[論文レビュー] Mitochondrial oxidative phosphorylation: Debunking the concepts of electron transport chain, proton pumps, chemiosmosis and rotary ATP synthesis

Kelath Murali Manoj|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Mitochondrial Function and Pathology参考文献 55被引用数 19

ひとこと要約

この論文は、ミトコンドリアの酸化的リン酸化の定説モデルに挑戦し、電子伝達系、プロトンポンプ、化学浸透、回転型ATP合成酵素が、ミトコンドリアにおけるプロトン不足のため物理的に不成立であると主張する。代わりに、直接的な電子移動と酸化還元駆動による構造変化に基づく新しいパラダイムを提唱し、プロトン勾配や回転機構に依存せずにATP合成が行われるとする。これは生化学的レベルでの細胞呼吸の画期的な再解釈を提示する。

ABSTRACT

Herein (the first part of my work), I debunk the long-standing hypotheses that explain mitochondrial oxidative phosphorylation. Simple calculations point out that mitochondria are highly proton-deficient microcosms and therefore, elaborate proton pump machinery are not tenable. Further, other elements like the elaborate electron transport chain, chemiosmosis, rotary ATP synthesis, etc. are also critically evaluated to point out that such complicated systems are non-viable. The communication necessitates a new explanatory paradigm for cellular respiration. In the second part of my work, I have put forward a viable alternative explanatory paradigm for mitochondrial oxidative phosphorylation.

研究の動機と目的

• 酸化的リン酸化におけるプロトン動こう力モデルの科学的妥当性を検討すること。
• ミトコンドリアにおけるプロトン不足の計算に基づき、電子伝達系に存在するプロトンポンプの存在と機能性を疑問視すること。
• ミトコンドリアにおけるプロトン勾配の欠如が、化学浸透的結合と回転型ATP合成酵素機構の実現可能性に与える影響を検討すること。
• プロトン勾配に依存しない酸化的リン酸化の代替説明枠組みを提唱すること。
• 電気化学的勾配ではなく、酸化還元駆動による構造変化に基づく、細胞呼吸の新しい生化学的パラダイムを提供すること。

提案手法

• ミトコンドリアにおけるプロトンの可用性とフラックスを評価するための化学计量的および熱力学的計算を実施する。
• 電子伝達系およびプロトンポンプ複合体の構造的・機能的仮定を分析する。
• プロトン移動および膜電位の定量的制約を用いて、化学浸透理論を評価する。
• 回転型ATP合成酵素モデルに代わる、酸化還元駆動による構造変化機構をATP合成に提案する。
• 比較的エネルギー代謝とエネルギー保存の原則を用いて、代替ATP合成経路の実現可能性を評価する。
• この初期段階では、実験的検証ではなく、理論的モデリングと既存の生化学的モデルの批判に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミトコンドリアにおける低プロトン濃度を考慮すると、プロトン動こう力モデルは物理的に持続可能か？
• RQ2 ミトコンドリアにおけるプロトン可用性の計算的制約のもとで、電子伝達系がプロトンポンプとして機能可能か？
• RQ3 ミトコンドリア内腔が著しくプロトン不足である場合、化学浸透的結合は実現可能か？
• RQ4 十分なプロトン勾配が存在しない状況で、回転型ATP合成酵素の機構は依然として成立可能か？
• RQ5 プロトン勾配や回転運動に依存しない、ATP合成を説明する代替機構は何か？

主な発見

• ミトコンドリアは計算上、著しくプロトン不足であるため、複雑なプロトンポンプ機構の機能は生化学的に不成立である。
• 電子伝達系がプロトンポンプとして機能するとされる仮定は、観察されたプロトン濃度および化学计量と整合しない。
• ミトコンドリア内腔におけるプロトン制限の下では、化学浸透的結合は持続不可能である。
• 回転型ATP合成酵素機構は、回転を駆動するに十分なプロトンフラックスが欠如しているため、非現実的であるとされる。
• ATP合成がプロトン勾配を回避して、酸化還元エネルギーによる直接的構造変化によって駆動される新しいパラダイムが提唱される。
• 本論文は、現在の酸化的リン酸化モデルが根拠のない仮定に依存しており、根本的な見直しが必要であると結論づける。