Lielākā daļa dzīvo šūnu ražo enerģiju no barības vielām, izmantojot šūnu elpošanu, kas ietver skābekļa uzņemšanu, lai atbrīvotu enerģiju. Elektronu transporta ķēde jeb ETC ir šī procesa trešā un pēdējā pakāpe, pārējās divas ir glikolīze un citronskābes cikls.
Saražotā enerģija tiek uzkrāta ATP vai adenozīna trifosfāts, kas ir nukleotīds, kas sastopams visā dzīvajā organismā.
ATP molekulas uzglabā enerģiju savās fosfāta saites. ETC ir vissvarīgākais šūnu elpošanas posms no enerģijas viedokļa, jo tas rada visvairāk ATP. Redoksreakciju virknē tiek atbrīvota enerģija un izmantota trešās fosfātu grupas pievienošanai adenozīna difosfātam, lai izveidotu ATP ar trim fosfātu grupām.
Kad šūnai ir nepieciešama enerģija, tā pārtrauc trešās fosfāta grupas saiti un izmanto iegūto enerģiju.
Kas ir Redox reakcijas?
Daudzas šūnu elpošanas ķīmiskās reakcijas ir redoksreakcijas. Tā ir mijiedarbība starp šūnu vielām, kas ietver samazināšana un oksidēšanās (vai redoks) vienlaikus. Kad elektroni tiek pārvietoti starp molekulām, viens ķīmisko vielu kopums tiek oksidēts, bet otrs - samazināts.
Redoksreakciju virkne veido elektronu transporta ķēde.
Oksidētās ķīmiskās vielas ir reducētāji. Viņi pieņem elektronus un samazina citu vielu daudzumu, ņemot tos elektronus. Šīs citas ķīmiskās vielas ir oksidētāji. Viņi ziedo elektronus un oksidē pārējās ķīmiskās reakcijas puses.
Kad notiek virkne redoks ķīmisko reakciju, elektronus var nodot vairākos posmos, līdz tie nonāk kopā ar galīgo reducētāju.
Kur atrodas elektronu transporta ķēdes reakcija eikariotos?
Uzlaboto organismu vai eikariotu šūnām ir a kodols un tiek saukti eikariotu šūnas. Arī šīm augstāka līmeņa šūnām ir mazs saistīts ar membrānu struktūras, ko sauc par mitohondrijiem, kas ražo šūnu enerģiju. Mitohondriji ir kā mazas rūpnīcas, kas rada enerģiju ATP molekulu veidā. Elektronu transporta ķēdes reakcijas notiek iekšpusē mitohondrijos.
Atkarībā no šūnas veiktā darba šūnās var būt vairāk vai mazāk mitohondriju. Muskuļu šūnas dažreiz ir tūkstošiem, jo viņiem ir nepieciešams daudz enerģijas. Augu šūnās ir arī mitohondriji; tie ražo glikozi fotosintēzes ceļā, un pēc tam to izmanto šūnu elpošanā un galu galā elektronu transporta ķēdē mitohondrijos.
ETC reakcijas notiek uz mitohondriju iekšējās membrānas un pāri tai. Cits šūnu elpošanas process, citronskābes cikls, notiek mitohondriju iekšienē, un tā piegādā dažas ķīmiskās vielas, kas vajadzīgas ETC reakcijām. ETC izmanto iekšējā mitohondriju membrāna sintezēt ATP molekulas.
Kā izskatās mitohondrions?
Mitohondrijs ir niecīgs un daudz mazāks nekā šūna. Lai to pareizi redzētu un izpētītu tā struktūru, ir nepieciešams elektronu mikroskops ar vairāku tūkstošu reižu palielinājumu. Attēli no elektronu mikroskopa parāda, ka mitohondrijai ir gluda, iegarena ārējā membrāna un a stipri salocīts iekšējā membrāna.
Iekšējās membrānas krokas ir pirkstu formas un sniedzas dziļi mitohondrija iekšpusē. Iekšējās membrānas iekšpusē ir šķidrums, ko sauc par matricu, un starp iekšējo un ārējo membrānu ir viskozs ar šķidrumu piepildīts reģions, ko sauc par starpmembrānu telpa.
Citronskābes cikls notiek matricā, un tas rada dažus savienojumus, ko izmanto ETC. ETC ņem no šiem savienojumiem elektronus un atgriež produktus atpakaļ citronskābes ciklā. Iekšējās membrānas krokas piešķir tai lielu virsmas laukumu ar daudz vietas elektronu transporta ķēdes reakcijām.
Kur notiek ETC reakcija prokariotos?
Lielākā daļa vienšūnu organismu ir prokarioti, kas nozīmē, ka šūnām trūkst kodola. Šīm prokariotu šūnām ir vienkārša struktūra ar šūnu sienu un šūnu membrānām, kas ieskauj šūnu un kontrolē to, kas nonāk šūnā un ārpus tās. Prokariotu šūnas trūkst mitohondriju un citu ar membrānu saistītās organellas. Tā vietā šūnas enerģijas ražošana notiek visā šūnā.
Dažas prokariotu šūnas, piemēram, zaļās aļģes, no tā var ražot glikozi fotosintēze, bet citi uzņem vielas, kas satur glikozi. Pēc tam glikozi izmanto kā pārtiku šūnu enerģijas ražošanai, izmantojot šūnu elpošanu.
Tā kā šīm šūnām nav mitohondriju, ETC reakcijai šūnu elpošanas beigās jānotiek uz šūnu membrānām un pāri tām, kas atrodas tieši šūnu sienās.
Kas notiek elektronu transporta ķēdes laikā?
ETC izmanto citronskābes ciklā ražoto ķīmisko vielu augstas enerģijas elektronus un veic tos četrās pakāpēs līdz zemam enerģijas līmenim. Šo ķīmisko reakciju enerģija tiek izmantota sūkņa protoni pāri membrānai. Pēc tam šie protoni difundē atpakaļ caur membrānu.
Prokariotu šūnām olbaltumvielas tiek sūknētas pa šūnu membrānām, kas ap šūnu. Eikariotu šūnām ar mitohondrijām protoni tiek sūknēti pa iekšējo mitohondriju membrānu no matricas starpmembrānas telpā.
Ķīmisko elektronu donori ietver NADH un FADH kamēr galīgais elektronu akceptors ir skābeklis. Ķīmiskās vielas NAD un FAD tiek atgrieztas citronskābes ciklā, kamēr skābeklis apvienojas ar ūdeņradi, veidojot ūdeni.
Caur membrānām iesūknētie protoni rada a protonu gradients. Slīpums rada protonu kustības spēku, kas ļauj protoniem pārvietoties atpakaļ pa membrānām. Šī protonu kustība aktivizē ATP sintāzi un no tā rada ATP molekulas ADP. Tiek saukts vispārējais ķīmiskais process oksidatīvā fosforilēšana.
Kāda ir ETC četru kompleksu funkcija?
Četri ķīmiski kompleksi veido elektronu transporta ķēdi. Viņiem ir šādas funkcijas:
- I komplekss paņem no matricas elektronu donoru NADH un nosūta elektronus pa ķēdi, vienlaikus izmantojot enerģiju protonu sūknēšanai pa membrānām.
- II komplekss izmanto FADH kā elektronu donoru, lai piegādātu ķēdei papildu elektronus.
- Komplekss III nodod elektronus starpproduktu ķīmiskajai vielai, ko sauc par citohromu, un caur membrānām sūknē vairāk protonu.
- IV komplekss saņem elektronus no citohroma un nodod tos pusei skābekļa molekulas, kas apvienojas ar diviem ūdeņraža atomiem un veido ūdens molekulu.
Šī procesa beigās protonu gradientu ražo katrs komplekss, kas sūknē protonus pāri membrānām. Rezultātā protonu-kustības spēks caur ATP sintāzes molekulām izvelk protonus caur membrānām.
Kad tie šķērso mitohondriju matricu vai prokariotu šūnas iekšpusi, darbība protoni ļauj ATP sintāzes molekulai pievienot fosfātu grupu ADP vai adenozīna difosfātam molekula. ADP kļūst par ATP vai adenozīna trifosfātu, un enerģija tiek uzkrāta papildu fosfāta saitē.
Kāpēc elektronu transporta ķēde ir svarīga?
Katrā no trim šūnu elpošanas fāzēm ir iekļauti svarīgi šūnu procesi, bet ETC rada līdz šim visvairāk ATP. Tā kā enerģijas ražošana ir viena no galvenajām šūnu elpošanas funkcijām, ATP no šī viedokļa ir vissvarīgākā fāze.
Ja ETC ražo līdz 34 ATP molekulas no vienas glikozes molekulas produktiem citronskābes cikls rada divas, un glikolīze - četras ATP molekulas, bet divas no tām izlieto.
Otra ETC galvenā funkcija ir producēšana NAD un FAD no NADH un FADH pirmajos divos ķīmiskajos kompleksos. ETC I un II kompleksa reakciju produkti ir NAD un FAD molekulas, kas nepieciešamas citronskābes ciklā.
Tā rezultātā citronskābes cikls ir atkarīgs no ETC. Tā kā ETC var notikt tikai skābekļa klātbūtnē, kas darbojas kā galīgais elektronu akceptors, šūnu elpošanas cikls var pilnībā darboties tikai tad, kad organisms uzņem skābekli.
Kā skābeklis nokļūst mitohondrijos?
Visiem attīstītajiem organismiem izdzīvošanai nepieciešams skābeklis. Daži dzīvnieki elpo skābekli no gaisa, kamēr ūdens dzīvniekiem tas var būt žaunām vai absorbē skābekli caur tiem ādas.
Augstākiem dzīvniekiem sarkanās asins šūnas absorbē skābekli plaušas un iznes to ķermenī. Artērijas un pēc tam sīki kapilāri sadala skābekli pa ķermeņa audiem.
Tā kā mitohondriji patērē skābekli, lai izveidotu ūdeni, skābeklis izkliedējas no sarkanajām asins šūnām. Skābekļa molekulas pārvietojas pa šūnu membrānām un nonāk šūnu iekšienē. Kad esošās skābekļa molekulas tiek izlietotas, to vietā stājas jaunas molekulas.
Kamēr ir pietiekami daudz skābekļa, mitohondriji var piegādāt visu šūnai nepieciešamo enerģiju.
Ķīmisks pārskats par šūnu elpošanu un ETC
Glikoze ir a ogļhidrāti kas oksidējoties rada oglekļa dioksīdu un ūdeni. Šī procesa laikā elektroni tiek ievadīti elektronu transporta ķēdē.
Elektronu plūsmu izmanto olbaltumvielu kompleksi mitohondriju vai šūnu membrānās, lai pārvadātu ūdeņraža jonus, H +, pāri membrānām. Vairāk ūdeņraža jonu klātbūtne ārpus membrānas nekā iekšpusē rada a pH nelīdzsvarotība ar skābāku šķīdumu ārpus membrānas.
Lai līdzsvarotu pH līmeni, ūdeņraža joni plūst atpakaļ caur membrānu caur ATP sintāzes olbaltumvielu kompleksu, vadot ATP molekulu veidošanos. No elektroniem iegūtā ķīmiskā enerģija tiek mainīta uz elektroķīmisko enerģijas formu, kas uzkrāta ūdeņraža jonu gradientā.
Kad elektroķīmiskā enerģija tiek izlaista caur ūdeņraža jonu vai protonu plūsmu caur ATP sintāzes kompleksu, tā tiek mainīta uz bioķīmiskā enerģija ATP formā.
Elektronu ķēdes transporta mehānisma kavēšana
ETC reakcijas ir ļoti efektīvs veids, kā ražot un uzglabāt enerģiju, ko šūna var izmantot tās kustībā, reprodukcijā un izdzīvošanā. Kad viena no reakciju sērijām tiek bloķēta, ETC vairs nedarbojas, un šūnas, kas paļaujas uz to, mirst.
Dažiem prokariotiem ir alternatīvi enerģijas ražošanas veidi, kā galīgo elektronu izmantojot citas vielas, nevis skābekli akceptors, bet eikariotu šūnas enerģijas ziņā ir atkarīgas no oksidatīvās fosforilēšanas un elektronu transporta ķēdes vajadzībām.
Vielas, kas var kavēt ETC darbību, var bloķēt redoksreakcijas, kavē protonu pārnesi vai modificē galvenos enzīmus. Ja redokss solis tiek bloķēts, elektronu pārnese apstājas un oksidēšanās notiek augstā līmenī skābekļa galā, kamēr ķēdes sākumā notiek turpmāka reducēšanās.
Ja protonus nevar pārnest pa membrānām vai fermenti, piemēram, ATP sintāze, tiek noārdīti, ATP ražošana apstājas.
Jebkurā gadījumā šūnu funkcijas sabojājas un šūna mirst.
Augu izcelsmes vielas, piemēram, rotenons, savienojumi, piemēram, cianīds un antibiotikas, piemēram, antimicīns var izmantot, lai kavētu ETC reakciju un izraisītu mērķtiecīgu šūnu nāvi.
Piemēram, rotenonu lieto kā insekticīdu, un baktērijas iznīcina antibiotikas. Ja ir nepieciešams kontrolēt organisma vairošanos un augšanu, ETC var uzskatīt par vērtīgu uzbrukuma punktu. Izjaucot tā darbību, šūna atņem dzīvībai nepieciešamo enerģiju.