Объяснение цепочки переноса электронов и производства энергии

В клеточной биологии цепь переноса электронов является одним из этапов процессов в вашей клетке, которые производят энергию из пищи, которую вы едите.

Это третий этап аэробного клеточного дыхания. Клеточное дыхание – это термин, обозначающий, как клетки вашего тела вырабатывают энергию из потребляемой пищи. Цепь переноса электронов – это то место, где генерируется большая часть энергетических ячеек, необходимых для работы. Эта «цепочка» на самом деле представляет собой серию белковых комплексов и молекул-переносчиков электронов внутри внутренней мембраны митохондрий клетки, также известную как электростанция клетки.

Кислород – это необходим для аэробного дыхания, так как цепь заканчивается передачей электронов кислороду.

Как образуется энергия

В виде электронов Двигаясь по цепочке, движение или импульс используется для создания аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ является основным источником энергии для многих клеточных процессов, включая сокращение мышц и деление клеток.

Энергия высвобождается во время клеточного метаболизма, когда АТФ гидролизуется. Это происходит, когда электроны проходят по цепочке от белкового комплекса к белковому комплексу, пока не будут отданы кислороду, образующему воду. АТФ химически разлагается до аденозиндифосфата (АДФ) при реакции с водой. АДФ, в свою очередь, используется для синтеза АТФ.

Более подробно, когда электроны проходят по цепи от белкового комплекса к белковому комплексу, выделяется энергия и водород ионы (H +) откачиваются из митохондриального матрикса (отсек внутри внутренней мембраны) в межмембранное пространство (отсек между внутренней и внешней мембранами). Вся эта активность создает как химический градиент (разница в концентрации раствора), так и электрический градиент (разница в заряде) на внутренней мембране.. По мере того, как больше ионов H + закачивается в межмембранное пространство, более высокая концентрация атомов водорода будет накапливаться и течь обратно в матрицу, одновременно обеспечивая производство АТФ белковой комплексной АТФ-синтазой.

АТФ-синтаза использует энергию, генерируемую движением ионов Н + в матрицу, для преобразования АДФ в АТФ. Этот процесс окисления молекул для выработки энергии для производства АТФ называется окислительным фосфорилированием.

Первые шаги клеточного дыхания

Первым этапом клеточного дыхания является гликолиз. Гликолиз происходит в цитоплазме и включает расщепление одной молекулы глюкозы на две молекулы химического соединения пирувата. Всего образуются две молекулы АТФ и две молекулы НАДН (высокоэнергетическая молекула, несущая электроны).

Второй этап, называемый циклом лимонной кислоты или цикл Кребса, когда пируват транспортируется через внешнюю и внутреннюю митохондриальные мембраны в митохондриальный матрикс. Пируват далее окисляется в цикле Кребса, образуя еще две молекулы АТФ, а также молекулы НАДН и ФАДН ₂ . Электроны из НАДН и ФАДН ₂ переносятся на третью стадию клеточного дыхания, цепь переноса электронов.

Белковые комплексы в цепи

Есть четыре белковых комплекса, которые являются частью цепи переноса электронов, которая действует, чтобы передавать электроны вниз по цепи. Пятый белковый комплекс служит для транспортировки ионов водорода обратно в матрицу. Эти комплексы встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану.

Комплекс I

НАДН передает два электрона Комплексу I, в результате чего четыре иона H ⁺ перекачиваются через внутреннюю мембрану. НАДН окисляется до НАД ⁺ , который возвращается обратно в цикл Кребса. Электроны передаются от Комплекса I к молекуле-носителю убихинону (Q), которая восстанавливается до убихинола (QH2). Убихинол переносит электроны в Комплекс III.

Комплекс II

FADH ₂ переносит электроны в комплекс II, и электроны передаются убихинону (Q). Q восстанавливается до убихинола (QH2), который переносит электроны в Комплекс III. В этом процессе ионы H ⁺ не переносятся в межмембранное пространство.

Complex III

Прохождение электронов к Комплексу III запускает транспорт еще четырех ионов H ⁺ через внутреннюю мембрану. QH2 окисляется, и электроны передаются другому белку-переносчику электронов цитохрому C.

Комплекс IV

Цитохром C передает электроны в конечный белковый комплекс в цепи, Комплекс IV. Два иона H ⁺ прокачиваются через внутреннюю мембрану. Затем электроны передаются от Комплекса IV к молекуле кислорода (O ₂ ), вызывая расщепление молекулы. Образующиеся в результате атомы кислорода быстро захватывают ионы H ⁺ , образуя две молекулы воды.

АТФ-синтаза

АТФ-синтаза перемещает ионы H ⁺ , которые были откачаны из матрицы цепочкой переноса электронов, обратно в матрицу. Энергия притока протонов в матрицу используется для генерации АТФ путем фосфорилирования (добавления фосфата) АДФ. Движение ионов через избирательно проницаемую мембрану митохондрий и вниз по их электрохимическому градиенту называется хемиосмосом.

НАДН генерирует больше АТФ, чем ФАДН ₂ . На каждую окисляемую молекулу НАДН в межмембранное пространство закачивается 10 ионов H ⁺ . Это дает около трех молекул АТФ. Поскольку FADH ₂ входит в цепочку на более поздней стадии (Комплекс II), только шесть ионов H ⁺ переносятся в межмембранное пространство. На это приходится около двух молекул АТФ. При переносе электронов и окислительном фосфорилировании образуется в общей сложности 32 молекулы АТФ.

Источники

• «Электронный транспорт в энергетическом цикле клетки». HyperPhysics , hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/etrans.html.
• Лодиш, Харви , и другие. «Электронный транспорт и окислительное фосфорилирование». Молекулярная клеточная биология. 4-е издание. , Национальная медицинская библиотека США, 2000 г., www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21528/.