21.8: Електронно-транспортний ланцюг та виробництво АТФ

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 21.7: Цикл лимонної кислоти
- 22: Вуглеводний обмін

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Результати навчання

Узагальнити ланцюг транспорту електронів.
Визнайте, що ланцюг транспорту електронів є третьою і завершальною стадією аеробного клітинного дихання.
Визначте продукти циклу лимонної кислоти.

Що спільного між поїздами, вантажівками, човнами та літаками? Вони є способами транспортування. І всі вони використовують багато енергії. Щоб зробити АТФ, енергію необхідно «транспортувати» - спочатку від глюкози до НАДГ, а потім якимось чином переходити на АТФ. Як це робиться? З ланцюгом транспортування електронів третя стадія аеробного дихання. Цей третій етап використовує енергію для отримання енергії.

Ланцюг транспорту електронів: АТФ для життя на швидкій смузі

В кінці циклу Кребса енергія з хімічних зв'язків глюкози зберігається в різноманітних молекулах енергоносія: чотирьох АТФ, але також двох молекулах FADH $_2$ і десяти NADH. Першочерговим завданням останнього етапу клітинного дихання, ланцюга транспорту електронів, є передача енергії від носіїв електронів до ще більшої кількості молекул АТФ, «батарейок», які працюють всередині клітини.

Шляхи виготовлення АТФ на 3 стадії аеробного дихання дуже нагадують ланцюги транспортування електронів, що використовуються в фотосинтезі. В обох ланцюгах транспортування електронів молекули енергоносія розташовані послідовно всередині мембрани так, що енергонесучі електрони каскадуються від однієї до іншої, втрачаючи трохи енергії на кожному кроці. Як при фотосинтезі, так і в аеробному диханні втрачена енергія використовується для перекачування іонів водню в відсік, створюючи електрохімічний градієнт або хеміосмотичний градієнт через огороджувальну мембрану. І в обох процесах енергія, що зберігається в хеміосмотичному градієнті, використовується з АТФ-синтазою для побудови АТФ.

Для аеробного дихання ланцюг транспорту електронів або «дихальний ланцюг» вбудована у внутрішню мембрану мітохондрій (див. Малюнок нижче). Молекули FADH $_2$ та NADH, що утворюються в гліколізі та циклі Кребса, передають електрони високої енергії молекулам енергоносія всередині мембрани. У міру переходу від одного носія до іншого енергія, яку вони втрачають, використовується для перекачування іонів водню в міжмембранний простір мітохондрій, створюючи електрохімічний градієнт. Іони водню стікають «вниз» по градієнту - з зовнішнього у внутрішній відсік - через іонний канал/фермент АТФ-синтази, який передає свою енергію АТФ. Зверніть увагу на парадокс, що потрібна енергія для створення та підтримки градієнта концентрації іонів водню, які потім використовуються АТФ-синтазою для створення накопиченої енергії (АТФ). У широкому сенсі потрібна енергія, щоб зробити енергію. Зв'язок ланцюга транспорту електронів з синтезом АТФ з градієнтом іонів водню - це хеміосмос, вперше описаний нобелівським лауреатом Пітером Мітчеллом. Цей процес, використання енергії для фосфорилювання АДФ та отримання АТФ також відомий як окислювальне фосфорилювання.

Пройшовши через ланцюг транспорту електронів, низькоенергетичні електрони та низькоенергетичні іони водню поєднуються з киснем, утворюючи воду. Таким чином, роль кисню полягає в тому, щоб керувати всією сукупністю реакцій, що продукують АТФ всередині мітохондріона, приймаючи «відпрацьовані» водні. Кисень є кінцевим акцептором електронів, жодна частина процесу - з циклу Кребса через ланцюг транспорту електронів - не може відбуватися без кисню.

Ланцюг транспорту електронів може перетворити енергію від вартості однієї молекули глюкози $FADH_2$ і $NADH$ + $\ce{H^+}$ в цілих 34 АТФ. Коли чотири АТФ, що утворюються при гліколізі та циклі Кребса, додаються, загальна кількість АТФ 38 відповідає загальному рівнянню аеробного клітинного дихання:

$\ce{6O2} + \underbrace{\ce{C6H12O6}}_{\text{stored chemical energy}} + \ce{38 ADP} + \text{39 P}_\text{i} \rightarrow \underbrace{\ce{38 ATP}}_{\text{stored chemical energy}} + \ce{6CO2} + \ce{6 H2O}$

Аеробне дихання повне. При наявності кисню клітинне дихання передає енергію від однієї молекули глюкози до 38 молекул АТФ, виділяючи вуглекислий газ і воду як відходи. «Доставною» харчовою енергією стала енергія, яка може бути використана для роботи всередині клітини - транспортування всередині клітини, перекачування іонів і молекул через мембрани і побудова великих органічних молекул. Чи можете ви бачити, як це може призвести до «життя у швидкій смузі» порівняно з анаеробним диханням (лише гліколіз)?