Catena di trasporto degli elettroni (ETC): definizione, posizione e importanza

La maggior parte delle cellule viventi produce energia dai nutrienti attraverso la respirazione cellulare che comporta l'assunzione di ossigeno per rilasciare energia. La catena di trasporto degli elettroni o ETC è il terzo e ultimo stadio di questo processo, gli altri due sono glicolisi e il ciclo dell'acido citrico.

L'energia prodotta viene immagazzinata sotto forma di ATP o adenosina trifosfato, che è un nucleotide presente in tutti gli organismi viventi.

Le molecole di ATP immagazzinano energia nel loro legami fosfato. L'ETC è lo stadio più importante della respirazione cellulare da un punto di vista energetico perché produce più ATP. In una serie di reazioni redox, l'energia viene liberata e utilizzata per attaccare un terzo gruppo fosfato all'adenosina difosfato per creare ATP con tre gruppi fosfato.

Quando una cellula ha bisogno di energia, rompe il terzo legame del gruppo fosfato e utilizza l'energia risultante.

Molte delle reazioni chimiche della respirazione cellulare sono reazioni redox. Si tratta di interazioni tra sostanze cellulari che coinvolgono

Una serie di reazioni redox compongono il catena di trasporto degli elettroni.

Le sostanze chimiche che vengono ossidate sono agenti riducenti. Accettano elettroni e riducono le altre sostanze prendendo i loro elettroni. Queste altre sostanze chimiche sono agenti ossidanti. Donano elettroni e ossidano le altre parti nella reazione chimica redox.

Quando si verificano una serie di reazioni chimiche redox, gli elettroni possono essere passati attraverso più stadi fino a quando non vengono combinati con l'agente riducente finale.

Le cellule di organismi avanzati o eucarioti hanno un nucleo e sono chiamati cellule eucariotiche. Queste cellule di livello superiore hanno anche piccole legato alla membrana strutture chiamate mitocondri che producono energia per la cellula. I mitocondri sono come piccole fabbriche che generano energia sotto forma di molecole di ATP. Le reazioni a catena di trasporto degli elettroni avvengono all'interno del mitocondri.

A seconda del lavoro svolto dalla cellula, le cellule possono avere più o meno mitocondri. Cellule muscolari a volte ne hanno migliaia perché hanno bisogno di molta energia. Anche le cellule vegetali hanno mitocondri; producono glucosio attraverso la fotosintesi, e poi questo viene utilizzato nella respirazione cellulare e, infine, nella catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri.

Le reazioni ETC avvengono sopra e attraverso la membrana interna dei mitocondri. Un altro processo di respirazione cellulare, il ciclo dell'acido citrico, avviene all'interno dei mitocondri e fornisce alcune delle sostanze chimiche necessarie alle reazioni ETC. L'ETC utilizza le caratteristiche del membrana mitocondriale interna sintetizzare Molecole di ATP.

Un mitocondrio è minuscolo e molto più piccolo di una cellula. Per vederlo correttamente e studiarne la struttura, è necessario un microscopio elettronico con un ingrandimento di diverse migliaia di volte. Le immagini del microscopio elettronico mostrano che il mitocondrio ha una membrana esterna liscia e allungata e un pesantemente piegato membrana interna.

Le pieghe della membrana interna sono a forma di dita e raggiungono in profondità l'interno del mitocondrio. L'interno della membrana interna contiene un fluido chiamato matrice e tra le membrane interna ed esterna c'è una regione piena di fluido viscoso chiamata spazio intermembrana.

Il ciclo dell'acido citrico avviene nella matrice e produce alcuni dei composti utilizzati dall'ETC. L'ETC prende gli elettroni da questi composti e restituisce i prodotti al ciclo dell'acido citrico. Le pieghe della membrana interna gli conferiscono un'ampia superficie con molto spazio per le reazioni a catena di trasporto degli elettroni.

La maggior parte degli organismi unicellulari sono procarioti, il che significa che le cellule mancano di un nucleo. Queste cellule procariotiche hanno una struttura semplice con una parete cellulare e membrane cellulari che circondano la cellula e controllano ciò che entra ed esce dalla cellula. Cellule procariotiche mancanza di mitocondri e altro organelli legati alla membrana. Invece, la produzione di energia cellulare avviene in tutta la cellula.

Alcune cellule procariotiche come le alghe verdi possono produrre glucosio da fotosintesi, mentre altri ingeriscono sostanze che contengono glucosio. Il glucosio viene quindi utilizzato come alimento per la produzione di energia cellulare tramite la respirazione cellulare.

Poiché queste cellule non hanno mitocondri, la reazione ETC alla fine della respirazione cellulare deve avvenire sopra e attraverso le membrane cellulari situate appena all'interno della parete cellulare.

L'ETC utilizza elettroni ad alta energia da sostanze chimiche prodotte dal ciclo dell'acido citrico e li porta attraverso quattro passaggi a un livello di bassa energia. L'energia di queste reazioni chimiche viene utilizzata per pompa protoniton attraverso una membrana. Questi protoni poi si diffondono indietro attraverso la membrana.

Per le cellule procariotiche, le proteine ​​vengono pompate attraverso le membrane cellulari che circondano la cellula. Per le cellule eucariotiche con mitocondri, i protoni vengono pompati attraverso la membrana mitocondriale interna dalla matrice nello spazio intermembrana.

I donatori di elettroni chimici includono NADH e FADH mentre l'accettore di elettroni finale è l'ossigeno. Le sostanze chimiche NAD e FAD vengono restituite al ciclo dell'acido citrico mentre l'ossigeno si combina con l'idrogeno per formare l'acqua.

I protoni pompati attraverso le membrane creano a gradiente protonico. Il gradiente produce una forza protonica che consente ai protoni di tornare indietro attraverso le membrane. Questo movimento protonico attiva l'ATP sintasi e crea molecole di ATP da ADP. Il processo chimico complessivo è chiamato fosforilazione ossidativa.

Quattro complessi chimici costituiscono la catena di trasporto degli elettroni. Hanno le seguenti funzioni:

• complesso I prende il donatore di elettroni NADH dalla matrice e invia gli elettroni lungo la catena mentre utilizza l'energia per pompare i protoni attraverso le membrane.
• Complesso II utilizza FADH come donatore di elettroni per fornire ulteriori elettroni alla catena.
• Complesso III passa gli elettroni a una sostanza chimica intermedia chiamata citocromo e pompa più protoni attraverso le membrane.
• Complesso IV riceve gli elettroni dal citocromo e li trasmette a metà di una molecola di ossigeno che si combina con due atomi di idrogeno e forma una molecola d'acqua.

Alla fine di questo processo, il gradiente protonico è prodotto da ciascun complesso che pompa protoni attraverso le membrane. Il risultato forza protone-motrice attira i protoni attraverso le membrane tramite le molecole di ATP sintasi.

Quando attraversano la matrice mitocondriale o l'interno della cellula procariotica, l'azione del protoni consente alla molecola di ATP sintasi di aggiungere un gruppo fosfato a un ADP o adenosina difosfato molecola. L'ADP diventa ATP o adenosina trifosfato e l'energia viene immagazzinata nel legame fosfato extra.

Ognuna delle tre fasi della respirazione cellulare incorpora importanti processi cellulari, ma l'ETC produce di gran lunga la maggior parte di ATP. Poiché la produzione di energia è una delle funzioni chiave della respirazione cellulare, l'ATP è la fase più importante da questo punto di vista.

Dove l'ETC produce fino a 34 molecole di ATP dai prodotti di una molecola di glucosio, il ciclo dell'acido citrico ne produce due e la glicolisi produce quattro molecole di ATP ma ne consuma due.

L'altra funzione chiave dell'ETC è produrre NAD e FAD da NADH e FADH nei primi due complessi chimici. I prodotti delle reazioni nel complesso I e nel complesso II ETC sono le molecole NAD e FAD richieste nel ciclo dell'acido citrico.

Di conseguenza, il ciclo dell'acido citrico dipende dall'ETC. Poiché l'ETC può avvenire solo in presenza di ossigeno, che funge da accettore finale di elettroni, il ciclo di respirazione cellulare può funzionare completamente solo quando l'organismo assume ossigeno.

Tutti gli organismi avanzati hanno bisogno di ossigeno per sopravvivere. Alcuni animali respirano ossigeno dall'aria mentre gli animali acquatici possono avere branchie o assorbono ossigeno attraverso il loro pelli.

Negli animali superiori, i globuli rossi assorbono ossigeno nel polmoni e portarlo fuori nel corpo. Le arterie e quindi i minuscoli capillari distribuiscono l'ossigeno in tutti i tessuti del corpo.

Poiché i mitocondri consumano ossigeno per formare acqua, l'ossigeno si diffonde dai globuli rossi. Le molecole di ossigeno viaggiano attraverso le membrane cellulari e all'interno della cellula. Man mano che le molecole di ossigeno esistenti vengono esaurite, nuove molecole prendono il loro posto.

Finché è presente abbastanza ossigeno, i mitocondri possono fornire tutta l'energia di cui la cellula ha bisogno.

Il glucosio è un carboidrato che, quando ossidato, produce anidride carbonica e acqua. Durante questo processo, gli elettroni vengono immessi nella catena di trasporto degli elettroni.

Il flusso di elettroni viene utilizzato dai complessi proteici nelle membrane mitocondriali o cellulari per trasportare ioni idrogeno, H+, attraverso le membrane. La presenza di più ioni idrogeno all'esterno di una membrana che all'interno crea a squilibrio del pH con una soluzione più acida all'esterno della membrana.

Per bilanciare il pH, gli ioni idrogeno rifluiscono attraverso la membrana attraverso il complesso proteico dell'ATP sintasi, guidando la formazione di molecole di ATP. L'energia chimica raccolta dagli elettroni viene trasformata in una forma elettrochimica di energia immagazzinata nel gradiente di ioni idrogeno.

Quando l'energia elettrochimica viene rilasciata attraverso il flusso degli ioni idrogeno o dei protoni attraverso il complesso dell'ATP sintasi, viene modificata in energia biochimica sotto forma di ATP.

Le reazioni ETC sono un modo altamente efficiente per produrre e immagazzinare energia per la cellula da utilizzare nel suo movimento, riproduzione e sopravvivenza. Quando una delle serie di reazioni viene bloccata, l'ETC non funziona più e le cellule che si basano su di esso muoiono.

Alcuni procarioti hanno modi alternativi di produrre energia utilizzando sostanze diverse dall'ossigeno come elettrone finale accettore, ma le cellule eucariotiche dipendono dalla fosforilazione ossidativa e dalla catena di trasporto degli elettroni per la loro energia esigenze.

Le sostanze che possono inibire l'azione dell'ETC possono bloccare le reazioni redox, inibiscono il trasferimento di protoni o modificano gli enzimi chiave. Se una fase redox è bloccata, il trasferimento di elettroni si interrompe e l'ossidazione procede a livelli elevati all'estremità dell'ossigeno mentre un'ulteriore riduzione avviene all'inizio della catena.

Quando i protoni non possono essere trasferiti attraverso le membrane o gli enzimi come l'ATP sintasi vengono degradati, la produzione di ATP si interrompe.

In entrambi i casi, le funzioni cellulari si interrompono e la cellula muore.

Sostanze a base vegetale come rotenone, composti come cianuro e antibiotici come antimicina può essere utilizzato per inibire la reazione ETC e provocare la morte cellulare mirata.

Ad esempio, il rotenone viene utilizzato come insetticida e gli antibiotici vengono utilizzati per uccidere i batteri. Quando è necessario controllare la proliferazione e la crescita degli organismi, l'ETC può essere visto come un prezioso punto di attacco. Interrompere la sua funzione priva la cellula dell'energia di cui ha bisogno per vivere.