กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน เกิดขึ้นในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย
เป็นกระบวนการที่เกิดต่อเนื่องจากวัฏจักรเครบส์ แหล่งของอิเล็กตรอนคือ NADH และ FADH₂
ซึ่งเมื่อถูกออกซิไดซ์ อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะถูกส่งต่อเป็นทอดๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอนหลายตัว
ไปจนถึงปลายสุดของระบบ อิเล็กตรอนจะไปรีดิวซ์ O₂ ให้เป็น H₂O กระบวนการถ่ายทอด
อิเล็กตรอนในการหายใจ (respiration) นี้คล้ายกับที่เกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
ของพืชในขั้นตอนของปฏิกิริยาที่ใช้แสง ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นช่วงๆ จะเกิด
พลังงานอิสระซึ่งจะนำไปใช้ในการสร้าง ATP ด้วยกระบวนการที่เรียกว่าออกซิเดทีฟ
ฟอสโฟริีเลชัน (oxidative phosphorylation) การสร้าง ATP ในกระบวนการนี้
ไม่ใช่การสร้าง ATP โดยตรงแบบ substrate-level phosphorylation (ย้ายหมู่ฟอสเฟตของ
ซับสเตรตซึ่งเป็นสารพลังงานสูงให้ ADP) เหมือนที่สร้างจากวิถีไกลโคลิซีสและวัฏจักรเครบส์
แต่จะเป็นการสร้างแบบที่ต้องมีการเชื่อมโยงกับการออกซิเดชันในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน
ซึ่งทำให้เกิดการปั๊มของโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย  ดังที่จะได้อธิบายรายละเอียด
ในหัวข้อต่อไป

        

: ท่านทราบไหมว่า เมื่อกลูโคสถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ให้เป็น CO2       และ H2O จะได้ ATP จากกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน      ในสัดส่วนเท่าไรของปริมาณที่จะได้ทั้งหมด

                                                             

            การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นเป็นทอดๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นกลุ่มของ
โปรตีน (ซึ่งหลายตัวเป็นเอนไซม์) และมีโคเอนไซม์ และโคแฟคเตอร์หลายตัวรวมอยู่ด้วยกัน
กลุ่มโปรตีนเหล่านี้ ได้แก่ complex I, II, III และ IV ลำดับของการถ่ายทอดอิเล็กตรอนได้
แสดงไว้ในรูปที่ 4.2

รูปที่ 4.2

แสดงให้เห็นการส่งอิเล็กตรอนเป็นช่วงๆ ในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport system ซึ่งบางครั้งเรียกว่า electron transport chain หรือ respiratory chain)

          องค์ประกอบของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน คือ complex I, II, III และ IV ฝังตัว
อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย (ดังแสดงในรูปที่ 4.3) นอกจากกลุ่มโปรตีน 4 กลุ่มนี้
ยังมีโคเอนไซม์ Q และ ไซโตโครม c (cytochrome c ) ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้เพื่อช่วย
ในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนระหว่างกลุ่มโปรตีน ดังกล่าว

 

: NADH และ FADH2 ให้อิเล็กตรอนแก่ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน      เหมือนกันหรือต่างกันอย่างไร

รูปที่ 4.3

แสดงให้เห็นถึงองค์ประกอบของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนที่อยู่บน เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย

 

: ท่านทราบไหมว่า H+ ในรูปนี้สื่อความหมายถึงอะไร

                                                       

         ไมโทคอนเดรีย เป็นโครงสร้างที่มีเยื่อหุ้ม 2 ชั้น ดังแสดงในรูปที่ 4.4 เยื่อหุ้มชั้นนอก
หุ้มรอบโครงสร้าง ส่วนเยื่อหุ้มชั้นในจะพับไปพับมา ส่วนที่พับเข้าไปเรียกว่า คริสตี้ (cristae)
องค์ประกอบทุกตัวที่ทำหน้าที่ถ่ายทอดอิเล็กตรอน และทำงานในกระบวนการ
ออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน ล้วนแต่อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียทั้งสิ้น
กลุ่มโปรตีนและโคแฟคเตอร์เหล่านี้จะแทรกตัวอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นใน (ที่มีองค์ประกอบเป็นไขมัน
หรือที่เรียกว่า lipid bilayer) ส่วนในสุดของไมโทคอนเดรียเรียกว่า แมทริกซ์ (matrix)
มีลักษณะเป็นเจล เป็นแหล่งที่มีเอนไซม์สำหรับวัฏจักรเครบส์ รวมทั้งสารอินทรีย์อื่นๆ
ที่ทำหน้าที่เป็นซับสเตรต โคแฟคเตอร์ รวมทั้งอิออนต่างๆ

รูปที่ 4.4

ภาพขยายของไมโทคอนเดรียแสดงให้เห็นส่วนต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับ กระบวนการหายใจ รูปขวาสุด เป็นรูปถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

: ท่านทราบไหมว่า ทำไม ผนังชั้นในของไมโทคอนเดรียจึงต้องพับไปมา    เป็น cristae  : ท่านคิดว่าปริมาณของ cristae ในไมโทคอนเดรีย ในเซลล์แต่ละชนิด    จะเท่ากันไหม เช่น ไมโทคอนเดรียจากเซลล์ตับ เซลล์กล้ามเนื้อ    หรือหัวใจ

                                                               



                                                           

รูปที่ 4.5

ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอน โปรตอน ( H+) ถูกปั๊มจากแมทริกซ์ ผ่าน เยื่อหุ้มชั้นในออกไปด้านนอกที่ติดกับไซโตซอล ความแตกต่างของโปรตอน ( proton gradient) ใน 2 ด้านของ เยื่อหุ้มชั้นในหรือที่บางครั้ง เรียกว่า แรงขับเคลื่อนโปรตอน ( proton-motive force) จะถูกนำมาใช้ในการสร้าง ATP โดยกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน

          ถึงแม้ว่าจะมีปริมาณโปรตอนที่สะสมอยู่ในทางด้านนอกของเยื่อหุ้มชั้นในจะสูงกว่าทางด้าน
แมทริกซ์มากแต่เยื่อหุ้มนี้จะไม่ยอมให้ H⁺ ซึมผ่านกลับไปยังด้านแมทริกซ์โดยอิสระได้ตลอดทุกพื้นที่
ของเยื่อหุ้ม แต่ H⁺จะผ่านไปได้เฉพาะบริเวณจำเพาะที่อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในเท่านั้น ซึ่งช่อง (channel)
ที่ H⁺ ผ่านนี้เป็นส่วนหนึ่งของเอนไซม์ ATP synthase ที่กระจายอยู่ตลอดบนเยื่อหุ้มชั้นใน ขณะที่ H⁺
ผ่านช่องดังกล่าวเพื่อกลับสู่แมทริกซ์จะเกิดพลังงานที่ใช้สร้าง ATP ในขณะนั้นเลย

รูปที่ 4.6

ภาพแสดงให้เห็นถึงกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน และการสร้าง ATP ซึ่งเชื่อมโยงกันด้วยการไหลของโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน

         สรุปได้ว่า แหล่งพลังงานที่ใช้สร้าง ATP มาจากความแตกต่างของโปรตอนระหว่าง 2 ด้าน
ของเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย



                                                                

         ทุกกลุ่มโปรตีนที่แทรกตัวอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในที่ทำหน้าที่เป็นตัวพาอิเล็กตรอนไม่ว่าจะเป็น complex I หรือ II หรือ III หรือ IV ประกอบด้วยโปรตีน (เอนไซม์) หลายตัวที่เกาะอยู่กับหมู่ ที่เรียกว่า prosthetic group
(โปรดคลิกเพื่อดูรายละเอียด) ที่สามารถถูกออกซิไดซ์และรีดิวซ์ได้ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอน หมู่เหล่านี้
จำเป็นสำหรับการทำงานของเอนไซม์ เช่น FMN (flavin mononucleotide) ใน complex I
ซึ่งเป็นโคเอนไซม์ของเอนไซม์ NADH dehydrogenase

         นอกจากกลุ่มโปรตีน I, II, III และ IV ซึ่งแทรกตัวอยู่ในเยื่อหุ้ม ยังมีองค์ประกอบอีก 2 ตัว ที่อยู่บน
เยื่อหุ้มชั้นในแต่สามารถเคลื่อนที่ไปมาได้ คือ โคเอนไซม์ Q (ไม่ใช่โปรตีน เป็นสารโมเลกุลเล็กที่มี
สูตรโครงสร้างที่ทำให้ละลายในไขมันได้ดี (โปรดคลิกเพื่อดูสูตรโครงสร้าง) ซึ่งจะทำหน้าที่รับอิเล็กตรอน
จาก NADH ผ่านทาง complex I และรับอิเล็กตรอนจาก FADH₂ ผ่านทาง complex II
เพื่อส่งให้ complex III ต่อ องค์ประกอบอีกตัวคือ ไซโตโครม c (cytochrome c) ซึ่งเป็นโปรตีน
ที่มีฮีม (heme) เปรียบได้เหมือนกับฮีโมโกลบินที่เป็นโปรตีนในเม็ดเลือดแดง แต่ไซโตโครมนี้จะทำหน้าที่
ีรับอิเล็กตรอน ไม่ใช่รับ O₂ เหมือนฮีโมโกลบิน โดยที่ไซโตโครม c จะรับอิเล็กตรอนจาก complex III
เพื่อส่งให้ complex IV ที่มีชื่อว่า ไซโตโครม ออกซิเดส (cytochrome oxidase) ซึ่งเป็นองค์ประกอบ
ตัวสุดท้ายของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน ทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยารีดักชันของ O₂

รูปที่ 4.7

แสดงการถ่ายทอดอิเล็กตรอน จาก NADH ผ่าน complex I และจาก FADH2 ผ่าน complex II ไปยัง complex III และ complex IV โดยมีโคเอนไซม์ Q และ ไซโตโครม c ซึ่งเคลื่อนที่ได้ ้เป็นตัวช่วยรับอิเล็กตรอนระหว่าง complex

         ในแต่ละ complex จะมีการรับและให้อิเล็กตรอน (รีดักชันและออกซิเดชัน) และมีการ
ปั๊มโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นในออกจากด้านแมทริกซ์ไปที่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นนอกและใน

         รายละเอียดของการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแต่ละขั้นตอนที่เกิดต่อกันเป็นทอดๆ ตลอดระบบจาก
complex I ไปถึง complex IV มีดังแสดงในรูปที่ 4.8

 

รูปที่ 4.8

แสดงให้เห็นถึงปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันในการถ่ายทอดอิเล็กตรอน ผ่านแต่ละ องค์ประกอบของ complex I และ complex II ไปยัง complex III และ IV

        ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนไม่ได้เป็นตัวสร้าง ATP โดยตรง หน้าที่ของมันคือ นำอิเล็กตรอนที่ได้
จากสารอาหาร (ในรูปของ NADH และ FADH₂) ไปยัง O₂ ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนในแต่ละช่วง
จะเกิดพลังงานอิสระในปริมาณมากพอที่จะนำไปสร้าง ATP เพื่อที่จะให้เข้าใจถึงกลไกนี้ เราจะไปศึกษา
รายละเอียดของการส่งอิเล็กตรอนในแต่ละองค์ประกอบของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน

กลไกการถ่ายทอดอิเล็กตรอนอาจแบ่งได้เป็น 4 ช่วง

1) NADH ส่งอิเล็กตรอนให้ complex I

รูปที่ 4.9

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจาก NADH ให้โคเอนไซม์ Q ผ่าน complex I

         อิเล็กตรอนจาก NADH จะเข้าสู่ระบบที่ส่วนของ complex I ที่มีชื่อว่า NADH-Q-oxidoreductase
( บางครั้งเรียกว่า NADH dehydrogenase complex) ซึ่งเป็นกลุ่มเอนไซม์ที่มี FMN และ Fe-S เป็นหมู่
prosthetic และเร่งปฏิกิริยาการส่งอิเล็กตรอนจาก NADH ไปยังโคเอนไซม์ Q

ปฏิกิริยาใน complex I เกิดเป็นขั้นตอนดังนี้

    1. NADH จะเข้าไปเกาะกับ complex I และส่งอิเล็กตรอน 2 ตัว ให้แก่ FMN ทำให้
        FMN ถูกรีดิวซ์กลายเป็น FMNH₂

   2. FMNH₂ ให้อิเล็กตรอนต่อแก่ Fe-S ซึ่งเป็นกลุ่มของเหล็กและซัลเฟอร์หลายตัว
       (คลิกเพื่อดู โครงสร้าง) ซึ่งสถานะของ Fe ใน Fe-S จะเป็น Fe²⁺ เมื่อถูกรีดิวซ์ (รับอิเล็กตรอน)
       และเป็น Fe³⁺ เมื่อถูกออกซิไดซ์ (ให้อิเล็กตรอน)

   3. Fe-S จะให้อิเล็กตรอนแก่โคเอนไซม์ Q (Q ถูกรีดิวซ์กลายเป็น QH ₂) การไหลของอิเล็กตรอน
       2 ตัว จาก NADH ไป โคเอนไซม์ Q ทำให้เกิดปั๊มของโปรตอน ( H⁺) 4 ตัว จากด้านในคือ        แมทริกซ์ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในออกไปที่ส่วนของช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอกของ
      ไมโทคอนเดรีย

 สรุปปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้ คือ

NADH + Q + 5 H⁺_matrix      N AD⁺ + QH ₂ + 4 H⁺_cytosol

         Q หมายถึง โคเอนไซม์ Q

2) FADH2 ส่งอิเล็กตรอนให้ complex II

รูปที่ 4.10

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจาก FADH2 ให้โคเอนไซม์ Q ผ่าน complex II

        FADH₂ ถูกสร้างขึ้นในวัฏจักรเครบส์จากการออกซิไดซ์ succinate ให้เป็น fumarate โดย succinate
dehydrogenase ซึ่งเอนไซม์ตัวนี้เป็นส่วนหนึ่งของ succinate-Q-reductase หรือ complex II ในการนี้
FADH₂ ที่เกิดขึ้นจะไม่หลุดออกจากเอนไซม์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ complex II และจะส่งอิเล็กตรอน 2 ตัว
จากโมเลกุลไปให้กลุ่ม Fe-S โดยตรง ซึ่ง Fe-S ก็จะส่งต่อให้โคเอนไซม์ Q (ทำนองเดียวกันกับที่เกิดขึ้นใน
complex I) แต่ complex II จะต่างจาก complex I ตรงที่ไม่มีการปั๊มโปรตอน ( H⁺) ผ่านเยื่อหุ้ม ทั้งนี้เพราะ
พลังงานอิสระที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาจะน้อยกว่าที่จะทำได้ ดังนั้น ปริมาณ ATP ที่จะสร้างขึ้นได้จากการ
ออกซิไดซ์ FADH₂ จะน้อยกว่าของ NADH

รูปที่ 4.11

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากโคเอนไซม์ Q ให้ไซโตโครม c ผ่าน complex III

รวมปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้คือ

4 Cyt c _red + 8 H⁺_matrix + O ₂             4 Cyt c _ox + 2 H ₂O + 4 H⁺_cytosol

    

 โดยสรุปกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนและออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน มีดังรูปที่ 4.13

รูปที่ 4.13

ภาพสรุปการถ่ายทอดของอิเล็กตรอนจาก NADH ที่เกิดควบคู่กับ ออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน เพื่อสร้าง ATP คลิกเพื่อดูรายละเอียดของศักยภาพในการรีดิวซ์ของกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

        การถ่ายทอด 2 อิเล็กตรอนจาก NADH หรือ FADH₂ ไปยังโมเลกุลของ O₂ทำให้เกิด
พลังงานอิสระเท่ากับ -53 และ -36 kcal /mol ตามลำดับ กระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริีเลชัน
จะจับพลังงานนี้ไว้ในรูปของฟอสเฟตพลังงานสูงของ ATP

      NADH + O ₂ + H⁺      H₂O + NAD⁺   G ํ = -53 kcal/mol

        การที่กระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน จะเกิดขึ้นได้นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยที่สำคัญ 2 อย่างคือ
ประการแรก เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย จะต้องมีลักษณะที่ยอมให้ H⁺  ผ่านจากภายนอกเข้ามา
ภายในแมทริกซ์ได้โดยกระบวนการที่ต้องควบคู่กับการสร้าง ATP เท่านั้น ประการที่สอง ความเข้มข้น
ของโปรตอนด้านนอกเยื่อหุ้มชั้นในจะต้องสูงกว่าภายในแมทริกซ์มาก (คือ เกิด proton gradient หรือ
proton-motive force)

รูปที่ 4.14

แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างการปั๊มของโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน จากแมทริกซ์ไปยังช่องว่างด้านนอกที่ทำให้เกิดความแตกต่าง ของปริมาณโปรตอนใน 2 ด้านของเยื่อหุ้มและการที่โปรตอนไหลกลับ ผ่านทางช่องจำเพาะของ ATP synthase ทำให้เกิดการสร้าง ATP

       โปรตอนจะไหลกลับเข้ามาในส่วนแมทริกซ์ ผ่านทางโปรตีนที่ฝังอยู่บนเยื่อหุ้มชั้นใน โปรตีนตัวนี้คือ
ATP synthase ( หรือบางทีเรียกว่า complex V) ATP synthase เป็นเอนไซม์ ประกอบด้วยหน่วยย่อย
หลายหน่วย กลุ่มหนึ่งของหน่วยย่อยทำหน้าที่เป็นช่องให้ H⁺ ผ่าน อีกกลุ่มหนึ่งทำหน้าที่จับกับ ADP และ
P_i เพื่อสร้าง ATP

แรงขับเคลื่อนโปรตอนทำให้เกิดการสร้าง ATP

       ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน และการสร้าง ATP โดย ATP synthase นั้น เป็นคนละระบบแต่เกิดควบคู่กัน
โดยมีแรงขับเคลื่อนโปรตอน (หรือ proton gradient) เป็นตัวเชื่อมโยง

       Peter Mitchell ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลใน คศ.1961 ได้ตั้งสมมุติฐาน chemiosmotic
เพื่ออธิบายการสร้าง ATP ในไมโทคอนเดรีย โดยกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน

       การส่งอิเล็กตรอนต่อเป็นทอดๆ ในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนให้เกิดการปั๊มของโปรตอน
จากข้างในแมทริกซ์ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในออกไปสู่ด้านไซโตซอลของเยื่อหุ้มชั้นใน (H⁺ ถูกปั๊มผ่าน
เยื่อหุ้มขณะที่มีอิเล็กตรอนไหลไปตามระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน) ส่งผลให้ความเข้มข้นของ H⁺
ใน 2 ด้านของเยื่อหุ้มต่างกัน คือทางด้านแมทริกซ์จะต่ำ และด้านช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มจะสูง
และเกิดความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้ม โดยทางด้านแมทริกซ์จะเป็นลบ ทางด้านช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเป็นบวก
สมมุติฐานนี้เรียกว่า chemiosmotic hypothesis (ปฏิกิริยาเคมีเกิดควบคู่กับ osmotic gradient)
กล่าวคือ แรงขับเคลื่อนโปรตอน (proton-motive force) จะทำให้เกิดการสร้าง ATP โดยเอนไซม์
ATP synthase ในสมมุติฐานนี้ การออกซิเดชัน และ ฟอสโฟริีเลชัน (เติมหมู่ฟอสเฟต) เกิดขึ้นพร้อมกัน
โดยมีแรงขับเคลื่อนโปรตอนเป็นตัวเชื่อมโยง แรงขับเคลื่อนโปรตอนนี้เกิดขึ้นเนื่องจาก 2 ปัจจัย ดังแสดง
ในรูป คือเกิดเนื่องจากความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้มชั้นใน (V) และเนื่องจากความแตกต่างของโปรตอน
ใน 2 ด้านของเยื่อหุ้ม ( pH) ในกรณีของไมโทคอนเดรีย แรงขับเคลื่อนโปรตอนจาก V จะมากกว่า
จาก pH

รูปที่ 4.15

electrochemical gradient หรือ แรงขับเคลื่อนโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน ของไมโทคอนเดรีย มาจากแรง 2 ชนิด คือ ความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้ม ( V) และความแตกต่างของความเข้มข้นของ H+ ( pH) แรงทั้ง 2 อย่างนี้ จะรวมกันเกิดเป็นแรงขับเคลื่อนโปรตอน เพื่อนำ H+ ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในกลับไปยังแมทริกซ์ เพื่อให้เกิดการสร้าง ATP โดย ATP synthase

       ATP synthase ประกอบไปด้วย 2 ส่วน มีชื่อเรียกว่า F_o และ F₁ โดยที่ส่วน F_o ที่ทำหน้าที่
ลำเลียงโปรตอน (จากด้านนอกของเยื่อหุ้มชั้นในเข้ามาในแมทริกซ์ขณะที่มีการสร้าง ATP)
และส่วน F₁ ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาสร้าง ATP (catalytic unit)

       หน่วย F_o แทรกอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นใน ประกอบด้วยหน่วยย่อยหลายหน่วยเรียงตัวกันในลักษณะ
ที่ทำให้เกิดเป็นช่อง (channel) สำหรับโปรตอนผ่าน หน่วย F_o นี้สามารถหมุนได้ ซึ่งจะหมุนต่อเมื่อ
มี H⁺ ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในจากด้านนอกเข้าไปในแมทริกซ์ สำหรับ F₁ ซึ่งเป็นส่วนที่อยู่กับที่ เป็นส่วนที่ยื่น
จากเยื่อหุ้มออกมาในแมทริกซ์ หน่วย F₁ ต่อกับหน่วย F_o ด้วยโปรตีนแท่งกลาง
(มี 2 หน่วยย่อย ชื่อ และ ) F₁ ประกอบด้วยหน่วยย่อย 9 หน่วย โดยจะมีหน่วยย่อยที่ชื่อ จำนวน 3 หน่วย ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการสร้าง ATP จาก ADP และ P_i

รูปที่ 4.16

โครงสร้างของเอนไซม์ ATP synthase รูปทางซ้าย : เป็นรูปจำลองอย่างคร่าวๆ ของเอนไซม์ ATP synthase ส่วน Fo ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นใน ทำหน้าที่เป็นช่องให้ H+ ผ่าน ส่วน F 1 ทำหน้าที่เป็นบริเวณเร่งให้ ADP + Pi   ATP ขณะที่ H+ เคลื่อนที่ผ่านช่องใน F o ตัว Fo จะหมุนได้ส่งผลให้โปรตีน แท่งกลางที่เชื่อมต่อระหว่างส่วน Fo และ F1 คือโปรตีน หมุนได้ และส่งผลต่อไป ทำให้โครงสร้างสามมิติของหน่วย ย่อยบริเวณเร่งเปลี่ยนไปจนมีการสร้างและปล่อย ATP ออกมาได้ รูปทางขวา : เป็นรูปวาดให้ง่ายขึ้นของภาพสามมิติของ ATP synthase ซึ่งได้จากการศึกษาทางรังสีเอ็กซ์

       จากรูปที่ 4.17 หน่วย T (สีน้ำเงิน) เปลี่ยนโครงสร้างสามมิติเป็นแบบ O ทำให้ปล่อย ATP ที่สร้างขึ้นมา
(ขณะที่เป็น T) ออกไปและมี ADP, P_i ตัวใหม่มาเกาะ ขณะเดียวกันหน่วย L (สีฟ้า) เปลี่ยนเป็น T
ทำให้เร่งปฏิกิริยา ADP, P_i เป็น ATP แต่ยังไม่สามารถปล่อย ATP ออกมาได้ ในเวลาเดียวกัน
หน่วย O (สีเขียว) เปลี่ยนเป็น L จับ ADP และ P_i ได้แน่นพอที่จะไม่ปล่อยให้หลุดออกไปเพื่อเตรียม
ที่จะสร้าง ATP เมื่อรูปร่างเปลี่ยนไปเป็นแบบ T อีกครั้งหนึ่ง

       โดยสรุป ATP ถูกสร้างและปล่อยออกมาเมื่อโปรตอนไหลกลับจากช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นใน
และชั้นนอกมายังแมทริกซ์ผ่านช่อง F_o ของเอนไซม์ ATP synthase และการสร้าง ATP เกิดขึ้นที่ส่วน F₁
(โปรดคลิกเพื่อดูรายละเอียดของเอนไซม์  ATP synthase เพิ่มเติม)