De flesta levande celler producerar energi från näringsämnen genom cellulär andning som involverar upptag av syre för att frigöra energi. Elektrontransportkedjan eller ETC är det tredje och sista steget i denna process, de andra två är glykolys och citronsyrecykeln.
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 stadiet i cellulär andning ur 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 fosfatgruppbindningen och använder den resulterande energin.
Vad är redoxreaktioner?
Många av de kemiska reaktionerna vid cellandning är redoxreaktioner. Dessa är interaktioner mellan cellulära ämnen som involverar reduktion och oxidation (eller redox) på samma gång. När elektroner överförs mellan molekyler oxideras en uppsättning kemikalier medan en annan uppsättning reduceras.
En serie redoxreaktioner utgör elektrontransportkedjan.
Kemikalierna som oxideras minskar medel. De tar emot elektroner och minskar de andra ämnena genom att ta sina elektroner. Dessa andra kemikalier är oxidationsmedel. De donerar elektroner och oxiderar de andra parterna i redoxkemisk reaktion.
När det finns en serie redoxkemiska reaktioner som äger rum, kan elektroner överföras genom flera steg tills de hamnar i kombination med det slutliga reduktionsmedlet. .
Var ligger elektrontransportkedjereaktionen i eukaryoter?
Cellerna från avancerade organismer eller eukaryoter har en kärna och kallas eukaryota celler. Dessa celler på högre nivå har också små membranbundna strukturer som kallas mitokondrier som producerar energi för cellen. Mitokondrier är som små fabriker som genererar energi i form av ATP-molekyler. Elektrontransportkedjereaktioner sker i mitokondrierna.
Beroende på det arbete som cellen utför kan celler ha mer eller färre mitokondrier. Muskelceller har ibland tusentals eftersom de behöver mycket energi. Växtceller har mitokondrier också; de producerar glukos via fotosyntes, och sedan används det i cellulär andning och så småningom elektrontransportkedjan i mitokondrierna.
ETC-reaktionerna äger rum på och över mitokondriens inre membran. En annan cellandningsprocess, citronsyracykeln, äger rum i mitokondrierna och levererar några av de kemikalier som ETC-reaktionerna behöver. ETC använder egenskaperna hos det inre mitokondriella membranet för att syntetisera ATP-molekyler. Hur ser en Mitochondrion 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 mitokondrionen har ett jämnt, långsträckt yttre membran och ett starkt vikt inre membran.
De inre membranveckarna är formade som fingrar och når djupt in i mitokondrionens inre. Insidan av det inre membranet innehåller en vätska som kallas matrisen, och mellan det inre och det yttre membranet är ett visköst vätskefylldt område som kallas intermembranutrymmet.
Citronsyrecykeln äger rum i matrisen, och det producerar några av de föreningar som används av ETC. ETC tar elektroner från dessa föreningar och återför produkterna tillbaka till citronsyrecykeln. Fällorna i det inre membranet ger det en stor ytarea med mycket utrymme för elektrontransportkedjereaktioner.
Var sker ETC-reaktionen i prokaryoter?
De flesta enstaka cellorganismer är prokaryoter, vilket betyder cellerna saknar en kärna. Dessa prokaryota celler har en enkel struktur med en cellvägg och cellmembran som omger cellen och kontrollerar vad som går in i och ut ur cellen. Prokaryota celler saknar mitokondrier och andra membranbundna organeller. Istället sker cellenergiproduktion i hela cellen.
Vissa prokaryota celler som gröna alger kan producera glukos från fotosyntes, medan andra tar upp ämnen som innehåller glukos. Glukosen används sedan som mat för cellenergiproduktion via cellandning.
Eftersom dessa celler inte har mitokondrier måste ETC-reaktionen i slutet av cellandningen ske på och tvärs över cellmembranen precis inuti 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 används för att pumpa protoner 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 protoner över det inre mitokondriella membranet från matrisen in i intermembranutrymmet.
Kemiska elektrondonatorer inkluderar NADH och FADH medan den slutliga elektronacceptorn är syre. Kemikalierna NAD och FAD ges tillbaka till citronsyrecykeln medan syret kombineras med väte för att bilda vatten.
Protonerna som pumpas över membranen skapar en protongradient. Lutningen ger 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:
I slutet av denna process produceras protongradienten av varje komplex pumpande protoner över membranen. Den resulterande protonmotivkraften drar protonerna genom membranen via ATP-synthasmolekylerna.
När de passerar in i den mitokondriella matrisen eller det inre av den prokaryota cellen, gör protonernas verkan ATP-syntasmolekylen att tillsätt en fosfatgrupp till en ADP- eller adenosindifosfatmolekyl. ADP blir ATP eller adenosintrifosfat, och energi lagras i den extra fosfatbindningen.
Varför är elektrontransportkedjan viktig?
Var och en av de tre cellulära respirationsfaserna innehåller viktiga cellprocesser, men ETC producerar överlägset mest ATP. Eftersom energiproduktion är en av nyckelfunktionerna för cellandning, är ATP den viktigaste fasen ur den synvinkel.
Där ETC producerar upp till 34 molekyler ATP från produkterna från en glukosmolekyl, citronsyracykel producerar två, och glykolys producerar fyra ATP-molekyler men använder upp två av dem.
Den andra nyckelfunktionen för ETC är att producera NAD och FAD från NADH och FADH i de två första kemiska komplexen. Produkterna från reaktionerna i ETC-komplex I och komplex II är NAD- och FAD-molekylerna som krävs i citronsyrecykeln.
Som ett resultat är citronsyrecykeln beroende av ETC. Eftersom ETC endast kan äga rum i närvaro av syre, som fungerar som den slutliga elektronacceptorn, kan cellens andningscykel endast fungera fullt när organismen tar in syre.
Hur kommer syre in i mitokondrierna?
Alla avancerade organismer behöver syre för att överleva. Vissa djur andas in syre från luften medan vattenlevande djur kan ha gällor eller absorbera syre genom sina skinn.
Hos högre djur absorberar de röda blodkropparna syre i lungorna och transporterar det ut i kroppen. Arterier och sedan små kapillärer fördelar syre i kroppens vävnader.
När mitokondrier använder syre för att bilda vatten, diffunderar syre från de röda blodkropparna. Syremolekyler rör sig över cellmembranen och in i cellinre. Eftersom befintliga syre-molekyler används, tar nya molekyler plats.
Så länge det finns tillräckligt med syre kan mitokondrierna leverera all energi som cellen behöver. En kemisk översikt över cellulär respiration och ETC
Glukos är ett kolhydrat som, när det oxideras, producerar koldioxid och vatten. Under denna process matas elektroner in i elektrontransportkedjan.
Elektronflödet 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-syntas-proteinkomplexet, driver bildningen av ATP-molekyler. Den kemiska energin som skördas 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 till biokemisk energi i form av ATP.
Hämmar transportmekanismen för elektronkedja.
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 reaktionsserien 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 den slutliga elektronacceptorn, men eukaryota celler är beroende av oxidativ fosforylering och elektrontransportkedjan för deras energibehov.
Ämnen som kan hämma ETC-verkan kan blockera redoxreaktioner, hämma protonöverföring eller modifiera nyckelenzymer. Om ett redoxsteg blockeras stoppar överföringen av elektroner och oxidationen fortsätter till höga nivåer på syreänden medan ytterligare minskning sker i början av kedjan.
När protoner inte kan överföras över membranen eller enzymer som ATP-syntas försämras, produktionen av ATP slutar.
I båda fallen bryts cellfunktioner ner och cellen dör.
Växtbaserade ämnen såsom rotenon, föreningar såsom eftersom cyanid och antibiotika som antimycin kan användas för att hämma ETC-reaktionen och åstadkomma riktad celldöd.
Till exempel används rotenon som ett insektsmedel och antibiotika används för att döda bakterier. När det finns ett behov av att kontrollera spridning och tillväxt av organismer kan ETC ses som en värdefull attackpunkt. Att störa dess funktion berövar cellen från den energi den behöver för att leva.
