Die meisten lebenden Zellen produzieren Energie aus Nährstoffen durch die Zellatmung, bei der Sauerstoff aufgenommen wird, um Energie freizusetzen. Die Elektronentransportkette oder ETC ist die dritte und letzte Stufe dieses Prozesses, die anderen beiden sind Glykolyse und der Zitronensäurezyklus.
Die erzeugte Energie wird in Form von ATP oder Adenosintriphosphat, ein Nukleotid, das in lebenden Organismen vorkommt.
Die ATP-Moleküle speichern Energie in ihrem Phosphatbindungen. Das ETC ist aus energetischer Sicht die wichtigste Stufe der Zellatmung, da es das meiste ATP produziert. In einer Reihe von Redoxreaktionen wird Energie freigesetzt und verwendet, um eine dritte Phosphatgruppe an Adenosindiphosphat zu binden, um ATP mit drei Phosphatgruppen zu erzeugen.
Wenn eine Zelle Energie benötigt, bricht sie die dritte Phosphatgruppenbindung und nutzt die resultierende Energie.
Was sind Redoxreaktionen?
Viele der chemischen Reaktionen der Zellatmung sind Redoxreaktionen. Dies sind Wechselwirkungen zwischen zellulären Substanzen, an denen
die Ermäßigung und Oxidation (oder Redox) gleichzeitig. Wenn Elektronen zwischen Molekülen übertragen werden, wird ein Satz von Chemikalien oxidiert, während ein anderer Satz reduziert wird.Eine Reihe von Redoxreaktionen bilden die Elektronentransportkette.
Die oxidierten Chemikalien sind Reduktionsmittel. Sie nehmen Elektronen auf und reduzieren die anderen Stoffe, indem sie deren Elektronen aufnehmen. Diese anderen Chemikalien sind Oxidationsmittel. Sie spenden Elektronen und oxidieren die anderen Parteien in der chemischen Redoxreaktion.
Wenn eine Reihe von chemischen Redoxreaktionen stattfindet, können Elektronen durch mehrere Stufen weitergegeben werden, bis sie schließlich mit dem endgültigen Reduktionsmittel kombiniert werden.
Wo befindet sich die Elektronentransportkettenreaktion in Eukaryoten?
Die Zellen fortgeschrittener Organismen oder Eukaryoten haben eine Kern und heißen eukaryotische Zellen. Diese Zellen höherer Ebene haben auch kleine membrangebunden Strukturen, die Mitochondrien genannt werden, die Energie für die Zelle produzieren. Mitochondrien sind wie kleine Fabriken, die Energie in Form von ATP-Molekülen erzeugen. Elektronentransportkettenreaktionen finden im Inneren des Mitochondrien.
Abhängig von der Arbeit der Zelle können Zellen mehr oder weniger Mitochondrien haben. Muskelzellen haben manchmal Tausende, weil sie viel Energie brauchen. Pflanzenzellen haben auch Mitochondrien; sie produzieren durch Photosynthese Glukose, die dann bei der Zellatmung und schließlich der Elektronentransportkette in den Mitochondrien verwendet wird.
Die ETC-Reaktionen finden auf und über der inneren Membran der Mitochondrien statt. Ein weiterer Zellatmungsprozess, der Zitronensäurezyklus, findet in den Mitochondrien statt und liefert einige der Chemikalien, die für die ETC-Reaktionen benötigt werden. Der ETC nutzt die Eigenschaften der innere mitochondriale Membran synthetisieren ATP-Moleküle.
Wie sieht ein Mitochondrium aus?
Ein Mitochondrium ist winzig und viel kleiner als eine Zelle. Um es richtig zu sehen und seine Struktur zu studieren, ist ein Elektronenmikroskop mit mehreren tausendfacher Vergrößerung erforderlich. Bilder aus dem Elektronenmikroskop zeigen, dass das Mitochondrium eine glatte, längliche äußere Membran hat und a stark gefaltet innere Membran.
Die inneren Membranfalten sind fingerförmig und reichen tief ins Innere des Mitochondriums. Das Innere der inneren Membran enthält eine Flüssigkeit, die als Matrix bezeichnet wird, und zwischen der inneren und der äußeren Membran befindet sich ein mit viskoser Flüssigkeit gefüllter Bereich, der als bezeichnet wird Zwischenmembranraum.
Der Zitronensäurezyklus findet in der Matrix statt und produziert einige der von der ETC verwendeten Verbindungen. Das ETC entzieht diesen Verbindungen Elektronen und führt die Produkte wieder in den Zitronensäurekreislauf zurück. Die Falten der inneren Membran verleihen ihm eine große Oberfläche mit viel Platz für Elektronentransportkettenreaktionen.
Wo findet die ETC-Reaktion in Prokaryoten statt?
Die meisten einzelligen Organismen sind Prokaryoten, was bedeutet, dass den Zellen ein Zellkern fehlt. Diese prokaryontischen Zellen haben eine einfache Struktur mit einer Zellwand und Zellmembranen, die die Zelle umgeben und kontrollieren, was in die Zelle hinein und aus ihr herauskommt. Prokaryotische Zellen fehlen Mitochondrien und andere membrangebundenen Organellen. Stattdessen findet die Zellenergieproduktion in der gesamten Zelle statt.
Einige prokaryontische Zellen wie Grünalgen können Glukose aus Photosynthese, während andere Substanzen aufnehmen, die Glukose enthalten. Die Glukose wird dann als Nahrung für die Zellenergieproduktion über die Zellatmung verwendet.
Da diese Zellen keine Mitochondrien besitzen, muss die ETC-Reaktion am Ende der Zellatmung auf und über den Zellmembranen innerhalb der Zellwand stattfinden.
Was passiert während der Elektronentransportkette?
Der ETC verwendet hochenergetische Elektronen aus Chemikalien, die durch den Zitronensäurezyklus produziert werden, und führt sie durch vier Schritte auf ein niedriges Energieniveau. Die Energie aus diesen chemischen Reaktionen wird verwendet, um Protonen pumpen über eine Membran. Diese Protonen diffundieren dann durch die Membran zurück.
Bei prokaryontischen Zellen werden Proteine durch die die Zelle umgebenden Zellmembranen gepumpt. Bei eukaryotischen Zellen mit Mitochondrien werden die Protonen über die innere Mitochondrienmembran von der Matrix in den Intermembranraum gepumpt.
Chemische Elektronendonatoren umfassen NADH und FADH während der letzte Elektronenakzeptor Sauerstoff ist. Die Chemikalien NAD und FAD werden dem Zitronensäurekreislauf wieder zugeführt, während sich der Sauerstoff mit Wasserstoff zu Wasser verbindet.
Die über die Membranen gepumpten Protonen erzeugen ein Protonengradient. Der Gradient erzeugt eine protonenmotorische Kraft, die es den Protonen ermöglicht, sich durch die Membranen zurückzubewegen. Diese Protonenbewegung aktiviert die ATP-Synthase und erzeugt ATP-Moleküle aus ADP. Der gesamte chemische Prozess heißt oxidative Phosphorylierung.
Welche Funktion haben die vier Komplexe des ETC?
Vier chemische Komplexe bilden die Elektronentransportkette. Sie haben folgende Funktionen:
- Komplex I nimmt den Elektronendonator NADH aus der Matrix und schickt Elektronen die Kette hinunter, während die Energie verwendet wird, um Protonen durch die Membranen zu pumpen.
- Komplex II verwendet FADH als Elektronendonor, um der Kette zusätzliche Elektronen zuzuführen.
- Komplex III leitet die Elektronen an eine Zwischenchemikalie namens Cytochrom weiter und pumpt mehr Protonen durch die Membranen.
- Komplex IV nimmt die Elektronen vom Cytochrom auf und gibt sie an die Hälfte eines Sauerstoffmoleküls weiter, das sich mit zwei Wasserstoffatomen verbindet und ein Wassermolekül bildet.
Am Ende dieses Prozesses wird der Protonengradient erzeugt, indem jeder Komplex Protonen durch die Membranen pumpt. Das resultierende Protonenbewegungskraft zieht die Protonen über die ATP-Synthase-Moleküle durch die Membranen.
Wenn sie in die mitochondriale Matrix oder das Innere der prokaryontischen Zelle eindringen, wird die Wirkung der Protonen ermöglicht es dem ATP-Synthase-Molekül, eine Phosphatgruppe an ein ADP- oder Adenosindiphosphat anzufügen Molekül. ADP wird zu ATP oder Adenosintriphosphat und Energie wird in der zusätzlichen Phosphatbindung gespeichert.
Warum ist die Elektronentransportkette wichtig?
Jede der drei Zellatmungsphasen beinhaltet wichtige Zellprozesse, aber das ETC produziert mit Abstand das meiste ATP. Da die Energieproduktion eine der Schlüsselfunktionen der Zellatmung ist, ist ATP aus dieser Sicht die wichtigste Phase.
Wo der ETC bis zu produziert 34 Moleküle ATP Aus den Produkten eines Glucosemoleküls produziert der Zitronensäurezyklus zwei und die Glykolyse produziert vier ATP-Moleküle, verbraucht aber zwei davon.
Die andere Schlüsselfunktion des ETC ist die Produktion NAD und MODE aus NADH und FADH in den ersten beiden chemischen Komplexen. Die Reaktionsprodukte in ETC-Komplex I und Komplex II sind die NAD- und FAD-Moleküle, die im Zitronensäurezyklus benötigt werden.
Dadurch ist der Zitronensäurezyklus vom ETC abhängig. Da die ETC nur in Gegenwart von Sauerstoff erfolgen kann, der als letzter Elektronenakzeptor fungiert, kann der Zellatmungszyklus nur dann vollständig ablaufen, wenn der Organismus Sauerstoff aufnimmt.
Wie gelangt der Sauerstoff in die Mitochondrien?
Alle fortgeschrittenen Organismen brauchen Sauerstoff zum Überleben. Einige Tiere atmen Sauerstoff aus der Luft ein, während Wassertiere möglicherweise Kiemen oder absorbieren Sauerstoff durch ihre Häute.
Bei höheren Tieren absorbieren die roten Blutkörperchen Sauerstoff im Lunge und in den Körper austragen. Arterien und dann winzige Kapillaren verteilen den Sauerstoff im gesamten Körpergewebe.
Da Mitochondrien Sauerstoff verbrauchen, um Wasser zu bilden, diffundiert Sauerstoff aus den roten Blutkörperchen. Sauerstoffmoleküle wandern durch die Zellmembranen und in das Zellinnere. Wenn vorhandene Sauerstoffmoleküle aufgebraucht sind, treten neue Moleküle an ihre Stelle.
Solange genügend Sauerstoff vorhanden ist, können die Mitochondrien die gesamte Energie liefern, die die Zelle benötigt.
Ein chemischer Überblick über die Zellatmung und die ETC
Glukose ist ein Kohlenhydrat das, wenn es oxidiert wird, Kohlendioxid und Wasser produziert. Dabei werden Elektronen in die Elektronentransportkette eingespeist.
Der Elektronenfluss wird von Proteinkomplexen in den Mitochondrien- oder Zellmembranen genutzt, um Wasserstoffionen zu transportieren, H+, über die Membranen. Das Vorhandensein von mehr Wasserstoffionen außerhalb einer Membran als innerhalb einer Membran erzeugt ein pH-Ungleichgewicht mit einer saureren Lösung außerhalb der Membran.
Um den pH-Wert auszugleichen, fließen die Wasserstoffionen durch den ATP-Synthase-Proteinkomplex über die Membran zurück und treiben die Bildung von ATP-Molekülen an. Die aus den Elektronen gewonnene chemische Energie wird in eine elektrochemische Energieform umgewandelt, die im Wasserstoffionengradienten gespeichert ist.
Wenn die elektrochemische Energie durch den Fluss der Wasserstoffionen oder Protonen durch den ATP-Synthase-Komplex freigesetzt wird, wird sie zu changed biochemische Energie in Form von ATP.
Hemmung des Elektronenkettentransportmechanismus
Die ETC-Reaktionen sind ein hocheffizienter Weg, um Energie zu produzieren und zu speichern, die die Zelle für ihre Bewegung, Reproduktion und ihr Überleben nutzen kann. Wenn eine der Reaktionsreihen blockiert wird, funktioniert das ETC nicht mehr und Zellen, die darauf angewiesen sind, sterben.
Einige Prokaryonten haben alternative Möglichkeiten, Energie zu erzeugen, indem sie andere Substanzen als Sauerstoff als letztes Elektron verwenden Akzeptor, aber eukaryontische Zellen sind für ihre Energie von der oxidativen Phosphorylierung und der Elektronentransportkette abhängig braucht.
Substanzen, die die Wirkung von ETC hemmen können, können Redoxreaktionen blockieren, den Protonentransfer hemmen oder Schlüsselenzyme modifizieren. Wenn ein Redoxschritt blockiert wird, stoppt die Elektronenübertragung und die Oxidation schreitet am Sauerstoffende zu hohen Niveaus fort, während am Anfang der Kette eine weitere Reduktion stattfindet.
Wenn Protonen nicht durch die Membranen übertragen werden können oder Enzyme wie die ATP-Synthase abgebaut werden, stoppt die Produktion von ATP.
In beiden Fällen brechen die Zellfunktionen zusammen und die Zelle stirbt.
Pflanzliche Stoffe wie rotenon, Verbindungen wie Zyanid und Antibiotika wie z antimycin kann verwendet werden, um die ETC-Reaktion zu hemmen und einen gezielten Zelltod herbeizuführen.
Rotenon wird beispielsweise als Insektizid verwendet, und Antibiotika werden verwendet, um Bakterien abzutöten. Wenn die Proliferation und das Wachstum von Organismen kontrolliert werden müssen, kann ETC als wertvoller Angriffspunkt angesehen werden. Eine Störung ihrer Funktion entzieht der Zelle die Energie, die sie zum Leben braucht.