ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน

การขนถ่ายอิเล็กตรอนในไมโทคอนเดรียของยูคาริโอต และการสร้าง ATP

ปฏิกิริยาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน (อังกฤษ: Oxidative phosphorylation) เป็นวิถีเมแทบอลิซึมซึ่งใช้พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารอาหารเพื่อสร้างอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เก็บสะสมพลังงานเพื่อใช้ในเมแทบอลิซึม แม้สิ่งมีชีวิตต่าง ๆ บนโลกจะใช้สารอาหารต่างกัน แต่สิ่งมีชีวิตที่อาศัยออกซิเจนแทบทุกชนิดล้วนเกิดปฏิกิริยาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันเพื่อสร้าง ATP สาเหตุที่วิถีนี้พบได้แพร่หลายอาจเป็นเพราะมันเป้นวิถีที่ทรงประสิทธิภาพในการปลดปล่อยพลังงาน เมื่อเทียบกับกระบวนการการหมักทางเลือก เช่น ไกลโคไลสิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic glycolysis)

ระหว่างปฏิกิริยาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน อิเล็กตรอนจะถูกขนส่งจากตัวให้อิเล็กตรอนไปยังตัวรับอิเล็กตรอน เช่น ออกซิเจน ในปฏิกิริยารีดอกซ์ ปฏิกิริยารีดอกซ์เหล่านี้ปลดปล่อยพลังงาน ซึ่งถูกใช้เพื่อสร้าง ATP ในยูคาริโอต ปฏิกิริยารีดอกซ์เหล่านี้ดำเนินโดยโปรตีนคอมเพลกซ์ภายในผนังระหว่างเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรีย ขณะที่ในโปรคาริโอต โปรตีนเหล่านี้พบได้ในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ ชุดโปรตีนที่เกี่ยวโยงกันนี้เรียกว่า ลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอน (electron transport chain) ในยูคาริโอต มีโปรตีนคอมเพลกซ์จำนวนห้าคอมเพลกซ์เข้ามาเกี่ยวข้อง ขณะที่ในโปรคาริโอต อาจพบเอนไซม์หลายชนิด โดยใช้ตัวให้และรับอิเล็กตรอนที่หลากหลาย

พลังงานที่อิเล็กตรอนปลดปล่อยออกมาและไหลผ่านลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอนนี้ถูกนำไปใช้เพื่อขนส่งอิเล็กตรอนข้ามเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย ในกระบวนการที่เรียกว่า เคมิออสโมซิส (chemiosmosis) ซึ่งสร้างพลังงานศักย์ในรูปของความแตกต่าง (gradient) ของค่า pH และศักย์ไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มนี้ การเก็บสะสมพลังงานดังกล่าวจะลดลงเมื่อโปรตอนไหลกลับผ่านเยื่อหุ้มและลดความแตกต่างนี้ ผ่านเอนไซม์ขนาดใหญ่ที่เรียกว่า เอทีพีซินเทส (ATP synthase) เอนไซม์นี้ใช้พลังงานดังกล่าวเพื่อสร้าง ATP จากอะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) ในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชัน ปฏิกิริยานี้ถูกขับเคลื่อนโดยการไหลของโปรตอน ซึ่งทำให้เกิดการหมุนบางส่วนของเอนไซม์ เอทีพีซินเทสเป็นมอเตอร์กลแบบหมุน

แม้ว่า ปฏิกิริยาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันจะเป็นส่วนสำคัญของเมแทบอลิซึม แต่ปฏิกิริยาดังกล่าวก็ผลิตออกซิเจนที่เกิดปฏิกิริยาได้ (reactive oxygen) อย่างซูเพอร์ออกไซด์และไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ ซึ่งนำไปสู่การแพร่กระจายของอนุมูลอิสระ ซึ่งก่อให้เกิดความเสียหายแก่เซลล์ และเป็นสาเหตุหนึ่งของโรคภัยต่าง ๆ และอาจรวมถึงการสูงวัย (ภาวะสู่วัยชรา) ด้วย ยาและพิษหลายชนิดมีฤทธิ์ยับยั้งกิจกรรมของเอนไซม์ที่ดำเนินวิถีเมแทบอลิซึม

แหล่งที่เกิด

การถ่ายเทอิเล็กตรอนเกิดที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย ซึ่งไม่ยอมให้สารชนิดใดผ่านแม้แต่อนุภาคขนาดเล็ก เช่น โปรตอน เว้นแต่สารที่มีตัวขนส่งเฉพาะเท่านั้น ส่วนช่องว่างภายในเยื่อหุ้มชั้นใน บรรจุของเหลวที่เรียกว่า แมกตริกซ์ (matrix) ภายในของเหลวนี้มีเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับวัฏจักรเครบส์ และการย่อยสลายกรดไขมัน

ลำดับการขนส่งอิเล็กตรอน

การขนส่งอิเล็กตรอนในไมโทคอนเดรียเป็นการส่งอิเล็กตรอนเป็นลำดับผ่านตัวรับอิเล็กตรอนต่างๆกันที่อยู่ที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย ตัวรับอิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นเอนไซม์หลายตัวที่ทำงานอยู่ด้วยกันเป็นกลุ่ม (complex) ที่สำคัญมี 4 กลุ่มคือ

• complex I เป็นเอนไซม์ขนาดใหญ่ รับผิดชอบ 2 ปฏิกิริยาคือ รับอิเล็กตรอนจาก NADH + H+ และส่งอิเล็กตรอนต่อให้ยูบิควิโนนซึ่งยูบิควิโนนจะส่งอิเล็กตรอนต่อให้ เอนไซม์กลุ่มที่ 3 และขับ H+ จากแมกตริกซ์เข้าสู่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นนอกและเยื่อหุ้มชั้นใน
• complex II เป็นเอนไซม์ในวัฏจักรเครบส์เพียงตัวเดียวที่ยึดติดกับเยื่อหุ้ม โดยกลุ่มเอนไซม์นี้จะรับอิเล็กตรอนจาก FADH2 และส่งต่อไปให้กลุ้มเอนไซม์ที่ 3 ต่อไป โดยไม่มีการขับ H+ เข้าสู่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้ม
• complex III กลุ่มเอนไซม์นี้ทำหน้าที่ในการรับอิเล็กตรอนจาก ยูบิควิโนนแล้วส่งต่อให้ไซโตโครมซี ซึ่งไซโตโครมซีจะนำอิเล็กตรอนไปส่งให้กลุ่มเอนไซม์ที่ 4 ต่อไป โดยที่กลุ่มเอนไซม์นี้จะมีการขับ H+ เข้าสู่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มด้วย
• complex IV รับอิเล็กตรอนจากไซโตโครม ซีแล้วส่งให้ออกซิเจนได้เป็นน้ำ การทำงานของเอนไซม์กลุ่มนี้จะขับ H+ เข้าสู่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้ม

การเกิดศักย์ไฟฟ้าระหว่างเยื่อหุ้ม

จากข้างต้น หากมีการขับ H+ เข้าสู่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มตลอดเวลาจะทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มกับช่องว่างภายในเยื่อหุ้มชั้นใน กล่าวคือที่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มจะมีสภาพเป็นเหมือนขั้วบวก

การสร้าง ATP

การไหลกลับของโปรตรอนจากที่ที่มีความเข้มข้นมากคือช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มกลับเข้าในเยื่อหุ้มชั้นในจะเกิดขึ้นได้เองตามกฎของการแพร่ เมื่อโปรตรอนไหลกลับผ่านช่องทางเฉพาะ จะนำพลังงานที่ไหลกลับนี้ไปสร้าง ATP โดยช่องทางเฉพาะที่โปรตรอนไหลกลับนี้มีเอนไซม์ ATP synthase อยู่ การไหลกลับของโปรตรอนจะเกิดขึ้นได้เมมื่อมีการสะสมของโปรตรอนถึงระดับที่กำหนด ซึ่ง ณ ระดับนั้น การขนส่งอิเล็กตรอนผ่านกลุ่มเอนไซม์ต่างๆจะหยุด จากนั้นจึงจะมีการไหลกลับของโปรตรอนเพื่อสร้าง ATP

การควบคุมปฏิกิริยา

ความต้องการพลังงานของเซลล์เป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชั่น อัตราการหายใจจะถูกควบคุมด้วยปริมาณ ADP ถ้า ADP สูง อัตราการหายใจและการเกิดปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชั่นจะสูง เมื่อปริมาณ ATP สูง อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะต่ำลง เพราะจะสร้าง ATP เท่าที่ตำเป็นต้องใช้เท่านั้น ในเซลล์บางชนิดจะนำพลังงานที่ได้จากการไหลกลับของโปรตรอนไปสร้างความร้อน ไม่ได้นำไปสร้าง ATP เช่นเซลล์ในเนื้อเยื่อไขมันที่มีไมโทคอนเดรียมาก ซึ่งเรียกว่า brown fat เพราะจะเห็นเนื้อเยื่อที่มีเซลล์ชนิดนี้อยู่เป็นสีน้ำตาล ความร้อนที่ได้นี้จะนำไปใช้สร้างความอบอุ่นให้แก่ร่างกาย

อ้างอิง

• Lehninger, A.L., Nelson, D.L., and Cox, M.M. 1993. Principle of Biochemistry. 2nd ed. New York.: Worth