Elektrontransportkjede og energiproduksjon

I cellebiologi, elektrontransportkjede er et av trinnene i cellens prosesser som lager energi fra maten du spiser.

Det er det tredje trinnet i aerobic cellulær respirasjon. Cellulær respirasjon er betegnelsen på hvordan kroppens celler lager energi fra mat som er konsumert. Elektrontransportkjeden er der det meste av energicellene som trengs for å operere, genereres. Denne "kjeden" er faktisk en serie med protein komplekser og elektronbærermolekyler i den indre membranen i cellen mitokondrier, også kjent som cellens kraftverk.

Oksygen er nødvendig for aerob respirasjon ettersom kjeden slutter med donasjon av elektroner til oksygen.

Viktige takeaways: Elektrontransportkjede

Når elektroner beveger seg langs en kjede, brukes bevegelsen eller momentumet til å skape adenosintrifosfat (ATP). ATP er den viktigste energikilden for mange cellulære prosesser, inkludert muskel sammentrekning og celledeling.

Energi frigjøres under cellemetabolismen når ATP er det hydrolysert. Dette skjer når elektroner føres langs kjeden fra proteinkompleks til proteinkompleks til de blir donert til oksygendannende vann. ATP brytes kjemisk ned til adenosindifosfat (ADP) ved å reagere med vann. ADP brukes igjen til å syntetisere ATP.

Mer detaljert, når elektroner føres langs en kjede fra proteinkompleks til proteinkompleks, er energi det frigjort og hydrogenioner (H +) pumpes ut av mitokondrial matriks (rom i det indre membran) og inn i mellommembranrommet (rom mellom indre og ytre membraner). All denne aktiviteten skaper både en kjemisk gradient (forskjell i løsningskonsentrasjon) og en elektrisk gradient (forskjell i ladning) over den indre membranen. Etter hvert som flere H + -ioner pumpes inn i intermembranområdet, vil den høyere konsentrasjonen av hydrogenatomer bygge oppover og strømme tilbake til matrisen, samtidig som produksjonen av ATP produseres av proteinkomplekset ATP syntase.

ATP-syntase bruker energien som genereres fra bevegelsen av H + -ioner i matrisen for konvertering av ADP til ATP. Denne prosessen med å oksidere molekyler for å generere energi for produksjon av ATP kalles oksidativ fosforylering.

Det første trinnet i cellulær respirasjon er glykolyse. Glykolyse forekommer i cytoplasma og involverer oppdeling av ett molekyl glukose i to molekyler av den kjemiske forbindelsen pyruvat. I alt genereres to molekyler av ATP og to molekyler av NADH (høyenergi, elektronbærende molekyl).

Det andre trinnet, kalt sitronsyresyklus eller Krebs-syklus, er når pyruvat blir transportert over de ytre og indre mitokondrielle membraner inn i mitokondrial matrise. Pyruvat oksideres videre i Krebs-syklusen og produserer ytterligere to molekyler av ATP, så vel som NADH og FADH ₂ molekyler. Elektroner fra NADH og FADH₂ overføres til det tredje trinnet i cellulær respirasjon, elektrontransportkjeden.

Det er fire proteinkomplekser som er en del av elektrontransportkjeden som fungerer for å føre elektroner nedover kjeden. Et femte proteinkompleks tjener til å transportere hydrogen ioner tilbake i matrisen. Disse kompleksene er innebygd i den indre mitokondrielle membranen.

NADH overfører to elektroner til kompleks I, noe som resulterer i fire H⁺ ioner som pumpes over den indre membranen. NADH er oksidert til NAD⁺, som resirkuleres tilbake til Krebs sykler. Elektroner overføres fra kompleks I til et bærermolekyl ubiquinon (Q), som er redusert til ubiquinol (QH2). Ubiquinol fører elektronene til Kompleks III.

FADH₂ overfører elektroner til Kompleks II og elektronene føres videre til ubiquinon (Q). Q reduseres til ubiquinol (QH2), som fører elektronene til kompleks III. Nei H⁺ ioner blir transportert til intermembranområdet i denne prosessen.

Overføringen av elektronene til kompleks III driver transporten av ytterligere fire H⁺ ioner over den indre membranen. QH2 blir oksidert og elektronene føres til et annet elektronbærerprotein cytokrom C.

Cytokrom C fører elektroner til det endelige proteinkomplekset i kjeden, Kompleks IV. To H⁺ ioner pumpes over den indre membranen. Elektronene blir deretter ført fra kompleks IV til et oksygen (O₂) molekyl, noe som får molekylet til å splitte seg. De resulterende oksygenatomer griper raskt H⁺ ioner for å danne to molekyler med vann.

ATP-syntase beveger H⁺ ioner som ble pumpet ut av matrisen av elektrontransportkjeden tilbake i matrisen. Energien fra tilstrømningen av protoner i matrisen brukes til å generere ATP ved fosforylering (tilsetning av et fosfat) av ADP. Bevegelsen av ioner over den selektivt permeable mitokondrielle membranen og nedover deres elektrokjemiske gradient kalles chemiosmosis.

NADH genererer mer ATP enn FADH₂. For hvert NADH-molekyl som er oksidert, 10 H⁺ ioner pumpes inn i mellommembranområdet. Dette gir omtrent tre ATP-molekyler. Fordi FADH₂ kommer inn i kjeden på et senere tidspunkt (Kompleks II), bare seks H⁺ ioner overføres til intermembranområdet. Dette utgjør omtrent to ATP-molekyler. Totalt 32 ATP-molekyler blir generert i elektrontransport og oksidativ fosforylering.

• "Elektrontransport i energisyklusen til cellen." HyperPhysics, hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/etrans.html.
• Lodish, Harvey, et al. "Elektrontransport og oksidativ fosforylering." Molekylær cellebiologi. Fjerde utgave., U.S. National Library of Medicine, 2000, www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21528/.