שרשרת תחבורה אלקטרונית וייצור אנרגיה

בביולוגיה הסלולרית, שרשרת העברת אלקטרונים הוא אחד השלבים בתהליכי התא שלך שמייצרים אנרגיה מהמזונות שאתה אוכל.

זהו השלב השלישי של האירובי נשימה תאית. נשימה תאית היא המונח לדרך בה תאי גופך מייצרים אנרגיה ממזון הנצרך. שרשרת הובלת האלקטרונים היא המקום בו נוצרת מרבית תאי האנרגיה הדרושים לפעול. "שרשרת" זו היא למעשה סדרה של חלבון קומפלקסים ומולקולות נשאות אלקטרונים בתוך הממברנה הפנימית של התא מיטוכונדריההידוע גם כחממת התא.

חמצן נדרש לנשימה אירובית מכיוון שהשרשרת מסתיימת בתרומת אלקטרונים לחמצן.

מסירות מפתח: שרשרת תחבורה אלקטרונית

כאשר אלקטרונים נעים לאורך שרשרת, התנועה או המומנטום משמשים ליצירה אדנוזין טריפוספט (ATP). ATP הוא מקור האנרגיה העיקרי לתהליכים סלולריים רבים כולל שריר התכווצות ו חלוקת תא.

אנרגיה משתחררת במהלך חילוף החומרים התאים כאשר ATP הוא הידרוליזה. זה קורה כאשר אלקטרונים מועברים לאורך השרשרת ממכלול חלבון למכלול חלבונים עד שהם נתרמים למים היוצרים חמצן. ATP מתפרק כימית לאדנוזין דיפוספט (ADP) על ידי תגובה עם מים. ADP משמש בתורו לסינתזת ATP.

ביתר פירוט, ככל שהאלקטרונים מועברים לאורך שרשרת ממכלול חלבון למכלול חלבונים, האנרגיה היא יונים משוחררים ויוני מימן (H +) נשאבים מהמטריקס המיטוכונדריאלי (תא בתוך החלק הפנימי קרום) לחלל הבין ממברני (תא בין הממברנות הפנימיות והחיצוניות). כל הפעילות הזו יוצרת גם שיפוע כימי (הבדל בריכוז התמיסה) וגם שיפוע חשמלי (הבדל במטען) על פני הממברנה הפנימית. ככל שנשאבים יותר יוני H + לחלל הבין-ממברני, הריכוז הגבוה יותר של אטומי מימן יבנה מעלה וזורם חזרה למטריצה ​​בו זמנית ומפעילה את ייצור ה- ATP על ידי קומפלקס החלבונים ATP סינתזה.

ATP synthase משתמש באנרגיה הנוצרת מהתנועה של יוני H + למטריקס להמרה של ADP ל- ATP. תהליך זה של חמצון מולקולות לייצור אנרגיה לייצור ATP נקרא חמצון זרחן.

השלב הראשון של הנשימה התאית הוא גליקוליזה. גליקוליזה מתרחשת באזור ציטופלזמה וכולל פיצול של מולקולה אחת של גלוקוז לשתי מולקולות של התרכובת הכימית פירובט. בסך הכל נוצרות שתי מולקולות של ATP ושתי מולקולות של NADH (אנרגיה גבוהה, מולקולת נושאת אלקטרונים).

השלב השני, שנקרא מעגל החומצה הציטרית או מחזור קרבס, הוא כאשר הובלת פירובט על פני הממברנות המיטוכונדריות החיצוניות והפנימיות לתוך המטריקס המיטוכונדריאלי. פירובאט מתחמצן עוד יותר במחזור קרבס ומייצר שתי מולקולות נוספות של ATP, כמו גם NADH ו- FADH ₂ מולקולות. אלקטרונים מ- NADH ו- FADH₂ מועברים לשלב השלישי של הנשימה התאית, שרשרת הובלת האלקטרונים.

ישנם ארבעה תרכובות חלבון שהם חלק משרשרת ההובלה האלקטרונית שמתפקדת להעביר אלקטרונים במורד השרשרת. מתחם חלבון חמישי משמש להובלת מימן יונים חזרה למטריצה. מתחמים אלה מוטמעים בתוך הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה.

NADH מעביר שני אלקטרונים למתחם I וכתוצאה מכך ארבעה H⁺ יונים שנשאבים על פני הממברנה הפנימית. NADH מתחמצן ל- NAD⁺אשר ממוחזר חזרה ל מחזור קרבס. אלקטרונים מועברים ממתחם I למולקולת נשא ubiquinone (Q), המופחתת לאובוויקינול (QH2). Ubiquinol נושא את האלקטרונים למתחם III.

FADH₂ מעביר אלקטרונים למתחם II והאלקטרונים מועברים לאובוויקינון (Q). Q מצטמצם ל- ubiquinol (QH2), המוביל את האלקטרונים למתחם III. לא ח⁺ יונים מועברים לחלל הבין ממברני בתהליך זה.

מעבר האלקטרונים למתחם III מניע את הובלתם של ארבעה H נוספים⁺ יונים על פני הממברנה הפנימית. QH2 מתחמצן ואלקטרונים מועברים לחלבון אחר הנושא אלקטרונים ציטוכרום C.

ציטוכרום C מעביר אלקטרונים למתחם החלבון הסופי בשרשרת, קומפלקס IV. שני ח⁺ יונים נשאבים על פני הממברנה הפנימית. לאחר מכן מועברים האלקטרונים ממכלול IV לחמצן (O₂) מולקולה, וגורמת להתפצלות המולקולה. אטומי החמצן שנוצרו תופסים במהירות את H⁺ יונים ליצירת שתי מולקולות של מים.

ATP synthase מזיז H⁺ יונים שנשאבו מהמטריצה ​​על ידי שרשרת הובלת האלקטרונים חזרה למטריקס. האנרגיה מהזרם של פרוטונים למטריקס משמש לייצור ATP על ידי זרחן (תוספת פוספט) של ADP. התנועה של יונים על פני הממברנה המיטוכונדריה הניתנת באופן סלקטיבי ודרגתם הדרגתית האלקטרוכימית נקראת כימיומוזיס.

NADH מייצר יותר ATP מאשר FADH₂. עבור כל מולקולת NADH המתחמצן, 10 H⁺ יונים נשאבים לחלל הבין ממברני. זה מניב כשלוש מולקולות ATP. כי FADH₂ נכנס לשרשרת בשלב מאוחר יותר (קומפלקס II), רק שש H⁺ יונים מועברים לחלל הבין ממברני. זה אחראי לשתי מולקולות ATP. בסך הכל נוצרות 32 מולקולות ATP בהובלת אלקטרונים ובזרחן חמצוני.

• "הובלת אלקטרונים במחזור האנרגיה של התא." HyperPhysics, hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/etrans.html.
• Lodish, Harvey, et al. "הובלת אלקטרונים וזרחן חמצוני." ביולוגיה מולקולרית של התא. מהדורה רביעית., הספרייה הלאומית לרפואה בארה"ב, 2000, www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21528/.