การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electrontranspot)

กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน เกิดขึ้นในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย เป็นกระบวนการที่เกิดต่อเนื่องจากวัฏจักรเครบส์ แหล่งของอิเล็กตรอนคือ NADH และ FADH₂ ซึ่งเมื่อถูกออกซิไดซ์ อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะถูกส่งต่อเป็นทอดๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอนหลายตัวไปจนถึงปลายสุดของระบบ อิเล็กตรอนจะไปรีดิวซ์ O₂ ให้เป็น H₂O กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนในการหายใจ (respiration) นี้คล้ายกับที่เกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ของพืชในขั้นตอนของปฏิกิริยาที่ใช้แสง ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นช่วง ๆ จะเกิดพลังงานอิสระซึ่งจะนำไปใช้ในการสร้าง ATP ด้วยกระบวนการที่เรียกว่าออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน (oxidative phosphorylation) การสร้าง ATP ในกระบวนการนี้ไม่ใช่การสร้าง ATP โดยตรงแบบ substrate-level phosphorylation (ย้ายหมู่ฟอสเฟตของซับสเตรตซึ่งเป็นสารพลังงานสูงให้ ADP) เหมือนที่สร้างจากวิถีไกลโคลิซีสและวัฏจักรเครบส์ แต่จะเป็นการสร้างแบบที่ต้องมีการเชื่อมโยงกับการออกซิเดชันในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนซึ่งทำให้เกิดการปั๊มของโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย  ดังที่จะได้อธิบายรายละเอียดในหัวข้อต่อไป

รูปที่ 1 การถ่ายทอดอิเล็กตรอน วัฏจักรเครบส์ส่งอิเล็กตรอน ผ่านทาง NADH และ FADH₂ เข้ามาในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน ระบบนี้จะให้พลังงานสำหรับการสร้าง ATP  สัดส่วนใหญ่ของ ATP จากกระบวนการหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration) มาจากส่วนของออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน

ท่านทราบไหมว่า เมื่อกลูโคสถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ให้เป็น CO₂ และ H₂O จะได้ ATP จากกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชันในสัดส่วนเท่าไรของปริมาณที่จะได้ทั้งหมด

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นเป็นทอดๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นกลุ่มของโปรตีน (ซึ่งหลายตัวเป็นเอนไซม์) และมีโคเอนไซม์ และโคแฟคเตอร์หลายตัวรวมอยู่ด้วยกัน กลุ่มโปรตีนเหล่านี้ ได้แก่ complex I, II, III และ IV ลำดับของการถ่ายทอดอิเล็กตรอนได้แสดงไว้ในรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงให้เห็นการส่งอิเล็กตรอนเป็นช่วงๆ ในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport system ซึ่งบางครั้งเรียกว่า electron transport chain หรือ respiratory chain)

องค์ประกอบของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน คือ complex I, II, III และ IV ฝังตัวอยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย (ดังแสดงในรูปที่ 4.3) นอกจากกลุ่มโปรตีน 4 กลุ่มนี้ ยังมีโคเอนไซม์ Q และ ไซโตโครม c (cytochrome c ) ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้เพื่อช่วยในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนระหว่างกลุ่มโปรตีน ดังกล่าว 

NADH และ FADH₂ ให้อิเล็กตรอนแก่ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนเหมือนกันหรือต่างกันอย่างไร

รูปที่ 3 แสดงให้เห็นถึงองค์ประกอบของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนที่อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย

โครงสร้างของไมโทคอนเดรีย

ไมโทคอนเดรีย เป็นโครงสร้างที่มีเยื่อหุ้ม 2 ชั้น ดังแสดงในรูปที่ 4 เยื่อหุ้มชั้นนอกหุ้มรอบโครงสร้าง ส่วนเยื่อหุ้มชั้นในจะพับไปพับมา ส่วนที่พับเข้าไปเรียกว่า คริสตี้ (cristae) องค์ประกอบทุกตัวที่ทำหน้าที่ถ่ายทอดอิเล็กตรอน และทำงานในกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน ล้วนแต่อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียทั้งสิ้น กลุ่มโปรตีนและโคแฟคเตอร์เหล่านี้จะแทรกตัวอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นใน (ที่มีองค์ประกอบเป็นไขมัน
หรือที่เรียกว่า lipid bilayer) ส่วนในสุดของไมโทคอนเดรียเรียกว่า แมทริกซ์ (matrix) มีลักษณะเป็นเจล เป็นแหล่งที่มีเอนไซม์สำหรับวัฏจักรเครบส์ รวมทั้งสารอินทรีย์อื่นๆ ที่ทำหน้าที่เป็นซับสเตรต โคแฟคเตอร์ รวมทั้งอิออนต่างๆ

 

รูปที่ 4 ภาพไมโทคอนเดรียและภาพขยายของไมโทคอนเดรียแสดงให้เห็นส่วนต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการหายใจ รูปล่างขวาสุด เป็นรูปถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
Mitochondria ?

Mitochondria are the energy factories of the cells. The energy currency for the work that animals must do is the energy-rich molecule adenosine triphosphate (ATP). The ATP is produced in the mitochondria using energy stored in food. Just as the chloroplasts in plants act as sugar factories for the supply of ordered molecules to the plant, the mitochondria in animals and plants act to produce the ordered ATP molecules as the energy supply for the processes of life.
A typical animal cell will have on the order of 1000 to 2000 mitochondria. So the cell will have a lot of structures that are capable of producing a high amount of available energy. This ATP production by the mitochondria is done by the process of respiration, which in essence is the use of oxygen in a process which generates energy. This is a very efficient process for using food energy to make ATP. One of the benefits of "aerobic exercise" is that it improves your body's ability to make ATP rapidly using the respiration process.
All living cells have mitochondria. Hair cells and outer skin cells are dead cells and no longer actively producing ATP, but all cells have the same structure. Some cells have more mitochondria than others. Your fat cells have many mitochondria because they store a lot of energy. Muscle cells have many mitochondria, which allows them to respond quickly to the need for doing work.
ATP ถูกสร้างขึ้นได้อย่างไร ?

การสร้าง ATP โดยวิธีการที่เรียกว่า ออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน ในกระบวนการหายใจนี้ จะคล้ายกับในเรื่องของการสังเคราะห์ด้วยแสง พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นช่วงๆ ในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะนำไปใช้ในการปั๊มโปรตอน ( H⁺) ในที่นี้คือ จากส่วนแมทริกซ์ไปที่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอกของไมโทคอนเดรีย โปรตอนจะสะสมอยู่ด้านนอกมาก และจะเกิดความแตกต่างของความเข้มข้นของ H⁺ ของทั้ง 2 ฝั่งมาก (proton gradient) สภาพเช่นนี้ทำให้ pH ของด้านนอกต่ำกว่าของด้านใน (ประมาณ 1 หน่วย) และทำให้เกิดความต่างศักย์บนเยื่อหุ้ม คือเยื่อหุ้มชั้นในทางด้านช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์มีสภาพเป็นบวก และทางด้านแมทริกซ์มีสภาพเป็นลบ

รูปที่ 5 ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอน โปรตอน ( H⁺) ถูกปั๊มจากแมทริกซ์ ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในออกไปด้านนอกที่ติดกับไซโตซอลความแตกต่างของโปรตอน ( proton gradient) ใน 2 ด้านของเยื่อหุ้มชั้นในหรือที่บางครั้ง เรียกว่า แรงขับเคลื่อนโปรตอน ( proton-motive force) จะถูกนำมาใช้ในการสร้าง ATP โดยกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน

ถึงแม้ว่าจะมีปริมาณโปรตอนที่สะสมอยู่ในทางด้านนอกของเยื่อหุ้มชั้นในจะสูงกว่าทางด้าน
แมทริกซ์มากแต่เยื่อหุ้มนี้จะไม่ยอมให้ H⁺ ซึมผ่านกลับไปยังด้านแมทริกซ์โดยอิสระได้ตลอดทุกพื้นที่ของเยื่อหุ้ม แต่ H⁺จะผ่านไปได้เฉพาะบริเวณจำเพาะที่อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในเท่านั้น ซึ่งช่อง (channel) ที่ H⁺ ผ่านนี้เป็นส่วนหนึ่งของเอนไซม์ ATP synthase ที่กระจายอยู่ตลอดบนเยื่อหุ้มชั้นใน ขณะที่ H⁺ ผ่านช่องดังกล่าวเพื่อกลับสู่แมทริกซ์จะเกิดพลังงานที่ใช้สร้าง ATP ในขณะนั้นเลย

รูปที่ 6 ภาพแสดงให้เห็นถึงกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน และการสร้าง ATP ซึ่งเชื่อมโยงกันด้วยการไหลของโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน

สรุปได้ว่า แหล่งพลังงานที่ใช้สร้าง ATP มาจากความแตกต่างของโปรตอนระหว่าง 2 ด้าน ของเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย

กลไกการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

ทุกกลุ่มโปรตีนที่แทรกตัวอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในที่ทำหน้าที่เป็นตัวพาอิเล็กตรอนไม่ว่าจะเป็น complex I หรือ II หรือ III หรือ IV ประกอบด้วยโปรตีน (เอนไซม์) หลายตัวที่เกาะอยู่กับหมู่ ที่เรียกว่า prosthetic group

ตารางแสดงถึงหมู่ prosthetic ขององค์ประกอบของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน

องค์ประกอบของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน	หมู่ prosthetic
Complex I (NADH dehydrogenase)    Complex II (Succinate dehydrogenase)    Complex III (Cytochrome bc1 complex)    Cytochrome c    Complex IV (Cytochrome oxidase)	FMN, Fe-S FAD, Fe-S Hemes, Fe-S Heme Hemes, Cu

ที่สามารถถูกออกซิไดซ์และรีดิวซ์ได้ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอน หมู่เหล่านี้ จำเป็นสำหรับการทำงานของเอนไซม์ เช่น FMN (flavin mononucleotide) ใน complex I ซึ่งเป็นโคเอนไซม์ของเอนไซม์ NADH dehydrogenase

FAD (flavin adenine dinucleotide) มีโครงสร้างและหน้าที่คล้ายๆ กับ NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) สูตรโครงสร้างของ NAD ประกอบด้วย niacin (หรือ nicotinic acid ซึ่งคือ วิตามิน B₃) ขณะที่ของ FAD ประกอบด้วย riboflavin (หรือวิตามิน B₂) ทั้ง 2 ตัวทำหน้าที่เป็นโคเอนไซม์ในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน ช่วยให้เอนไซม์dehydrogenase ทำหน้าที่โยกย้ายไฮโดรเจนจากโมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่ง
FMN นั้น คือ flavin mononucleotide สูตรโครงสร้างต่างจาก FAD เล็กน้อย ดังแสดงในรูปทั้ง 2 ตัวจะรับ 2 e^- และ 2 H⁺ เพื่อกลายเป็น FMNH₂ และ FADH₂ ได้เหมือนกัน

 

เพิ่มคำอธิบายภาพ

รูปที่ 7 โครงสร้างของ FAD (flavin adenine dinucleotide)

นอกจากกลุ่มโปรตีน I, II, III และ IV ซึ่งแทรกตัวอยู่ในเยื่อหุ้ม ยังมีองค์ประกอบอีก 2 ตัว ที่อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในแต่สามารถเคลื่อนที่ไปมาได้ คือ โคเอนไซม์ Q (ไม่ใช่โปรตีน เป็นสารโมเลกุลเล็กที่มีสูตรโครงสร้างที่ทำให้ละลายในไขมันได้ดี

Coenzyme Q หรือที่มีชื่อทางเคมีว่า Ubiquinone จากสูตรโครงสร้าง จะเห็นได้ว่ามีคุณสมบัติเป็น hydrophobic และจะเคลื่อนที่ในเยื่อหุ้ม (ซึ่งเป็นไขมัน) ของไมโทคอนเดรียได้ดี ในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน coenzyme Q ทำหน้าที่เป็นสารตัวกลาง รับอิเล็กตรอนมาจาก NADH (ผ่าน complex I) และ FADH₂ (ผ่าน complex II) เพื่อส่งให้ complex III ต่อไป

หมู่ side chain (ที่เรียกว่า isoprenoid) มีขนาดต่าง ๆ กัน ขึ้นกับสปีิชีส์ เช่น สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมี 10 หน่วย (เรียกว่า Coenzyme Q₁₀) ในแบคทีเรียมี 6 หน่วยเป็นต้น ปฏิกิริยารีดักชันของ coenzyme Q หรือ ubiquinone เกิดขึ้นใน 2 ขั้นตอน ดังแสดงในรูป

รูปที่ 8 โครงสร้างของ Coenzyme Q ซึ่งจะทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนจาก NADH ผ่านทาง complex I และรับอิเล็กตรอนจาก FADH₂ ผ่านทาง complex II เพื่อส่งให้ complex III ต่อ องค์ประกอบอีกตัวคือ ไซโตโครม c (cytochrome c)            

ภาพจำลองของโครงสร้างของไซโตโครม c ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีฮีมเป็นหมู่ prosthetic ในระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอน Fe (สีแดง) ในฮีม (สีเหลือง) จะถูกออกซิไดซ์และรีดิวซ์สลับกันไป

รูปที่ 9 โครงสร้างของไซโตโครม c (cytochrome c)  

สูตรโครงสร้างเคมีของส่วนฮีมของไซโตโครม มีดังรูปข้างล่างนี้

รูปที่ 10 สูตรโครงสร้างเคมีของส่วนฮีมของไซโตโครม

ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีฮีม (heme) เปรียบได้เหมือนกับฮีโมโกลบินที่เป็นโปรตีนในเม็ดเลือดแดง แต่ไซโตโครมนี้จะทำหน้าที่ีรับอิเล็กตรอน ไม่ใช่รับ O₂ เหมือนฮีโมโกลบิน โดยที่ไซโตโครม c จะรับอิเล็กตรอนจาก complex III เพื่อส่งให้ complex IV ที่มีชื่อว่า ไซโตโครม ออกซิเดส (cytochrome oxidase) ซึ่งเป็นองค์ประกอบตัวสุดท้ายของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน ทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยารีดักชันของ O₂

รูปที่ 11 แสดงการถ่ายทอดอิเล็กตรอน จาก NADH ผ่าน complex I และจาก FADH₂ ผ่าน complex II ไปยัง complex III และ complex IV โดยมีโคเอนไซม์ Q และ ไซโตโครม c ซึ่งเคลื่อนที่ได้้เป็นตัวช่วยรับอิเล็กตรอนระหว่าง complex ในแต่ละ complex จะมีการรับและให้อิเล็กตรอน (รีดักชันและออกซิเดชัน) และมีการปั๊มโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นในออกจากด้านแมทริกซ์ไปที่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นนอกและใน

รายละเอียดของการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแต่ละขั้นตอนที่เกิดต่อกันเป็นทอดๆ ตลอดระบบจาก complex I ไปถึง complex IV มีดังแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 12 แสดงให้เห็นถึงปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันในการถ่ายทอดอิเล็กตรอน ผ่านแต่ละ องค์ประกอบของ complex I และ complex II ไปยัง complex III และ IV

ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนไม่ได้เป็นตัวสร้าง ATP โดยตรง หน้าที่ของมันคือ นำอิเล็กตรอนที่ได้จากสารอาหาร (ในรูปของ NADH และ FADH₂) ไปยัง O₂ ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนในแต่ละช่วงจะเกิดพลังงานอิสระในปริมาณมากพอที่จะนำไปสร้าง ATP เพื่อที่จะให้เข้าใจถึงกลไกนี้ เราจะไปศึกษารายละเอียดของการส่งอิเล็กตรอนในแต่ละองค์ประกอบของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน

กลไกการถ่ายทอดอิเล็กตรอนอาจแบ่งได้เป็น 4 ช่วง

1) NADH ส่งอิเล็กตรอนให้ complex I

รูปที่ 13 การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจาก NADH ให้โคเอนไซม์ Q ผ่าน complex I

อิเล็กตรอนจาก NADH จะเข้าสู่ระบบที่ส่วนของ complex I ที่มีชื่อว่า NADH-Q-oxidoreductase ( บางครั้งเรียกว่า NADH dehydrogenase complex) ซึ่งเป็นกลุ่มเอนไซม์ที่มี FMN และ Fe-S เป็นหมู่ prosthetic และเร่งปฏิกิริยาการส่งอิเล็กตรอนจาก NADH ไปยังโคเอนไซม์ Q

ปฏิกิริยาใน complex I เกิดเป็นขั้นตอนดังนี้

1. NADH จะเข้าไปเกาะกับ complex I และส่งอิเล็กตรอน 2 ตัว ให้แก่ FMN ทำให้ FMN ถูกรีดิวซ์กลายเป็น FMNH₂

2. FMNH₂ ให้อิเล็กตรอนต่อแก่ Fe-S  Fe-S (หรือบางครั้งเรียกว่า ISP คือ iron sulphur protein) จะจับกับโปรตีนตรงหมู่ SH ของกรดอะมิโนที่ชื่อ cysteine

รูปที่ 14 โครงสร้างของ Fe-S (หรือบางครั้งเรียกว่า ISP คือ iron sulphur protein) รูปบน Fe-S 2 ตัว จับกับโปรตีน รูปล่าง Fe-S 4 ตัว จับกับโปรตีน ซึ่งเป็นกลุ่มของเหล็กและซัลเฟอร์หลายตัว (คลิกเพื่อดู โครงสร้าง) ซึ่งสถานะของ Fe ใน Fe-S จะเป็น Fe²⁺ เมื่อถูกรีดิวซ์ (รับอิเล็กตรอน) และเป็น Fe³⁺ เมื่อถูกออกซิไดซ์ (ให้อิเล็กตรอน)

3. Fe-S จะให้อิเล็กตรอนแก่โคเอนไซม์ Q (Q ถูกรีดิวซ์กลายเป็น QH ₂) การไหลของอิเล็กตรอน 2 ตัว จาก NADH ไป โคเอนไซม์ Q ทำให้เกิดปั๊มของโปรตอน ( H⁺) 4 ตัว จากด้านในคือ แมทริกซ์ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในออกไปที่ส่วนของช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอกของไมโทคอนเดรีย

สรุปปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้ คือ

NADH + Q + 5 H⁺_matrix   ----->    N AD⁺ + QH ₂ + 4 H⁺_cytosol

Q หมายถึง โคเอนไซม์ Q

2) FADH₂ ส่งอิเล็กตรอนให้ complex II

รูปที่ 15 การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจาก FADH₂ ให้โคเอนไซม์ Q ผ่าน complex II

FADH₂ ถูกสร้างขึ้นในวัฏจักรเครบส์จากการออกซิไดซ์ succinate ให้เป็น fumarate โดย succinate dehydrogenase ซึ่งเอนไซม์ตัวนี้เป็นส่วนหนึ่งของ succinate-Q-reductase หรือ complex II ในการนี้ FADH₂ ที่เกิดขึ้นจะไม่หลุดออกจากเอนไซม์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ complex II และจะส่งอิเล็กตรอน 2 ตัว จากโมเลกุลไปให้กลุ่ม Fe-S โดยตรง ซึ่ง Fe-S ก็จะส่งต่อให้โคเอนไซม์ Q (ทำนองเดียวกันกับที่เกิดขึ้นใน complex I) แต่ complex II จะต่างจาก complex I ตรงที่ไม่มีการปั๊มโปรตอน ( H⁺) ผ่านเยื่อหุ้ม ทั้งนี้เพราะพลังงานอิสระที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาจะน้อยกว่าที่จะทำได้ ดังนั้น ปริมาณ ATP ที่จะสร้างขึ้นได้จากการออกซิไดซ์ FADH₂ จะน้อยกว่าของ NADH

3) อิเล็กตรอนถูกถ่ายทอดจากโคเอนไซม์ Q ผ่าน complex III ไปยังไซโตโครม c

รูปที่ 16 การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากโคเอนไซม์ Q ให้ไซโตโครม c ผ่าน complex III complex III คือ Q-cytochrome c oxidoreductase บางครั้งเรียกว่า cytochrome b c₁ complex เพราะ ประกอบด้วยไซโตโครม 2 ชนิด คือ b และ c₁ (ซึ่งมี heme ที่มี Fe) และยังมีกลุ่มโปรตีน Fe-S เกาะอยู่ด้วย หน้าที่ของ complex III หรือ cytochrome reductase คือจะรับอิเล็กตรอน (2 ตัว) จากโคเอนไซม์ Q (QH₂) และส่งต่อไปยัง cytochrome c  และในขณะเดียวกันก็ปั๊มโปรตอน ( H⁺) ผ่านเยื่อหุ้มออกไปด้านนอก ในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากโคเอนไซม์ Q ไปยัง complex III นั้นโคเอนไซม์ Q จะถูกออกซิไดซ์และรีดิวซ์ (Q และ QH₂) สลับกันเป็นวัฏจักรที่เรียกว่า Q cycle  Q cycle เป็นวัฏจักรของการถ่ายทอดอิเล็กตรอนใน complex III ในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากไซโตโครม b ไปยังไซโตโครม c โดยเกิดขึ้นเป็น 2 วัฏจักร ดังแสดงในรูป

รูปที่ 17 แสดงวัฎจักร Q cycle (ที่มา : Donald Voet and Judith Voet (2004) Biochemistry 3^rd edition, John Wiley & Sons Inc.)

วัฏจักรที่ 1 : คือปฏิกิริยา ที่ 1 – 7 วัฏจักรที่ 2 : คือปฏิกิริยาที่ 1 – 6 และ 8

ปฏิกิริยาเกิดดังนี้คือ

(1) complex I และ II รับอิเล็กตรอนจาก coenzyme QH₂ จากทางด้าน matrix ของเยื่อหุ้ม
(2) QH₂จะเคลื่อนจากด้าน matrix มาที่ด้านนอก
(3) QH₂ จะรีดิวซ์ ISP (iron sulphur protein) เกิดเป็น Q semiquinone และปล่อย 2H⁺
ออกมา ISP จะไปรีดิวซ์ไซโตโครม c₁
(4) Q จะไปรีดิวซ์ฮีม b_L ได้เป็น coenzyme Q
(5) Q จะ เคลื่อนมาด้าน matrix
(6) ฮีม b_L จะไปรีดิวซ์ฮีม b_H (7) Q ถูกรีดิวซ์เป็น Q
โดยฮีม b_H (เกิดขึ้นในวัฏจักรที่ 1 เท่านั้น) ในขั้นที่ (8) Q ถูกรีดิวซ์เป็น QH₂ โดยฮีม b_H (เกิดขึ้นเฉพาะในวัฏจักรที่ 2 เท่านั้น)

สรุปปฏิกิริยารวมที่เกิดขึ้นคือ

                 QH ₂ + 2 Cyt _ox + 2 H⁺_matrix ------->     Q + 2 Cyt c _red + 4 H⁺_cytosol

4) อิเล็กตรอนถูกส่งจากไซโตโครม c ไปยัง O₂ ผ่าน complex IV

รูปที่ 18 complex IV รับอิเล็กตรอนจากไซโตโครม c และถ่ายทอดไปยัง O ₂

complex IV คือ ไซโตโครม ออกซิเดส (cytochrome oxidase complex) หรือ cytochrome a a₃ ประกอบด้วย heme A 2 ชนิดคือ a และ a₃ ซึ่งเป็นฮีมที่มีทองแดง (Cu) เป็นองค์ประกอบ complex IV จะรับอิเล็กตรอนมาจากไซโตโครม c และส่งต่อให้ O₂ อิเล็กตรอน 4 ตัว จะถูกส่งไปยังโมเลกุลของ O₂ เพื่อรีดิวซ์ O₂ ให้เป็น H₂O ปฏิกิริยานี้เกิดพลังงานอิสระในปริมาณมากสำหรับปั๊มโปรตอนจากด้านแมทริกซ์ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในออกไปด้านที่ติดกับไซโตซอล ซึ่ง proton gradient ที่เกิดขึ้นนี้ถูกนำมาใช้ในการสร้าง ATP

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นมีดังแสดงในรูป 4.12 คือ Fe²⁺ ในไซโตโครม c (ในรูปรีดิวซ์) 2 โมเลกุลส่งอิเล็กตรอนให้ Cu ของไซโตโครม a  ซึ่งจะส่งต่อให้ Cu ของไซโตโครม a₃ ซึ่งจะเป็นตัวส่งอิเล็กตรอนต่อให้ O₂

รวมปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้คือ

4 Cyt c _red + 8 H⁺_matrix + O ₂    ------>    4 Cyt c _ox + 2 H ₂O + 4 H⁺_cytosol

โดยสรุปกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนและออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน มีดังรูปที่ 1-13

รูปที่ 19 ภาพสรุปการถ่ายทอดของอิเล็กตรอนจาก NADH ที่เกิดควบคู่กับออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน เพื่อสร้าง ATP

รายละเอียดของศักยภาพในการรีดิวซ์ของกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนดังภาพ

รูปที่ 20 ศักยภาพในการรีดิวซ์ของกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

ภาพนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการรีดิวซ์ของกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะไหลจากศักย์ที่มีค่า E_o น้อยกว่าไปยังด้านที่มีค่า E_o มากกว่า ซึ่งเกิดขึ้นในหลายขั้นตอน ในภาพจะแสดงให้เห็นถึงความต่างศักย์รีดิวซ์และพลังงานอิสระที่ได้มาจาก 3 ขั้นตอน คือ I, II, III ในแต่ละขั้นตอน พลังงานอิสระที่ปลดปล่อยออกมาจะมากพอสำหรับการนำไปสร้าง ATP โดยกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน

ความสามารถในการรีดิวซ์ของสารในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะลดลงเรื่อยๆ จาก NADH ไปสู่ O₂

ออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน

การถ่ายทอด 2 อิเล็กตรอนจาก NADH หรือ FADH₂ ไปยังโมเลกุลของ O₂ทำให้เกิดพลังงานอิสระเท่ากับ -53 และ -36 kcal /mol ตามลำดับ กระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน จะจับพลังงานนี้ไว้ในรูปของฟอสเฟตพลังงานสูงของ ATP

      NADH + O ₂ + H⁺    <=====>   H₂O + NAD⁺   G ํ = -53 kcal/mol

การที่กระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน จะเกิดขึ้นได้นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยที่สำคัญ 2 อย่างคือ ประการแรก เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย จะต้องมีลักษณะที่ยอมให้ H⁺  ผ่านจากภายนอกเข้ามาภายในแมทริกซ์ได้โดยกระบวนการที่ต้องควบคู่กับการสร้าง ATP เท่านั้น ประการที่สอง ความเข้มข้นของโปรตอนด้านนอกเยื่อหุ้มชั้นในจะต้องสูงกว่าภายในแมทริกซ์มาก (คือ เกิด proton gradient หรือ proton-motive force)

รูปที่ 21 แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างการปั๊มของโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน จากแมทริกซ์ไปยังช่องว่างด้านนอก ที่ทำให้เกิดความแตกต่างของปริมาณโปรตอนใน 2 ด้านของเยื่อหุ้มและการที่โปรตอนไหลกลับผ่านทางช่องจำเพาะของ ATP synthase ทำให้เกิดการสร้าง ATP

โปรตอนจะไหลกลับเข้ามาในส่วนแมทริกซ์ ผ่านทางโปรตีนที่ฝังอยู่บนเยื่อหุ้มชั้นใน โปรตีนตัวนี้คือ ATP synthase ( หรือบางทีเรียกว่า complex V) ATP synthase เป็นเอนไซม์ ประกอบด้วยหน่วยย่อยหลายหน่วย กลุ่มหนึ่งของหน่วยย่อยทำหน้าที่เป็นช่องให้ H⁺ ผ่าน อีกกลุ่มหนึ่งทำหน้าที่จับกับ ADP และ P_i เพื่อสร้าง ATP

แรงขับเคลื่อนโปรตอนทำให้เกิดการสร้าง ATP

ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน และการสร้าง ATP โดย ATP synthase นั้น เป็นคนละระบบแต่เกิดควบคู่กันโดยมีแรงขับเคลื่อนโปรตอน (หรือ proton gradient) เป็นตัวเชื่อมโยง

Peter Mitchell ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลใน คศ.1961 ได้ตั้งสมมุติฐาน chemiosmotic เพื่ออธิบายการสร้าง ATP ในไมโทคอนเดรีย โดยกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน

การส่งอิเล็กตรอนต่อเป็นทอดๆ ในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนให้เกิดการปั๊มของโปรตอนจากข้างในแมทริกซ์ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในออกไปสู่ด้านไซโตซอลของเยื่อหุ้มชั้นใน (H⁺ ถูกปั๊มผ่านเยื่อหุ้มขณะที่มีอิเล็กตรอนไหลไปตามระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน) ส่งผลให้ความเข้มข้นของ H⁺ ใน 2 ด้านของเยื่อหุ้มต่างกัน คือทางด้านแมทริกซ์จะต่ำ และด้านช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มจะสูง และเกิดความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้ม โดยทางด้านแมทริกซ์จะเป็นลบ ทางด้านช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเป็นบวก สมมุติฐานนี้เรียกว่า chemiosmotic hypothesis (ปฏิกิริยาเคมีเกิดควบคู่กับ osmotic gradient) กล่าวคือ แรงขับเคลื่อนโปรตอน (proton-motive force) จะทำให้เกิดการสร้าง ATP โดยเอนไซม์ ATP synthase ในสมมุติฐานนี้ การออกซิเดชัน และ ฟอสโฟริีเลชัน (เติมหมู่ฟอสเฟต) เกิดขึ้นพร้อมกัน โดยมีแรงขับเคลื่อนโปรตอนเป็นตัวเชื่อมโยง แรงขับเคลื่อนโปรตอนนี้เกิดขึ้นเนื่องจาก 2 ปัจจัย ดังแสดงในรูป คือเกิดเนื่องจากความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้มชั้นใน ( 🔺V) และเนื่องจากความแตกต่างของโปรตอนใน 2 ด้านของเยื่อหุ้ม (🔺pH) ในกรณีของไมโทคอนเดรีย แรงขับเคลื่อนโปรตอนจาก 🔺V จะมากกว่าจาก 🔺pH

รูปที่ 22 electrochemical gradient หรือ แรงขับเคลื่อนโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอน

เดรีย มาจากแรง 2 ชนิด คือ ความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้ม (🔺V) และความแตกต่างของความเข้มข้นของ H⁺ (🔺pH) แรงทั้ง 2 อย่างนี้ จะรวมกันเกิดเป็นแรงขับเคลื่อนโปรตอน เพื่อนำ H⁺ ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในกลับไปยังแมทริกซ์ เพื่อให้เกิดการสร้าง ATP โดย ATP synthase

ATP synthase ประกอบไปด้วย 2 ส่วน มีชื่อเรียกว่า F_o และ F₁ โดยที่ส่วน F_o ที่ทำหน้าที่ลำเลียงโปรตอน (จากด้านนอกของเยื่อหุ้มชั้นในเข้ามาในแมทริกซ์ขณะที่มีการสร้าง ATP) และส่วน F₁ ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาสร้าง ATP (catalytic unit)

หน่วย F_o แทรกอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นใน ประกอบด้วยหน่วยย่อยหลายหน่วยเรียงตัวกันในลักษณะที่ทำให้เกิดเป็นช่อง (channel) สำหรับโปรตอนผ่าน หน่วย F_o นี้สามารถหมุนได้ ซึ่งจะหมุนต่อเมื่อมี H⁺ ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในจากด้านนอกเข้าไปในแมทริกซ์ สำหรับ F₁ ซึ่งเป็นส่วนที่อยู่กับที่ เป็นส่วนที่ยื่นจากเยื่อหุ้มออกมาในแมทริกซ์ หน่วย F₁ ต่อกับหน่วย F_o ด้วยโปรตีนแท่งกลาง (มี 2 หน่วยย่อย ชื่อ YและE ) F₁ ประกอบด้วยหน่วยย่อย 9 หน่วย โดยจะมีหน่วยย่อยที่ชื่อ Bจำนวน 3 หน่วย ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการสร้าง ATP จาก ADP และ P_i

 รูปที่ 23 โครงสร้างของเอนไซม์ ATP synthase

รูปทางซ้าย : เป็นรูปจำลองอย่างคร่าวๆ ของเอนไซม์ ATP synthaseส่วน F_o ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นใน ทำหน้าที่เป็นช่องให้ H⁺ ผ่าน ส่วน F ₁ ทำหน้าที่เป็นบริเวณเร่งให้ ADP + P_i ----> ATP ขณะที่ H⁺ เคลื่อนที่ผ่านช่องใน F _o ตัว F_o จะหมุนได้ส่งผลให้โปรตีนแท่งกลางที่เชื่อมต่อระหว่างส่วน F_o และ F₁ คือโปรตีน หมุนได้ และส่งผลต่อไป ทำให้โครงสร้างสามมิติของหน่วย ย่อยบริเวณเร่งเปลี่ยนไปจนมีการสร้างและปล่อย ATP ออกมาได้
รูปทางขวา : เป็นรูปวาดให้ง่ายขึ้นของภาพสามมิติของ ATP synthase ซึ่งได้จากการศึกษาทางรังสีเอ็กซ์

ตามทฤษฎีของ Paual Boyer ในการสร้าง ATP นั้น 3 หน่วยย่อยที่ชื่อ ß จะเป็นตัวจับกับ ADP และ P_i ได้ทั้ง 3 หน่วย แต่จะเกิดการสร้าง ATP และปล่อยออก ได้ทีละหน่วย กล่าวคือ หน่วย ß ทั้ง 3 หน่วยนี้จะมีโครงสร้างสามมิติใน 3 แบบ คือ แบบ T (tight) แบบ O (open) และแบบ L (loose) การเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากแบบหนึ่งไปยังอีกแบบหนึ่ง ทำให้เกิดการเกาะกับ  ADP + P_i   การสร้าง ATP และการปล่อย ATP แล้วก็กลับไปเริ่มเกาะกับ ADP , P_i ใหม่วนเวียนอยู่เช่นนี้

หน่วยที่มีโครงสามมิติเป็นแบบ T จะเกาะกับ ATP ได้แน่นมาก ซึ่งทำให้หน่วยนี้สามารถเปลี่ยน ADP, P_i ให้เป็น ATP แต่ไม่สามารถปล่อย ATP ออกไปได้
หน่วยที่มีโครงสร้างสามมิติแบบ L สามารถเกาะกับ ADP , P_i ได้ แต่ไม่สามารถเปลี่ยนให้เป็น ATP ได้
หน่วยที่มีโครงสร้างสามมิติแบบ O เป็นรูปแบบที่จะปล่อย ATP ออกไปจากตัวและสามารถจับกับ ADP + P_i ได้
การเปลี่ยนโครงสร้างสามมิติเกิดขึ้นเนื่องจากการหมุนของโปรตีน Ƴ ที่เชื่อมระหว่าง F_o และ F₁ ไป 120 ^oC ไปในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา (เมื่อมองจากด้านบน) และโปรตีน Ƴ นี้จะหมุนได้ต่อเมื่อมีโปรตอนผ่านส่วน F_o ทั้งนี้โครงสร้างสามมิติของแต่ละหน่วยจะเปลี่ยนไปในทางที่สามารถทำงานต่อเนื่องใน 3 ขั้นตอนของการสร้าง ATP ได้ ในการหมุนของโปรตีนƳ120 ^oC ทวนเข็มนาฬิกา หนึ่งครั้ง จะมี ATP ถูกปล่อยไปหนึ่งตัว ดังแสดงในรูปที่ 17

รูปที่ 24 การทำงานของเอนไซม์ ATPase ตามทฤษฎีของ Paual Boyer ด้วยกลไก binding – change การหมุนของโปรตีน Ƴ (เนื่องจากมี H⁺ ไหลผ่าน) ทำให้หน่วย ß ทั้ง 3 หน่วย เปลี่ยนโครงสร้างสามมิติกลับไปมาใน 3 รูปแบบ คือแบบ T ที่มี ATP ที่สร้างใหม่ แต่ปล่อยออกไม่ได้ จะเปลี่ยนเป็นแบบ O ซึ่งปล่อย ATP ออกไป และจับ ADP , P_i ตัวใหม่ และเปลี่ยนเป็นแบบ L เพื่อที่จะจับกับ ADP, P_i ให้แน่นขึ้นเพื่อจะเริ่มการสร้าง ATP ในรอบใหม่

จากรูปที่ 17 หน่วย T (สีน้ำเงิน) เปลี่ยนโครงสร้างสามมิติเป็นแบบ O ทำให้ปล่อย ATP ที่สร้างขึ้นมา (ขณะที่เป็น T) ออกไปและมี ADP, P_i ตัวใหม่มาเกาะ ขณะเดียวกันหน่วย L (สีฟ้า) เปลี่ยนเป็น T ทำให้เร่งปฏิกิริยา ADP, P_i เป็น ATP แต่ยังไม่สามารถปล่อย ATP ออกมาได้ ในเวลาเดียวกัน หน่วย O (สีเขียว) เปลี่ยนเป็น L จับ ADP และ P_i ได้แน่นพอที่จะไม่ปล่อยให้หลุดออกไปเพื่อเตรียมที่จะสร้าง ATP เมื่อรูปร่างเปลี่ยนไปเป็นแบบ T อีกครั้งหนึ่ง
โดยสรุป ATP ถูกสร้างและปล่อยออกมาเมื่อโปรตอนไหลกลับจากช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอกมายังแมทริกซ์ผ่านช่อง F_o ของเอนไซม์ ATP synthase และการสร้าง ATP เกิดขึ้นที่ส่วน F₁

การทดลองของ D. Walker และ P. Boyer

Boyer ได้เสนอว่าโปรตีน (ATP synthase) ที่สร้าง  ATP  จาก  ADP  และ  phosphate  โดยการไหลกลับของโปรตอน   ( H⁺) นั้นสามารถเคลื่อนไหวได้และ Walker ได้ยืนยันถ้าคำทำนายนี้ โดยการถ่ายภาพรังสีเอ็กซ์ของเอนไซม์  ATP synthase  และ Yasuda ได้ยืนยันการเคลื่อนไหวตามเวลาจริงโดยการถ่ายภาพของโปรตีนเรืองแสง

รูปที่ 25 ภาพถ่ายรังสีเอ็กซ์ของเอนไซม์  ATP synthase ของไมโตคอนเดรีย ซึ่งมีส่วนคล้ายกับ ATP synthase คลอโรพลาสต์

 

รูปที่ 26 ภาพเอนไซม์ ATP synthase ที่กำลังหมุน (ภาพนี้ถูกปรับให้เคลื่อนไหวช้าลง 267 เท่าของความเร็วจริง)

รูปที่ 27 ภาพเอนไซม์ ATP synthase ที่กำลังหมุน (ภาพนี้ถูกปรับให้เคลื่อนไหวช้าลง 267 เท่าของความเร็วจริง)

รูปที่ 28 ภาพแสดงการเคลื่อนที่ของโปรตอน ช่วยให้เกิดการหมุนของ c subunits ใน ATP synthase

ลองค้นหาคำตอบ

1. ทำไมจึงเรียก กระบวนการที่เกิดควบคู่กับการถ่ายทอดอิเล็กตรอนว่าออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน
2. ไซโตโครม (cytochrome) คืออะไร มีหน้าที่อย่างไร
3. โคเอนไซม์ Q คืออะไร มีหน้าที่อย่างไร
4. ถ้าไม่มีออกซิเจน กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้น ได้หรือไม่ จงให้เหตุผล
5. การหายใจ (cellular respiration) เหมือนกับการสังเคราะห์ด้วยแสง     (photosynthesis) หรือไม่ อย่างไร
6. ออกซิเจนทำปฏิกิริยาอะไรใน cellular respiration
7. NAD⁺ และ FAD ที่เกิดขึ้นจากการส่งอิเล็กตรอนเข้ากระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนถูกนำกลับไปใช้ที่ไหน
8. คำพูดที่ว่า การที่ H⁺ จะผ่านจากด้านนอกของเยื่อหุ้มชั้นในเข้าไปในส่วนแมทริกซ์ต้องใช้พลังงานจาก ATP ผิดหรือถูก เพราะเหตุใด
9. ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในระบบการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นปฏิกิริยาใดบ้าง
10. การไหลของอิเล็กตรอนในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนเกิดขึ้นได้อย่างไร