[논문 리뷰] Mitochondrial oxidative phosphorylation: Debunking the concepts of electron transport chain, proton pumps, chemiosmosis and rotary ATP synthesis

Kelath Murali Manoj|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 16.

Mitochondrial Function and Pathology참고 문헌 55인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 미토콘드리아 산화적 인산화의 기존 모델을 도전하며, 전자 전달계, 수소 이온 펌프, 화학삼투압, 그리고 고리형 ATP 합효소가 미토콘드리아 내 수소 이온 부족으로 인해 물리적으로 불가능하다고 주장한다. 수소 이온 기반의 기존 이론을 뛰어넘어 직접적인 전자 이동과 산화환원 반응에 의해 유도되는 구조 변화를 기반으로 한 새로운 개념을 제안하며, 수소 이온 기반 기전 없이 ATP 합성이 일어날 수 있음을 시사한다. 이는 생화학 수준에서 세포 호흡의 근본적인 재해석을 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산화적 인산화에서 수소 이온 기반 기반력 모델의 과학적 타당성을 비판적으로 평가하는 것.
• 미토콘드리아 내 수소 이온 부족 계산에 기반해 전자 전달계 내 수소 이온 펌프의 존재 및 功能성에 도전하는 것.
• 미토콘드리아 내에서 수소 이온 기반 기반력 기반의 화학삼투 결합 및 고리형 ATP 합효소 기구의 실현 가능성에 의문을 제기하는 것.
• 수소 이온 기반 기반력에 의존하지 않는 산화적 인산화에 대한 대체 설명 프레임워크를 제안하는 것.
• 전기화학 기반 기반력이 아닌 산화환원 반응에 의해 유도되는 구조 변화를 기반으로 한 세포 호흡의 새로운 생화학적 개념을 제공하는 것.

제안 방법

• 미토콘드리아 내 수소 이온 가용성과 이동을 평가하기 위해 스토이키오메트릭 및 열역학적 계산을 수행한다.
• 전자 전달계 및 수소 이온 펌프 복합체의 구조적 및 기능적 가정을 분석한다.
• 수소 이온 이동 및 세포막 전위에 대한 정량적 제약 조건을 사용하여 화학삼투 이론을 평가한다.
• 고리형 ATP 합효소 모델을 대체할 수 있는 산화환원 반응에 의해 유도되는 구조 변화 기반의 ATP 합성 메커니즘을 제안한다.
• 비교 생에너지학 및 에너지 보존 원리를 활용해 대체 ATP 합성 경로의 실현 가능성 평가를 수행한다.
• 이 초기 단계에서는 실험적 검증이 아닌 이론적 모델링과 기존 생화학 모델의 비판에 의존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미토콘드리아 내 낮은 수소 이온 농도를 고려할 때, 수소 이온 기반 기반력 모델은 물리적으로 지속 가능한가?
• RQ2 미토콘드리아 내 수소 이온 가용성 제약 조건 하에서 전자 전달계가 수소 이온 펌프로 작동할 수 있는가?
• RQ3 미토콘드리아 기저질이 심각하게 수소 이온 부족 상태일 경우 화학삼투 결합은 실현 가능한가?
• RQ4 충분한 수소 이온 기반 기반력이 없이도 고리형 ATP 합효소의 회전 메커니즘이 유지 가능한가?
• RQ5 수소 이온 기반 기반력이나 고리형 운동에 의존하지 않는 ATP 합성의 대체 메커니즘은 무엇일 수 있는가?

주요 결과

• 미토콘드리아는 수소 이온 부족 상태로 간주되어, 복잡한 수소 이온 펌프 기계의 작동이 생화학적으로 불가능하다고 계산된다.
• 전자 전달계의 수소 이온 펌프 기능은 관측된 수소 이온 농도와 스토이키오메트리와 일치하지 않는다.
• 미토콘드리아 기저질 내 수소 이온 제약 조건 하에서는 화학삼투 결합이 지속될 수 없다.
• 수소 이온 기반 기반력이 부족하여 고리형 ATP 합효소의 회전 메커니즘은 비가능하다고 판단된다.
• 수소 이온 기반 기반력 없이도 산화환원 반응에 의해 직접적으로 유도되는 구조 변화를 통해 ATP 합성이 이루어지는 새로운 개념이 제안된다.
• 논문은 현재의 산화적 인산화 모델이 타당하지 않은 가정에 기반하며, 근본적인 재편성이 필요하다고 결론을 내린다.