De fleste levende celler produserer energi fra næringsstoffer gjennom cellulær respirasjon som innebærer opptak av oksygen for å frigjøre energi. Elektrontransportkjeden eller ETC er den tredje og siste fasen av denne prosessen, de to andre er glykolyse og sitronsyresyklus.
Den produserte energien lagres i form av ATP eller adenosintrifosfat, som er et nukleotid som finnes i levende organismer.
ATP-molekylene lagrer energi i sine fosfatbindinger. ETC er det viktigste stadiet av cellulær respirasjon fra et energisynspunkt fordi den produserer mest ATP. I en serie redoksreaksjoner frigjøres energi og brukes til å feste en tredje fosfatgruppe til adenosindifosfat for å skape ATP med tre fosfatgrupper.
Når en celle trenger energi, bryter den den tredje fosfatgruppebindingen og bruker den resulterende energien.
Hva er redoksreaksjoner?
Mange av de kjemiske reaksjonene ved celleånding er redoksreaksjoner. Dette er interaksjoner mellom cellulære stoffer som involverer reduksjon og oksidasjon (eller redoks) samtidig. Når elektroner overføres mellom molekyler, oksideres ett sett med kjemikalier mens et annet sett reduseres.
En serie redoksreaksjoner utgjør elektrontransportkjede.
Kjemikaliene som oksideres er reduksjonsmidler. De aksepterer elektroner og reduserer de andre stoffene ved å ta deres elektroner. Disse andre kjemikaliene er oksidasjonsmidler. De donerer elektroner og oksyderer de andre partiene i den kjemiske reaksjonen for redoks.
Når det er en rekke kjemiske reaksjoner som skjer, kan elektroner føres gjennom flere trinn til de ender opp kombinert med det endelige reduksjonsmidlet.
Hvor ligger elektrontransportkjedereaksjonen i eukaryoter?
Cellene til avanserte organismer eller eukaryoter har en cellekjernen og blir kalt eukaryote celler. Disse cellene på høyere nivå har også små membranbundet strukturer som kalles mitokondrier som produserer energi til cellen. Mitokondrier er som små fabrikker som genererer energi i form av ATP-molekyler. Elektrontransportkjedereaksjoner finner sted inne i mitokondrier.
Avhengig av arbeidet cellen gjør, kan celler ha mer eller færre mitokondrier. Muskelceller noen ganger har tusenvis fordi de trenger mye energi. Planteceller har også mitokondrier; de produserer glukose via fotosyntese, og deretter brukes den i cellulær respirasjon og til slutt elektrontransportkjeden i mitokondriene.
ETC-reaksjonene finner sted på og over mitokondriens indre membran. En annen prosess for åndedrettsceller, sitronsyresyklus, finner sted inne i mitokondriene og leverer noen av kjemikaliene som trengs av ETC-reaksjonene. ETC bruker egenskapene til indre mitokondriell membran å syntetisere ATP-molekyler.
Hvordan ser en mitokondrion ut?
En mitokondrion er liten og mye mindre enn en celle. For å se det riktig og studere dets struktur, kreves et elektronmikroskop med en forstørrelse på flere tusen ganger. Bilder fra elektronmikroskopet viser at mitokondrion har en glatt, langstrakt ytre membran og en tungt brettet indre membran.
De indre membranbrettene er formet som fingre og når dypt inn i mitokondrionens indre. Innsiden av den indre membranen inneholder en væske som kalles matrisen, og mellom de indre og ytre membranene er en viskøs væskefylt region kalt intermembran rom.
Sitronsyresyklusen finner sted i matrisen, og den produserer noen av forbindelsene som brukes av ETC. ETC tar elektroner fra disse forbindelsene og returnerer produktene tilbake til sitronsyresyklusen. Brettene på den indre membranen gir den et stort overflateareal med mye rom for elektrontransportkjedereaksjoner.
Hvor finner ETC-reaksjonen sted i prokaryoter?
De fleste enkeltcelleorganismer er prokaryoter, noe som betyr at cellene mangler en kjerne. Disse prokaryote cellene har en enkel struktur med en cellevegg og cellemembraner som omgir cellen og kontrollerer hva som går inn og ut av cellen. Prokaryote celler mangler mitokondrier og annet membranbundne organeller. I stedet foregår cellenergiproduksjon i hele cellen.
Noen prokaryote celler som grønne alger kan produsere glukose fra fotosyntese, mens andre inntar stoffer som inneholder glukose. Glukosen brukes deretter som mat for celleenergiproduksjon via celleånding.
Fordi disse cellene ikke har mitokondrier, må ETC-reaksjonen på slutten av celle respirasjon finne sted på og over cellemembranene som ligger rett innenfor celleveggen.
Hva skjer under elektrontransportkjeden?
ETC bruker elektroner med høy energi fra kjemikalier produsert av sitronsyresyklusen og tar dem gjennom fire trinn til et lavt energinivå. Energien fra disse kjemiske reaksjonene er vant til pumpe protoner over en membran. Disse protonene diffunderer deretter tilbake gjennom membranen.
For prokaryote celler pumpes proteiner over cellemembranene som omgir cellen. For eukaryote celler med mitokondrier pumpes protonene over den indre mitokondrielle membranen fra matrisen inn i mellomrommet.
Kjemiske elektrondonorer inkluderer NADH og FADH mens den endelige elektronakseptoren er oksygen. Kjemikaliene NAD og FAD blir gitt tilbake til sitronsyresyklusen mens oksygenet kombineres med hydrogen for å danne vann.
Protonene som pumpes over membranene skaper en protongradient. Gradienten produserer en protonmotivkraft som lar protonene bevege seg tilbake gjennom membranene. Denne protonbevegelsen aktiverer ATP-syntase og skaper ATP-molekyler fra ADP. Den samlede kjemiske prosessen kalles oksidativ fosforylering.
Hva er funksjonen til de fire kompleksene i ETC?
Fire kjemiske komplekser utgjør elektrontransportkjeden. De har følgende funksjoner:
- Kompleks I tar elektrondonor NADH fra matrisen og sender elektroner ned i kjeden mens den bruker energien til å pumpe protoner over membranene.
- Kompleks II bruker FADH som elektrondonor for å levere ekstra elektroner til kjeden.
- Kompleks III fører elektronene til et mellomliggende kjemikalie som kalles cytokrom og pumper flere protoner over membranene.
- Kompleks IV mottar elektronene fra cytokromet og overfører dem til halvparten av et oksygenmolekyl som kombineres med to hydrogenatomer og danner et vannmolekyl.
På slutten av denne prosessen produseres protongradienten av hvert komplekse pumpeproton over membranene. Resultatet protonmotivkraft trekker protonene gjennom membranene via ATP-syntasemolekylene.
Når de krysser inn i den mitokondrielle matrisen eller det indre av den prokaryote cellen, virker handlingen av protoner tillater ATP-syntasemolekylet å legge en fosfatgruppe til et ADP eller adenosindifosfat molekyl. ADP blir ATP eller adenosintrifosfat, og energi lagres i den ekstra fosfatbindingen.
Hvorfor er elektrontransportkjeden viktig?
Hver av de tre cellulære respirasjonsfasene inneholder viktige celleprosesser, men ETC produserer langt mest ATP. Siden energiproduksjon er en av nøkkelfunksjonene til celleånding, er ATP den viktigste fasen fra det synspunktet.
Hvor ETC produserer opp til 34 molekyler av ATP fra produktene til ett glukosemolekyl produserer sitronsyresyklusen to, og glykolyse produserer fire ATP-molekyler, men bruker opp to av dem.
Den andre nøkkelfunksjonen til ETC er å produsere NAD og FAD fra NADH og FADH i de to første kjemiske kompleksene. Produktene av reaksjonene i ETC-kompleks I og kompleks II er NAD- og FAD-molekylene som kreves i sitronsyresyklusen.
Som et resultat er sitronsyresyklusen avhengig av ETC. Siden ETC bare kan finne sted i nærvær av oksygen, som fungerer som den endelige elektronakseptoren, kan cellerespirasjonssyklusen bare fungere fullt ut når organismen tar inn oksygen.
Hvordan kommer oksygenet inn i mitokondriene?
Alle avanserte organismer trenger oksygen for å overleve. Noen dyr puster inn oksygen fra luften mens vanndyr kan ha gjeller eller absorbere oksygen gjennom deres skinn.
Hos høyere dyr absorberer de røde blodcellene oksygen i lungene og bær den ut i kroppen. Arterier og deretter små kapillærer fordeler oksygen gjennom kroppens vev.
Når mitokondrier bruker oksygen til å danne vann, diffunderer oksygen ut av de røde blodcellene. Oksygenmolekyler beveger seg over cellemembraner og inn i celleinteriøret. Når eksisterende oksygenmolekyler er oppbrukt, tar nye molekyler plass.
Så lenge det er nok oksygen tilstede, kan mitokondriene levere all energien cellen trenger.
En kjemisk oversikt over cellulær respirasjon og ETC
Glukose er en karbohydrat som, når det oksyderes, produserer karbondioksid og vann. I løpet av denne prosessen mates elektroner inn i elektrontransportkjeden.
Strømmen av elektroner brukes av proteinkomplekser i mitokondrie- eller cellemembranene for å transportere hydrogenioner, H +, over membranene. Tilstedeværelsen av flere hydrogenioner utenfor en membran enn innsiden skaper en pH ubalanse med en surere løsning utenfor membranen.
For å balansere pH strømmer hydrogenionene tilbake over membranen gjennom ATP-syntase-proteinkomplekset, og driver dannelsen av ATP-molekyler. Den kjemiske energien høstet fra elektronene endres til en elektrokjemisk form for energi lagret i hydrogeniongradienten.
Når den elektrokjemiske energien frigjøres gjennom strømmen av hydrogenionene eller protonene gjennom ATP-syntase-komplekset, blir den endret til biokjemisk energi i form av ATP.
Hemming av elektronmekanismens transportmekanisme
ETC-reaksjonene er en svært effektiv måte å produsere og lagre energi for cellen å bruke i bevegelse, reproduksjon og overlevelse. Når en av reaksjonsseriene er blokkert, fungerer ikke ETC lenger, og celler som stoler på den dør.
Noen prokaryoter har alternative måter å produsere energi på ved å bruke andre stoffer enn oksygen som det endelige elektronet akseptor, men eukaryote celler er avhengige av oksidativ fosforylering og elektrontransportkjeden for sin energi behov.
Stoffer som kan hemme ETC-handling kan blokker redoksreaksjoner, hemme protonoverføring eller modifisere viktige enzymer. Hvis et redoks-trinn er blokkert, stopper overføringen av elektroner og oksidasjonen fortsetter til høye nivåer på oksygenenden mens ytterligere reduksjon finner sted i begynnelsen av kjeden.
Når protoner ikke kan overføres over membranene eller enzymer som ATP-syntase blir nedbrutt, stopper produksjonen av ATP.
I begge tilfeller brytes cellefunksjonene ned og cellen dør.
Plantebaserte stoffer som rotenonforbindelser slik som cyanid og antibiotika som antimycin kan brukes til å hemme ETC-reaksjonen og få målrettet celledød.
For eksempel brukes rotenon som insektmiddel, og antibiotika brukes til å drepe bakterier. Når det er behov for å kontrollere spredning og vekst av organismer, kan ETC sees på som et verdifullt angrepspunkt. Å forstyrre funksjonen frarøver cellen energien den trenger for å leve.