Łańcuch transportu elektronów (ETC): definicja, lokalizacja i znaczenie

Większość żywych komórek wytwarza energię z substancji odżywczych poprzez oddychanie komórkowe, które obejmuje pobieranie tlenu w celu uwolnienia energii. Łańcuch transportu elektronów lub ETC jest trzecim i ostatnim etapem tego procesu, pozostałe dwa to glikoliza i cykl kwasu cytrynowego.

Wytworzona energia jest magazynowana w postaci ATP lub trifosforan adenozyny, który jest nukleotydem występującym w organizmach żywych.

Cząsteczki ATP magazynują energię w swoich wiązania fosforanowe. ETC jest najważniejszym etapem oddychania komórkowego z energetycznego punktu widzenia, ponieważ wytwarza najwięcej ATP. W serii reakcji redoks energia jest uwalniana i wykorzystywana do przyłączenia trzeciej grupy fosforanowej do difosforanu adenozyny w celu wytworzenia ATP z trzema grupami fosforanowymi.

Kiedy komórka potrzebuje energii, zrywa wiązanie trzeciej grupy fosforanowej i wykorzystuje powstałą energię.

Wiele reakcji chemicznych oddychania komórkowego to reakcje redoks. Są to interakcje między substancjami komórkowymi, które obejmują:

Szereg reakcji redoks składa się na łańcuch transportu elektronów.

Utlenione chemikalia są czynnikami redukującymi. Przyjmują elektrony i redukują inne substancje, pobierając ich elektrony. Te inne chemikalia są środkami utleniającymi. Oddają elektrony i utleniają inne partie w reakcji chemicznej redoks.

Gdy zachodzi szereg reakcji chemicznych redoks, elektrony mogą przechodzić przez wiele etapów, aż w końcu połączą się z końcowym środkiem redukującym.

Komórki zaawansowanych organizmów lub eukariontów mają jądro i nazywają się komórki eukariotyczne. Te komórki wyższego poziomu mają również małe związany z błoną struktury zwane mitochondriami, które wytwarzają energię dla komórki. Mitochondria są jak małe fabryki, które wytwarzają energię w postaci cząsteczek ATP. Reakcje łańcucha transportu elektronów zachodzą wewnątrz mitochondria.

W zależności od pracy, jaką wykonuje komórka, komórki mogą mieć więcej lub mniej mitochondriów. Komórki mięśniowe czasami mają tysiące, ponieważ potrzebują dużo energii. Komórki roślinne również mają mitochondria; produkują glukozę poprzez fotosyntezę, która jest następnie wykorzystywana w oddychaniu komórkowym, a ostatecznie w łańcuchu transportu elektronów w mitochondriach.

Reakcje ETC zachodzą na iw poprzek wewnętrznej błony mitochondriów. Kolejny proces oddychania komórkowego, cykl kwasu cytrynowego, odbywa się wewnątrz mitochondriów i dostarcza niektóre chemikalia potrzebne w reakcjach ETC. ETC wykorzystuje charakterystykę wewnętrzna błona mitochondrialna syntetyzować Cząsteczki ATP.

Mitochondrium jest maleńkie i znacznie mniejsze niż komórka. Aby go właściwie zobaczyć i zbadać jego strukturę, potrzebny jest mikroskop elektronowy o kilkutysięcznym powiększeniu. Obrazy z mikroskopu elektronowego pokazują, że mitochondrium ma gładką, wydłużoną błonę zewnętrzną i a mocno złożone wewnętrzna membrana.

Fałdy błony wewnętrznej mają kształt palców i sięgają głęboko do wnętrza mitochondrium. Wnętrze błony wewnętrznej zawiera płyn zwany matrycą, a pomiędzy błoną wewnętrzną i zewnętrzną znajduje się lepki obszar wypełniony płynem zwany przestrzeń międzybłonowa.

Cykl kwasu cytrynowego odbywa się w matrycy i wytwarza niektóre związki używane przez ETC. ETC pobiera elektrony z tych związków i przywraca produkty z powrotem do cyklu kwasu cytrynowego. Fałdy błony wewnętrznej zapewniają jej dużą powierzchnię z dużą ilością miejsca na reakcje łańcuchowe transportu elektronów.

Większość organizmów jednokomórkowych to prokariota, co oznacza, że ​​komórki nie mają jądra. Te komórki prokariotyczne mają prostą strukturę ze ścianą komórkową i błonami komórkowymi otaczającymi komórkę i kontrolującymi to, co wchodzi i wychodzi z komórki. Komórki prokariotyczne brak mitochondriów i innych Związane z błoną organelli. Zamiast tego produkcja energii komórkowej odbywa się w całej komórce.

Niektóre komórki prokariotyczne, takie jak zielone algi, mogą wytwarzać glukozę z fotosynteza, podczas gdy inni spożywają substancje zawierające glukozę. Glukoza jest następnie wykorzystywana jako pożywienie do produkcji energii komórkowej poprzez oddychanie komórkowe.

Ponieważ komórki te nie mają mitochondriów, reakcja ETC pod koniec oddychania komórkowego musi zachodzić na i przez błony komórkowe znajdujące się tuż wewnątrz ściany komórkowej.

ETC wykorzystuje elektrony o wysokiej energii z substancji chemicznych wytwarzanych w cyklu kwasu cytrynowego i prowadzi je przez cztery etapy do niskiego poziomu energii. Energia z tych reakcji chemicznych jest wykorzystywana do: protony pompy przez błonę. Te protony następnie dyfundują z powrotem przez błonę.

W przypadku komórek prokariotycznych białka są pompowane przez błony komórkowe otaczające komórkę. W przypadku komórek eukariotycznych z mitochondriami protony są pompowane przez wewnętrzną błonę mitochondrialną z macierzy do przestrzeni międzybłonowej.

Donorów elektronów chemicznych obejmują NADH i FADH podczas gdy ostatecznym akceptorem elektronów jest tlen. Substancje chemiczne NAD i FAD wracają do cyklu kwasu cytrynowego, podczas gdy tlen łączy się z wodorem, tworząc wodę.

Protony pompowane przez błony tworzą gradient protonu. Gradient wytwarza siłę napędową protonów, która umożliwia protonom cofanie się przez błony. Ten ruch protonów aktywuje syntazę ATP i tworzy cząsteczki ATP z ADP. Cały proces chemiczny nazywa się fosforylacja oksydacyjna.

Łańcuch transportu elektronów tworzą cztery kompleksy chemiczne. Pełnią następujące funkcje:

• Kompleks I pobiera NADH będący dawcą elektronów z matrycy i wysyła elektrony w dół łańcucha, jednocześnie wykorzystując energię do pompowania protonów przez błony.
• Kompleks II wykorzystuje FADH jako dawcę elektronów do dostarczania dodatkowych elektronów do łańcucha.
• Kompleks III przekazuje elektrony do pośredniej substancji chemicznej zwanej cytochromem i pompuje więcej protonów przez błony.
• Kompleks IV odbiera elektrony z cytochromu i przekazuje je do połowy cząsteczki tlenu, która łączy się z dwoma atomami wodoru i tworzy cząsteczkę wody.

Pod koniec tego procesu, każdy kompleks pompujący protony przez membrany wytwarza gradient protonów. Wynikowy siła protonowo-motoryczna wciąga protony przez błony za pośrednictwem cząsteczek syntazy ATP.

Gdy przechodzą do macierzy mitochondrialnej lub wnętrza komórki prokariotycznej, działanie protony umożliwiają cząsteczce syntazy ATP dodanie grupy fosforanowej do ADP lub difosforanu adenozyny cząsteczka. ADP staje się ATP lub trifosforanem adenozyny, a energia jest magazynowana w dodatkowym wiązaniu fosforanowym.

Każda z trzech faz oddychania komórkowego obejmuje ważne procesy komórkowe, ale ETC wytwarza zdecydowanie najwięcej ATP. Ponieważ wytwarzanie energii jest jedną z kluczowych funkcji oddychania komórkowego, ATP jest z tego punktu widzenia najważniejszą fazą.

Gdzie ETC produkuje do 34 cząsteczki ATP z produktów jednej cząsteczki glukozy cykl kwasu cytrynowego wytwarza dwie, a glikoliza wytwarza cztery cząsteczki ATP, ale zużywa dwie z nich.

Inną kluczową funkcją ETC jest produkcja NAD i CHWILOWA MODA z NADH i FADH w pierwszych dwóch kompleksach chemicznych. Produktami reakcji w kompleksie I i kompleksie II ETC są cząsteczki NAD i FAD, które są niezbędne w cyklu kwasu cytrynowego.

W rezultacie cykl kwasu cytrynowego jest zależny od ETC. Ponieważ ETC może odbywać się tylko w obecności tlenu, który działa jako ostateczny akceptor elektronów, cykl oddychania komórki może działać w pełni tylko wtedy, gdy organizm pobiera tlen.

Wszystkie zaawansowane organizmy potrzebują tlenu, aby przetrwać. Niektóre zwierzęta wdychają tlen z powietrza, podczas gdy zwierzęta wodne mogą skrzela lub wchłonąć tlen przez ich Skórki.

U wyższych zwierząt czerwone krwinki absorbują tlen w płuca i przenieś go do ciała. Tętnice, a następnie maleńkie naczynia włosowate rozprowadzają tlen w tkankach organizmu.

Gdy mitochondria zużywają tlen do tworzenia wody, tlen dyfunduje z czerwonych krwinek. Cząsteczki tlenu przemieszczają się przez błony komórkowe i do wnętrza komórki. W miarę zużywania się istniejących molekuł tlenu, ich miejsce zajmują nowe molekuły.

Dopóki jest wystarczająca ilość tlenu, mitochondria mogą dostarczać całą energię potrzebną komórce.

Glukoza to węglowodan który po utlenieniu wytwarza dwutlenek węgla i wodę. Podczas tego procesu elektrony są wprowadzane do łańcucha transportu elektronów.

Przepływ elektronów jest wykorzystywany przez kompleksy białkowe w błonach mitochondrialnych lub komórkowych do transportu jonów wodorowych, H+, w poprzek błon. Obecność większej liczby jonów wodorowych na zewnątrz membrany niż wewnątrz tworzy brak równowagi pH z bardziej kwaśnym roztworem na zewnątrz membrany.

Aby zrównoważyć pH, jony wodorowe przepływają z powrotem przez błonę przez kompleks białkowy syntazy ATP, napędzając tworzenie cząsteczek ATP. Energia chemiczna pobrana z elektronów jest zamieniana na elektrochemiczną formę energii zmagazynowanej w gradiencie jonów wodorowych.

Kiedy energia elektrochemiczna jest uwalniana przez przepływ jonów wodorowych lub protonów przez kompleks syntazy ATP, zmienia się na energia biochemiczna w postaci ATP.

Reakcje ETC są bardzo wydajnym sposobem wytwarzania i przechowywania energii, która jest wykorzystywana przez komórkę w jej ruchu, reprodukcji i przetrwaniu. Kiedy jedna z serii reakcji zostaje zablokowana, ETC przestaje działać, a komórki, które na nim polegają, umierają.

Niektóre prokariota mają alternatywne sposoby wytwarzania energii, wykorzystując substancje inne niż tlen jako końcowy elektron akceptorem, ale komórki eukariotyczne zależą od fosforylacji oksydacyjnej i łańcucha transportu elektronów dla ich energii wymagania.

Substancje, które mogą hamować działanie ETC, mogą: blokować reakcje redokshamują transfer protonów lub modyfikują kluczowe enzymy. Jeśli etap redoks jest zablokowany, przenoszenie elektronów zatrzymuje się i utlenianie przebiega do wysokich poziomów na końcu tlenu, podczas gdy dalsza redukcja ma miejsce na początku łańcucha.

Kiedy protony nie mogą być przenoszone przez błony lub enzymy takie jak syntaza ATP ulegają degradacji, produkcja ATP zostaje zatrzymana.

W obu przypadkach funkcje komórki załamują się i komórka umiera.

Substancje roślinne, takie jak rotenon, związki takie jak cyjanek i antybiotyki takie jak antymycyna może być stosowany do hamowania reakcji ETC i doprowadzenia do docelowej śmierci komórek.

Na przykład rotenon jest używany jako środek owadobójczy, a antybiotyki służą do zabijania bakterii. Kiedy istnieje potrzeba kontrolowania proliferacji i wzrostu organizmów, ETC może być postrzegana jako cenny punkt ataku. Zakłócenie jej funkcji pozbawia komórkę energii potrzebnej do życia.