Повечето живи клетки произвеждат енергия от хранителни вещества чрез клетъчно дишане, което включва поемане на кислород за освобождаване на енергия. Електронната транспортна верига или ETC е третият и последен етап от този процес, като другите два са гликолиза и цикъл на лимонена киселина.
Произведената енергия се съхранява под формата на ATP или аденозин трифосфат, който е нуклеотид, открит в живите организми.
АТФ молекулите съхраняват енергия в своите фосфатни връзки. ETC е най-важният етап от клетъчното дишане от енергийна гледна точка, защото произвежда най-много АТФ. В поредица от окислително-редукционни реакции се освобождава енергия и се използва за свързване на трета фосфатна група към аденозин дифосфат, за да се създаде АТФ с три фосфатни групи.
Когато клетката се нуждае от енергия, тя прекъсва връзката на третата фосфатна група и използва получената енергия.
Какво представляват редокс реакциите?
Много от химичните реакции на клетъчното дишане са окислително-възстановителни реакции. Това са взаимодействия между клетъчните вещества, които включват
намаляване и окисление (или редокс) едновременно. Тъй като електроните се прехвърлят между молекулите, един набор от химикали се окислява, докато друг набор се редуцира.Поредица от окислително-възстановителни реакции съставляват електронна транспортна верига.
Химичните вещества, които се окисляват, са редуциращи агенти. Те приемат електрони и намаляват останалите вещества, като вземат техните електрони. Тези други химикали са окислители. Те даряват електрони и окисляват останалите страни в окислително-възстановителната химична реакция.
Когато се извършват редица окислително-възстановителни химически реакции, електроните могат да се предават през множество етапи, докато в крайна сметка се комбинират с крайния редуциращ агент.
Къде се намира верижната реакция на електронния транспорт в еукариотите?
Клетките на напреднали организми или еукариоти имат a ядро и се наричат еукариотни клетки. Тези клетки от по-високо ниво също имат малки с мембрана структури, наречени митохондрии, които произвеждат енергия за клетката. Митохондриите са като малки фабрики, които генерират енергия под формата на АТФ молекули. Електронно-транспортните верижни реакции се осъществяват вътре в митохондрии.
В зависимост от работата на клетката, клетките могат да имат повече или по-малко митохондрии. Мускулни клетки понякога имат хиляди, защото се нуждаят от много енергия. Растителните клетки също имат митохондрии; те произвеждат глюкоза чрез фотосинтеза и след това се използва за клетъчно дишане и в крайна сметка електронната транспортна верига в митохондриите.
ETC реакциите се провеждат във и през вътрешната мембрана на митохондриите. Друг процес на дишане на клетките, цикъл на лимонена киселина, се осъществява вътре в митохондриите и доставя някои от химикалите, необходими на ETC реакциите. ETC използва характеристиките на вътрешна митохондриална мембрана да синтезира АТФ молекули.
Как изглежда митохондрията?
Митохондрията е малка и много по-малка от клетката. За да го видите правилно и да проучите структурата му, е необходим електронен микроскоп с увеличение от няколко хиляди пъти. Изображенията от електронния микроскоп показват, че митохондрията има гладка, удължена външна мембрана и a силно сгъната вътрешна мембрана.
Вътрешните мембранни гънки имат форма на пръсти и достигат дълбоко във вътрешността на митохондрията. Вътрешността на вътрешната мембрана съдържа течност, наречена матрица, а между вътрешната и външната мембрани е вискозна, изпълнена с течност област, наречена междумембранно пространство.
Цикълът на лимонената киселина се осъществява в матрицата и тя произвежда някои от съединенията, използвани от ETC. ETC взема електрони от тези съединения и връща продуктите обратно в цикъла на лимонената киселина. Гънките на вътрешната мембрана й придават голяма повърхност с много място за електронни транспортни верижни реакции.
Къде се провежда ETC реакцията при прокариотите?
Повечето едноклетъчни организми са прокариоти, което означава, че клетките нямат ядро. Тези прокариотни клетки имат проста структура с клетъчна стена и клетъчни мембрани, заобикалящи клетката и контролиращи това, което влиза и излиза от клетката. Прокариотни клетки липса на митохондрии и други мембранно свързани органели. Вместо това, производството на клетъчна енергия се извършва в цялата клетка.
Някои прокариотни клетки като зелените водорасли могат да произвеждат глюкоза от фотосинтеза, докато други поглъщат вещества, които съдържат глюкоза. След това глюкозата се използва като храна за клетъчно производство на енергия чрез клетъчно дишане.
Тъй като тези клетки нямат митохондрии, ETC реакцията в края на клетъчното дишане трябва да се осъществи върху и през клетъчните мембрани, разположени точно в клетъчната стена.
Какво се случва по време на електронната транспортна верига?
ETC използва високоенергийни електрони от химикали, произведени от цикъла на лимонената киселина и ги превежда през четири стъпки до ниско енергийно ниво. Енергията от тези химични реакции е свикнала протони на помпата през мембрана. След това тези протони дифузират обратно през мембраната.
За прокариотните клетки протеините се изпомпват през клетъчните мембрани, заобикалящи клетката. За еукариотни клетки с митохондрии, протоните се изпомпват през вътрешната митохондриална мембрана от матрицата в междумембранното пространство.
Химическите донори на електрони включват NADH и FADH докато крайният електронен акцептор е кислород. Химикалите NAD и FAD се връщат обратно в цикъла на лимонената киселина, докато кислородът се комбинира с водород, за да образува вода.
Протоните, изпомпвани през мембраните, създават а протонен градиент. Градиентът създава протон-движеща сила, която позволява на протоните да се движат обратно през мембраните. Това движение на протони активира АТФ синтазата и създава АТФ молекули от ADP. Цялостният химичен процес се нарича окислително фосфорилиране.
Каква е функцията на четирите комплекса на ETC?
Четири химически комплекса съставляват електронната транспортна верига. Те имат следните функции:
- Комплекс I взема електронен донор NADH от матрицата и изпраща електрони надолу по веригата, докато използва енергията за изпомпване на протони през мембраните.
- Комплекс II използва FADH като електронен донор за подаване на допълнителни електрони към веригата.
- Комплекс III предава електроните на междинен химикал, наречен цитохром, и изпомпва повече протони през мембраните.
- Комплекс IV получава електроните от цитохрома и ги предава на половината от кислородната молекула, която се комбинира с два водородни атома и образува водна молекула.
В края на този процес се получава протонният градиент от всеки сложен изпомпващ протони през мембраните. Полученото протон-двигателна сила изтегля протоните през мембраните чрез молекулите на АТФ синтазата.
Докато преминават в митохондриалната матрица или вътрешността на прокариотната клетка, действието на протони позволява на молекулата на АТФ синтазата да добавя фосфатна група към ADP или аденозин дифосфат молекула. ADP става ATP или аденозин трифосфат и енергията се съхранява в допълнителната фосфатна връзка.
Защо е важна електронната транспортна верига?
Всяка от трите фази на клетъчно дишане включва важни клетъчни процеси, но ETC произвежда най-много ATP. Тъй като производството на енергия е една от ключовите функции на клетъчното дишане, АТФ е най-важната фаза от тази гледна точка.
Където ETC произвежда до 34 молекули АТФ от продуктите на една молекула глюкоза цикълът на лимонената киселина произвежда две, а гликолизата произвежда четири молекули АТФ, но използва две от тях.
Другата ключова функция на ETC е да произвежда NAD и ПРИЩЯВКА от NADH и FADH в първите два химически комплекса. Продуктите на реакциите в ETC комплекс I и комплекс II са молекулите NAD и FAD, които са необходими в цикъла на лимонената киселина.
В резултат на това цикълът на лимонената киселина зависи от ETC. Тъй като ETC може да се осъществи само в присъствието на кислород, който действа като краен електронен акцептор, клетъчният дихателен цикъл може да работи напълно, когато организмът поеме кислород.
Как кислородът попада в митохондриите?
Всички напреднали организми се нуждаят от кислород, за да оцелеят. Някои животни дишат кислород от въздуха, докато водните животни могат да имат хрилете или абсорбират кислород чрез техните кожи.
При висшите животни червените кръвни клетки абсорбират кислород в бели дробове и го пренесете в тялото. Артериите и след това малките капиляри разпределят кислорода в тъканите на тялото.
Тъй като митохондриите изразходват кислород за образуване на вода, кислородът се дифузира извън червените кръвни клетки. Молекулите на кислорода пътуват през клетъчните мембрани и навлизат в клетъчната вътрешност. Тъй като съществуващите молекули на кислорода се изразходват, новите молекули заемат тяхното място.
Докато има достатъчно кислород, митохондриите могат да доставят цялата енергия, необходима на клетката.
Химически преглед на клетъчното дишане и ETC
Глюкозата е въглехидрати който, когато се окисли, произвежда въглероден диоксид и вода. По време на този процес електроните се подават в електронната транспортна верига.
Потокът от електрони се използва от протеиновите комплекси в митохондриалните или клетъчните мембрани за транспортиране на водородни йони, Н +, през мембраните. Наличието на повече водородни йони извън мембраната, отколкото вътре, създава a рН дисбаланс с по-кисел разтвор извън мембраната.
За да се балансира рН, водородните йони преминават обратно през мембраната през протеиновия комплекс АТФ синтаза, задвижвайки образуването на АТФ молекули. Химическата енергия, събрана от електроните, се променя на електрохимична форма на енергия, съхранявана в градиента на водородните йони.
Когато електрохимичната енергия се освободи чрез потока на водородните йони или протони през АТФ-синтазния комплекс, тя се променя на биохимична енергия под формата на АТФ.
Инхибиране на механизма за транспортиране на електронна верига
ETC реакциите са високоефективен начин за производство и съхраняване на енергия, която клетката да използва при нейното движение, размножаване и оцеляване. Когато една от поредицата реакции е блокирана, ETC вече не функционира и клетките, които разчитат на него, умират.
Някои прокариоти имат алтернативни начини за производство на енергия чрез използване на вещества, различни от кислорода като краен електрон акцептор, но еукариотните клетки зависят от окислителното фосфорилиране и електронната транспортна верига за своята енергия нужди.
Вещества, които могат да инхибират действието на ЕТС, могат блокират редокс реакции, инхибират протонния трансфер или модифицират ключови ензими. Ако редокс стъпката е блокирана, трансферът на електрони спира и окислението продължава до високи нива в края на кислорода, докато по-нататъшното намаляване се извършва в началото на веригата.
Когато протоните не могат да бъдат прехвърлени през мембраните или ензимите като АТФ синтаза се разграждат, производството на АТФ спира.
И в двата случая клетъчните функции се разпадат и клетката умира.
Растителни вещества като ротенон, съединения като цианид и антибиотици като антимицин може да се използва за инхибиране на ETC реакцията и за предизвикване на целева клетъчна смърт.
Например, ротенонът се използва като инсектицид, а антибиотиците се използват за унищожаване на бактерии. Когато е необходимо да се контролира разпространението и растежа на организма, ETC може да се разглежда като ценна точка за атака. Нарушаването на нейната функция лишава клетката от енергията, от която се нуждае, за да живее.