Elektronikuljetusketju (ETC): määritelmä, sijainti ja merkitys

Suurin osa elävistä soluista tuottaa energiaa ravinteista soluhengityksen kautta, johon sisältyy hapen ottaminen energian vapauttamiseksi. Elektronien siirtoketju eli ETC on tämän prosessin kolmas ja viimeinen vaihe, joista kaksi muuta ovat glykolyysi ja sitruunahapposykli.

Tuotettu energia varastoidaan muodossa ATP tai adenosiinitrifosfaatti, joka on nukleotidi, jota esiintyy kaikissa elävissä organismeissa.

ATP-molekyylit varastoivat energiaa niihin fosfaattisidokset. ETC on solun hengityksen tärkein vaihe energian kannalta, koska se tuottaa eniten ATP: tä. Redox-reaktioiden sarjassa energia vapautuu ja sitä käytetään kolmannen fosfaattiryhmän kiinnittämiseen adenosiinidifosfaattiin ATP: n muodostamiseksi kolmella fosfaattiryhmällä.

Kun solu tarvitsee energiaa, se rikkoo kolmannen fosfaattiryhmäsidoksen ja käyttää tuloksena olevaa energiaa.

Monet solujen hengityksen kemiallisista reaktioista ovat redoksireaktioita. Nämä ovat vuorovaikutusta soluaineiden kanssa, joihin liittyy

Sarja redox-reaktioita muodostavat elektronien siirtoketju.

Hapetetut kemikaalit ovat pelkistäviä aineita. He hyväksyvät elektronit ja pelkistävät muut aineet ottamalla elektroninsa. Nämä muut kemikaalit ovat hapettavia aineita. Ne luovuttavat elektroneja ja hapettavat muut osapuolet redox-kemiallisessa reaktiossa.

Kun tapahtuu useita redoksikemiallisia reaktioita, elektroneja voidaan siirtää monien vaiheiden läpi, kunnes ne päätyvät yhdistettynä lopulliseen pelkistimeen.

Edistyneiden organismien tai eukaryoottien soluilla on a ydin ja kutsutaan eukaryoottisolut. Näillä korkeamman tason soluilla on myös pieni määrä kalvoon sidottu mitokondrioita kutsutut rakenteet, jotka tuottavat energiaa solulle. Mitokondriot ovat kuin pieniä tehtaita, jotka tuottavat energiaa ATP-molekyylien muodossa. Elektronien siirtoketjureaktiot tapahtuvat mitokondrioita.

Solun tekemästä työstä riippuen soluilla voi olla enemmän tai vähemmän mitokondrioita. Lihassolut joskus on tuhansia, koska he tarvitsevat paljon energiaa. Kasvisoluilla on myös mitokondrioita; ne tuottavat glukoosia fotosynteesin avulla, ja sitten sitä käytetään soluhengityksessä ja lopulta elektronien siirtoketjussa mitokondrioissa.

ETC-reaktiot tapahtuvat mitokondrioiden sisäkalvolla ja sen poikki. Toinen solujen hengitysprosessi, sitruunahapposykli, tapahtuu mitokondrioiden sisällä ja välittää joitain kemikaaleja, joita tarvitaan ETC-reaktioissa. ETC käyttää sisäinen mitokondrioiden kalvo syntetisoida ATP-molekyylit.

Mitokondrio on pieni ja paljon pienempi kuin solu. Jos haluat nähdä sen oikein ja tutkia sen rakennetta, tarvitaan elektronimikroskooppi, jonka suurennus on useita tuhansia kertoja. Elektronimikroskoopin kuvat osoittavat, että mitokondriossa on sileä, pitkänomainen ulkokalvo ja a voimakkaasti taitettu sisäkalvo.

Sisäkalvon taitokset ovat sormien muotoisia ja ulottuvat syvälle mitokondrioiden sisäosiin. Sisäkalvon sisäpuolella on matriisiksi kutsuttu neste, ja sisä- ja ulkokalvojen välissä on viskoosi nesteitä sisältävä alue, jota kutsutaan kalvojen välinen tila.

Sitruunahapposykli tapahtuu matriisissa, ja se tuottaa joitain yhdisteitä, joita ETC käyttää. ETC ottaa elektroneja näistä yhdisteistä ja palauttaa tuotteet takaisin sitruunahapposykliin. Sisäkalvon taitokset antavat sille suuren pinta-alan, jossa on paljon tilaa elektronien siirtoketjureaktioille.

Useimmat yksisoluiset organismit ovat prokaryooteja, mikä tarkoittaa, että soluista puuttuu ydin. Näillä prokaryoottisoluilla on yksinkertainen rakenne, jossa soluseinä ja solukalvot ympäröivät solukalvoja ja säätelevät soluun meneviä ja solun ulkopuolisia soluja. Prokaryoottiset solut puuttuu mitokondrioita ja muita kalvoon sitoutuneet organellit. Sen sijaan solun energiantuotanto tapahtuu koko solun.

Jotkut prokaryoottisolut, kuten vihreät levät, voivat tuottaa glukoosia fotosynteesi, kun taas toiset nielevät aineita, jotka sisältävät glukoosia. Glukoosia käytetään sitten elintarvikkeena solujen energiantuotantoon solujen hengityksen kautta.

Koska näillä soluilla ei ole mitokondrioita, ETC-reaktion on tapahduttava solun hengityksen lopussa soluseinämissä ja solujen läpi, jotka sijaitsevat aivan soluseinän sisällä.

ETC käyttää sitruunahapposyklin tuottamien kemikaalien suurenergisiä elektroneja ja vie ne läpi neljä vaihetta alhaiselle energiatasolle. Näiden kemiallisten reaktioiden energia on käytetty pumpata protoneja kalvon poikki. Nämä protonit diffundoituvat sitten takaisin kalvon läpi.

Prokaryoottisolujen osalta proteiinit pumpataan solua ympäröivien solukalvojen läpi. Mitokondrioita sisältäville eukaryoottisoluille protonit pumpataan sisäisen mitokondriomembraanin läpi matriisista kalvojen väliseen tilaan.

Kemiallisten elektronien luovuttajia ovat NADH ja FADH kun taas lopullinen elektronin vastaanottaja on happi. Kemikaalit NAD ja FAD palautetaan sitruunahapposykliin, kun taas happi yhdistyy vedyn kanssa muodostaen vettä.

Kalvojen yli pumpatut protonit luovat a protonigradientti. Gradientti tuottaa protoni-motiivivoiman, joka antaa protonien liikkua takaisin kalvojen läpi. Tämä protoniliike aktivoi ATP-syntaasin ja luo siitä ATP-molekyylejä ADP. Koko kemiallista prosessia kutsutaan oksidatiivinen fosforylaatio.

Neljä kemiallista kompleksia muodostaa elektroninsiirtoketjun. Heillä on seuraavat toiminnot:

• Monimutkainen I ottaa elektronidonorin NADH matriisista ja lähettää elektronit ketjuun samalla kun energiaa käytetään protonien pumppaamiseen membraanien läpi.
• Kompleksi II käyttää FADH: ta elektronidonorina toimittamaan lisää elektroneja ketjuun.
• Kompleksi III kuljettaa elektronit välituotekemikaalille, jota kutsutaan sytokromiksi, ja pumppaa enemmän protoneja membraanien läpi.
• Monimutkainen IV vastaanottaa elektroneja sytokromista ja siirtää ne puoleen happimolekyylistä, joka yhdistyy kahden vetyatomin kanssa ja muodostaa vesimolekyylin.

Tämän prosessin lopussa protonigradientti tuotetaan kukin kompleksi pumppaamalla protoneja membraanien yli. Tuloksena protoni-motiivivoima vetää protoneja membraanien läpi ATP-syntaasimolekyylien kautta.

Kun ne siirtyvät mitokondrioiden matriisiin tai prokaryoottisen solun sisäosaan, niiden vaikutus protonit sallivat ATP-syntaasimolekyylin lisätä fosfaattiryhmän ADP: hen tai adenosiinidifosfaattiin molekyyli. ADP: stä tulee ATP tai adenosiinitrifosfaatti, ja energia varastoidaan ylimääräiseen fosfaattisidokseen.

Kukin kolmesta soluhengitysvaiheesta sisältää tärkeitä soluprosesseja, mutta ETC tuottaa ylivoimaisesti eniten ATP: tä. Koska energiantuotanto on yksi solujen hengityksen keskeisistä tehtävistä, ATP on tärkein vaihe tästä näkökulmasta.

Jos ETC tuottaa jopa 34 ATP-molekyyliä yhden glukoosimolekyylin tuotteista sitruunahapposykli tuottaa kaksi ja glykolyysi tuottaa neljä ATP-molekyyliä, mutta kuluttaa niistä kaksi.

ETC: n toinen keskeinen tehtävä on tuottaa NAD ja VILLITYS NADH: sta ja FADH: sta kahdessa ensimmäisessä kemiallisessa kompleksissa. ETC-kompleksin I ja kompleksin II reaktioiden tuotteet ovat NAD- ja FAD-molekyylejä, joita tarvitaan sitruunahapposyklissä.

Tämän seurauksena sitruunahapposykli riippuu ETC: stä. Koska ETC voi tapahtua vain hapen läsnä ollessa, joka toimii lopullisena elektroninakseptorina, solun hengitysjakso voi toimia täydellisesti vain, kun organismi ottaa happea.

Kaikki kehittyneet organismit tarvitsevat happea selviytyäkseen. Jotkut eläimet hengittävät happea ilmasta, kun taas vesieläimillä voi olla kidukset tai imevät happea niiden kautta nahat.

Korkeammilla eläimillä punasolut imevät happea keuhkot ja vie se kehoon. Valtimot ja sitten pienet kapillaarit jakavat happea kehon kudoksiin.

Kun mitokondriot kuluttavat happea veden muodostamiseksi, happi diffundoituu punasoluista. Happimolekyylit kulkevat solukalvojen läpi ja solun sisätilaan. Kun olemassa olevia happimolekyylejä käytetään, uudet molekyylit siirtyvät niiden tilalle.

Niin kauan kuin happea on tarpeeksi, mitokondriot voivat toimittaa kaiken solun tarvitseman energian.

Glukoosi on a hiilihydraatti joka hapetettuna tuottaa hiilidioksidia ja vettä. Tämän prosessin aikana elektronit syötetään elektroninsiirtoketjuun.

Mitokondrioiden tai solukalvojen proteiinikompleksit käyttävät elektronien virtausta vetyionien kuljettamiseen, H +, kalvojen poikki. Enemmän vetyionien läsnäolo kalvon ulkopuolella kuin sisällä luo a pH-epätasapaino happamammalla liuoksella kalvon ulkopuolella.

PH: n tasapainottamiseksi vetyionit virtaavat takaisin kalvon läpi ATP-syntaasiproteiinikompleksin läpi ajaen ATP-molekyylien muodostumista. Elektroneista kerätty kemiallinen energia muutetaan vetyionigradienttiin varastoidun energian sähkökemialliseksi muodoksi.

Kun sähkökemiallinen energia vapautuu vetyionien tai protonien virtauksen kautta ATP-syntaasikompleksin läpi, se muutetaan biokemiallinen energia ATP: n muodossa.

ETC-reaktiot ovat erittäin tehokas tapa tuottaa ja varastoida energiaa solulle käytettäväksi sen liikkeessä, lisääntymisessä ja selviytymisessä. Kun yksi reaktiosarjoista estetään, ETC ei enää toimi, ja siihen luottavat solut kuolevat.

Joillakin prokaryooteilla on vaihtoehtoisia tapoja tuottaa energiaa käyttämällä muita aineita kuin happea lopullisena elektronina akseptori, mutta eukaryoottisolut riippuvat energiansa oksidatiivisesta fosforylaatiosta ja elektronin siirtoketjusta tarpeisiin.

Aineet, jotka voivat estää ETC-toimintaa, voivat estää redox-reaktiot, estävät protonien siirtymistä tai modifioivat tärkeitä entsyymejä. Jos redoksivaihe estetään, elektronien siirtyminen loppuu ja hapettuminen etenee korkeille tasoille happipäässä samalla kun ketjun alussa tapahtuu edelleen pelkistystä.

Kun protoneja ei voida siirtää kalvojen yli tai entsyymit, kuten ATP-syntaasi, hajoavat, ATP: n tuotanto loppuu.

Kummassakin tapauksessa solutoiminnot hajoavat ja solu kuolee.

Kasviperäiset aineet, kuten rotenoni, yhdisteet, kuten syanidi ja antibiootit, kuten antimysiini voidaan käyttää estämään ETC-reaktio ja aikaansaamaan kohdennettu solukuolema.

Esimerkiksi rotenonia käytetään hyönteismyrkkynä, ja antibiootteja käytetään bakteerien tappamiseen. Kun on tarpeen hallita organismin lisääntymistä ja kasvua, ETC voidaan nähdä arvokkaana hyökkäyskohtana. Häiriö sen toiminnassa vie solulta sen tarvitseman energian.