プリンキピア

第7章細胞呼吸

Complex III複合体III

The third complex is composed of cytochrome b—another Fe-S protein, a Rieske center (2Fe-2S center), and cytochrome c proteins. This complex is also called cytochrome oxidoreductase. Cytochrome proteins have a prosthetic group of heme. The heme molecule is similar to the heme in hemoglobin, but it carries electrons, not oxygen. As a result, the iron ion at its core is reduced and oxidized as it passes the electrons, fluctuating between different oxidation states: Fe++ (reduced) and Fe+++ (oxidized). The heme molecules in the cytochromes have slightly different characteristics due to the effects of the different proteins binding to them, giving slightly different characteristics to each complex. Complex III pumps protons through the membrane and passes its electrons to cytochrome c for transport to the fourth complex of proteins and enzymes. (Cytochrome c receives electrons from Q; however, whereas Q carries pairs of electrons, cytochrome c can accept only one at a time.)
英語のヒント
第3複合体は、シトクロムb、別のFe-Sタンパク質であるリースケ中心(2Fe-2S中心)、およびシトクロムcタンパク質からなる。シトクロム酸化還元酵素とも呼ばれる。シトクロムタンパク質は、ヘムという補欠分子族をもつ。ヘムはヘモグロビンのヘムに似ているが、酸素ではなく電子を運ぶ。その結果、中心の鉄イオンは電子を受け渡すたびに還元・酸化され、Fe++(還元型)とFe+++(酸化型)の酸化状態の間を行き来する。各シトクロムのヘムは、結合するタンパク質の違いによって少しずつ異なる性質をもち、複合体ごとの性質にも違いが生まれる。複合体IIIは膜を通して陽子を汲み出し、電子をシトクロムcへ渡して、タンパク質と酵素からなる第4複合体へ運ばせる。シトクロムcはQから電子を受け取るが、Qが電子を2個ずつ運ぶのに対し、シトクロムcは一度に1個しか受け取れない。

Complex IV複合体IV

The fourth complex is composed of cytochrome proteins c, a, and a3. This complex contains two heme groups (one in each of the two cytochromes, a, and a3) and three copper ions (a pair of CuA and one CuB in cytochrome a3). The cytochromes hold an oxygen molecule very tightly between the iron and copper ions until the oxygen is completely reduced by the gain of two electrons. The reduced oxygen then picks up two hydrogen ions from the surrounding medium to make water (H2O). The removal of the hydrogen ions from the system contributes to the ion gradient that forms the foundation for the process of chemiosmosis.
英語のヒント
第4複合体は、シトクロムc、a、a3から構成される。二つのヘム基(シトクロムaとa3に一つずつ)と、3個の銅イオン(CuAの対と、シトクロムa3にあるCuB1個)を含む。シトクロムは鉄と銅のイオンの間に酸素分子を強く保持し、電子2個を受け取って完全に還元されるまで離さない。その後、還元された酸素は周囲から水素イオン2個を受け取り、水(H2O)をつくる。系から水素イオンを取り除くことも、化学浸透の基盤となるイオン勾配に寄与する。

Chemiosmosis化学浸透

In chemiosmosis, the free energy from the series of redox reactions just described is used to pump hydrogen ions (protons) across the mitochondrial membrane. The uneven distribution of H+ ions across the membrane establishes both concentration and electrical gradients (thus, an electrochemical gradient), owing to the hydrogen ions’ positive charge and their aggregation on one side of the membrane.
英語のヒント
化学浸透では、これまでに述べた一連の酸化還元反応の自由エネルギーを使い、ミトコンドリア膜を挟んで水素イオン(陽子)を汲み出す。H+イオンが膜の両側に不均等に分布すると、水素イオンの正電荷と片側への集中によって、濃度勾配と電位勾配の両方、すなわち電気化学的勾配が生じる。
If the membrane were continuously open to simple diffusion by the hydrogen ions, the ions would tend to diffuse back across into the matrix, driven by the concentrations producing their electrochemical gradient. Recall that many ions cannot diffuse through the nonpolar regions of phospholipid membranes without the aid of ion channels. Similarly, hydrogen ions in the matrix space can only pass through the inner mitochondrial membrane by an integral membrane protein called ATP synthase (Figure 7.13). This complex protein acts as a tiny generator, turned by the force of the hydrogen ions diffusing through it, down their electrochemical gradient. The turning of parts of this molecular machine facilitates the addition of a phosphate to ADP, forming ATP, using the potential energy of the hydrogen ion gradient.
英語のヒント
もし膜が水素イオンの単純拡散を常に許すなら、イオンは電気化学的勾配をつくる濃度差に駆動され、マトリックスへ拡散して戻るだろう。多くのイオンは、イオンチャネルの助けなしには、リン脂質膜の非極性領域を拡散して通れないことを思い出せ。同様に、マトリックス空間の水素イオンは、ATP合成酵素という内在性膜タンパク質を通ることでしか、ミトコンドリア内膜を通過できない(図7.13)。この複雑なタンパク質は小さな発電機のように働き、水素イオンが電気化学的勾配に従って内部を拡散する力で回転する。この分子機械の一部が回ることにより、水素イオン勾配の位置エネルギーを利用してADPへリン酸が加わり、ATPが形成される。
Chemiosmosis (Figure 7.14) is used to generate 90 percent of the ATP made during aerobic glucose catabolism; it is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight in the process of photophosphorylation. Recall that the production of ATP using the process of chemiosmosis in mitochondria is called oxidative phosphorylation. The overall result of these reactions is the production of ATP from the energy of the electrons removed from hydrogen atoms. These atoms were originally part of a glucose molecule. At the end of the pathway, the electrons are used to reduce an oxygen molecule to oxygen ions. The extra electrons on the oxygen attract hydrogen ions (protons) from the surrounding medium, and water is formed. Thus, oxygen is the final electron acceptor in the electron transport chain.
英語のヒント
化学浸透(図7.14)は、グルコースの好気的異化でできるATPの90パーセントをつくる。また、光合成の明反応における光リン酸化で、太陽光のエネルギーを利用する方法でもある。ミトコンドリアの化学浸透によるATP生産を、酸化的リン酸化と呼ぶことを思い出せ。これらの反応の全体的な結果は、水素原子から取り除いた電子のエネルギーによるATPの生産である。この水素原子は、もともとはグルコース分子の一部であった。経路の終点では、電子を使って酸素分子を酸素イオンへ還元する。酸素に加わった電子が周囲の水素イオン(陽子)を引き寄せ、水ができる。したがって、電子伝達系の最終電子受容体は酸素である。