電子伝達系

電子伝達系に沿って電子が移動する際に生じるエネルギーは、ミトコンドリアマトリックスから膜間腔へプロトンをポンプ輸送するために使用され、ミトコンドリア内膜を横切る電気化学的プロトン勾配（ΔpH）が生成される。このプロトン勾配は、ミトコンドリア膜電位（ΔΨM _）の主な原因であるが、それだけではない。^{[ 5 ]}これにより、ATP合成酵素は、酵素を通ってマトリックスに戻るH ⁺の流れを利用して、アデノシン二リン酸（ADP）と無機リン酸からATPを生成することができる。複合体I（NADH補酵素Q還元酵素；Iと表記）は、クレブス回路の電子キャリアであるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）から電子を受け取り、それを補酵素Q（ユビキノン；Qと表記）に渡す。補酵素Qは、複合体II（コハク酸脱水素酵素；IIと表記）からも電子を受け取る。 Qは電子を複合体III（シトクロムbc1_複合体；IIIと表記）に渡し、複合体IIIは電子をシトクロムc（cyt c）に渡す。Cyt cは電子を複合体IV（​​シトクロムcオキシダーゼ；IVと表記）に渡す。

ミトコンドリアには4つの膜結合複合体が同定されている。それぞれが内膜に埋め込まれた極めて複雑な膜貫通構造である。そのうち3つはプロトンポンプである。これらの構造は脂溶性電子伝達体と水溶性電子伝達体によって電気的に接続されている。電子伝達系の全体像は以下のように要約できる。

ノーベル化学賞受賞者のピーター・D・ミッチェルが提唱した化学浸透カップリング仮説によれば、電子伝達系と酸化的リン酸化は、ミトコンドリア内膜を横切るプロトン勾配によって結合している。ミトコンドリアマトリックスからのプロトンの流出は、電気化学的勾配（プロトン勾配）を作り出す。この勾配は、F _O F ₁ ATP合成酵素複合体によって酸化的リン酸化を介してATPを生成するために利用される。ATP合成酵素は、電子伝達系の複合体Vと呼ばれることもある。 ^{[ 10 ]}

F _O成分は、プロトンの流れを利用して回転を駆動するチャネルとして機能します。これは、a、b、cサブユニットで構成されています。ミトコンドリアの膜間腔のプロトンは、まずaサブユニットチャネルを通って ATP 合成酵素複合体に入ります。次に、プロトンはcサブユニットに結合します。c サブユニットはリング状に配置されており ( cリング)、 cサブユニットの数によって、cリングとそれに結合した γ ローターを 1 回転させるのに必要なプロトンの数が決まります^{[ 11 ]} 。ヒトには 8 つのcサブユニットがあるため、8 つのプロトンが必要です^{[ 12 ]} 。cリングの回転の結果としてプロトンが放出され、 aサブユニットチャネルに沿ってミトコンドリアマトリックスに送られます^{[ 11 ]}。このプロトンの還流が、 cリングと γ 軸の機械的な回転を駆動します。 γローターの回転により、F1の触媒βサブユニットの立体構造状態が順次変化_する。

立体配座には3つの異なる状態があり、それらは以下のとおりです。

• 開いた状態では、βサブユニットはリガンドに対する親和性が低く、以前に合成されたATP分子を放出する。
• 緩く結合し、ADPとPi_を緩く結合させる。
• 非常に強く、ADPとPiを非常に強く結合し_、 ATPを生成する縮合反応を触媒する。

このサイクルは結合変化機構（ポール・D・ボイヤーによって命名）として知られており、機械的回転が化学エネルギーに変換されることを説明する。^{[ 13 ] [ 14 ]}

酸化的リン酸化との共役はATP産生の重要なステップである。しかし、特定のケースでは、2つのプロセスを分離することが生物学的に有用である可能性がある。褐色脂肪組織のミトコンドリア内膜に存在する脱共役タンパク質であるサーモジェニンは​​、プロトンがミトコンドリア内マトリックスに戻る代替の流れを提供する。チロキシンも天然の脱共役剤である。この代替の流れはATP産生ではなく熱産生をもたらす。 ^{[ 15 ]}

逆電子流とは、電子伝達系を介した電子の移動であり、逆酸化還元反応によるものです。通常、かなりのエネルギーを必要としますが、これにより電子供与体の酸化型を還元することができます。例えば、NAD ^{+ は}複合体 I によって NADH に還元されます。 ^{[ 16 ]}逆電子流を誘発することが示されている要因はいくつかあります。しかし、これを裏付けるには、さらに研究が必要です。一例として、ATP シンターゼの阻害があり、これによりプロトンが蓄積され、プロトン駆動力が高まり、逆電子流が誘発されます。^{[ 17 ]}

現在の生物圏において、最も一般的な電子供与体は有機分子である。有機分子を電子源として利用する生物は有機栄養生物と呼ばれる。化学有機栄養生物（動物、菌類、原生生物）と光合成独立栄養生物（植物、藻類）は、私たちがよく知る生命体の大部分を占めている。

原核生物の中には、無機物を電子源として利用できるものがある。このような生物は化学合成独立栄養生物（「岩を食べる生物」）と呼ばれる。無機電子供与体には、水素、一酸化炭素、アンモニア、亜硝酸塩、硫黄、硫化物、酸化マンガン、二価鉄などがある。独立栄養生物は、地球表面から数千メートル下の岩盤層で生育していることが発見されている。分布域が広いため、生物圏においては、独立栄養生物の数は有機栄養生物や光合成生物の数を上回る可能性がある。

水素などの無機電子供与体をエネルギー源として利用することは、進化の研究において特に興味深い。この種の代謝は、有機分子や酸素をエネルギー源として利用するようになる以前に存在していたに違いない。

キノンは、膜に埋め込まれた比較的動きの少ない大きな高分子複合体の間で電子（およびプロトン）を輸送する、移動性のある脂溶性キャリアです。細菌はユビキノン（補酵素Q、ミトコンドリアが使用するのと同じキノン）や、メナキノン（ビタミンK2 _{）などの関連キノンを使用します。}スルフォロブス属の古細菌はカルダリエラキノンを使用します。^{[ 20 ]}異なるキノンの使用は、構造の変化によって引き起こされる酸化還元電位のわずかな変化によるものです。これらのキノンの酸化還元電位の変化は、電子受容体の変化または細菌複合体の酸化還元電位の変動に適している可能性があります。^{[ 21 ]}

プロトンポンプとは、膜を横切るプロトン勾配を作り出すあらゆるプロセスを指します。ミトコンドリア複合体IおよびIVに見られるように、プロトンは物理的に膜を横切って移動することができます。同じ効果は、電子を逆方向に移動させることによっても生み出されます。その結果、細胞質からプロトンが消失し、ペリプラズムにプロトンが現れます。ミトコンドリア複合体IIIは、この2番目のタイプのプロトンポンプであり、キノン（Qサイクル）によって媒介されます。

脱水素酵素の中にはプロトンポンプであるものもあれば、そうでないものもある。酸化酵素と還元酵素のほとんどはプロトンポンプであるが、そうでないものもある。シトクロムbc1_は、多くの細菌に存在するが、すべてではない細菌（大腸菌には存在しない）に存在するプロトンポンプで_ある。その名前が示すように、細菌のbc1_はミトコンドリアのbc1（複合体III ）に似ている。

シトクロムは鉄を含むタンパク質である。これらは全く異なる2つの環境に存在する。

シトクロムの中には、膜に埋め込まれた大型で不動の高分子構造との間で電子を輸送する水溶性のキャリアーが存在する。ミトコンドリア内の可動性シトクロム電子キャリアーはシトクロムcである。細菌は、様々な種類の可動性シトクロム電子キャリアーを利用している。

他のシトクロムは、複合体IIIや複合体IVなどの高分子内にも存在する。これらも電子伝達体として機能するが、その作用環境は大きく異なり、分子内という固体状態にある。

電子は、移動性シトクロムまたはキノンキャリアのレベルで電子伝達系に入り込むことがあります。例えば、無機電子供与体（亜硝酸塩、二価鉄​​、電子伝達系）からの電子は、シトクロムのレベルで電子伝達系に入ります。電子がNADHよりも高い酸化還元レベルで入る場合、この必要な高エネルギー分子を生成するために、電子伝達系は逆方向に作動する必要があります。

シトクロムcとc1（複合体III ）間のタンパク質間電子伝達はpHと酸素の存在に依存することが観察されており_、プロトンとスーパーオキシドが水溶液を介した長距離電子伝達プロセスにおいて酸化還元メディエーターとして作用する可能性が示唆されている。^{[ 22 ]}

様々な電子供与体（有機栄養生物では有機物、無機栄養生物では無機物）が存在するため、有機物と無機物の両方を含む様々な電子受容体が存在する。^{[ 23 ]} ETCの他のステップと同様に、このプロセスを助けるために酵素が必要である。

酸素が存在する場合、好気性細菌および通性嫌気性細菌では、酸素が最終電子受容体として最もよく利用されます。オキシダーゼは、他の物質を酸化しながら、 O₂を水に還元します_。ミトコンドリアでは、最終膜複合体（複合体IV）はシトクロムオキシダーゼであり、シトクロムを酸化します。好気性細菌は、さまざまな最終オキシダーゼを使用します。たとえば、通性嫌気性細菌である大腸菌は、シトクロムオキシダーゼやbc₁複合体を持っていません。好気性条件下では、酸素を水に還元するために_、 2つの異なる最終キノールオキシダーゼ（両方ともプロトンポンプ）を使用します。

細菌の末端酸化酵素は、末端電子受容体として機能する分子に基づいてクラスに分類できます。クラスI酸化酵素はシトクロム酸化酵素であり、酸素を末端電子受容体として使用します。クラスII酸化酵素はキノール酸化酵素であり、さまざまな末端電子受容体を使用できます。これらのクラスは両方とも、含まれる酸化還元活性成分に基づいてカテゴリーに細分化できます。例：ヘム aa3 クラスI末端酸化酵素は、クラスII末端酸化酵素よりもはるかに効率的です。^{[ 2 ]}

嫌気性環境では、硝酸塩、亜硝酸塩、鉄(III)、硫酸塩、二酸化炭素、フマル酸などの小さな有機分子など、さまざまな電子受容体が主に利用されます。細菌が嫌気性環境で増殖する際、末端電子受容体は還元酵素と呼ばれる酵素によって還元されます。大腸菌は、環境中のこれらの受容体の存在量に応じて、フマル酸還元酵素、硝酸還元酵素、亜硝酸還元酵素、DMSO還元酵素、またはトリメチルアミン-N-オキシド還元酵素を利用することができます。

ほとんどの末端酸化酵素と還元酵素は誘導性である。これらは、特定の環境条件に応じて、生物によって必要に応じて合成される。