Electron Transport Chain (ETC): Definition, placering og betydning

De fleste levende celler producerer energi fra næringsstoffer gennem cellulær respiration, der involverer optagelse af ilt for at frigive energi. Elektrontransportkæden eller ETC er den tredje og sidste fase af denne proces, hvor de to andre er glykolyse og citronsyrecyklus.

Den producerede energi lagres i form af ATP eller adenosintriphosphat, som er et nukleotid, der findes i levende organismer.

ATP-molekylerne lagrer energi i deres fosfatbindinger. ETC er det vigtigste trin i cellulær respiration set fra et energisynspunkt, fordi den producerer mest ATP. I en række redoxreaktioner frigøres energi og bruges til at knytte en tredje phosphatgruppe til adenosindiphosphat for at skabe ATP med tre phosphatgrupper.

Når en celle har brug for energi, bryder den den tredje fosfatgruppebinding og bruger den resulterende energi.

Mange af de kemiske reaktioner ved celleånding er redoxreaktioner. Dette er interaktioner mellem cellulære stoffer, der involverer reduktion og oxidation

En række redoxreaktioner udgør elektrontransportkæde.

De kemikalier, der oxideres, er reduktionsmidler. De accepterer elektroner og reducerer de andre stoffer ved at tage deres elektroner. Disse andre kemikalier er oxidationsmidler. De donerer elektroner og oxiderer de andre parter i den kemiske redoxreaktion.

Når der sker en række kemiske redoxreaktioner, kan elektroner overføres gennem flere trin, indtil de ender kombineret med det endelige reduktionsmiddel.

Cellerne i avancerede organismer eller eukaryoter har en kerne og kaldes eukaryote celler. Disse celler på højere niveau har også små membran-bundet strukturer kaldet mitokondrier, der producerer energi til cellen. Mitokondrier er som små fabrikker, der genererer energi i form af ATP-molekyler. Elektrontransportkædereaktioner finder sted inde i mitokondrier.

Afhængigt af det arbejde, cellen udfører, kan cellerne have flere eller færre mitokondrier. Muskelceller undertiden har tusinder, fordi de har brug for en masse energi. Planteceller har også mitokondrier; de producerer glukose via fotosyntese, og derefter bruges det til cellulær respiration og til sidst elektrontransportkæden i mitokondrierne.

ETC-reaktionerne finder sted på og på tværs af mitokondriens indre membran. En anden celle respirationsproces, citronsyrecyklus, finder sted inde i mitokondrierne og leverer nogle af de kemikalier, der er nødvendige for ETC-reaktionerne. ETC bruger egenskaberne ved indre mitokondrie membran at syntetisere ATP-molekyler.

En mitokondrion er lille og meget mindre end en celle. For at se det ordentligt og studere dets struktur kræves et elektronmikroskop med en forstørrelse på flere tusinde gange. Billeder fra elektronmikroskopet viser, at mitokondrionen har en glat, langstrakt ydre membran og en stærkt foldet indre membran.

De indre membranfoldninger er formet som fingre og når dybt ind i mitokondrionens indre. Indersiden af ​​den indre membran indeholder en væske kaldet matrixen, og mellem de indre og ydre membraner er en viskøs væskefyldt region kaldet intermembranrum.

Citronsyrecyklussen finder sted i matrixen, og den producerer nogle af de forbindelser, der anvendes af ETC. ETC tager elektroner fra disse forbindelser og returnerer produkterne tilbage til citronsyrecyklus. Foldene af den indre membran giver det et stort overfladeareal med masser af plads til elektrontransportkædereaktioner.

De fleste enkeltcelleorganismer er prokaryoter, hvilket betyder, at cellerne mangler en kerne. Disse prokaryote celler har en enkel struktur med en cellevæg og cellemembraner, der omgiver cellen og kontrollerer, hvad der går ind og ud af cellen. Prokaryote celler mangler mitokondrier og andet membranbundne organeller. I stedet finder celleenergiproduktion sted i hele cellen.

Nogle prokaryote celler såsom grønalger kan producere glukose fra fotosyntese, mens andre indtager stoffer, der indeholder glukose. Glukosen bruges derefter som mad til produktion af celleenergi via celleånding.

Fordi disse celler ikke har mitokondrier, skal ETC-reaktionen i slutningen af ​​celleånding finde sted på og på tværs af cellemembranerne lige inden i cellevæggen.

ETC bruger elektroner med høj energi fra kemikalier produceret af citronsyrecyklussen og tager dem gennem fire trin til et lavt energiniveau. Energien fra disse kemiske reaktioner er vant til pumpeprotoner på tværs af en membran. Disse protoner diffunderer derefter tilbage gennem membranen.

For prokaryote celler pumpes proteiner over cellemembranerne, der omgiver cellen. For eukaryote celler med mitokondrier pumpes protonerne over den indre mitokondriemembran fra matrixen ind i det intermembrane rum.

Kemiske elektrondonorer inkluderer NADH og FADH mens den endelige elektronacceptor er ilt. Kemikalierne NAD og FAD gives tilbage til citronsyrecyklussen, mens iltet kombineres med brint til dannelse af vand.

Protonerne, der pumpes over membranerne, skaber en protongradient. Gradienten frembringer en protonmotivkraft, der giver protonerne mulighed for at bevæge sig tilbage gennem membranerne. Denne protonbevægelse aktiverer ATP-syntase og skaber ATP-molekyler fra ADP. Den samlede kemiske proces kaldes oxidativ fosforylering.

Fire kemiske komplekser udgør elektrontransportkæden. De har følgende funktioner:

• Kompleks I tager elektrondonor NADH fra matricen og sender elektroner ned i kæden, mens de bruger energien til at pumpe protoner gennem membranerne.
• Kompleks II bruger FADH som en elektrondonor til at levere yderligere elektroner til kæden.
• Kompleks III sender elektronerne til et mellemliggende kemikalie kaldet cytochrom og pumper flere protoner over membranerne.
• Kompleks IV modtager elektronerne fra cytokromet og sender dem videre til halvdelen af ​​et iltmolekyle, der kombineres med to hydrogenatomer og danner et vandmolekyle.

I slutningen af ​​denne proces produceres protongradienten af ​​hver komplekse pumpende protoner over membranerne. Den resulterende proton-motive kraft trækker protonerne gennem membranerne via ATP-syntasemolekylerne.

Når de krydser ind i den mitokondrie matrix eller det indre af den prokaryote celle, påvirker virkningen af protoner tillader ATP-syntasemolekylet at tilføje en phosphatgruppe til en ADP eller adenosindiphosphat molekyle. ADP bliver ATP eller adenosintriphosphat, og energi lagres i den ekstra fosfatbinding.

Hver af de tre cellulære respirationsfaser indeholder vigtige celleprocesser, men ETC producerer langt den mest ATP. Da energiproduktion er en af ​​nøglefunktionerne i celleåndedræt, er ATP den vigtigste fase set fra dette synspunkt.

Hvor ETC producerer op til 34 molekyler af ATP fra produkterne fra et glukosemolekyle producerer citronsyrecyklussen to, og glykolyse producerer fire ATP-molekyler, men bruger op af to af dem.

Den anden nøglefunktion ved ETC er at producere NAD og FAD fra NADH og FADH i de to første kemiske komplekser. Produkterne fra reaktionerne i ETC-kompleks I og kompleks II er de NAD- og FAD-molekyler, der kræves i citronsyrecyklussen.

Som et resultat er citronsyrecyklussen afhængig af ETC. Da ETC kun kan finde sted i nærværelse af ilt, der fungerer som den sidste elektronacceptor, kan celleåndingscyklussen kun fungere fuldt ud, når organismen optager ilt.

Alle avancerede organismer har brug for ilt for at overleve. Nogle dyr indånder ilt fra luften, mens vanddyr måske har gæller eller absorbere ilt gennem deres skind.

Hos højere dyr absorberer de røde blodlegemer ilt i lunger og bære det ud i kroppen. Arterier og derefter små kapillærer fordeler ilt gennem kroppens væv.

Da mitokondrier bruger ilt til dannelse af vand, diffunderer ilt ud af de røde blodlegemer. Iltmolekyler bevæger sig gennem cellemembraner og ind i celleindretningen. Når eksisterende iltmolekyler er brugt op, indtager nye molekyler deres plads.

Så længe der er nok ilt til stede, kan mitokondrierne levere al den energi, cellen har brug for.

Glukose er en kulhydrat at når det oxideres, producerer det kuldioxid og vand. Under denne proces føres elektroner ind i elektrontransportkæden.

Strømmen af ​​elektroner bruges af proteinkomplekser i mitokondrie- eller cellemembraner til transport af hydrogenioner, H +på tværs af membranerne. Tilstedeværelsen af ​​flere brintioner uden for en membran end indeni skaber en pH ubalance med en mere sur opløsning uden for membranen.

For at afbalancere pH strømmer hydrogenionerne tilbage gennem membranen gennem ATP-syntase-proteinkomplekset, hvilket driver dannelsen af ​​ATP-molekyler. Den kemiske energi, der høstes fra elektronerne, ændres til en elektrokemisk form af energi lagret i hydrogeniongradienten.

Når den elektrokemiske energi frigives gennem strømmen af ​​hydrogenioner eller protoner gennem ATP-syntase-komplekset, ændres den til biokemisk energi i form af ATP.

ETC-reaktionerne er en yderst effektiv måde at producere og lagre energi til, at cellen kan bruges i dens bevægelse, reproduktion og overlevelse. Når en af ​​rækken af ​​reaktioner er blokeret, fungerer ETC ikke længere, og celler, der stoler på den, dør.

Nogle prokaryoter har alternative måder at producere energi på ved hjælp af andre stoffer end ilt som den endelige elektron acceptor, men eukaryote celler afhænger af oxidativ phosphorylering og elektrontransportkæden for deres energi behov.

Stoffer, der kan hæmme ETC-handling, kan blokere redoxreaktioner, hæmmer protonoverførsel eller modificerer vigtige enzymer. Hvis et redox-trin blokeres, stopper overførslen af ​​elektroner, og oxidationen fortsætter til høje niveauer i iltenden, mens yderligere reduktion finder sted i begyndelsen af ​​kæden.

Når protoner ikke kan overføres over membranerne eller enzymer som ATP-syntase nedbrydes, stopper produktionen af ​​ATP.

I begge tilfælde nedbrydes cellefunktioner, og cellen dør.

Plantebaserede stoffer såsom rotenonforbindelser, såsom cyanid og antibiotika såsom antimycin kan bruges til at hæmme ETC-reaktionen og skabe målrettet celledød.

For eksempel bruges rotenon som et insekticid, og antibiotika bruges til at dræbe bakterier. Når der er behov for at kontrollere organismen spredning og vækst, kan ETC ses som et værdifuldt angrebspunkt. Forstyrrelse af dens funktion fratager cellen den energi, den har brug for for at leve.