酸化的リン酸化

酸化的リン酸化は、ミトコンドリアの電子伝達系を電子が酸素へと移動する際に放出されるエネルギーを利用してATPを合成する過程です。これは好気性エネルギー生産の最終段階であり、主要な段階であり、炭水化物や脂肪から作られるATPの大部分を供給します。

Definition

酸化的リン酸化は、還元型補酵素からの電子が、一連の担体を介して分子状酸素に伝達されるミトコンドリアの過程であり、放出されたエネルギーはプロトンを内膜を横切って汲み出すために使用され、その結果生じる電気化学的勾配がATPシンターゼによるATP合成を駆動します。

Scope

本項目では、呼吸鎖複合体、プロトン駆動力の確立、ATPシンターゼを介した電子伝達とリン酸化の共役、およびその関連を説明する化学浸透原理について扱います。酸化的リン酸化は、生化学における生体エネルギー学的なトピックとして扱われ、臨床的なガイダンスとしては扱われません。

Core questions

• 酸素への電子伝達はどのようにATP合成と共役しているのですか？
• プロトン駆動力とは何ですか、そしてそれはどのように生成されるのですか？
• ATPシンターゼはどのようにプロトン勾配を利用してATPを生成するのですか？
• 燃料酸化によるATPの大部分がこの段階から得られるのはなぜですか？

Key concepts

• 電子伝達鎖複合体
• 電子供与体としての還元型補酵素NADHおよびFADH2
• 最終電子受容体としての分子状酸素
• プロトンポンプとプロトン駆動力
• ATPシンターゼと回転触媒作用
• 酸化とリン酸化の共役
• 呼吸超複合体

Key theories

化学浸透説

ピーター・ミッチェルは、酸化とリン酸化は共通の化学中間体を介してではなく、プロトンの電気化学的勾配を介して共役していると提唱しました。呼吸複合体は、電子を酸素に向かって伝達する際に、ミトコンドリア内膜を横切ってプロトンを汲み出し、そうして生成されたプロトン駆動力がATPシンターゼを駆動してADPをリン酸化します。

Mechanisms

NADHおよびFADH2によって供与された電子は、ミトコンドリア内膜に埋め込まれた呼吸複合体の鎖に入り、電子に対する親和性が増大する一連の担体を通過し、最終的に分子状酸素に到達し、分子状酸素は水に還元されます。いくつかの複合体では、放出されたエネルギーがマトリックスから膜間腔へプロトンを汲み出すために使用され、電気化学的プロトン勾配、すなわちプロトン駆動力を構築します。ATPシンターゼを介して逆流するプロトンは、ADPと無機リン酸からATPの形成を触媒する回転機構を駆動します。各電子対は複数のプロトンポンプ部位を通過するため、この段階では上流の基質レベル反応よりもはるかに多くのATPが生成されます。証拠は、複合体が電子の流れに影響を与える高次超複合体を形成できることを示唆しています。

Clinical relevance

呼吸鎖の遺伝性および後天性欠陥は、ミトコンドリア病として認識されている一群の疾患の根底にあり、これらは筋肉や神経などのエネルギーを多く必要とする組織に影響を及ぼす傾向があります。また、酸化的リン酸化の障害は、虚血性損傷や特定の毒素の作用の中心的な要素です。本項目は生化学を記述するものであり、個別の診断や治療の根拠となるものではありません。

History

20世紀初頭に呼吸鎖の担体が特徴づけられた後、その電子伝達がどのようにATP合成を駆動するのかが中心的な謎でした。ピーター・ミッチェルの1961年の化学浸透仮説は、プロトン勾配を共役中間体として提案することでこれを解決し、この見解は競合する化学中間体モデルに打ち勝ちました。回転酵素としてのATPシンターゼのメカニズムは、後にポール・ボイヤーとジョン・ウォーカーに関連する研究を通じて確立されました。

Key figures

• Peter Mitchell
• Paul Boyer
• John Walker
• David Keilin

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999
• lapuente-brun-2013

Frequently asked questions

酸化的リン酸化が解糖系よりもはるかに多くのATPを生成するのはなぜですか？

NADHまたはFADH2からの各電子対は複数のプロトンポンプ複合体を通過し、その結果生じるプロトン勾配がATPシンターゼを駆動して複数のATPを生成します。一方、解糖系は直接的な基質レベルリン酸化によってわずかな正味量しか生成しません。

酸化的リン酸化における酸素の役割は何ですか？

酸素は最終電子受容体です。鎖の終端で電子を受け取り、水に還元されることで、電子の流れとプロトンポンプを継続させ、それがATP合成の原動力となります。