Dauguma gyvų ląstelių gamina energiją iš maistinių medžiagų per ląstelių kvėpavimą, kuris apima deguonies pasisavinimą, kad energija išsiskirtų. Elektronų perdavimo grandinė arba ETC yra trečiasis ir paskutinis šio proceso etapas, kiti du yra glikolizė ir citrinos rūgšties ciklas.
Pagaminta energija kaupiama ATP arba adenozino trifosfatas, kuris yra nukleotidas, randamas visuose gyvuose organizmuose.
ATP molekulės jose kaupia energiją fosfatiniai ryšiai. ETC yra svarbiausias korinio kvėpavimo etapas energetiniu požiūriu, nes jis gamina daugiausiai ATP. Redoksinių reakcijų serijoje energija išsiskiria ir naudojama trečiajai fosfatų grupei pritvirtinti prie adenozino difosfato, kad būtų sukurta trijų fosfatų grupių ATP.
Kai ląstelei reikia energijos, ji nutraukia trečiosios fosfatų grupės ryšį ir panaudoja gautą energiją.
Kas yra Redokso reakcijos?
Daugelis cheminių ląstelių kvėpavimo reakcijų yra redokso reakcijos. Tai yra ląstelių medžiagų sąveika, kuri apima sumažinimas ir oksidacija (arba redoksą) tuo pačiu metu. Kai elektronai perduodami tarp molekulių, vienas cheminių medžiagų rinkinys oksiduojamas, o kitas - redukuojamas.
Redoksinių reakcijų serija sudaro elektronų perdavimo grandinė.
Oksiduotos cheminės medžiagos yra reduktoriai. Jie priima elektronus ir sumažina kitas medžiagas, paimdami jų elektronus. Šios kitos cheminės medžiagos yra oksidatoriai. Jie dovanoja elektronus ir oksiduoja kitas redoksinės cheminės reakcijos šalis.
Kai vyksta redoksinių cheminių reakcijų serija, elektronai gali būti perduodami keliais etapais, kol jie baigiasi kartu su galutiniu reduktoriumi.
Kur eukariotuose yra elektronų perdavimo grandinės reakcija?
Pažengusių organizmų arba eukariotų ląstelės turi a branduolys ir yra vadinami eukariotinės ląstelės. Šios aukštesnio lygio ląstelės taip pat turi mažą sujungtas su membrana struktūros, vadinamos mitochondrijomis, gaminančios energiją ląstelei. Mitochondrijos yra tarsi mažos gamyklos, gaminančios energiją ATP molekulių pavidalu. Elektronų transportavimo grandinės reakcijos vyksta mitochondrijos.
Priklausomai nuo ląstelės darbo, ląstelės gali turėti daugiau ar mažiau mitochondrijų. Raumenų ląstelės kartais turi tūkstančius, nes jiems reikia daug energijos. Augalų ląstelės taip pat turi mitochondrijas; fotosintezės metu jie gamina gliukozę, o tada ji naudojama ląstelių kvėpavimui ir galiausiai elektronų transportavimo grandinei mitochondrijose.
ETC reakcijos vyksta ant vidinės mitochondrijų membranos ir per ją. Kitas ląstelių kvėpavimo procesas, citrinos rūgšties ciklas, vyksta mitochondrijų viduje ir perneša kai kurias chemines medžiagas, reikalingas ETC reakcijoms. ETC naudojasi vidinė mitochondrijų membrana sintetinti ATP molekulės.
Kaip atrodo mitochondrija?
Mitochondrija yra mažytė ir daug mažesnė už ląstelę. Norint tinkamai jį pamatyti ir ištirti jo struktūrą, reikalingas elektroninis mikroskopas, kurio padidinimas yra kelis tūkstančius kartų. Vaizdai iš elektroninio mikroskopo rodo, kad mitochondrija turi lygią, pailgą išorinę membraną ir a stipriai sulankstytas vidinė membrana.
Vidinės membranos klostės yra panašios į pirštus ir siekia giliai į mitochondrijos vidų. Vidinės membranos viduje yra skystis, vadinamas matrica, o tarp vidinės ir išorinės membranos yra klampus skysčio užpildytas regionas, vadinamas tarpmembraninė erdvė.
Citrinos rūgšties ciklas vyksta matricoje, ir ji gamina kai kuriuos ETC naudojamus junginius. ETC paima iš šių junginių elektronus ir grąžina produktus į citrinos rūgšties ciklą. Vidinės membranos klostės suteikia jai didelį paviršiaus plotą, kuriame yra daug vietos elektronų transportavimo grandinės reakcijoms.
Kur vyksta ETC reakcija prokariotuose?
Dauguma vienos ląstelės organizmų yra prokariotai, o tai reiškia, kad ląstelėms trūksta branduolio. Šios prokariotinės ląstelės turi paprastą struktūrą: ląstelės sienelė ir ląstelių membranos supa ląstelę ir kontroliuoja tai, kas eina į ląstelę ir iš jos. Prokariotinės ląstelės trūksta mitochondrijų ir kt su membrana susietos organelės. Vietoj to, ląstelės energijos gamyba vyksta visoje ląstelėje.
Kai kurios prokariotinės ląstelės, tokios kaip žali dumbliai, gali gaminti gliukozę fotosintezė, o kiti vartoja medžiagas, kuriose yra gliukozės. Tada gliukozė naudojama kaip maistas ląstelių energijai gaminti per ląstelių kvėpavimą.
Kadangi šiose ląstelėse nėra mitochondrijų, ląstelių kvėpavimo pabaigoje ETC reakcija turi vykti ant ląstelių membranų, esančių tiesiai ląstelės sienelėje, ir skersai jų.
Kas atsitinka per elektronų transportavimo grandinę?
ETC naudoja daug citrinų rūgšties ciklo metu gaminamų chemikalų didelę energiją naudojančius elektronus ir perkelia juos per keturis žingsnius iki mažo energijos lygio. Šių cheminių reakcijų energija yra naudojama siurbti protonus skersai membranos. Tada šie protonai difunduoja atgal per membraną.
Prokariotinėms ląstelėms baltymai pumpuojami per ląstelę supančias ląstelių membranas. Eukariotų ląstelėms, turinčioms mitochondrijas, protonai pumpuojami per vidinę mitochondrijų membraną iš matricos į tarpmembraninę erdvę.
Tarp cheminių elektronų donorų yra NADH ir FADH tuo tarpu galutinis elektronų akceptorius yra deguonis. Cheminės medžiagos NAD ir FAD grąžinamos į citrinos rūgšties ciklą, o deguonis kartu su vandeniliu sudaro vandenį.
Pro membranas pumpuojami protonai sukuria a protonų gradientas. Gradientas sukuria protonų varomąją jėgą, leidžiančią protonams judėti atgal per membranas. Šis protonų judėjimas suaktyvina ATP sintazę ir iš jo sukuria ATP molekules ADP. Vadinamas bendras cheminis procesas oksidacinis fosforilinimas.
Kokia yra keturių ETC kompleksų funkcija?
Keturi cheminiai kompleksai sudaro elektronų perdavimo grandinę. Jie atlieka šias funkcijas:
- I kompleksas paima iš matricos elektronų donorą NADH ir elektronus siunčia žemyn grandine, o energiją panaudodamas protonų pumpavimui per membranas.
- II kompleksas naudoja FADH kaip elektronų donorą tiekti grandinei papildomus elektronus.
- III kompleksas perduoda elektronus tarpinei cheminei medžiagai, vadinamai citochromu, ir per membranas perpumpuoja daugiau protonų.
- IV kompleksas gauna elektronus iš citochromo ir perduoda juos pusei deguonies molekulės, kuri susijungia su dviem vandenilio atomais ir suformuoja vandens molekulę.
Šio proceso pabaigoje protonų gradientas susidaro kiekvienam kompleksui pumpuojant protonus per membranas. Gautas protonų-varomoji jėga per ATP sintazės molekules ištraukia protonus per membranas.
Kai jie pereina į mitochondrijų matricą arba prokariotinės ląstelės vidų, tai veikia protonai leidžia ATP sintazės molekulei pridėti fosfatų grupę prie ADP arba adenozino difosfato molekulė. ADP tampa ATP arba adenozino trifosfatu, o energija kaupiama papildomame fosfatų ryšyje.
Kodėl elektronų transportavimo grandinė yra svarbi?
Kiekviena iš trijų korinio kvėpavimo fazių apima svarbius ląstelių procesus, tačiau ETC gamina daugiausiai ATP. Kadangi energijos gamyba yra viena iš pagrindinių ląstelių kvėpavimo funkcijų, ATP šiuo požiūriu yra svarbiausia fazė.
Kur ETC gamina iki 34 ATP molekulės iš vienos gliukozės molekulės produktų citrinos rūgšties ciklas gamina dvi, o glikolizė - keturias ATP molekules, tačiau dvi iš jų sunaudoja.
Kita pagrindinė ETC funkcija yra gaminti NAD ir FAD iš NADH ir FADH pirmuosiuose dviejuose cheminiuose kompleksuose. ETC I ir II kompleksų reakcijų produktai yra NAD ir FAD molekulės, reikalingos citrinų rūgšties cikle.
Dėl to citrinos rūgšties ciklas priklauso nuo ETC. Kadangi ETC gali vykti tik esant deguoniui, kuris veikia kaip galutinis elektronų akceptorius, ląstelės kvėpavimo ciklas gali pilnai veikti tik tada, kai organizmas įsisavina deguonį.
Kaip deguonis patenka į mitochondrijas?
Visiems pažengusiems organizmams išgyventi reikalingas deguonis. Kai kurie gyvūnai kvėpuoja deguonimi iš oro, o vandens gyvūnai gali turėti žiaunos arba absorbuoti deguonį per juos odos.
Aukštesniems gyvūnams raudonieji kraujo kūneliai absorbuoja deguonį plaučius ir išnešti jį į kūną. Arterijos ir paskui maži kapiliarai paskirsto deguonį per visus kūno audinius.
Kai mitochondrijos sunaudoja deguonį vandeniui formuoti, deguonis difunduoja iš raudonųjų kraujo kūnelių. Deguonies molekulės keliauja per ląstelių membranas ir į ląstelės vidų. Kai naudojamos deguonies molekulės, jų vietą užima naujos molekulės.
Kol yra pakankamai deguonies, mitochondrijos gali tiekti visą ląstelei reikalingą energiją.
Cheminė ląstelių kvėpavimo apžvalga ir ETC
Gliukozė yra a angliavandeniai kad oksiduodamasis susidaro anglies dioksidas ir vanduo. Šio proceso metu elektronai tiekiami į elektronų transportavimo grandinę.
Elektronų srautą baltymų kompleksai naudoja mitochondrijų ar ląstelių membranose vandenilio jonams pernešti, H +, per membranas. Esant daugiau vandenilio jonų už membranos, nei viduje, susidaro a pH disbalansas rūgštesniu tirpalu už membranos ribų.
Norint subalansuoti pH, vandenilio jonai per ATP sintazės baltymų kompleksą teka atgal per membraną, skatindami ATP molekulių susidarymą. Iš elektronų surinkta cheminė energija keičiama į elektrocheminę energijos formą, kaupiamą vandenilio jonų gradiente.
Kai elektrocheminė energija išsiskiria per vandenilio jonų ar protonų srautą per ATP sintazės kompleksą, ji pakeičiama į biocheminė energija ATP pavidalu.
Elektronų grandinės transportavimo mechanizmo slopinimas
ETC reakcijos yra labai efektyvus būdas gaminti ir kaupti ląstelei energiją, naudojamą jos judėjimui, dauginimuisi ir išgyvenimui. Užblokavus vieną iš reakcijų serijų, ETC nebeveikia, o ląstelės, kurios ja remiasi, miršta.
Kai kurie prokariotai turi alternatyvius energijos gamybos būdus, naudodami kitas medžiagas nei deguonis kaip galutinį elektroną akceptorius, tačiau eukariotų ląstelės savo energija priklauso nuo oksidacinio fosforilinimo ir elektronų perdavimo grandinės poreikiai.
Medžiagos, galinčios slopinti ETC poveikį, gali blokuoti redokso reakcijas, slopina protonų perdavimą arba modifikuoja pagrindinius fermentus. Užblokavus redoksinį žingsnį, elektronų perdavimas sustoja ir oksidacija vyksta į aukštą deguonies galą, o tolesnė redukcija vyksta grandinės pradžioje.
Kai protonų negalima pernešti per membranas arba suskaidomi fermentai, tokie kaip ATP sintazė, ATP gamyba sustoja.
Bet kuriuo atveju ląstelės funkcijos sugenda ir ląstelė miršta.
Augalinės medžiagos, tokios kaip rotenonas, junginiai, tokie kaip cianidas ir antibiotikų, tokių kaip antimicinas gali būti naudojami ETC reakcijai slopinti ir tikslinei ląstelių mirčiai sukelti.
Pavyzdžiui, rotenonas naudojamas kaip insekticidas, o antibiotikai naudojami bakterijoms naikinti. Kai reikia kontroliuoti organizmo dauginimąsi ir augimą, ETC galima vertinti kaip vertingą atakos tašką. Sutrikus jos funkcijai, ląstelė netenka energijos, reikalingos gyventi.