زیست‌شناسی کوانتومی
کاربردها > فعالیت آنزیمی (بیوشیمی کوانتومی) > میتوکندری

تصور می‌شود اندامک‌هایی مانند میتوکندری از تونل‌زنی کوانتومی برای انتقال انرژی درون‌سلولی استفاده می‌کنند. به‌طور سنتی، میتوکندری‌ها برای تولید بیشتر انرژی سلول را به شکل ATP شیمیایی شناخته می‌شوند. تبدیل میتوکندریایی زیست‌توده به ATP شیمیایی ۶۰ تا ۷۰ درصد کارآمد است که از نظام سنتی موتورهای ساخت‌بشر کارآمدتر است. برای دستیابی به ATP شیمیایی، پژوهشگران دریافته‌اند که یک مرحله مقدماتی پیش از تبدیل شیمیایی ضروری است؛ این مرحله، از طریق تونل‌زنی کوانتومی الکترون‌ها و یون‌های هیدروژن (H+)، نیازمند نگاهی عمیق‌تر به فیزیک کوانتومی است که در اندامک رخ می‌دهد.
از آنجا که تونل‌زنی یک سازوکار کوانتومی است، مهم است که بدانیم چگونه این فرایند ممکن است برای انتقال ذرات در یک سامانه زیستی رخ دهد. تونل‌زنی تا حد بسیاری به شکل و اندازه یک مانع بالقوه، نسبت به انرژی ورودی یک ذره بستگی دارد. از آن‌جایی که ذره ورودی را می‌توان با یک معادله موجی تعریف کرد، احتمال تونل‌زنی آن به شکل نمایی به شکل مانع بالقوه بستگی دارد، به این معنی که اگر مانع شبیه یک شکاف بسیار گسترده باشد، احتمال تونل‌زنی ذره ورودی کاهش می‌یابد. مانع بالقوه، به گونه‌ای، می‌تواند به شکل یک مانع زیست‌ماده‌ای واقعی باشد. میتوکندری توسط یک ساختار غشایی که شبیه به غشای سلولی است، با در حدود ۷۵ آنگستروم (حدود ۷٫۵ نانومتر) ضخامت احاطه شده‌است. به غشای درونی میتوکندری باید غلبه شود تا سیگنال‌ها (به شکل الکترون، پروتون، H+) از محل انتشار (درونی به میتوکندری) و محل پذیرش (یعنی پروتئین‌های زنجیره انتقال الکترون) منتقل شوند. برای انتقال ذرات، غشای میتوکندری باید چگالی درست فسفولیپیدها را داشته باشد تا هدایت بار مربوطه را انجام داده که ذره موردنظر را جذب کند. به عنوان مثال، برای چگالی بیشتر فسفولیپیدها، غشاء به هدایت بیشتر برای پروتون‌ها کمک می‌کند.
از نظر فنی، شکل میتوکندری ماتریکس است، با غشاهای میتوکندری درونی (IMM) و فضاهای غشای درونی (IMS)، که همگی مکان‌های پروتئینی هستند. میتوکندری‌ها با اکسیداسیون یون‌های هیدروژن کربوهیدرات‌ها و چربی‌ها ATP تولید می‌کنند. این فرایند از الکترون‌ها در زنجیره انتقال الکترون (ETP) استفاده می‌کند. سلسله انتقال الکترون به شرح زیر است: الکترون‌های NADH به NADH دهیدروژناز (پروتئین کمپلکس I) که در IMM قرار دارد منتقل می‌شوند. الکترون‌های کمپلکس I به کوآنزیم Q منتقل می‌شوند تا CoQH۲ را بسازند؛ در مرحله بعد، الکترون‌ها به سمت پروتئین IMM دارای سیتوکروم (کمپلکس III) جریان می‌یابند، که بیشتر الکترون‌ها را به سیتوکروم c هدایت می‌کند، جایی که الکترون‌ها به سمت کمپلکس IV جریان می‌یابند؛ کمپلکس IV واپسین کمپلکس پروتئینی IMM از زنجیره تنفسی ETC است. این پروتئین نهایی به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا اکسیژن را از یک مولکول O۲ به یک O منفرد کاهش دهند، به طوری که می‌تواند به یون‌های هیدروژن متصل شود تا H۲O تولید کند. انرژی تولیدشده از حرکت الکترون‌ها از طریق ETC باعث حرکت پروتون (معروف به پمپاژ H+) از ماتریس میتوکندری به درون IMS می‌شود. از آن‌جایی که هر حرکت باری یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، IMS اکنون یک ظرفیت خازنی در سراسر ماتریس دارد. ظرفیت خازنی شبیه انرژی پتانسیل یا چیزی است که به‌عنوان مانع پتانسیل شناخته می‌شود. این انرژی پتانسیل سنتز ATP را از طریق V پیچیده (ATP synthase) هدایت می‌کند، که ADP را با P دیگر ترکیب می‌کند تا با عقب‌راندن پروتون‌ها (H+) به درون ماتریکس، ATP ایجاد کند (این فرایند به‌عنوان فسفرگیری اکسایشی شناخته می‌شود). در پایان، غشای میتوکندری خارجی (OMM) یک کانال آنیونی وابسته به ولتاژ به نام VDAC را در خود جای‌داده‌است. این مکان برای تبدیل سیگنال‌های انرژی به خروجی‌های الکتروشیمیایی برای انتقال ATP مهم است.