Većina živih stanica proizvodi energiju iz hranjivih sastojaka staničnim disanjem koje uključuje uzimanje kisika za oslobađanje energije. Lanac prijenosa elektrona ili ETC treća je i posljednja faza ovog procesa, dok su ostale dvije glikoliza i ciklus limunske kiseline.
Proizvedena energija pohranjuje se u obliku ATP ili adenozin trifosfat, koji je nukleotid koji se nalazi u živim organizmima.
Molekule ATP pohranjuju energiju u svoje fosfatne veze. ETC je s energetskog gledišta najvažnija faza staničnog disanja, jer proizvodi najviše ATP-a. U nizu redoks reakcija oslobađa se energija koja se koristi za vezanje treće fosfatne skupine na adenozin difosfat kako bi se stvorio ATP s tri fosfatne skupine.
Kad stanici treba energija, ona prekida vezu treće fosfatne skupine i koristi dobivenu energiju.
Što su Redox reakcije?
Mnoge kemijske reakcije staničnog disanja su redoks reakcije. To su interakcije između staničnih tvari koje uključuju smanjenje i oksidacija (ili redoks) u isto vrijeme. Kako se elektroni prenose između molekula, jedan skup kemikalija oksidira, dok se drugi skup reducira.
Niz redoks reakcija čine lanac za transport elektrona.
Kemikalije koje se oksidiraju su redukcijska sredstva. Oni prihvaćaju elektrone i smanjuju ostale tvari uzimajući njihove elektrone. Ove ostale kemikalije su oksidanti. Oni doniraju elektrone i oksidiraju ostale strane u redoks kemijskoj reakciji.
Kada se odvija niz redoks kemijskih reakcija, elektroni se mogu prenositi kroz više faza dok ne završe u kombinaciji s konačnim redukcijskim sredstvom.
Gdje se nalazi lančana reakcija elektrona u Eukariotima?
Stanice naprednih organizama ili eukariota imaju jezgra i zovu se eukariotske stanice. Te stanice više razine također imaju male membranski vezan strukture zvane mitohondriji koje proizvode energiju za stanicu. Mitohondriji su poput malih tvornica koje generiraju energiju u obliku molekula ATP-a. Lančane reakcije transporta elektrona odvijaju se unutar mitohondriji.
Ovisno o poslu koji stanica radi, stanice mogu imati više ili manje mitohondrija. Mišićne stanice ponekad ih imaju tisuće jer im treba puno energije. Biljne stanice imaju i mitohondrije; proizvode glukozu fotosintezom, a zatim se ona koristi u staničnom disanju i, na kraju, lancu transporta elektrona u mitohondrijima.
ETC reakcije odvijaju se na i preko unutarnje membrane mitohondrija. Još jedan proces disanja stanica, ciklus limunske kiseline, odvija se unutar mitohondrija i isporučuje neke kemikalije potrebne za ETC reakcije. ETC koristi karakteristike unutarnja mitohondrijska membrana sintetizirati ATP molekule.
Kako izgleda mitohondrija?
Mitohondrija je sićušna i mnogo je manja od stanice. Da bi se pravilno vidio i proučio njegova struktura, potreban je elektronski mikroskop s povećanjem od nekoliko tisuća puta. Slike s elektronskog mikroskopa pokazuju da mitohondrija ima glatku, izduženu vanjsku membranu i a jako presavijeni unutarnja opna.
Nabori unutarnje membrane oblikovani su poput prstiju i sežu duboko u unutrašnjost mitohondriona. Unutrašnjost unutarnje membrane sadrži tekućinu koja se naziva matriks, a između unutarnje i vanjske membrane nalazi se viskozno područje ispunjeno tekućinom zvano intermembranski prostor.
Ciklus limunske kiseline odvija se u matrici i on stvara neke od spojeva koje koristi ETC. ETC uzima elektrone iz ovih spojeva i vraća proizvode natrag u ciklus limunske kiseline. Nabori unutarnje membrane daju joj veliku površinu s puno prostora za lančane reakcije transporta elektrona.
Gdje se odvija ETC reakcija kod prokariota?
Većina jednoćelijskih organizama su prokarioti, što znači da stanicama nedostaje jezgra. Te prokariotske stanice imaju jednostavnu strukturu sa staničnom stijenkom i staničnim membranama koje okružuju stanicu i kontroliraju što ulazi i izlazi iz stanice. Prokariotske stanice nedostatak mitohondrija i drugo membrane vezane organele. Umjesto toga, proizvodnja stanice se odvija u cijeloj stanici.
Neke prokariontske stanice poput zelenih algi mogu proizvesti glukozu iz fotosinteza, dok drugi unose tvari koje sadrže glukozu. Zatim se glukoza koristi kao hrana za staničnu proizvodnju energije staničnim disanjem.
Budući da ove stanice nemaju mitohondrije, ETC reakcija na kraju staničnog disanja mora se odvijati na i preko staničnih membrana smještenih neposredno unutar stanične stijenke.
Što se događa tijekom lanca transporta elektrona?
ETC koristi elektrone visoke energije iz kemikalija proizvedenih ciklusom limunske kiseline i vodi ih kroz četiri koraka do niske razine energije. Energija iz ovih kemijskih reakcija se koristi protoni pumpe preko opne. Ti se protoni zatim difuziraju natrag kroz membranu.
Za prokariotske stanice proteini se pumpaju kroz stanične membrane koje okružuju stanicu. Za eukariotske stanice s mitohondrijima protoni se pumpaju kroz unutarnju mitohondrijsku membranu iz matrice u intermembranski prostor.
Kemijski donatori elektrona uključuju NADH i FADH dok je konačni akceptor elektrona kisik. Kemikalije NAD i FAD vraćaju se u ciklus limunske kiseline, dok se kisik kombinira s vodikom i stvara vodu.
Protoni pumpani preko membrana stvaraju protonski gradijent. Gradijent stvara proton-motivnu silu koja omogućuje protonima da se kreću natrag kroz membrane. Ovaj protonski pokret aktivira ATP sintazu i stvara molekule ATP iz ADP. Cjelokupni kemijski proces se naziva oksidativne fosforilacije.
Koja je funkcija četiri kompleksa ETC-a?
Četiri kemijska kompleksa čine lanac prijenosa elektrona. Imaju sljedeće funkcije:
- Kompleks I uzima donor elektrona NADH iz matrice i šalje elektrone niz lanac dok koristi energiju za pumpanje protona preko membrana.
- Kompleks II koristi FADH kao donor elektrona za opskrbu dodatnih elektrona lancu.
- Kompleks III prosljeđuje elektrone u srednju kemikaliju koja se naziva citokrom i pumpa više protona kroz membrane.
- Kompleks IV prima elektrone iz citokroma i prenosi ih na polovicu molekule kisika koja se kombinira s dva atoma vodika i tvori molekulu vode.
Na kraju ovog postupka svaki složeni protok protoka preko membrana stvara gradijent protona. Dobivena protonsko-motivska sila izvlači protone kroz membrane preko molekula ATP sintaze.
Kako prelaze u mitohondrijski matriks ili unutrašnjost prokariontske stanice, djelovanje protoni omogućuju molekuli ATP sintaze da doda fosfatnu skupinu u ADP ili adenozin difosfat molekula. ADP postaje ATP ili adenozin trifosfat, a energija se skladišti u dodatnoj fosfatnoj vezi.
Zašto je lanac prijenosa elektrona važan?
Svaka od tri faze staničnog disanja uključuje važne stanične procese, ali ETC proizvodi daleko najviše ATP-a. Budući da je proizvodnja energije jedna od ključnih funkcija staničnog disanja, ATP je s tog gledišta najvažnija faza.
Tamo gdje ETC proizvodi do 34 molekule ATP od proizvoda jedne molekule glukoze, ciklus limunske kiseline stvara dvije, a glikoliza stvara četiri molekule ATP, ali troši dvije od njih.
Druga ključna funkcija ETC-a je proizvodnja NAD i FAD iz NADH i FADH u prva dva kemijska kompleksa. Produkti reakcija u ETC kompleksu I i kompleksu II su molekule NAD i FAD potrebne u ciklusu limunske kiseline.
Kao rezultat, ciklus limunske kiseline ovisi o ETC-u. Budući da se ETC može odvijati samo u prisutnosti kisika, koji djeluje kao konačni akceptor elektrona, stanični ciklus disanja može u potpunosti djelovati samo kada organizam unese kisik.
Kako kisik ulazi u mitohondrije?
Svi napredni organizmi trebaju kisik da bi preživjeli. Neke životinje udišu kisik iz zraka, dok ih vodene životinje mogu imati škrge ili apsorbiraju kisik kroz svoje kože.
U viših životinja crvene krvne stanice apsorbiraju kisik u pluća i provesti ga u tijelo. Arterije, a zatim sitni kapilari distribuiraju kisik kroz tjelesna tkiva.
Kako mitohondriji troše kisik za stvaranje vode, kisik difundira iz crvenih krvnih stanica. Molekule kisika putuju kroz stanične membrane i ulaze u unutrašnjost stanice. Kako se postojeće molekule kisika troše, na njihovo mjesto dolaze nove molekule.
Sve dok je prisutno dovoljno kisika, mitohondriji mogu opskrbljivati svom energijom koju stanica treba.
Kemijski pregled staničnog disanja i ETC
Glukoza je ugljikohidrata koji, kada se oksidira, stvara ugljični dioksid i vodu. Tijekom ovog procesa elektroni se unose u lanac prijenosa elektrona.
Protok elektrona koriste proteinski kompleksi u mitohondrijskim ili staničnim membranama za transport vodikovih iona, H +, preko membrana. Prisutnost više vodikovih iona izvan membrane nego u njoj stvara a neravnoteža pH kiselijom otopinom izvan membrane.
Da bi uravnotežili pH, vodikovi ioni teku natrag kroz membranu kroz kompleks proteina ATP sintaze, potičući stvaranje ATP molekula. Kemijska energija prikupljena iz elektrona mijenja se u elektrokemijski oblik energije pohranjene u gradijentu vodikovih iona.
Kada se elektrokemijska energija oslobodi protokom vodikovih iona ili protona kroz kompleks ATP sintaze, ona se mijenja u biokemijska energija u obliku ATP-a.
Inhibiranje mehanizma transporta lanca elektrona
ETC reakcije su vrlo učinkovit način za proizvodnju i pohranu energije koju ćelija koristi u svom kretanju, razmnožavanju i preživljavanju. Kad je jedna od serije reakcija blokirana, ETC više ne funkcionira, a stanice koje se na nju oslanjaju umiru.
Neki prokarioti imaju alternativne načine proizvodnje energije korištenjem tvari koje nisu kisik kao konačni elektron akceptor, ali eukariotske stanice za svoju energiju ovise o oksidacijskoj fosforilaciji i lancu transporta elektrona potrebe.
Tvari koje mogu inhibirati ETC djelovanje mogu blokirati redoks reakcije, inhibiraju prijenos protona ili modificiraju ključne enzime. Ako je redoks-korak blokiran, prijenos elektrona se zaustavlja i oksidacija nastavlja na visoku razinu na kraju kisika, dok se daljnja redukcija odvija na početku lanca.
Kada se protoni ne mogu prenijeti kroz membrane ili se enzimi kao što je ATP sintaza degradiraju, proizvodnja ATP-a prestaje.
U oba slučaja, funkcije stanice se kvare i stanica umire.
Tvari na biljnoj osnovi kao što su rotenon, spojevi kao što su cijanid i antibiotici kao što su antimicin može se koristiti za inhibiranje ETC reakcije i postizanje ciljane stanične smrti.
Primjerice, rotenon se koristi kao insekticid, a antibiotici za uništavanje bakterija. Kada postoji potreba za kontrolom proliferacije i rasta organizma, ETC se može smatrati vrijednom točkom napada. Ometanjem njegove funkcije stanica oduzima energiju potrebnu za život.