Chemiosmosis

Introduksjon

ATP er et viktig krav til de ulike metabolske prosessene som foregår i levende organismer. KONTINUERLIG TILFØRSEL AV ATP er nødvendig for kontinuitet i livet. Eventuelle avbrudd I SYNTESEN AV ATP kan føre til skadelige og livstruende hendelser.

I de fleste levende systemer er ATP laget ved fosforylering av ALLEREDE eksisterende ADP-molekyler. Denne fosforyleringsprosessen er en endoterm prosess som krever litt kjemisk energi. Denne energien tilveiebringes enten ved å bryte de komplekse forbindelsene oppnådd fra mat som skjer i heterotrofe organismer eller ved å fange og utnytte solenergi i form av lys som skjer i fotosyntese.

I begge tilfeller OPPSTÅR ATP-syntese ved prosessen med kjemiosmose. Chemiosmosis er definert som bevegelse av ioner ned deres konsentrasjonsgradient gjennom en semipermeabel membran dvs. osmose av ioner. I denne artikkelen vil vi diskutere i detalj den kjemiosmotiske teorien, og mekanismene som det hjelper med å lage ATP, cellens energivaluta.

Kjemiosmotisk Teori

den kjemiosmotiske teorien ble først presentert Av Peter D. Mitchell i 1961. Han foreslo at det meste AV ATP i metabolske celler syntetiseres ved å utnytte energien lagret i den elektrokjemiske gradienten over den indre mitokondriamembranen. Denne elektrokjemiske gradienten ble først etablert ved å bruke høyenergimolekylene NADH OG FADH2. Disse forbindelsene ble dannet under metabolismen av matmolekyler som glukose etc.

under oksygenmetabolismen metaboliseres den til acetyl CoA som metaboliseres videre i mitokondriellmatrisen. Molekylene av acetyl CoA er gjenstand for oksidasjon i en prosess som kalles sitronsyresyklusen. Denne syklusen er kombinert med reduksjon av mellomprodukter som NAD og FAD. Høy energi mellomprodukter (NADH OG FADH2) dannet som et resultat av reduksjon blir båret til elektrontransportkjeden (ETC).

disse høy energi mellomprodukter er faktisk bærere av elektroner. Elektronene TIL NADH OG FADH2 doneres til elektrontransportkjeden. Når elektronene beveger seg nedover ETC, frigjøres en stor mengde energi som brukes til å produsere den elektrokjemiske gradienten over den indre mitokondriamembranen. Energien til denne gradienten brukes senere til å drive en protonpumpe, som til slutt fosforylerer ADP TIL ATP.

denne kjemiosmotiske teorien ble ikke akseptert umiddelbart som det var mot vitenskapernes syn på den tiden. Det ble antatt at energien til elektronstrømmen ble lagret i form av noen høy energi mellomprodukter som ble direkte brukt TIL Å lage ATP. Men med tiden begynte det vitenskapelige beviset å bevise den kjemiosmotiske hypotesen. Teorien ble akseptert, Og Mitchell ble tildelt Nobelprisen I Kjemi i 1978.

den kjemiosmotiske teorien forklarer NÅ ATP-syntesen i mitokondrier, kloroplaster og mange bakterier. Anvendelsene av kjemiosmotisk teori i alle disse organellene diskuteres i detalj i de etterfølgende delene av denne artikkelen.

Kjemiosmose I Mitokondrier

Kjemiosmose er den viktigste KILDEN TIL ATP under cellulær respirasjon i prokaryotene. Denne prosessen foregår i mitokondriene til levende celler. La oss forstå strukturen av mitokondrier før du dykker inn i prosessen med kjemiosmose.

Struktur Av Mitokondrier

Mitokondrier er doble membranbundne organeller tilstede i alle eukaryote celler med noen unntak. Den ytre membranen er glatt mens den indre membranen viser ulike infoldings. Elektrontransportkjeden er plassert på den indre mitokondriamembranen.

Elektrontransportkjede

elektrontransportkjeden består av fire proteinkomplekser innebygd i den indre mitokondriamembranen.

• Kompleks I: DEN består AV NADH dehydrogenase, FMN og et jern-svovelprotein.
• Kompleks II: dette komplekset har enzymsuksinat dehydrogenase, FAD og et jernsulfurprotein akkurat Som Kompleks I.
• Kompleks II: det er cytokrom kompleks som har cytokrom b og cytokrom c1. Cytokromer er hemeproteiner som fungerer som elektronbærere.
• Kompleks IV: Det er et annet cytokrom kompleks som inneholder cytokrom a og cytokrom a3. Cytokrom a3 er kobberholdig cytokrom. I tillegg er et annet kobberholdig protein CuA også tilstede i dette komplekset.

Koenzym Q er også medlem av elektrontransportkjeden. Det er et kininderivat som har en lang isoprenoid hale innebygd i den indre mitokondriamembranen. Det er allestedsnærværende i naturen og kalles også ubiquinon. På grunn av sin lipidoppløselighet og isoprenoidstruktur kan Koenzym Q bevege seg fritt langs den indre mitokondriamembranen. Derfor betraktes det også som en fri eller mobil elektronbærer.

Cytokrom C, et cytokrom som er tilstede i det intramembranøse rommet, er også en komponent i elektrontransportkjeden.

ATP-Syntase

i tillegg til elektrontransportkjeden er et annet kompleks tilstede i den indre mitokondriamembranen Kalt Kompleks V. dette komplekset fungerer som en protonkanal og har en egen evne til å fosforylere ADP TIL ATP. DERMED er DET også kjent SOM ATP-syntase.

protonkanalen I ATP-syntase er koblet til en ring. Når protonene passerer gjennom kanalen, roterer de ringen og energi genereres som brukes til å fosforylere ADP.

Intermembranøst Rom

det er et mellomrom mellom ytre og indre mitokondriale membraner. Konsentrasjonen av forskjellige ioner i dette rommet er forskjellig fra mitokondriellmatrisen. Protonene fra mitokondriamatrisen pumpes og lagres i dette rommet for kjemiosmose.

Prosess

den kjemiosmotiske prosessen i mitokondrier innebærer følgende trinn;

• Elektroner leveres til elektrontransportkjeden via de høye energielektronbærerne SOM NADH og FADH2. NADH gir elektroner Til Kompleks I AV ETC mens FADH2 gir elektroner Til Kompleks II.
• elektronene beveger seg deretter ned i elektrontransportkjeden og frigjør en betydelig mengde energi. Strømmen av elektroner I ETC kan representeres ved følgende ligning:

Kompleks I- > Kompleks II- > Koenzym Q- > Kompleks III- > Cytokrom C- > kompleks IV- > Oksygen

Oksygen fungerer som den endelige akseptoren av elektroner i elektrontransportkjeden.

• hydrogenioner eller protoner er allerede i lavere konsentrasjon i mitokondriellmatrisen. Energien frigjort av elektroner brukes til å pumpe disse protonene inn i det intermembranøse rommet mot konsentrasjonsgradienten. På denne måten lagres energien av elektroner i form av en elektrokjemisk gradient.
• når protonene samles i det intermembranøse rommet til en bestemt konsentrasjon, begynner de å bevege seg ned i konsentrasjonsgradienten gjennom protonkanalen i ATP-syntasen. Under denne prosessen roterer de protonringen og frigjør energi.
• DENNE energien brukes AV ATP-syntase for å fosforylere ADP TIL ATP på stromalsiden av den indre mitokondriamembranen.

Betydning

den kjemiosmotiske prosessen i mitokondrier er kilden til å skaffe energi via cellulær respirasjon. Enhver hindring i denne prosessen vil gjøre det umulig å skaffe energi via cellulær respirasjon.

Inhibering

denne prosessen kan hemmes av enhver hemmer av elektrontransportkjeden eller uncoupler proteiner. Uncoupler proteinkanaler som gir en alternativ vei til protoner for å komme inn i mitokondriell stroma uten å passere GJENNOM ATP-syntasen. Energien til den elektrokjemiske gradienten er bortkastet i form av varme og INGEN ATP er laget. Noen stoffer fungerer også som uncoupler proteiner som Asprin.

Kjemiosmose I Kloroplaster

Kloroplaster er organeller tilstede i fotosyntetiske autotrofer. Chemiosmosis i organellene finner sted under lysavhengige reaksjoner av fotosyntese når energien til fotoexcited elektroner brukes TIL Å lage ATP for mørke reaksjoner.

La oss først forstå strukturen av kloroplaster.

Struktur

akkurat som mitokondrier er kloroplaster også dobbeltmembranorganeller. Imidlertid er begge membranene av kloroplaster glatte uten noen infoldings. Stroma av kloroplaster fylte det meste av rommet av organeller.

Thylakoider er myntformede strukturer tilstede inne i kloroplastene som er stablet på hverandre for å danne grana. Thylakoider er stedet for lysavhengige reaksjoner og kjemiosmose. De består av et lumen bundet av en membran kalt thylakoidmembranen.

Fotosystemer av klorofyllmolekyler og elektrontransportkjeden er plassert på thylakoidmembranen.

Elektrontransportkjede

elektrontransportkjeden på thylakoidmembraner er annerledes enn den som finnes i mitokondriene. Den er kombinert med fotosystemene som er tilstede på thylakoidmembranene.

Fotosystemer er klyngene av klorofyllmolekyler som samler lysenergien, bruker den til å opphisse elektronene av klorofyllmolekyler og overfører den til elektrontransportkjeden.

en elektronbærer kalt plastokinon (Pq) er tilstede i nær tilknytning til fotosystemet II.

et cytokrom kompleks bestående av to cytokromer er tilstede ved siden av fotosystemet II.

Neste i serien er fotosystemet i. et kobberholdig protein kalt plastocyanin (Pc) og et jernholdig protein kalt ferredoksin (Fd) er tilstede i nær kontakt med fotosystem I. Begge disse proteinene er elektronbærerne.

ATP-Syntase

VED siden av fotosystemet er JEG ATP-syntase. Den har en struktur som LIGNER ATP-syntasen tilstede i den indre mitokondriamembranen. Den eneste forskjellen er at protonkanalen ligger mot lumen av thylakoid mens F0-domenet som har fosforyleringsevne, ligger mot stroma av kloroplast.

Prosess

kjemiosmosen på thylakoidmembraner finner sted under de lysavhengige reaksjonene. Det forekommer i tilfelle både syklisk og ikke-syklisk elektronstrøm.

Ikke-syklisk Elektron Flyt

under denne prosessen, photoexcited elektroner bevege seg gjennom begge photosystems. Det innebærer følgende trinn;

• fotonene av lys faller på fotosystemene og exciterer elektronene.
• de fotoexcited elektronene beveger seg gjennom elektrontransportkjeden. Banen til disse elektronene kan representeres av følgende ligning:

Photosystem I- > Plastoquinone- > Cytokrom Kompleks- > Plastocyanin- > Photosystem II – > Ferredoxin – > NADP

NADP er den endelige akseptoren av elektroner.

• når elektronene beveger seg ned i elektrontransportkjeden, frigjøres energi som brukes til å pumpe hydrogenioner fra stroma av kloroplaster inn i lumen av thylakoider.
• energien til elektroner lagres i form av elektrokjemisk gradient av protoner over thylakoidmembranen.
• disse protonene beveger seg ned konsentrasjonsgradienten tilbake i stroma mens de passerer GJENNOM PROTONKANALEN AV ATP-syntase. Under reisen roterer protonene ringen og frigjør energi.
• denne energien brukes til å fosforylere ADP TIL ATP i stroma av kloroplaster.

Syklisk Elektronstrøm

i den sykliske strømmen passerer de fotoexcited elektronene gjennom elektrontransportkjeden og går tilbake til fotosystem i etter hver syklus. Strømmen av elektroner er representert som følger:

Photosystem II -> Ferredoxin – > Cytokrom Kompleks- > Plastocyanin – > Photosystem II

når elektronen passerer gjennom elektrontransportkjeden, brukes deres energi til å pumpe protoner inn i thylakoid lumen. ATP er laget når disse protonene diffunderer tilbake i stroma akkurat som den ikke-sykliske strømmen av elektroner.

Betydning

Kjemiosmose i kloroplaster er KILDEN TIL ATP-molekyler for mørke reaksjoner av fotosyntese. Hvis den kjemiosmotiske prosessen ikke klarer Å lage ATP-molekyler, kan de mørke reaksjonene ikke fortsette, og organismene unnlater å produsere glukose. Denne kjemiosmotiske prosessen har den primære betydningen i prosessen med fotosyntese. Det er prosessen hvor lysenergi omdannes til kjemisk energi og lagres som høyenergibindinger i ATP-molekylene.

Sammendrag

Chemiosmosis er bevegelsen av protoner ned i samordningsgradienten kombinert MED ATP-syntesen i cellulær respirasjon samt fotosyntese.

Peter D. Mitchell foreslo først denne hypotesen i 1961. Først ble det ikke akseptert. Men etter noen år ble det allment akseptert basert på eksperimentelle bevis.

Chemiosmosis involverer elektrontransportkjedene som ligger i mitokondrier og kloroplaster.

den kjemiosmotiske prosessen i mitokondrier oppstår under cellulær respirasjon.

• NADH og FADH2 gir elektroner TIL ETC på den indre mitokondriamembranen.
• når elektronene beveger seg NEDOVER ETC, pumpes protoner mot konsentrasjonsgradienten.
• protonen beveger seg tilbake i matrisen ved å passere GJENNOM ATP-syntasen.
• protonene frigjør energi som brukes TIL Å lage ATP.

den kjemiosmotiske prosessen i kloroplaster stakes sted under fotosyntese.

• de photoexcited elektronene beveger SEG NEDOVER ETC PÅ thylakoid membran.
• energien til elektron brukes til å pumpe proton fra stroma inn i thylakoid lumen.
• når protonene beveger seg tilbake til stroma, passerer DE GJENNOM ATP-syntase.
• energien eller protonene brukes TIL Å lage ATP AV ATP-syntase.

denne prosessen skjer under både syklisk og ikke-syklisk strøm av elektroner i lysavhengige reaksjoner.