La maggior parte delle cellule viventi produce energia dai nutrienti attraverso la respirazione cellulare che comporta l'assunzione di ossigeno per rilasciare energia. La catena di trasporto degli elettroni o ETC è il terzo e ultimo stadio di questo processo, gli altri due sono la glicolisi e il ciclo dell'acido citrico.
L'energia prodotta viene immagazzinata sotto forma di ATP o adenosina trifosfato, che è un nucleotide trovato in tutti gli organismi viventi.
Le molecole di ATP immagazzinano energia nei loro legami fosfatici. L'ETC è lo stadio più importante della respirazione cellulare dal punto di vista energetico perché produce il più ATP. In una serie di reazioni redox, l'energia viene liberata e utilizzata per collegare un terzo gruppo fosfato all'adenosina difosfato per creare ATP con tre gruppi fosfato.
Quando una cellula ha bisogno di energia, rompe il legame del terzo gruppo fosfato e usa l'energia risultante.
Quali sono le reazioni redox?
Molte delle reazioni chimiche della respirazione cellulare sono reazioni redox. Queste sono interazioni tra sostanze cellulari che comportano contemporaneamente riduzione e ossidazione (o redox). Man mano che gli elettroni vengono trasferiti tra le molecole, un insieme di sostanze chimiche viene ossidato mentre un altro insieme viene ridotto.
Una serie di reazioni redox costituisce la catena di trasporto degli elettroni.
Le sostanze chimiche ossidate si stanno riducendo agenti. Accettano gli elettroni e riducono le altre sostanze prendendo i loro elettroni. Queste altre sostanze chimiche sono agenti ossidanti. Donano elettroni e ossidano le altre parti nella reazione chimica redox.
Quando si verificano una serie di reazioni chimiche redox, gli elettroni possono essere trasmessi attraverso più stadi fino a quando non si combinano con l'agente riducente finale .
Dove si trova la reazione a catena del trasporto di elettroni negli eucarioti?
Le cellule degli organismi avanzati o eucarioti hanno un nucleo e sono chiamate cellule eucariotiche. Queste cellule di livello superiore hanno anche piccole strutture legate alla membrana chiamate mitocondri che producono energia per la cellula. I mitocondri sono come piccole fabbriche che generano energia sotto forma di molecole di ATP. Le reazioni a catena del trasporto di elettroni avvengono all'interno dei mitocondri.
A seconda del lavoro svolto dalla cellula, le cellule possono avere più o meno mitocondri. Le cellule muscolari a volte ne hanno migliaia perché hanno bisogno di molta energia. Anche le cellule vegetali hanno mitocondri; producono glucosio attraverso la fotosintesi, e quindi quello viene utilizzato nella respirazione cellulare e, infine, nella catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri.
Le reazioni dell'ETC avvengono sopra e attraverso la membrana interna dei mitocondri. Un altro processo di respirazione cellulare, il ciclo dell'acido citrico, si svolge all'interno dei mitocondri e fornisce alcune delle sostanze chimiche necessarie alle reazioni ETC. L'ETC utilizza le caratteristiche della membrana mitocondriale interna per sintetizzare le molecole di ATP.
Che aspetto ha un mitocondrio?
Un mitocondrio è minuscolo e molto più piccolo di una cellula. Per vederlo correttamente e studiarne la struttura, è necessario un microscopio elettronico con un ingrandimento di diverse migliaia di volte. Le immagini dal microscopio elettronico mostrano che il mitocondrio ha una membrana esterna liscia e allungata e una membrana interna fortemente piegata.
Le pieghe della membrana interna sono sagomate come dita e raggiungono in profondità l'interno del mitocondrio. L'interno della membrana interna contiene un fluido chiamato matrice, e tra le membrane interna ed esterna c'è una regione piena di liquido viscoso chiamata spazio intermembrana.
Il ciclo dell'acido citrico si svolge nella matrice e produce alcuni dei composti utilizzati dall'ETC. L'ETC prende elettroni da questi composti e riporta i prodotti al ciclo dell'acido citrico. Le pieghe della membrana interna le conferiscono un'ampia superficie con molto spazio per le reazioni a catena del trasporto di elettroni.
Dove si svolge la reazione ETC nei procarioti?
La maggior parte degli organismi a cellula singola sono procarioti, il che significa le cellule mancano di un nucleo. Queste cellule procariotiche hanno una struttura semplice con una parete cellulare e membrane cellulari che circondano la cellula e controllano ciò che entra e esce dalla cellula. Le cellule procariotiche mancano di mitocondri e altri organelli legati alla membrana. Invece, la produzione di energia cellulare avviene in tutta la cellula.
Alcune cellule procariotiche come le alghe verdi possono produrre glucosio dalla fotosintesi, mentre altre ingeriscono sostanze che contengono glucosio. Il glucosio viene quindi utilizzato come alimento per la produzione di energia cellulare attraverso la respirazione cellulare.
Poiché queste cellule non hanno mitocondri, la reazione ETC al termine della respirazione cellulare deve avvenire sopra e attraverso le membrane cellulari situate proprio all'interno della parete cellulare.
Cosa succede durante la catena di trasporto degli elettroni?
L'ETC utilizza elettroni ad alta energia da sostanze chimiche prodotte dal ciclo dell'acido citrico e li porta attraverso quattro fasi a un livello di energia basso. L'energia di queste reazioni chimiche viene utilizzata per pompare i protoni attraverso una membrana. Questi protoni si diffondono nuovamente attraverso la membrana.
Per le cellule procariotiche, le proteine vengono pompate attraverso le membrane cellulari che circondano la cellula. Per le cellule eucariotiche con mitocondri, i protoni vengono pompati attraverso la membrana mitocondriale interna dalla matrice nello spazio intermembrana.
I donatori di elettroni chimici includono NADH e FADH mentre l'accettore di elettroni finale è l'ossigeno. Le sostanze chimiche NAD e FAD vengono restituite al ciclo dell'acido citrico mentre l'ossigeno si combina con l'idrogeno per formare l'acqua.
I protoni pompati attraverso le membrane creano un gradiente di protoni. Il gradiente produce una forza motrice protonica che consente ai protoni di tornare indietro attraverso le membrane. Questo movimento di protoni attiva l'ATP sintasi e crea molecole di ATP dall'ADP. L'intero processo chimico è chiamato fosforilazione ossidativa.
Qual è la funzione dei quattro complessi dell'ETC?
Quattro complessi chimici formano la catena di trasporto degli elettroni. Hanno le seguenti funzioni:
Alla fine di questo processo, il gradiente del protone viene prodotto da ciascun complesso di protoni di pompaggio attraverso le membrane. La forza motrice protonica che ne risulta attira i protoni attraverso le membrane attraverso le molecole sintasi ATP.
Mentre attraversano la matrice mitocondriale o l'interno della cellula procariotica, l'azione dei protoni consente alla molecola ATP sintasi di aggiungere un gruppo fosfato a una molecola di ADP o adenosina difosfato. L'ADP diventa ATP o adenosina trifosfato e l'energia viene immagazzinata nel legame extra fosfato.
Perché la catena di trasporto degli elettroni è importante?
Ognuna delle tre fasi della respirazione cellulare incorpora importanti processi cellulari, ma l'ETC produce di gran lunga il più ATP. Poiché la produzione di energia è una delle funzioni chiave della respirazione cellulare, l'ATP è la fase più importante da quel punto di vista.
Laddove l'ETC produce fino a 34 molecole di ATP dai prodotti di una molecola di glucosio, il il ciclo dell'acido citrico ne produce due e la glicolisi produce quattro molecole di ATP ma ne consuma due.
L'altra funzione chiave dell'ETC è quella di produrre NAD e FAD da NADH e FADH nei primi due complessi chimici. I prodotti delle reazioni nel complesso I dell'ETC e nel complesso II sono le molecole NAD e FAD richieste nel ciclo dell'acido citrico.
Di conseguenza, il ciclo dell'acido citrico dipende dall'ETC. Poiché l'ETC può avvenire solo in presenza di ossigeno, che funge da accettore finale di elettroni, il ciclo di respirazione cellulare può funzionare pienamente solo quando l'organismo assorbe ossigeno.
Come entra l'ossigeno nei mitocondri? >
Tutti gli organismi avanzati hanno bisogno di ossigeno per sopravvivere. Alcuni animali respirano ossigeno dall'aria mentre gli animali acquatici possono avere branchie o assorbire ossigeno attraverso la pelle.
Negli animali superiori, i globuli rossi assorbono l'ossigeno nei polmoni e lo trasportano nel corpo. Le arterie e poi i piccoli capillari distribuiscono l'ossigeno in tutti i tessuti del corpo.
Mentre i mitocondri consumano ossigeno per formare l'acqua, l'ossigeno si diffonde dai globuli rossi. Le molecole di ossigeno viaggiano attraverso le membrane cellulari e all'interno della cellula. Man mano che le molecole di ossigeno esistenti vengono esaurite, le nuove molecole prendono il loro posto.
Finché c'è abbastanza ossigeno presente, i mitocondri possono fornire tutta l'energia di cui le cellule hanno bisogno.
Una panoramica chimica della respirazione cellulare e ETC
Il glucosio è un carboidrato che, se ossidato, produce anidride carbonica e acqua. Durante questo processo, gli elettroni vengono immessi nella catena di trasporto degli elettroni.
Il flusso di elettroni viene utilizzato dai complessi proteici nelle membrane mitocondriali o cellulari per trasportare ioni idrogeno, H +, attraverso le membrane. La presenza di più ioni idrogeno all'esterno di una membrana che all'interno crea uno squilibrio del pH con una soluzione più acida all'esterno della membrana.
Per bilanciare il pH, gli ioni idrogeno ritornano attraverso la membrana attraverso il complesso proteico ATP sintasi, guidando la formazione di molecole di ATP. L'energia chimica raccolta dagli elettroni viene cambiata in una forma elettrochimica di energia immagazzinata nel gradiente degli ioni idrogeno.
Quando l'energia elettrochimica viene rilasciata attraverso il flusso degli ioni idrogeno o dei protoni attraverso il complesso sintasi ATP, esso viene trasformato in energia biochimica sotto forma di ATP.
Inibizione del meccanismo di trasporto a catena di elettroni
Le reazioni ETC sono un modo altamente efficiente di produrre e immagazzinare energia per la cellula da utilizzare nel suo movimento, riproduzione e sopravvivenza. Quando una delle serie di reazioni viene bloccata, l'ETC non funziona più e le cellule che si basano su di essa muoiono.
Alcuni procarioti hanno modi alternativi di produrre energia usando sostanze diverse dall'ossigeno come accettore finale di elettroni, ma le cellule eucariotiche dipendono dalla fosforilazione ossidativa e dalla catena di trasporto degli elettroni per i loro bisogni energetici.
Le sostanze che possono inibire l'azione dell'ETC possono bloccare le reazioni redox, inibire il trasferimento di protoni o modificare gli enzimi chiave. Se viene bloccato un passaggio redox, il trasferimento degli elettroni si interrompe e l'ossidazione procede a livelli elevati sull'estremità dell'ossigeno mentre un'ulteriore riduzione avviene all'inizio della catena.
Quando i protoni non possono essere trasferiti attraverso le membrane o enzimi come l'ATP sintasi sono degradati, la produzione di ATP si interrompe.
In entrambi i casi, le funzioni cellulari si rompono e la cellula muore.
Sostanze a base vegetale come il rotenone, composti come poiché il cianuro e gli antibiotici come l'antimicina possono essere usati per inibire la reazione ETC e provocare la morte cellulare mirata.
Ad esempio, il rotenone è usato come insetticida e gli antibiotici sono usati per uccidere i batteri. Quando è necessario controllare la proliferazione e la crescita dell'organismo, l'ETC può essere visto come un prezioso punto di attacco. L'interruzione della sua funzione priva la cellula dell'energia di cui ha bisogno per vivere.
