سلسلة نقل الإلكترون (ETC): التعريف والموقع والأهمية

تنتج معظم الخلايا الحية الطاقة من العناصر الغذائية من خلال التنفس الخلوي الذي يتضمن امتصاص الأكسجين لإطلاق الطاقة. سلسلة نقل الإلكترون أو ETC هي المرحلة الثالثة والأخيرة من هذه العملية ، والمرحلتان الأخريان تحلل السكر و ال دورة حمض الستريك.

يتم تخزين الطاقة المنتجة في شكل ATP أو أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، وهو نوكليوتيد موجود في الكائنات الحية.

تخزن جزيئات ATP الطاقة في روابط الفوسفات. يعتبر ETC أهم مرحلة في التنفس الخلوي من وجهة نظر الطاقة لأنه ينتج أكبر قدر من ATP. في سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال ، يتم تحرير الطاقة واستخدامها لربط مجموعة فوسفات ثالثة بالأدينوسين ثنائي فوسفات لإنشاء ATP مع ثلاث مجموعات فوسفات.

عندما تحتاج الخلية إلى طاقة ، فإنها تكسر رابطة مجموعة الفوسفات الثالثة وتستخدم الطاقة الناتجة.

العديد من التفاعلات الكيميائية لتنفس الخلية هي تفاعلات الأكسدة والاختزال. هذه هي التفاعلات بين المواد الخلوية التي تنطوي على تخفيض و أكسدة (أو الأكسدة) في نفس الوقت. عندما يتم نقل الإلكترونات بين الجزيئات ، تتأكسد مجموعة واحدة من المواد الكيميائية بينما يتم تقليل مجموعة أخرى.

تشكل سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال سلسلة نقل الإلكترون.

المواد الكيميائية التي تتأكسد هي عوامل مختزلة. يقبلون الإلكترونات ويقللون من المواد الأخرى بأخذ إلكتروناتهم. هذه المواد الكيميائية الأخرى هي عوامل مؤكسدة. يتبرعون بالإلكترونات ويؤكسدون الأطراف الأخرى في تفاعل الأكسدة والاختزال الكيميائي.

عندما تكون هناك سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال الكيميائية التي تحدث ، يمكن تمرير الإلكترونات عبر مراحل متعددة حتى ينتهي بها الأمر مع عامل الاختزال النهائي.

تمتلك خلايا الكائنات الحية المتقدمة أو حقيقيات النوى أ نواة ويطلق عليهم الخلايا حقيقية النواة. هذه الخلايا ذات المستوى الأعلى صغيرة أيضًا مرتبط بالغشاء هياكل تسمى الميتوكوندريا التي تنتج الطاقة للخلية. تشبه الميتوكوندريا المصانع الصغيرة التي تولد الطاقة على شكل جزيئات ATP. تحدث تفاعلات سلسلة نقل الإلكترون داخل الميتوكوندريا.

اعتمادًا على العمل الذي تقوم به الخلية ، قد تحتوي الخلايا على ميتوكوندريا أكثر أو أقل. خلايا العضلات أحيانًا يكون لديهم الآلاف لأنهم يحتاجون إلى الكثير من الطاقة. تحتوي الخلايا النباتية على الميتوكوندريا أيضًا ؛ ينتجون الجلوكوز عن طريق التمثيل الضوئي ، ثم يتم استخدامه في التنفس الخلوي ، وفي النهاية ، في سلسلة نقل الإلكترون في الميتوكوندريا.

تحدث تفاعلات ETC على وعبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. عملية أخرى للتنفس الخلوي ، وهي دورة حمض الستريكيحدث داخل الميتوكوندريا وينقل بعض المواد الكيميائية التي تحتاجها تفاعلات ETC. يستخدم ETC خصائص غشاء الميتوكوندريا الداخلي لتوليف جزيئات ATP.

الميتوكوندريا صغيرة وأصغر بكثير من الخلية. لرؤيتها بشكل صحيح ودراسة هيكلها ، يلزم وجود مجهر إلكتروني بتكبير يصل إلى عدة آلاف من المرات. تظهر الصور المأخوذة من المجهر الإلكتروني أن الميتوكوندريا لها غشاء خارجي أملس ممدود و مطوية بشدة الغشاء الداخلي.

تتشكل طيات الغشاء الداخلي مثل الأصابع وتصل إلى عمق داخل الميتوكوندريا. يحتوي الجزء الداخلي من الغشاء الداخلي على سائل يسمى المصفوفة ، وبين الأغشية الداخلية والخارجية منطقة مملوءة بسائل لزج تسمى الفضاء بين الغشاء.

تحدث دورة حمض الستريك في المصفوفة ، وتنتج بعض المركبات التي يستخدمها ETC. يأخذ ETC الإلكترونات من هذه المركبات ويعيد المنتجات إلى دورة حمض الستريك. تمنحه طيات الغشاء الداخلي مساحة كبيرة مع مساحة كبيرة لتفاعلات سلسلة نقل الإلكترون.

معظم الكائنات الحية أحادية الخلية هي بدائيات النوى ، مما يعني أن الخلايا تفتقر إلى النواة. تحتوي هذه الخلايا بدائية النواة على بنية بسيطة بجدار خلوي وأغشية خلوية تحيط بالخلية وتتحكم في ما يدخل الخلية ويخرج منها. خلايا بدائية النواة تفتقر إلى الميتوكوندريا وغيرها غشاء ملزمة العضيات. بدلاً من ذلك ، يتم إنتاج طاقة الخلية في جميع أنحاء الخلية.

يمكن لبعض الخلايا بدائية النواة مثل الطحالب الخضراء إنتاج الجلوكوز منها البناء الضوئيبينما يتناول البعض الآخر المواد التي تحتوي على الجلوكوز. ثم يتم استخدام الجلوكوز كغذاء لإنتاج طاقة الخلية عن طريق التنفس الخلوي.

نظرًا لأن هذه الخلايا لا تحتوي على ميتوكوندريا ، يجب أن يحدث تفاعل ETC في نهاية تنفس الخلية على أغشية الخلايا الموجودة داخل جدار الخلية وعبرها.

يستخدم ETC إلكترونات عالية الطاقة من المواد الكيميائية التي تنتجها دورة حمض الستريك ويأخذها من خلال أربع خطوات إلى مستوى طاقة منخفض. يتم استخدام الطاقة من هذه التفاعلات الكيميائية ضخ البروتونات عبر الغشاء. ثم تنتشر هذه البروتونات مرة أخرى عبر الغشاء.

بالنسبة للخلايا بدائية النواة ، يتم ضخ البروتينات عبر أغشية الخلايا المحيطة بالخلية. بالنسبة للخلايا حقيقية النواة ذات الميتوكوندريا ، يتم ضخ البروتونات عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا من المصفوفة إلى الفضاء بين الغشاء.

تشمل الجهات المانحة للإلكترون الكيميائي NADH و FADH بينما متقبل الإلكترون النهائي هو الأكسجين. يتم إرجاع المواد الكيميائية NAD و FAD إلى دورة حمض الستريك بينما يتحد الأكسجين مع الهيدروجين لتكوين الماء.

تؤدي البروتونات التي يتم ضخها عبر الأغشية إلى تكوين a التدرج البروتوني. ينتج التدرج اللوني قوة دافعة للبروتونات تسمح للبروتونات بالرجوع عبر الأغشية. تعمل حركة البروتون هذه على تنشيط سينسيز ATP وتكوين جزيئات ATP منه ADP. العملية الكيميائية الشاملة تسمى الفسفرة التأكسدية.

تشكل سلسلة نقل الإلكترون أربعة معقدات كيميائية. لديهم الوظائف التالية:

• مجمع أنا يأخذ NADH مانح الإلكترون من المصفوفة ويرسل الإلكترونات إلى أسفل السلسلة أثناء استخدام الطاقة لضخ البروتونات عبر الأغشية.
• مجمع II يستخدم FADH كمانح إلكترون لتزويد إلكترونات إضافية بالسلسلة.
• المجمع الثالث يمرر الإلكترونات إلى مادة كيميائية وسيطة تسمى السيتوكروم ويضخ المزيد من البروتونات عبر الأغشية.
• المجمع الرابع يستقبل الإلكترونات من السيتوكروم ويمررها إلى نصف جزيء الأكسجين الذي يتحد مع ذرتين من الهيدروجين ويشكل جزيء الماء.

في نهاية هذه العملية ، يتم إنتاج التدرج اللوني للبروتونات عن طريق ضخ البروتونات المعقدة عبر الأغشية. النتيجة بروتون القوة الدافعة يرسم البروتونات عبر الأغشية عبر جزيئات سينسيز ATP.

أثناء عبورهم إلى مصفوفة الميتوكوندريا أو الجزء الداخلي من الخلية بدائية النواة ، فإن عمل تسمح البروتونات لجزيء سينسيز ATP بإضافة مجموعة فوسفات إلى ADP أو ثنائي فوسفات الأدينوزين مركب. يتحول ADP إلى ATP أو ثلاثي فوسفات الأدينوزين ، ويتم تخزين الطاقة في رابطة الفوسفات الإضافية.

تتضمن كل مرحلة من مراحل التنفس الخلوي الثلاث عمليات خلوية مهمة ، لكن ETC ينتج إلى حد بعيد معظم ATP. نظرًا لأن إنتاج الطاقة هو أحد الوظائف الرئيسية لتنفس الخلية ، فإن ATP هو أهم مرحلة من وجهة النظر هذه.

حيث تنتج ETC ما يصل إلى 34 جزيء من ATP من منتجات جزيء جلوكوز واحد ، تنتج دورة حمض الستريك اثنين ، وينتج تحلل السكر أربعة جزيئات ATP ولكنه يستخدم اثنين منها.

الوظيفة الرئيسية الأخرى لـ ETC هي الإنتاج NAD و موضة عابرة من NADH و FADH في أول مجمعين كيميائيين. نواتج التفاعلات في معقد ETC I و المركب II هي جزيئات NAD و FAD المطلوبة في دورة حمض الستريك.

نتيجة لذلك ، تعتمد دورة حمض الستريك على ETC. نظرًا لأن ETC لا يمكن أن يحدث إلا في وجود الأكسجين ، الذي يعمل كمستقبل نهائي للإلكترون ، لا يمكن لدورة تنفس الخلية أن تعمل بشكل كامل إلا عندما يأخذ الكائن الأكسجين.

تحتاج جميع الكائنات الحية المتقدمة إلى الأكسجين للبقاء على قيد الحياة. تتنفس بعض الحيوانات الأكسجين من الهواء بينما قد تتنفس الحيوانات المائية الخياشيم أو تمتص الأكسجين من خلال جلود.

في الحيوانات العليا ، تمتص خلايا الدم الحمراء الأكسجين في رئتين وتحمله في الجسم. تقوم الشرايين والشعيرات الدموية الدقيقة بتوزيع الأكسجين في جميع أنحاء أنسجة الجسم.

نظرًا لأن الميتوكوندريا تستخدم الأكسجين لتكوين الماء ، ينتشر الأكسجين من خلايا الدم الحمراء. تنتقل جزيئات الأكسجين عبر أغشية الخلايا إلى داخل الخلية. مع استخدام جزيئات الأكسجين الموجودة ، تحل جزيئات جديدة محلها.

طالما يوجد كمية كافية من الأكسجين ، يمكن للميتوكوندريا توفير كل الطاقة التي تحتاجها الخلية.

الجلوكوز هو الكربوهيدرات أنه عندما يتأكسد ينتج ثاني أكسيد الكربون والماء. خلال هذه العملية ، يتم تغذية الإلكترونات في سلسلة نقل الإلكترون.

يتم استخدام تدفق الإلكترونات بواسطة معقدات البروتين في الميتوكوندريا أو أغشية الخلايا لنقل أيونات الهيدروجين ، ح +عبر الأغشية. يؤدي وجود المزيد من أيونات الهيدروجين خارج الغشاء أكثر من الداخل إلى تكوين a عدم توازن الأس الهيدروجيني بمحلول أكثر حمضية خارج الغشاء.

لموازنة الأس الهيدروجيني ، تتدفق أيونات الهيدروجين مرة أخرى عبر الغشاء من خلال مركب البروتين سينسيز ATP ، مما يؤدي إلى تكوين جزيئات ATP. يتم تغيير الطاقة الكيميائية المحصودة من الإلكترونات إلى شكل كهروكيميائي للطاقة المخزنة في تدرج أيون الهيدروجين.

عندما يتم إطلاق الطاقة الكهروكيميائية من خلال تدفق أيونات الهيدروجين أو البروتونات عبر مركب سينسيز ATP ، يتم تغييرها إلى الطاقة البيوكيميائية في شكل ATP.

تعتبر تفاعلات ETC طريقة عالية الكفاءة لإنتاج الطاقة وتخزينها للخلية لاستخدامها في حركتها وتكاثرها وبقائها على قيد الحياة. عندما يتم حظر إحدى سلاسل التفاعلات ، لا يعمل ETC مرة أخرى ، وتموت الخلايا التي تعتمد عليها.

تمتلك بعض بدائيات النوى طرقًا بديلة لإنتاج الطاقة باستخدام مواد أخرى غير الأكسجين كإلكترون نهائي متقبل ، لكن الخلايا حقيقية النواة تعتمد على الفسفرة المؤكسدة وسلسلة نقل الإلكترون لطاقتها الاحتياجات.

يمكن للمواد التي يمكن أن تمنع عمل ETC منع تفاعلات الأكسدة والاختزال، يمنع نقل البروتون أو تعديل الإنزيمات الرئيسية. إذا تم حظر خطوة الأكسدة والاختزال ، يتوقف نقل الإلكترونات وتستمر الأكسدة إلى مستويات عالية في نهاية الأكسجين بينما يحدث المزيد من الاختزال في بداية السلسلة.

عندما يتعذر نقل البروتونات عبر الأغشية أو تتدهور الإنزيمات مثل سينسيز ATP ، يتوقف إنتاج الـ ATP.

في كلتا الحالتين ، تتعطل وظائف الخلية وتموت الخلية.

المواد ذات الأصل النباتي مثل روتينون، مركبات مثل السيانيد والمضادات الحيوية مثل أنتيميسين يمكن استخدامها لتثبيط تفاعل ETC وتحقيق موت الخلايا المستهدف.

على سبيل المثال ، يستخدم الروتينون كمبيد حشري ، وتستخدم المضادات الحيوية لقتل البكتيريا. عندما تكون هناك حاجة للسيطرة على تكاثر الكائنات الحية ونموها ، يمكن اعتبار ETC نقطة هجوم قيمة. يؤدي تعطيل وظيفتها إلى حرمان الخلية من الطاقة التي تحتاجها للعيش.