De meeste levende cellen produceren energie uit voedingsstoffen door cellulaire ademhaling waarbij zuurstof wordt opgenomen om energie vrij te maken. De elektronentransportketen of ETC is de derde en laatste fase van dit proces, de andere twee zijn: glycolyse en de citroenzuur cyclus.
De geproduceerde energie wordt opgeslagen in de vorm van ATP of adenosinetrifosfaat, een nucleotide dat overal in levende organismen wordt aangetroffen.
De ATP-moleculen slaan energie op in hun fosfaatbindingen. De ETC is het belangrijkste stadium van cellulaire ademhaling vanuit een energetisch oogpunt omdat het de meeste ATP produceert. In een reeks redoxreacties komt energie vrij en wordt gebruikt om een derde fosfaatgroep aan adenosinedifosfaat te hechten om ATP met drie fosfaatgroepen te creëren.
Wanneer een cel energie nodig heeft, verbreekt het de derde fosfaatgroepbinding en gebruikt de resulterende energie.
Wat zijn redoxreacties?
Veel van de chemische reacties van celademhaling zijn redoxreacties. Dit zijn interacties tussen cellulaire stoffen waarbij:
Een reeks redoxreacties vormen de elektronentransportketen.
De chemicaliën die worden geoxideerd, zijn reductiemiddelen. Ze accepteren elektronen en reduceren de andere stoffen door hun elektronen op te nemen. Deze andere chemicaliën zijn oxidatiemiddelen. Ze doneren elektronen en oxideren de andere partijen in de redoxchemische reactie.
Wanneer er een reeks chemische redoxreacties plaatsvindt, kunnen elektronen door meerdere fasen worden geleid totdat ze uiteindelijk worden gecombineerd met het uiteindelijke reductiemiddel.
Waar bevindt de elektronentransportkettingreactie zich in eukaryoten?
De cellen van geavanceerde organismen of eukaryoten hebben een kern en worden genoemd eukaryotische cellen. Deze cellen op een hoger niveau hebben ook kleine membraangebonden structuren genaamd mitochondriën die energie produceren voor de cel. Mitochondriën zijn als kleine fabriekjes die energie opwekken in de vorm van ATP-moleculen. Elektronentransportkettingreacties vinden plaats in de mitochondriën.
Afhankelijk van het werk dat de cel doet, kunnen cellen meer of minder mitochondriën hebben. Spiercellen hebben er soms duizenden omdat ze veel energie nodig hebben. Plantencellen hebben ook mitochondriën; ze produceren glucose via fotosynthese, en dat wordt vervolgens gebruikt bij de cellulaire ademhaling en, uiteindelijk, de elektronentransportketen in de mitochondriën.
De ETC-reacties vinden plaats op en over het binnenmembraan van de mitochondriën. Een ander celademhalingsproces, de citroenzuur cyclus, vindt plaats in de mitochondriën en levert enkele van de chemicaliën die nodig zijn voor de ETC-reacties. De ETC gebruikt de kenmerken van de binnenste mitochondriale membraan synthetiseren ATP-moleculen.
Hoe ziet een mitochondrion eruit?
Een mitochondrion is klein en veel kleiner dan een cel. Om het goed te zien en de structuur ervan te bestuderen, is een elektronenmicroscoop nodig met een vergroting van enkele duizenden keren. Beelden van de elektronenmicroscoop laten zien dat het mitochondrion een glad, langwerpig buitenmembraan heeft en een zwaar gevouwen binnenste membraan.
De binnenmembraanplooien hebben de vorm van vingers en reiken diep in het binnenste van het mitochondrion. De binnenkant van het binnenmembraan bevat een vloeistof die de matrix wordt genoemd, en tussen de binnen- en buitenmembranen bevindt zich een met viskeuze vloeistof gevuld gebied dat de intermembrane ruimte.
De citroenzuurcyclus vindt plaats in de matrix en produceert enkele van de verbindingen die door de ETC worden gebruikt. De ETC haalt elektronen uit deze verbindingen en brengt de producten terug naar de citroenzuurcyclus. De plooien van het binnenmembraan geven het een groot oppervlak met veel ruimte voor kettingreacties voor elektronentransport.
Waar vindt de ETC-reactie plaats in prokaryoten?
De meeste eencellige organismen zijn prokaryoten, wat betekent dat de cellen geen kern hebben. Deze prokaryotische cellen hebben een eenvoudige structuur met een celwand en celmembranen die de cel omringen en regelen wat er in en uit de cel gaat. Prokaryotische cellen gebrek aan mitochondriën en andere membraan gebonden organellen. In plaats daarvan vindt de productie van celenergie door de hele cel plaats.
Sommige prokaryotische cellen, zoals groene algen, kunnen glucose produceren uit fotosynthese, terwijl anderen stoffen opnemen die glucose bevatten. De glucose wordt vervolgens gebruikt als voedsel voor de productie van celenergie via celademhaling.
Omdat deze cellen geen mitochondriën hebben, moet de ETC-reactie aan het einde van de celademhaling plaatsvinden op en over de celmembranen die zich net binnen de celwand bevinden.
Wat gebeurt er tijdens de elektronentransportketen?
De ETC gebruikt hoogenergetische elektronen uit chemicaliën die worden geproduceerd door de citroenzuurcyclus en voert deze door vier stappen naar een laag energieniveau. De energie van deze chemische reacties wordt gebruikt om pomp protonen over een membraan. Deze protonen diffunderen dan terug door het membraan.
Voor prokaryotische cellen worden eiwitten over de celmembranen rond de cel gepompt. Voor eukaryote cellen met mitochondriën worden de protonen vanuit de matrix over het binnenste mitochondriale membraan naar de intermembrane ruimte gepompt.
Chemische elektronendonoren omvatten: NADH en FADH terwijl de laatste elektronenacceptor zuurstof is. De chemicaliën NAD en FAD worden teruggegeven aan de citroenzuurcyclus, terwijl de zuurstof zich met waterstof verbindt om water te vormen.
De protonen die over de membranen worden gepompt, creëren een proton gradiënt. De gradiënt produceert een proton-aandrijvende kracht waardoor de protonen terug door de membranen kunnen bewegen. Deze protonenbeweging activeert ATP-synthase en creëert ATP-moleculen uit ADP. Het algemene chemische proces heet oxidatieve fosforylering.
Wat is de functie van de vier complexen van de ETC?
Vier chemische complexen vormen de elektronentransportketen. Ze hebben de volgende functies:
- Complex I neemt elektronendonor NADH uit de matrix en stuurt elektronen door de keten terwijl ze de energie gebruiken om protonen over de membranen te pompen.
- Complex II gebruikt FADH als elektronendonor om extra elektronen aan de keten te leveren.
- Complex III geeft de elektronen door aan een tussenproduct genaamd cytochroom en pompt meer protonen over de membranen.
- Complex IV ontvangt de elektronen van het cytochroom en geeft ze door aan de helft van een zuurstofmolecuul dat combineert met twee waterstofatomen en een watermolecuul vormt.
Aan het einde van dit proces wordt de protongradiënt geproduceerd door elk complex dat protonen over de membranen pompt. Het resultaat Proton bewegende kracht trekt de protonen door de membranen via de ATP-synthasemoleculen.
Terwijl ze de mitochondriale matrix of het binnenste van de prokaryotische cel binnengaan, wordt de werking van de protonen zorgen ervoor dat het ATP-synthasemolecuul een fosfaatgroep kan toevoegen aan een ADP of adenosinedifosfaat molecuul. ADP wordt ATP of adenosinetrifosfaat en energie wordt opgeslagen in de extra fosfaatbinding.
Waarom is de elektronentransportketen belangrijk?
Elk van de drie cellulaire ademhalingsfasen omvat belangrijke celprocessen, maar de ETC produceert verreweg de meeste ATP. Aangezien energieproductie een van de belangrijkste functies van celademhaling is, is ATP vanuit dat oogpunt de belangrijkste fase.
Waar de ETC produceert tot 34 moleculen ATP uit de producten van één glucosemolecuul produceert de citroenzuurcyclus er twee, en glycolyse produceert vier ATP-moleculen, maar verbruikt er twee.
De andere belangrijke functie van de ETC is om te produceren: NAD en DIK van NADH en FADH in de eerste twee chemische complexen. De producten van de reacties in ETC-complex I en complex II zijn de NAD- en FAD-moleculen die nodig zijn in de citroenzuurcyclus.
Hierdoor is de citroenzuurcyclus afhankelijk van de ETC. Aangezien de ETC alleen kan plaatsvinden in aanwezigheid van zuurstof, dat fungeert als de laatste elektronenacceptor, kan de celademhalingscyclus alleen volledig werken wanneer het organisme zuurstof opneemt.
Hoe komt de zuurstof in de mitochondriën?
Alle geavanceerde organismen hebben zuurstof nodig om te overleven. Sommige dieren ademen zuurstof uit de lucht in, terwijl waterdieren dat kunnen hebben kieuwen of zuurstof opnemen via hun huiden.
Bij hogere dieren nemen de rode bloedcellen zuurstof op in de longen en voer het uit in het lichaam. Slagaders en vervolgens kleine haarvaten verdelen de zuurstof door de weefsels van het lichaam.
Omdat mitochondriën zuurstof verbruiken om water te vormen, diffundeert zuurstof uit de rode bloedcellen. Zuurstofmoleculen reizen door celmembranen en in het celinterieur. Omdat bestaande zuurstofmoleculen opgebruikt zijn, komen er nieuwe moleculen voor in de plaats.
Zolang er voldoende zuurstof aanwezig is, kunnen de mitochondriën alle energie leveren die de cel nodig heeft.
Een chemisch overzicht van cellulaire ademhaling en de ETC
Glucose is een koolhydraat dat, wanneer geoxideerd, kooldioxide en water produceert. Tijdens dit proces worden elektronen toegevoerd aan de elektronentransportketen.
De stroom van elektronen wordt gebruikt door eiwitcomplexen in de mitochondriale of celmembranen om waterstofionen te transporteren, H+, over de membranen. De aanwezigheid van meer waterstofionen buiten een membraan dan binnen zorgt voor een pH-onbalans met een zuurdere oplossing buiten het membraan.
Om de pH in evenwicht te brengen, stromen de waterstofionen terug over het membraan door het ATP-synthase-eiwitcomplex, waardoor de vorming van ATP-moleculen wordt gestimuleerd. De chemische energie die uit de elektronen wordt geoogst, wordt omgezet in een elektrochemische vorm van energie die is opgeslagen in de waterstofionengradiënt.
Wanneer de elektrochemische energie vrijkomt door de stroom van de waterstofionen of protonen door het ATP-synthasecomplex, wordt deze veranderd in biochemische energie in de vorm van ATP.
Het transportmechanisme van de elektronenketen remmen
De ETC-reacties zijn een zeer efficiënte manier om energie te produceren en op te slaan die de cel kan gebruiken voor zijn beweging, reproductie en overleving. Wanneer een van de reeks reacties wordt geblokkeerd, functioneert de ETC niet langer en sterven de cellen die erop vertrouwen.
Sommige prokaryoten hebben alternatieve manieren om energie te produceren door andere stoffen dan zuurstof als het laatste elektron te gebruiken acceptor, maar eukaryote cellen zijn voor hun energie afhankelijk van oxidatieve fosforylering en de elektronentransportketen behoeften.
Stoffen die de werking van ETC kunnen remmen, kunnen: redoxreacties blokkeren, remt de overdracht van protonen of wijzigt sleutelenzymen. Als een redoxstap wordt geblokkeerd, stopt de overdracht van elektronen en gaat de oxidatie verder naar hoge niveaus aan de zuurstofzijde, terwijl verdere reductie plaatsvindt aan het begin van de keten.
Wanneer protonen niet over de membranen kunnen worden overgebracht of enzymen zoals ATP-synthase worden afgebroken, stopt de productie van ATP.
In beide gevallen gaan celfuncties kapot en sterft de cel.
Plantaardige stoffen zoals: rotenon, verbindingen zoals cyanide en antibiotica zoals antimycine kan worden gebruikt om de ETC-reactie te remmen en gerichte celdood te bewerkstelligen.
Rotenon wordt bijvoorbeeld gebruikt als insecticide en antibiotica worden gebruikt om bacteriën te doden. Wanneer het nodig is om de proliferatie en groei van organismen te beheersen, kan de ETC worden gezien als een waardevol aanvalspunt. Het verstoren van zijn functie berooft de cel van de energie die het nodig heeft om te leven.