תוֹכֶן
- מהן תגובות Redox?
- היכן ממוקם תגובת שרשרת ההובלה האלקטרונית באוקריוטות?
- איך נראה מיטוכונדריון?
- היכן מתרחשת תגובת ה- ETC בפרוקריוטות?
- מה קורה במהלך שרשרת הובלת האלקטרונים?
- מה הפונקציה של ארבעת המתחמים של ETC?
- מדוע חשובה שרשרת ההובלה האלקטרונית?
- איך החמצן נכנס למיטוכונדריה?
- סקירה כימית של הנשמה סלולרית ו- ETC
- מעכב את מנגנון התחבורה של שרשרת האלקטרונים
מרבית התאים החיים מייצרים אנרגיה מחומרים מזינים דרך נשימה תאית הכרוכה בהטלת חמצן לשחרור אנרגיה. שרשרת הובלת האלקטרונים או ETC הם השלב השלישי והאחרון בתהליך זה, ושני האחרים הם גליקוליזה וה מעגל החומצה הציטרית.
האנרגיה המופקת מאוחסנת בצורה של ATP או אדנוזין טריפוספט, שהוא נוקלאוטיד שנמצא ברחבי אורגניזמים חיים.
מולקולות ה- ATP אוגרות אנרגיה בתוכן קשרי פוספט. ה- ETC הוא השלב החשוב ביותר בנשימה סלולרית מנקודת מבט אנרגטית מכיוון שהוא מייצר את מירב ה- ATP. בסדרה של תגובות redox, אנרגיה משוחררת ומשמשת לחיבור קבוצת פוספט שלישית לדיפוספטפט אדנוזין ליצירת ATP עם שלוש קבוצות פוספט.
כאשר תא זקוק לאנרגיה, הוא מפר את הקשר בקבוצת הפוספט השלישית ומשתמש באנרגיה המתקבלת.
מהן תגובות Redox?
רבות מהתגובות הכימיות של הנשמת תאים הן תגובות רדוקס. אלה אינטראקציות בין חומרים סלולריים הכרוכים בכך צמצום ו חמצון (או redox) בו זמנית. כאשר אלקטרונים מועברים בין מולקולות, מערכת כימיקלים אחת מחמצנת ואילו קבוצה אחרת מצטמצמת.
סדרת תגובות redox מהווה את שרשרת הובלת האלקטרונים.
הכימיקלים המחומצנים הם חומרי הפחתה. הם מקבלים אלקטרונים ומפחיתים את שאר החומרים על ידי נטילת האלקטרונים שלהם. חומרים כימיים אחרים אלו הם חומרי חמצון. הם תורמים אלקטרונים ומחמצנים את הצדדים האחרים בתגובה הכימית של הרדוקס.
כאשר יש סדרה של תגובות כימיות של רדוקס, ניתן להעביר אלקטרונים דרך שלבים מרובים עד שהם בסופו של דבר בשילוב עם גורם ההפחתה הסופי.
היכן ממוקם תגובת שרשרת ההובלה האלקטרונית באוקריוטות?
לתאים של אורגניזמים מתקדמים או אאוקריוטים יש א גרעין ונקראים תאים אוקריוטיים. לתאים אלה ברמה גבוהה יותר יש גם קטנים כרוך-קרום מבנים הנקראים מיטוכונדריה המייצרים אנרגיה לתא. מיטוכונדריה דומים למפעלים קטנים המייצרים אנרגיה בצורה של מולקולות ATP. תגובות שרשרת תחבורה אלקטרונית מתרחשות בתוך המיטוכונדריה.
תלוי בעבודה שהתא עושה, בתאים עשויים להיות פחות או יותר מיטוכונדריה. לתאי שרירים יש לפעמים אלפים מכיוון שהם זקוקים להרבה אנרגיה. לתאי צמחים יש מיטוכונדריה גם כן; הם מייצרים גלוקוזה באמצעות פוטוסינתזה, ואז משתמשים בה בנשימה סלולרית ובסופו של דבר, שרשרת הובלת האלקטרונים במיטוכונדריה.
תגובות ה- ETC מתרחשות על פני הקרום הפנימי של המיטוכונדריה ומחוצה לה. תהליך נשימה אחר של התאים, מעגל החומצה הציטרית, מתרחש בתוך המיטוכונדריה ומספק כמה מהכימיקלים הדרושים לתגובות ETC. ה- ETC משתמש במאפייני ה- קרום מיטוכונדריאלי פנימי לסנתז מולקולות ATP.
איך נראה מיטוכונדריון?
מיטוכונדריון הוא זעיר וקטן בהרבה מתא. כדי לראות אותו כראוי ולחקר את מבנהו, נדרש מיקרוסקופ אלקטרונים בהגדלה של כמה אלפי פעמים. תמונות ממיקרוסקופ האלקטרונים מראות שלמיטוכונדריון יש קרום חיצוני חלק ומוארך מקופל בכבדות קרום פנימי.
קפלי הממברנה הפנימית מעוצבים כמו אצבעות ומגיעים עמוק אל תוך פנים המיטוכונדריון. החלק הפנימי של הממברנה הפנימית מכיל נוזל הנקרא מטריצה, ובין הממברנות הפנימיות והחיצוניות נמצא אזור מלא נוזלים צמיגיים הנקרא מרחב בין-ממברני.
מחזור חומצות לימון מתרחש במטריקס, והוא מייצר חלק מהתרכובות המשמשות את ה- ETC. ה- ETC לוקח אלקטרונים מתרכובות אלה ומחזיר את המוצרים למעגל חומצות לימון. קפלי הממברנה הפנימית מעניקים לו שטח פנים גדול עם הרבה מקום לתגובות שרשרת הובלה אלקטרונית.
היכן מתרחשת תגובת ה- ETC בפרוקריוטות?
מרבית האורגניזמים בתא יחיד הם פרוקריוטות, כלומר התאים חסרים גרעין. לתאים הפרוקריוטים הללו מבנה פשוט עם דופן התא וממברנות התא המקיפים את התא ושולטים על מה שנכנס לתא ומחוצה לו. בתאים פרוקריוטיים חסרים מיטוכונדריה ואחרים אברונים הקשורים לקרום. במקום זאת, ייצור אנרגיית התא מתרחש בכל התא.
חלק מהתאים הפרוקריוטים כמו אצות ירוקות יכולים לייצר גלוקוז מפוטוסינתזה, בעוד שאחרים צורכים חומרים המכילים גלוקוז. לאחר מכן משמש הגלוקוז כמזון לייצור אנרגיית תאים באמצעות הנשמת תאים.
מכיוון שלתאים אלה אין מיטוכונדריה, תגובת ה- ETC בסוף הנשימה של התא צריכה להתרחש על קרום התא ומעבר לרוחב הממוקם ממש בתוך דופן התא.
מה קורה במהלך שרשרת הובלת האלקטרונים?
ה- ETC משתמש באלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה מכימיקלים המיוצרים על ידי מחזור חומצות לימון ומעביר אותם דרך ארבעה צעדים לרמת אנרגיה נמוכה. האנרגיה מתגובות כימיות אלה רגילה פרוטוני משאבה על פני קרום. פרוטונים אלה מתפזרים אז בחזרה דרך הממברנה.
עבור תאים פרוקריוטים, חלבונים נשאבים על פני קרומי התא המקיפים את התא. עבור תאים אוקריוטיים עם מיטוכונדריה, הפרוטונים נשאבים על פני הממברנה המיטוכונדריה הפנימית מהמטריצה לחלל הבין ממברני.
תורמי אלקטרונים כימיים כוללים נאד ו FADH בעוד שמקבל האלקטרונים הסופי הוא חמצן. הכימיקלים NAD ו- FAD מוחזרים למחזור חומצות לימון ואילו החמצן משתלב עם מימן ליצירת מים.
הפרוטונים שנשאבים על פני הממברנות יוצרים א שיפוע פרוטון. השיפוע מייצר כוח-מניע של פרוטון המאפשר לפרוטונים לנוע אחורה דרך הממברנות. תנועת פרוטון זו מפעילה סינתזת ATP ויוצרת מולקולות ATP מ- ADP. התהליך הכימי הכולל נקרא זרחן חמצוני.
מה הפונקציה של ארבעת המתחמים של ETC?
ארבעה מתחמים כימיים מהווים את שרשרת הובלת האלקטרונים. יש להם את הפונקציות הבאות:
בסוף תהליך זה, מפל הפרוטון מיוצר על ידי כל פרוטונים שאיבת מורכבים על פני הממברנות. התוצאה כוח-פרוטון שואב את הפרוטונים דרך הממברנות דרך מולקולות ה- ATP synthase.
כאשר הם חוצים למטריקס המיטוכונדריאלי או לחלל הפנימי של התא הפרוקריוטי, פעולת הפרוטונים מאפשרת למולקולת ה- ATP synthase להוסיף קבוצת פוספט למולקולת ADP או מולקולת אדנוזין דו-פוספט. ADP הופך ל- ATP או אדנוזין טריפוספט, והאנרגיה נשמרת בקישור הפוספט הנוסף.
מדוע חשובה שרשרת ההובלה האלקטרונית?
כל אחד משלושת שלבי הנשימה הסלולריים משלב בתוכו תהליכי תא חשובים, אך ה- ETC מייצר ללא ספק את ה- ATP המרבית. מכיוון שייצור אנרגיה הוא אחד מתפקידי המפתח של הנשמת תאים, ATP הוא השלב החשוב ביותר מבחינה זו.
שם מייצר תעודת הסל עד 34 מולקולות של ATP ממוצרי מולקולת גלוקוז אחת מחזור חומצות לימון מייצר שניים, וגליקוליזה מייצרת ארבע מולקולות ATP אך משתמשת בשתיים מהן.
פונקציית המפתח האחרת של ETC היא ייצור נאד ו FAD מ- NADH ו- FADH בשני המתחמים הכימיים הראשונים. תוצרי התגובות במתחם ETC מורכבים I וקומפלקס II הם מולקולות NAD ו- FAD הנדרשות במחזור חומצות לימון.
כתוצאה מכך מחזור חומצות לימון תלוי ב- ETC. מכיוון שה- ETC יכול להתקיים רק בנוכחות חמצן, הפועל כקולט האלקטרונים הסופי, מחזור הנשימה של התא יכול לפעול רק באופן מלא כאשר האורגניזם תופס חמצן.
איך החמצן נכנס למיטוכונדריה?
כל האורגניזמים המתקדמים זקוקים לחמצן בכדי לשרוד. יש בעלי חיים נושמים חמצן מהאוויר בעוד שלבעלי מים יתכן זימים או לספוג חמצן דרך שלהם עורות.
אצל בעלי חיים גבוהים יותר, תאי הדם האדומים סופגים חמצן ב ריאות ולהוציא אותו לגוף. עורקים ואז נימים זעירים מפיצים את החמצן בכל רקמות הגוף.
ככל שמיטוכונדריה מנצלת חמצן ליצירת מים, חמצן מתפזר מתאי הדם האדומים. מולקולות חמצן נעות על פני קרומי התא ולתוך פנים התא. כאשר מולקולות החמצן הקיימות בשימוש, מולקולות חדשות תופסות את מקומן.
כל עוד יש מספיק חמצן, המיטוכונדריה יכולות לספק את כל האנרגיה הדרושה לתא.
סקירה כימית של הנשמה סלולרית ו- ETC
גלוקוז הוא א פחמימות שכאשר מתחמצן מייצר פחמן דו חמצני ומים. במהלך תהליך זה מוזנים אלקטרונים לשרשרת הובלת האלקטרונים.
זרימת האלקטרונים משמשת קומפלקסים חלבוניים בממברנות המיטוכונדריה או התא להובלת יוני מימן, H + על פני הממברנות. נוכחותם של יותר יוני מימן מחוץ לקרום מאשר בפנים יוצרת חוסר איזון pH עם פתרון חומצי יותר מחוץ לקרום.
כדי לאזן את החומציות, יוני המימן זורמים חזרה על פני הממברנה דרך מתחם החלבון הסינתזה ATP, ומניע את היווצרות מולקולות ATP. האנרגיה הכימית שנקטפת מהאלקטרונים משתנה לצורה אלקטרוכימית של אנרגיה המאוחסנת בדרגת יון מימן.
כאשר האנרגיה האלקטרוכימית משתחררת דרך זרימת יוני המימן או הפרוטונים דרך מתחם הסינתזה ATP, היא משתנה ל אנרגיה ביוכימית בצורה של ATP.
מעכב את מנגנון התחבורה של שרשרת האלקטרונים
תגובות ה- ETC הן דרך יעילה ביותר לייצר ולאגור אנרגיה לתא לשימוש בתנועתו, בהתרבותו ובהישרדותו. כאשר אחת מסדרות התגובות נחסמת, ה- ETC כבר לא מתפקד, ותאים המסתמכים עליו מתים.
לחלק מהפרוקריוטים יש דרכים לייצור אנרגיה חלופיות על ידי שימוש בחומרים שאינם חמצן כמקבל האלקטרונים הסופי, אך תאים אוקיוטריים תלויים בזרחן חמצוני ושרשרת הובלת האלקטרונים לצרכי האנרגיה שלהם.
חומרים שיכולים לעכב את פעולת ETC יכולים חסום תגובות רדוקס, לעכב העברת פרוטון או לשנות אנזימי מפתח. אם חסום שלב רדוקס, העברת האלקטרונים נעצרת והחמצון ממשיך לרמות גבוהות בקצה החמצן תוך הפחתה נוספת מתרחשת בתחילת השרשרת.
כאשר לא ניתן להעביר פרוטונים על פני הממברנות או אנזימים כמו ATP synthase מושברים, ייצור ה- ATP מפסיק.
בשני המקרים, פונקציות התא מתפרקות והתא מת.
חומרים מבוססי צמח כגון רוטנון, תרכובות כגון ציאניד ואנטיביוטיקה כמו אנטימיצין ניתן להשתמש בו כדי לעכב את תגובת ה- ETC ולהביא למוות ממוקד של תאים.
לדוגמה, רוטנון משמש כחומר הדברה, ואנטיביוטיקה משמשת להרגת חיידקים. כאשר יש צורך לשלוט על התפשטות וגדילה של האורגניזם, ניתן לראות את ה- ETC כנקודת התקפה חשובה. שיבוש תפקודו מונע מהתא את האנרגיה הדרושה לו כדי לחיות.