De flesta levande celler producerar energi från näringsämnen genom cellulär andning som innebär att syre tas upp för att frigöra energi. Elektrontransportkedjan eller ETC är det tredje och sista steget i denna process, de andra två är glykolys och den citronsyracykel.
Den producerade energin lagras i form av ATP eller adenosintrifosfat, som är en nukleotid som finns i levande organismer.
ATP-molekylerna lagrar energi i sina fosfatbindningar. ETC är det viktigaste steget i cellulär andning ur en energisynpunkt eftersom det producerar mest ATP. I en serie redoxreaktioner frigörs energi och används för att fästa en tredje fosfatgrupp till adenosindifosfat för att skapa ATP med tre fosfatgrupper.
När en cell behöver energi bryter den den tredje fosfatgruppsbindningen och använder den resulterande energin.
Vad är redoxreaktioner?
Många av de kemiska reaktionerna vid cellandning är redoxreaktioner. Detta är interaktioner mellan cellulära ämnen som involverar minskning och oxidation (eller redox) samtidigt. När elektroner överförs mellan molekyler oxideras en uppsättning kemikalier medan en annan uppsättning reduceras.
En serie redoxreaktioner utgör elektron transport kedja.
De kemikalier som oxideras är reduktionsmedel. De accepterar elektroner och reducerar de andra ämnena genom att ta deras elektroner. Dessa andra kemikalier är oxidationsmedel. De donerar elektroner och oxiderar andra parter i den kemiska reaktionen för redox.
När det sker en serie kemiska reaktioner med redox kan elektroner föras genom flera steg tills de hamnar i kombination med det slutliga reduktionsmedlet.
Var ligger elektrontransportkedjereaktionen i eukaryoter?
Cellerna i avancerade organismer eller eukaryoter har en kärna och kallas eukaryota celler. Dessa celler på högre nivå har också små membranbunden strukturer som kallas mitokondrier som producerar energi för cellen. Mitokondrier är som små fabriker som genererar energi i form av ATP-molekyler. Elektrontransportkedjereaktioner äger rum inne i mitokondrier.
Beroende på vilket arbete cellen gör kan celler ha mer eller färre mitokondrier. Muskelceller ibland har tusentals eftersom de behöver mycket energi. Växtceller har också mitokondrier; de producerar glukos via fotosyntes, och sedan används det vid cellulär andning och så småningom elektrontransportkedjan i mitokondrierna.
ETC-reaktionerna äger rum på och över mitokondriernas inre membran. En annan cellandningsprocess, citronsyracykel, äger rum inne i mitokondrierna och levererar några av de kemikalier som behövs för ETC-reaktionerna. ETC använder egenskaperna hos inre mitokondriellt membran att syntetisera ATP-molekyler.
Hur ser en mitokondrion ut?
En mitokondrion är liten och mycket mindre än en cell. För att se det ordentligt och studera dess struktur krävs ett elektronmikroskop med en förstoring av flera tusen gånger. Bilder från elektronmikroskopet visar att mitokondrion har ett slätt, långsträckt yttre membran och en kraftigt vikta inre membran.
De inre membranvikningarna är formade som fingrar och når djupt in i mitokondrionens inre. Insidan av det inre membranet innehåller en vätska som kallas matrisen, och mellan de inre och yttre membranen finns en viskös vätskefylld region som kallas intermembranutrymme.
Citronsyracykeln äger rum i matrisen och den producerar några av de föreningar som används av ETC. ETC tar elektroner från dessa föreningar och returnerar produkterna tillbaka till citronsyracykeln. Vikningarna på det inre membranet ger det en stor yta med mycket utrymme för elektrontransportkedjereaktioner.
Var sker ETC-reaktionen i prokaryoter?
De flesta enstaka cellorganismer är prokaryoter, vilket innebär att cellerna saknar en kärna. Dessa prokaryota celler har en enkel struktur med en cellvägg och cellmembran som omger cellen och styr vad som går in i och ut ur cellen. Prokaryota celler saknar mitokondrier och annat membranbundna organeller. Istället sker cellenergiproduktion i hela cellen.
Vissa prokaryota celler som gröna alger kan producera glukos från fotosyntes, medan andra intar ämnen som innehåller glukos. Glukosen används sedan som mat för cellens energiproduktion via cellandning.
Eftersom dessa celler inte har mitokondrier måste ETC-reaktionen i slutet av cellandningen äga rum på och över cellmembranen som ligger precis innanför cellväggen.
Vad händer under elektrontransportkedjan?
ETC använder elektroner med hög energi från kemikalier som produceras av citronsyracykeln och tar dem genom fyra steg till en låg energinivå. Energin från dessa kemiska reaktioner är van vid pumpprotoner över ett membran. Dessa protoner diffunderar sedan tillbaka genom membranet.
För prokaryota celler pumpas proteiner över cellmembranen som omger cellen. För eukaryota celler med mitokondrier pumpas protonerna över det inre mitokondriella membranet från matrisen till det intermembrana utrymmet.
Kemiska elektrondonatorer inkluderar NADH och FADH medan den slutliga elektronacceptorn är syre. Kemikalierna NAD och FAD ges tillbaka till citronsyracykeln medan syret kombineras med väte för att bilda vatten.
Protonerna som pumpas över membranen skapar en protongradient. Lutningen producerar en protonmotivkraft som gör att protonerna kan röra sig igenom membranen. Denna protonrörelse aktiverar ATP-syntas och skapar ATP-molekyler från ADP. Den övergripande kemiska processen kallas oxidativ fosforylering.
Vad är funktionen för de fyra komplexen i ETC?
Fyra kemiska komplex utgör elektrontransportkedjan. De har följande funktioner:
- Komplex I tar elektrondonator NADH från matrisen och skickar elektroner ner i kedjan medan den använder energin för att pumpa protoner över membranen.
- Komplex II använder FADH som elektrondonator för att leverera ytterligare elektroner till kedjan.
- Komplex III passerar elektronerna till en mellanliggande kemikalie som kallas cytokrom och pumpar fler protoner över membranen.
- Komplex IV tar emot elektronerna från cytokrom och överför dem till hälften av en syremolekyl som kombineras med två väteatomer och bildar en vattenmolekyl.
I slutet av denna process produceras protongradienten av varje komplex pumpning av protoner över membranen. Det resulterande protonmotivkraft drar protonerna genom membranen via ATP-syntasmolekylerna.
När de passerar in i den mitokondriella matrisen eller det inre av den prokaryota cellen, påverkas effekten av protoner tillåter ATP-syntasmolekylen att lägga till en fosfatgrupp till en ADP eller adenosindifosfat molekyl. ADP blir ATP eller adenosintrifosfat och energi lagras i den extra fosfatbindningen.
Varför är elektrontransportkedjan viktigt?
Var och en av de tre cellulära andningsfaserna innehåller viktiga cellprocesser, men ETC producerar överlägset mest ATP. Eftersom energiproduktion är en av nyckelfunktionerna för cellandning är ATP den viktigaste fasen ur den synvinkeln.
Där ETC producerar upp till 34 molekyler av ATP från produkterna från en glukosmolekyl producerar citronsyracykeln två och glykolys producerar fyra ATP-molekyler men förbrukar två av dem.
Den andra nyckelfunktionen för ETC är att producera NAD och FLUGA från NADH och FADH i de två första kemiska komplexen. Produkterna från reaktionerna i ETC-komplex I och komplex II är de NAD- och FAD-molekyler som krävs i citronsyracykeln.
Som ett resultat är citronsyracykeln beroende av ETC. Eftersom ETC bara kan äga rum i närvaro av syre, som fungerar som den slutliga elektronacceptorn, kan cellandningscykeln endast fungera helt när organismen tar in syre.
Hur kommer syret in i mitokondrierna?
Alla avancerade organismer behöver syre för att överleva. Vissa djur andas in syre från luften medan vattenlevande djur kan ha gälar eller absorberar syre genom deras skinn.
Hos högre djur absorberar de röda blodkropparna syre i lungor och bär det ut i kroppen. Artärer och sedan små kapillärer fördelar syret genom kroppens vävnader.
Eftersom mitokondrier använder syre för att bilda vatten, diffunderar syre ut ur de röda blodkropparna. Syremolekyler färdas över cellmembran och in i cellens inre. När befintliga syremolekyler förbrukas tar nya molekyler plats.
Så länge det finns tillräckligt med syre, kan mitokondrier leverera all energi som cellen behöver.
En kemisk översikt över cellulär andning och ETC
Glukos är en kolhydrat som, när det oxideras, producerar koldioxid och vatten. Under denna process matas elektroner in i elektrontransportkedjan.
Flödet av elektroner används av proteinkomplex i mitokondriella eller cellmembran för att transportera vätejoner, H +över membranen. Närvaron av fler vätejoner utanför ett membran än inuti skapar en pH-obalans med en surare lösning utanför membranet.
För att balansera pH, flyter vätejonerna tillbaka över membranet genom ATP-syntasproteinkomplexet, vilket driver bildandet av ATP-molekyler. Den kemiska energin som skördats från elektronerna ändras till en elektrokemisk form av energi lagrad i vätejongradienten.
När den elektrokemiska energin frigörs genom flödet av vätejoner eller protoner genom ATP-syntaskomplexet ändras den till biokemisk energi i form av ATP.
Hämma elektronkedjetransportmekanismen
ETC-reaktionerna är ett mycket effektivt sätt att producera och lagra energi för cellen att använda i dess rörelse, reproduktion och överlevnad. När en av reaktionsserierna blockeras fungerar ETC inte längre och celler som förlitar sig på den dör.
Vissa prokaryoter har alternativa sätt att producera energi genom att använda andra ämnen än syre som slutelektron acceptor, men eukaryota celler är beroende av oxidativ fosforylering och elektrontransportkedjan för sin energi behov.
Ämnen som kan hämma ETC-verkan kan blockera redoxreaktioner, hämmar protonöverföring eller modifierar nyckelenzymer. Om ett redoxsteg blockeras stannar överföringen av elektroner och oxidationen fortsätter till höga nivåer på syreänden medan ytterligare reduktion sker i början av kedjan.
När protoner inte kan överföras över membranen eller enzymer som ATP-syntas försämras, stoppas produktionen av ATP.
I båda fallen bryts cellfunktionerna ner och cellen dör.
Växtbaserade ämnen som rotenon, föreningar såsom cyanid och antibiotika som antimycin kan användas för att hämma ETC-reaktionen och åstadkomma riktad celldöd.
Till exempel används rotenon som insektsmedel och antibiotika används för att döda bakterier. När det finns ett behov av att kontrollera organismernas spridning och tillväxt kan ETC ses som en värdefull attackpunkt. Att störa dess funktion berövar cellen den energi den behöver för att leva.
