Väčšina živých buniek produkuje energiu z živín prostredníctvom bunkového dýchania, ktoré spočíva v absorpcii kyslíka na uvoľnenie energie. Reťazec transportu elektrónov alebo ETC je treťou a poslednou fázou tohto procesu, ďalšie dve sú glykolýza a cyklus kyseliny citrónovej.
Vyrobená energia sa ukladá vo forme ATP alebo adenozíntrifosfát, čo je nukleotid nachádzajúci sa v živých organizmoch.
Molekuly ATP ukladajú energiu do svojich fosfátové väzby. ETC je najdôležitejšou fázou bunkového dýchania z energetického hľadiska, pretože produkuje najviac ATP. V sérii redoxných reakcií sa uvoľní energia a použije sa na pripojenie tretej fosfátovej skupiny k adenozíndifosfátu, čím sa vytvorí ATP s tromi fosfátovými skupinami.
Keď bunka potrebuje energiu, rozbije väzbu tretej fosfátovej skupiny a výslednú energiu použije.
Čo sú redoxné reakcie?
Mnohé z chemických reakcií bunkového dýchania sú redoxné reakcie. Jedná sa o interakcie medzi bunkovými látkami, ktoré zahŕňajú zníženie a oxidácia (alebo redox) súčasne. Keď sa elektróny prenášajú medzi molekulami, jedna skupina chemikálií sa oxiduje, zatiaľ čo iná sada sa redukuje.
Séria redoxných reakcií tvorí reťazec transportu elektrónov.
Chemikálie, ktoré sú oxidované, sú redukčné činidlá. Prijímajú elektróny a redukciou ostatných látok ich elektrónmi. Tieto ďalšie chemikálie sú oxidačné činidlá. Darujú elektróny a oxidujú ostatné strany v redoxnej chemickej reakcii.
Ak prebieha rad redoxných chemických reakcií, elektróny môžu prechádzať viacerými stupňami, až kým sa neskombinujú s konečným redukčným činidlom.
Kde sa nachádza reakcia elektrónového transportného reťazca v eukaryotoch?
Bunky pokročilých organizmov alebo eukaryotov majú a jadro a sú volaní eukaryotické bunky. Tieto bunky na vyššej úrovni majú tiež malé viazané na membránu štruktúry nazývané mitochondrie, ktoré produkujú energiu pre bunku. Mitochondrie sú ako malé továrne, ktoré generujú energiu vo forme molekúl ATP. Reakcie reťazca elektrónov prebiehajú vo vnútri bunky mitochondrie.
V závislosti od práce, ktorú bunka vykonáva, môžu mať bunky viac alebo menej mitochondrií. Svalové bunky niekedy majú tisíce, pretože potrebujú veľa energie. Rastlinné bunky majú tiež mitochondrie; produkujú glukózu fotosyntézou a potom sa používajú na bunkové dýchanie a nakoniec na transportný reťazec elektrónov v mitochondriách.
ETC reakcie prebiehajú na vnútornej membráne mitochondrií a cez ňu. Ďalším procesom dýchania buniek je cyklus kyseliny citrónovej, prebieha vnútri mitochondrií a dodáva niektoré z chemikálií potrebných pri reakciách ETC. ETC využíva vlastnosti vnútorná mitochondriálna membrána syntetizovať Molekuly ATP.
Ako vyzerá mitochondria?
Mitochondria je malá a oveľa menšia ako bunka. Aby ste ho správne videli a študovali jeho štruktúru, je potrebný elektrónový mikroskop so niekoľkonásobným zväčšením. Obrázky z elektrónového mikroskopu ukazujú, že mitochondria má hladkú predĺženú vonkajšiu membránu a silno poskladaný vnútorná membrána.
Záhyby vnútornej membrány majú tvar prstov a siahajú hlboko do vnútra mitochondrie. Vnútro vnútornej membrány obsahuje tekutinu nazývanú matrica a medzi vnútornou a vonkajšou membránou sa nachádza oblasť viskóznej kvapaliny nazývaná medzimembránový priestor.
Cyklus kyseliny citrónovej prebieha v matrici a produkuje niektoré zo zlúčenín používaných ETC. ETC odoberá elektróny z týchto zlúčenín a vracia produkty späť do cyklu kyseliny citrónovej. Záhyby vnútornej membrány jej poskytujú veľkú plochu s veľkým priestorom pre reťazové reakcie transportu elektrónov.
Kde prebieha reakcia ETC u prokaryot?
Väčšina jednobunkových organizmov sú prokaryoty, čo znamená, že bunkám chýba jadro. Tieto prokaryotické bunky majú jednoduchú štruktúru s bunkovou stenou a bunkovými membránami, ktoré obklopujú bunku a riadia, čo do bunky vstupuje a vystupuje z nej. Prokaryotické bunky nedostatok mitochondrií a iné membránovo viazané organely. Namiesto toho bunková výroba energie prebieha v celej bunke.
Niektoré prokaryotické bunky, ako napríklad zelené riasy, môžu produkovať glukózu z fotosyntéza, zatiaľ čo iné prijímajú látky, ktoré obsahujú glukózu. Glukóza sa potom používa ako potravina na výrobu energie buniek bunkovým dýchaním.
Pretože tieto bunky nemajú mitochondrie, musí ETC reakcia na konci bunkového dýchania prebiehať na bunkových membránach nachádzajúcich sa priamo vo vnútri bunkovej steny.
Čo sa stane počas reťazca transportu elektrónov?
ETC využíva elektróny s vysokou energiou z chemikálií produkovaných cyklom kyseliny citrónovej a vedie ich štyrmi krokmi k nízkej energetickej hladine. Energia z týchto chemických reakcií je zvyknutá na pumpovať protóny cez membránu. Tieto protóny potom difundujú späť cez membránu.
V prípade prokaryotických buniek sa proteíny pumpujú cez bunkové membrány obklopujúce bunku. Pre eukaryotické bunky s mitochondriami sú protóny čerpané cez vnútornú mitochondriálnu membránu z matrice do medzimembránového priestoru.
Medzi donorov chemických elektrónov patria NADH a FADH zatiaľ čo konečným akceptorom elektrónov je kyslík. Chemikálie NAD a FAD sa vracajú späť do cyklu kyseliny citrónovej, zatiaľ čo kyslík sa spája s vodíkom a vytvára vodu.
Protóny napumpované cez membrány vytvárajú a protónový gradient. Gradient vytvára protónovo-hybnú silu, ktorá umožňuje protónom pohybovať sa späť cez membrány. Tento pohyb protónov aktivuje ATP syntázu a vytvára z nej molekuly ATP ADP. Celkový chemický proces sa nazýva Oxidačná fosforylácia.
Aká je funkcia štyroch komplexov ETC?
Štyri chemické komplexy tvoria reťazec transportu elektrónov. Majú nasledujúce funkcie:
- Komplex I odoberá z matrice donor elektrónov NADH a posiela elektróny dole z reťazca, pričom využíva energiu na pumpovanie protónov cez membrány.
- Komplex II používa FADH ako donor elektrónov na dodávanie ďalších elektrónov do reťazca.
- Komplex III prechádza elektróny na medziprodukt chemickú látku zvanú cytochróm a pumpuje viac protónov cez membrány.
- Komplex IV prijíma elektróny z cytochrómu a prenáša ich na polovicu molekuly kyslíka, ktorá sa spája s dvoma atómami vodíka a vytvára molekulu vody.
Na konci tohto procesu je protónový gradient produkovaný každým komplexom čerpajúcim protóny cez membrány. Výsledný protónovo-hybná sila priťahuje protóny cez membrány cez molekuly ATP syntázy.
Pri prechode do mitochondriálnej matrice alebo do vnútra prokaryotickej bunky pôsobenie protóny umožňujú molekule ATP syntázy pridať fosfátovú skupinu k ADP alebo adenozíndifosfátu molekula. Z ADP sa stáva ATP alebo adenozíntrifosfát a energia sa ukladá v extra fosfátovej väzbe.
Prečo je elektrónový transportný reťazec dôležitý?
Každá z troch bunkových dýchacích fáz obsahuje dôležité bunkové procesy, ale ETC produkuje zďaleka najviac ATP. Pretože výroba energie je jednou z kľúčových funkcií dýchania buniek, z tohto hľadiska je najdôležitejšou fázou ATP.
Ak ETC vyrába až 34 molekúl ATP z produktov jednej molekuly glukózy produkuje cyklus kyseliny citrónovej dve a glykolýza produkuje štyri molekuly ATP, ale dve z nich spotrebuje.
Druhou kľúčovou funkciou ETC je vyrábať NAD a FAD z NADH a FADH v prvých dvoch chemických komplexoch. Produktmi reakcií v ETC komplexe I a komplexe II sú molekuly NAD a FAD, ktoré sú potrebné v cykle kyseliny citrónovej.
Vo výsledku je cyklus kyseliny citrónovej závislý od ETC. Pretože ETC môže prebiehať iba za prítomnosti kyslíka, ktorý slúži ako konečný akceptor elektrónov, cyklus dýchania buniek môže plne fungovať, až keď organizmus prijíma kyslík.
Ako sa kyslík dostane do mitochondrií?
Všetky vyspelé organizmy potrebujú na prežitie kyslík. Niektoré zvieratá dýchajú kyslík zo vzduchu, zatiaľ čo vodné živočíchy môžu mať žiabre alebo absorbovať kyslík cez ich kože.
U vyšších zvierat červené krvinky absorbujú kyslík v pľúca a vyniesť ho do tela. Tepny a potom drobné vlásočnice distribuujú kyslík do tkanív tela.
Keď mitochondrie spotrebujú kyslík na tvorbu vody, kyslík difunduje z červených krviniek. Molekuly kyslíka cestujú cez bunkové membrány a do vnútra bunky. Keď sa existujúce molekuly kyslíka vyčerpajú, nahradia ich nové molekuly.
Pokiaľ je prítomné dostatok kyslíka, mitochondrie môžu dodávať všetku energiu, ktorú bunka potrebuje.
Chemický prehľad bunkového dýchania a ETC
Glukóza je a uhľohydrát že pri oxidácii produkuje oxid uhličitý a vodu. Počas tohto procesu sa elektróny privádzajú do transportného reťazca elektrónov.
Tok elektrónov využívajú proteínové komplexy v mitochondriálnych alebo bunkových membránach na transport vodíkových iónov, H +cez membrány. Prítomnosť viac vodíkových iónov mimo membrány ako vo vnútri vytvára a nerovnováha pH s kyslejším roztokom mimo membránu.
Na vyrovnanie pH vodíkové ióny prúdia späť cez membránu cez proteínový komplex ATP syntázy a riadia tvorbu molekúl ATP. Chemická energia zozbieraná z elektrónov sa zmení na elektrochemickú formu energie uloženej v gradiente vodíkových iónov.
Keď sa elektrochemická energia uvoľní prietokom vodíkových iónov alebo protónov cez komplex ATP syntázy, zmení sa na biochemická energia vo forme ATP.
Inhibícia mechanizmu transportu elektrónových reťazcov
Reakcie ETC sú vysoko efektívnym spôsobom na výrobu a ukladanie energie, ktorú bunka môže použiť na svoj pohyb, reprodukciu a prežitie. Keď je jedna zo série reakcií blokovaná, ETC už nefunguje a bunky, ktoré sa na ňu spoliehajú, zomierajú.
Niektoré prokaryoty majú alternatívny spôsob výroby energie pomocou iných látok ako kyslíka ako konečného elektrónu akceptor, ale eukaryotické bunky závisia od svojej energie od oxidatívnej fosforylácie a od elektrónového transportného reťazca potreby.
Látky, ktoré môžu inhibovať pôsobenie ETC, môžu blokovať redoxné reakcie, inhibujú prenos protónov alebo modifikujú kľúčové enzýmy. Ak je redoxný krok blokovaný, prestane sa prenos elektrónov a oxidácia pokračuje na vysokej úrovni na konci kyslíka, zatiaľ čo k ďalšej redukcii dochádza na začiatku reťazca.
Keď sa protóny nedokážu preniesť cez membrány alebo sa degradujú enzýmy, ako je ATP syntáza, produkcia ATP sa zastaví.
V obidvoch prípadoch sa bunkové funkcie rozpadnú a bunka zomrie.
Rastlinné látky ako napr rotenón, zlúčeniny ako napr kyanid a antibiotiká ako napr antimycín môžu byť použité na inhibíciu ETC reakcie a na dosiahnutie cielenej bunkovej smrti.
Napríklad rotenón sa používa ako insekticíd a antibiotiká sa používajú na ničenie baktérií. Ak je potrebné kontrolovať množenie a rast organizmu, môže sa ETC považovať za cenný bod útoku. Narušenie jej funkcie pripravuje bunku o energiu potrebnú pre život.
