Inhoud
- Wat zijn redoxreacties?
- Waar bevindt de elektronen transportketen reactie zich in Eukaryotes?
- Hoe ziet een mitochondrion eruit?
- Waar vindt de ETC-reactie plaats in Prokaryotes?
- Wat gebeurt er tijdens de elektrontransportketen?
- Wat is de functie van de vier complexen van de ETC?
- Waarom is de elektrontransportketen belangrijk?
- Hoe komt de zuurstof in de mitochondriën?
- Een chemisch overzicht van cellulaire ademhaling en de ETC
- Remming van het elektronenkettingmechanisme
De meeste levende cellen produceren energie uit voedingsstoffen via cellulaire ademhaling waarbij zuurstof wordt opgenomen om energie vrij te maken. De elektrontransportketen of ETC is de derde en laatste fase van dit proces, de andere twee zijn glycolyse en de citroenzuur cyclus.
De geproduceerde energie wordt opgeslagen in de vorm van ATP of adenosine trifosfaat, dat is een nucleotide gevonden in levende organismen.
De ATP-moleculen slaan energie op in hun fosfaatbindingen. De ETC is vanuit energieoogpunt de belangrijkste fase van cellulaire ademhaling omdat deze de meeste ATP produceert. In een reeks redoxreacties komt energie vrij en wordt gebruikt om een derde fosfaatgroep aan adenosinedifosfaat te binden om ATP met drie fosfaatgroepen te vormen.
Wanneer een cel energie nodig heeft, verbreekt deze de binding van de derde fosfaatgroep en gebruikt de resulterende energie.
Wat zijn redoxreacties?
Veel van de chemische reacties van celademhaling zijn redoxreacties. Dit zijn interacties tussen cellulaire stoffen die hierbij betrokken zijn vermindering en oxydatie (of redox) tegelijkertijd. Terwijl elektronen worden overgedragen tussen moleculen, wordt één set chemicaliën geoxideerd, terwijl een andere set wordt gereduceerd.
Een reeks redoxreacties vormen de elektrontransportketen.
De geoxideerde chemicaliën zijn reductiemiddelen. Ze accepteren elektronen en verminderen de andere stoffen door hun elektronen te nemen. Deze andere chemicaliën zijn oxidatiemiddelen. Ze doneren elektronen en oxideren de andere partijen in de redox chemische reactie.
Wanneer er een reeks chemische redoxreacties plaatsvinden, kunnen elektronen door meerdere fasen worden doorgegeven totdat ze worden gecombineerd met het uiteindelijke reductiemiddel.
Waar bevindt de elektronen transportketen reactie zich in Eukaryotes?
De cellen van geavanceerde organismen of eukaryoten hebben een kern en worden eukaryotische cellen genoemd. Deze cellen op een hoger niveau hebben ook kleine membraangebonden structuren genaamd mitochondriën die energie voor de cel produceren. Mitochondria zijn als kleine fabrieken die energie genereren in de vorm van ATP-moleculen. Elektronen transport kettingreacties vinden plaats in de mitochondriën.
Afhankelijk van het werk dat de cel doet, kunnen cellen meer of minder mitochondriën hebben. Spiercellen hebben soms duizenden omdat ze veel energie nodig hebben. Plantencellen hebben ook mitochondriën; ze produceren glucose via fotosynthese en dat wordt vervolgens gebruikt bij cellulaire ademhaling en, uiteindelijk, de elektronentransportketen in de mitochondriën.
De ETC-reacties vinden plaats op en over het binnenmembraan van de mitochondriën. Een ander proces van celademhaling, de citroenzuur cyclus, vindt plaats in de mitochondriën en levert enkele van de chemicaliën die nodig zijn voor de ETC-reacties. De ETC gebruikt de kenmerken van de binnenste mitochondriaal membraan om ATP-moleculen te synthetiseren.
Hoe ziet een mitochondrion eruit?
Een mitochondrion is klein en veel kleiner dan een cel. Om het goed te zien en de structuur ervan te bestuderen, is een elektronenmicroscoop met een vergroting van enkele duizenden keren vereist. Afbeeldingen van de elektronenmicroscoop laten zien dat het mitochondrion een glad, langwerpig buitenmembraan heeft en een zwaar gevouwen binnenste membraan.
De binnenste membraanplooien hebben de vorm van vingers en reiken diep in het inwendige van het mitochondrion. De binnenkant van het binnenmembraan bevat een vloeistof die de matrix wordt genoemd, en tussen de binnen- en buitenmembranen bevindt zich een viskeus met vloeistof gevuld gebied dat de intermembrane ruimte.
De citroenzuurcyclus vindt plaats in de matrix en produceert enkele van de door de ETC gebruikte verbindingen. De ETC neemt elektronen van deze verbindingen en brengt de producten terug naar de citroenzuurcyclus. De vouwen van het binnenmembraan geven het een groot oppervlak met veel ruimte voor kettingreacties van elektronentransport.
Waar vindt de ETC-reactie plaats in Prokaryotes?
De meeste eencellige organismen zijn prokaryoten, wat betekent dat de cellen een kern missen. Deze prokaryotische cellen hebben een eenvoudige structuur met een celwand en celmembranen die de cel omringen en regelen wat in en uit de cel gaat. Prokaryotische cellen missen mitochondriën en andere membraan gebonden organellen. In plaats daarvan vindt de productie van celenergie plaats in de hele cel.
Sommige prokaryotische cellen zoals groene algen kunnen glucose produceren uit fotosynthese, terwijl anderen stoffen opnemen die glucose bevatten. De glucose wordt vervolgens gebruikt als voedsel voor de productie van celenergie via celademhaling.
Omdat deze cellen geen mitochondriën hebben, moet de ETC-reactie aan het einde van de celademhaling plaatsvinden op en over de celmembranen die zich net binnen de celwand bevinden.
Wat gebeurt er tijdens de elektrontransportketen?
De ETC gebruikt hoogenergetische elektronen van chemicaliën die worden geproduceerd door de citroenzuurcyclus en voert ze door vier stappen naar een laag energieniveau. De energie van deze chemische reacties wordt gebruikt om pomp protonen over een membraan. Deze protonen diffunderen vervolgens terug door het membraan.
Voor prokaryotische cellen worden eiwitten over de celmembranen rondom de cel gepompt. Voor eukaryotische cellen met mitochondriën worden de protonen over het binnenste mitochondriale membraan van de matrix in de intermembraanruimte gepompt.
Chemische elektronendonoren omvatten NADH en FADH terwijl de laatste elektronenacceptor zuurstof is. De chemicaliën NAD en FAD worden teruggegeven aan de citroenzuurcyclus, terwijl de zuurstof wordt gecombineerd met waterstof om water te vormen.
De protonen die over de membranen worden gepompt, creëren een proton gradiënt. De gradiënt produceert een proton-motieve kracht waardoor de protonen terug door de membranen kunnen bewegen. Deze protonenbeweging activeert ATP-synthase en creëert ATP-moleculen uit ADP. Het algemene chemische proces wordt genoemd oxidatieve fosforylering.
Wat is de functie van de vier complexen van de ETC?
Vier chemische complexen vormen de elektrontransportketen. Ze hebben de volgende functies:
Aan het einde van dit proces wordt de protongradiënt geproduceerd door elke complexe pompende protonen over de membranen. Het resultaat Proton bewegende kracht trekt de protonen door de membranen via de ATP-synthasemoleculen.
Terwijl ze de mitochondriale matrix of het inwendige van de prokaryotische cel passeren, maakt de actie van de protonen het mogelijk dat het ATP-synthasemolecuul een fosfaatgroep toevoegt aan een ADP- of adenosinedifosfaatmolecuul. ADP wordt ATP of adenosinetrifosfaat en energie wordt opgeslagen in de extra fosfaatbinding.
Waarom is de elektrontransportketen belangrijk?
Elk van de drie cellulaire ademhalingsfasen omvat belangrijke celprocessen, maar de ETC produceert veruit de meeste ATP. Aangezien energieproductie een van de belangrijkste functies van celademhaling is, is ATP vanuit dat oogpunt de belangrijkste fase.
Waar de ETC tot produceert 34 moleculen ATP uit de producten van één glucosemolecule produceert de citroenzuurcyclus twee en glycolyse produceert vier ATP-moleculen, maar verbruikt er twee.
De andere belangrijke functie van de ETC is produceren NAD en DIK van NADH en FADH in de eerste twee chemische complexen. De producten van de reacties in ETC-complex I en complex II zijn de NAD- en FAD-moleculen die nodig zijn in de citroenzuurcyclus.
Als gevolg hiervan is de citroenzuurcyclus afhankelijk van de ETC. Omdat de ETC alleen kan plaatsvinden in de aanwezigheid van zuurstof, die fungeert als de uiteindelijke elektronenacceptor, kan de celademhalingscyclus alleen volledig werken wanneer het organisme zuurstof opneemt.
Hoe komt de zuurstof in de mitochondriën?
Alle geavanceerde organismen hebben zuurstof nodig om te overleven. Sommige dieren ademen zuurstof uit de lucht in, terwijl waterdieren dat kunnen hebben kieuwen of absorberen zuurstof door hun skins.
Bij hogere dieren absorberen de rode bloedcellen zuurstof in de longen en voer het uit in het lichaam. Slagaders en vervolgens kleine capillairen verdelen de zuurstof door de lichaamsweefsels.
Aangezien mitochondria zuurstof verbruiken om water te vormen, diffundeert zuurstof uit de rode bloedcellen. Zuurstofmoleculen reizen over celmembranen en naar het inwendige van de cel. Naarmate bestaande zuurstofmoleculen opgebruikt zijn, nemen nieuwe moleculen hun plaats in.
Zolang er voldoende zuurstof aanwezig is, kunnen de mitochondriën alle energie leveren die de cel nodig heeft.
Een chemisch overzicht van cellulaire ademhaling en de ETC
Glucose is een koolhydraat dat, wanneer geoxideerd, koolstofdioxide en water produceert. Tijdens dit proces worden elektronen in de elektrontransportketen gevoerd.
De stroom van elektronen wordt gebruikt door eiwitcomplexen in de mitochondriale of celmembranen om waterstofionen te transporteren, H + , over de membranen. De aanwezigheid van meer waterstofionen buiten een membraan dan binnen zorgt voor een pH-onbalans met een meer zure oplossing buiten het membraan.
Om de pH in evenwicht te brengen, stromen de waterstofionen terug over het membraan door het ATP-synthase-eiwitcomplex, waardoor de vorming van ATP-moleculen wordt aangestuurd. De uit de elektronen geoogste chemische energie wordt veranderd in een elektrochemische vorm van energie opgeslagen in de waterstofionengradiënt.
Wanneer de elektrochemische energie wordt vrijgegeven door de stroom van waterstofionen of protonen door het ATP-synthasecomplex, wordt deze veranderd in biochemische energie in de vorm van ATP.
Remming van het elektronenkettingmechanisme
De ETC-reacties zijn een zeer efficiënte manier om energie te produceren en op te slaan die de cel kan gebruiken bij zijn beweging, reproductie en overleving. Wanneer een van de reeks reacties wordt geblokkeerd, functioneert de ETC niet meer en gaan cellen die erop vertrouwen dood.
Sommige prokaryoten hebben alternatieve manieren om energie te produceren door andere stoffen dan zuurstof te gebruiken als de uiteindelijke elektronenacceptor, maar eukaryote cellen zijn afhankelijk van oxidatieve fosforylering en de elektrontransportketen voor hun energiebehoeften.
Stoffen die ETC-actie kunnen remmen, kunnen redoxreacties blokkeren, protonenoverdracht remmen of belangrijke enzymen wijzigen. Als een redoxstap wordt geblokkeerd, stopt de overdracht van elektronen en verloopt de oxidatie naar hoge niveaus aan het zuurstofuiteinde terwijl verdere reductie plaatsvindt aan het begin van de keten.
Wanneer protonen niet over de membranen kunnen worden overgedragen of enzymen zoals ATP-synthase worden afgebroken, stopt de productie van ATP.
In beide gevallen worden de celfuncties afgebroken en sterft de cel.
Plantaardige stoffen zoals rotenonverbindingen zoals cyanide en antibiotica zoals antimycine kan worden gebruikt om de ETC-reactie te remmen en gerichte celdood te bewerkstelligen.
Rotenon wordt bijvoorbeeld gebruikt als insecticide en antibiotica worden gebruikt om bacteriën te doden. Wanneer het nodig is om de proliferatie en groei van organismen te beheersen, kan de ETC worden gezien als een waardevol aanvalspunt. Het verstoren van zijn functie berooft de cel van de energie die hij nodig heeft om te leven.