Cardiomyocyte Perm1 sustains cardiac bioenergetic reserve and exercise capacity
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कार्डियोमायोसाइट-विशिष्ट नियामक Perm1 विश्रामकालीन हृदय कार्य के लिए अनावश्यक है, लेकिन MICOS कॉम्प्लेक्स की अखंडता को बनाए रखकर और बढ़ी हुई चयापचय मांग के तहत ATP उत्पादन को सक्षम करके माइटोकॉन्ड्रियल बायोएनेर्जेटिक रिजर्व और व्यायाम क्षमता को बनाए रखने के लिए आवश्यक है।
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हृदय एक ऐसी मांसपेशी है जो कभी आराम नहीं करती, जो जन्म से लेकर जीवन के अंत तक निरंतर रक्त पंप करती रहती है। इस निरंतर लय को बनाए रखने के लिए, हृदय कोशिकाएं माइटोकॉन्ड्रिया नामक नन्हे बिजलीघरों पर निर्भर करती हैं। ये अंग ईंधन जलाकर एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट, या ATP का निर्माण करते हैं, जो वह रासायनिक ऊर्जा है जो हर धड़कन को शक्ति प्रदान करती है। एक स्वस्थ हृदय में, ये बिजलीघर केवल मौजूद ही नहीं होते; वे सटीकता के साथ व्यवस्थित भी होते हैं। कुछ कोशिका की बाहरी झिल्ली के ठीक नीचे स्थित होते हैं, जबकि अन्य मांसपेशी तंतुओं के बीच गहराई में बसे होते हैं। यह व्यवस्था हृदय को अपनी बुनियादी ऊर्जा आवश्यकताओं को पूरा करने के साथ-साथ एक अतिरिक्त क्षमता रखने की अनुमति देती है—एक छिपी हुई बैटरी के रूप में अतिरिक्त शक्ति, जो शरीर द्वारा अधिक मांग किए जाने पर, जैसे कि दौड़ने या अचानक डर जाने के दौरान, तुरंत जारी करने के लिए तैयार रहती है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि विशिष्ट प्रोटीन से जुड़ा एक मास्टर कंट्रोल सिस्टम इन माइटोकॉन्ड्रिया को बनाने में मदद करता है, लेकिन वे इस बात को लेकर अनिश्चित थे कि हृदय इस महत्वपूर्ण रिजर्व (बचाव) को वास्तव में कैसे बनाए रखता है। क्या यह रिजर्व केवल कई माइटोकॉन्ड्रिया होने का एक उपोत्पाद है, या इसे सक्रिय रहने के लिए एक विशिष्ट, समर्पित तंत्र की आवश्यकता है?
कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट प्रोटीन, जिसे Perm1 कहा जाता है, पर ध्यान केंद्रित करके इस प्रश्न का उत्तर देने का प्रयास किया। यह प्रोटीन केवल मांसपेशी ऊतकों में पाया जाता है और इसे उसी मास्टर कंट्रोल सिस्टम द्वारा सक्रिय किया जाता है जो माइटोकॉन्ड्रिया का निर्माण करता है। पिछले अध्ययनों ने दिखाया था कि अतिरिक्त Perm1 जोड़ने से हृदय की ऊर्जा उत्पादन क्षमता बढ़ सकती है, लेकिन यह स्पष्ट नहीं था कि क्या हृदय को सामान्य रूप से कार्य करने के लिए वास्तव में Perm1 की आवश्यकता है, या यह केवल तभी महत्वपूर्ण होता है जब हृदय अत्यधिक तनाव में हो। यह पता लगाने के लिए, वैज्ञानिकों ने चूहों का एक विशेष समूह बनाया जिसमें हृदय कोशिकाओं में विशेष रूप से Perm1 जीन को बंद कर दिया गया था। उन्होंने इसे करने के लिए दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग किया: एक समूह के चूहे बिना Perm1 के पैदा हुए थे, और दूसरे समूह में वयस्कता में बाद में प्रोटीन को हटा दिया गया था। इस दृष्टिकोण ने शोधकर्ताओं को यह देखने की अनुमति दी कि क्या प्रोटीन हृदय के विकास और परिपक्वता के लिए आवश्यक था, और क्या इसकी अनुपस्थिति ने तब समस्या पैदा की जब हृदय केवल विश्राम कर रहा था बनाम जब वह कड़ी मेहनत कर रहा था।
परिणाम आश्चर्यजनक थे और उन्होंने हृदय की बनावट में एक छिपी हुई कमजोरी को उजागर किया। जब शोधकर्ताओं ने Perm1 की कमी वाले चूहों के हृदय की जांच की, तो उन्होंने पाया कि सब कुछ सामान्य था। हृदय का आकार सही था, मांसपेशी की दीवारें सही मोटाई की थीं, और पंप करने की क्रिया स्वस्थ चूहों जितनी ही मजबूत थी। एक वर्ष तक जीवित रहने के बाद भी, इन चूहों में हृदय की विफलता या संरचनात्मक क्षति के कोई लक्षण नहीं दिखे। हृदय कोशिकाओं में माइटोकॉन्ड्रिया की कुल संख्या अपरिवर्तित थी, और ईंधन जलाने वाली उनकी मशीनरी भी सामान्य मात्रा में मौजूद थी। विश्राम की स्थिति में, बिना Perm1 वाला हृदय पूरी तरह से कार्य कर रहा था, जिससे यह संकेत मिलता है कि यह प्रोटीन हृदय को दिन-प्रतिदिन के बुनियादी काम को करने के लिए आवश्यक नहीं है।
हालाँकि, कहानी तब बदल गई जब हृदय को अधिक कठिन कार्य करने के लिए कहा गया। जब शोधकर्ताओं ने व्यायाम क्षमता का परीक्षण करने के लिए चूहों को ट्रेडमिल पर रखा, तो बिना Perm1 वाले चूहे स्वस्थ चूहों की तुलना में बहुत जल्दी थक गए। वे रुकने से पहले केवल लगभग आधी दूरी और आधे समय तक ही दौड़ सके। यह समझने के लिए कि क्यों, टीम ने व्यायाम के दौरान और बाद में हृदय के ऊतकों में ऊर्जा के स्तर को मापा। स्वस्थ चूहों में, कार्यभार बढ़ने के बावजूद हृदय अपने ऊर्जा भंडार को बनाए रखता है। बिना Perm1 वाले चूहों में, दौड़ के दौरान हृदय के ऊर्जा स्तर में भारी गिरावट आई, जो दर्शाता है कि मांसपेशी ईंधन के बिना जूझ रही थी। यह गिरावट इसलिए हुई क्योंकि पैरों की कंकाल मांसपेशियां ठीक थीं और रक्त लैक्टेट का स्तर सामान्य था, जिससे यह सिद्ध हुआ कि समस्या केवल दबाव में ऊर्जा उत्पन्न करने की हृदय की क्षमता तक सीमित थी।
कोशिकीय स्तर पर गहराई से जांच करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि Perm1 की कमी ने बिजलीघरों को नष्ट नहीं किया, बल्कि उन्हें पुनर्व्यवस्थित कर दिया। एक सामान्य हृदय में, माइटोकॉन्ड्रिया दो मुख्य समूहों में वितरित होते हैं: वे जो कोशिका के बाहरी किनारे के पास होते हैं और वे जो बीच में होते हैं। बिना Perm1 वाले चूहों में, कोशिका के बाहरी किनारे के पास वाले माइटोकॉन्ड्रिया गायब हो गए, और वे कोशिका के मध्य भाग में स्थानांतरित हो गए। इसके अलावा, शेष माइटोकॉन्ड्रिया ऊर्जा उत्पादन में कम कुशल थे। वे सामान्य माइटोकॉन्ड्रिया की तुलना में लगभग 20 से 25 प्रतिशत कम शक्ति उत्पन्न कर सकते थे, भले ही वे दिखने में समान थे और उनमें भागों की संख्या भी उतनी ही थी। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि माइटोकॉन्ड्रिया के भीतर विशिष्ट संरचनात्मक घटक, जो ऊर्जा बनाने वाली आंतरिक तहों को व्यवस्थित करने में मदद करते हैं, उनकी संख्या कम थी। इससे पता चलता है कि Perm1 एक विशेषज्ञ फोरमैन की तरह कार्य करता है जो यह सुनिश्चित करता है कि बिजलीघर न केवल निर्मित हों, बल्कि अचानक मांग बढ़ने पर संभालने के लिए सही ढंग से स्थित और व्यवस्थित भी हों।
यह पुष्टि करने के लिए कि यह समस्या स्वयं हृदय कोशिकाओं से संबंधित थी, टीम ने एक डिश में उगाए गए हृदय कोशिकाओं का परीक्षण किया। जब उन्होंने इन कोशिकाओं को एक ऐसे रसायन के साथ उत्तेजित किया जो शरीर के "लड़ो या भागो" (fight or flight) के संकेत की नकल करता है, तो स्वस्थ कोशिकाओं ने अपनी ऊर्जा उत्पादन को बढ़ाकर प्रतिक्रिया दी। बिना Perm1 वाली कोशिकाएं ऐसा करने में विफल रहीं, जो ऊर्जा में केवल मामूली वृद्धि दिखा रही थीं। इसने पुष्टि की कि हृदय की ऊर्जा उत्पादन बढ़ाने में असमर्थता सीधे तौर पर लापता Perm1 का परिणाम थी, न कि पूरे शरीर के बीमार होने का कोई दुष्प्रभाव। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि Perm1 हृदय के बायोएनेर्जेटिक रिजर्व (जैव-ऊर्जा भंडार) का एक महत्वपूर्ण संरक्षक है। यह हृदय के विश्राम के समय धड़कने के लिए आवश्यक नहीं है, लेकिन जब शरीर को इसकी सबसे अधिक आवश्यकता होती है, तो यह अपनी शक्ति को बढ़ाने के लिए बिल्कुल आवश्यक है। इसके बिना, हृदय शांत कमरे में सामान्य रूप से कार्य कर सकता है, लेकिन इसमें व्यायाम के लिए आवश्यक प्रयास को बनाए रखने की क्षमता नहीं होती है, जिससे यह दबाव बढ़ने पर विफल होने के प्रति संवेदनशील हो जाता है। यह खोज रेखांकित करती है कि एक हृदय मानक चेकअप में पूरी तरह स्वस्थ दिखाई दे सकता है, जबकि उसमें एक छिपी हुई कमजोरी हो सकती है जो केवल तनाव के दौरान ही प्रकट होती है।
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