Elektronentransportkette und Energieerzeugung erklärt

Erfahren Sie mehr darüber, wie Energie von Zellen hergestellt wird

Elektronentransportkette und oxidative Phosphorylierung. OpenStax College/Wikimedia Commons

In der Zellbiologie ist die Elektronentransportkette ist einer der Schritte in den Prozessen Ihrer Zelle, die Energie aus den Lebensmitteln gewinnen, die Sie essen.

Es ist die dritte Stufe der Aerobic Zellatmung . Zellatmung ist der Begriff dafür, wie die Zellen Ihres Körpers Energie aus der verzehrten Nahrung gewinnen. In der Elektronentransportkette werden die meisten Energiezellen erzeugt, die zum Betrieb benötigt werden. Diese 'Kette' ist eigentlich eine Reihe von Protein Komplexe und Elektronenträgermoleküle innerhalb der inneren Zellmembran Mitochondrien , auch als Kraftwerk der Zelle bekannt.

Sauerstoff wird für die aerobe Atmung benötigt, da die Kette mit der Abgabe von Elektronen an Sauerstoff endet.

SCHLUSSELERKENNTNISSE: Elektronentransportkette

• Die Elektronentransportkette ist eine Reihe von Proteinkomplexen und Elektronentransportmolekülen innerhalb der inneren Membran von Mitochondrien die ATP für Energie erzeugen.
• Elektronen werden entlang der Kette von Proteinkomplex zu Proteinkomplex weitergegeben, bis sie an Sauerstoff abgegeben werden. Während des Durchgangs von Elektronen werden Protonen herausgepumpt Mitochondriale Matrix über die innere Membran und in den Zwischenmembranraum.
• Die Akkumulation von Protonen im Intermembranraum erzeugt einen elektrochemischen Gradienten, der bewirkt, dass Protonen den Gradienten hinab und durch die ATP-Synthase zurück in die Matrix fließen. Diese Bewegung von Protonen liefert die Energie für die Produktion von ATP.
• Die Elektronentransportkette ist der dritte Schritt von aerobe Zellatmung . Die Glykolyse und der Krebszyklus sind die ersten beiden Schritte der Zellatmung.

Wie Energie gemacht wird

Wenn sich Elektronen entlang einer Kette bewegen, wird die Bewegung oder der Impuls zur Erzeugung verwendet Adenosintriphosphat (ATP) . ATP ist die Hauptenergiequelle für viele zelluläre Prozesse, einschließlich Muskel Kontraktion u Zellteilung .

Adenosintriphosphat (ATP) ist eine organische Chemikalie, die Energie für Zellen liefert. ttsz / iStock / Getty Images Plus

Energie wird während des Zellstoffwechsels freigesetzt, wenn ATP vorhanden ist hydrolysiert . Dies geschieht, wenn Elektronen entlang der Kette von Proteinkomplex zu Proteinkomplex weitergegeben werden, bis sie an sauerstoffbildendes Wasser abgegeben werden. ATP zersetzt sich chemisch zu Adenosindiphosphat (ADP), indem es mit Wasser reagiert. ADP wird wiederum zur Synthese von ATP verwendet.

Genauer gesagt, wenn Elektronen entlang einer Kette von Proteinkomplex zu Proteinkomplex geleitet werden, wird Energie freigesetzt und Wasserstoffionen (H+) werden aus der mitochondrialen Matrix (Kompartiment innerhalb der inneren Matrix) gepumpt Membran ) und in den Zwischenmembranraum (Kompartiment zwischen der inneren und äußeren Membran). All diese Aktivitäten erzeugen sowohl einen chemischen Gradienten (Unterschied in der Lösungskonzentration) als auch einen elektrischen Gradienten (Unterschied in der Ladung) über die innere Membran. Wenn mehr H+-Ionen in den Zwischenmembranraum gepumpt werden, baut sich die höhere Konzentration an Wasserstoffatomen auf und fließt zurück zur Matrix, wodurch gleichzeitig die Produktion von ATP durch den Proteinkomplex ATP-Synthase angetrieben wird.

Die ATP-Synthase nutzt die Energie, die durch die Bewegung von H+-Ionen in die Matrix erzeugt wird, für die Umwandlung von ADP in ATP. Dieser Prozess der Oxidation von Molekülen zur Erzeugung von Energie für die Produktion von ATP wird als oxidativ bezeichnet Phosphorylierung .

Die ersten Schritte der Zellatmung

Die Zellatmung ist eine Reihe von Stoffwechselreaktionen und Prozessen, die in den Zellen von Organismen stattfinden, um biochemische Energie aus Nährstoffen in Adenosintriphosphat (ATP) umzuwandeln und dann Abfallprodukte freizusetzen. normal / iStock / Getty Images Plus

Der erste Schritt der Zellatmung ist Glykolyse . Glykolyse findet in der Zytoplasma und beinhaltet die Aufspaltung eines Moleküls Glucose in zwei Moleküle der chemischen Verbindung Pyruvat. Insgesamt werden zwei Moleküle ATP und zwei Moleküle NADH (hochenergetisches, elektronentragendes Molekül) erzeugt.

Der zweite Schritt, genannt Zitronensäurezyklus oder Krebs-Zyklus, ist, wenn Pyruvat durch die äußeren und inneren Mitochondrienmembranen in die mitochondriale Matrix transportiert wird. Pyruvat wird im Krebszyklus weiter oxidiert, wodurch zwei weitere ATP-Moleküle sowie NADH und FADH entstehen_zweiMoleküle. Elektronen von NADH und FADH_zweiwerden auf den dritten Schritt der Zellatmung, die Elektronentransportkette, übertragen.

Proteinkomplexe in der Kette

Es gibt vier Proteinkomplexe die Teil der Elektronentransportkette sind, die dazu dient, Elektronen die Kette hinunter zu leiten. Ein fünfter Proteinkomplex dient dem Transport von Wasserstoff Ionen zurück in die Matrix. Diese Komplexe sind in die innere Mitochondrienmembran eingebettet.

Illustration der Elektronentransportkette mit oxidativer Phosphorylierung. extender01 / iStock / Getty Images Plus

Komplex I

NADH überträgt zwei Elektronen auf Komplex I, was zu vier H führt⁺Ionen werden durch die innere Membran gepumpt. NADH wird zu NAD oxidiert⁺, die wieder in die recycelt wird Krebs Zyklus . Elektronen werden von Komplex I auf ein Trägermolekül Ubichinon (Q) übertragen, das zu Ubichinol (QH2) reduziert wird. Ubiquinol trägt die Elektronen zu Komplex III.

Komplex II

FADH_zweiüberträgt Elektronen auf den Komplex II und die Elektronen werden an Ubichinon (Q) weitergegeben. Q wird zu Ubiquinol (QH2) reduziert, das die Elektronen zu Komplex III transportiert. Nein H⁺Ionen werden dabei in den Zwischenmembranraum transportiert.

Komplex III

Der Übergang von Elektronen zu Komplex III treibt den Transport von vier weiteren H an⁺Ionen durch die innere Membran. QH2 wird oxidiert und Elektronen werden an ein anderes Elektronenträgerprotein Cytochrom C weitergegeben.

Komplex IV

Cytochrom C gibt Elektronen an den letzten Proteinkomplex in der Kette, Komplex IV, weiter. Zwei H⁺Ionen werden durch die innere Membran gepumpt. Die Elektronen werden dann von Komplex IV zu einem Sauerstoff (O_zwei)-Molekül, wodurch das Molekül gespalten wird. Die entstehenden Sauerstoffatome greifen schnell nach H⁺Ionen zu zwei Wassermolekülen.

ATP-Synthase

ATP-Synthase bewegt H⁺Ionen, die durch die Elektronentransportkette aus der Matrix zurück in die Matrix gepumpt wurden. Die Energie aus dem Zufluss von Protonen in die Matrix wird verwendet, um ATP durch die Phosphorylierung (Addition eines Phosphats) von ADP zu erzeugen. Die Bewegung von Ionen durch die selektiv durchlässige mitochondriale Membran und entlang ihres elektrochemischen Gradienten wird als Chemiosmose bezeichnet.

NADH erzeugt mehr ATP als FADH_zwei. Für jedes oxidierte NADH-Molekül werden 10 H⁺Ionen werden in den Zwischenmembranraum gepumpt. Dies ergibt etwa drei ATP-Moleküle. Weil FADH_zweispäter in die Kette eintritt (Komplex II), nur sechs H⁺Ionen werden in den Intermembranraum transferiert. Dies macht etwa zwei ATP-Moleküle aus. Beim Elektronentransport und der oxidativen Phosphorylierung entstehen insgesamt 32 ATP-Moleküle.

Quellen

• 'Elektronentransport im Energiekreislauf der Zelle.' HyperPhysik , hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/etrans.html.
• Lodish, Harveyet al. 'Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung.' Molekulare Zellbiologie. 4. Auflage. , US National Library of Medicine, 2000, www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21528/.