Ηλεκτρονική αλυσίδα μεταφοράς (ETC): Ορισμός, τοποθεσία και σημασία

Τα περισσότερα ζωντανά κύτταρα παράγουν ενέργεια από θρεπτικά συστατικά μέσω της κυτταρικής αναπνοής που περιλαμβάνει τη λήψη οξυγόνου για την απελευθέρωση ενέργειας. Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων ή το ETC είναι το τρίτο και τελευταίο στάδιο αυτής της διαδικασίας, ενώ τα άλλα δύο είναι γλυκόλυση και το κύκλος του κιτρικού οξέος.

Η παραγόμενη ενέργεια αποθηκεύεται με τη μορφή ATP ή τριφωσφορική αδενοσίνη, που είναι ένα νουκλεοτίδιο που βρίσκεται σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς.

Τα μόρια ATP αποθηκεύουν ενέργεια στα φωσφορικοί δεσμοί. Το ETC είναι το πιο σημαντικό στάδιο της κυτταρικής αναπνοής από ενεργειακή άποψη επειδή παράγει το μεγαλύτερο ATP. Σε μια σειρά αντιδράσεων οξειδοαναγωγής, η ενέργεια απελευθερώνεται και χρησιμοποιείται για την προσάρτηση μιας τρίτης φωσφορικής ομάδας σε διφωσφορική αδενοσίνη για τη δημιουργία ΑΤΡ με τρεις φωσφορικές ομάδες.

Όταν ένα κύτταρο χρειάζεται ενέργεια, σπάει τον τρίτο δεσμό φωσφορικών ομάδων και χρησιμοποιεί την προκύπτουσα ενέργεια.

Πολλές από τις χημικές αντιδράσεις της αναπνοής των κυττάρων είναι αντιδράσεις redox. Αυτές είναι αλληλεπιδράσεις μεταξύ κυτταρικών ουσιών που εμπλέκονται μείωση και οξείδωση (ή redox) ταυτόχρονα. Καθώς τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μεταξύ μορίων, ένα σύνολο χημικών οξειδώνεται ενώ ένα άλλο σετ μειώνεται.

Μια σειρά αντιδράσεων redox αποτελούν το αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Οι χημικές ουσίες που οξειδώνονται είναι αναγωγικοί παράγοντες. Δέχονται ηλεκτρόνια και μειώνουν τις άλλες ουσίες λαμβάνοντας τα ηλεκτρόνια τους. Αυτές οι άλλες χημικές ουσίες είναι οξειδωτικοί παράγοντες. Δωρίζουν ηλεκτρόνια και οξειδώνουν τα άλλα μέρη στη χημική αντίδραση οξειδοαναγωγής.

Όταν πραγματοποιείται μια σειρά χημικών αντιδράσεων οξειδοαναγωγής, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν σε πολλαπλά στάδια έως ότου καταλήξουν σε συνδυασμό με τον τελικό αναγωγικό παράγοντα.

Τα κύτταρα προηγμένων οργανισμών ή ευκαρυωτικών έχουν ένα πυρήνας και καλούνται ευκαρυωτικά κύτταρα. Αυτά τα κύτταρα υψηλότερου επιπέδου έχουν επίσης μικρά μεμβράνη δομές που ονομάζονται μιτοχόνδρια και παράγουν ενέργεια για το κύτταρο. Τα μιτοχόνδρια είναι σαν μικρά εργοστάσια που παράγουν ενέργεια με τη μορφή μορίων ΑΤΡ. Οι αντιδράσεις αλυσίδων μεταφοράς ηλεκτρονίων λαμβάνουν χώρα μέσα στο μιτοχόνδρια.

Ανάλογα με την εργασία που κάνει το κύτταρο, τα κύτταρα μπορεί να έχουν περισσότερα ή λιγότερα μιτοχόνδρια. Μυϊκά κύτταρα μερικές φορές έχουν χιλιάδες επειδή χρειάζονται πολλή ενέργεια. Τα φυτικά κύτταρα έχουν επίσης μιτοχόνδρια. παράγουν γλυκόζη μέσω της φωτοσύνθεσης και στη συνέχεια χρησιμοποιείται στην κυτταρική αναπνοή και, τελικά, στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων στα μιτοχόνδρια.

Οι αντιδράσεις ETC λαμβάνουν χώρα πάνω και πέρα ​​από την εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Μια άλλη διαδικασία αναπνοής κυττάρων, το κύκλος του κιτρικού οξέος, λαμβάνει χώρα μέσα στα μιτοχόνδρια και παρέχει μερικές από τις χημικές ουσίες που απαιτούνται από τις αντιδράσεις ETC. Το ETC χρησιμοποιεί τα χαρακτηριστικά του εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη να συνθέσει Μόρια ATP.

Ένα μιτοχόνδριο είναι μικροσκοπικό και πολύ μικρότερο από ένα κελί. Για να το δείτε σωστά και να μελετήσετε τη δομή του, απαιτείται ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο με μεγέθυνση αρκετών χιλιάδων φορές. Εικόνες από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο δείχνουν ότι το μιτοχόνδριο έχει μια λεία, επιμήκη εξωτερική μεμβράνη και α βαριά διπλωμένο εσωτερική μεμβράνη.

Οι εσωτερικές πτυχές της μεμβράνης έχουν σχήμα δακτύλου και φτάνουν βαθιά στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου. Το εσωτερικό της εσωτερικής μεμβράνης περιέχει ένα υγρό που ονομάζεται μήτρα, και μεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής μεμβράνης είναι μια ιξώδης γεμάτη με υγρό περιοχή που ονομάζεται διαμεμβρανικός χώρος.

Ο κύκλος κιτρικού οξέος λαμβάνει χώρα στη μήτρα και παράγει μερικές από τις ενώσεις που χρησιμοποιούνται από το ETC. Το ETC παίρνει ηλεκτρόνια από αυτές τις ενώσεις και επιστρέφει τα προϊόντα στον κύκλο κιτρικού οξέος. Οι πτυχές της εσωτερικής μεμβράνης της δίνουν μια μεγάλη επιφάνεια με πολύ χώρο για αλυσιδωτές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Οι περισσότεροι μονοκύτταροι οργανισμοί είναι προκαρυωτικά, πράγμα που σημαίνει ότι τα κύτταρα στερούνται πυρήνα. Αυτά τα προκαρυωτικά κύτταρα έχουν μια απλή δομή με κυτταρικό τοίχωμα και κυτταρικές μεμβράνες που περιβάλλουν το κύτταρο και ελέγχουν τι εισέρχεται και εξέρχεται από το κύτταρο. Προκαρυωτικά κύτταρα δεν έχουν μιτοχόνδρια και άλλα οργανικά οργανικά μεμβράνη. Αντ 'αυτού, η παραγωγή ενέργειας κυττάρων πραγματοποιείται σε ολόκληρο το κύτταρο.

Ορισμένα προκαρυωτικά κύτταρα όπως τα πράσινα φύκια μπορούν να παράγουν γλυκόζη από φωτοσύνθεση, ενώ άλλοι καταναλώνουν ουσίες που περιέχουν γλυκόζη. Η γλυκόζη στη συνέχεια χρησιμοποιείται ως τροφή για παραγωγή ενέργειας κυττάρων μέσω αναπνοής κυττάρων.

Επειδή αυτά τα κύτταρα δεν έχουν μιτοχόνδρια, η αντίδραση ETC στο τέλος της αναπνοής των κυττάρων πρέπει να πραγματοποιηθεί πάνω και πέρα ​​από τις κυτταρικές μεμβράνες που βρίσκονται ακριβώς μέσα στο κυτταρικό τοίχωμα.

Το ETC χρησιμοποιεί ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας από χημικές ουσίες που παράγονται από τον κύκλο κιτρικού οξέος και τα οδηγεί σε τέσσερα βήματα σε χαμηλό επίπεδο ενέργειας. Η ενέργεια από αυτές τις χημικές αντιδράσεις είναι συνηθισμένη αντλία πρωτονίων σε μια μεμβράνη. Αυτά τα πρωτόνια διαχέονται στη συνέχεια μέσω της μεμβράνης.

Για προκαρυωτικά κύτταρα, οι πρωτεΐνες αντλούνται μέσω των κυτταρικών μεμβρανών που περιβάλλουν το κύτταρο. Για ευκαρυωτικά κύτταρα με μιτοχόνδρια, τα πρωτόνια αντλούνται κατά μήκος της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης από τη μήτρα στον διαμεμβρανικό χώρο.

Οι χημικοί δότες ηλεκτρονίων περιλαμβάνουν ΝΑΝΤ και FADH ενώ ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων είναι οξυγόνο. Οι χημικές ουσίες NAD και FAD επιστρέφονται στον κύκλο κιτρικού οξέος ενώ το οξυγόνο συνδυάζεται με υδρογόνο για να σχηματίσει νερό.

Τα πρωτόνια που αντλούνται διαμέσου των μεμβρανών δημιουργούν ένα ντεγκραντέ πρωτονίων. Η κλίση παράγει μια δύναμη κίνησης πρωτονίων που επιτρέπει στα πρωτόνια να κινηθούν πίσω μέσω των μεμβρανών. Αυτή η κίνηση πρωτονίων ενεργοποιεί τη συνθετάση ΑΤΡ και δημιουργεί μόρια ΑΤΡ από ADP. Η συνολική χημική διαδικασία ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Τέσσερα χημικά σύμπλοκα αποτελούν την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Έχουν τις ακόλουθες λειτουργίες:

• Συγκρότημα Ι παίρνει τον δότη ηλεκτρονίων NADH από τη μήτρα και στέλνει ηλεκτρόνια κάτω από την αλυσίδα ενώ χρησιμοποιεί την ενέργεια για να αντλήσει πρωτόνια στις μεμβράνες.
• Συγκρότημα II χρησιμοποιεί το FADH ως δότη ηλεκτρονίων για να παρέχει επιπλέον ηλεκτρόνια στην αλυσίδα.
• Συγκρότημα III περνά τα ηλεκτρόνια σε μια ενδιάμεση χημική ουσία που ονομάζεται κυτόχρωμα και αντλεί περισσότερα πρωτόνια στις μεμβράνες.
• Συγκρότημα IV λαμβάνει τα ηλεκτρόνια από το κυτόχρωμα και τα μεταδίδει στο μισό ενός μορίου οξυγόνου που συνδυάζεται με δύο άτομα υδρογόνου και σχηματίζει ένα μόριο νερού.

Στο τέλος αυτής της διαδικασίας, η βαθμίδα πρωτονίων παράγεται από κάθε σύμπλοκο άντλησης πρωτονίων κατά μήκος των μεμβρανών. Το αποτέλεσμα Πρωτοκινητική δύναμη τραβά τα πρωτόνια μέσω των μεμβρανών μέσω των μορίων συνθάσης ΑΤΡ.

Καθώς διασχίζουν τη μιτοχονδριακή μήτρα ή το εσωτερικό του προκαρυωτικού κυττάρου, η δράση του Τα πρωτόνια επιτρέπουν στο μόριο συνθάσης ΑΤΡ να προσθέσει μια φωσφορική ομάδα σε ADP ή διφωσφορική αδενοσίνη μόριο. Το ADP γίνεται ATP ή τριφωσφορική αδενοσίνη και η ενέργεια αποθηκεύεται στον επιπλέον φωσφορικό δεσμό.

Κάθε μία από τις τρεις φάσεις κυτταρικής αναπνοής ενσωματώνει σημαντικές κυτταρικές διαδικασίες, αλλά ο ETC παράγει μακράν το μεγαλύτερο ATP. Δεδομένου ότι η παραγωγή ενέργειας είναι μία από τις βασικές λειτουργίες της αναπνοής των κυττάρων, το ATP είναι η πιο σημαντική φάση από αυτή την άποψη.

Όπου ο ETC παράγει έως 34 μόρια ATP από τα προϊόντα ενός μορίου γλυκόζης, ο κύκλος του κιτρικού οξέος παράγει δύο, και η γλυκόλυση παράγει τέσσερα μόρια ΑΤΡ αλλά χρησιμοποιεί δύο από αυτά.

Η άλλη βασική λειτουργία του ETC είναι να παράγει NAD και ΦΑΝΤΑΣΙΟΠΛΗΞΙΑ από τα NADH και FADH στα δύο πρώτα χημικά σύμπλοκα. Τα προϊόντα των αντιδράσεων στο σύμπλοκο ETC I και στο σύμπλοκο II είναι τα μόρια NAD και FAD που απαιτούνται στον κύκλο κιτρικού οξέος.

Ως αποτέλεσμα, ο κύκλος κιτρικού οξέος εξαρτάται από το ETC. Δεδομένου ότι ο ETC μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο παρουσία οξυγόνου, το οποίο δρα ως ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων, ο κύκλος αναπνοής κυττάρων μπορεί να λειτουργήσει πλήρως μόνο όταν ο οργανισμός λαμβάνει οξυγόνο.

Όλοι οι προηγμένοι οργανισμοί χρειάζονται οξυγόνο για να επιβιώσουν. Μερικά ζώα αναπνέουν οξυγόνο από τον αέρα, ενώ μπορεί να έχουν υδρόβια ζώα βράγχια ή απορροφούν οξυγόνο μέσω αυτών δέρματα.

Σε υψηλότερα ζώα, τα ερυθρά αιμοσφαίρια απορροφούν οξυγόνο στο πνεύμονες και να το μεταφέρετε στο σώμα. Οι αρτηρίες και τα μικροσκοπικά τριχοειδή διανέμουν το οξυγόνο στους ιστούς του σώματος.

Καθώς τα μιτοχόνδρια καταναλώνουν οξυγόνο για να σχηματίσουν νερό, το οξυγόνο διαχέεται από τα ερυθρά αιμοσφαίρια. Τα μόρια οξυγόνου ταξιδεύουν διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών και στο εσωτερικό των κυττάρων. Καθώς τα υπάρχοντα μόρια οξυγόνου εξαντλούνται, νέα μόρια παίρνουν τη θέση τους.

Εφόσον υπάρχει αρκετό οξυγόνο, τα μιτοχόνδρια μπορούν να παρέχουν όλη την ενέργεια που χρειάζεται το κύτταρο.

Η γλυκόζη είναι α υδατάνθρακας ότι, όταν οξειδώνεται, παράγει διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, τα ηλεκτρόνια τροφοδοτούνται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Η ροή των ηλεκτρονίων χρησιμοποιείται από συμπλέγματα πρωτεϊνών στις μιτοχονδριακές ή κυτταρικές μεμβράνες για τη μεταφορά ιόντων υδρογόνου, Η +, στις μεμβράνες. Η παρουσία περισσότερων ιόντων υδρογόνου έξω από μια μεμβράνη από το εσωτερικό δημιουργεί ένα ανισορροπία pH με ένα πιο όξινο διάλυμα έξω από τη μεμβράνη.

Για την εξισορρόπηση του ρΗ, τα ιόντα υδρογόνου ρέουν πίσω κατά μήκος της μεμβράνης μέσω του συμπλέγματος πρωτεϊνικής συνθάσης ATP, οδηγώντας το σχηματισμό μορίων ΑΤΡ. Η χημική ενέργεια που συλλέγεται από τα ηλεκτρόνια αλλάζει σε ηλεκτροχημική μορφή ενέργειας που αποθηκεύεται στη βαθμίδα ιόντων υδρογόνου.

Όταν η ηλεκτροχημική ενέργεια απελευθερώνεται μέσω της ροής των ιόντων υδρογόνου ή των πρωτονίων μέσω του συμπλέγματος ATP συνθάσης, αλλάζει σε βιοχημική ενέργεια με τη μορφή ATP.

Οι αντιδράσεις ETC είναι ένας πολύ αποτελεσματικός τρόπος παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας για χρήση του κυττάρου στην κίνηση, αναπαραγωγή και επιβίωσή του. Όταν αποκλείεται μία από τις σειρές αντιδράσεων, το ETC δεν λειτουργεί πλέον και τα κύτταρα που βασίζονται σε αυτό πεθαίνουν.

Ορισμένοι προκαρυωτικοί έχουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας χρησιμοποιώντας ουσίες διαφορετικές από το οξυγόνο ως το τελικό ηλεκτρόνιο δέκτη, αλλά τα ευκαρυωτικά κύτταρα εξαρτώνται από την οξειδωτική φωσφορυλίωση και την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων για την ενέργειά τους ανάγκες των.

Ουσίες που μπορούν να αναστείλουν τη δράση ETC μπορούν αποκλεισμός αντιδράσεων οξειδοαναγωγής, αναστέλλει τη μεταφορά πρωτονίων ή τροποποιεί βασικά ένζυμα. Εάν ένα βήμα οξειδοαναγωγής εμποδίζεται, η μεταφορά ηλεκτρονίων σταματά και η οξείδωση προχωρά σε υψηλά επίπεδα στο άκρο του οξυγόνου ενώ περαιτέρω μείωση λαμβάνει χώρα στην αρχή της αλυσίδας.

Όταν τα πρωτόνια δεν μπορούν να μεταφερθούν στις μεμβράνες ή τα ένζυμα όπως η συνθάση ΑΤΡ αποικοδομούνται, η παραγωγή ΑΤΡ σταματά.

Σε κάθε περίπτωση, οι λειτουργίες των κυττάρων καταρρέουν και το κελί πεθαίνει.

Φυτικές ουσίες όπως ροτενόνη, ενώσεις όπως κυανιούχο και αντιβιοτικά όπως αντιμυκίνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναστολή της αντίδρασης ETC και την επίτευξη στοχευμένου κυτταρικού θανάτου.

Για παράδειγμα, η ροτενόνη χρησιμοποιείται ως εντομοκτόνο και τα αντιβιοτικά χρησιμοποιούνται για τη θανάτωση βακτηρίων. Όταν υπάρχει ανάγκη ελέγχου του πολλαπλασιασμού και της ανάπτυξης του οργανισμού, το ETC μπορεί να θεωρηθεί ως πολύτιμο σημείο επίθεσης. Η διακοπή της λειτουργίας του στερεί το κύτταρο από την ενέργεια που χρειάζεται για να ζήσει.