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Elektronentransportkette und Energieerzeugung

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

Es ist der dritte Schritt der aeroben Zellatmung. Zellatmung ist der Begriff dafür, wie die Zellen Ihres Körpers Energie aus der aufgenommenen Nahrung gewinnen. In der Elektronentransportkette werden die meisten Energiezellen erzeugt, die zum Betrieb benötigt werden. Diese „Kette“ ist eigentlich eine Reihe von Proteinkomplexen und Elektronenträgermolekülen in der inneren Membran von Zellmitochondrien. die auch als Kraftwerk der Zelle bekannt sind.

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

Wichtige Imbissbuden: Elektronentransportkette

  • Die Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe von Proteinkomplexen und Elektronenträgermolekülen in der inneren Membran von Mitochondrien , die ATP für Energie erzeugen.
  • Elektronen werden entlang der Kette von Proteinkomplex zu Proteinkomplex geleitet, bis sie an Sauerstoff abgegeben werden. Während des Durchgangs von Elektronen werden Protonen aus der mitochondrialen Matrix über die innere Membran in den Zwischenmembranraum gepumpt .
  • Die Akkumulation von Protonen im Intermembranraum erzeugt einen elektrochemischen Gradienten, der bewirkt, dass Protonen durch die ATP-Synthase den Gradienten hinunter und zurück in die Matrix fließen. Diese Bewegung der Protonen liefert die Energie für die Produktion von ATP.
  • Die Elektronentransportkette ist der dritte Schritt der aeroben Zellatmung . Glykolyse und Krebszyklus sind die ersten beiden Schritte der Zellatmung.

 

Wie Energie erzeugt wird

Wenn sich Elektronen entlang einer Kette bewegen, wird die Bewegung oder der Impuls verwendet, um Adenosintriphosphat (ATP) zu erzeugen  . ATP ist die Hauptenergiequelle für viele zelluläre Prozesse, einschließlich Muskelkontraktion und Zellteilung .

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

Während des Zellstoffwechsels wird Energie freigesetzt, wenn ATP hydrolysiert wird. Dies geschieht, wenn Elektronen entlang der Kette von Proteinkomplex zu Proteinkomplex geleitet werden, bis sie an sauerstoffbildendes Wasser abgegeben werden. ATP zersetzt sich chemisch zu Adenosindiphosphat (ADP) durch Reaktion mit Wasser. 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 Membran. in den Zwischenmembranraum (Kompartiment zwischen dem ) gepumpt  innere und äußere Membranen). 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 Intermembranraum gepumpt werden, baut sich die höhere Konzentration an Wasserstoffatomen auf und fließt zur Matrix zurück, wodurch gleichzeitig die ATP-Produktion durch die Proteinkomplex-ATP-Synthase angetrieben wird.

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

 

Die ersten Schritte der Zellatmung

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. Normalen / iStock / Getty Images Plus

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

Der zweite Schritt, der als Zitronensäurezyklus oder Krebszyklus bezeichnet wird, besteht darin, dass Pyruvat über die äußere und innere Mitochondrienmembran in die Mitochondrienmatrix transportiert wird. Pyruvat wird im Krebszyklus weiter oxidiert, wobei zwei weitere ATP-Moleküle sowie NADH- und FADH 2 -Moleküle entstehen. Elektronen von NADH und FADH 2 werden in den dritten Schritt der Zellatmung, die Elektronentransportkette, übertragen.

 

Proteinkomplexe in der Kette

Es gibt vier Proteinkomplexe  , die Teil der Elektronentransportkette sind und Elektronen durch die Kette leiten. Eine fünfte Protein Komplex dient zum Transport Wasserstoffionen in die Matrix zurück. Diese Komplexe sind in die innere Mitochondrienmembran eingebettet.

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

 

Komplex I.

NADH überträgt zwei Elektronen auf den Komplex I, was dazu führt, dass vier H + -Ionen über die innere Membran gepumpt werden. NADH wird zu NAD + oxidiert , das in den Krebszyklus zurückgeführt wird. Elektronen werden vom Komplex I auf ein Trägermolekül Ubichinon (Q) übertragen, das zu Ubichinol (QH2) reduziert wird. Ubichinol transportiert die Elektronen zum Komplex III.

 

Komplex II

FADH 2 überträgt Elektronen auf Komplex II und die Elektronen werden an Ubichinon (Q) weitergeleitet. Q wird zu Ubichinol (QH2) reduziert, das die Elektronen zum Komplex III transportiert. Dabei werden keine H + -Ionen in den Zwischenmembranraum transportiert.

 

Komplex III

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

 

Komplex IV

Cytochrom C leitet Elektronen an den endgültigen Proteinkomplex in der Kette, Komplex IV, weiter. Zwei H + -Ionen werden durch die innere Membran gepumpt. Die Elektronen werden dann vom Komplex IV zu einem Sauerstoffmolekül (O 2 ) geleitet, wodurch sich das Molekül spaltet. Die resultierenden Sauerstoffatome greifen schnell nach H + -Ionen und bilden zwei Wassermoleküle.

 

ATP-Synthase

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

NADH erzeugt mehr ATP als FADH 2 . Für jedes oxidierte NADH-Molekül werden 10 H + -Ionen in den Intermembranraum gepumpt. Dies ergibt ungefähr drei ATP-Moleküle. Da FADH 2 zu einem späteren Zeitpunkt in die Kette eintritt (Komplex II), werden nur sechs H + -Ionen in den Intermembranraum übertragen. Dies macht etwa zwei ATP-Moleküle aus. Beim Elektronentransport und der oxidativen Phosphorylierung werden insgesamt 32 ATP-Moleküle erzeugt.

 

Quellen

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

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