Spiegazione della catena di trasporto degli elettroni e della produzione di energia

In biologia cellulare, il catena di trasporto degli elettroni è uno dei passaggi nei processi della tua cellula che producono energia dai cibi che mangi. 

È il terzo passo della respirazione cellulare aerobica. La respirazione cellulare è il termine per il modo in cui le cellule del tuo corpo producono energia dal cibo consumato. La catena di trasporto degli elettroni è il punto in cui viene generata la maggior parte delle celle di energia necessarie per operare. Questa "catena" è in realtà una serie di complessi proteici e molecole portatrici di elettroni all'interno della membrana interna dei mitocondri cellulari, nota anche come centrale elettrica delle cellule.

L'ossigeno è necessario per la respirazione aerobica poiché la catena termina con la donazione di elettroni all'ossigeno. 

Key Takeaways: catena di trasporto degli elettroni

• La catena di trasporto degli elettroni è una serie di complessi proteici e molecole portatrici di elettroni all'interno della membrana interna di mitocondri che generano ATP per l'energia.
• Gli elettroni vengono fatti passare lungo la catena dal complesso proteico al complesso proteico fino a quando non vengono donati all'ossigeno. Durante il passaggio degli elettroni, i protoni vengono pompati fuori dal matrice mitocondriale attraverso la membrana interna e nello spazio intermembrana.
• L'accumulo di protoni nello spazio intermembrana crea un gradiente elettrochimico che fa sì che i protoni scorrano lungo il gradiente e ritornino nella matrice attraverso la sintasi ATP. Questo movimento di protoni fornisce l'energia per la produzione di ATP.
• La catena di trasporto degli elettroni è il terzo passo di respirazione cellulare aerobica. La glicolisi e il ciclo di Krebs sono i primi due passi della respirazione cellulare.

Come viene prodotta l'energia

Mentre gli elettroni si muovono lungo una catena, il movimento o il momento viene utilizzato per creare adenosina trifosfato (ATP). L'ATP è la principale fonte di energia per molti processi cellulari tra cui la contrazione muscolare e la divisione cellulare.

L'adenosina trifosfato (ATP) è una sostanza chimica organica che fornisce energia alle cellule. ttsz / iStock / Getty Images Plus

L'energia viene rilasciata durante il metabolismo cellulare quando l'ATP viene idrolizzato. Ciò accade quando gli elettroni vengono fatti passare lungo la catena dal complesso proteico al complesso proteico fino a quando non vengono donati all'ossigeno formando acqua. L'ATP si decompone chimicamente in adenosina difosfato (ADP) reagendo con l'acqua. L'ADP è a sua volta utilizzato per sintetizzare l'ATP.

Più in dettaglio, quando gli elettroni vengono fatti passare lungo una catena dal complesso proteico al complesso proteico, l'energia viene rilasciata e gli ioni idrogeno (H +) vengono pompati fuori dalla matrice mitocondriale (compartimento all'interno della membrana interna) e nello spazio intermembrana (compartimento tra membrane interne ed esterne). Tutta questa attività crea sia un gradiente chimico (differenza nella concentrazione della soluzione) sia un gradiente elettrico (differenza nella carica) attraverso la membrana interna. Man mano che un numero maggiore di ioni H + viene pompato nello spazio intermembrana, la maggiore concentrazione di atomi di idrogeno si accumulerà e ritornerà alla matrice simultaneamente alimentando la produzione di ATP dal complesso proteico ATP sintasi.

La sintasi ATP utilizza l'energia generata dal movimento degli ioni H + nella matrice per la conversione di ADP in ATP. Questo processo di ossidazione delle molecole per generare energia per la produzione di ATP è chiamato fosforilazione ossidativa.

I primi passi della respirazione cellulare

La respirazione cellulare è un insieme di reazioni e processi metabolici che avvengono nelle cellule degli organismi per convertire l'energia biochimica dai nutrienti in adenosina trifosfato (ATP) e quindi rilasciare i rifiuti. normaals / iStock / Getty Images Plus

Il primo passo della respirazione cellulare è la glicolisi. La glicolisi si verifica nel citoplasma e comporta la scissione di una molecola di glucosio in due molecole del composto chimico piruvato. In tutto, vengono generate due molecole di ATP e due molecole di NADH (alta energia, molecola portatrice di elettroni).

Il secondo passo, chiamato ciclo dell'acido citrico o ciclo di Krebs, è quando il piruvato viene trasportato attraverso la membrana mitocondriale esterna e interna nella matrice mitocondriale. Il piruvato viene ulteriormente ossidato nel ciclo di Krebs producendo altre due molecole di ATP, nonché NADH e FADH ₂ molecole. Elettroni di NADH e FADH₂ vengono trasferiti alla terza fase della respirazione cellulare, la catena di trasporto degli elettroni.

Complessi proteici nella catena

Esistono quattro complessi proteici che fanno parte della catena di trasporto degli elettroni che funziona per far passare gli elettroni lungo la catena. Un quinto complesso proteico serve a trasportare gli ioni idrogeno nella matrice. Questi complessi sono incorporati nella membrana mitocondriale interna. 

Illustrazione della catena di trasporto degli elettroni con fosforilazione ossidativa. extender01 / iStock / Getty Images Plus

Complesso I.

NADH trasferisce due elettroni al Complesso I risultando in quattro H⁺ ioni pompati attraverso la membrana interna. NADH è ossidato a NAD⁺, che viene riciclato nel ciclo di Krebs. Gli elettroni vengono trasferiti dal complesso I a una ubiquinone (Q) vettore molecolare, che viene ridotta a ubichinolo (QH2). L'ubiquinolo trasporta gli elettroni nel complesso III.

Complesso II

FADH₂ trasferisce gli elettroni al Complesso II e gli elettroni vengono passati all'ubiquinone (Q). Q è ridotto a ubichinolo (QH2), che trasporta gli elettroni nel complesso III. No H.⁺ gli ioni vengono trasportati nello spazio intermembrana in questo processo.