Hur ADP omvandlas till ATP under kemiosmos i mitokondrier

De ATP (adenosintrifosfat) molekyl används av levande organismer som en energikälla. Celler lagrar energi i ATP genom att lägga till en fosfatgrupp till ADP (adenosindifosfat).

Kemiosmos är den mekanism som gör att celler kan lägga till fosfatgruppen, ändra ADP till ATP och lagra energi i den extra kemiska bindningen. De övergripande processerna för glukosmetabolism och cellandningen utgör ramverket inom vilket kemiosmos kan äga rum och möjliggör omvandling av ADP till ATP.

ATP är en komplex organisk molekyl som kan lagra energi i sina fosfatbindningar. Det fungerar tillsammans med ADP för att driva många av de kemiska processerna i levande celler. När en organisk kemisk reaktion behöver energi för att komma igång, den tredje fosfatgruppen i ATP-molekyl kan initiera reaktionen genom att fästa sig vid en av reaktanterna. Den energi som frigörs kan bryta några av de befintliga bindningarna och skapa nya organiska ämnen.

Till exempel under glukosmetabolismmåste glukosmolekylerna brytas ner för att extrahera energi. Celler använder ATP-energi för att bryta befintliga glukosbindningar och skapa enklare föreningar. Ytterligare ATP-molekyler använder sin energi för att producera speciella enzymer och koldioxid.

I vissa fall fungerar ATP-fosfatgruppen som en slags bro. Det fäster sig vid en komplex organisk molekyl och enzymer eller hormoner fäster sig vid fosfatgruppen. Den energi som frigörs när ATP-fosfatbindningen bryts kan användas för att bilda nya kemiska bindningar och skapa de organiska ämnen som cellen behöver.

Cellandning är den organiska processen som driver levande celler. Näringsämnen som glukos omvandlas till energi som celler kan använda för att utföra sina aktiviteter. Stegen för cellandningen är följande:

1. Glukos i blodet diffunderar från kapillärer till celler.
2. Glukosen delas i två pyruvatmolekyler i cellcytoplasman.
3. Pyruvatmolekylerna transporteras in i cellen mitokondrier.
4. De citronsyracykel bryter ner pyruvatmolekylerna och producerar högenergimolekyler NADH och FADH₂.
5. De NADH och FADH₂molekyler driver mitokondrier elektron transport kedja.
6. De elektron transport kedjakemiosmos producerar ATP genom verkan av enzymet ATP syntas.

De flesta av de cellulära andningsstegen äger rum inuti mitokondrierna av varje cell. Mitokondrierna har ett slätt yttre membran och ett kraftigt vikat inre membran. Nyckelreaktionerna äger rum över det inre membranet och överför material och joner från matris inuti det inre membranet in i och ut ur intermembranutrymme.

Elektrontransportkedjan är det sista segmentet i en serie reaktioner som börjar med glukos och slutar med ATP, koldioxid och vatten. Under elektrontransportkedjestegen, energin från NADH och FADH₂ är van vid pumpprotoner över det inre mitokondriella membranet in i intermembranutrymmet. Protonkoncentrationen i utrymmet mellan de inre och yttre mitokondriella membranen stiger och obalansen resulterar i en elektrokemisk lutning över innermembranet.

Kemiosmos äger rum när en protonmotivkraft orsakar att protoner sprids över ett halvgenomträngligt membran. När det gäller elektrontransportkedjan resulterar den elektrokemiska gradienten över det inre mitokondriella membranet i en protonmotivkraft på protonerna i det intermembrana utrymmet. Kraften verkar för att flytta protonerna tillbaka över det inre membranet, in i den inre matrisen.

Ett enzym som kallas ATP-syntas är inbäddat i det inre mitokondriella membranet. Protonerna diffunderar genom ATP-syntaset, som använder energin från protonkraften för att lägga till en fosfatgrupp till ADP-molekyler som finns i matrisen inuti det inre membranet.

På detta sätt omvandlas ADP-molekylerna inuti mitokondrierna till ATP i slutet av elektrontransportkedjesegmentet i den cellulära andningsprocessen. ATP-molekylerna kan lämna mitokondrierna och delta i andra cellreaktioner.