สารตั้งต้นของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนคืออะไร?

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน (ETC) เป็นกระบวนการทางชีวเคมีที่ผลิตเชื้อเพลิงส่วนใหญ่ของเซลล์ในสิ่งมีชีวิตแอโรบิก สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการสร้างแรงกระตุ้นของโปรตอน (PMF) ซึ่งช่วยให้สามารถผลิต ATP ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาหลักของปฏิกิริยาในเซลล์ ETC เป็นชุดของปฏิกิริยารีดอกซ์ที่อิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนจากสารตั้งต้นไปยังโปรตีนไมโตคอนเดรีย สิ่งนี้ทำให้โปรตีนสามารถเคลื่อนโปรตอนผ่านเกรเดียนท์ทางเคมีไฟฟ้า ก่อตัวเป็น PMF

•••Photos.com/AbleStock.com/Getty Images

สารตั้งต้นทางชีวเคมีหลักของ ETC คือสารให้อิเล็กตรอนซัคซิเนตและนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ไฮเดรต (NADH) สิ่งเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยกระบวนการที่เรียกว่าวัฏจักรกรดซิตริก (CAC) ไขมันและน้ำตาลจะถูกย่อยสลายเป็นโมเลกุลที่ง่ายกว่า เช่น ไพรูเวต ซึ่งจะป้อนเข้าสู่ CAC CAC ดึงพลังงานจากโมเลกุลเหล่านี้เพื่อผลิตโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นซึ่ง ETC ต้องการ CAC ผลิตโมเลกุล NADH หกโมเลกุลและคาบเกี่ยวกันกับ ETC ที่เหมาะสมเมื่อก่อตัวเป็น succinate ซึ่งเป็นสารตั้งต้นทางชีวเคมีอื่นๆ

การรวมตัวของโมเลกุลสารตั้งต้นที่มีอิเล็กตรอนต่ำที่เรียกว่า nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) กับโปรตอนทำให้เกิด NADH NADH ถูกผลิตขึ้นภายในเมทริกซ์ของไมโตคอนเดรีย ซึ่งเป็นส่วนในสุดของไมโตคอนเดรีย โปรตีนขนส่งต่างๆ ของ ETC อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย ซึ่งล้อมรอบเมทริกซ์ NADH บริจาคอิเล็กตรอนให้กับกลุ่มโปรตีน ETC ที่เรียกว่า NADH dehydrogenases หรือที่เรียกว่า Complex I สิ่งนี้จะแบ่ง NADH กลับลงไปเป็น NAD+ และโปรตอน โดยขนส่งโปรตอนสี่ตัวออกจากเมทริกซ์ในกระบวนการ ซึ่งทำให้ PMF เพิ่มขึ้น โมเลกุลอื่นที่เรียกว่าฟลาวิน อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (FADH2) มีบทบาทคล้ายกับผู้ให้อิเล็กตรอน

โมเลกุลของซัคซิเนตผลิตโดยหนึ่งในขั้นตอนตรงกลางของ CAC และถูกย่อยสลายเป็นฟูมาเรตในเวลาต่อมาเพื่อช่วยในการสร้างตัวให้อิเล็กตรอนไดไฮโดรควิโนน (QH2) ส่วนนี้ของ CAC ทับซ้อนกับ ETC: QH2 ให้พลังงานแก่โปรตีนขนส่งที่เรียกว่า Complex III ซึ่งทำหน้าที่ขับไล่โปรตอนเพิ่มเติมออกจากเมทริกซ์ของยล เพิ่ม PMF Complex III กระตุ้นคอมเพล็กซ์เพิ่มเติมที่เรียกว่า Complex IV ซึ่งปล่อยโปรตอนออกมามากขึ้น ดังนั้น การเสื่อมสลายของซัคซิเนตเป็นฟูมาเรตส่งผลให้เกิดการขับโปรตอนจำนวนมากออกจากไมโตคอนเดรียผ่านสารเชิงซ้อนของโปรตีนสองชนิดที่มีปฏิสัมพันธ์กัน

•••รูปภาพ Justin Sullivan / Getty ภาพข่าว / Getty

เซลล์ควบคุมพลังงานผ่านชุดปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่ควบคุมได้ช้า โมเลกุลเช่นไพรูเวตและซัคซิเนตจะปล่อยพลังงานที่มีประโยชน์เมื่อถูกเผาไหม้ในที่ที่มีออกซิเจน ในที่สุดอิเล็กตรอนใน ETC จะถูกส่งผ่านไปยังออกซิเจน ซึ่งจะถูกลดสภาพเป็นน้ำ (H2O) ซึ่งดูดซับโปรตอนสี่ตัวในกระบวนการนี้ ในลักษณะนี้ ออกซิเจนทำหน้าที่เป็นทั้งผู้รับอิเล็กตรอนปลายทาง (เป็นโมเลกุลสุดท้ายที่ได้รับอิเล็กตรอน ETC) และเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญ ETC ไม่สามารถเกิดขึ้นได้หากไม่มีออกซิเจน ดังนั้นเซลล์ที่ขาดออกซิเจนจึงหันไปใช้การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่ไม่มีประสิทธิภาพสูง

เป้าหมายสูงสุดของ ETC คือการผลิตโมเลกุลพลังงานสูง อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) เพื่อเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมี สารตั้งต้นของ ATP, อะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) และอนินทรีย์ฟอสเฟต (Pi) ถูกนำเข้ามาอย่างง่ายดายในเมทริกซ์ยล ต้องใช้ปฏิกิริยาพลังงานสูงในการจับ ADP และ Pi เข้าด้วยกัน ซึ่งเป็นที่ที่ PMF ทำงาน โดยการปล่อยให้โปรตอนกลับเข้าสู่เมทริกซ์ พลังงานทำงานจะถูกผลิตขึ้น บังคับให้เกิด ATP จากสารตั้งต้น คาดว่าไฮโดรเจน 3.5 จะต้องเข้าสู่เมทริกซ์เพื่อสร้างโมเลกุล ATP แต่ละโมเลกุล