ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน

ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันเป็นกระบวนการที่พลังงานซึ่งถูกปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านสายใยขนส่งอิเล็กตรอนในไมโทคอนเดรียไปยังออกซิเจน ถูกนำมาใช้ในการสังเคราะห์ ATP เป็นขั้นตอนสุดท้ายและเป็นขั้นตอนหลักของการผลิตพลังงานแบบใช้ออกซิเจน และเป็นแหล่ง ATP ส่วนใหญ่ที่ได้จากคาร์โบไฮเดรตและไขมัน

Definition

ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันเป็นกระบวนการในไมโทคอนเดรียที่อิเล็กตรอนจากโคเอนไซม์ที่ถูกรีดิวซ์จะถูกถ่ายโอนผ่านสายใยของตัวพาไปยังโมเลกุลออกซิเจน โดยพลังงานที่ถูกปล่อยออกมาจะถูกนำไปใช้ในการปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มชั้นใน และการไล่ระดับทางเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP โดย ATP synthase

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงคอมเพล็กซ์ในสายใยหายใจ การสร้างแรงขับเคลื่อนโปรตอน การเชื่อมโยงการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเข้ากับการฟอสโฟรีเลชันผ่าน ATP synthase และหลักการเคมีออสโมซิสที่อธิบายความเชื่อมโยงดังกล่าว โดยจะพิจารณาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันในฐานะหัวข้อชีวพลังงานในชีวเคมี ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• การถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังออกซิเจนเชื่อมโยงกับการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร?
• แรงขับเคลื่อนโปรตอนคืออะไร และเกิดขึ้นได้อย่างไร?
• ATP synthase ใช้การไล่ระดับโปรตอนในการสร้าง ATP ได้อย่างไร?
• เหตุใด ATP ส่วนใหญ่จากการออกซิเดชันของเชื้อเพลิงจึงมาจากขั้นตอนนี้?

Key concepts

• คอมเพล็กซ์ในสายใยขนส่งอิเล็กตรอน
• โคเอนไซม์ที่ถูกรีดิวซ์ NADH และ FADH2 ในฐานะผู้บริจาคอิเล็กตรอน
• โมเลกุลออกซิเจนในฐานะตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย
• การปั๊มโปรตอนและแรงขับเคลื่อนโปรตอน
• ATP synthase และการเร่งปฏิกิริยาแบบหมุน
• การเชื่อมโยงการออกซิเดชันเข้ากับการฟอสโฟรีเลชัน
• ซูเปอร์คอมเพล็กซ์ของการหายใจ

Key theories

ทฤษฎีเคมีออสโมซิส

Peter Mitchell เสนอว่าการออกซิเดชันและการฟอสโฟรีเลชันไม่ได้เชื่อมโยงกันผ่านตัวกลางทางเคมีร่วมกัน แต่ผ่านการไล่ระดับทางเคมีไฟฟ้าของโปรตอน: คอมเพล็กซ์การหายใจจะปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียในขณะที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังออกซิเจน และแรงขับเคลื่อนโปรตอนที่เกิดขึ้นจะขับเคลื่อน ATP synthase ให้ฟอสโฟรีเลท ADP

Mechanisms

อิเล็กตรอนที่บริจาคโดย NADH และ FADH2 จะเข้าสู่สายใยของคอมเพล็กซ์การหายใจที่ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย และผ่านชุดของตัวพาที่มีความสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น โดยสิ้นสุดที่โมเลกุลออกซิเจน ซึ่งจะถูกรีดิวซ์เป็นน้ำ ที่คอมเพล็กซ์หลายแห่ง พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาจะถูกนำไปใช้ในการปั๊มโปรตอนจากเมทริกซ์เข้าสู่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้ม สร้างการไล่ระดับโปรตอนทางเคมีไฟฟ้า ซึ่งก็คือแรงขับเคลื่อนโปรตอน โปรตอนที่ไหลกลับผ่าน ATP synthase จะขับเคลื่อนกลไกการหมุนที่เร่งปฏิกิริยาการสร้าง ATP จาก ADP และอนินทรีย์ฟอสเฟต เนื่องจากอิเล็กตรอนแต่ละคู่ผ่านจุดปั๊มโปรตอนหลายจุด ขั้นตอนนี้จึงให้ ATP มากกว่าปฏิกิริยาระดับสารตั้งต้นที่อยู่ก่อนหน้ามาก หลักฐานบ่งชี้ว่าคอมเพล็กซ์สามารถรวมตัวกันเป็นซูเปอร์คอมเพล็กซ์ที่มีลำดับสูงกว่า ซึ่งส่งผลต่อการไหลของอิเล็กตรอน

Clinical relevance

ความบกพร่องทางพันธุกรรมและที่เกิดขึ้นภายหลังของสายใยหายใจเป็นสาเหตุของกลุ่มโรคไมโทคอนเดรียที่เป็นที่รู้จัก ซึ่งมักจะส่งผลกระทบต่อเนื้อเยื่อที่ต้องการพลังงานสูง เช่น กล้ามเนื้อและเส้นประสาท และการหยุดชะงักของออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันเป็นหัวใจสำคัญของการบาดเจ็บจากภาวะขาดเลือดและการออกฤทธิ์ของสารพิษบางชนิด เนื้อหานี้อธิบายถึงชีวเคมีและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

หลังจากที่ตัวพาในสายใยหายใจได้รับการระบุลักษณะในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ปริศนาสำคัญคือการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเหล่านั้นขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร สมมติฐานเคมีออสโมซิสของ Peter Mitchell ในปี 1961 ได้แก้ไขปัญหานี้โดยเสนอว่าการไล่ระดับโปรตอนเป็นตัวกลางในการเชื่อมโยง ซึ่งเป็นมุมมองที่เหนือกว่าแบบจำลองตัวกลางทางเคมีที่เป็นคู่แข่ง กลไกของ ATP synthase ในฐานะเอนไซม์แบบหมุนได้ถูกสร้างขึ้นในภายหลังจากการทำงานที่เกี่ยวข้องกับ Paul Boyer และ John Walker

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

เหตุใดออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันจึงผลิต ATP ได้มากกว่าไกลโคไลซิสมาก?

อิเล็กตรอนแต่ละคู่จาก NADH หรือ FADH2 จะผ่านคอมเพล็กซ์ปั๊มโปรตอนหลายแห่ง และการไล่ระดับโปรตอนที่เกิดขึ้นจะขับเคลื่อน ATP synthase ให้สร้าง ATP ได้หลายโมเลกุล ในขณะที่ไกลโคไลซิสสร้าง ATP สุทธิเพียงเล็กน้อยโดยการฟอสโฟรีเลชันระดับสารตั้งต้นโดยตรงเท่านั้น

ออกซิเจนมีบทบาทอย่างไรในออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน?

ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย การรับอิเล็กตรอนที่ปลายสายใยและถูกรีดิวซ์เป็นน้ำ ทำให้อิเล็กตรอนไหลและโปรตอนถูกปั๊มต่อไปได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP