เคมีออสโมซิสและการสังเคราะห์ ATP

เซลล์เก็บพลังงานในความชันของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์และใช้พลังงานนั้นขับเคลื่อนเอนไซม์แบบหมุนที่สร้าง ATP ซึ่งเป็นสกุลเงินหลักของพลังงานทางชีวภาพได้อย่างไร

Definition

เคมีออสโมซิสคือการใช้ความชันของโปรตอนไฟฟ้าเคมีข้ามเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อเชื่อมโยงการขนส่งอิเล็กตรอนที่ปล่อยพลังงานเข้ากับการสังเคราะห์ ATP โดย ATP synthase

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกลไกเคมีออสโมซิสของการเปลี่ยนรูปพลังงาน: การขนส่งอิเล็กตรอนสร้างแรงโปรตอนขับเคลื่อนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างไร ความชันนั้นเก็บพลังงานอิสระได้อย่างไร และ ATP synthase ใช้การไหลกลับของโปรตอนเพื่อสังเคราะห์ ATP ผ่านการหมุนเชิงกลได้อย่างไร หัวข้อนี้จะกล่าวถึงพลังงานและกลไกทางกายภาพ โดยปล่อยกรอบการทำงานทางอุณหพลศาสตร์ที่กว้างขึ้นและรายละเอียดการเผาผลาญให้กับหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• พลังงานจากการขนส่งอิเล็กตรอนถูกเก็บไว้ในรูปของความชันของโปรตอนได้อย่างไร?
• แรงโปรตอนขับเคลื่อนคืออะไร และมีพลังงานอิสระเท่าใด?
• ATP synthase เปลี่ยนการไหลของโปรตอนให้เป็นพลังงานพันธะเคมีได้อย่างไร?
• เหตุใดกลไกแบบหมุนจึงเหมาะสมกับการเชื่อมโยงกระบวนการเหล่านี้?

Key theories

สมมติฐานเคมีออสโมซิส

มิทเชลล์เสนอว่าการขนส่งอิเล็กตรอนปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ และความชันไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้น ไม่ใช่สารตัวกลางทางเคมี เป็นตัวเชื่อมโยงการหายใจกับการฟอสโฟรีเลชัน

การเชื่อมโยงเชิงกลแบบหมุน

ATP synthase ทำหน้าที่เป็นมอเตอร์หมุนระดับโมเลกุล ซึ่งการไหลของโปรตอนผ่านส่วนที่ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์จะหมุนแกนที่ขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเชิงกลที่สังเคราะห์ ATP ในส่วนหัวเร่งปฏิกิริยา

Mechanisms

สายโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนใช้พลังงานอิสระของปฏิกิริยารีดอกซ์เพื่อปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ สร้างแรงโปรตอนขับเคลื่อนที่รวมความแตกต่างของความเข้มข้นและแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ ความชันนี้เป็นแหล่งเก็บพลังงานอิสระ ATP synthase ให้เส้นทางกลับที่ควบคุมได้: โปรตอนที่ไหลลงตามความชันผ่านส่วนของเยื่อหุ้มเซลล์จะหมุนโรเตอร์กลาง และการหมุนนั้นขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างตามลำดับในหน่วยย่อยเร่งปฏิกิริยาที่จับกับสารตั้งต้นและปล่อย ATP กลไกนี้สามารถย้อนกลับได้ ดังนั้นเอนไซม์จึงสามารถปั๊มโปรตอนได้โดยการไฮโดรไลซ์ ATP

Clinical relevance

การเปลี่ยนรูปพลังงานแบบเคมีออสโมซิสมีความสำคัญต่อการทำงานของไมโทคอนเดรีย และการหยุดชะงักของมันเป็นสาเหตุของความผิดปกติของการเผาผลาญและไมโทคอนเดรีย และเป็นเป้าหมายของสารบางชนิด ชีวฟิสิกส์ในที่นี้เป็นพื้นฐานทางการศึกษามากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

History

สมมติฐานเคมีออสโมซิสของมิทเชลล์ในปี 1961 ซึ่งเดิมเป็นที่ถกเถียงกัน ได้เข้ามาแทนที่การค้นหาสารตัวกลางในการเชื่อมโยงทางเคมี กลไกการเปลี่ยนแปลงการจับของบอยเออร์และโครงสร้างของ ATP synthase ของวอล์กเกอร์ในภายหลังได้เปิดเผยเอนไซม์แบบหมุนที่ทำให้เกิดสมมติฐานนี้

Key figures

• Peter Mitchell
• Paul Boyer
• John Walker

Seminal works

• mitchell1961
• nelson2014

Frequently asked questions

แรงโปรตอนขับเคลื่อนคืออะไร?

เป็นพลังงานอิสระที่เก็บไว้ในความชันของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งรวมความแตกต่างของความเข้มข้นของโปรตอนและแรงดันไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ เซลล์ใช้พลังงานนี้เพื่อขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP และการขนส่ง

ATP synthase เป็นมอเตอร์หมุนจริงหรือ?

ใช่ การไหลของโปรตอนผ่านส่วนของเยื่อหุ้มเซลล์จะหมุนโรเตอร์ภายใน และการหมุนนั้นขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเชิงกลที่สังเคราะห์ ATP ซึ่งได้รับการสังเกตโดยตรงแล้ว