ทฤษฎีเคมีออสโมซิสและกราเดียนต์ของโปรตอน

ทฤษฎีเคมีออสโมซิสอธิบายว่าไมโทคอนเดรียเชื่อมโยงการหายใจกับการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร แทนที่จะส่งผ่านพลังงานผ่านตัวกลางทางเคมี สายโซ่การหายใจจะปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มชั้นใน ทำให้เกิดกราเดียนต์ทางเคมีไฟฟ้า พลังงานที่เก็บไว้ในกราเดียนต์นี้ ซึ่งก็คือแรงขับเคลื่อนโปรตอน (proton-motive force) จะขับเคลื่อน ATP synthase เมื่อโปรตอนไหลกลับเข้าสู่เมทริกซ์

Definition

ทฤษฎีเคมีออสโมซิสระบุว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการขนส่งอิเล็กตรอนในการหายใจจะถูกเก็บรักษาไว้ในรูปของกราเดียนต์โปรตอนทางเคมีไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นใน และแรงขับเคลื่อนโปรตอนที่เกิดขึ้นจะขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP โดย ATP synthase

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมสมมติฐานเคมีออสโมซิสของปีเตอร์ มิตเชลล์ องค์ประกอบสองส่วนของแรงขับเคลื่อนโปรตอน (ความแตกต่างของ pH ทางเคมีและศักย์เยื่อหุ้มเซลล์) และวิธีการที่กราเดียนต์นี้เชื่อมโยงการขนส่งอิเล็กตรอนกับการสังเคราะห์ ATP เป็นข้อมูลอ้างอิงทางชีวเคมีเชิงแนวคิดและไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• การหายใจเชื่อมโยงกับการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร?
• แรงขับเคลื่อนโปรตอนคืออะไรและมีองค์ประกอบอะไรบ้าง?
• ทำไมสมมติฐานเคมีออสโมซิสจึงเข้ามาแทนที่แนวคิดตัวกลางทางเคมี?
• ATP synthase ใช้กราเดียนต์โปรตอนได้อย่างไร?

Key concepts

• แรงขับเคลื่อนโปรตอน
• ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์
• กราเดียนต์ pH (ΔpH)
• ATP synthase (F0F1-ATPase)
• การเชื่อมโยงของการหายใจและการเติมหมู่ฟอสเฟต
• กราเดียนต์ทางเคมีไฟฟ้า

Key theories

สมมติฐานเคมีออสโมซิส

มิตเชลล์เสนอว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนในการหายใจจะปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มชั้นใน และกราเดียนต์ทางเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้น — ไม่ใช่ตัวกลางทางเคมีที่มีพลังงานสูง — เป็นตัวเชื่อมโยงที่เชื่อมโยงการหายใจกับการสังเคราะห์ ATP

Mechanisms

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนผ่านคอมเพล็กซ์การหายใจ โปรตอนจะถูกปั๊มจากเมทริกซ์เข้าสู่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้ม การแยกประจุและความเข้มข้นนี้ทำให้เกิดแรงขับเคลื่อนโปรตอน ซึ่งมีสองส่วน: ส่วนประกอบทางไฟฟ้า (ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์) และส่วนประกอบทางเคมี (ความแตกต่างของความเข้มข้นของโปรตอน หรือ pH) เนื่องจากเยื่อหุ้มชั้นในไม่สามารถผ่านโปรตอนได้ เส้นทางหลักในการกลับมาเพียงอย่างเดียวคือผ่าน ATP synthase ซึ่งกลไกการหมุนของมันใช้การไหลของโปรตอนเพื่อขับเคลื่อนการเติมหมู่ฟอสเฟตของ ADP ให้เป็น ATP สิ่งนี้อธิบายว่าทำไมการหายใจและการสังเคราะห์ ATP จึงมักจะเชื่อมโยงกันอย่างแน่นหนา

Clinical relevance

แรงขับเคลื่อนโปรตอนเป็นพื้นฐานความสามารถของเซลล์ในการสร้าง ATP และสภาวะที่ทำให้แรงนี้สลายไปหรือไม่สามารถรักษาไว้ได้จะลดการจัดหาพลังงาน บทความนี้นำเสนอแนวคิดเพื่อการอ้างอิงและไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

มิตเชลล์ได้เสนอสมมติฐานเคมีออสโมซิสในปี 1961 ในขณะที่นักวิจัยหลายคนคาดหวังว่าจะมีตัวกลางทางเคมีที่มีพลังงานสูงเพื่อเชื่อมโยงการหายใจกับการเติมหมู่ฟอสเฟต ข้อเสนอเริ่มต้นเป็นที่ถกเถียงกัน แต่ได้รับการสนับสนุนจากการทดลองตลอดทศวรรษต่อมาและกลายเป็นกรอบการทำงานที่ได้รับการยอมรับสำหรับการเติมหมู่ฟอสเฟตแบบออกซิเดทีฟ โดยมิตเชลล์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1978

Debates

ตัวกลางทางเคมีเทียบกับการเชื่อมโยงแบบเคมีออสโมซิส

เป็นเวลาหลายปีที่วงการวิชาการถกเถียงกันว่าการหายใจและการสังเคราะห์ ATP เชื่อมโยงกันด้วยตัวกลางทางเคมีที่มีพลังงานสูงหรือด้วยกราเดียนต์โปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ หลักฐานจากการทดลองได้สะสมมากขึ้นเพื่อสนับสนุนกลไกเคมีออสโมซิสของมิตเชลล์

Key figures

• Peter Mitchell
• David Nicholls
• Stuart Ferguson

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999

Frequently asked questions

แรงขับเคลื่อนโปรตอนคืออะไร?

คือพลังงานที่เก็บสะสมอยู่ในกราเดียนต์โปรตอนข้ามเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นใน ซึ่งประกอบด้วยส่วนที่เป็นไฟฟ้า (ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์) และส่วนที่เป็นเคมี (ความแตกต่างของ pH) ซึ่งขับเคลื่อน ATP synthase

ทำไมทฤษฎีเคมีออสโมซิสจึงเป็นการปฏิวัติ?

มันอธิบายการเชื่อมโยงพลังงานผ่านกราเดียนต์โปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ แทนที่จะเป็นตัวกลางทางเคมีที่เข้าใจยากซึ่งนักวิจัยได้ค้นหามาโดยไม่ประสบความสำเร็จ ซึ่งเป็นการปรับเปลี่ยนแนวคิดว่าการหายใจขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร