Ποια είναι τα αντιδραστήρια της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων;

Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων (ETC) είναι η βιοχημική διαδικασία που παράγει το μεγαλύτερο μέρος του καυσίμου ενός κυττάρου σε αερόβιους οργανισμούς. Αυτό συνεπάγεται τη συσσώρευση δύναμης πρωτονίου (PMF), η οποία επιτρέπει την παραγωγή ATP, του κύριου καταλύτη των κυτταρικών αντιδράσεων. Το ETC είναι μια σειρά αντιδράσεων οξειδοαναγωγής όπου τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από αντιδραστήρια σε μιτοχονδριακές πρωτεΐνες. Αυτό δίνει στις πρωτεΐνες τη δυνατότητα να μετακινούν πρωτόνια σε μια ηλεκτροχημική βαθμίδα, σχηματίζοντας το PMF.

•••Photos.com/AbleStock.com/Getty Εικόνες

Τα κύρια βιοχημικά αντιδραστήρια του ETC είναι οι ηλεκτρικοί δότες ηλεκτρονίων και ένυδρος δινουκλεοτίδιο νικοτιναμιδίου αδενίνης (NADH). Αυτά δημιουργούνται από μια διαδικασία που ονομάζεται κύκλος κιτρικού οξέος (CAC). Τα λίπη και τα σάκχαρα κατανέμονται σε απλούστερα μόρια όπως το πυροσταφυλικό, τα οποία στη συνέχεια τροφοδοτούν το CAC. Το CAC αποσπά την ενέργεια από αυτά τα μόρια για να παράγει τα μόρια πυκνά ηλεκτρονίων που απαιτούνται από το ETC. Το CAC παράγει έξι μόρια NADH και αλληλεπικαλύπτεται με το ETC κατάλληλο όταν σχηματίζει ηλεκτρικό, το άλλο βιοχημικό αντιδραστήριο.

Η σύντηξη ενός προδρόμου μορίου φτωχού σε ηλεκτρόνια που ονομάζεται δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης (NAD +) με ένα πρωτόνιο σχηματίζει NADH. Το NADH παράγεται μέσα στο μιτοχονδριακό πλέγμα, το εσωτερικό μέρος του μιτοχονδρίου. Οι διάφορες πρωτεΐνες μεταφοράς του ETC βρίσκονται στην μιτοχονδριακή εσωτερική μεμβράνη, η οποία περιβάλλει τη μήτρα. Το NADH δωρίζει ηλεκτρόνια σε μια κατηγορία πρωτεϊνών ETC που ονομάζονται NADH dehydrogenases, επίσης γνωστές ως Complex I. Αυτό σπάζει το NADH πίσω σε NAD + και ένα πρωτόνιο, μεταφέροντας τέσσερα πρωτόνια από τη μήτρα στη διαδικασία, αυξάνοντας το PMF. Ένα άλλο μόριο που ονομάζεται δινουκλεοτίδιο φλαβίνης αδενίνης (FADH2) παίζει παρόμοιο ρόλο με έναν δότη ηλεκτρονίων.

Το ηλεκτρικό μόριο παράγεται από ένα από τα μεσαία στάδια του CAC και στη συνέχεια αποικοδομείται σε φουμαρικό άλας για να βοηθήσει στο σχηματισμό του δότη ηλεκτρονίων διυδροκινόνης (QH2). Αυτό το μέρος του CAC αλληλεπικαλύπτεται με το ETC: Το QH2 τροφοδοτεί μια πρωτεΐνη μεταφοράς που ονομάζεται Complex III, η οποία δρα για την αποβολή επιπλέον πρωτονίων από τη μιτοχονδριακή μήτρα, αυξάνοντας το PMF. Το Complex III ενεργοποιεί ένα επιπλέον σύμπλεγμα που ονομάζεται Complex IV, το οποίο απελευθερώνει ακόμη περισσότερα πρωτόνια. Έτσι, η αποικοδόμηση του ηλεκτρικού σε φουμαρικό έχει ως αποτέλεσμα την αποβολή πολλών πρωτονίων από το μιτοχόνδριο μέσω δύο αλληλεπιδρώντων πρωτεϊνικών συμπλοκών.

•••Justin Sullivan / Getty Images Νέα / Getty Images

Τα κύτταρα αξιοποιούν την ενέργεια μέσω μιας σειράς αργών, ελεγχόμενων αντιδράσεων καύσης. Μόρια όπως πυροσταφυλικό και ηλεκτρικό απελευθερώνουν χρήσιμη ενέργεια όταν καίγονται παρουσία οξυγόνου. Τα ηλεκτρόνια στο ETC μεταφέρονται τελικά στο οξυγόνο, το οποίο ανάγεται σε νερό (H2O), απορροφώντας τέσσερα πρωτόνια στη διαδικασία. Με αυτόν τον τρόπο, το οξυγόνο δρα τόσο ως τελικός δέκτης ηλεκτρονίων (είναι το τελευταίο μόριο που λαμβάνει τα ηλεκτρόνια ETC) και ως βασικό αντιδραστήριο. Το ETC δεν μπορεί να συμβεί απουσία οξυγόνου, επομένως τα κύτταρα που στερούνται οξυγόνου καταφεύγουν σε εξαιρετικά αναποτελεσματική αναερόβια αναπνοή.

Ο απώτερος στόχος του ETC είναι η παραγωγή τριφωσφορικής αδενοσίνης μορίου υψηλής ενέργειας (ATP) για την κατάλυση των βιοχημικών αντιδράσεων. Οι πρόδρομοι του ATP, της διφωσφορικής αδενοσίνης (ADP) και του ανόργανου φωσφορικού (Pi) εισάγονται εύκολα στη μιτοχονδριακή μήτρα. Χρειάζεται αντίδραση υψηλής ενέργειας για τη σύνδεση ADP και Pi μαζί, όπου λειτουργεί το PMF. Επιτρέποντας τα πρωτόνια να επιστρέψουν στη μήτρα, παράγεται ενέργεια εργασίας, αναγκάζοντας τον σχηματισμό ΑΤΡ από τους προδρόμους του. Υπολογίζεται ότι 3,5 υδρογόνα πρέπει να εισέλθουν στη μήτρα για το σχηματισμό κάθε μορίου ΑΤΡ.