細胞中のミトコンドリアの熱産生機構を解明~電気化学の視点から過電圧による熱散逸メカニズムを解明~

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2026-05-26 北海道大学

Hokkaido UniversityとUniversity of Tsukubaの研究グループは、細胞内小器官ミトコンドリアの熱産生機構について、電気化学の観点から新たなメカニズムを解明した。従来、ミトコンドリアの発熱は内膜を介した「プロトンリーク」が主因と考えられていたが、本研究では電子伝達系を電気化学回路として解析し、熱産生の本質が酵素反応に伴う「過電圧」によるエネルギー散逸であることを示した。研究グループは新たな速度論的指標「電子伝達頻度(ETF)」を導入し、呼吸エネルギーの45〜71%が過電圧として熱散逸していると定量評価した。特に、呼吸鎖複合体IV(シトクロムcオキシダーゼ)による酸素還元反応が全熱産生の70%以上を占める主要発熱源であることを特定した。また、プロトンリークは直接発熱するのではなく、膜電位低下を通じて過電圧損失を増幅し、結果として熱産生を高める役割を持つことが明らかになった。本成果は、生体エネルギー変換の理解を刷新し、代謝制御や疾患研究への応用が期待される。

細胞中のミトコンドリアの熱産生機構を解明~電気化学の視点から過電圧による熱散逸メカニズムを解明~
ミトコンドリア呼吸鎖の電子移動を電気回路としてモデル化し、過電圧によるエネルギー損失が熱産生の起源となることを示した図。主な発熱部位は複合体IVである。

<関連情報>

ミトコンドリアの過電圧駆動型熱産生は酵素的酸素還元反応が支配する Enzymatic oxygen reduction dominates overpotential-driven thermogenesis in mitochondria

Nuning Anugrah Putri Namari,Mo Yan,Junji Nakamura and Kotaro Takeyasu
Chemical Science  Published:30 Mar 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/D5SC06693J

Abstract

Understanding how chemical energy dissipates as heat in non-equilibrium redox systems is a fundamental problem in physical chemistry. While this phenomenon is well described in electrochemical systems such as fuel cells, its role in biological enzymatic systems remains underexplored. Mitochondrial thermogenesis has long been attributed to proton leakage, which correlates with heat generation but lacks a clearly defined physical mechanism. In fact, catalytic reactions—whether occurring on inorganic electrodes or in biological enzymes—inevitably require finite overpotentials, and quantifying these losses demands a site-specific kinetic descriptor. To this end, we introduce the electron transfer frequency (ETF), directly analogous to the turnover frequency (TOF) in heterogeneous catalysis, as a means to analyze enzymatic electron-transfer processes at the single-site level. Using ETF as the central descriptor, we develop a chemistry-based framework that models intracellular heat production as the dissipation of Gibbs free energy through enzymatic overpotentials in the mitochondrial electron transport chain, analogous to Joule heat in fuel cells. By treating each respiratory complex as a resistive kinetic step and calibrating the model with experimentally measured electrochemical parameters, we estimate that 45–71% of respiration energy is dissipated as heat. Among these, complex IV alone contributes over 70% of the total dissipation, establishing it as the primary thermogenic site. This framework reproduces reported heat-to-respiration ratios across diverse cell types and demonstrates that overpotential dissipation, rather than proton leakage, represents a major and quantifiable pathway of heat generation. More broadly, it shows that analytical principles of electrocatalysis can be predictively extended to biological redox systems, establishing a common physical chemistry basis for energy dissipation in both.

生物化学工学
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