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.

Ábra \(\PageIndex{1}\): A sejtlégzés harmadik szakasza a korábbi szakaszok során NADH-ban és FADH\(_2\) tárolt energiát használja fel ATP előállítására. A mitokondrium belső membránjába ágyazott elektrontranszportláncok nagy energiájú elektronokat fognak el a hordozómolekulákból, és arra használják fel őket, hogy hidrogénionokat koncentráljanak a membránközi térben. A hidrogénionok elektrokémiai gradiensükön lefelé áramlanak vissza a mátrixba az ATP-szintáz csatornákon keresztül, amelyek energiájukat az ADP ATP-vé történő átalakítására használják fel. Vegyük észre, hogy a folyamat során NAD\(^+\) regenerálódik, biztosítva a glikolízishez szükséges elektronakceptor molekulát. (CC BY-NC 3.0; Mariana Ruiz Villarreal (LadyofHats) a CK-12 Alapítvány számára).

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”?