[论文解读] 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 19

一句话总结

本文通过论证电子传递链、质子泵、化学渗透作用和旋转式ATP合酶在生化上不可能，挑战了线粒体氧化磷酸化的既定模型，原因在于线粒体中质子不足。文章提出一种新范式，基于直接电子传递和氧化还原驱动的构象变化，认为ATP合成无需质子梯度或旋转机制，从而对细胞呼吸的生化机制提出了激进的重新解释。

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.

研究动机与目标

• 批判性评估质子动力建模在线粒体ATP合成中的科学有效性。
• 基于质子缺乏计算，质疑电子传递链中质子泵的存在与功能。
• 质疑在质子梯度不足的线粒体中，化学渗透偶联与旋转式ATP合酶机制的可行性。
• 提出一种替代性解释框架，用于氧化磷酸化，避免依赖质子梯度。
• 提供一种基于氧化还原驱动构象变化而非电化学梯度的细胞呼吸新生物化学范式。

提出的方法

• 通过化学计量和热力学计算，评估线粒体中质子的可利用性和通量。
• 分析电子传递链和质子泵复合物的结构与功能假设。
• 利用对质子运动和膜电位的定量约束，评估化学渗透理论。
• 提出一种由氧化还原能驱动的构象变化机制，以替代旋转式ATP合酶模型。
• 运用比较生物能学和能量守恒原理，评估替代ATP合成途径的可行性。
• 本部分主要依赖理论建模和对既定生物化学模型的批判，而非实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在线粒体中质子浓度极低的条件下，质子动力建模是否在物理上可持续？
• RQ2 在计算出的线粒体质子可利用性约束下，电子传递链能否作为质子泵运作？
• RQ3 当线粒体基质严重缺乏质子时，化学渗透偶联是否仍可行？
• RQ4 在缺乏足够质子梯度的情况下，ATP合酶的旋转机制是否仍具可行性？
• RQ5 是否存在一种替代机制，可解释无需依赖质子梯度或旋转运动的ATP合成？

主要发现

• 计算表明线粒体严重缺乏质子，使得复杂的质子泵装置在生化上不可能实现。
• 电子传递链所提出的质子泵功能与观察到的质子浓度和化学计量不一致。
• 在计算出的线粒体基质质子限制下，化学渗透偶联无法维持。
• 由于质子通量不足，无法驱动旋转，因此旋转式ATP合酶机制被认为不可行。
• 提出一种新范式：ATP合成由氧化还原能直接通过构象变化驱动，绕过质子梯度。
• 本文结论认为，当前氧化磷酸化模型基于站不住脚的假设，亟需根本性修正。