Večina živih celic proizvaja energijo iz hranil s pomočjo celičnega dihanja, ki vključuje porabo kisika za sproščanje energije. Veriga prenosa elektronov ali ETC je tretja in zadnja faza tega procesa, drugi dve pa glikoliza in cikel citronske kisline.
Proizvedena energija je shranjena v obliki ATP ali adenozin trifosfat, ki je nukleotid, ki ga najdemo v živih organizmih.
Molekule ATP shranjujejo energijo v svojih fosfatne vezi. ETC je z energetskega vidika najpomembnejša stopnja celičnega dihanja, saj proizvaja največ ATP. V seriji redoks reakcij se energija sprosti in uporablja za vezavo tretje fosfatne skupine na adenozin difosfat, da se ustvari ATP s tremi fosfatnimi skupinami.
Ko celica potrebuje energijo, pretrga vez tretje fosfatne skupine in porabi nastalo energijo.
Kaj so Redox reakcije?
Številne kemijske reakcije celičnega dihanja so redoks reakcije. To so interakcije med celičnimi snovmi, ki vključujejo zmanjšanje in oksidacija (ali redoks) hkrati. Ko se elektroni prenašajo med molekulami, se en sklop kemikalij oksidira, drugi sklop pa zmanjša.
Niz redoks reakcij sestavlja elektronska transportna veriga.
Kemikalije, ki so oksidirane, so reduktorji. Sprejemajo elektrone in z jemanjem njihovih elektronov zmanjšujejo druge snovi. Te druge kemikalije so oksidanti. Dajejo elektrone in oksidirajo druge strani v redoks kemični reakciji.
Ko poteka vrsta redoks kemijskih reakcij, se elektroni lahko prenašajo skozi več stopenj, dokler se na koncu ne kombinirajo s končnim reducentom.
Kje se nahaja veriga elektronske transportne reakcije v evkariontih?
Celice naprednih organizmov ali evkariontov imajo a jedro in se imenujejo evkariontske celice. Te celice višje ravni imajo tudi majhne z membrano vezan strukture, imenovane mitohondriji, ki proizvajajo energijo za celico. Mitohondriji so kot majhne tovarne, ki proizvajajo energijo v obliki molekul ATP. Verižne reakcije prenosa elektronov potekajo znotraj mitohondrije.
Odvisno od dela, ki ga opravlja celica, imajo lahko celice več ali manj mitohondrijev. Mišične celice včasih jih imajo na tisoče, ker potrebujejo veliko energije. Rastlinske celice imajo tudi mitohondrije; s pomočjo fotosinteze proizvajajo glukozo, ki se nato uporablja v celičnem dihanju in sčasoma v verigi prenosa elektronov v mitohondrijih.
ETC reakcije potekajo na notranji membrani mitohondrije in čez njo. Drug proces dihanja celic, cikel citronske kisline, poteka znotraj mitohondrijev in dovaja nekatere kemikalije, potrebne za reakcije ETC. ETC uporablja značilnosti notranja mitohondrijska membrana sintetizirati Molekule ATP.
Kako je videti mitohondrija?
Mitohondrija je majhna in veliko manjša od celice. Da bi ga pravilno videli in preučili njegovo zgradbo, je potreben elektronski mikroskop z več tisočkratno povečavo. Slike z elektronskim mikroskopom kažejo, da ima mitohondrija gladko, podolgovato zunanjo membrano in a močno zloženi notranja membrana.
Notranje membranske gube so oblikovane kot prsti in segajo globoko v notranjost mitohondrije. Notranjost notranje membrane vsebuje tekočino, imenovano matriks, med notranjo in zunanjo membrano pa je viskozno območje, napolnjeno s tekočino, imenovano medmembranski prostor.
V matriksu poteka cikel citronske kisline, ki tvori nekatere spojine, ki jih uporablja ETC. ETC vzame elektrone iz teh spojin in izdelke vrne nazaj v ciklus citronske kisline. Gube notranje membrane ji dajo veliko površino z veliko prostora za verižne reakcije prenosa elektronov.
Kje poteka ETC reakcija pri prokariontih?
Večina enoceličnih organizmov je prokariontov, kar pomeni, da celicam primanjkuje jedra. Te prokariontske celice imajo preprosto strukturo s celično steno in celičnimi membranami, ki obkrožajo celico in nadzorujejo, kaj gre v celico in iz nje. Prokariontske celice pomanjkanje mitohondrijev in drugih z membrano vezane organele. Namesto tega v celotni celici poteka proizvodnja celic.
Nekatere prokariontske celice, kot so zelene alge, lahko proizvajajo glukozo fotosinteza, medtem ko drugi zaužijejo snovi, ki vsebujejo glukozo. Nato se glukoza uporablja kot hrana za proizvodnjo energije celic s celičnim dihanjem.
Ker te celice nimajo mitohondrijev, mora ETC reakcija na koncu celičnega dihanja potekati na in čez celične membrane, ki se nahajajo tik znotraj celične stene.
Kaj se zgodi med verigo prenosa elektronov?
ETC uporablja visokoenergijske elektrone iz kemikalij, proizvedenih v ciklusu citronske kisline, in jih skozi štiri korake popelje na nizko raven energije. Energija teh kemičnih reakcij je navajena protoni črpalke čez membrano. Ti protoni nato difundirajo nazaj skozi membrano.
Za prokariontske celice se beljakovine črpajo skozi celične membrane, ki obkrožajo celico. Za evkariontske celice z mitohondriji se protoni črpajo skozi notranjo mitohondrijsko membrano iz matriksa v medmembranski prostor.
Kemični darovalci elektronov vključujejo NADH in FADH medtem ko je končni akceptor elektronov kisik. Kemikalije NAD in FAD se vrnejo v cikel citronske kisline, medtem ko se kisik združuje z vodikom in tvori vodo.
Protoni, prečrpani čez membrane, ustvarjajo a protonski gradient. Gradient proizvaja proton-gibalno silo, ki protonom omogoča, da se skozi membrane vrnejo nazaj. To protonsko gibanje aktivira ATP sintazo in iz nje ustvarja molekule ATP ADP. Imenuje se celoten kemični postopek oksidativna fosforilacija.
Kakšna je funkcija štirih kompleksov ETC?
Štirje kemični kompleksi tvorijo verigo prenosa elektronov. Imajo naslednje funkcije:
- Kompleks I vzame darovalca elektronov NADH iz matrike in pošlje elektrone po verigi, medtem ko porablja energijo za črpanje protonov čez membrane.
- Kompleks II uporablja FADH kot dajalca elektronov za dovajanje dodatnih elektronov v verigo.
- Kompleks III prenaša elektrone v vmesno kemikalijo, imenovano citokrom, in črpa več protonov čez membrane.
- Kompleks IV sprejema elektrone iz citokroma in jih prenaša na polovico molekule kisika, ki se združi z dvema atomoma vodika in tvori molekulo vode.
Na koncu tega postopka vsak kompleksni protoni črpajo membrane preko membranskega gradienta. Posledično protonsko-gibalna sila črpa protone skozi membrane preko molekul ATP sintaze.
Ko prehajajo v mitohondrijski matriks ali notranjost prokariontske celice, delovanje celice protoni molekuli ATP sintaze doda fosfatno skupino v ADP ali adenozin difosfat molekula. ADP postane ATP ali adenozin trifosfat, energija pa se shrani v dodatni fosfatni vezi.
Zakaj je pomembna elektronska transportna veriga?
Vsaka od treh faz celičnega dihanja vključuje pomembne celične procese, toda ETC proizvaja daleč največ ATP. Ker je proizvodnja energije ena ključnih funkcij celičnega dihanja, je ATP s tega vidika najpomembnejša faza.
Kjer ETC proizvaja do 34 molekul ATP iz produktov ene molekule glukoze cikel citronske kisline proizvede dve, glikoliza pa štiri molekule ATP, porabi pa dve.
Druga ključna funkcija ETC je ustvarjanje NAD in FAD iz NADH in FADH v prvih dveh kemijskih kompleksih. Produkti reakcij v ETC kompleksu I in kompleksu II so molekuli NAD in FAD, ki sta potrebni v ciklusu citronske kisline.
Posledično je cikel citronske kisline odvisen od ETC. Ker lahko ETC poteka le v prisotnosti kisika, ki deluje kot končni akceptor elektronov, lahko celični dihalni cikel deluje v celoti šele, ko organizem sprejme kisik.
Kako kisik pride v mitohondrije?
Vsi napredni organizmi za preživetje potrebujejo kisik. Nekatere živali dihajo kisik iz zraka, medtem ko jih imajo vodne živali škrge ali absorbirajo kisik skozi njihovo kože.
Pri višjih živalih rdeče krvne celice absorbirajo kisik v pljuča in jo prenesejo v telo. Arterije in nato drobne kapilare porazdelijo kisik po telesnih tkivih.
Ko mitohondriji porabljajo kisik za tvorjenje vode, kisik difundira iz rdečih krvnih celic. Molekule kisika potujejo čez celične membrane in v notranjost celice. Ko se obstoječe molekule kisika porabijo, na njihovo mesto stopijo nove.
Dokler je prisotnega dovolj kisika, lahko mitohondriji dovajajo vso energijo, ki jo celica potrebuje.
Kemični pregled celičnega dihanja in ETC
Glukoza je ogljikovi hidrati ki pri oksidaciji tvori ogljikov dioksid in vodo. Med tem postopkom se elektroni dovajajo v verigo prenosa elektronov.
Pretok elektronov uporabljajo beljakovinski kompleksi v mitohondrijskih ali celičnih membranah za transport vodikovih ionov, H +, čez membrane. Prisotnost več vodikovih ionov zunaj membrane kot znotraj ustvarja a neravnovesje pH z bolj kislo raztopino zunaj membrane.
Za uravnoteženje pH vodikovi ioni prehajajo nazaj skozi membrano skozi beljakovinski kompleks ATP sintaze, kar spodbuja tvorbo molekul ATP. Kemična energija, pridobljena iz elektronov, se spremeni v elektrokemično obliko energije, shranjene v gradientu vodikovih ionov.
Ko se elektrokemijska energija sprosti skozi pretok vodikovih ionov ali protonov skozi kompleks ATP sintaze, se spremeni v biokemična energija v obliki ATP.
Zaviranje mehanizma za prenos verige elektronov
ETC reakcije so zelo učinkovit način za proizvodnjo in shranjevanje energije, ki jo celica lahko uporabi pri svojem gibanju, razmnoževanju in preživetju. Ko je ena od serij reakcij blokirana, ETC ne deluje več in celice, ki se nanj zanesejo, odmrejo.
Nekateri prokarionti imajo nadomestne načine pridobivanja energije z uporabo snovi, ki niso kisik kot končni elektron akceptor, vendar so evkariontske celice za svojo energijo odvisne od oksidativne fosforilacije in verige prenosa elektronov potrebe.
Snovi, ki lahko zavirajo delovanje ETC, lahko blokiraj redoks reakcije, zavirajo prenos protona ali spreminjajo ključne encime. Če je redoks-korak blokiran, se prenos elektronov ustavi in oksidacija nadaljuje na visoki ravni na koncu kisika, medtem ko na začetku verige poteka nadaljnje zmanjšanje.
Ko protonov ni mogoče prenesti skozi membrane ali se encimi, kot je ATP sintaza, razgradijo, se proizvodnja ATP ustavi.
V obeh primerih se funkcije celic razgradijo in celica umre.
Rastlinske snovi, kot so rotenon, spojine, kot so cianid in antibiotiki, kot so antimicin se lahko uporablja za zaviranje reakcije ETC in povzroči ciljno smrt celic.
Na primer, rotenon se uporablja kot insekticid, antibiotiki pa za ubijanje bakterij. Kadar je treba nadzorovati razmnoževanje in rast organizmov, lahko ETC vidimo kot dragoceno točko napada. Motenje njene funkcije odvzame celici energijo, ki jo potrebuje za življenje.