15.4: Elektrontransportkedjan

admin

Elektrontransportkedjan: I slutet av Krebscykeln lagras energin från de kemiska bindningarna i glukos i olika energibärarmolekyler: fyra ATP, men också två FADH\(_2\) och tio NADH-molekyler. Den primära uppgiften för det sista steget i cellrespirationen, elektrontransportkedjan, är att överföra energi från elektronbärarna till ännu fler ATP-molekyler, de ”batterier” som driver arbetet i cellen.

Vägarna för att tillverka ATP i steg 3 av aerob respiration påminner mycket om de elektrontransportkedjor som används vid fotosyntesen. I båda elektrontransportkedjorna är energibärarmolekylerna ordnade i sekvens i ett membran så att energibärande elektroner kaskaderar från en till en annan och förlorar lite energi i varje steg. I både fotosyntesen och den aeroba andningen utnyttjas den förlorade energin för att pumpa in vätejoner i ett fack, vilket skapar en elektrokemisk gradient eller kemosmotisk gradient över det omslutande membranet. I båda processerna används den energi som lagras i den kemosmotiska gradienten tillsammans med ATP-syntas för att bygga ATP.

För aerob andning är elektrontransportkedjan eller ”andningskedjan” inbäddad i mitokondriernas inre membran (se figuren nedan). FADH\(_2\) och NADH-molekylerna som produceras i glykolysen och Krebscykeln donerar energirika elektroner till energibärarmolekyler i membranet. När de passerar från en bärare till en annan används den energi de förlorar för att pumpa in vätejoner i det mitokondriella intermembranutrymmet, vilket skapar en elektrokemisk gradient. Vätejoner strömmar ”nedåt” i gradienten – från yttre till inre avdelning – genom jonkanalen/enzymet ATP-syntas, som överför deras energi till ATP. Observera paradoxen att det krävs energi för att skapa och upprätthålla en koncentrationsgradient av vätejoner som sedan används av ATP-syntas för att skapa lagrad energi (ATP). I stora drag krävs det energi för att skapa energi. Att koppla elektrontransportkedjan till ATP-syntesen med en vätejongradient är kemosmos, som först beskrevs av Nobelpristagaren Peter D. Mitchell. Denna process, användningen av energi för att fosforylera ADP och producera ATP, är också känd som oxidativ fosforylering.

Figur \(\PageIndex{1}\): Det tredje steget i cellandningen använder den energi som lagrats under de tidigare stegen i NADH och FADH\(_2\) för att skapa ATP. Elektrontransportkedjor som är inbäddade i mitokondriernas inre membran fångar upp högenergielektroner från bärarmolekylerna och använder dem för att koncentrera vätejoner i intermembranutrymmet. Vätejonerna flödar nerför sin elektrokemiska gradient tillbaka in i matrisen genom ATP-syntaskanaler som fångar upp deras energi för att omvandla ADP till ATP. Lägg märke till att processen regenererar NAD\(^+\), vilket ger den elektronacceptormolekyl som behövs i glykolysen. (CC BY-NC 3.0; Mariana Ruiz Villarreal (LadyofHats) för CK-12 Foundation).

Efter att ha passerat genom elektrontransportkedjan kombineras lågenergielektroner och lågenergivätejoner med syre för att bilda vatten. Syre har alltså till uppgift att driva hela uppsättningen ATP-producerande reaktioner i mitokondrien genom att ta emot ”förbrukade” väteämnen. Syre är den sista elektronacceptorn, ingen del av processen – från Krebscykeln genom elektrontransportkedjan – kan ske utan syre.

Elektrontransportkedjan kan omvandla energin från en glukosmolekyls värde av \(FADH_2\) och \(NADH\) + \(\ce{H^+}\) till så många som 34 ATP. När de fyra ATP som produceras i glykolysen och Krebscykeln läggs till, passar totalt 38 ATP in i den övergripande ekvationen för aerob cellandning:

Aerob andning är avslutad. Om syre finns tillgängligt överför cellandning energin från en glukosmolekyl till 38 ATP-molekyler och släpper ut koldioxid och vatten som avfall. ”Leverbar” livsmedelsenergi har blivit energi som kan användas för arbete inom cellen – transport inom cellen, pumpning av joner och molekyler genom membran och uppbyggnad av stora organiska molekyler. Kan du se hur detta kan leda till ett ”liv i snabbspåret” jämfört med anaerob respiration (enbart glykolys)?