Objaśnienie łańcucha transportu elektronów i produkcji energii

Dowiedz się więcej o tym, jak komórki wytwarzają energię

Łańcuch transportu elektronów i fosforylacja oksydacyjna. OpenStax College/Wikimedia Commons

W biologii komórkowej łańcuch transportu elektronów jest jednym z etapów procesów komórkowych, które wytwarzają energię z pożywienia, które spożywasz.

To trzeci etap aerobiku oddychania komórkowego . Oddychanie komórkowe to określenie, w jaki sposób komórki organizmu wytwarzają energię ze spożywanego pokarmu. Większość ogniw energetycznych potrzebnych do działania jest generowana w łańcuchu transportu elektronów. Ten „łańcuch” to w rzeczywistości seria białko kompleksy i cząsteczki nośników elektronów w błonie wewnętrznej komórki mitochondria , znany również jako potęga komórki.

Tlen jest niezbędny do oddychania tlenowego, ponieważ łańcuch kończy się oddaniem elektronów do tlenu.

Kluczowe dania na wynos: łańcuch transportu elektronów

• Łańcuch transportu elektronów to seria kompleksów białkowych i cząsteczek nośnika elektronów w wewnętrznej błonie mitochondria które generują ATP dla energii.
• Elektrony przechodzą wzdłuż łańcucha od kompleksu białkowego do kompleksu białkowego, aż zostaną oddane tlenowi. Podczas przejścia elektronów protony są wypompowywane z macierz mitochondrialna przez wewnętrzną błonę i do przestrzeni międzybłonowej.
• Nagromadzenie protonów w przestrzeni międzybłonowej tworzy gradient elektrochemiczny, który powoduje, że protony spływają w dół gradientu iz powrotem do macierzy przez syntazę ATP. Ten ruch protonów dostarcza energii do produkcji ATP.
• Łańcuch transportu elektronów jest trzecim etapem tlenowe oddychanie komórkowe . Glikoliza i cykl Krebsa to dwa pierwsze etapy oddychania komórkowego.

Jak powstaje energia

Gdy elektrony poruszają się wzdłuż łańcucha, ruch lub pęd jest używany do tworzenia trifosforan adenozyny (ATP) . ATP jest głównym źródłem energii dla wielu procesów komórkowych, w tym: mięsień skurcz i podział komórek .

Trójfosforan adenozyny (ATP) to organiczna substancja chemiczna dostarczająca energii komórkom. ttsz / iStock / Getty Images Plus

Energia jest uwalniana podczas metabolizmu komórkowego, gdy ATP jest hydrolizowany . Dzieje się tak, gdy elektrony przechodzą wzdłuż łańcucha od kompleksu białkowego do kompleksu białkowego, aż zostaną oddane wodzie tworzącej tlen. ATP rozkłada się chemicznie do adenozynodifosforanu (ADP) w reakcji z wodą. ADP jest z kolei używany do syntezy ATP.

Bardziej szczegółowo, gdy elektrony przechodzą wzdłuż łańcucha od kompleksu białkowego do kompleksu białkowego, uwalniana jest energia, a jony wodorowe (H+) są wypompowywane z macierzy mitochondrialnej (przedział w wewnętrznej membrana ) i do przestrzeni międzybłonowej (przedział między błoną wewnętrzną i zewnętrzną). Cała ta aktywność tworzy zarówno gradient chemiczny (różnica w stężeniu roztworu), jak i gradient elektryczny (różnica ładunku) przez błonę wewnętrzną. Ponieważ więcej jonów H+ jest pompowanych do przestrzeni międzybłonowej, wyższe stężenie atomów wodoru będzie gromadzić się i płynąć z powrotem do matrycy, jednocześnie napędzając produkcję ATP przez kompleks białkowy syntazy ATP.

Syntaza ATP wykorzystuje energię wytworzoną z ruchu jonów H+ do matrycy do konwersji ADP do ATP. Ten proces utleniania cząsteczek w celu wytworzenia energii do produkcji ATP nazywa się utlenianiem fosforylacja .

Pierwsze kroki oddychania komórkowego

Oddychanie komórkowe to zespół reakcji i procesów metabolicznych zachodzących w komórkach organizmów w celu przekształcenia energii biochemicznej ze składników odżywczych w trójfosforan adenozyny (ATP), a następnie uwolnienia produktów odpadowych. normalne / iStock / Getty Images Plus

Pierwszym etapem oddychania komórkowego jest glikoliza . Glikoliza występuje w cytoplazma i polega na rozszczepieniu jednej cząsteczki glukozy na dwie cząsteczki związku chemicznego pirogronianu. W sumie generowane są dwie cząsteczki ATP i dwie cząsteczki NADH (cząsteczka przenosząca elektrony o wysokiej energii).

Drugi krok, zwany cykl kwasu cytrynowego lub cykl Krebsa, gdy pirogronian jest transportowany przez zewnętrzną i wewnętrzną błonę mitochondrialną do macierzy mitochondrialnej. Pirogronian jest dalej utleniany w cyklu Krebsa, wytwarzając dwie kolejne cząsteczki ATP, a także NADH i FADH_dwaCząsteczki. Elektrony z NADH i FADH_dwasą przenoszone do trzeciego etapu oddychania komórkowego, łańcucha transportu elektronów.

Kompleksy białkowe w łańcuchu

Są cztery kompleksy białkowe które są częścią łańcucha transportu elektronów, który przepuszcza elektrony w dół łańcucha. Piąty kompleks białkowy służy do transportu wodoru jony z powrotem do matrycy. Kompleksy te są osadzone w wewnętrznej błonie mitochondrialnej.

Ilustracja łańcucha transportu elektronów z fosforylacją oksydacyjną. extender01 / iStock / Getty Images Plus

Kompleks I

NADH przenosi dwa elektrony do kompleksu I, co daje cztery H⁺jony są pompowane przez wewnętrzną błonę. NADH jest utleniony do NAD⁺, który jest zawracany z powrotem do cykl Krebsa . Elektrony są przenoszone z Kompleksu I do cząsteczki nośnika ubichinonu (Q), który jest redukowany do ubichinolu (QH2). Ubichinol przenosi elektrony do Kompleksu III.

Kompleks II

FADH_dwaprzenosi elektrony do Kompleksu II, a elektrony są przekazywane do ubichinonu (Q). Q redukuje się do ubichinolu (QH2), który przenosi elektrony do Kompleksu III. Brak H⁺jony są w tym procesie transportowane do przestrzeni międzybłonowej.

Kompleks III

Przejście elektronów do Kompleksu III napędza transport czterech dodatkowych H⁺jony przez wewnętrzną błonę. QH2 ulega utlenieniu, a elektrony są przekazywane do innego białka będącego nośnikiem elektronów, cytochromu C.

Kompleks IV

Cytochrom C przekazuje elektrony do końcowego kompleksu białkowego w łańcuchu, Kompleksu IV. Dwa H⁺jony są pompowane przez wewnętrzną błonę. Elektrony są następnie przekazywane z Kompleksu IV do tlenu (O_dwa) cząsteczka, powodując rozszczepienie cząsteczki. Powstałe atomy tlenu szybko chwytają H⁺jony tworzą dwie cząsteczki wody.

Syntaza ATP

Syntaza ATP porusza H⁺jony, które zostały wypompowane z matrycy przez łańcuch transportu elektronów z powrotem do matrycy. Energia z napływu protony do matrycy służy do generowania ATP przez fosforylację (dodanie fosforanu) ADP. Ruch jonów przez selektywnie przepuszczalną błonę mitochondrialną i w dół ich gradientu elektrochemicznego nazywa się chemiosmozą.

NADH generuje więcej ATP niż FADH_dwa. Na każdą utlenioną cząsteczkę NADH, 10 H⁺jony są pompowane do przestrzeni międzybłonowej. Daje to około trzech cząsteczek ATP. Ponieważ FADH_dwawchodzi do łańcucha na późniejszym etapie (Kompleks II), tylko sześć H⁺jony są przenoszone do przestrzeni międzybłonowej. Stanowi to około dwóch cząsteczek ATP. W transporcie elektronów i fosforylacji oksydacyjnej generowane są łącznie 32 cząsteczki ATP.

Źródła

• „Transport elektronów w cyklu energetycznym komórki”. Hiperfizyka , hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/etrans.html.
• Lodish, Harvey i in. 'Transport elektronów i fosforylacja oksydacyjna'. Molekularna biologia komórki. Wydanie czwarte. , Narodowa Biblioteka Medyczna Stanów Zjednoczonych, 2000, www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21528/.