Enamik elusrakke toodab toitainetest energiat rakuhingamise kaudu, mis hõlmab energia vabastamiseks hapniku omastamist. Elektroni transpordiahel ehk ETC on selle protsessi kolmas ja viimane etapp, ülejäänud kaks glükolüüs ja sidrunhappetsükkel.
Toodetud energia salvestatakse kujul ATP või adenosiinitrifosfaat, mis on nukleotiid, mida leidub elusorganismides.
ATP molekulid salvestavad energiat nende auru fosfaatsidemed. ETC on energia seisukohast kõige olulisem rakuhingamise etapp, kuna see toodab kõige rohkem ATP-d. Redoksreaktsioonide seerias vabaneb energia ja seda kasutatakse kolmanda fosfaatrühma kinnitamiseks adenosiindifosfaadile kolme fosfaatrühmaga ATP loomiseks.
Kui rakk vajab energiat, purustab ta kolmanda fosfaatrühma sideme ja kasutab saadud energiat.
Mis on redoksreaktsioonid?
Paljud raku hingamise keemilised reaktsioonid on redoksreaktsioonid. Need on rakuliste ainete koostoimed, mis hõlmavad vähendamine ja oksüdeerumine (või redoks) samal ajal. Kui elektronid kanduvad molekulide vahel üle, oksüdeeritakse üks kemikaalide komplekt, samas kui teine hulk redutseerub.
Rida redoksreaktsioone moodustavad elektronide transpordiahel.
Oksüdeeritud kemikaalid on redutseerivad ained. Nad aktsepteerivad elektrone ja vähendavad teisi aineid, võttes nende elektronid. Need muud kemikaalid on oksüdeerivad ained. Nad loovutavad elektrone ja oksüdeerivad redoks keemilises reaktsioonis teisi osapooli.
Kui toimub redoks-keemiliste reaktsioonide jada, saab elektrone edasi anda mitmel etapil, kuni need lõpuks kombineeritakse lõpliku redutseerijaga.
Kus asub elektronide transpordi ahelreaktsioon eukarüootides?
Arenenud organismide või eukarüootide rakkudel on a tuum ja neid nimetatakse eukarüootsed rakud. Nendel kõrgema taseme rakkudel on ka vähe membraaniga seotud mitokondriteks nimetatud struktuurid, mis toodavad rakule energiat. Mitokondrid on nagu väikesed tehased, mis toodavad energiat ATP molekulide kujul. Elektrooni transpordiahela reaktsioonid toimuvad mitokondrid.
Sõltuvalt raku tööst võib rakkudel olla rohkem või vähem mitokondreid. Lihasrakud mõnikord on neid tuhandeid, sest nad vajavad palju energiat. Taimerakkudel on ka mitokondrid; nad toodavad glükoosi fotosünteesi teel ja seejärel kasutatakse seda rakuhingamisel ning lõpuks mitokondrite elektrontranspordiahelas.
ETC-reaktsioonid toimuvad mitokondrite sisemembraanil ja üle selle. Teine raku hingamisprotsess, sidrunhappetsükkel, toimub mitokondrite sees ja väljastab osa ETC reaktsioonide jaoks vajalikke kemikaale. ETC kasutab süsteemi omadusi sisemine mitokondriaalne membraan sünteesima ATP molekulid.
Kuidas mitokondrion välja näeb?
Mitokondrion on pisike ja palju väiksem kui rakk. Selle nõuetekohaseks nägemiseks ja selle struktuuri uurimiseks on vaja elektronmikroskoopi, mille suurendus on mitu tuhat korda. Elektronmikroskoobi pildid näitavad, et mitokondrionil on sile piklik välismembraan ja a tugevalt kokku pandud sisemine membraan.
Sisemembraani voldid on sõrmede kujulised ja ulatuvad sügavalt mitokondri sisemusse. Sisemise membraani sisekülg sisaldab vedelikku, mida nimetatakse maatriksiks, ja sisemise ja välimise membraani vahel on viskoosne vedelikuga täidetud piirkond, mida nimetatakse membraanidevaheline ruum.
Maatriksis toimub sidrunhappetsükkel ja see toodab mõningaid ühendeid, mida kasutab ETC. ETC võtab nendest ühenditest elektronid ja viib tooted tagasi sidrunhappetsüklisse. Sisemembraani voldid annavad sellele suure pinna, kus on palju ruumi elektronide transpordiahela reaktsioonideks.
Kus toimub ETC reaktsioon prokarüootides?
Enamik üherakulisi organisme on prokarüootid, mis tähendab, et rakkudel puudub tuum. Nendel prokarüootsetel rakkudel on lihtne struktuur: rakusein ja rakumembraanid ümbritsevad rakku ning kontrollivad rakku sisenevat ja sealt väljuvat. Prokarüootsed rakud puuduvad mitokondrid ja muud membraaniga seotud organellid. Selle asemel toimub raku energia tootmine kogu rakus.
Mõned prokarüootsed rakud, näiteks rohevetikad, võivad toota glükoosi fotosüntees, teised aga neelavad glükoosi sisaldavaid aineid. Seejärel kasutatakse glükoosi toiduna raku energia tootmiseks raku hingamise kaudu.
Kuna nendel rakkudel pole mitokondreid, peab ETC-reaktsioon raku hingamise lõpus toimuma rakumembraanides ja nende vahel, mis asuvad vahetult rakuseina sees.
Mis juhtub elektronide transpordiahela ajal?
ETC kasutab sidrunhappetsüklis toodetud kemikaalide kõrge energiaga elektrone ja viib need läbi nelja astme madala energiatasemeni. Nendest keemilistest reaktsioonidest saadav energia on ära kasutatud pump prootonid üle membraani. Seejärel difundeeruvad need prootonid membraani kaudu tagasi.
Prokarüootsete rakkude jaoks pumbatakse valgud üle rakku ümbritsevate rakumembraanide. Mitokondritega eukarüootsete rakkude puhul pumbatakse prootonid maatriksist sisemise mitokondriaalse membraani kaudu intermembraansesse ruumi.
Keemiliste elektronide doonorid hõlmavad järgmist NADH ja FADH samas kui lõplik elektronide aktseptor on hapnik. Kemikaalid NAD ja FAD viiakse tagasi sidrunhappe tsüklisse, samal ajal kui hapnik liitub vesinikuga, moodustades vett.
Üle membraanide pumbatud prootonid loovad a prootongradient. Gradient toodab prooton-liikumapanevat jõudu, mis võimaldab prootonitel membraanide kaudu tagasi liikuda. See prootoni liikumine aktiveerib ATP süntaasi ja loob ATP molekulid ADP. Üldist keemilist protsessi nimetatakse oksüdatiivne fosforüülimine.
Mis on ETC nelja kompleksi funktsioon?
Neli keemilist kompleksi moodustavad elektronide transpordiahela. Neil on järgmised funktsioonid:
- Kompleks I võtab maatriksist elektronidoonori NADH ja saadab elektronid ahelast alla, kasutades energiat prootonite membraanide pumpamiseks.
- II kompleks kasutab FADH-i elektronidoonorina, et tarnida ahelasse täiendavaid elektrone.
- Kompleks III viib elektronid vahekemikaalile, mida nimetatakse tsütokroomiks, ja pumpab membraanidele rohkem prootoneid.
- IV kompleks võtab elektronid vastu tsütokroomist ja edastab need poolele hapniku molekulile, mis ühendub kahe vesiniku aatomiga ja moodustab veemolekuli.
Selle protsessi lõpus tekitatakse prootonigradient iga kompleksiga, mis pumpab prootoneid läbi membraanide. Saadud prooton-liikumapanev jõud tõmbab prootoneid läbi membraanide ATP süntaasimolekulide kaudu.
Kui nad läbivad mitokondriaalse maatriksi või prokarüootse raku sisemuse, toimib prootonid võimaldavad ATP süntaasimolekulil lisada fosfaatrühma ADP-le või adenosiindifosfaadile molekul. ADP-st saab ATP või adenosiinitrifosfaat ja energia salvestatakse täiendavas fosfaatsidemes.
Miks on elektronide transpordikett oluline?
Kõik kolm rakuhingamise faasi hõlmavad olulisi rakuprotsesse, kuid ETC toodab ülekaalukalt kõige rohkem ATP-d. Kuna energia tootmine on rakkude hingamise üks põhifunktsioone, on ATP sellest vaatepunktist kõige olulisem faas.
Kui ETC toodab kuni 34 ATP molekuli ühe glükoosimolekuli saadustest toodab sidrunhappetsükkel kaks ja glükolüüs nelja ATP molekuli, kuid kulutab neist kaks ära.
ETC teine põhifunktsioon on tootmine NAD ja FAD NADH-st ja FADH-st kahes esimeses keemilises kompleksis. ETC kompleksi I ja II reaktsioonide produktideks on sidrunhappetsüklis vajalikud NAD ja FAD molekulid.
Selle tulemusena sõltub sidrunhappetsükkel ETC-st. Kuna ETC saab toimuda ainult hapniku juuresolekul, mis toimib elektronide lõpliku aktseptorina, saab raku hingamistsükkel täielikult toimida ainult siis, kui organism võtab hapnikku.
Kuidas hapnik mitokondritesse satub?
Kõik arenenud organismid vajavad ellujäämiseks hapnikku. Mõned loomad hingavad õhust hapnikku, samas kui veeloomadel võib seda olla lõpused või neelavad hapnikku nende kaudu nahad.
Kõrgematel loomadel neelavad punaverelibled hapnikku kopsud ja viia see kehasse. Arterid ja seejärel pisikesed kapillaarid jaotavad hapnikku kogu keha kudedes.
Kuna mitokondrid kulutavad vee moodustamiseks hapnikku, difundeerub hapnik punastest verelibledest välja. Hapniku molekulid liiguvad läbi rakumembraanide ja raku sisemusse. Kui olemasolevad hapnikumolekulid on ära kasutatud, saavad asemele uued molekulid.
Niikaua kui hapnikku on piisavalt, suudavad mitokondrid varustada kogu raku vajaliku energiaga.
Keemiline ülevaade rakuhingamisest ja ETC-st
Glükoos on a süsivesikud mis oksüdeerudes tekitab süsinikdioksiidi ja vett. Selle protsessi käigus sisestatakse elektronid elektronide transpordiahelasse.
Elektronide voogu kasutavad mitokondrite või rakumembraanide valgukompleksid vesinikioonide transportimiseks, H +, üle membraanide. Rohkem vesinikioonide olemasolu väljaspool membraani kui sees loob a pH tasakaalustamatus happelisema lahusega väljaspool membraani.
PH tasakaalustamiseks voolavad vesiniku ioonid läbi membraani tagasi ATP süntaasi valgu kompleksi kaudu, juhtides ATP molekulide moodustumist. Elektronidelt kogutud keemiline energia muudetakse vesinikioonide gradiendis salvestunud energia elektrokeemiliseks vormiks.
Kui elektrokeemiline energia vabaneb vesinikioonide või prootonite voo kaudu ATP süntaasikompleksi kaudu, muudetakse see biokeemiline energia ATP kujul.
Elektrooniahela transpordimehhanismi pärssimine
ETC reaktsioonid on väga tõhus viis raku energia tootmiseks ja salvestamiseks, mida rakk kasutab selle liikumisel, paljunemisel ja ellujäämisel. Kui üks reaktsioonide seeriast on blokeeritud, ei tööta ETC enam ja sellele toetuvad rakud surevad.
Mõnel prokarüootil on alternatiivsed energia tootmise viisid, kasutades lõpliku elektronina muid aineid kui hapnik aktseptor, kuid eukarüootsed rakud sõltuvad oma energia jaoks oksüdatiivsest fosforüülimisest ja elektronide transpordiahelast vajadustele.
Ained, mis võivad pärssida ETC toimet, võivad blokeerivad redoksreaktsioone, pärsivad prootonite ülekannet või modifitseerivad peamisi ensüüme. Redokssammu blokeerimisel peatub elektronide ülekanne ja oksüdeerumine toimub hapniku otsas kõrgel tasemel, samal ajal kui ahela alguses toimub edasine reduktsioon.
Kui prootoneid ei saa üle membraanide üle kanda või kui ensüümid, näiteks ATP süntaas, lagunevad, peatub ATP tootmine.
Mõlemal juhul lagunevad raku funktsioonid ja rakk sureb.
Taimsed ained nagu rotenoon, sellised ühendid nagu tsüaniid ja antibiootikumid nagu antimütsiin saab kasutada ETC-reaktsiooni pärssimiseks ja rakusurma sihtmärgi saavutamiseks.
Näiteks kasutatakse rotenooni putukatõrjevahendina ja antibiootikume bakterite hävitamiseks. Kui on vaja kontrollida organismi vohamist ja kasvu, võib ETC-d pidada väärtuslikuks rünnakupunktiks. Selle funktsiooni rikkumine võtab rakult eluks vajaliku energia.