Semua reaksi biokimia dalam sel organisme apa pun berlangsung dengan pengeluaran energi. Rantai pernapasan adalah urutan struktur spesifik yang terletak di membran dalam mitokondria dan berfungsi untuk membentuk ATP. Adenosin trifosfat adalah sumber energi universal dan mampu terakumulasi dengan sendirinya dari 80 hingga 120 kJ.
Rantai pernapasan elektron - apa itu?
Elektron dan proton berperan penting dalam pembentukan energi. Mereka menciptakan perbedaan potensial di sisi berlawanan dari membran mitokondria, yang menghasilkan pergerakan partikel yang terarah - arus. Rantai pernapasan (alias ETC, rantai transpor elektron) memediasi transfer partikel bermuatan positif ke dalam ruang antarmembran dan partikel bermuatan negatif ke dalam ketebalan membran mitokondria bagian dalam.
Peran utama dalam pembentukan energi adalah ATP sintase. Kompleks kompleks ini mengubah energi gerak terarah proton menjadi energi ikatan biokimia. Omong-omong, kompleks yang hampir identik ditemukan di kloroplas tumbuhan.
Kompleks dan enzim rantai pernapasan
Transfer elektron disertai dengan reaksi biokimia dengan adanya peralatan enzimatik. Zat aktif biologis ini, banyak salinannya membentuk struktur kompleks yang besar, berfungsi sebagai mediator dalam transfer elektron.
Kompleks rantai pernapasan adalah komponen utama transportasi partikel bermuatan. Secara total, ada 4 formasi seperti itu di membran bagian dalam mitokondria, serta ATP sintase. Semua struktur ini disatukan oleh tujuan yang sama - transfer elektron di sepanjang ETC, transfer proton hidrogen ke ruang antarmembran dan, sebagai hasilnya, sintesis ATP.
Kompleks adalah akumulasi molekul protein, di antaranya ada enzim, protein struktural dan sinyal. Masing-masing dari 4 kompleks melakukan fungsinya sendiri, hanya khusus untuk itu. Mari kita lihat untuk tugas apa struktur ini ada di ETC.
Saya kompleks
Rantai pernapasan memainkan peran utama dalam transfer elektron dalam ketebalan membran mitokondria. Reaksi abstraksi proton hidrogen dan elektron yang menyertainya adalah salah satu reaksi pusat ETC. Kompleks pertama dari rantai transpor mengambil alih molekul NADH+ (pada hewan) atau NADPH+ (pada tumbuhan) diikuti dengan eliminasi empat proton hidrogen. Sebenarnya, karena reaksi biokimia ini, kompleks I juga disebut NADH - dehidrogenase (sesuai nama enzim pusat).
Komposisi kompleks dehidrogenase mencakup 3 jenis protein besi-sulfur, sertaflavin mononukleotida (FMN).
II kompleks
Operasi kompleks ini tidak terkait dengan transfer proton hidrogen ke ruang antarmembran. Fungsi utama dari struktur ini adalah untuk memasok elektron tambahan ke rantai transpor elektron melalui oksidasi suksinat. Enzim pusat kompleks ini adalah suksinat-ubikuinon oksidoreduktase, yang mengkatalisis pelepasan elektron dari asam suksinat dan transfer ke ubikuinon lipofilik.
Pemasok proton hidrogen dan elektron ke kompleks kedua juga FADН2. Namun, efisiensi flavin adenin dinukleotida kurang dari analognya - NADH atau NADPH.
Kompleks II mencakup tiga jenis protein besi-sulfur dan enzim pusat suksinat oksidoreduktase.
III kompleks
Komponen berikutnya, DLL, terdiri dari sitokrom b556, b560 dan c 1, serta Riske protein besi-sulfur. Kerja kompleks ketiga dikaitkan dengan transfer dua proton hidrogen ke dalam ruang antarmembran, dan elektron dari ubikuinon lipofilik ke sitokrom C.
Keunikan protein Riske adalah larut dalam lemak. Protein lain dari kelompok ini, yang ditemukan di kompleks rantai pernapasan, larut dalam air. Fitur ini mempengaruhi posisi molekul protein dalam ketebalan membran bagian dalam mitokondria.
Kompleks ketiga berfungsi sebagai ubiquinone-cytochrome c-oxidoreductase.
kompleks IV
Dia juga kompleks sitokrom-oksidan, adalah titik akhir dalam ETC. Pekerjaannya adalah untuktransfer elektron dari sitokrom c ke atom oksigen. Selanjutnya atom O yang bermuatan negatif akan bereaksi dengan proton hidrogen membentuk air. Enzim utamanya adalah sitokrom c-oksigen oksidoreduktase.
Kompleks keempat meliputi sitokrom a, a3 dan dua atom tembaga. Sitokrom a3 memainkan peran sentral dalam transfer elektron ke oksigen. Interaksi struktur ini ditekan oleh nitrogen sianida dan karbon monoksida, yang secara global menyebabkan penghentian sintesis ATP dan kematian.
Ubiquinone
Ubiquinone adalah zat seperti vitamin, senyawa lipofilik yang bergerak bebas dalam ketebalan membran. Rantai respirasi mitokondria tidak dapat hidup tanpa struktur ini, karena ia bertanggung jawab untuk transpor elektron dari kompleks I dan II ke kompleks III.
Ubiquinone adalah turunan benzokuinon. Struktur dalam diagram ini dapat dilambangkan dengan huruf Q atau disingkat LU (lipophilic ubiquinone). Oksidasi molekul mengarah pada pembentukan semiquinone, zat pengoksidasi kuat yang berpotensi berbahaya bagi sel.
ATP sintase
Peran utama dalam pembentukan energi adalah ATP sintase. Struktur seperti jamur ini menggunakan energi gerakan terarah partikel (proton) untuk mengubahnya menjadi energi ikatan kimia.
Proses utama yang terjadi di seluruh ETC adalah oksidasi. Rantai pernapasan bertanggung jawab untuk transfer elektron dalam ketebalan membran mitokondria dan akumulasinya dalam matriks. Serentakkompleks I, III dan IV memompa proton hidrogen ke dalam ruang antar membran. Perbedaan muatan pada sisi membran menyebabkan pergerakan proton secara terarah melalui ATP sintase. Jadi H+ masuk ke matriks, bertemu elektron (yang berasosiasi dengan oksigen) dan membentuk zat yang netral bagi sel – air.
ATP sintase terdiri dari subunit F0 dan F1, yang bersama-sama membentuk molekul router. F1 terdiri dari tiga subunit alfa dan tiga beta, yang bersama-sama membentuk saluran. Saluran ini memiliki diameter yang sama persis dengan proton hidrogen. Ketika partikel bermuatan positif melewati ATP sintase, kepala molekul F0 berputar 360 derajat pada sumbunya. Selama waktu ini, residu fosfor melekat pada AMP atau ADP (adenosin mono- dan difosfat) menggunakan ikatan berenergi tinggi, yang mengandung sejumlah besar energi.
ATP sintase ditemukan di dalam tubuh tidak hanya di mitokondria. Pada tumbuhan, kompleks ini juga terletak pada membran vakuola (tonoplas), serta pada tilakoid kloroplas.
Juga, ATPase hadir dalam sel hewan dan tumbuhan. Mereka memiliki struktur yang mirip dengan ATP sintase, tetapi tindakan mereka ditujukan untuk menghilangkan residu fosfor dengan pengeluaran energi.
Makna biologis dari rantai pernapasan
Pertama, produk akhir dari reaksi ETC adalah apa yang disebut air metabolik (300-400 ml per hari). Kedua, ATP disintesis dan energi disimpan dalam ikatan biokimia molekul ini. 40-60 disintesis per harikg adenosin trifosfat dan jumlah yang sama digunakan dalam reaksi enzimatik sel. Masa hidup satu molekul ATP adalah 1 menit, sehingga rantai pernapasan harus bekerja dengan lancar, jelas dan tanpa kesalahan. Jika tidak, sel akan mati.
Mitokondria dianggap sebagai stasiun energi sel mana pun. Jumlahnya tergantung pada konsumsi energi yang diperlukan untuk fungsi tertentu. Sebagai contoh, hingga 1000 mitokondria dapat dihitung dalam neuron, yang sering membentuk sebuah cluster dalam apa yang disebut plak sinaptik.
Perbedaan rantai pernapasan pada tumbuhan dan hewan
Pada tumbuhan, kloroplas adalah "stasiun energi" tambahan sel. ATP sintase juga ditemukan pada membran bagian dalam organel ini, dan ini merupakan keuntungan dari sel hewan.
Tanaman juga dapat bertahan hidup dengan konsentrasi karbon monoksida, nitrogen, dan sianida yang tinggi melalui jalur tahan sianida di ETC. Rantai pernapasan dengan demikian berakhir di ubiquinone, elektron dari mana segera ditransfer ke atom oksigen. Akibatnya, lebih sedikit ATP yang disintesis, tetapi tanaman dapat bertahan dalam kondisi yang merugikan. Hewan dalam kasus seperti itu mati dengan kontak yang terlalu lama.
Anda dapat membandingkan efisiensi NAD, FAD, dan jalur tahan sianida dengan menggunakan laju produksi ATP per transfer elektron.
- dengan NAD atau NADP, 3 molekul ATP terbentuk;
- FAD menghasilkan 2 molekul ATP;
- jalur tahan sianida menghasilkan 1 molekul ATP.
Nilai Evolusi ETC
Untuk semua organisme eukariotik, salah satu sumber energi utama adalah rantai pernapasan. Biokimia sintesis ATP dalam sel dibagi menjadi dua jenis: fosforilasi substrat dan fosforilasi oksidatif. ETC digunakan dalam sintesis energi jenis kedua, yaitu karena reaksi redoks.
Pada organisme prokariotik, ATP terbentuk hanya dalam proses fosforilasi substrat pada tahap glikolisis. Gula enam karbon (terutama glukosa) terlibat dalam siklus reaksi, dan pada keluarannya sel menerima 2 molekul ATP. Jenis sintesis energi ini dianggap yang paling primitif, karena pada eukariota 36 molekul ATP terbentuk dalam proses fosforilasi oksidatif.
Namun, ini tidak berarti bahwa tumbuhan dan hewan modern telah kehilangan kemampuan untuk memfosforilasi substrat. Hanya saja sintesis ATP jenis ini hanya menjadi salah satu dari tiga tahap perolehan energi di dalam sel.
Glikolisis pada eukariota terjadi di sitoplasma sel. Ada semua enzim yang diperlukan yang dapat memecah glukosa menjadi dua molekul asam piruvat dengan pembentukan 2 molekul ATP. Semua tahap selanjutnya berlangsung dalam matriks mitokondria. Siklus Krebs, atau siklus asam trikarboksilat, juga terjadi di mitokondria. Ini adalah reaksi berantai tertutup, sebagai akibatnya NADH dan FADH2 disintesis. Molekul-molekul ini akan masuk sebagai bahan habis pakai ke DLL.
