Ηλεκτρονική αλυσίδα μεταφοράς και παραγωγή ενέργειας

Στην κυτταρική βιολογία, το αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι ένα από τα βήματα στις διαδικασίες του κυττάρου σας που κάνουν ενέργεια από τα τρόφιμα που τρώτε.

Είναι το τρίτο βήμα του αερόβιου κυτταρική αναπνοή. Η κυτταρική αναπνοή είναι ο όρος για το πώς τα κύτταρα του σώματός σας καταναλώνουν ενέργεια από τα τρόφιμα. Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι όπου παράγονται τα περισσότερα από τα ενεργειακά κύτταρα που λειτουργούν. Αυτή η "αλυσίδα" είναι στην πραγματικότητα μια σειρά από πρωτεΐνη συμπλέγματα και μόρια φορέα ηλεκτρονίων μέσα στην εσωτερική μεμβράνη του κυττάρου μιτοχόνδρια, επίσης γνωστή ως powerhouse του κυττάρου.

Το οξυγόνο απαιτείται για αερόβια αναπνοή καθώς η αλυσίδα τερματίζεται με τη δωρεά ηλεκτρονίων στο οξυγόνο.

Λέξεις κλειδιά: ηλεκτρονική αλυσίδα μεταφοράς

Καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνται κατά μήκος μιας αλυσίδας, χρησιμοποιείται η κίνηση ή η ορμή για τη δημιουργία τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ). Το ATP είναι η κύρια πηγή ενέργειας για πολλές κυτταρικές διεργασίες συμπεριλαμβανομένων μυς συστολή και κυτταρική διαίρεση.

Η ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια του μεταβολισμού των κυττάρων όταν είναι ATP υδρολύθηκε. Αυτό συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια περνούν κατά μήκος της αλυσίδας από σύμπλοκο πρωτεϊνών σε σύμπλεγμα πρωτεϊνών μέχρις ότου δωρηθούν σε νερό που σχηματίζει οξυγόνο. Η ΑΤΡ αποσυντίθεται χημικά σε διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) με αντίδραση με νερό. Το ADP με τη σειρά του χρησιμοποιείται για τη σύνθεση ATP.

Με περισσότερες λεπτομέρειες, καθώς τα ηλεκτρόνια περνούν κατά μήκος μιας αλυσίδας από σύμπλοκο πρωτεϊνών σε σύμπλεγμα πρωτεϊνών, η ενέργεια είναι απελευθερώνονται και τα ιόντα υδρογόνου (Η +) αντλούνται από τη μιτοχονδριακή μήτρα (διαμέρισμα εντός της εσωτερικής μεμβράνη) και εντός του διαμεμβρανικού χώρου (διαμέρισμα μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών μεμβρανών). Όλη αυτή η δραστηριότητα δημιουργεί τόσο χημική κλίση (διαφορά στη συγκέντρωση διαλύματος) όσο και ηλεκτρική κλίση (διαφορά φορτίου) κατά μήκος της εσωτερικής μεμβράνης. Καθώς αντλούνται περισσότερα ιόντα Η + εντός του διαμεμβρανικού χώρου, θα αυξηθεί η υψηλότερη συγκέντρωση ατόμων υδρογόνου και επιστρέφουν στην μήτρα συγχρόνως ενεργοποιώντας την παραγωγή του ΑΤΡ από το πρωτεϊνικό σύμπλοκο ΑΤΡ συνθάση.

Η συνθετάση ΑΤΡ χρησιμοποιεί την ενέργεια που παράγεται από την κίνηση των ιόντων Η + στη μήτρα για τη μετατροπή της ADP σε ΑΤΡ. Αυτή η διαδικασία οξειδώσεως μορίων για τη δημιουργία ενέργειας για την παραγωγή ΑΤΡ ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Το πρώτο βήμα της κυτταρικής αναπνοής είναι γλυκόλυση. Η γλυκόλυση εμφανίζεται στο κυτόπλασμα και περιλαμβάνει τη διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης σε δύο μόρια της πυροσταφυλικής χημικής ένωσης. Συνολικά δημιουργούνται δύο μόρια ΑΤΡ και δύο μόρια NADH (υψηλής ενέργειας, μόριο που φέρει ηλεκτρόνια).

Το δεύτερο βήμα, που ονομάζεται κύκλος του κιτρικού οξέος ή ο κύκλος Krebs, είναι όταν το πυροσταφυλικό μεταφέρεται διαμέσου των εξωτερικών και εσωτερικών μιτοχονδριακών μεμβρανών στο μιτοχονδριακό πλέγμα. Το πυροσταφυλικό οξύ οξειδώνεται περαιτέρω στον κύκλο Krebs παράγοντας δύο ακόμη μόρια ΑΤΡ, καθώς και NADH και FADH ₂ μόρια. Ηλεκτρόνια από NADH και FADH₂ μεταφέρονται στο τρίτο στάδιο της κυτταρικής αναπνοής, η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Υπάρχουν τέσσερα πρωτεϊνικά σύμπλοκα που είναι μέρος της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων που λειτουργεί για να περάσει τα ηλεκτρόνια κάτω από την αλυσίδα. Ένα πέμπτο σύμπλεγμα πρωτεϊνών χρησιμεύει για τη μεταφορά υδρογόνου ιόντα πίσω στη μήτρα. Αυτά τα σύμπλοκα είναι ενσωματωμένα μέσα στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη.

Η NADH μεταφέρει δύο ηλεκτρόνια στο σύμπλεγμα Ι με αποτέλεσμα τέσσερα Η⁺ τα ιόντα αντλούνται κατά μήκος της εσωτερικής μεμβράνης. Το NADH οξειδώνεται σε NAD⁺, το οποίο ανακυκλώνεται πίσω στο Κύκλος Krebs. Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το σύμπλοκο Ι σε ένα μόριο φορέα ουβικινόνη (Q), το οποίο ανάγεται σε ουβιχνινόλη (QH2). Η ουμπικινόλη μεταφέρει τα ηλεκτρόνια στο Complex III.

FADH₂ μεταφέρει ηλεκτρόνια στο Complex II και τα ηλεκτρόνια περνούν κατά μήκος της ουβικινόνης (Q). Το Q μειώνεται σε ubiquinol (QH2), η οποία μεταφέρει τα ηλεκτρόνια στο Complex III. Όχι H⁺ τα ιόντα μεταφέρονται στον διαμεμβρανικό χώρο σε αυτή τη διαδικασία.

Η διέλευση των ηλεκτρονίων στο Complex III οδηγεί τη μεταφορά τεσσάρων επιπλέον Η⁺ ιόντων στην εσωτερική μεμβράνη. Το QH2 οξειδώνεται και τα ηλεκτρόνια διοχετεύονται σε άλλο κυττόχρωμα C.

Το κυτόχρωμα C περνά τα ηλεκτρόνια στο τελικό σύμπλεγμα πρωτεϊνών στην αλυσίδα, το σύμπλεγμα IV. Δύο Η⁺ τα ιόντα αντλούνται στην εσωτερική μεμβράνη. Τα ηλεκτρόνια μετά διαβιβάζονται από το σύμπλοκο IV σε ένα οξυγόνο (Ο₂) μόριο, προκαλώντας τη διάσπαση του μορίου. Τα προκύπτοντα άτομα οξυγόνου τραβάνουν γρήγορα το Η⁺ ιόντα για να σχηματίσουν δύο μόρια νερού.

Η συνθετάση ΑΤΡ μετακινεί το Η⁺ τα ιόντα που αντλήθηκαν από τη μήτρα από την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων πίσω στη μήτρα. Η ενέργεια από την εισροή του πρωτόνια στην μήτρα χρησιμοποιείται για την παραγωγή ΑΤΡ με φωσφορυλίωση (προσθήκη φωσφορικού) της ΑϋΡ. Η μετακίνηση των ιόντων διαμέσου της επιλεκτικά διαπερατής μιτοχονδριακής μεμβράνης και η μείωση της ηλεκτροχημικής κλίσης τους καλείται χημιοσμωτική.

Το NADH παράγει περισσότερο ΑΤΡ από το FADH₂. Για κάθε μόριο NADH που είναι οξειδωμένο, 10 Η⁺ τα ιόντα αντλούνται στον χώρο των μεμβρανών. Αυτό αποδίδει περίπου τρία μόρια ΑΤΡ. Γιατί FADH₂ εισέρχεται στην αλυσίδα σε μεταγενέστερο στάδιο (Complex II), μόνο έξι Η⁺ ιόντα μεταφέρονται στο διαμεμβρανικό χώρο. Αυτό αντιπροσωπεύει περίπου δύο μόρια ΑΤΡ. Συνολικά παράγονται 32 μόρια ΑΤΡ σε μεταφορά ηλεκτρονίων και οξειδωτική φωσφορυλίωση.

• "Μεταφορά ηλεκτρονίων στον ενεργειακό κύκλο της κυψέλης". HyperPhysics, hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/etrans.html.
• Lodish, Harvey et αϊ. "Ηλεκτρονική μεταφορά και οξειδωτική φωσφορυλίωση". Molecular Cell Biology. 4η έκδοση., Εθνική Βιβλιοθήκη της Ιατρικής των Η.Π.Α., 2000, www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21528/.