Περιεχόμενο
- Τι είναι οι αντιδράσεις Redox;
- Πού είναι η αντίδραση αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων που βρίσκεται στις ευκαρυώτες;
- Τι μοιάζει με μιτοχόνδριο;
- Πού λαμβάνει χώρα η αντίδραση ETC σε προκαρυωτικά;
- Τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων;
- Ποια είναι η λειτουργία των τεσσάρων συμπλεγμάτων του ETC;
- Γιατί είναι σημαντική η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων;
- Πώς φτάνει το οξυγόνο στα μιτοχόνδρια;
- Μια χημική επισκόπηση της κυτταρικής αναπνοής και του ETC
- Αναστολή του μηχανισμού μεταφοράς ηλεκτρονίων
Τα περισσότερα ζωντανά κύτταρα παράγουν ενέργεια από τα θρεπτικά συστατικά μέσω κυτταρικής αναπνοής που περιλαμβάνει την ανάληψη οξυγόνου για την απελευθέρωση ενέργειας. Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων ή ETC είναι το τρίτο και τελικό στάδιο αυτής της διαδικασίας, ενώ τα άλλα δύο είναι γλυκόλυση και το κύκλος του κιτρικού οξέος.
Η παραγόμενη ενέργεια αποθηκεύεται με τη μορφή ATP ή τριφωσφορική αδενοσίνη, η οποία είναι ένα νουκλεοτίδιο που βρίσκεται σε όλους τους ζώντες οργανισμούς.
Τα μόρια ΑΤΡ αποθηκεύουν ενέργεια στο δικό τους φωσφορικών δεσμών. Το ETC είναι το πιο σημαντικό στάδιο της κυτταρικής αναπνοής από άποψη ενέργειας, επειδή παράγει το μεγαλύτερο μέρος της ΑΤΡ. Σε μια σειρά οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων, η ενέργεια απελευθερώνεται και χρησιμοποιείται για την προσάρτηση μιας τρίτης φωσφορικής ομάδας στην διφωσφορική αδενοσίνη για να δημιουργήσει ΑΤΡ με τρεις φωσφορικές ομάδες.
Όταν ένα κύτταρο χρειάζεται ενέργεια, σπάει τον τρίτο δεσμό φωσφορικών ομάδων και χρησιμοποιεί την προκύπτουσα ενέργεια.
Τι είναι οι αντιδράσεις Redox;
Πολλές από τις χημικές αντιδράσεις της κυτταρικής αναπνοής είναι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Αυτές είναι αλληλεπιδράσεις μεταξύ κυτταρικών ουσιών που ενέχουν μείωση και οξείδωση (ή οξειδοαναγωγής) ταυτόχρονα. Καθώς τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μεταξύ μορίων, ένα σύνολο χημικών ουσιών οξειδώνεται ενώ μειώνεται ένα άλλο σετ.
Μια σειρά οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων αποτελούν την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Οι χημικές ουσίες που οξειδώνονται είναι μειωτικοί παράγοντες. Λαμβάνουν ηλεκτρόνια και μειώνουν τις άλλες ουσίες παίρνοντας τα ηλεκτρόνια τους. Αυτά τα άλλα χημικά είναι οξειδωτικά μέσα. Δίνουν ηλεκτρόνια και οξειδώνουν τα άλλα μέρη στην οξειδοαναγωγική χημική αντίδραση.
Όταν συμβαίνει μια σειρά οξειδοαναγωγικών χημικών αντιδράσεων, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν από πολλαπλά στάδια μέχρι να καταλήξουν σε συνδυασμό με τον τελικό αναγωγικό παράγοντα.
Πού είναι η αντίδραση αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων που βρίσκεται στις ευκαρυώτες;
Τα κύτταρα προηγμένων οργανισμών ή ευκαρυωτικών έχουν α πυρήνας και ονομάζονται ευκαρυωτικά κύτταρα. Αυτά τα κύτταρα υψηλότερου επιπέδου έχουν επίσης μικρή δεσμευμένη μεμβράνη δομές που ονομάζονται μιτοχόνδρια που παράγουν ενέργεια για το κύτταρο. Τα μιτοχόνδρια είναι σαν μικρά εργοστάσια που παράγουν ενέργεια με τη μορφή μορίων ΑΤΡ. Οι αντιδράσεις αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων λαμβάνουν χώρα μέσα στα μιτοχόνδρια.
Ανάλογα με την εργασία που κάνει το κύτταρο, τα κύτταρα μπορεί να έχουν περισσότερα ή λιγότερα μιτοχόνδρια. Τα μυϊκά κύτταρα έχουν μερικές φορές χιλιάδες επειδή χρειάζονται πολλή ενέργεια. Τα φυτικά κύτταρα έχουν επίσης μιτοχόνδρια. παράγουν γλυκόζη μέσω της φωτοσύνθεσης και στη συνέχεια χρησιμοποιούνται στην κυτταρική αναπνοή και, τελικά, στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων στα μιτοχόνδρια.
Οι αντιδράσεις ETC λαμβάνουν χώρα στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Μια άλλη διαδικασία κυτταρικής αναπνοής, η κύκλος του κιτρικού οξέος, λαμβάνει χώρα μέσα στα μιτοχόνδρια και παράγει μερικά από τα χημικά που απαιτούνται από τις αντιδράσεις ETC. Το ETC χρησιμοποιεί τα χαρακτηριστικά του εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη για τη σύνθεση μορίων ΑΤΡ.
Τι μοιάζει με μιτοχόνδριο;
Ένα μιτοχόνδριο είναι μικροσκοπικό και πολύ μικρότερο από ένα κύτταρο. Για να το δούμε σωστά και να μελετήσουμε τη δομή του, απαιτείται ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο με μεγέθυνση αρκετές χιλιάδες φορές. Εικόνες από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο δείχνουν ότι το μιτοχόνδριο έχει λεία, επιμήκη εξωτερική μεμβράνη και α σε μεγάλο βαθμό εσωτερική μεμβράνη.
Οι πτυχές της εσωτερικής μεμβράνης έχουν σχήμα δάχτυλων και φτάνουν βαθιά στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου. Το εσωτερικό της εσωτερικής μεμβράνης περιέχει ένα ρευστό που ονομάζεται μήτρα και μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών μεμβρανών είναι μια περιοχή με ιξώδη ρευστό που ονομάζεται διαμεμβρανικού χώρου.
Ο κύκλος του κιτρικού οξέος λαμβάνει χώρα στη μήτρα και παράγει μερικές από τις ενώσεις που χρησιμοποιούνται από το ETC. Το ETC παίρνει ηλεκτρόνια από αυτές τις ενώσεις και επιστρέφει τα προϊόντα πίσω στον κύκλο του κιτρικού οξέος. Οι πτυχές της εσωτερικής μεμβράνης της προσδίδουν μεγάλη επιφάνεια με πολύ χώρο για αντιδράσεις αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Πού λαμβάνει χώρα η αντίδραση ETC σε προκαρυωτικά;
Οι περισσότεροι μεμονωμένοι κυτταρικοί οργανισμοί είναι προκαρυωτικοί, πράγμα που σημαίνει ότι τα κύτταρα στερούνται πυρήνα. Αυτά τα προκαρυωτικά κύτταρα έχουν μια απλή δομή με κυτταρικό τοίχωμα και κυτταρικές μεμβράνες που περιβάλλουν το κύτταρο και ελέγχουν αυτό που εισέρχεται και εξέρχεται από το κύτταρο. Τα προκαρυωτικά κύτταρα στερούνται μιτοχόνδρια και άλλα συνδεόμενα με μεμβράνη οργανίδια. Αντ 'αυτού, η παραγωγή ενέργειας κυττάρων λαμβάνει χώρα σε ολόκληρη την κυψέλη.
Ορισμένα προκαρυωτικά κύτταρα όπως τα πράσινα φύκια μπορούν να παράγουν γλυκόζη από τη φωτοσύνθεση, ενώ άλλα καταναλώνουν ουσίες που περιέχουν γλυκόζη. Στη συνέχεια, η γλυκόζη χρησιμοποιείται ως τροφή για την παραγωγή κυτταρικής ενέργειας μέσω κυτταρικής αναπνοής.
Επειδή αυτά τα κύτταρα δεν έχουν μιτοχόνδρια, η αντίδραση ETC στο τέλος της κυτταρικής αναπνοής πρέπει να λαμβάνει χώρα πάνω και κατά μήκος των κυτταρικών μεμβρανών που βρίσκονται ακριβώς μέσα στο τοίχωμα του κυττάρου.
Τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων;
Το ETC χρησιμοποιεί ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας από χημικά που παράγονται από τον κύκλο του κιτρικού οξέος και τα παίρνει μέσω τεσσάρων βημάτων σε χαμηλή ενεργειακή στάθμη. Χρησιμοποιείται η ενέργεια από αυτές τις χημικές αντιδράσεις πρωτονίων αντλίας σε μια μεμβράνη. Αυτά τα πρωτόνια διαχέονται στη συνέχεια μέσω της μεμβράνης.
Για τα προκαρυωτικά κύτταρα, οι πρωτεΐνες αντλούνται διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών που περιβάλλουν το κύτταρο. Για τα ευκαρυωτικά κύτταρα με μιτοχόνδρια, τα πρωτόνια αντλούνται κατά μήκος της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης από τη μήτρα στο διαμεμβρανικό χώρο.
Οι χημικοί δότες ηλεκτρονίων περιλαμβάνουν NADH και FADH ενώ ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων είναι οξυγόνο. Οι χημικές ουσίες NAD και FAD επιστρέφονται στον κύκλο του κιτρικού οξέος ενώ το οξυγόνο συνδυάζεται με υδρογόνο για να σχηματίσει νερό.
Τα πρωτόνια που αντλούνται διαμέσου των μεμβρανών δημιουργούν α βαθμίδα πρωτονίων. Η κλίση παράγει μια κινητήρια δύναμη πρωτονίων που επιτρέπει στα πρωτόνια να κινηθούν πίσω μέσω των μεμβρανών. Αυτή η κίνηση πρωτονίων ενεργοποιεί την συνθετάση ΑΤΡ και δημιουργεί μόρια ΑΤΡ από ΑϋΡ. Η συνολική χημική διαδικασία ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Ποια είναι η λειτουργία των τεσσάρων συμπλεγμάτων του ETC;
Τέσσερα χημικά σύμπλοκα αποτελούν την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Έχουν τις ακόλουθες λειτουργίες:
Στο τέλος αυτής της διαδικασίας, η βαθμίδα πρωτονίων παράγεται από κάθε σύμπλεγμα αντλούμενων πρωτονίων στις μεμβράνες. Το αποτέλεσμα κινητήρια δύναμη πρωτονίων αντλεί τα πρωτόνια διαμέσου των μεμβρανών μέσω των μορίων της συνθετάσης ΑΤΡ.
Καθώς διέρχονται στη μιτοχονδριακή μήτρα ή στο εσωτερικό του προκαρυωτικού κυττάρου, η δράση των πρωτονίων επιτρέπει στο μόριο της συνθετάσης ΑΤΡ να προστεθεί μια φωσφορική ομάδα σε ένα μόριο ADP ή διφωσφορικής αδενοσίνης. Το ADP γίνεται ATP ή τριφωσφορική αδενοσίνη και η ενέργεια αποθηκεύεται στον επιπλέον φωσφορικό δεσμό.
Γιατί είναι σημαντική η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων;
Κάθε μία από τις τρεις φάσεις κυτταρικής αναπνοής ενσωματώνει σημαντικές κυτταρικές διεργασίες, αλλά η ETC παράγει μακράν το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ. Δεδομένου ότι η παραγωγή ενέργειας είναι μία από τις βασικές λειτουργίες της κυτταρικής αναπνοής, το ATP είναι η πιο σημαντική φάση από αυτή την άποψη.
Όπου το ETC παράγει μέχρι 34 μόρια του ΑΤΡ από τα προϊόντα ενός μορίου γλυκόζης, ο κύκλος του κιτρικού οξέος παράγει δύο και η γλυκόλυση παράγει τέσσερα μόρια ΑΤΡ αλλά καταναλώνει δύο από αυτά.
Η άλλη βασική λειτουργία του ETC είναι να παράγει NAD και ΦΑΝΤΑΣΙΟΠΛΗΞΙΑ από τα NADH και FADH στα δύο πρώτα χημικά σύμπλοκα. Τα προϊόντα των αντιδράσεων στο σύμπλεγμα ITC και το σύμπλοκο II είναι τα μόρια NAD και FAD που απαιτούνται στον κύκλο του κιτρικού οξέος.
Ως αποτέλεσμα, ο κύκλος του κιτρικού οξέος εξαρτάται από το ETC. Δεδομένου ότι το ETC μπορεί να λάβει χώρα μόνο με την παρουσία οξυγόνου, το οποίο ενεργεί ως ο τελικός αποδέκτης ηλεκτρονίων, ο κύκλος αναπνοής κυττάρων μπορεί να λειτουργήσει πλήρως μόνο όταν ο οργανισμός παίρνει οξυγόνο.
Πώς φτάνει το οξυγόνο στα μιτοχόνδρια;
Όλοι οι προηγμένοι οργανισμοί χρειάζονται οξυγόνο για να επιβιώσουν. Μερικά ζώα αναπνέουν οξυγόνο από τον αέρα ενώ τα υδρόβια ζώα μπορεί να έχουν βράγχια ή απορροφούν οξυγόνο μέσω του δέρματα.
Σε υψηλότερα ζώα, τα ερυθρά αιμοσφαίρια απορροφούν οξυγόνο στο πνεύμονες και να το μεταφέρετε στο σώμα. Οι αρτηρίες και τα μικροσκοπικά τριχοειδή διανέμουν το οξυγόνο σε όλους τους ιστούς του σώματος.
Καθώς τα μιτοχόνδρια καταναλώνουν οξυγόνο για να σχηματίσουν νερό, το οξυγόνο διαχέεται από τα ερυθρά αιμοσφαίρια. Τα μόρια οξυγόνου μετακινούνται μέσω κυτταρικών μεμβρανών και μέσα στο εσωτερικό των κυττάρων. Καθώς τα υπάρχοντα μόρια οξυγόνου εξαντλούνται, τα νέα μόρια παίρνουν τη θέση τους.
Όσο υπάρχει αρκετό οξυγόνο, τα μιτοχόνδρια μπορούν να παρέχουν όλη την ενέργεια που χρειάζονται τα κύτταρα.
Μια χημική επισκόπηση της κυτταρικής αναπνοής και του ETC
Η γλυκόζη είναι α υδατάνθρακας όταν οξειδώνεται, παράγει διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, τα ηλεκτρόνια τροφοδοτούνται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Η ροή των ηλεκτρονίων χρησιμοποιείται από σύμπλοκα πρωτεϊνών στις μιτοχονδριακές ή κυτταρικές μεμβράνες για τη μεταφορά ιόντων υδρογόνου, Η + , διαμέσου των μεμβρανών. Η παρουσία περισσότερων ιόντων υδρογόνου έξω από μια μεμβράνη παρά από μέσα δημιουργεί μια ανισορροπία pH με ένα πιο όξινο διάλυμα έξω από τη μεμβράνη.
Για την εξισορρόπηση του ρΗ, τα ιόντα υδρογόνου ρέουν πίσω στη μεμβράνη μέσω του συμπλόκου πρωτεϊνικής συνθάσης ΑΤΡ, οδηγώντας το σχηματισμό μορίων ΑΤΡ. Η χημική ενέργεια που συλλέγεται από τα ηλεκτρόνια μετατρέπεται σε ηλεκτροχημική μορφή ενέργειας που αποθηκεύεται στην κλίση ιόντων υδρογόνου.
Όταν η ηλεκτροχημική ενέργεια απελευθερώνεται μέσω της ροής των ιόντων υδρογόνου ή πρωτονίων μέσω του συμπλέγματος της συνθετάσης ΑΤΡ, αλλάζει σε βιοχημική ενέργεια με τη μορφή ΑΤΡ.
Αναστολή του μηχανισμού μεταφοράς ηλεκτρονίων
Οι αντιδράσεις ETC είναι ένας πολύ αποτελεσματικός τρόπος παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας για την κυτταρική χρήση για την κίνηση, την αναπαραγωγή και την επιβίωσή της. Όταν μια από τις σειρές αντιδράσεων είναι αποκλεισμένη, το ETC δεν λειτουργεί πλέον και τα κύτταρα που βασίζονται σε αυτό πεθαίνουν.
Ορισμένοι προκαρυώτες έχουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας με τη χρήση άλλων ουσιών εκτός του οξυγόνου ως τελικού αποδέκτη ηλεκτρονίων, αλλά τα ευκαρυωτικά κύτταρα εξαρτώνται από την οξειδωτική φωσφορυλίωση και την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων για τις ενεργειακές τους ανάγκες.
Ουσίες που μπορούν να εμποδίσουν τη δράση ETC μπορούν μπλοκ αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, αναστέλλουν τη μεταφορά πρωτονίων ή τροποποιούν τα βασικά ένζυμα. Εάν διακόπτεται ένα βήμα οξειδοαναγωγής, η μεταφορά των ηλεκτρονίων σταματά και η οξείδωση προχωρά σε υψηλά επίπεδα στο άκρο του οξυγόνου ενώ η περαιτέρω μείωση πραγματοποιείται στην αρχή της αλυσίδας.
Όταν τα πρωτόνια υπερβαίνουν τις μεμβράνες ή τα ένζυμα όπως η συνθετάση του ΑΤΡ αποικοδομούνται, η παραγωγή του ΑΤΡ σταματά.
Και στις δύο περιπτώσεις, οι κυτταρικές λειτουργίες διασπώνται και το κύτταρο πεθαίνει.
Φυτικές ουσίες όπως rotenone, ενώσεις όπως κυανιούχο και αντιβιοτικά όπως αντιμυκίνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναστείλει την αντίδραση ETC και να επιφέρει στοχευμένο κυτταρικό θάνατο.
Για παράδειγμα, η ροτενόνη χρησιμοποιείται ως εντομοκτόνο και τα αντιβιοτικά χρησιμοποιούνται για να σκοτώσουν τα βακτηρίδια. Όταν υπάρχει ανάγκη ελέγχου του πολλαπλασιασμού και της ανάπτυξης των οργανισμών, το ETC μπορεί να θεωρηθεί πολύτιμο σημείο επίθεσης. Η διακοπή της λειτουργίας της στερεί από την κυψέλη την ενέργεια που χρειάζεται για να ζήσει.