酸化的リン酸化：段階、機能、阻害剤 - 生物学 - 2025

酸化的リン酸化は、分子は、ADPおよびPからATPが合成されるプロセスである_I（無機リン酸）。このメカニズムは細菌と真核細胞によって実行されます。真核細胞では、リン酸化は非光合成細胞のミトコンドリアマトリックスで行われます。

ATP産生は、補酵素NADHまたはFADH ₂からO ₂への電子の移動によって駆動されます。このプロセスは細胞内の主要なエネルギー生産を表しており、炭水化物と脂肪の分解に由来します。

出典：Robot8A

陽子原動力としても知られている、電荷勾配とpH勾配に保存されているエネルギーにより、このプロセスを実行できます。生成されるプロトン勾配により、プロトン（H ⁺）の濃度とミトコンドリアマトリックスが負になるため、膜の外側の部分が正に帯電します。

酸化的リン酸化はどこで起こりますか？

電子輸送と酸化的リン酸化のプロセスは、膜と関連しています。原核生物では、これらのメカニズムは原形質膜を通じて起こります。真核細胞では、ミトコンドリア膜に結合します。

細胞に見られるミトコンドリアの数は、細胞の種類によって異なります。たとえば、哺乳動物では、赤血球はこれらの細胞小器官を欠いていますが、筋肉細胞などの他の細胞タイプは、それらの数百万まで持つことができます。

ミトコンドリア膜は、単純な外膜、やや複雑な内膜、そしてそれらの間に多くのATP依存性酵素が配置されている膜間空間で構成されています。

外膜には、小分子の単純な拡散のためのチャネルを形成するポーリンと呼ばれるタンパク質が含まれています。この膜は、ミトコンドリアの構造と形状を維持する責任があります。

内膜は密度が高く、タンパク質が豊富です。また、分子やイオンを透過させないため、それらを通過させるには、それらを輸送する膜間タンパク質が必要です。

マトリックスの内側では、内膜の折り目が伸びており、小さなボリュームで大きな面積を持つことができるリッジを形成しています。

セル発電所

ミトコンドリアは細胞のエネルギー生産者と考えられています。これには、クエン酸回路、脂肪酸酸化のプロセスに関与する酵素、および電子輸送とADPのリン酸化に関与するレドックス酵素とタンパク質が含まれています。

プロトン濃度勾配（pH勾配）とミトコンドリアの内膜の電荷勾配または電位は、プロトン原動力の原因です。イオン（H ⁺以外）の内膜の透過性が低いため、ミトコンドリアは安定した電圧勾配を持つことができます。

電子輸送、プロトンポンピング、およびATP生成は、プロトン原動力のおかげで、ミトコンドリアで同時に発生します。pH勾配は、膜間およびミトコンドリアマトリックス内の酸性条件をアルカリ性条件で維持します。

O _2に転送された2つの電子ごとに、約10の陽子が膜を介してポンプで送られ、電気化学的勾配が生じます。このプロセスで放出されるエネルギーは、電子が輸送チェーンを通過することによって徐々に生成されます。

ステージ

NADHとFADH ₂の酸化還元反応中に放出されるエネルギーはかなり高いため（電子のペアごとに約53 kcal / mol）、ATP分子の製造に使用するには、トランスポーターを通る電子の通過。

これらはミトコンドリア内膜にある4つの複合体に組織化されています。これらの反応とATPの合成のカップリングは、5番目の複合体で行われます。

電子輸送チェーン

NADHは、電子輸送チェーンの複合体Iに入る電子のペアを転送します。電子はフラビンモノヌクレオチドに転送され、次に鉄硫黄トランスポーターを介してユビキノン（コエンザイムQ）に転送されます。このプロセスは、大量のエネルギー（16.6 kcal / mol）を放出します。

ユビキノンは膜を横切って電子を錯体IIIに輸送します。この複合体では、電子は鉄硫黄トランスポーターのおかげでシトクロムbとc _1を通過します。

電子は、複合体IIIから複合体IV（​​シトクロムcオキシダーゼ）に移動し、シトクロムc（末梢膜タンパク質）を1つずつ移動します。複合体IVでは、電子は銅イオンのペア（Cu _a ²⁺）を通過し、次にチトクロームc _a、次に別の銅イオンのペア（Cu _b ²⁺）、そしてこれからチトクロームa _3に通過します。

最後に、電子は最後のアクセプターであるO _2に転送され、受け取った電子のペアごとに水分子（H ₂ O）を形成します。錯体IVからO ₂への電子の通過も、大量の自由エネルギー（25.8 kcal / mol）を生成します。

コハク酸CoQ還元酵素

複合体II（コハク酸CoQレダクターゼ）は、コハク酸分子がフマル酸に酸化することにより、クエン酸サイクルから電子のペアを受け取ります。これらの電子は、鉄硫黄グループを通過してFADに転送され、ユビキノンになります。この補酵素から、それらは複合体IIIに移動し、前述のルートに従います。

FADへの電子移動反応で放出されるエネルギーは、膜を通過するプロトンを駆動するのに十分ではないため、チェーンのこのステップでプロトン原動力は生成されず、その結果、FADHは生成するH ⁺が少なくなります。NADHより。

エネルギーの結合または変換

前述の電子輸送プロセスで生成されたエネルギーは、酵素ATPシンターゼまたは複合体Vによって触媒される反応であるATPの生成に使用できる必要があります。このエネルギーの保存はエネルギーカップリングと呼ばれ、そのメカニズムは特徴づけることは難しい。

このエネルギー変換を説明するために、いくつかの仮説が説明されています。最もよく受け入れられているのは、以下で説明する化学結合の仮説です。

化学浸透圧カップリング

このメカニズムは、ATP合成に使用されるエネルギーが細胞膜のプロトン勾配に由来することを示唆しています。このプロセスは、ミトコンドリア、葉緑体、細菌に介入し、電子の輸送に関連しています。

電子輸送の複合体IおよびIVは、プロトンポンプとして機能します。これらは、プロトンを膜間空間に送り込むことを可能にする構造変化を受けます。複合体IVでは、電子の各ペアに対して、2つのプロトンが膜からポンプで排出され、さらに2つがマトリックスに残り、H ₂ Oを形成します。

複合体IIIのユビキノンは、複合体IおよびIIからプロトンを受け取り、膜の外側に放出します。錯体IおよびIIIはそれぞれ、輸送された電子の各ペアに対して4つの陽子の通過を許可します。

ミトコンドリアのマトリックスはプロトンの濃度が低く、電位が負ですが、膜間空間は逆の状態を示します。この膜を通過するプロトンの流れは、ATPの合成に必要なエネルギー（±5 kcal / mol /プロトン）を格納する電気化学勾配を表します。

ATP合成

酵素ATPシンテターゼは、酸化的リン酸化に関与する5番目の複合体です。電気化学勾配のエネルギーを利用してATPを形成します。

この膜貫通タンパク質は、F ₀とF ₁の2つのコンポーネントで構成されています。F ₀成分がチャネルとして機能し、ミトコンドリアマトリックスへのプロトンの復帰を可能にし、F _1は、 ADP及びPを介してATPの合成を触媒_I前記リターンのエネルギーを使用して、。

ATP合成プロセスでは、F _1の構造変更と、コンポーネントF ₀およびF _1のアセンブリが必要です。F ₀を介したプロトンの転座は、F _1の 3つのサブユニットにコンフォメーション変化を引き起こし、回転のモーターとして機能し、ATPの形成を指示します。

ADPとP _iの結合に関与するサブユニットは、弱い状態（L）からアクティブな状態（T）に変化します。ATPが形成されると、2番目のサブユニットが開いた状態（O）になり、この分子の放出が可能になります。ATPが解放されると、このサブユニットはオープン状態から非アクティブ状態（L）になります。

ADPおよびP _i分子は、O状態からL状態に移行したサブユニットに結合します。

製品

電子輸送鎖とリン酸化によりATP分子が生成されます。NADHの酸化により、約52.12 kcal / mol（218 kJ / mol）の自由エネルギーが生成されます。

NADHの酸化に対する全体的な反応は次のとおりです。

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔H ₂ O + NAD ⁺

NADHおよびFADH ₂からの電子の移動はさまざまな複合体を介して行われるため、自由エネルギーの変化ΔG°は、ATP合成に結び付いた、より小さなエネルギーの「パケット」に分解されます。

NADHの1分子の酸化により、3分子のATPが合成されます。一方、FADH _2の分子の酸化は、2つのATPの合成と結びついています。

これらの補酵素は解糖とクエン酸サイクルのプロセスから生じます。分解されたグルコースの各分子について、細胞の位置に応じて、36または38分子のATPが生成されます。脳と骨格筋では36 ATPが生成され、筋肉組織では38 ATPが生成されます。

特徴

単細胞および多細胞のすべての生物は、細胞内のプロセスを実行し、生物全体の生命機能を維持するために、細胞内で最小限のエネルギーを必要とします。

代謝プロセスにはエネルギーが必要です。使用可能なエネルギーのほとんどは、炭水化物と脂肪の分解から得られます。このエネルギーは、酸化的リン酸化プロセスに由来します。

酸化的リン酸化の制御

細胞内のATP利用率はその合成を制御し、次に酸化的リン酸化と電子輸送鎖のカップリングにより、一般的に電子輸送の速度も調節します。

酸化的リン酸化には厳密な制御があり、ATPが消費されるよりも速く生成されないようにします。電子輸送と共役リン酸化のプロセスには、エネルギー生成の速度を制御する特定のステップがあります。

ATP生産の調整された制御

エネルギー生産（細胞ATP）の主な経路は、解糖、クエン酸回路、および酸化的リン酸化です。これら3つのプロセスの協調制御は、ATPの合成を調節します。

ATPの質量作用比によるリン酸化の制御は、輸送鎖における電子の正確な供給に依存しています。これは次に/比に依存します。これは解糖作用とクエン酸回路によって高く保たれます。

この協調制御は、解糖制御点（クエン酸抑制PFK）とクエン酸回路（ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、クエン酸タパーゼ、イソクエン酸デヒドロゲナーゼ、α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼ）を制御することによって実行されます。

アクセプターによる制御

Complex IV（チトクロームcオキシダーゼ）は、その基質の1つによって調節される酵素です。つまり、その活性は還元型チトクロームc（c ²⁺）によって制御されます。/および/ +の質量作用比。

/比が高く、/ +が低いほど、シトクロムの濃度が高くなり、複雑なIV活性が高くなります。これは、たとえば、安静時と活動性の活動が異なる生物を比較した場合に解釈されます。

身体活動が高い個人では、ATPの消費、したがってADP + P _iへの加水分解が非常に高くなり、質量作用比に差が生じ、その結果、 ATPの合成。安静時の個人では、逆の状況が発生します。

最終的に、酸化的リン酸化の速度は、ミトコンドリア内のADPの濃度とともに増加します。前記濃度は、細胞質ゾルからミトコンドリアマトリックスへのアデニンヌクレオチドおよびP _iの輸送に関与するADP-ATPトランスロケーターに依存する。

脱共役剤

酸化的リン酸化は、ADPリン酸化が発生せずに電子輸送を続行できるようにする特定の化学物質の影響を受け、エネルギーの生成と保存を切り離します。

これらの薬剤は、ADPの非存在下でミトコンドリアの酸素消費率を刺激し、ATP加水分解の増加も引き起こします。それらは、電子輸送チェーンの中間状態を削除するか、エネルギー状態を破壊することによって機能します。

ミトコンドリア膜を通過する弱酸である2,4-ジニトロフェノールは、酸性側で結合し、塩基性側でそれらを放出するため、プロトン勾配の消散に関与しています。

この化合物は「ダイエットピル」として使用されました。これは、呼吸の増加、したがって代謝率の増加と関連する体重減少をもたらすことが判明したためです。しかし、そのマイナスの影響で死に至ることさえあることが示されました。

プロトン勾配の散逸により熱が発生します。褐色脂肪組織の細胞はホルモン制御された脱共役を利用して熱を生成します。冬眠中の哺乳類や毛髪のない新生児は、一種の熱毛布として機能するこの組織で構成されています。

阻害剤

阻害性化合物または薬剤は、O ₂消費（電子輸送）および関連する酸化的リン酸化の両方を防止します。これらの薬剤は、電子輸送で生成されたエネルギーの使用を通じてATPの形成を防止します。したがって、エネルギー消費が利用できない場合、輸送チェーンは停止します。

抗生物質オリゴマイシンは、多くの細菌でリン酸化阻害剤として機能し、ADPからATP合成への刺激を防ぎます。

K ⁺やNa ⁺などのカチオンと脂溶性の複合体を形成し、これらのカチオンとミトコンドリア膜を通過するイオノフォア剤もあります。ミトコンドリアは、ATPを合成する代わりに、電子輸送で生成されたエネルギーを使用してカチオンをポンプします。

参考文献

1. アルバーツ、B。、ブレイ、D。、ホプキン、K。、ジョンソン、A。、ルイス、J。、ラフ、M。、ロバーツ、K。&ウォルター、P。（2004）。本質的な細胞生物学。ニューヨーク：ガーランドサイエンス。
2. クーパー、GM、ハウスマン、RE&ライト、N（2010）。セル。（pp.397-402）。マーバン。
3. Devlin、TM（1992）。生化学の教科書：臨床相関と。John Wiley&Sons、Inc.
4. ギャレット、RH、およびグリシャム、CM（2008）。生化学。トムソン・ブルックス/コール。
5. Lodish、H.、Darnell、JE、Berk、A.、Kaiser、CA、Krieger、M.、Scott、MP、&Matsudaira、P.（2008）。分子細胞生物学。マクミラン。
6. Nelson、DL、&Cox、MM（2006）。レーニンガー生化学原則第4版。エドオメガ。バルセロナ。
7. Voet、D。、およびVoet、JG（2006）。生化学。Panamerican Medical Ed。