เซลล์ที่มีชีวิตส่วนใหญ่ผลิตพลังงานจากสารอาหารผ่านการหายใจระดับเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการใช้ออกซิเจนเพื่อปลดปล่อยพลังงาน ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนหรือ ETC เป็นขั้นตอนที่สามและขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการนี้ อีกสองขั้นตอนคือ ไกลโคไลซิส และ วงจรกรดซิตริก.
พลังงานที่ผลิตได้จะถูกเก็บในรูปของ ATP หรืออะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต ซึ่งเป็นนิวคลีโอไทด์ที่พบได้ทั่วไปในสิ่งมีชีวิต
โมเลกุล ATP เก็บพลังงานไว้ใน พันธะฟอสเฟต. ETC เป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดของการหายใจระดับเซลล์จากมุมมองของพลังงาน เพราะจะสร้าง ATP ได้มากที่สุด ในชุดของปฏิกิริยารีดอกซ์ พลังงานจะถูกปลดปล่อยและใช้เพื่อยึดกลุ่มฟอสเฟตที่สามเข้ากับอะดีโนซีนไดฟอสเฟตเพื่อสร้าง ATP ที่มีกลุ่มฟอสเฟตสามกลุ่ม
เมื่อเซลล์ต้องการพลังงาน มันจะทำลายพันธะกลุ่มฟอสเฟตที่สามและใช้พลังงานที่ได้
ปฏิกิริยารีดอกซ์คืออะไร?
ปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างของการหายใจของเซลล์คือปฏิกิริยารีดอกซ์ สิ่งเหล่านี้คือปฏิกิริยาระหว่างสารในเซลล์ที่เกี่ยวข้อง ลด และ ออกซิเดชัน (หรือรีดอกซ์) ในเวลาเดียวกัน เมื่ออิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนระหว่างโมเลกุล สารเคมีชุดหนึ่งจะถูกออกซิไดซ์ในขณะที่อีกชุดหนึ่งลดลง
ชุดของปฏิกิริยารีดอกซ์ประกอบขึ้นเป็น ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน.
สารเคมีที่ถูกออกซิไดซ์คือตัวรีดิวซ์ พวกเขารับอิเล็กตรอนและลดสารอื่น ๆ โดยการรับอิเล็กตรอน สารเคมีอื่นๆ เหล่านี้เป็นสารออกซิไดซ์ พวกเขาบริจาคอิเล็กตรอนและออกซิไดซ์อีกฝ่ายในปฏิกิริยาเคมีรีดอกซ์
เมื่อมีปฏิกิริยาเคมีรีดอกซ์เกิดขึ้นหลายครั้ง อิเล็กตรอนสามารถส่งผ่านหลายขั้นตอนได้จนกว่าจะรวมเข้ากับตัวรีดิวซ์สุดท้าย
ปฏิกิริยาลูกโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหนในยูคาริโอต?
เซลล์ของสิ่งมีชีวิตขั้นสูงหรือยูคาริโอตมี นิวเคลียส และถูกเรียกว่า เซลล์ยูคาริโอต. เซลล์ระดับสูงเหล่านี้ยังมีเซลล์ขนาดเล็ก เยื่อหุ้มเซลล์ โครงสร้างที่เรียกว่าไมโตคอนเดรียที่ผลิตพลังงานให้กับเซลล์ ไมโตคอนเดรียเปรียบเสมือนโรงงานขนาดเล็กที่สร้างพลังงานในรูปของโมเลกุลเอทีพี ปฏิกิริยาลูกโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนเกิดขึ้นภายใน ไมโตคอนเดรีย.
เซลล์อาจมีไมโตคอนเดรียมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับงานที่เซลล์ทำ เซลล์กล้ามเนื้อ บางครั้งมีหลายพันเพราะต้องการพลังงานมาก เซลล์พืชมีไมโตคอนเดรียเช่นกัน พวกมันผลิตกลูโคสผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง แล้วใช้ในการหายใจระดับเซลล์ และในที่สุด ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในไมโตคอนเดรีย
ปฏิกิริยา ETC เกิดขึ้นบนและข้ามเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย กระบวนการหายใจอีกเซลล์หนึ่งคือ วงจรกรดซิตริกเกิดขึ้นภายในไมโตคอนเดรียและส่งมอบสารเคมีบางอย่างที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา ETC ETC ใช้ลักษณะของ of เยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน สังเคราะห์ โมเลกุลเอทีพี.
Mitochondrion มีลักษณะอย่างไร?
ไมโทคอนเดรียนมีขนาดเล็กและเล็กกว่าเซลล์มาก หากต้องการดูอย่างถูกต้องและศึกษาโครงสร้างของมัน จำเป็นต้องใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีกำลังขยายหลายพันเท่า ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงให้เห็นว่าไมโทคอนเดรียมีเยื่อหุ้มชั้นนอกที่เรียบและยาวและ a พับเพียบ เมมเบรนภายใน
การพับของเยื่อหุ้มชั้นในนั้นมีรูปร่างเหมือนนิ้วมือและเข้าถึงส่วนลึกของไมโตคอนเดรียนได้ ภายในเยื่อหุ้มชั้นในประกอบด้วยของเหลวที่เรียกว่าเมทริกซ์ และระหว่างเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอกเป็นบริเวณที่เต็มไปด้วยของเหลวหนืดเรียกว่า ช่องว่างระหว่างเยื่อ.
วัฏจักรกรดซิตริกเกิดขึ้นในเมทริกซ์ และผลิตสารประกอบบางชนิดที่ใช้โดย ETC ETC นำอิเล็กตรอนจากสารประกอบเหล่านี้และส่งคืนผลิตภัณฑ์กลับไปสู่วัฏจักรกรดซิตริก การพับของเยื่อหุ้มชั้นในทำให้มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และมีพื้นที่มากมายสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน
ปฏิกิริยา ETC เกิดขึ้นที่ไหนในโปรคาริโอต?
สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวส่วนใหญ่เป็นโปรคาริโอต ซึ่งหมายความว่าเซลล์ไม่มีนิวเคลียส เซลล์โปรคาริโอตเหล่านี้มีโครงสร้างที่เรียบง่ายโดยมีผนังเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์ล้อมรอบเซลล์และควบคุมสิ่งที่เข้าและออกจากเซลล์ เซลล์โปรคาริโอต ขาดไมโตคอนเดรียและอื่น ๆ ออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรน. แต่การผลิตพลังงานของเซลล์จะเกิดขึ้นทั่วทั้งเซลล์
เซลล์โปรคาริโอตบางชนิด เช่น สาหร่ายสีเขียว สามารถผลิตกลูโคสจาก การสังเคราะห์แสงในขณะที่สารอื่นๆ กลืนกินสารที่มีกลูโคส กลูโคสจะถูกใช้เป็นอาหารสำหรับการผลิตพลังงานของเซลล์ผ่านการหายใจของเซลล์
เนื่องจากเซลล์เหล่านี้ไม่มีไมโตคอนเดรีย ปฏิกิริยา ETC ที่ส่วนท้ายของการหายใจของเซลล์จึงต้องเกิดขึ้นบนและข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่อยู่ด้านในผนังเซลล์
เกิดอะไรขึ้นระหว่างห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน?
ETC ใช้อิเลคตรอนพลังงานสูงจากสารเคมีที่ผลิตโดยวัฏจักรกรดซิตริก และนำพวกมันผ่านสี่ขั้นตอนไปสู่ระดับพลังงานต่ำ พลังงานจากปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้ถูกใช้เพื่อ โปรตอนปั๊ม ข้ามเมมเบรน โปรตอนเหล่านี้จะกระจายกลับผ่านเมมเบรน
สำหรับเซลล์โปรคาริโอต โปรตีนจะถูกสูบผ่านเยื่อหุ้มเซลล์รอบ ๆ เซลล์ สำหรับเซลล์ยูคาริโอตที่มีไมโตคอนเดรีย โปรตอนจะถูกสูบผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นในจากเมทริกซ์ไปยังช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์
ผู้บริจาคอิเลคตรอนเคมี ได้แก่ NADH และ FADH ในขณะที่ตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายคือออกซิเจน สารเคมี NAD และ FAD จะถูกส่งกลับไปยังวัฏจักรกรดซิตริก ในขณะที่ออกซิเจนจะรวมตัวกับไฮโดรเจนเพื่อสร้างน้ำ
โปรตอนที่ถูกปั๊มข้ามเยื่อหุ้มสร้าง a โปรตอนไล่ระดับ. การไล่ระดับจะสร้างแรงกระตุ้นของโปรตอนที่ช่วยให้โปรตอนเคลื่อนที่กลับผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ การเคลื่อนไหวของโปรตอนนี้กระตุ้นการสังเคราะห์ ATP และสร้างโมเลกุล ATP จาก ADP. กระบวนการทางเคมีโดยรวมเรียกว่า ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น.
อะไรคือหน้าที่ของคอมเพล็กซ์ทั้งสี่ของ ETC?
สารประกอบเชิงซ้อนทางเคมีสี่ชนิดประกอบขึ้นเป็นห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน พวกเขามีฟังก์ชั่นดังต่อไปนี้:
- คอมเพล็กซ์ฉัน ใช้ NADH ผู้บริจาคอิเล็กตรอนจากเมทริกซ์และส่งอิเล็กตรอนลงไปที่สายโซ่ในขณะที่ใช้พลังงานเพื่อปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์
- คอมเพล็กซ์II ใช้ FADH เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนเพื่อจัดหาอิเล็กตรอนเพิ่มเติมให้กับสายโซ่
- คอมเพล็กซ์ III ส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังสารเคมีขั้นกลางที่เรียกว่าไซโตโครมและปั๊มโปรตอนให้มากขึ้นผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
- คอมเพล็กซ์ IV รับอิเล็กตรอนจากไซโตโครมและส่งผ่านไปยังครึ่งหนึ่งของโมเลกุลออกซิเจนที่รวมกับไฮโดรเจนสองอะตอมและก่อตัวเป็นโมเลกุลของน้ำ
ในตอนท้ายของกระบวนการนี้ การไล่ระดับโปรตอนจะถูกผลิตโดยแต่ละโปรตอนที่ซับซ้อนซึ่งสูบฉีดผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ผลลัพท์ที่ได้ แรงกระตุ้นโปรตอน ดึงโปรตอนผ่านเมมเบรนผ่านโมเลกุล ATP synthase
ขณะที่พวกมันข้ามเข้าไปในเมทริกซ์ของไมโตคอนเดรียหรือภายในเซลล์โปรคาริโอต การกระทำของ โปรตอนช่วยให้โมเลกุล ATP synthase เพิ่มกลุ่มฟอสเฟตให้กับ ADP หรือ adenosine diphosphate โมเลกุล ADP กลายเป็น ATP หรือ adenosine triphosphate และพลังงานจะถูกเก็บไว้ในพันธะฟอสเฟตพิเศษ
ทำไมห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนจึงมีความสำคัญ?
ขั้นตอนการหายใจของเซลล์ทั้งสามระยะประกอบด้วยกระบวนการที่สำคัญของเซลล์ แต่ ETC สร้าง ATP ได้มากที่สุด เนื่องจากการผลิตพลังงานเป็นหน้าที่สำคัญของการหายใจของเซลล์ ATP จึงเป็นระยะที่สำคัญที่สุดจากมุมมองนั้น
ที่ ETC ผลิตได้ถึง 34 โมเลกุลของ ATP จากผลคูณของโมเลกุลกลูโคสหนึ่งโมเลกุล วัฏจักรกรดซิตริกสร้างสองโมเลกุล และไกลโคไลซิสสร้างโมเลกุล ATP สี่โมเลกุลแต่ใช้สองโมเลกุล
หน้าที่หลักอีกอย่างของ ETC คือการผลิต NAD และ แฟชั่น จาก NADH และ FADH ในสารเชิงซ้อนเคมีสองชนิดแรก ผลคูณของปฏิกิริยาใน ETC complex I และ complex II คือโมเลกุล NAD และ FAD ที่จำเป็นในวัฏจักรกรดซิตริก
เป็นผลให้วัฏจักรกรดซิตริกขึ้นอยู่กับ ETC เนื่องจาก ETC สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีออกซิเจนเท่านั้น ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้าย วัฏจักรการหายใจของเซลล์จึงสามารถทำงานได้เต็มที่เมื่อสิ่งมีชีวิตรับออกซิเจนเท่านั้น
ออกซิเจนเข้าสู่ไมโตคอนเดรียได้อย่างไร?
สิ่งมีชีวิตขั้นสูงทั้งหมดต้องการออกซิเจนเพื่อความอยู่รอด สัตว์บางชนิดหายใจเอาออกซิเจนจากอากาศในขณะที่สัตว์น้ำอาจมี เหงือก หรือดูดซับออกซิเจนผ่านของพวกเขา สกิน.
ในสัตว์ชั้นสูง เซลล์เม็ดเลือดแดงดูดซับออกซิเจนใน in ปอด และนำเข้าสู่ร่างกาย หลอดเลือดแดงและเส้นเลือดฝอยขนาดเล็กจะกระจายออกซิเจนไปทั่วเนื้อเยื่อของร่างกาย
เนื่องจากไมโตคอนเดรียใช้ออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ ออกซิเจนจึงกระจายออกจากเซลล์เม็ดเลือดแดง โมเลกุลของออกซิเจนเดินทางผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และเข้าสู่ภายในเซลล์ เมื่อโมเลกุลออกซิเจนที่มีอยู่ถูกใช้จนหมด โมเลกุลใหม่ก็เข้ามาแทนที่
ตราบใดที่มีออกซิเจนเพียงพอ ไมโทคอนเดรียก็สามารถจ่ายพลังงานทั้งหมดที่เซลล์ต้องการได้
ภาพรวมทางเคมีของการหายใจระดับเซลล์และ ETC
กลูโคสคือ a คาร์โบไฮเดรต ซึ่งเมื่อถูกออกซิไดซ์จะทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะถูกป้อนเข้าสู่ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
การไหลของอิเล็กตรอนถูกใช้โดยโปรตีนเชิงซ้อนในไมโตคอนเดรียหรือเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อขนส่งไฮโดรเจนไอออน H+, ข้ามเยื่อหุ้ม การปรากฏตัวของไฮโดรเจนไอออนนอกเมมเบรนมากกว่าภายในสร้างa ค่า pH ไม่สมดุล ด้วยสารละลายที่เป็นกรดมากขึ้นนอกเมมเบรน
เพื่อให้ค่า pH สมดุล ไฮโดรเจนไอออนจะไหลกลับผ่านเมมเบรนผ่าน ATP synthase protein complex ซึ่งเป็นตัวขับเคลื่อนการก่อตัวของโมเลกุล ATP พลังงานเคมีที่เก็บเกี่ยวจากอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนเป็นรูปแบบไฟฟ้าเคมีของพลังงานที่เก็บไว้ในเกรเดียนต์ของไฮโดรเจนไอออน
เมื่อพลังงานไฟฟ้าเคมีถูกปล่อยผ่านการไหลของไฮโดรเจนไอออนหรือโปรตอนผ่านเอทีพีซินเทสคอมเพลกซ์ ก็จะเปลี่ยนเป็น พลังงานชีวเคมี ในรูปแบบเอทีพี
การยับยั้งกลไกการขนส่งโซ่อิเล็กตรอน
ปฏิกิริยา ETC เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงในการผลิตและเก็บพลังงานสำหรับเซลล์เพื่อใช้ในการเคลื่อนไหว การสืบพันธุ์ และการอยู่รอด เมื่อปฏิกิริยาชุดใดชุดหนึ่งถูกบล็อก ETC จะไม่ทำงานอีกต่อไป และเซลล์ที่พึ่งพาปฏิกิริยาดังกล่าวก็ตาย
โปรคาริโอตบางชนิดมีทางเลือกในการผลิตพลังงานโดยใช้สารอื่นที่ไม่ใช่ออกซิเจนเป็นอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย ตัวรับ แต่เซลล์ยูคาริโอตขึ้นอยู่กับออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่นและห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนสำหรับพลังงาน ความต้องการ
สารที่สามารถยับยั้งการออกฤทธิ์ของ ETC ได้ บล็อกปฏิกิริยารีดอกซ์, ยับยั้งการถ่ายเทโปรตอนหรือดัดแปลงเอ็นไซม์สำคัญ หากขั้นตอนรีดอกซ์ถูกปิดกั้น การถ่ายโอนอิเล็กตรอนจะหยุดลงและการเกิดออกซิเดชันจะไปถึงระดับสูงที่ปลายออกซิเจน ในขณะที่การลดลงอีกจะเกิดขึ้นที่จุดเริ่มต้นของห่วงโซ่
เมื่อโปรตอนไม่สามารถถ่ายโอนผ่านเมมเบรนหรือเอ็นไซม์ เช่น ATP synthase ถูกย่อยสลาย การผลิต ATP จะหยุดลง
ไม่ว่าในกรณีใด หน้าที่ของเซลล์จะพังทลายและเซลล์ตาย
สารจากพืชเช่น โรทีโนน, สารประกอบเช่น ไซยาไนด์ และยาปฏิชีวนะ เช่น ยาต้านจุลชีพ สามารถใช้เพื่อยับยั้งปฏิกิริยา ETC และทำให้เซลล์เป้าหมายตายได้
ตัวอย่างเช่น โรทีโนนถูกใช้เป็นยาฆ่าแมลง และใช้ยาปฏิชีวนะเพื่อฆ่าเชื้อแบคทีเรีย เมื่อมีความจำเป็นในการควบคุมการเพิ่มจำนวนและการเติบโตของสิ่งมีชีวิต ETC จะถูกมองว่าเป็นจุดโจมตีที่มีค่า การรบกวนการทำงานของเซลล์ทำให้เซลล์ของพลังงานที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตลดลง