Miitikio yote ya kemikali ya kibayolojia katika seli za kiumbe chochote huendelea na matumizi ya nishati. Mlolongo wa kupumua ni mlolongo wa miundo maalum ambayo iko kwenye membrane ya ndani ya mitochondria na hutumikia kuunda ATP. Adenosine trifosfati ni chanzo cha nishati kwa wote na ina uwezo wa kujilimbikiza yenyewe kutoka kJ 80 hadi 120.
Msururu wa upumuaji wa elektroni - ni nini?
Elektroni na protoni huchukua jukumu muhimu katika uundaji wa nishati. Wanaunda tofauti inayoweza kutokea kwa pande tofauti za membrane ya mitochondrial, ambayo hutoa harakati iliyoelekezwa ya chembe - mkondo. Msururu wa upumuaji (aka ETC, mnyororo wa usafiri wa elektroni) hupatanisha uhamishaji wa chembe zenye chaji chanya kwenye nafasi ya katikati ya utando na chembe zenye chaji hasi katika unene wa utando wa ndani wa mitochondrial.
Jukumu kuu katika uundaji wa nishati ni ATP synthase. Mchanganyiko huu tata hubadilisha nishati ya mwendo ulioelekezwa wa protoni katika nishati ya vifungo vya biochemical. Kwa njia, mchanganyiko unaokaribia kufanana hupatikana katika kloroplast za mimea.
Changamano na vimeng'enya vya mnyororo wa kupumua
Uhamishaji wa elektroni huambatana na athari za kibayolojia katika uwepo wa kifaa cha enzymatic. Dutu hizi amilifu kibayolojia, nakala nyingi ambazo huunda miundo mikubwa changamano, hutumika kama vipatanishi katika uhamishaji wa elektroni.
Changamano za mlolongo wa upumuaji ni viambajengo vya kati vya usafirishaji wa chembe zilizochajiwa. Kwa jumla, kuna aina 4 kama hizo kwenye membrane ya ndani ya mitochondria, na pia synthase ya ATP. Miundo hii yote imeunganishwa na lengo la kawaida - uhamisho wa elektroni kando ya ETC, uhamisho wa protoni za hidrojeni kwenye nafasi ya intermembrane na, kwa sababu hiyo, awali ya ATP.
Changamano ni mkusanyiko wa molekuli za protini, kati ya hizo kuna vimeng'enya, miundo na protini za ishara. Kila moja ya tata 4 hufanya kazi yake mwenyewe, ya kipekee kwake. Hebu tuone ni kazi zipi miundo hii ipo kwenye ETC.
Mimi tata
Msururu wa upumuaji una jukumu kuu katika uhamishaji wa elektroni katika unene wa utando wa mitochondrial. Miitikio ya uondoaji wa protoni za hidrojeni na elektroni zinazoandamana nazo ni mojawapo ya athari kuu za ETC. Mchanganyiko wa kwanza wa mnyororo wa usafirishaji huchukua molekuli za NADH+ (katika wanyama) au NADPH+ (katika mimea) ikifuatiwa na uondoaji wa protoni nne za hidrojeni. Kwa kweli, kwa sababu ya mmenyuko huu wa biokemikali, changamano I pia huitwa NADH - dehydrogenase (baada ya jina la kimeng'enya cha kati).
Muundo wa mchanganyiko wa dehydrogenase unajumuisha aina 3 za protini za chuma-sulfuri, pamoja naflavin mononucleotides (FMN).
II changamano
Uendeshaji wa changamano hii hauhusiani na uhamishaji wa protoni za hidrojeni hadi kwenye nafasi ya katikati ya utando. Kazi kuu ya muundo huu ni kusambaza elektroni za ziada kwa mnyororo wa usafiri wa elektroni kupitia oxidation ya succinate. Kimeng'enya cha kati cha changamano ni succinate-ubiquinone oxidoreductase, ambayo huchochea uondoaji wa elektroni kutoka kwa asidi suksiniki na kuhamishwa hadi lipophilic ubiquinone.
Msambazaji wa protoni za hidrojeni na elektroni kwa changamano cha pili pia ni FADН2. Hata hivyo, ufanisi wa flavin adenine dinucleotide ni chini ya ule wa analogi zake - NADH au NADPH.
Changamano II inajumuisha aina tatu za protini za chuma-sulphur na kimeng'enya cha kati cha succinate oxidoreductase.
III changamano
Kijenzi kinachofuata, ETC, kinajumuisha saitokromu b556, b560 na c1, pamoja na protini ya chuma-sulfuri Riske. Kazi ya tata ya tatu inahusishwa na uhamisho wa protoni mbili za hidrojeni kwenye nafasi ya intermembrane, na elektroni kutoka kwa lipophilic ubiquinone hadi saitokromu C.
Upekee wa protini ya Riske ni kwamba huyeyushwa katika mafuta. Protini nyingine za kundi hili, ambazo zilipatikana katika complexes ya mnyororo wa kupumua, ni mumunyifu wa maji. Kipengele hiki huathiri nafasi ya molekuli za protini katika unene wa utando wa ndani wa mitochondria.
Changamano cha tatu hufanya kazi kama ubiquinone-cytochrome c-oxidoreductase.
IV changamano
Yeye pia ni changamano cha cytochrome-oxidant, ndio sehemu ya mwisho katika ETC. Kazi yake niuhamisho wa elektroni kutoka saitokromu c hadi atomi za oksijeni. Baadaye, atomi za O zilizo na chaji hasi zitaitikia pamoja na protoni za hidrojeni kuunda maji. Kimeng'enya kikuu ni cytochrome c-oksijeni oxidoreductase.
Changamano cha nne ni pamoja na saitokromu a, a3 na atomi mbili za shaba. Cytochrome a3 ilicheza jukumu kuu katika uhamishaji wa elektroni hadi oksijeni. Mwingiliano wa miundo hii hukandamizwa na sianidi ya nitrojeni na monoksidi kaboni, ambayo katika maana ya kimataifa husababisha kukoma kwa usanisi wa ATP na kifo.
Ubiquinone
Ubiquinone ni dutu inayofanana na vitamini, kiwanja cha lipofili ambacho husogea kwa uhuru katika unene wa utando. Mlolongo wa kupumua wa mitochondrial hauwezi kufanya bila muundo huu, kwa kuwa ni wajibu wa usafiri wa elektroni kutoka kwa complexes I na II hadi tata III.
Ubiquinone ni toleo la benzoquinone. Muundo huu kwenye michoro unaweza kuashiria kwa herufi Q au kufupishwa kama LU (lipophilic ubiquinone). Uoksidishaji wa molekuli husababisha kufanyizwa kwa semiquinone, kioksidishaji chenye nguvu ambacho kinaweza kuwa hatari kwa seli.
ATP synthase
Jukumu kuu katika uundaji wa nishati ni ATP synthase. Muundo huu unaofanana na uyoga hutumia nishati ya mwendo wa mwelekeo wa chembe (protoni) kuigeuza kuwa nishati ya vifungo vya kemikali.
Mchakato mkuu unaotokea kote katika ETC ni uoksidishaji. Mlolongo wa kupumua unawajibika kwa uhamisho wa elektroni katika unene wa membrane ya mitochondrial na mkusanyiko wao katika tumbo. Wakati huo huocomplexes I, III na IV pampu protoni hidrojeni kwenye nafasi intermembrane. Tofauti ya malipo kwenye pande za membrane inaongoza kwa harakati iliyoelekezwa ya protoni kupitia synthase ya ATP. Kwa hivyo H + ingiza tumbo, kutana na elektroni (ambazo huhusishwa na oksijeni) na uunda dutu ambayo haina upande wowote kwa seli - maji.
ATP synthase ina F0 na vitengo vidogo F1, ambavyo kwa pamoja huunda molekuli ya kipanga njia. F1 inaundwa na vijisehemu vitatu vya alpha na tatu vya beta, ambavyo kwa pamoja huunda chaneli. Chaneli hii ina kipenyo sawa kabisa na protoni za hidrojeni. Chembe chembe zenye chaji chanya zinapopitia synthase ya ATP, kichwa cha molekuli F0 huzunguka digrii 360 kuzunguka mhimili wake. Wakati huu, mabaki ya fosforasi huunganishwa kwa AMP au ADP (adenosine mono- na diphosphate) kwa kutumia bondi zenye nishati nyingi, ambazo zina kiasi kikubwa cha nishati.
Sinteksi za ATP zinapatikana mwilini sio tu kwenye mitochondria. Katika mimea, tata hizi pia ziko kwenye utando wa vacuole (tonoplast), na pia kwenye thylakoids ya kloroplast.
Pia, ATPases zipo katika seli za wanyama na mimea. Zina muundo sawa na synthasi za ATP, lakini hatua yao inalenga kuondoa mabaki ya fosforasi kwa matumizi ya nishati.
Maana ya kibayolojia ya mnyororo wa kupumua
Kwanza, bidhaa ya mwisho ya athari za ETC ni kile kinachoitwa maji ya kimetaboliki (300-400 ml kwa siku). Pili, ATP imeundwa na nishati huhifadhiwa katika vifungo vya biochemical ya molekuli hii. 40-60 ni synthesized kwa sikukilo ya adenosine triphosphate na kiasi sawa hutumiwa katika athari za enzymatic ya seli. Uhai wa molekuli moja ya ATP ni dakika 1, hivyo mnyororo wa kupumua lazima ufanye kazi vizuri, kwa uwazi na bila makosa. Vinginevyo, seli itakufa.
Mitochondria huchukuliwa kuwa vituo vya nishati vya seli yoyote. Idadi yao inategemea matumizi ya nishati ambayo ni muhimu kwa kazi fulani. Kwa mfano, hadi mitochondria 1000 inaweza kuhesabiwa katika niuroni, ambazo mara nyingi huunda nguzo katika kinachojulikana kama plaque ya sinepsi.
Tofauti katika mnyororo wa kupumua katika mimea na wanyama
Kwenye mimea, kloroplast ni "kituo cha ziada cha nishati" cha seli. Sintasi za ATP pia zinapatikana kwenye utando wa ndani wa viungo hivi, na hii ni faida zaidi ya seli za wanyama.
Mimea pia inaweza kustahimili viwango vya juu vya monoksidi kaboni, nitrojeni na sianidi kupitia njia inayokinza sianidi katika ETC. Kwa hivyo mnyororo wa kupumua huishia kwenye ubiquinone, elektroni ambazo huhamishiwa mara moja hadi atomi za oksijeni. Matokeo yake, chini ya ATP ni synthesized, lakini mmea unaweza kuishi hali mbaya. Wanyama katika hali kama hizi hufa kwa kukaribiana kwa muda mrefu.
Unaweza kulinganisha ufanisi wa NAD, FAD, na njia inayostahimili sianidi kwa kutumia kiwango cha uzalishaji wa ATP kwa kila uhamishaji wa elektroni.
- na NAD au NADP, molekuli 3 za ATP huundwa;
- FAD huzalisha molekuli 2 za ATP;
- njia inayokinza sianidi huzalisha molekuli 1 ya ATP.
Thamani ya mabadiliko ya ETC
Kwa viumbe vyote vya yukariyoti, mojawapo ya vyanzo vikuu vya nishati ni mnyororo wa kupumua. Biokemia ya awali ya ATP katika seli imegawanywa katika aina mbili: substrate phosphorylation na phosphorylation oxidative. ETC hutumika katika usanisi wa nishati ya aina ya pili, yaani kutokana na athari za redoksi.
Katika viumbe vya prokaryotic, ATP huundwa tu katika mchakato wa fosforasi ya substrate katika hatua ya glycolysis. Sukari sita za kaboni (hasa glucose) zinahusika katika mzunguko wa athari, na kwa pato kiini hupokea molekuli 2 za ATP. Aina hii ya usanisi wa nishati inachukuliwa kuwa ya awali zaidi, kwani katika yukariyoti molekuli 36 za ATP huundwa katika mchakato wa fosforasi ya kioksidishaji.
Hata hivyo, hii haimaanishi kuwa mimea na wanyama wa kisasa wamepoteza uwezo wa kuweka fosforasi. Ni kwamba tu aina hii ya usanisi wa ATP imekuwa moja tu ya hatua tatu za kupata nishati katika seli.
Glycolysis katika yukariyoti hufanyika kwenye saitoplazimu ya seli. Kuna enzymes zote zinazohitajika ambazo zinaweza kuvunja glucose ndani ya molekuli mbili za asidi ya pyruvic na kuundwa kwa molekuli 2 za ATP. Hatua zote zinazofuata hufanyika kwenye tumbo la mitochondrial. Mzunguko wa Krebs, au mzunguko wa asidi ya tricarboxylic, pia hufanyika kwenye mitochondria. Huu ni msururu wa athari, matokeo yake NADH na FADH2 zimeunganishwa. Molekuli hizi zitaenda kama bidhaa za matumizi kwa ETC.
