Цепь переноса электронов (ETC) - это биохимический процесс, который производит большую часть топлива клетки в аэробных организмах. Это включает накопление протонной движущей силы (PMF), которая позволяет производить АТФ, главный катализатор клеточных реакций. ETC - это серия окислительно-восстановительных реакций, в которых электроны передаются от реагентов к митохондриальным белкам. Это дает белкам возможность перемещать протоны через электрохимический градиент, образуя PMF.
Цикл лимонной кислоты поступает в ETC
•••Photos.com/AbleStock.com/Getty Images
Основными биохимическими реагентами ETC являются доноры электронов сукцинат и никотинамидадениндинуклеотидгидрат (НАДН). Они генерируются процессом, называемым циклом лимонной кислоты (CAC). Жиры и сахара расщепляются на более простые молекулы, такие как пируват, которые затем попадают в САС. CAC отбирает энергию у этих молекул для производства электронно-плотных молекул, необходимых ETC. CAC производит шесть молекул NADH и перекрывается собственно ETC, когда образует сукцинат, другой биохимический реагент.
НАДН и ФАДН2
Слияние молекулы-предшественника с низким содержанием электронов, называемой никотинамидадениндинуклеотидом (НАД +), с протоном образует НАДН. НАДН вырабатывается в митохондриальном матриксе, самой внутренней части митохондрии. Различные транспортные белки ETC расположены на внутренней мембране митохондрий, окружающей матрикс. NADH отдает электроны классу белков ETC, называемых NADH-дегидрогеназами, также известным как Комплекс I. Это расщепляет NADH обратно на NAD + и протон, перенося четыре протона из матрицы в процессе, увеличивая PMF. Другая молекула, называемая флавинадениндинуклеотидом (FADH2), играет аналогичную роль донора электронов.
Сукцинат и QH2
Молекула сукцината производится на одной из средних стадий CAC и впоследствии разлагается до фумарата, помогая образовывать донор электронов дигидрохинона (QH2). Эта часть CAC перекрывается с ETC: QH2 питает транспортный белок под названием Complex III, который действует, чтобы изгнать дополнительные протоны из митохондриального матрикса, увеличивая PMF. Комплекс III активирует дополнительный комплекс под названием Комплекс IV, который высвобождает еще больше протонов. Таким образом, разложение сукцината до фумарата приводит к изгнанию множества протонов из митохондрии через два взаимодействующих белковых комплекса.
Кислород
•••Джастин Салливан / Getty Images News / Getty Images
Клетки используют энергию посредством серии медленных, контролируемых реакций горения. Такие молекулы, как пируват и сукцинат, выделяют полезную энергию при сгорании в присутствии кислорода. Электроны в ETC в конечном итоге передаются кислороду, который восстанавливается до воды (H2O), поглощая при этом четыре протона. Таким образом, кислород действует как конечный получатель электронов (это последняя молекула, которая получает электроны ETC) и как важный реагент. ETC не может произойти в отсутствие кислорода, поэтому клетки с кислородным голоданием прибегают к крайне неэффективному анаэробному дыханию.
ADP и Pi
Конечная цель ETC - производство высокоэнергетической молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) для катализа биохимических реакций. Предшественники АТФ, аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (Pi) легко импортируются в матрикс митохондрий. Чтобы связать ADP и Pi вместе, требуется высокоэнергетическая реакция, и именно здесь PMF действительно работает. Позволяя протонам вернуться в матрицу, вырабатывается рабочая энергия, вызывающая образование АТФ из его предшественников. Подсчитано, что 3,5 атома водорода должны войти в матрицу для образования каждой молекулы АТФ.