيار الطاقة ( إن وجد) ونظام نقل الشعاع ورأس المعالجة. تتباين خسائر البروتون المفقودة وإنتاج النيوترونات بشدة مع طاقة حزمة البروتون وعوامل أخرى (انظر الشكل 22) ، مما يستلزم حسابات منفصلة للعديد من طاقات حزمة البروتون (نيوهاوزر وآخرون 2002 د). تشبه العديد من جوانب حماية مرافق العلاج بالبروتونات تلك الخاصة بمرافق العلاج بالفوتونات ، والتي تمت مراجعتها بالتفصيل في مكان آخر (NCRP 2008).

الشكل 22. (العلوي) مستوى معالجة مرفق العلاج بالبروتون: 235-MeV cyclotron (1) ، مذيب طاقة الجرافيت متغير السماكة (2) ، مغناطيس تحليل الزخم (3) ، الشقوق (4) ، الموازاة النحاسية (5) ، وإيقاف الحزمة في isocenter (6). تُظهر الخطة أيضًا غرفة التحكم الرئيسية (ب) ، ومخرج متاهة غرفة العلاج (م ، ن ، س ، أ) ، وممرات مختلفة وغرف مشغولة في المستوى أعلاه (ج - ك) (نيوهاوسر وآخرون 2002 ج). (أقل) أطياف مكافئة لجرعة نيوترونية محسوبة في المواقع من l إلى o في غرفة العملاقة ومتاهةها (انظر الشكل 1) التي تنتجها حزمة بروتون 235 MeV. الإحداثي يتوافق مع ناتج معامل تحويل الفلورة النيوترونية إلى مكافئ الجرعة حΦ، الطيف الطيفي النيوتروني Φهوطاقة النيوترون هن، حيث يتم تطبيع المنتج إلى إجمالي مكافئ جرعة النيوترون ح. تكشف هذه الأطياف عن اختلافات في الشكل بسبب المساهمات النسبية من القمم بسبب النيوترونات الحرارية ونيوترونات التبخر والنيوترونات المتتالية. المنطقة بين 10 –6 و 10 –2 MeV ، المقابلة لـ 1 /هن سلوك الطيف الطيفي ، يساهم بشكل ضئيل نسبيًا في إجمالي الجرعة المكافئة (مستنسخة بإذن من Newhauser وآخرون 2002 ج).

على افتراض أن استخدام الحزمة وعوامل الإشغال والجوانب الأخرى معروفة ، يمكن للمرء حساب معدل مكافئ جرعة النيوترون في نقطة اهتمام خلف حاجز تدريع بلاطة (على سبيل المثال ، الجدار ، السقف ، إلخ.) الموازية والمسافة أ شعاع البروتون وفقا ل

أين ح(هص، θ, د / λ) هي الجرعة المحيطة المكافئة وراء الدرع ، هص هي طاقة شعاع البروتون ، θ هي زاوية الانبعاث من نقطة فقدان البروتون ونقطة الاهتمام ، ص هي المسافة بين نقطة فقدان البروتون ونقطة الاهتمام ، د هو سمك الدرع ، λ(θ) هو طول التوهين لمادة الدرع ، حا(هص, θ) هو مصطلح المصدر ، α هي زاوية وقوع الإشعاع الذي يصطدم بالدرع ، و g (a) هي عامل الميل المقابل. يتمتع هذا النهج شبه التجريبي ، المستند إلى عمل Moyer (1962) ، بالعديد من السمات الجذابة ، بما في ذلك تضمين التبعيات الرئيسية والبساطة والسرعة الحسابية. بعد مرور خمسة عقود ، على الرغم من قيودها ، لا يزال نموذج Moyer مستخدمًا على نطاق واسع ، خاصة في الحالات التي تكون فيها السرعة والراحة أكثر أهمية من الدقة.

يجب أن يكون الأفراد قادرين على الدخول والخروج من الأقبية المحمية بسرعة ، على سبيل المثال لإجراء عملية سريرية روتينية فعالة ، في حالات الطوارئ مثل رعاية مريض ، وصيانة وإصلاح المسرع ونظام نقل الأشعة. هذا يستلزم فتحات كبيرة في جدران التدريع السائبة. من الواضح أن مثل هذه الفتحات تؤدي إلى تقليل التوهين الذي يجب استعادته. عادةً ما يتم استعادة التوهين المطلوب من خلال تركيب الفتحة بنفق تدريع طويل ومنحني ، يشار إليه عادةً باسم المتاهة أو المتاهة. تخفف المتاهة من الإشعاع الذي يصيبها بطريقتين: تخفف جدرانها الإشعاع المخترق بعمق الذي يحدث على جدران المتاهة ، كما أنها تخفف من الإشعاع الأقل نفاذاً الذي يدخل إلى فتحة المتاهة عن طريق مزيج من التشتت والامتصاص العمليات حيث ينتشر الإشعاع عبر المتاهة.

عادةً ما تكون متاهات غرف العلاج غير مجهزة بأبواب محمية ضخمة لأنها يمكن أن تزيد بشكل كبير من أوقات الوصول. من ناحية أخرى ، فإن الأقبية التي لا يتم الوصول إليها بشكل متكرر (على سبيل المثال لنظام نقل المسرع والشعاع) تستخدم عادة متاهة مجهزة بباب حماية ضخم.

يتم إعطاء معدل الجرعة المكافئ خارج المتاهة (بدون باب) من الإشعاع المتناثر الذي يدخل مدخل المتاهة (داخل القبو) بواسطة

أين ص1 هي مسافة خط الرؤية من المصدر إلى نقطة الاهتمام في الجزء الأول (الأقرب إلى المصدر) من متاهة المتاهة ، حا(أ) هي جرعة مكافئة عن بعد أ من المصدر ، أ هي المسافة من المصدر إلى مدخل المحطة الأولى ، و Fأنا(صأنا) عوامل التوهين للأرجل اللاحقة للمتاهة (Agosteo 2009). يتم إعطاء هذه بواسطة

أين صأنا هي المسافة من مدخل أناالساق إلى النقطة المهمة في تلك الساق ، وأين أأنا هي منطقة المقطع العرضي لـ أناالمحطة العاشرة من المتاهة (Agosteo 2009). بالإضافة إلى ذلك ، يجب على المرء أن ينظر (بشكل منفصل) في تخفيف الإشعاع الذي يصطدم بالجزء الخارجي من جدران المتاهة (على سبيل المثال باستخدام نموذج Moyer) والتوهين في أبواب المتاهة ، في الحالات التي يتم استخدامها فيها. يزداد توهين المتاهة مع زيادة عدد وطول الأرجل ، وسماكة جدران المتاهة ، ويقل مع مساحة المقطع العرضي. سيكون من الصعب المبالغة في التأكيد على الأهمية النسبية العالية لتصميم المتاهات. لحسن الحظ ، هناك العديد من طرق التصميم المتاحة والمفهومة والدقيقة والتي تم التحقق من صحتها من خلال القياسات في مرافق العلاج بالبروتونات الإكلينيكية.

تختلف المواد المستخدمة في حواجز ومتاهات الحماية السائبة إلى حد ما ، اعتمادًا على تكلفة وتوافر مواد التدريع وتكلفة المساحة التي تشغلها حواجز الحماية. عادة ، يتم استخدام الخرسانة العادية مع حديد التسليح بسبب محتواها الكبير من الهيدروجين وكثافة الكتلة (2.35 جم سم مكعب) وقوة عالية وتوافر جيد وتكلفة منخفضة. تستخدم مراكز العلاج بالبروتونات المعاصرة حواجز واقية من الخرسانة يصل سمكها إلى عدة أمتار (نيوهاوزر وآخرون 2002 ، Titt and Newhauser 2005). طول التوهين النيوتروني ، أو السُمك المطلوب لتقليل تأثير الحادث بمعامل 1 /ه، في الشكل 23 للخرسانة العادية. عند حد الطاقة العالية ، يبلغ طول التوهين حوالي 50 سم من الخرسانة العادية (موريتز 2001).يمكن زيادة كثافة الخرسانة وخصائص التخفيف للخرسانة بشكل كبير من خلال استخدام مواد الركام عالية الكثافة ، ولكن تكلفتها المرتفعة باهظة في معظم الحالات. استخدمت بعض المرافق دروعًا "محلية" صغيرة نسبيًا ، على سبيل المثال لحماية مكونات خط الأشعة التي تنتج كميات وفيرة من النيوترونات ، لتقليل متطلبات التوهين للدروع الأكبر حجمًا. في بعض الحالات ، قد تكون المواد عالية الكثافة مثل سبائك الحديد (7.9 جم سم مكعب) أو التنجستن (19.25 جم سم مكعب) مفيدة للحماية من النيوترونات عالية الطاقة لأنها يمكن أن تكون أكثر إحكاما من الخرسانة أو غيرها. مواد التدريع السائبة. سدادات شعاع البروتون ، التي تمنع شعاع البروتون الأساسي من التأثير على الواقي الكتلي ، صنعت من مجموعة متنوعة من المواد ، بما في ذلك البلاستيك والصلب.

الشكل 23. طول التوهين للنيوترونات في الخرسانة عكس طاقة شعاع البروتون (مستنسخة بإذن من Agosteo وآخرون 2007).

طرق تصميم التدريع المستخدمة في أغلب الأحيان لمرافق العلاج بالبروتونات هي الصيغ التحليلية ومحاكاة مونت كارلو. معرفة أوجه عدم اليقين في التنبؤات من كلتا الطريقتين غير كاملة. نيوهاوزر وآخرون (2002c) تم قياسه وحسابه (باستخدام نماذج تحليلية شبه تجريبية تم تطويرها لهندسة تدريع البلاطة والمتاهة) ، ومعدلات جرعة النيوترون المحاكاة في مركز العلاج بالبروتون 235 MeV ، ووجدوا أن النموذج التحليلي بالغ في تقدير جرعة النيوترون في معظم المواضع مقارنةً بالقياسات ، بينما اتفقت محاكاة مونت كارلو عن كثب مع القياسات. ومع ذلك ، فإن طريقة مونت كارلو أكثر صعوبة بسبب الحاجة إلى الحصول على تقارب الحلول المعممة وتقنيات تقليل التباين الآلي غير متوفرة. قام Titt and Newhauser (2005) بتقييم عدم اليقين المرتبط بتقنية حماية مونت كارلو من خلال مقارنة التنبؤات التحليلية بمحاكاة مونت كارلو المفصلة لجرعات مكافئة للنيوترونات في مواقع مستقبلات مختلفة. ووجدوا أن معيار الرفض الأمثل هو 10٪ عدم يقين إحصائي لمحاكاة مونت كارلو. قدم معيار الرفض هذا ثقة إضافية لأن جميع نتائج المحاكاة المقبولة تقريبًا قد تقاربت.

في دراسة غير منشورة ، قدر أحدنا (WN) تكلفة الخرسانة والصلب المستخدمة في حماية العلاج بالبروتون النموذجي متعدد الغرف بحوالي 6 مليون دولار أمريكي ، مع إمكانية تقليل تكاليف التدريع بمقدار الثلث تقريبًا من خلال تصميمات الحماية النيوترونية المحسنة . من الواضح أن هناك إمكانات كبيرة لتحقيق وفورات في التكاليف ومزايا أخرى من خلال تطوير أساليب تصميم درع محسّنة وتحسين تصميمات الدروع.

على الرغم من أننا لم نناقش الدروع المحلية الصغيرة لمكونات خط الأشعة في هذا القسم ، إلا أن هناك تداخلًا كبيرًا مع المادة المقدمة في القسم السابق ، للإيجاز ، لن نعتبر الإشعاع الشارد داخل غرفة العلاج هنا.


دور فصل البروتين 3 في فسيولوجيا الإنسان

قسم الغدد الصماء والسكري وعلم الوراثة الطبية وقسم الطب ، الجامعة الطبية في ساوث كارولينا ، والمركز الطبي رالف إتش جونسون لشؤون المحاربين القدامى ، تشارلستون ، ساوث كارولينا ، الولايات المتحدة الأمريكية

عنوان المراسلات إلى: W. Timothy Garvey ، قسم طب الغدد الصماء والسكري والوراثة الطبية ، مبنى العلوم السريرية 816 ، الجامعة الطبية في ساوث كارولينا ، 96 شارع جوناثان لوكاس ، تشارلستون ، ساوث كارولينا 29425 ، الولايات المتحدة الأمريكية. هاتف: 5372 876 (843) فاكس: 5133-876 (843) بريد إلكتروني: [email protected]

تم النشر في 15 فبراير 2003 - مزيد من المعلومات

تُفهم السمنة ببساطة على أنها اختلال التوازن بين تناول الطاقة والإنفاق لصالح زيادة الوزن. ومع ذلك ، فإن التفاعل البيولوجي البشري بين استهلاك الغذاء وتبديد الطاقة يؤدي إلى اختلافات فردية واسعة في سلوك الأكل والنشاط البدني وكفاءة تخزين الوقود والتمثيل الغذائي. على وجه الخصوص ، يمكن أن يختلف معدل الأيض الأساسي ، الذي يمثل الجزء الأكبر من إجمالي إنفاق الطاقة ، مرتين تقريبًا بين الأفراد. تقليديًا ، يُعتقد أن ثلاثة أنظمة كيميائية حيوية رئيسية تساهم في التوليد الحراري الأساسي: الدورات غير المجدية ، ونشاط Na + / K + ATPase ، وتسرب البروتون في الميتوكوندريا. هذا الأخير هو أهم مساهم كمي ويمكنه تفسير ما يصل إلى 50٪ من معدل الأيض الأساسي (1). الأساس الجزيئي لتسرب بروتون الميتوكوندريا غير واضح ، على الرغم من أهميته في فهم توازن الطاقة وإمكاناته كهدف علاجي لعلاج السمنة. المقال الذي كتبه هسيلينك وزملاؤه في هذا العدد من JCI (2) يعالج ما إذا كان فصل البروتين 3 يساهم في تسرب بروتون الميتوكوندريا في العضلات الهيكلية البشرية.

تحدث أكسدة الأحماض الدهنية والبيروفات في الميتوكوندريا ، حيث يتم تحويل الطاقة إلى ATP لاستخدامها في العمليات الخلوية. يتم استخراج مكافئات الاختزال من الركائز وتمريرها بالتتابع من المتبرعين بالإلكترون (المواد المختزلة) إلى المتقبلات (المؤكسدات) على طول السلسلة التنفسية للميتوكوندريا إلى الأكسجين الجزيئي. يقع نظام نقل الإلكترون على غشاء الميتوكوندريا الداخلي ، حيث تقترن خطوات الأكسدة بسلسلة النقل ببثق البروتونات خارج المصفوفة. هذا يحدد فرق الجهد الكهروكيميائي عبر الغشاء الداخلي والقوة الدافعة لإعادة دخول البروتون عبر F1F0-اتب سينسيز. يلتقط سينسيز ATP الطاقة الكامنة التي يتم إطلاقها عند إعادة دخول البروتون عن طريق تحويل ADP إلى ATP. بهذه الطريقة ، يقترن نقل الإلكترون بالفسفرة المؤكسدة. في نظام مقترن تمامًا ، تدخل البروتونات فقط مصفوفة الميتوكوندريا من خلال سينسيز ATP في وجود ADP ، ويصنف هذا النوع من التنفس على أنه الحالة 3 (أي ، O2 يستهلك فقط في وجود الركيزة و ADP). ومع ذلك ، يمكن أيضًا ملاحظة الميتوكوندريا لاستخدام الأكسجين حتى في حالة عدم وجود ADP ، والذي يحدث عندما تتسرب البروتونات مرة أخرى إلى المصفوفة عبر آلية لا تتضمن F1F0-ATPase. يقلل تسرب البروتون هذا من تشكيل البروتون المتدرج الذي يقود تشكيل ATP ويفصل التنفس عن الفسفرة المؤكسدة. يشار إلى استخدام الأكسجين في حالة عدم وجود ADP أو في الميتوكوندريا المنفصلة تمامًا باسم تنفس الحالة 4.

لم يتم تحديد الآليات التي تتوسط تسرب البروتون المستقل عن ATPase ، باستثناء الأنسجة الدهنية البنية في الثدييات (BAT). BAT غنية بالميتوكوندريا وقطرات الدهون وهي مصدر رئيسي للتوليد الحراري غير المتولد ، الذي تستخدمه معظم الثدييات لمقاومة البرد. يتم التوسط في هذه الوظيفة عن طريق فك اقتران البروتين 1 (UCP1) (المعروف سابقًا باسم فصل البروتين أو الثرموجينين) ، الذي تم استنساخه لأول مرة في عام 1985 (3). تتمركز UCP1 في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا وتبدد إمكانات الغشاء عن طريق نقل البروتونات من الفضاء بين الغشاء إلى المصفوفة. هذا يقلل من القوة الدافعة للبروتون التي تدفع تكوين ATP ، ويستمر التنفس في الميتوكوندريا المنفصلة ، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة الوقود فقط كحرارة. في البشر والثدييات الكبيرة الأخرى ، تختفي BAT بعد الطفولة ، ولا يوجد أي تعبير عن UCP1 يمكن اكتشافه في البالغين. ومع ذلك ، حتى في حالة عدم وجود UCP1 ، هناك تسرب محدود للبروتون عبر الغشاء الداخلي لا يمكن تفسيره بالانتشار البسيط (4). أدى ذلك إلى قيام الباحثين بالبحث عن بروتينات إضافية غير مقترنة مع تعبير أوسع عن الأنسجة ، وتم تحديد عضوين آخرين من عائلة بروتين فك الاقتران في عام 1997. الجينات التي ترميز UCP2 البشري (5 ، 6) و UCP3 (7 ، 8) تقع على مقربة من بعضهما البعض على الكروموسوم 11q13 ويتشاركان 55٪ و 57٪ هوية الأحماض الأمينية مع UCP1 ، على التوالي. يتم التعبير عن UCP2 mRNA على نطاق واسع في أنسجة متعددة ، بينما يعرض UCP3 تعبيرًا محدودًا خاصًا بالأنسجة يقتصر على العضلات الهيكلية والأنسجة الدهنية البنية. UCPs لها طوبولوجيا متوقعة مماثلة تتكون من ستة مناطق عبر الغشاء مرتبطة بحلقات قطبية ومترجمة إلى غشاء الميتوكوندريا الداخلي. في الآونة الأخيرة ، تم تحديد جينين إضافيين شبيهين بـ UCP ، UCP4 و UCP5 / بروتين حامل الميتوكوندريا في الدماغ -1 ، والتي يتم التعبير عنها في الدماغ ولها هوية أقل نسبيًا من الأحماض الأمينية مع UCP1 (30-40٪).

نظرًا لتماثلهما مع UCP1 والتعبير في أنسجة البالغين ، تم اعتبار UCP2 و UCP3 على الفور مرشحين جذابين للبروتينات المشاركة في إنفاق الطاقة. عندما يتم التعبير عنها في خطوط خلايا الخميرة والثدييات ، فقد تبين أن كلا من UCP2 و UCP3 ، مثل UCP1 ، يعملان كعناصر فصل ، كما يتضح من انخفاض إمكانات غشاء الميتوكوندريا وزيادة في حالة الميتوكوندريا 4 التنفس ، الخلية الكاملة O2 الاستهلاك ، وإنتاج الحرارة. بالإضافة إلى ذلك ، تشترك UCP1 و UCP2 و UPC3 في القدرة على التنظيم بواسطة عوامل مهمة في توازن الطاقة بما في ذلك منبهات مستقبلات الأدرينالين 3 ، وثلاثي يودوثيرونين ، وتناول الطعام ، والتعرض للبرد (على الرغم من أن البرد يمارس تأثيرات أكثر اعتدالًا على UCP2 و UCP3 أكثر من UCP1). ومع ذلك ، بدأ النموذج في الانهيار عندما تم النظر في نتائج التجارب الحيوانية الكاملة. أولاً ، وجد أن كلاً من الصيام والتغذية الغنية بالدهون في القوارض تعمل على تنظيم UCP2 و UCP3 ، على الرغم من أن الأول تسبب في انخفاض في استهلاك الطاقة والأخير كان له تأثير معاكس (3). ثانيًا ، أظهرت الفئران الخاسرة UCP2 و UCP3 وزنًا طبيعيًا للجسم عند تناول الطعام التقليدي أو عالي الدهون ، وكذلك درجة حرارة الجسم الطبيعية في درجة حرارة الغرفة واستجابة للبرد (9 ، 10). من المفارقات ، أن الميتوكوندريا المعزولة من العضلات الهيكلية للفئران الخالية من UCP3 وُجد لديها تسرب بروتون منخفض ، وزيادة في نسبة ATP / ADP ، وانخفاض في تنفس الحالة 4 ، بما يتوافق مع تأثير فك الاقتران لـ UCP3 عندما تكون موجودة في البرية. - نوع الفئران. تميزت الفئران المعدلة وراثيا المفرطة في التعبير عن UCP3 بانخفاض وزن الجسم ، على الرغم من كونها مفرطة البلع ، عن طريق زيادة الراحة O.2 الاستهلاك ، وزيادة درجة حرارة العضلات ولكن ليس درجة الحرارة الأساسية. في الوقت نفسه ، أظهرت الميتوكوندريا المعزولة انخفاضًا في إمكانات الغشاء وزيادة تنفس الحالة 4. كانت هذه النتائج في الفئران المعدلة وراثيًا أكثر اتساقًا مع دور UCP3 كعامل فصل للميتوكوندريا.

هسيلينك وآخرون. (2) درسوا قدرة UCP3 على العمل كعامل فصل في العضلات الهيكلية البشرية بعد الزيادة التي يسببها النظام الغذائي في تعبير UCP3. أظهر المتطوعون الذكور الأصحاء زيادة بنسبة 44٪ في بروتين UCP3 في العضلات الهيكلية أثناء تناولهم نظامًا غذائيًا عالي الدهون مقارنة باتباع نظام غذائي منخفض الدهون. قام الباحثون بتقييم وظيفة الميتوكوندريا في الجسم الحي عن طريق قياس إعادة تخليق الفوسفوكرياتين بعد انقباضات نقص الأكسجين في العضلات. للسماح بانقباضات سريعة للعضلات ، يتم تخزين روابط الفوسفات عالية الطاقة على شكل فوسفوكرياتين ، والذي يتكون عن طريق نقل الفوسفات من ATP إلى الكرياتين المحفز بواسطة الكرياتين كيناز. يعكس معدل إعادة تخليق الفسفوكرياتين المعدلات الاصطناعية لـ ATP عبر الميتوكوندريا F1F0-ATPase ، والذي يتأثر بدوره بمدى فك اقتران الميتوكوندريا. لاحظ المؤلفون دورات زمنية مماثلة من امتلاء الفوسفوكرياتين في المجموعات الفرعية التي تتغذى على نسبة عالية من الدهون وقليلة الدهون ، مما يشير إلى أن التنظيم الفسيولوجي لـ UCP3 مع التغذية عالية الدهون لم يؤثر على تسرب بروتون الميتوكوندريا في الجسم الحي. وجد المؤلفون أيضًا أن الكميات النسبية من الكارنيتين الحر وأسيل كارنيتين كانت متشابهة في كلتا المجموعتين الفرعيتين ، مما يؤكد عدم وجود اختلافات في توافر الركيزة (على الأقل من الأحماض الدهنية طويلة السلسلة). كان المؤلفون قادرين على رفض فرضيتهم الأولية وخلصوا إلى أن UCP 3 لا يعمل كعامل فصل للميتوكوندريا في العضلات البشرية في ظل هذه الظروف الفسيولوجية.

الورقة مفيدة لعدة أسباب. أولاً ، قام المؤلفون بتحديد كمية التعبير UCP3 على مستوى البروتين باستخدام أجسام مضادة محددة جيدًا ومُنقاة من التقارب. اعتمدت الأدبيات حتى الآن اعتمادًا كبيرًا على قياسات mRNA لدراسة تعبير UCP2 و UCP3 ، نظرًا لأن الأجسام المضادة المتاحة تفتقر إلى الخصوصية. ثانيًا ، قام المؤلفون بتقييم فصل الميتوكوندريا في الجسم الحي بعد اضطراب فسيولوجي ناتج عن النظام الغذائي لمستويات UCP3. في الفئران التي تم التخلص منها ، تم اشتقاق الدليل على أن UCP2 أو UCP3 يعملان كعامل فصل من التجارب التي أجريت في الميتوكوندريا خارج الجسم الحي ، وليس في الأنسجة السليمة. قد يشير نقص التأثيرات على استقلاب الطاقة ووزن الجسم في هذه الفئران إلى أن الفصل في الميتوكوندريا المعزولة إما لا يحدث في الجسم الحي أو ليس مهمًا من الناحية الفسيولوجية. بالإضافة إلى ذلك ، وجد براند وزملاؤه مؤخرًا أن الانفصال في وجود فرط التعبير فوق الفسيولوجي UCP3 ، عند المستويات العالية التي تم الحصول عليها في الخميرة المنقولة وفي الفئران المعدلة وراثيًا UCP3 ، كان ناتجًا عن خلل ولم يمثل خصائص البروتين الأصلي (11) . تجعل هذه الملاحظة من الصعب استخلاص معلومات فسيولوجية ذات مغزى من دراسة الفئران المعدلة وراثيًا (12) ، والتي أظهرت UCP3 أكثر من 50 ضعفًا فوق المستوى في الفئران البرية (11). الصورة الناشئة هي أن المعلومات الفسيولوجية الدقيقة يمكن الحصول عليها بثقة أكبر عند تقييم فصل الميتوكوندريا في الجسم الحي ضمن النطاق الفسيولوجي لتنظيم UCP.

ثالثًا ، درس المؤلفون البشر. بينما حظيت تجارب الفئران المعدلة وراثيًا بتقدير كبير من قبل المجلات الطبية الحيوية من الخط الأول ، فإن التجارب التي تنطوي على علم وظائف الأعضاء البشرية كانت مقومة بأقل من قيمتها نسبيًا في رأيي. في مجال إنفاق الطاقة على وجه الخصوص ، من الصعب استقراء البيانات في الفئران المعدلة وراثيًا لفيزيولوجيا الإنسان لأن البشر البالغين ليس لديهم دهون بنية وإنتاج الحرارة لكل كيلوغرام من وزن الجسم أقل بكثير في البشر منه في القوارض. تم تعلم هذا الدرس في حالة اللبتين ، الذي يمارس تأثيرات كبيرة على درجة حرارة الجسم في القوارض ، في حين أن هذا العمل الفسيولوجي ضعيف بشكل ملحوظ أو يفتقر إلى البشر (13 ، 14). ملاحظات Hesselink et al. (2) ليست فقط ذات صلة مباشرة بعلم وظائف الأعضاء البشرية ، ولكنها تشكل بعضًا من أقوى البيانات في أي نظام يعالج الدور الكيميائي الحيوي الأساسي لـ UCP3 كعامل فصل. بشكل عام ، يبدو أن الورقة تثبت القول المأثور القديم القائل بأنه إذا أردت أن تفهم علم وظائف الأعضاء البشرية ، فعليك أحيانًا دراسة البشر.

هناك أيضًا قيود على تفسير البيانات. لا يستطيع المؤلفون استبعاد احتمال أن الاضطرابات الغذائية تسببت في بعض العوامل الأخرى التي تعدل تأثير عدم اقتران UCP3 أو أن تأثير الفصل كان ضعيفًا للغاية بحيث لا يمكن تمييزه باستخدام هذه المنهجية ، على الرغم من الأدلة التي قدمها المؤلفون على أن معدل امتلاء الفسفوكرياتين حساس لركيزة الميتوكوندريا التوفر. يشير المؤلفون أيضًا إلى أنه كان من الممكن موازنة تنظيم UCP3 من خلال تقليل تنظيم UCP2 (أو غيره من أجهزة فك الارتباط الأخرى غير المحددة) مما أدى إلى عدم حدوث تغيير صافٍ في تسرب بروتون الميتوكوندريا. يستبعد المؤلفون هذا الاحتمال لسببين لم تتغير مستويات UCP2 mRNA ، وقد قدم مؤلفون آخرون أدلة مناعية على أن بروتين UCP2 لا يتم التعبير عنه في العضلات على الرغم من وجود UCP2 mRNA (15). ومع ذلك ، تم الإبلاغ عن هذه الملاحظات الأخيرة في عضلات القوارض ، مما يترك احتمال وجود بروتين UCP2 في العضلات البشرية.

إذا كانت استنتاجات المؤلفين صحيحة ، فما هو الدور البيوكيميائي لـ UCP3 في البشر؟ يظل هذا السؤال مثيرًا للفضول وقضية مهمة للبحث في المستقبل. يدعم العديد من الباحثين فكرة أن UCP2 و UCP3 يلعبان دورًا في تقليل تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية وبالتالي حماية الخلايا من آثارها الضارة (16). يتم إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية في سياق تنفس الميتوكوندريا بطريقة تتناسب مع إمكانات الغشاء ، وبالتالي ، فإن هذا الدور يتطلب وظيفة UCP3 كعامل فصل. فرضية مثيرة أخرى هي أن UCP3 يمكن أن يسهل أكسدة الدهون من خلال العمل كناقل أنيون FFA. ترتبط مستويات FFA المرتفعة المتداولة بزيادة التعبير العضلي لـ UCP3 في مجموعة متنوعة من الحالات الفسيولوجية (الصيام ، والتغذية عالية الدهون ، وحقن الدهون ، والسكري ، والسمنة) بغض النظر عن أي تغييرات في إنفاق الطاقة (3 ، 17 ، 18). بالإضافة إلى ذلك ، لقد وصفنا تعدد الأشكال المتبرع / المتقبل للوصلة exon 6 في UCP3 المرتبط بانخفاض ملحوظ في معدلات أكسدة الدهون القاعدية وزيادة في حاصل التنفس في حالة الراحة عند الأمريكيين الأفارقة الناطقين بـ Gullah (19). من الصعب شرح كيف يمكن لناقل أنيون الأحماض الدهنية الأساسية أن يسهل أكسدة الأحماض الدهنية الأساسية منذ دخول سلسلة الأحماض الدهنية الحرة طويلة السلسلة من خلال كارنيتين بالميتويل ترانسفيراز 1 والأكسدة اللاحقة تتطلب الأسترة إلى CoA. ومع ذلك ، في ظل ظروف ارتفاع تدفق أسيل CoA وأكسدة الدهون ، فإن تراكم أسيل- CoA سيكون ضارًا بوظيفة الميتوكوندريا لأن هذه الجزيئات هي مواد خافضة للتوتر السطحي يمكن أن تلحق الضرر بالأغشية والعزل المفرط لـ CoA في شكل استرات FFA طويلة السلسلة يمكن أن تثبط β- أكسدة ونشاط دورة حمض الكربوكسيل. من المعروف أن UCPs قادرة على تصدير أنيون FFA من مصفوفة الميتوكوندريا (20) ، ولكن هذا يمكن أن يساعد فقط في التخفيف من تراكم الأسيل-CoA إذا كان ثيوستيراز متاحًا لإزالة CoA من FFA. في الآونة الأخيرة ، مور وآخرون. أظهرت أن ثيويستيراز -1 الميتوكوندريا يتم تنظيمه في الفئران مفرطة التعبير UCP3 واقترحوا أن هذا الإنزيم يمكن أن يؤدي هذه الوظيفة بالذات في إعدادات تدفق أسيل- CoA المتزايد (21). وبالتالي ، فمن الممكن أن نقترح أن UCP3 يمكن أن تساعد في الحفاظ على معدلات متزايدة من أكسدة الدهون عن طريق تصدير أنيون FFA. على أي حال ، مع استمرار البحث عن الدور الفسيولوجي الحقيقي لـ UCP3 ، ستتطلب الاستنتاجات الواثقة فيما يتعلق بعلم وظائف الأعضاء البشرية دراسات على البشر.

انظر المقالة ذات الصلة التي تبدأ في الصفحة 479.

تضارب المصالح: أعلن المؤلف أنه لا يوجد تضارب في المصالح.

الاختصارات غير القياسية المستخدمة: الأنسجة الدهنية البنية (BAT) فصل البروتين 1 (UCP1).


مراجع

Ricquier D و Bouillaud F: متجانسات البروتين غير القابلة للاقتران: UCP1 و UCP2 و UCP3 و StUCP و AtUCP. بيوكيم ج .2000 ، 345: 161-179. 10.1042 / 0264-6021: 3450161. مراجعة شاملة لل UCPs.

Solanes G ، Vial-Puig A ، Grujic D ، Flier JS ، Lowell BB: جين البروتين البشري المفكك -3. J بيول كيم. 1997 ، 272: 25433-25436. 10.1074 / JBC.272.41.25433. وصف بنية جين UCP3.

Walker JE ، Runswick MJ: عائلة بروتين نقل الميتوكوندريا الفائقة. J Bioenerg Biomembr. 1993 ، 25: 435-446. مراجعة تتضمن وصفًا للسمات المميزة لعائلة البروتين الفائقة التي تكونت بواسطة ناقلات الميتوكوندريا للمستقلبات.

بروسايت. قاعدة بيانات لعائلات ومجالات البروتين ، [http://ca.expasy.org/prosite/]

Saier MH: التمثيل الغذائي المتجهي وتطور أنظمة النقل. J باكتيريول. 2000 ، 182: 5029-5035. 10.1128 / JB.182.18.5029-5035.2000. مراجعة تقدم الفرضية القائلة بأن جميع أنظمة النقل تطورت من سلف مشترك.

Jarmuszkiewicz W ، Sluse-Goffart CM ، Hryniewiecka L ، Sluse FE: تحديد وتوصيف بروتين فصل البروتوزوان في Acanthamoeba Castellani. J بيول كيم. 1999 ، 274: 23198-23202. 10.1074 / JBC.274.33.23198.تشير خصائص الطاقة الحيوية للميتوكوندريا المعزولة من هذه الأميبا إلى وجود بروتين مفكك مشابه لـ UCPs للثدييات.

Miroux B ، Frossard V ، Raimbault S ، Ricquier D ، Bouillaud F: طوبولوجيا بروتين فك اقتران الميتوكوندريا النسيج الدهني البني المحدد بالأجسام المضادة ضد مواقع المستضدات التي كشفت عنها مكتبة بروتينات الاندماج. EMBO J. 1993 ، 12: 3739-3745. مظاهرة لمناطق الغشاء الست في UCP1.

Trézéguet V و Le Saux A و David C و Gourdet C و Fiore C و Dianoux AC و Brandolin G و Lauquin G: يعمل ثنائي الترادف الترادفي لحامل ADP / ATP للميتوكوندريا في الجسم الحي. Biochim Biophys Acta. 2000 ، 1457: 81-93. 10.1016 / S0005-2728 (99) 00115-2. تعمل الموجات الحاملة كوحدات متجانسة ، وعندما يتم التعبير عن المونومرين جنبًا إلى جنب ، يكون الناقل يعمل بكامل طاقته.

Schleiff E ، McBride H: تدفع حلقة المصفوفة المركزية استيراد بروتين الفصل 1 إلى الميتوكوندريا. ي خلية العلوم. 2000 ، 113: 2267-2272. عرض لآلية استهداف وإدخال UCP1 في الميتوكوندريا. فصل البروتينات ، أو بعضها

Arechaga I، Ledesma A، Rial E: بروتين فصل الميتوكوندريا UCP1: مسام مسور. الحياة IUBMB. 2001 ، 52: 165-173. 10.1080 / 15216540152845966. مراجعة لخصائص النقل لـ UCP1 واقتراح وجود مسام إزفاء في جوهر UCP1.

Nicholls DG، Ferguson SJ: Bioenergetics 3. 2002 ، London: Academic Press ، كتاب قياسي وحديث مع مقدمة شاملة للطاقة الحيوية للأغشية ونظرية التناضح الكيميائي.

Nicholls DG ، Locke RM: آليات توليد الحرارة في الدهون البنية. القس فيزيول .1984 ، 64: 1-64. مراجعة كلاسيكية لتوليد الحرارة في الأنسجة الدهنية البنية وتنظيمها.

Cassard-Doulcier AM و Gelly C و Fox N و Schrementi J و Raimbault S و Klaus S و Forest C و Bouillaud F و Ricquier D: تنظيم خاص بالأنسجة وبيتا الأدرينالية لجين بروتين فصل الميتوكوندريا: التحكم عن طريق رابطة الدول المستقلة- عناصر التمثيل في المنطقة المحيطة 5'. مول إندوكرينول. 1993 ، 7: 497-506. وصف شامل لهيكل جين UCP1.

Yamada M و Hashida T و Shibusawa N و Iwasaki T و Murakami M و Monden T و Satoh T و Mori M: التنظيم الجينومي ووظيفة المروج لجين بروتين فصل الفأر 2 (UCP2). FEBS ليت. 1998 ، 432: 65-69. 10.1016 / S0014-5793 (98) 00835-7. هيكل الجين UCP2.

Pecqueur C ، Alves-Guerra MC ، Gelly C ، Levi-Meyrueis C ، Couplan E ، Collins S ، Ricquier D ، Bouillaud F ، Miroux B: Uncoupling protein 2 ، في الجسم الحي التوزيع ، الاستقراء على الإجهاد التأكسدي ، وإثبات التنظيم الانتقالي. J بيول كيم. 2001 ، 276: 8705-8712. 10.1074 / jbc.M006938200. التنظيم المترجم لـ UCP2 وتوزيع الأنسجة.

Acín A، Rodriguez M، Rique H، Canet E، Boutin JA، Galizzi JP: استنساخ وتوصيف المنطقة المحيطة 5 'لجين البروتين البشري 3 (UCP3). Biochem Biophys Res Commun. 1999 ، 258: 278-283. 10.1006 / bbrc.1999.0530. توصيف منطقة المروج في UCP3.

Echtay KS، Winkler E، Klingenberg M: Coenzyme Q هو عامل مساعد إلزامي لفصل وظيفة البروتين. طبيعة سجية. 2000 ، 408: 609-613. 10.1038 / 35046114. وصف لدور يوبيكوينون كعامل مساعد لـ UCP1.

Rial E ، González-Barroso MM: التنظيم الفسيولوجي لنشاط النقل في بروتينات فك اقتران UCP1 و UCP2. Biochim Biophys Acta. 2001 ، 1504: 70-81. 10.1016 / S0005-2728 (00) 00240-1. مراجعة لتنظيم UCP1 ، من منظور تاريخي.

Klingenberg M ، Echtay KS: فك اقتران البروتينات: قضايا من وجهة نظر الكيمياء الحيوية. Biochim Biophys Acta. 2001 ، 1504: 128-143. 10.1016 / S0005-2728 (00) 00242-5. مراجعة آلية النقل وتنظيم UCPs الثدييات.

Garlid KD، Jaburek M، Jezek P: آلية فصل عمل البروتين. شركة Biochem Soc Trans. 2001 ، 29: 803-806. 10.1042 / 0300-5127: 0290803. مراجعة تلخص آلية نقل UCP1 كحامل لأنيون الأحماض الدهنية.

Jezek P: الأدوار الفسيولوجية المحتملة لبروتينات فصل الميتوكوندريا- UCPn. Int ياء Biochem خلية بيول. 2002 ، 34: 1190-1206. 10.1016 / S1357-2725 (02) 00061-4. مراجعة لفرضيات دور بروتينات فك اقتران الثدييات.

Nicholls DG: ميتوكوندريا الأنسجة الدهنية البنية. Biochim Biophys Acta. 1979 ، 549: 1-29. 10.1016 / 0304-4173 (79) 90016-8. مراجعة لخصائص الطاقة الحيوية لميتوكوندريا الدهون البنية وبروتين الفصل UCP1.

Fleury C ، Neverova M ، Collins S ، Raimbault S ، Champigny O ، Levi-Meyrueis C ، Bouillaud F ، Seldin MF ، Surwit RS ، Ricquier D ، Warden CH: Uncoupling protein-2: جين جديد مرتبط بالسمنة وفرط أنسولين الدم. نات جينيه. 1997 ، 15: 269-272. أول وصف لوجود UCP2.

Arsenijevic D و Onuma H و Pecqueur C و Raimbault S و Manning BS و Miroux B و Couplan E و Alves-Guerra MC و Goubern M و Surwit R وآخرون: يكشف تعطيل جين البروتين -2 في الفئران عن دور في المناعة وإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية. نات جينيه. 2000 ، 26: 435-439. 10.1038 / 82565. الفئران التي خرجت من نطاق UCP2 أكثر مقاومة للعدوى ولديها إنتاج أعلى من أنواع الأكسجين التفاعلية.

Zhang CY و Baffy G و Perret P و Krauss S و Peroni O و Grujic D و Hagen T و Vidal Puig J و Boss O و Kim YB وآخرون: ينظم فصل البروتين -2 سلبًا إفراز الأنسولين وهو رابط رئيسي بين السمنة ، ضعف خلايا بيتا ، ومرض السكري من النوع 2. زنزانة. 2001 ، 105: 745-755. 10.1016 / S0092-8674 (01) 00378-6. UCP2 - / - الفئران بالضربة القاضية تظهر مستويات ATP أعلى في جزر البنكرياس وزيادة إفراز الأنسولين.

Krauss S ، Zhang CY ، Lowell BB: يعتمد جزء كبير من تسرب بروتون الميتوكوندريا في الخلايا التوتية السليمة على التعبير عن UCP2. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية. 2002 ، 99: 118-122. 10.1073 / pnas.012410699. تتوافق مقارنة خصائص الطاقة الحيوية للخلايا التوتية مع وبدون UCP2 مع نشاط فصل البروتين.

Diehl AM، Hoek JB: فصل الميتوكوندريا: دور فصل ناقلات الأنيون البروتيني والعلاقات مع التوليد الحراري والتحكم في الوزن "فوائد فقدان السيطرة ". J Bioenerg Biomembr. 1999، 31: 493-506. 10.1023 / A: 1005452624640. مراجعة للوظيفة الفسيولوجية لـ UCP1 و UCP2 و UCP3.

Echtay KS، Roussel D، St-Pierre J، Jekabsons MB، Cadenas S، Stuart JA، Harper JA، Roebuck SJ، Morrison A، Pickering S، Clapham JC، Brand MD: Superoxide ينشط بروتينات فك اقتران الميتوكوندريا. طبيعة سجية. 2002 ، 415: 96-99. 10.1038 / 415096a. تقرير يوضح أن UCP2 يعمل كناقل للأيون الفائق.

Samec S ، Seydoux J ، Dulloo AG: دور متماثلات UCP في العضلات الهيكلية والأنسجة الدهنية البنية: وسطاء التوليد الحراري أو منظمات الدهون كركيزة وقود. FASEB J. 1998، 12: 715-724. ملاحظة متناقضة أن الجوع يؤدي إلى زيادة في مستويات UCP2 و UCP3.

Wang MY ، Lee Y ، Unger RH: شكل جديد من تحلل الدهون الناجم عن اللبتين. J بيول كيم. 1999 ، 274: 17541-17544. 10.1074 / JBC.274.25.17541. يؤدي اللبتين إلى تحلل الدهون في الأنسجة الدهنية البيضاء ولكن تتأكسد الأحماض الدهنية في الخلايا الشحمية بدلاً من تصديرها.

Boss O ، Samec A ، Paoloni-Giacobino A ، Rossier C ، Dulloo A ، Seydoux J ، Muzzin P ، Giacobino JP: فصل البروتين 3: عضو جديد من عائلة الناقل للميتوكوندريا مع تعبير خاص بالأنسجة. FEBS ليت. 1997 ، 408: 39-42. 10.1016 / S0014-5793 (97) 00384-0. أول وصف لوجود UCP3.

Gong DW و Monemdjou S و Gavrilova O و Leon LR و Marcus-Samuels B و Chou CJ و Everett C و Kozak LP و Li C و Deng C وآخرون: نقص السمنة والاستجابة الطبيعية للصيام وهرمون الغدة الدرقية في الفئران التي تفتقر إلى الفصل بروتين 3. J بيول كيم. 2000 ، 275: 16251-16257. 10.1074 / jbc.M910177199. لا تدل الفئران المصابة بالضربة القاضية على UCP3 على حدوث تغيرات في التمثيل الغذائي لكامل الجسم.

كلاين جي دبليو ، فيدال بويج ، دوفور إس ، كادمان كانساس ، لويل بي بي ، شولمان جي: في الجسم الحي آثار فصل اضطراب جين البروتين 3 على استقلاب طاقة الميتوكوندريا. J بيول كيم. 2001 ، 276: 20240-20244. 10.1074 / jbc.M102540200. إثبات أن الميتوكوندريا العضلية المأخوذة من فئران UCP3 بالضربة القاضية تقدم كفاءة طاقة أعلى وبالتالي في الجسم الحي UCP3 له نشاط فصل.

Weigle DS و Selfridge LE و Schwartz MW و Seeley RJ و Cummings DE و Havel PJ و Kuijper JL و Beltran del Rio H: تحفز الأحماض الدهنية المرتفعة التعبير عن البروتين 3 في العضلات: تفسير محتمل لتأثير الصيام. داء السكري. 1998 ، 47: 298-302. يرتبط تعبير UCP3 باستخدام الأحماض الدهنية كوقود بدلاً من الحاجة إلى تبديد الطاقة.

Himms-Hagen J ، Harper ME: قد يكون الدور الفسيولوجي لـ UCP3 هو تصدير الأحماض الدهنية من الميتوكوندريا عندما تسود أكسدة الأحماض الدهنية: فرضية. إكسب بيول ميد. 2001 ، 226: 78-84. مراجعة الوظيفة الفسيولوجية لـ UCP3 ، وتقديم الفرضية القائلة بأن دورها هو تصدير الأحماض الدهنية من مصفوفة الميتوكوندريا.

Boss O ، Hagen T ، Lowell BB: فصل البروتينات 2 و 3: المنظمون المحتملون لاستقلاب طاقة الميتوكوندريا. داء السكري. 2000 ، 49: 143-156. مراجعة للوظيفة الفسيولوجية لـ UCP2 و UCP3.

Curtin NA و Clapham JC و Barclay CJ: إنتاج الحرارة الزائدة عن طريق العضلات المعزولة من الفئران التي تزيد من إفراز البروتين المفكك -3. ي فيزيول. 2002 ، 542: 231-235. 10.1113 / jphysiol.2002.021964. إثبات أن خلايا العضلات المأخوذة من الفئران المعدلة وراثيًا والتي تفرط في التعبير عن UCP3 لديها كفاءة طاقة أقل.

Harper ME ، و Dent R ، و Monemdjou S ، و Bézaire V ، و Van Wyck L ، و Wells G ، و Kavaslar GN ، و Gauthier A ، و Tesson F ، و McPherson R: انخفاض تسرب البروتون في الميتوكوندريا وتقليل التعبير عن عدم اقتران البروتين 3 في العضلات الهيكلية من السمنة المقاومة للنظام الغذائي النساء. داء السكري. 2002 ، 51: 2459-2466. تقرير يشير إلى دور تبديد الطاقة لـ UCP3 في البشر.

Considine MJ ، Daley DO ، Whelan J: التعبير عن أوكسيديز بديل وفصل البروتين أثناء نضج الفاكهة في المانجو. نبات فيزيول. 2001 ، 126: 1619-1629. 10.1104 / ص 126.4.1619. تلعب UCP في المانجو دورًا مهمًا في عملية نضج الثمار.

سويس بروت / تريمبل. SWISS-PROT هي قاعدة بيانات منظمة لتسلسل البروتين و TrEMBL هو ملحق مشروح بالحاسوب لـ SWISS-PROT. ، [http://ca.expasy.org/sprot/]

GenBank. قاعدة بيانات تسلسل البروتين والحمض النووي. ، [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank]