Většina živých buněk produkuje energii z živin prostřednictvím buněčného dýchání, které zahrnuje absorpci kyslíku k uvolnění energie. Řetězec transportu elektronů nebo ETC je třetí a poslední fáze tohoto procesu, další dvě jsou glykolýza a cyklus kyseliny citronové.
Vyrobená energie je uložena ve formě ATP nebo adenosintrifosfát, což je nukleotid nacházející se v živých organismech.
Molekuly ATP uchovávají energii ve svých fosfátové vazby. ETC je nejdůležitější etapou buněčného dýchání z energetického hlediska, protože produkuje nejvíce ATP. V sérii redoxních reakcí se uvolní energie a použije se k připojení třetí fosfátové skupiny k adenosindifosfátu k vytvoření ATP se třemi fosfátovými skupinami.
Když buňka potřebuje energii, rozbije vazbu třetí fosfátové skupiny a použije výslednou energii.
Co jsou redoxní reakce?
Mnoho chemických reakcí buněčného dýchání jsou redoxní reakce. Jedná se o interakce mezi buněčnými látkami, které zahrnují snížení a oxidace (nebo redox) současně. Jak se elektrony přenášejí mezi molekulami, jedna sada chemikálií se oxiduje, zatímco druhá sada se redukuje.
Série redoxních reakcí tvoří elektronový transportní řetězec.
Oxidované chemikálie jsou redukční činidla. Přijímají elektrony a redukují ostatní látky jejich elektrony. Tyto další chemikálie jsou oxidační činidla. Darují elektrony a oxidují ostatní strany v redoxní chemické reakci.
Pokud probíhá řada redoxních chemických reakcí, mohou být elektrony předávány několika stupni, dokud neskončí v kombinaci s konečným redukčním činidlem.
Kde se nachází reakce elektronového transportního řetězce v eukaryotech?
Buňky pokročilých organismů nebo eukaryot mají a jádro a jsou voláni eukaryotické buňky. Tyto buňky vyšší úrovně mají také malé vázané na membránu struktury zvané mitochondrie, které produkují energii pro buňku. Mitochondrie jsou jako malé továrny, které generují energii ve formě molekul ATP. Elektronové transportní řetězové reakce probíhají uvnitř mitochondrie.
V závislosti na práci, kterou buňka dělá, mohou mít buňky více či méně mitochondrií. Svalové buňky někdy tisíce, protože potřebují hodně energie. Rostlinné buňky mají také mitochondrie; produkují glukózu fotosyntézou a ta se potom používá v buněčném dýchání a nakonec v transportním řetězci elektronů v mitochondriích.
Reakce ETC probíhají na vnitřní membráně mitochondrií a přes ni. Další proces dýchání buněk, cyklus kyseliny citronové, se odehrává uvnitř mitochondrií a dodává některé z chemikálií potřebných pro reakce ETC. ETC využívá vlastnosti vnitřní mitochondriální membrána syntetizovat ATP molekuly.
Jak vypadá mitochondrie?
Mitochondrie je malá a mnohem menší než buňka. Aby bylo možné jej správně vidět a studovat jeho strukturu, je zapotřebí elektronový mikroskop se několikanásobným zvětšením. Snímky z elektronového mikroskopu ukazují, že mitochondrie má hladkou podlouhlou vnější membránu a silně složený vnitřní membrána.
Záhyby vnitřní membrány mají tvar prstů a zasahují hluboko do nitra mitochondrie. Vnitřek vnitřní membrány obsahuje tekutinu zvanou matrice a mezi vnitřní a vnější membránou je oblast viskózní tekutinou nazývaná mezimembránový prostor.
Cyklus kyseliny citronové probíhá v matrici a produkuje některé ze sloučenin používaných ETC. ETC bere elektrony z těchto sloučenin a vrací produkty zpět do cyklu kyseliny citronové. Záhyby vnitřní membrány jí dodávají velkou plochu se spoustou prostoru pro elektronové transportní řetězové reakce.
Kde probíhá reakce ETC u prokaryot?
Většina jednobuněčných organismů jsou prokaryoty, což znamená, že buňkám chybí jádro. Tyto prokaryotické buňky mají jednoduchou strukturu s buněčnou stěnou a buněčnými membránami obklopujícími buňku a kontrolujícími, co jde do a ven z buňky. Prokaryotické buňky chybí mitochondrie a další membránově vázané organely. Místo toho produkce energie buňky probíhá v celé buňce.
Některé prokaryotické buňky, jako jsou zelené řasy, mohou produkovat glukózu fotosyntézazatímco jiné přijímají látky obsahující glukózu. Glukóza se poté používá jako potrava pro produkci buněčné energie prostřednictvím buněčného dýchání.
Protože tyto buňky nemají mitochondrie, ETC reakce na konci buněčného dýchání musí probíhat na buněčných membránách umístěných těsně uvnitř buněčné stěny.
Co se stane během elektronového transportního řetězce?
ETC používá vysokoenergetické elektrony z chemikálií produkovaných cyklem kyseliny citronové a vede je čtyřmi kroky k nízké energetické úrovni. Energie z těchto chemických reakcí je zvyklá pumpovat protony přes membránu. Tyto protony pak difundují zpět přes membránu.
U prokaryotických buněk jsou proteiny čerpány přes buněčné membrány obklopující buňku. U eukaryotických buněk s mitochondriemi jsou protony čerpány přes vnitřní mitochondriální membránu z matrice do mezimembránového prostoru.
Mezi dárce chemických elektronů patří NADH a FADH zatímco konečným akceptorem elektronů je kyslík. Chemikálie NAD a FAD se vracejí zpět do cyklu kyseliny citronové, zatímco kyslík se spojuje s vodíkem za vzniku vody.
Protony čerpané přes membrány vytvářejí a protonový gradient. Gradient vytváří proton-hybnou sílu, která umožňuje protonům pohybovat se zpět přes membrány. Toto protonové hnutí aktivuje ATP syntázu a vytváří z ní molekuly ATP ADP. Celkový chemický proces se nazývá oxidační fosforylace.
Jaká je funkce čtyř komplexů ETC?
Řetězec transportu elektronů tvoří čtyři chemické komplexy. Mají následující funkce:
- Komplex I. bere z matrice donor elektronů NADH a posílá elektrony dolů po řetězci, přičemž využívá energii k pumpování protonů přes membrány.
- Komplex II používá FADH jako dárce elektronů k dodávání dalších elektronů do řetězce.
- Komplex III přenáší elektrony na intermediární chemickou látku zvanou cytochrom a pumpuje více protonů přes membrány.
- Komplex IV přijme elektrony z cytochromu a předá je polovině molekuly kyslíku, která se spojí se dvěma atomy vodíku a vytvoří molekulu vody.
Na konci tohoto procesu je protonový gradient produkován každým komplexem čerpajícím protony přes membrány. Výsledná proton-hybná síla táhne protony membránami přes molekuly ATP syntázy.
Při přechodu do mitochondriální matrice nebo do vnitřku prokaryotické buňky působila protony umožňují molekule ATP syntázy přidat fosfátovou skupinu k ADP nebo adenosindifosfátu molekula. ADP se stává ATP nebo adenosintrifosfátem a energie se ukládá v extra fosfátové vazbě.
Proč je elektronový transportní řetězec důležitý?
Každá ze tří buněčných respiračních fází zahrnuje důležité buněčné procesy, ale ETC produkuje zdaleka nejvíce ATP. Protože výroba energie je jednou z klíčových funkcí buněčného dýchání, je z tohoto hlediska nejdůležitější fáze ATP.
Kde ETC produkuje až 34 molekul ATP z produktů jedné molekuly glukózy produkuje cyklus kyseliny citronové dvě a glykolýza produkuje čtyři molekuly ATP, ale využívá dvě z nich.
Druhou klíčovou funkcí ETC je vyrábět NAD a FAD z NADH a FADH v prvních dvou chemických komplexech. Produkty reakcí v ETC komplexu I a komplexu II jsou molekuly NAD a FAD, které jsou vyžadovány v cyklu kyseliny citronové.
Ve výsledku je cyklus kyseliny citronové závislý na ETC. Vzhledem k tomu, že ETC může probíhat pouze v přítomnosti kyslíku, který působí jako konečný akceptor elektronů, může buněčný dýchací cyklus plně fungovat pouze tehdy, když organismus přijme kyslík.
Jak se kyslík dostane do mitochondrií?
Všechny pokročilé organismy potřebují k přežití kyslík. Některá zvířata dýchají kyslík ze vzduchu, zatímco vodní živočichové ano žábry nebo absorbovat kyslík přes jejich kůže.
U vyšších zvířat absorbují červené krvinky kyslík v plíce a proveďte to do těla. Tepny a potom drobné kapiláry distribuují kyslík v tkáních těla.
Protože mitochondrie spotřebovávají kyslík k tvorbě vody, kyslík difunduje z červených krvinek. Molekuly kyslíku cestují přes buněčné membrány a do vnitřku buňky. Jakmile se stávající molekuly kyslíku vyčerpají, nahradí je nové molekuly.
Dokud je přítomno dostatek kyslíku, mohou mitochondrie dodávat veškerou energii, kterou buňka potřebuje.
Chemický přehled buněčného dýchání a ETC
Glukóza je a uhlohydrát že při oxidaci produkuje oxid uhličitý a vodu. Během tohoto procesu jsou elektrony přiváděny do elektronového transportního řetězce.
Tok elektronů využívají proteinové komplexy v mitochondriálních nebo buněčných membránách k transportu vodíkových iontů, H +přes membrány. Přítomnost více vodíkových iontů mimo membránu než uvnitř vytváří a nerovnováha pH s kyselějším roztokem mimo membránu.
Aby se vyrovnalo pH, vodíkové ionty proudí zpět přes membránu přes proteinový komplex ATP syntázy a řídí tvorbu molekul ATP. Chemická energie získaná z elektronů se změní na elektrochemickou formu energie uložené v gradientu vodíkových iontů.
Když se elektrochemická energie uvolní tokem vodíkových iontů nebo protonů komplexem ATP syntázy, změní se na biochemická energie ve formě ATP.
Inhibice mechanismu přenosu elektronového řetězce
Reakce ETC jsou vysoce účinným způsobem, jak produkovat a ukládat energii, kterou buňka může použít při svém pohybu, reprodukci a přežití. Když je jedna ze série reakcí blokována, ETC již nefunguje a buňky, které se na něj spoléhají, zemřou.
Někteří prokaryoti mají alternativní způsoby výroby energie pomocí jiných látek než kyslíku jako konečného elektronu akceptor, ale eukaryotické buňky závisí na své energii na oxidativní fosforylaci a elektronovém transportním řetězci potřeby.
Látky, které mohou inhibovat působení ETC, mohou blokovat redoxní reakce, inhibují přenos protonů nebo modifikují klíčové enzymy. Pokud je redoxní krok blokován, přestane se přenos elektronů a oxidace pokračuje na vysoké úrovni na konci kyslíku, zatímco další redukce probíhá na začátku řetězce.
Když protony nelze přenést přes membrány nebo se degradují enzymy, jako je ATP syntáza, produkce ATP se zastaví.
V obou případech se buněčné funkce rozpadnou a buňka zemře.
Rostlinné látky jako např rotenon, sloučeniny jako kyanid a antibiotika jako např antimycin lze použít k inhibici ETC reakce a k dosažení cílové buněčné smrti.
Například rotenon se používá jako insekticid a antibiotika se používají k ničení bakterií. Pokud je potřeba kontrolovat množení a růst organismu, lze ETC považovat za cenný bod útoku. Narušení jeho funkce připraví buňku o energii, kterou potřebuje k životu.
