15.4: Az elektrontranszportlánc
Az elektrontranszportlánc: A Krebs-ciklus végén a glükóz kémiai kötéseiből származó energia különféle energiahordozó molekulákban tárolódik: négy ATP-ben, de két FADH\(_2\) és tíz NADH molekulában is. A sejtlégzés utolsó szakaszának, az elektrontranszportláncnak az az elsődleges feladata, hogy az elektronhordozókból származó energiát még több ATP-molekulába, a sejtben folyó munkát működtető “akkumulátorokba” juttassa.
Az ATP előállításának útjai az aerob légzés 3. szakaszában nagyon hasonlítanak a fotoszintézisben használt elektrontranszportláncokhoz. Mindkét elektrontranszportláncban az energiahordozó molekulák sorrendben helyezkednek el egy membránon belül úgy, hogy az energiahordozó elektronok kaszkádszerűen haladnak egyikről a másikra, minden egyes lépésben egy kis energiát veszítve. Mind a fotoszintézisben, mind az aerob légzésben az elveszített energiát arra használják fel, hogy hidrogénionokat pumpáljanak egy rekeszbe, elektrokémiai gradienst vagy kemozmotikus gradienst hozva létre a körülvevő membránon keresztül. És mindkét folyamatban a kemozmotikus gradiensben tárolt energiát az ATP-szintázzal ATP előállítására használják fel.
Aerob légzésnél az elektrontranszportlánc vagy “légzési lánc” a mitokondrium belső membránjába van beágyazva (lásd az alábbi ábrát). A glikolízis és a Krebs-ciklus során keletkező FADH\(_2\) és NADH molekulák nagy energiájú elektronokat adnak a membránon belüli energiahordozó molekuláknak. Ahogy átkerülnek egyik hordozóról a másikra, az általuk elveszített energiát arra használják fel, hogy hidrogénionokat pumpáljanak a mitokondrium intermembrán terébe, elektrokémiai gradienst létrehozva. A hidrogénionok “lefelé” áramlanak a gradiensben – a külső térből a belső térbe – az ioncsatornán/az ATP-szintáz enzimen keresztül, amely energiájukat ATP-vé alakítja át. Vegyük észre azt a paradoxont, hogy a hidrogénionok koncentrációs gradiensének létrehozásához és fenntartásához energiára van szükség, amelyet az ATP-szintáz a tárolt energia (ATP) előállítására használ fel. Általánosságban elmondható, hogy az energia előállításához energiára van szükség. Az elektrontranszportlánc és az ATP-szintézis összekapcsolása hidrogénion-gradienssel a kemozmózis, amelyet először a Nobel-díjas Peter D. Mitchell írt le. Ezt a folyamatot, az energia felhasználását az ADP foszforilálásához és az ATP előállításához oxidatív foszforilációnak is nevezik.
Az elektrontranszportláncon való áthaladás után az alacsony energiájú elektronok és az alacsony energiájú hidrogénionok oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az oxigén szerepe tehát az, hogy a mitokondriumon belül az “elhasznált” hidrogének befogadásával az ATP-termelő reakciók egész sorát irányítsa. Az oxigén a végső elektronakceptor, a folyamat egyetlen része – a Krebs-ciklustól az elektrontranszportláncon keresztül – sem történhet oxigén nélkül.
Az elektrontranszportlánc képes egy glükózmolekula \(FADH_2\) és \(NADH\) + \(\(\ce{H^+}\) energiáját akár 34 ATP-vé alakítani. Ha hozzáadjuk a glikolízisben és a Krebs-ciklusban keletkező négy ATP-t, akkor az összesen 38 ATP megfelel az aerob sejtlégzés általános egyenletének:
\
Aerob légzés befejeződött. Ha oxigén áll rendelkezésre, a sejtlégzés az egy molekula glükózból származó energiát 38 molekula ATP-vé alakítja át, miközben hulladékként szén-dioxid és víz szabadul fel. A “szállítható” táplálék energiája olyan energiává vált, amelyet a sejten belüli munkára – a sejten belüli szállításra, az ionok és molekulák membránokon keresztüli pumpálására és a nagy szerves molekulák felépítésére – lehet felhasználni. Látja, hogy ez hogyan vezethet az anaerob légzéshez (csak a glikolízishez) képest “élethez a gyorsítósávban”?