Більшість живих клітин виробляють енергію з поживних речовин за допомогою клітинного дихання, яке передбачає забір кисню для виділення енергії. Електронно-транспортний ланцюг або ETC - це третя і завершальна стадія цього процесу, інші дві є гліколіз та цикл лимонної кислоти.
Вироблена енергія зберігається у вигляді АТФ або аденозинтрифосфат, який є нуклеотидом, що міститься в живих організмах.
Молекули АТФ зберігають енергію в своїх фосфатні зв’язки. ETC є найважливішим етапом клітинного дихання з енергетичної точки зору, оскільки він виробляє найбільше АТФ. У серії окисно-відновних реакцій виділяється енергія, яка використовується для приєднання третьої фосфатної групи до аденозиндифосфату для створення АТФ з трьома фосфатними групами.
Коли клітині потрібна енергія, вона розриває зв’язок третьої фосфатної групи і використовує отриману енергію.
Що таке окисно-відновні реакції?
Багато хімічних реакцій клітинного дихання є окисно-відновними. Це взаємодії між клітинними речовинами, які беруть участь
скорочення і окислення (або окисно-відновний) одночасно. Коли електрони переносяться між молекулами, один набір хімічних речовин окислюється, тоді як інший набір відновлюється.Серія окисно-відновних реакцій складається з електронно-транспортний ланцюг.
Хімічні речовини, які окислюються, є відновниками. Вони приймають електрони і зменшують інші речовини, беручи їх електрони. Ці інші хімічні речовини є окислювачами. Вони віддають електрони і окислюють інші сторони в окисно-відновлювальній хімічній реакції.
Коли відбувається ряд окислювально-відновних хімічних реакцій, електрони можуть проходити через кілька стадій, поки вони не закінчаться в поєднанні з кінцевим відновником.
Де розташована ланцюгова реакція електрону в еукаріотів?
Клітини розвинених організмів або еукаріотів мають ядро і називаються еукаріотичні клітини. Ці клітини вищого рівня також мають малі мембранно-зв’язані структури, звані мітохондріями, які виробляють енергію для клітини. Мітохондрії схожі на невеликі заводи, які виробляють енергію у вигляді молекул АТФ. Електронно-транспортні ланцюгові реакції відбуваються всередині мітохондрії.
Залежно від роботи, яку виконує клітина, клітини можуть мати більше або менше мітохондрій. М’язові клітини іноді мають тисячі, бо їм потрібно багато енергії. Клітини рослин також мають мітохондрії; вони виробляють глюкозу за допомогою фотосинтезу, а потім він використовується для клітинного дихання і, врешті-решт, ланцюга транспорту електронів у мітохондріях.
ETC-реакції відбуваються на внутрішній мембрані мітохондрій та поперек. Ще один процес дихання клітин, цикл лимонної кислоти, відбувається у мітохондріях і доставляє деякі хімічні речовини, необхідні для реакцій ETC. ETC використовує характеристики внутрішня мембрана мітохондрій синтезувати Молекули АТФ.
Як виглядає мітохондрія?
Мітохондрія крихітна і набагато менша за клітину. Щоб його правильно побачити і вивчити його структуру, потрібен електронний мікроскоп зі збільшенням у кілька тисяч разів. Зображення з електронного мікроскопа показують, що мітохондрія має гладку, витягнуту зовнішню мембрану і a сильно складені внутрішня мембрана.
Внутрішні складки мембрани мають форму пальців і сягають глибоко всередину мітохондрії. Внутрішня частина внутрішньої мембрани містить рідину, яка називається матрицею, а між внутрішньою та зовнішньою мембранами знаходиться область, заповнена в'язкою рідиною, яка називається міжмембранний простір.
Цикл лимонної кислоти відбувається в матриці, і вона утворює деякі сполуки, що використовуються ETC. ETC забирає електрони з цих сполук і повертає продукти назад до циклу лимонної кислоти. Складки внутрішньої мембрани надають їй велику площу поверхні з великим простором для ланцюгових реакцій транспорту електронів.
Де відбувається реакція ETC у прокаріотів?
Більшість одноклітинних організмів - це прокаріоти, а це означає, що клітинам не вистачає ядра. Ці прокаріотичні клітини мають просту структуру з клітинною стінкою та клітинними мембранами, що оточують клітину, і контролюють те, що надходить у клітину та виходить з неї. Клітини прокаріотів відсутність мітохондрій та інших мембранно зв’язані органели. Натомість виробництво енергії клітини відбувається по всій клітині.
Деякі прокаріотичні клітини, такі як зелені водорості, можуть виробляти глюкозу фотосинтез, тоді як інші поглинають речовини, що містять глюкозу. Потім глюкоза використовується як їжа для виробництва клітинної енергії за допомогою дихання клітин.
Оскільки ці клітини не мають мітохондрій, реакція ETC в кінці дихання клітини повинна проходити на клітинних мембранах, розташованих безпосередньо всередині клітинної стінки, та поперек.
Що відбувається під час ланцюга транспорту електронів?
ETC використовує електрони високої енергії з хімічних речовин, що утворюються в циклі лимонної кислоти, і проходить їх через чотири етапи до низького рівня енергії. Енергія цих хімічних реакцій звикла протони насосів поперек мембрани. Потім ці протони дифузують назад через мембрану.
Для прокаріотичних клітин білки перекачуються через клітинні мембрани, що оточують клітину. Для еукаріотичних клітин з мітохондріями протони перекачуються через внутрішню мітохондріальну мембрану від матриксу в міжмембранний простір.
Донори хімічних електронів включають NADH і FADH тоді як кінцевим акцептором електронів є кисень. Хімічні речовини NAD і FAD повертаються до циклу лимонної кислоти, тоді як кисень поєднується з воднем, утворюючи воду.
Протони, що перекачуються через мембрани, створюють протонний градієнт. Градієнт створює протонну рушійну силу, яка дозволяє протонам рухатися назад через мембрани. Цей рух протонів активує АТФ-синтазу і створює молекули АТФ ADP. Загальний хімічний процес називається окисне фосфорилювання.
Яка функція чотирьох комплексів ETC?
Чотири хімічні комплекси складають електронно-транспортний ланцюг. Вони виконують такі функції:
- Комплекс I бере донор електронів NADH з матриці і направляє електрони вниз по ланцюгу, використовуючи енергію для накачування протонів через мембрани.
- Комплекс II використовує FADH як донора електрона для подачі додаткових електронів в ланцюг.
- Комплекс III передає електрони проміжній хімічній речовині, яка називається цитохром, і перекачує більше протонів через мембрани.
- Комплекс IV приймає електрони з цитохрому і передає їх половині молекули кисню, яка поєднується з двома атомами водню і утворює молекулу води.
В кінці цього процесу градієнт протону створюється кожним складним накачуванням протонів через мембрани. В результаті протон-рушійна сила втягує протони через мембрани через молекули АТФ-синтази.
Коли вони переходять в матрикс мітохондрій або всередину прокаріотичної клітини, дія протони дозволяють молекулі АТФ-синтази додавати фосфатну групу до АДФ або аденозиндифосфату молекула. АДФ стає АТФ або аденозинтрифосфатом, а енергія зберігається в додатковому фосфатному зв’язку.
Чому транспортний ланцюг електронів важливий?
Кожна з трьох фаз клітинного дихання включає важливі клітинні процеси, але ETC виробляє на сьогоднішній день найбільше АТФ. Оскільки виробництво енергії є однією з ключових функцій дихання клітин, АТФ є найважливішою фазою з цієї точки зору.
Де ETC виробляє до 34 молекули АТФ із продуктів однієї молекули глюкози цикл лимонної кислоти виробляє дві, а гліколіз - чотири молекули АТФ, але використовує дві з них.
Інша ключова функція ETC - виробляти НАД і ФАД від NADH та FADH у перших двох хімічних комплексах. Продуктами реакцій ETC комплексу I та комплексу II є молекули NAD та FAD, необхідні у циклі лимонної кислоти.
Як результат, цикл лимонної кислоти залежить від ETC. Оскільки ETC може відбуватися лише у присутності кисню, який діє як кінцевий акцептор електронів, цикл дихання клітин може повноцінно працювати лише тоді, коли організм приймає кисень.
Як кисень потрапляє в мітохондрії?
Всім просунутим організмам для виживання потрібен кисень. Деякі тварини дихають киснем із повітря, тоді як водні тварини можуть мати зябра або поглинають кисень через їх шкури.
У вищих тварин еритроцити поглинають кисень у легені і вносити його в організм. Артерії, а потім крихітні капіляри розподіляють кисень по тканинах тіла.
Оскільки мітохондрії витрачають кисень для утворення води, кисень дифундує з еритроцитів. Молекули кисню рухаються через клітинні мембрани та потрапляють у внутрішню клітину. У міру витрачання існуючих молекул кисню на їх місце приходять нові молекули.
Поки достатньо кисню, мітохондрії можуть забезпечувати всю енергію, необхідну клітині.
Хімічний огляд клітинного дихання та ін
Глюкоза - це вуглеводів що при окисленні утворює вуглекислий газ та воду. Під час цього процесу електрони подаються в електронно-транспортний ланцюг.
Потік електронів використовується білковими комплексами в мітохондріальних або клітинних мембранах для транспортування іонів водню, Н +, через мембрани. Наявність більше іонів водню поза мембраною, ніж усередині, створює дисбаланс рН з більш кислим розчином поза мембрани.
Щоб збалансувати рН, іони водню перетікають через мембрану через білковий комплекс АТФ-синтази, рухаючи утворення молекул АТФ. Хімічна енергія, яку отримують з електронів, змінюється на електрохімічну форму енергії, що зберігається в градієнті іонів водню.
Коли електрохімічна енергія виділяється через потік іонів водню або протонів через АТФ-синтазний комплекс, вона змінюється на біохімічна енергія у формі АТФ.
Інгібування механізму транспортування ланцюгів електронів
Реакції ETC - це високоефективний спосіб виробництва та накопичення енергії, яку клітина може використовувати для свого руху, розмноження та виживання. Коли одна із серії реакцій блокується, ETC більше не функціонує, і клітини, які на неї покладаються, гинуть.
Деякі прокаріоти мають альтернативні способи отримання енергії, використовуючи інші речовини, крім кисню, як кінцевий електрон акцептор, але клітини еукаріотів залежать від окисного фосфорилювання та ланцюга транспорту електронів за своєю енергією потреби.
Речовини, які можуть інгібувати дію ETC, можуть блокувати окисно-відновну реакцію, інгібують передачу протонів або модифікують ключові ферменти. Якщо окислювально-відновний етап заблокований, передача електронів зупиняється, і окислення переходить до високих рівнів на кісневому кінці, тоді як подальше відновлення відбувається на початку ланцюга.
Коли протони не можуть бути перенесені через мембрани або ферменти, такі як АТФ-синтаза, деградують, продукція АТФ припиняється.
У будь-якому випадку функції клітини руйнуються, і клітина гине.
Речовини рослинного походження, такі як ротенон, сполуки, такі як ціанід та антибіотики, такі як антиміцин може використовуватися для інгібування реакції ETC та спричинення цільової загибелі клітин.
Наприклад, ротенон використовується як інсектицид, а антибіотики - для знищення бактерій. Коли є необхідність контролювати розповсюдження та ріст організму, ETC може розглядатися як цінна точка атаки. Порушення її функції позбавляє клітину енергії, необхідної для життя.