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10.2: Introducción a las cadenas de transporte de electrones y la respiración - Biología

10.2: Introducción a las cadenas de transporte de electrones y la respiración - Biología


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Introducción a la respiración y Transporte de electrones Cadenas

Descripción general y puntos a tener en cuenta

En los siguientes módulos, comenzamos a aprender sobre el proceso de respiración y las funciones que desempeñan las cadenas de transporte de electrones en este proceso. Una definición de la palabra "respiración" con la que la mayoría de la gente está familiarizada es "el acto de respirar". Cuando nosotros Al respirar, el aire, incluido el oxígeno molecular, llega a nuestros pulmones desde el exterior del cuerpo, el oxígeno se reduce y los productos de desecho, incluido el oxígeno reducido en forma de agua, se exhalan. De manera más genérica, algún reactivo ingresa al organismo y luego se reduce y sale del cuerpo como un producto de desecho.

Esta idea genérica, en pocas palabras, se puede aplicar generalmente a toda la biología. Tenga en cuenta que no siempre es necesario que el oxígeno sea el compuesto que ingresó, redujo y arrojó como desecho. Los compuestos sobre los que se "arrojan" los electrones se conocen más específicamente como "aceptores terminales de electrones. "Las moléculas de las que se originan los electrones varían enormemente a lo largo de la biología (solo hemos analizado una fuente posible: la molécula de glucosa reducida basada en carbono).

Entre la fuente de electrones original y el aceptor de electrones terminal hay una serie de reacciones bioquímicas que involucran al menos una reacción rojo / ox. Estas reacciones rojo / buey recolectan energía para la célula al acoplar la reacción exergónica rojo / buey a una reacción que requiere energía en la célula. En la respiración, un conjunto especial de enzimas lleva a cabo una serie enlazada de reacciones rojo / ox que finalmente transfieren electrones al aceptor de electrones terminal.

Estas "cadenas" de enzimas rojo / buey y portadores de electrones se denominan cadenas de transporte de electrones (ETC). En las células eucariotas que respiran aeróbicamente, el ETC está compuesto por cuatro grandes complejos de múltiples proteínas incrustados en la membrana mitocondrial interna y dos pequeños portadores de electrones difusibles que transportan electrones entre ellos. Los electrones pasan de una enzima a otra a través de una serie de reacciones rojo / buey. Estas reacciones acoplan las reacciones de rojo / buey exergónico al transporte endergónico de iones de hidrógeno a través de la membrana mitocondrial interna. Este proceso contribuye a la creación de un gradiente electroquímico transmembrana. Los electrones que pasan a través del ETC pierden gradualmente energía potencial hasta el punto en que se depositan en el aceptor de electrones terminal, que normalmente se elimina como desecho de la celda. Cuando el oxígeno actúa como aceptor final de electrones, la diferencia de energía libre de este proceso rojo / ox de varios pasos es ~ -60 kcal / mol cuando NADH dona electrones o ~ -45 kcal / mol cuando FADH2 dona.

Nota: El oxígeno no es el único aceptor de electrones terminal en la naturaleza, ni es el más utilizado.

Recuerde que usamos el oxígeno como ejemplo de solo uno de los numerosos posibles aceptores terminales de electrones que se pueden encontrar en la naturaleza. Las diferencias de energía libre asociadas con la respiración en organismos anaeróbicos serán diferentes.

En módulos anteriores discutimos el concepto general de reacciones rojo / buey en biología e introdujimos la Torre de electrones, una herramienta para ayudarlo a comprender la química rojo / buey y para estimar la dirección y magnitud de las diferencias de energía potencial para varias parejas rojo / buey. En módulos posteriores, se discutieron la fosforilación y fermentación a nivel de sustrato y vimos cómo las reacciones de rojo / buey exergónico pueden ser acopladas directamente por enzimas a la síntesis endergónica de ATP.

Se supone que estos procesos son una de las formas más antiguas de producción de energía utilizadas por las células. En esta sección discutimos el próximo avance evolutivo en el metabolismo energético celular, la fosforilación oxidativa. En primer lugar, recuerde que la fosforilación oxidativa no implican el uso de oxígeno. Más bien, se utiliza el término fosforilación oxidativa porque este proceso de síntesis de ATP se basa en reacciones rojo / ox para generar una reacción electroquímica. potencial transmembrana que luego puede ser utilizado por la célula para realizar el trabajo de síntesis de ATP.


Una descripción general rápida de los principios relevantes para las cadenas de transporte de electrones

Un ETC comienza con la adición de electrones, donados por NADH, FADH2 u otros compuestos reducidos. Estos electrones se mueven a través de una serie de transportadores de electrones, enzimas que están incrustadas en una membrana u otros transportadores que experimentan reacciones rojo / ox. La energía libre transferida de estas reacciones exergónicas rojo / buey a menudo se acopla al movimiento endergónico de protones a través de una membrana. Dado que la membrana es una barrera eficaz para las especies cargadas, este bombeo da como resultado una acumulación desigual de protones a ambos lados de la membrana. Esto, a su vez, "polariza" o "carga" la membrana, con una neta positiva (protones) en un lado de la membrana y una carga negativa en el otro lado de la membrana. La separación de cargas crea una potencial eléctrico. Además, la acumulación de protones también provoca un gradiente de pH conocido como químico potenciala través de la membrana. Juntos, estos dos gradientes (eléctrico y químico) se denominan gradiente electroquímico.

Crítica: The Electron Tower

Dado que la química rojo / buey es tan fundamental para el tema, comenzamos con una revisión rápida de la tabla de potencial de reducción, a veces llamada "torre roja / buey" o "torre de electrones". Es posible que escuche a sus instructores usar estos términos indistintamente. Como discutimos en módulos anteriores, todo tipo de compuestos pueden participar en reacciones biológicas rojo / buey. Entender toda esta información y clasificar los posibles pares rojo / buey puede resultar confuso. Se ha desarrollado una herramienta para clasificar las reacciones medias rojo / buey en función de sus potenciales de reducción o E0' valores. El hecho de que un compuesto en particular pueda actuar como donante de electrones (reductor) o aceptor de electrones (oxidante) depende del otro compuesto con el que interactúe. La torre roja / buey clasifica una variedad de compuestos comunes (sus semirreacciones) de la mayoría de los negativos E0', compuestos que se deshacen fácilmente de los electrones, a la E más positiva0', compuestos con mayor probabilidad de aceptar electrones. La torre organiza estas semirreacciones basándose en la capacidad de los electrones para aceptar electrones. Además, en muchas torres rojo / buey, cada media reacción está escrita por convención con la forma oxidada a la izquierda seguida de la forma reducida a la derecha. Las dos formas pueden estar separadas por una barra, por ejemplo, la semirreacción para la reducción de NAD+ a NADH está escrito: NAD+/ NADH + 2e-o por columnas separadas. A continuación se muestra una torre de electrones.

Figura 1. Una "torre roja / buey" biológica común

Nota

Utilice la torre roja / buey de arriba como guía de referencia para orientarlo en cuanto al potencial de reducción de los diversos compuestos en el ETC. Las reacciones rojo / buey pueden ser exergónicas o endergónicas dependiendo de los potenciales relativos rojo / buey del donante y el aceptor. También recuerde que hay muchas formas diferentes de ver esto conceptualmente; este tipo de torre roja / buey es solo una forma.

Nota: Vuelven a aparecer los atajos de idioma

En la tabla rojo / buey anterior, algunas entradas parecen estar escritas de formas poco convencionales. Por ejemplo, el citocromo cbuey / rojo. Solo parece haber un formulario en la lista. ¿Por qué? Este es otro ejemplo de atajos de idioma (probablemente porque alguien era demasiado vago para escribir dos veces citocromo) que puede resultar confuso, especialmente para los estudiantes. La notación anterior podría reescribirse como citocromo cbuey/ Citocromo crojo para indicar que la proteína del citocromo c puede existir en estado oxidado Citocromo cbuey o citocromo c en estado reducidorojo.

Revisión del video de Red / Ox Tower

Para ver un video corto sobre cómo usar la torre rojo / buey en problemas rojo / buey, haga clic aquí. Este video fue realizado por el Dr. Easlon para estudiantes de Bis2A.

Uso de la torre roja / buey: una herramienta para ayudar a comprender las cadenas de transporte de electrones

Por convención, las semirreacciones de la torre se escriben con la forma oxidada del compuesto a la izquierda y la forma reducida a la derecha. Observe que compuestos como la glucosa y el hidrógeno gaseoso son excelentes donantes de electrones y tienen potenciales de reducción muy bajos.0'. Compuestos, como el oxígeno y el nitrito, cuyas semirreacciones tienen potenciales de reducción positivos relativamente altos (E0') generalmente buenos aceptores de electrones se encuentran en el extremo opuesto de la tabla.

Ejemplo: Menaquinona

Echemos un vistazo a la menaquinonabuey / rojo. Este compuesto se encuentra en el medio de la torre roja / buey con una semirreacción E0' valor de -0,074 eV. Menaquinonabuey puede aceptar espontáneamente (ΔG <0) electrones de formas reducidas de compuestos con semirreacción E más baja0'. Tales transferencias forman menaquinonarojo y la forma oxidada del donante de electrones original. En la tabla anterior, los ejemplos de compuestos que podrían actuar como donantes de electrones a la menaquinona incluyen FADH2, una E0' valor de -0,22, o NADH, con una E0' valor de -0,32 eV. Recuerde que las formas reducidas están en el lado derecho del par rojo / buey.

Una vez que se ha reducido la menaquinona, ahora puede donar electrones espontáneamente (ΔG <0) a cualquier compuesto con una semirreacción E más alta0' valor. Los posibles aceptores de electrones incluyen el citocromo bbuey con una E0' valor de 0,035 eV; o ubiquinonabuey con una E0' de 0,11 eV. Recuerde que las formas oxidadas se encuentran en el lado izquierdo de la semirreacción.


Explicación de la cadena de transporte de electrones y la producción de energía

En biología celular, el cadena de transporte de electrones es uno de los pasos en los procesos de sus células que producen energía a partir de los alimentos que consume.

Es el tercer paso de la respiración celular aeróbica. La respiración celular es el término que describe cómo las células del cuerpo producen energía a partir de los alimentos consumidos. La cadena de transporte de electrones es donde se genera la mayoría de las células de energía que necesitan para funcionar. Esta "cadena" es en realidad una serie de complejos de proteínas y moléculas portadoras de electrones dentro de la membrana interna de la mitocondria celular, también conocida como la central eléctrica de la célula.

Se requiere oxígeno para la respiración aeróbica ya que la cadena termina con la donación de electrones al oxígeno.

Conclusiones clave: cadena de transporte de electrones

  • La cadena de transporte de electrones es una serie de complejos de proteínas y moléculas portadoras de electrones dentro de la membrana interna de mitocondrias que generan ATP para energía.
  • Los electrones pasan a lo largo de la cadena desde el complejo proteico al complejo proteico hasta que son donados al oxígeno. Durante el paso de electrones, los protones se bombean fuera del matriz mitocondrial a través de la membrana interna y hacia el espacio intermembrana.
  • La acumulación de protones en el espacio intermembrana crea un gradiente electroquímico que hace que los protones fluyan por el gradiente y regresen a la matriz a través de la ATP sintasa. Este movimiento de protones proporciona la energía para la producción de ATP.
  • La cadena de transporte de electrones es el tercer paso de respiración celular aeróbica. La glucólisis y el ciclo de Krebs son los dos primeros pasos de la respiración celular.

Introducción a la respiración HL

Se presenta a los estudiantes cuatro tipos de reacciones importantes que se encuentran en la oxidación, reducción, fosforilación y descarboxilación de la respiración. Hay una breve presentación que ayuda a explicar cada reacción y ponerla en contexto. A esto le sigue un conjunto de tarjetas didácticas y algunas preguntas de estilo IB para evaluar la comprensión. ¿Cuáles son estas cuatro reacciones clave en la respiración? Lea las diapositivas sobre la introducción a la respiración del NS.

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Eficiencia de los procesos de transporte de electrones

La eficiencia del transporte de electrones a lo largo de la cadena lineal de moléculas se investigó desde un punto de vista dinámico. Se propuso que dos tipos de eficiencia son importantes para el transporte de electrones, una es la eficiencia energética y la otra, la eficiencia cuántica. En este artículo, estas dos eficiencias se definen para un sistema de cadena lineal y se investiga la correlación entre estas cantidades y la disposición de varias transferencias de electrones. Se encuentra que la optimización de la energía y la eficiencia cuántica establece diferentes condiciones en la disposición de las constantes de velocidad de transferencia de electrones, y existe una fuerte correlación entre las transferencias de electrones vecinos. Para maximizar ambas eficiencias, las constantes de velocidad de las transferencias hacia adelante y hacia atrás de electrones deben estar limitadas entre sí en un rango limitado. En particular, cuando hay algunas reacciones de derivación en la cadena lineal, como es el caso de la fotosíntesis y la respiración, la tasa de transferencia hacia atrás debe ser del mismo orden de magnitud que la de la siguiente transferencia hacia adelante. Los presentes resultados se aplican a algunos procesos biológicos. En la etapa inicial de la transferencia fotosintética de electrones, parece que la eficiencia cuántica es más importante que la eficiencia energética. La eficiencia cuántica es cercana a la unidad, mientras que una parte considerable de la energía libre se desperdicia en forma de calor durante las transferencias de electrones primarios. Por otro lado, en los procesos de transferencia de electrones más lentos en la fotosíntesis y la respiración, que tienen lugar principalmente cerca del equilibrio, la eficiencia energética parece ser más importante que la eficiencia cuántica. Se discute la relación de estas propiedades con la función biológica.


Respiración

La respiración aeróbica se compone de cuatro etapas: glucólisis, los reacción de enlace, los ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa. Durante la respiración aeróbica, la glucosa se quema efectivamente dentro de nuestro cuerpo (reacciona con el oxígeno) para producir dióxido de carbono, agua y mucha energía en forma de ATP. los ecuación general para la respiración aeróbica es:

Glucólisis

La primera etapa de la respiración aeróbica es glucólisis, que tiene lugar en el citoplasma. La glucólisis se convierte glucosa, una molécula de seis carbonos, en dos moléculas más pequeñas de tres carbonos llamadas piruvato. Esta etapa no requiere oxígeno, por lo que es un proceso anaeróbico y participa en las vías respiratorias aeróbicas y anaeróbicas.

La glucosa es fosforilado utilizando los grupos fosfato de dos moléculas de ATP. El ATP se hidroliza en ADP y fosfato inorgánico. Esto forma una molécula que es inestable e inmediatamente se descompone en dos moléculas de tres carbonos llamadas fosfato de triosa (TP). El hidrógeno se extrae de TP para convertirlo en piruvato. El hidrógeno se transfiere a un coenzima llamado NAD formar NAD reducido (NADH). La eliminación de hidrógeno de TP lo oxida. El NAD reducido se usa en la última etapa de la respiración aeróbica, la fosforilación oxidativa, mientras que el piruvato se mueve hacia las mitocondrias para la siguiente etapa de la respiración, la reacción de enlace.

La conversión de triosa fosfato en piruvato produjo cuatro moléculas de ATP. Dado que se utilizaron dos moléculas para la fosforilación de glucosa en el primer paso, esto significa que hay una ganancia neta de dos ATP moléculas en la glucólisis.

La reacción del enlace

La reacción de enlace tiene lugar en la matriz mitocondrial.

los reacción de enlace tiene lugar en el matriz mitocondrial y convierte el piruvato en una molécula llamada acetil coenzima A (acetil CoA). Esta etapa no produce ninguna energía en forma de ATP pero produce NAD reducido y acetil CoA. El NAD reducido se utilizará en la fosforilación oxidativa, mientras que el acetil CoA se utilizará en la siguiente etapa de la respiración aeróbica, el ciclo de Krebs.

Durante la reacción de enlace, se elimina un átomo de carbono del piruvato, formando dióxido de carbono. Esto convierte el piruvato en una molécula de dos carbonos llamada acetato. El hidrógeno también se elimina del piruvato en la conversión en acetato, que es recogido por la coenzima NAD para formar NAD reducido. El acetato es combinado con coenzima A (CoA) para formar acetil CoA.

Dado que una molécula de glucosa se convierte en piruvato 2x, se produce la reacción de enlace dos veces por cada molécula de glucosa. Esto significa que cada molécula de glucosa produce dos moléculas de acetil CoA (junto con 2x dióxido de carbono y 2x NADH).

El ciclo de Krebs

los Ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido cítrico) es una serie de reacciones que generan NAD reducido y una molécula similar llamada FAD reducido que son necesarios para la fosforilación oxidativa. Acetil CoA de la reacción de enlace reacciona con una molécula de cuatro carbonos llamada oxaloacetato. La coenzima A parte de acetil CoA se elimina y vuelve a la reacción de enlace para ser reutilizada. Una molécula de 6 carbonos llamada citrato es producido. El carbono y el hidrógeno se eliminan del citrato, formando dióxido de carbono y NAD reducido. El citrato se convierte en un compuesto de 5 carbonos. Descarboxilación y deshidrogenación Ocurre una vez más, lo que convierte los compuestos de 5 carbonos en la molécula de 4 carbonos. oxaloacetato con el que comenzamos. ATP, 2 moléculas de NAD reducido, una molécula de FAD y dióxido de carbono también se forman en este paso. Este ciclo tiene lugar dos veces por cada glucosa molécula que se respira aeróbicamente.

Fosforilación oxidativa

Fosforilación oxidativa es la última etapa de la respiración aeróbica y es la parte donde la mayor parte de la Se hace ATP. Usa el electrones que están siendo llevados por NAD reducido y FAD reducido que se han generado en las tres primeras etapas. Tiene lugar a través del membrana mitocondrial interna e involucra dos procesos: el cadena de transporte de electrones y quimiosmosis.

Las coenzimas NAD reducido y FAD reducido liberan átomos de hidrógeno que se dividen en iones y electrones de hidrógeno. Los electrones se pasan a portadores de electrones que están incrustados dentro de la membrana mitocondrial interna y viajan a lo largo de una serie de portadores de electrones conocidos como el cadena de transporte de electrones. A medida que viajan entre los portadores de electrones, perder energía. Esta energía es utilizada por los portadores para bombear iones de hidrógeno de la matriz mitocondrial a través de la membrana interna. Los iones de hidrógeno se acumulan en el espacio intermembrana y esto genera una gradiente de protones (a veces denominado gradiente electroquímico) a través de la membrana. Los iones de hidrógeno luego regresan a la matriz a través de la enzima ATP sintasa que utiliza el movimiento de iones de hidrógeno (el fuerza motriz del protón) para agregar un grupo fosfato en ADP para formar ATP. El proceso por el cual el movimiento de iones de hidrógeno produce ATP se llama quimiosmosis. Una vez que los electrones llegan al final de la cadena de transporte de electrones, se pasan a oxígeno, que se conoce como el "Aceptor final de electrones". El oxígeno se combina con electrones e iones de hidrógeno para formar agua, uno de los productos de la respiración aeróbica.

Venenos metabólicos, como el cianuro, interrumpen la fosforilación oxidativa al unirse a los portadores de electrones y inhibiendo el movimiento de electrones a lo largo de la cadena de transporte de electrones. Esto reduce la quimiosmosis ya que no se establece un gradiente de protones y también inhibe el ciclo de Krebs ya que NAD y FAD no se regeneran. La producción de ATP se detiene, por lo que los procesos que requieren energía (como la contracción del músculo cardíaco) no pueden tener lugar, lo que puede ser mortal para el organismo que ha ingerido el veneno.

Producción total de ATP

La respiración aeróbica produce un total de 38 ATP moléculas por una molécula de glucosa respirada. A continuación, se muestra un desglose de la producción de ATP en cada una de las diferentes etapas. Cada molécula de NAD reducido produce 3 ATP y cada molécula de FAD reducido produce 2 ATP. Recuerde que la reacción de enlace y el ciclo de Krebs ocurren dos veces para cada molécula de glucosa, porque se convierte en piruvato 2x.

Glucólisis: producción directa de 2 ATP

Glucólisis: 2 NAD reducidos se convierten en 6 ATP (2 x 3) en fosforilación oxidativa

Reacción de enlace: 2 NAD reducidos se convierten en 6 ATP (2 x 3) en fosforilación oxidativa

Ciclo de Krebs: producción directa de 2 ATP

Ciclo de Krebs: 6 NAD reducidos se convierten en 18 ATP (6 x 3) en fosforilación oxidativa

Ciclo de Krebs: 2 FAD reducidos se convierten en 4 ATP (2 x 2) en fosforilación oxidativa

ATP total = 2 + 6 + 6 + 2 + 18 + 4 = 38 ATP

Midiendo la frecuencia respiratoria

La frecuencia respiratoria se mide utilizando un aparato llamado respirómetro y funciona midiendo el cantidad de oxígeno consumido por un organismo o el cantidad de dióxido de carbono producido. Cuanto más rápida sea la cantidad de oxígeno consumido, más rápida será la frecuencia respiratoria.

Configure el respirómetro como se muestra en el diagrama, con organismos que respiran (como cochinillas) en un tubo de ensayo conectado a otro tubo de ensayo por un manómetro. El manómetro contiene un líquido de color que se acerca al tubo de ensayo que respira a medida que se consume oxígeno. El tubo de ensayo de la derecha es un control tubo de ensayo, que contiene una sustancia que no respira, como perlas de vidrio. El propósito del tubo de control es asegurar que solo la respiración esté causando el movimiento del líquido en el manómetro. El tubo de control debe ser lo más similar posible al tubo de ensayo, p. Ej. las perlas de vidrio deben tener la misma masa que las cochinillas. En cada tubo de ensayo debe agregar el mismo volumen de hidróxido de potasio solución que absorbe dióxido de carbono: esto asegura que el movimiento del líquido solo se vea afectado por la disminución de los niveles de oxígeno.

Una vez que se ha configurado el aparato, se deja durante un cierto período de tiempo (por ejemplo, 30 minutos). Esto permitirá que el hidróxido de potasio absorba todo el dióxido de carbono en los tubos de ensayo. Entonces tú registrar la distancia recorrida por el líquido en el manómetro en un tiempo dado, utilizando la escala calibrada y un cronómetro. Luego calcula el volumen de oxígeno absorbido por las cochinillas por minuto. Repita el experimento al menos tres veces y calcule una media.

Respiración anaerobica

La respiración también puede ocurrir en ausencia de oxígeno, esto se llama Respiración anaerobica. En los mamíferos, la glucosa se puede convertir en lactato (también conocido como ácido láctico) que libera una pequeña cantidad de energía en forma de ATP.

El primer paso de la respiración anaeróbica es el mismo que la respiración aeróbica: glucólisis. La glucosa se convierte en piruvato con el lanzamiento neto de 2 ATP moléculas. 2 moléculas de NAD reducido también se forman. En el segundo paso, el NAD reducido dona hidrógeno (y electrones) al piruvato, produciendo lactato y NAD. Esta regenera NAD más oxidado para la glucólisis. Esto permite que la respiración anaeróbica continúe y asegura que aún se puedan producir pequeñas cantidades de energía en ausencia de oxígeno, permitiendo que las reacciones biológicas sigan funcionando.

La respiración anaeróbica continua da como resultado acumulación de lactato, que debe desglosarse. Las células pueden convertir el lactato nuevamente en piruvato, que luego puede ingresar a la respiración aeróbica en el ciclo de Krebs. Además, celulas hepáticas tener la capacidad de convertir lactato en glucosa, que luego se puede respirar aeróbicamente (si ahora hay oxígeno) o se puede almacenar para su uso posterior.


Cadena de transporte de electrones

Introducción / Antecedentes: En la Introducción a la Biología de Jennifer Osterhage que enseñé en la Universidad de Kentucky, ella enseñó los conceptos involucrados en la cadena de transporte de electrones mediante una actividad divertida e interactiva con clickers y estudiantes voluntarios.

Metas: Los objetivos de esta actividad son comprender la cadena de transporte de electrones y el efecto de las perturbaciones en el sistema.

Clase: BIO148: Introducción a la biología I

  1. Primero, los estudiantes deben escuchar una pequeña conferencia sobre la respiración celular.
  2. La actividad se desarrolla en dos partes:
    1. Los estudiantes observaron datos de "autopsias" de los asesinatos de tylenol en 1982 (adaptado del estudio de caso de Buffalo). Las preguntas de Clicker preguntaban cuál era el objetivo directo del veneno en el tylenol. ¿Fue la glucólisis el objetivo directo, etc.?
    2. Después de una discusión de que el objetivo debe ser parte de la cadena de transporte de electrones (ETC), el instructor pidió a los estudiantes voluntarios que vinieran y actuaran como miembros de la cadena. Las pelotas de tenis eran electrones. Los electrones pasaron de NADH y FADH2 a los miembros del complejo.

    Hacer un seguimiento: Evaluación formativa integrada en la actividad con preguntas de clicker en todo momento. Hubo un cuestionario sobre el material en la siguiente clase.

    Comentarios: A los estudiantes les gustó analizar los datos de la autopsia y les gustó poder visualizar el ETC representándolo.

    Materiales / Recursos: Los estudiantes voluntarios de Clickers sostuvieron hojas para actuar como miembros de la cadena de transporte de electrones


    Cadena de transporte de electrones

    Los átomos de hidrógeno y los electrones que poseen son una valiosa fuente de energía. Estos átomos de hidrógeno son transportados por las coenzimas NAD y FAD a la siguiente etapa del proceso: la cadena de transporte de electrones.
    Este es el mecanismo por el cual la energía de los electrones dentro de los átomos de hidrógeno se convierte en una forma que las células pueden usar: ATP.

    La cadena de transporte de electrones y las mitocondrias

    Las mitocondrias son orgánulos en forma de bastón que se encuentran en las células eucariotas. Cada mitocondria está delimitada por una membrana externa lisa y una interna que se pliega en extensiones llamadas crestas.

    El espacio interior, o matriz, de la mitocondria está formado por un material semirrígido de proteínas, lípidos y trazas de ADN.

    Las mitocondrias juegan un papel activo en la respiración y la liberación de energía.

    La cadena de transporte de electrones y la síntesis de ATP

    1. Los átomos de hidrógeno producidos durante la glucólisis y el ciclo de Krebs se combinan con las coenzimas NAD y FAD que están unidas a las crestas de las mitocondrias.

    2. El NAD y FAD reducidos donan los electrones de los átomos de hidrógeno que llevan a la primera molécula en la cadena de transporte de electrones.

    3. Esto libera los protones de los átomos de hidrógeno y estos protones se transportan activamente a través de la membrana mitocondrial interna.

    4. Los electrones pasan a lo largo de una cadena de moléculas portadoras de transporte de electrones en una serie de reacciones de oxidación-reducción.

    Los electrones pierden energía a medida que pasan por la cadena y parte de esto se usa para combinar ADP y fosfato inorgánico para producir ATP.
    La energía restante se pierde en forma de calor.

    5. Los protones se acumulan en el espacio entre las dos membranas mitocondriales antes de que se difundan de nuevo a la matriz mitocondrial a través de canales proteicos especiales. Se utiliza energía para bombear los protones a través de

    6. Al final de la cadena, los electrones se combinan con estos protones y el oxígeno para formar agua. Por lo tanto, el oxígeno es la última cadena de transporte de electrones.


    Contenido

    La mayoría de las células eucariotas tienen mitocondrias, que producen ATP a partir de productos del ciclo del ácido cítrico, oxidación de ácidos grasos y oxidación de aminoácidos. En la membrana mitocondrial interna, electrones de NADH y FADH2 pasan a través de la cadena de transporte de electrones al oxígeno, que se reduce a agua. [3] La cadena de transporte de electrones comprende una serie enzimática de donantes y aceptores de electrones. Cada donante de electrones pasará electrones a un aceptor más electronegativo, que a su vez dona estos electrones a otro aceptor, un proceso que continúa en la serie hasta que los electrones pasan al oxígeno, el aceptor de electrones más electronegativo y terminal de la cadena. El paso de electrones entre el donante y el aceptor libera energía, que se utiliza para generar un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial "bombeando" protones al espacio intermembrana, produciendo un estado termodinámico que tiene el potencial de funcionar. Todo este proceso se denomina fosforilación oxidativa ya que el ADP se fosforila a ATP mediante el uso del gradiente electroquímico establecido por las reacciones redox de la cadena de transporte de electrones.

    Portadores mitocondriales redox Editar

    La energía obtenida a través de la transferencia de electrones a lo largo de la cadena de transporte de electrones se utiliza para bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, creando un gradiente de protones electroquímico (ΔpH) a través de la membrana mitocondrial interna. Este gradiente de protones es en gran parte, pero no exclusivamente, responsable del potencial de membrana mitocondrial (ΔΨMETRO). [4] Permite que la ATP sintasa use el flujo de H + a través de la enzima de regreso a la matriz para generar ATP a partir de adenosina difosfato (ADP) y fosfato inorgánico. El complejo I (NADH coenzima Q reductasa marcada como I) acepta electrones del ciclo de Krebs portador de electrones nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) y los pasa a la coenzima Q (ubiquinona marcada con Q), que también recibe electrones del complejo II (succinato deshidrogenasa marcada como II) . Q pasa electrones al complejo III (citocromo bc1 complejo etiquetado III), que los pasa al citocromo C (cyt C). Cyt C pasa electrones al complejo IV (citocromo C oxidasa marcada con IV), que utiliza los electrones y los iones de hidrógeno para reducir el oxígeno molecular a agua.

    Se han identificado cuatro complejos unidos a la membrana en las mitocondrias. Cada uno es una estructura transmembrana extremadamente compleja que está incrustada en la membrana interna. Tres de ellos son bombas de protones. Las estructuras están conectadas eléctricamente por portadores de electrones solubles en lípidos y portadores de electrones solubles en agua. La cadena de transporte de electrones general:

    Complejo I Editar

    En el complejo I (NADH ubiquinona oxireductasa, NADH deshidrogenasa de tipo I o complejo mitocondrial I EC 1.6.5.3), se eliminan dos electrones del NADH y se transfieren a un portador soluble en lípidos, ubiquinona (Q). El producto reducido, ubiquinol (QH2), se difunde libremente dentro de la membrana, y el Complejo I transloca cuatro protones (H +) a través de la membrana, produciendo así un gradiente de protones. El complejo I es uno de los principales sitios en los que se produce una fuga prematura de electrones al oxígeno, por lo que es uno de los principales sitios de producción de superóxido. [5]

    La ruta de los electrones es la siguiente:

    El NADH se oxida a NAD +, al reducir el mononucleótido Flavin a FMNH2 en un paso de dos electrones. FMNH2 luego se oxida en dos pasos de un electrón, a través de un intermedio de semiquinona. Cada electrón se transfiere así desde el FMNH2 a un grupo de Fe-S, desde el grupo de Fe-S a ubiquinona (Q). La transferencia del primer electrón da como resultado la forma de radicales libres (semiquinona) de Q, y la transferencia del segundo electrón reduce la forma de semiquinona a la forma de ubiquinol, QH2. Durante este proceso, cuatro protones se trasladan de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. [6] A medida que los electrones se oxidan y reducen continuamente en todo el complejo, se produce una corriente de electrones a lo largo del ancho de 180 Angstrom del complejo dentro de la membrana. Esta corriente alimenta el transporte activo de cuatro protones al espacio intermembrana por dos electrones de NADH. [7]

    Complejo II Editar

    En el complejo II (succinato deshidrogenasa o succinato-CoQ reductasa EC 1.3.5.1) se entregan electrones adicionales al conjunto de quinonas (Q) que se origina a partir del succinato y se transfieren (a través de flavina adenina dinucleótido (FAD)) a Q.El complejo II consta de cuatro proteínas subunidades: succinato deshidrogenasa, (SDHA) succinato deshidrogenasa [ubiquinona] subunidad hierro-azufre, mitocondrial, (SDHB) complejo succinato deshidrogenasa subunidad C, (SDHC) y complejo succinato deshidrogenasa, subunidad D, (SDHD). Otros donantes de electrones (p. Ej., Ácidos grasos y glicerol 3-fosfato) también dirigen electrones hacia Q (a través de FAD). El complejo II es una vía de transporte de electrones paralela al complejo 1, pero a diferencia del complejo 1, no se transportan protones al espacio intermembrana en esta vía. Por lo tanto, la ruta a través del complejo II aporta menos energía al proceso general de la cadena de transporte de electrones.

    Complejo III Editar

    En el complejo III (citocromo antes de Cristo1 complejo o CoQH2-citocromo C reductasa EC 1.10.2.2), el ciclo Q contribuye al gradiente de protones mediante una absorción / liberación asimétrica de protones. Se eliminan dos electrones de QH2 en el QO sitio y se transfiere secuencialmente a dos moléculas de citocromo C, un portador de electrones soluble en agua ubicado dentro del espacio intermembrana. Los otros dos electrones pasan secuencialmente a través de la proteína al QI sitio donde la parte quinona de ubiquinona se reduce a quinol. Un gradiente de protones está formado por oxidaciones de un quinol (2 H 2 + e - < displaystyle < ce <2H + 2e - >>>) en Qo sitio para formar una quinona (2 H 2 + e - < displaystyle < ce <2H + 2e - >>>) en el QI sitio. (En total, se translocan cuatro protones: dos protones reducen la quinona a quinol y dos protones se liberan de dos moléculas de ubiquinol).

    Cuando se reduce la transferencia de electrones (por un alto potencial de membrana o inhibidores respiratorios como la antimicina A), el Complejo III puede filtrar electrones al oxígeno molecular, lo que da como resultado la formación de superóxido.

    Este complejo es inhibido por dimercaprol (British Antilewisite, BAL), Napthoquinone y Antimycin.

    Complejo IV Editar

    En el complejo IV (citocromo C oxidasa EC 1.9.3.1), a veces llamado citocromo AA3, se eliminan cuatro electrones de cuatro moléculas de citocromo C y transferido a oxígeno molecular (O2), produciendo dos moléculas de agua. El complejo contiene iones de cobre coordinados y varios grupos hemo. Al mismo tiempo, se eliminan ocho protones de la matriz mitocondrial (aunque solo cuatro se trasladan a través de la membrana), lo que contribuye al gradiente de protones. Los detalles exactos del bombeo de protones en el complejo IV todavía están en estudio. [8] El cianuro es un inhibidor del complejo 4.

    Acoplamiento con fosforilación oxidativa Editar

    La hipótesis del acoplamiento quimiosmótico, propuesta por el ganador del Premio Nobel de Química Peter D. Mitchell, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa están acopladas por un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. La salida de protones de la matriz mitocondrial crea un gradiente electroquímico (gradiente de protones). Este gradiente es utilizado por FOF1 Complejo de ATP sintasa para producir ATP mediante fosforilación oxidativa. La ATP sintasa a veces se describe como Complejo V de la cadena de transporte de electrones. [9] La FO El componente de ATP sintasa actúa como un canal de iones que proporciona un flujo de protones de regreso a la matriz mitocondrial. Está compuesto por subunidades a, by c. Los protones en el espacio intermembranoso de las mitocondrias ingresan primero al complejo de ATP sintasa a través de a canal de subunidad. Luego, los protones se mueven a las subunidades c. [10] El número de subunidades c que tiene determina cuántos protones necesitará para hacer la FO dar una vuelta completa. Por ejemplo, en los seres humanos, hay 8 subunidades c, por lo que se requieren 8 protones. [11] Después C subunidades, los protones finalmente ingresan a la matriz usando a canal de subunidades que se abre hacia la matriz mitocondrial. [10] Este reflujo libera energía libre producida durante la generación de las formas oxidadas de los portadores de electrones (NAD + y Q). La energía libre se utiliza para impulsar la síntesis de ATP, catalizada por la F1 componente del complejo. [12]
    El acoplamiento con la fosforilación oxidativa es un paso clave para la producción de ATP. Sin embargo, en casos específicos, desacoplar los dos procesos puede ser biológicamente útil. La proteína desacopladora, la termogenina, presente en la membrana mitocondrial interna del tejido adiposo marrón, proporciona un flujo alternativo de protones de regreso a la matriz mitocondrial interna. La tiroxina también es un desacoplador natural. Este flujo alternativo da como resultado termogénesis en lugar de producción de ATP. [13]

    Flujo de electrones inverso Editar

    El flujo de electrones inverso es la transferencia de electrones a través de la cadena de transporte de electrones a través de las reacciones redox inversas. Por lo general, al requerir una cantidad significativa de energía para ser utilizada, esto puede resultar en la reducción de la forma oxidada de los donantes de electrones. Por ejemplo, NAD + se puede reducir a NADH por el complejo I. [14] Hay varios factores que se ha demostrado que inducen el flujo inverso de electrones. Sin embargo, es necesario trabajar más para confirmar esto. Un ejemplo de ello es el bloqueo de la producción de ATP por la ATP sintasa, lo que da como resultado una acumulación de protones y, por lo tanto, una mayor fuerza motriz del protón, que induce el flujo inverso de electrones. [15]

    En eucariotas, NADH es el donante de electrones más importante. La cadena de transporte de electrones asociada es

    NADHComplejo IQComplejo IIIcitocromo CComplejo IVO2 dónde Complejos I, III y IV son bombas de protones, mientras que Q y citocromo C son portadores de electrones móviles. El aceptor de electrones es el oxígeno molecular.

    En los procariotas (bacterias y arqueas) la situación es más complicada, porque hay varios donantes de electrones diferentes y varios aceptores de electrones diferentes. La cadena de transporte de electrones generalizada en bacterias es:

    Los electrones pueden entrar en la cadena en tres niveles: al nivel de una deshidrogenasa, al nivel de la reserva de quinonas o al nivel de un portador de electrones del citocromo móvil. Estos niveles corresponden a potenciales redox sucesivamente más positivos, o a diferencias de potencial sucesivamente disminuidas con respecto al aceptor de electrones terminal. En otras palabras, corresponden a cambios de energía libre de Gibbs sucesivamente más pequeños para la reacción redox general. Donante → Aceptador.

    Las bacterias individuales utilizan múltiples cadenas de transporte de electrones, a menudo simultáneamente. Las bacterias pueden usar varios donantes de electrones diferentes, varias deshidrogenasas diferentes, varias oxidasas y reductasas diferentes y varios aceptores de electrones diferentes. Por ejemplo, E. coli (cuando crece aeróbicamente usando glucosa como fuente de energía) usa dos NADH deshidrogenasas diferentes y dos quinol oxidasas diferentes, para un total de cuatro cadenas de transporte de electrones diferentes que operan simultáneamente.

    Una característica común de todas las cadenas de transporte de electrones es la presencia de una bomba de protones para crear un gradiente electroquímico sobre una membrana. Las cadenas de transporte de electrones bacterianos pueden contener hasta tres bombas de protones, como las mitocondrias, o pueden contener solo una o dos. Siempre contienen al menos una bomba de protones.

    Donantes de electrones Editar

    En la biosfera actual, los donantes de electrones más comunes son las moléculas orgánicas. Los organismos que utilizan moléculas orgánicas como fuente de electrones se denominan organotrofos. Organótrofos (animales, hongos, protistas) y fotótrofos (plantas y algas) constituyen la gran mayoría de todas las formas de vida familiares.

    Algunos procariotas pueden utilizar materia inorgánica como fuente de energía. Tal organismo se llama litotrofo ("devorador de rocas"). Los donantes de electrones inorgánicos incluyen hidrógeno, monóxido de carbono, amoníaco, nitrito, azufre, sulfuro, óxido de manganeso y hierro ferroso. Se han encontrado litótrofos creciendo en formaciones rocosas a miles de metros por debajo de la superficie de la Tierra. Debido a su volumen de distribución, los litótrofos pueden superar en número a los organótrofos y fotótrofos en nuestra biosfera.

    El uso de donantes de electrones inorgánicos como fuente de energía es de particular interés en el estudio de la evolución. Este tipo de metabolismo debe haber precedido lógicamente al uso de moléculas orgánicas como fuente de energía.

    Complejo I y II Editar

    Las bacterias pueden utilizar varios donantes de electrones diferentes. Cuando la materia orgánica es la fuente de energía, el donante puede ser NADH o succinato, en cuyo caso los electrones entran en la cadena de transporte de electrones a través de la NADH deshidrogenasa (similar a Complejo I en las mitocondrias) o succinato deshidrogenasa (similar a Complejo II). Se pueden usar otras deshidrogenasas para procesar diferentes fuentes de energía: formiato deshidrogenasa, lactato deshidrogenasa, gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, H2 deshidrogenasa (hidrogenasa), cadena de transporte de electrones. Algunas deshidrogenasas también son bombas de protones, otras canalizan electrones hacia la reserva de quinonas. La mayoría de las deshidrogenasas muestran expresión inducida en la célula bacteriana en respuesta a las necesidades metabólicas provocadas por el entorno en el que crecen las células. En el caso de la lactato deshidrogenasa en E. coli, la enzima se usa aeróbicamente y en combinación con otras deshidrogenasas. Es inducible y se expresa cuando hay una alta concentración de DL-lactato presente en la célula. [ cita necesaria ]

    Portadores de quinona Editar

    Las quinonas son portadores móviles solubles en lípidos que transportan electrones (y protones) entre complejos macromoleculares grandes y relativamente inmóviles incrustados en la membrana. Las bacterias usan ubiquinona (coenzima Q, la misma quinona que usan las mitocondrias) y quinonas relacionadas como la menaquinona (vitamina K2). Archaea en el género Sulpholobus use caldariellaquinona. [16] El uso de diferentes quinonas se debe a potenciales redox ligeramente alterados. Estos cambios en el potencial redox son causados ​​por cambios en la estructura de la quinona. El cambio en los potenciales redox de estas quinonas puede adaptarse a cambios en los aceptores de electrones o variaciones de los potenciales redox en complejos bacterianos. [17]

    Bombas de protones Editar

    A bomba de protones es cualquier proceso que crea un gradiente de protones a través de una membrana. Los protones se pueden mover físicamente a través de una membrana, esto se ve en las mitocondrias. Complejos I y IV. El mismo efecto se puede producir moviendo electrones en la dirección opuesta. El resultado es la desaparición de un protón del citoplasma y la aparición de un protón en el periplasma. Mitocondrial Complejo III utiliza este segundo tipo de bomba de protones, que está mediada por una quinona (el ciclo Q).

    Algunas deshidrogenasas son bombas de protones, otras no. La mayoría de las oxidasas y reductasas son bombas de protones, pero algunas no lo son. Citocromo antes de Cristo1 es una bomba de protones que se encuentra en muchas, pero no en todas, las bacterias (no se encuentra en E. coli). Como su nombre lo indica, bacteriano antes de Cristo1 es similar a mitocondrial antes de Cristo1 (Complejo III).

    Portadores de electrones del citocromo Editar

    Los citocromos son pigmentos que contienen hierro. Se encuentran en dos entornos muy diferentes.

    Algunos citocromos son portadores solubles en agua que transportan electrones hacia y desde grandes estructuras macromoleculares inmóviles incrustadas en la membrana. El portador de electrones del citocromo móvil en las mitocondrias es el citocromo. C. Las bacterias utilizan varios portadores de electrones de citocromo móviles diferentes.

    Otros citocromos se encuentran dentro de macromoléculas como Complejo III y Complejo IV. También funcionan como portadores de electrones, pero en un entorno intramolecular de estado sólido muy diferente.

    Electrons may enter an electron transport chain at the level of a mobile cytochrome or quinone carrier. For example, electrons from inorganic electron donors (nitrite, ferrous iron, electron transport chain.) enter the electron transport chain at the cytochrome level. When electrons enter at a redox level greater than NADH, the electron transport chain must operate in reverse to produce this necessary, higher-energy molecule.

    Terminal oxidases and reductases Edit

    When bacteria grow in aerobic environments, the terminal electron acceptor (O2) is reduced to water by an enzyme called an oxidasa. When bacteria grow in anaerobic environments, the terminal electron acceptor is reduced by an enzyme called a reductase. In mitochondria the terminal membrane complex (Complejo IV) is cytochrome oxidase. Aerobic bacteria use a number of different terminal oxidases. Por ejemplo, E. coli (a facultative anaerobe) does not have a cytochrome oxidase or a bc1 complejo. Under aerobic conditions, it uses two different terminal quinol oxidases (both proton pumps) to reduce oxygen to water.

    Bacterial Complex IV can be split into classes according to the molecules act as terminal electron acceptors. Class I oxidases are cytochrome oxidases and use oxygen as the terminal electron acceptor. Class II oxidases are Quinol oxidases and can use a variety of terminal electron acceptors. Both of these classes can be subdivided into categories based on what redox active components they contain. P.ej. Heme aa3 Class 1 terminal oxidases are much more efficient than Class 2 terminal oxidases [1]

    Anaerobic bacteria, which do not use oxygen as a terminal electron acceptor, have terminal reductases individualized to their terminal acceptor. Por ejemplo, E. coli can use fumarate reductase, nitrate reductase, nitrite reductase, DMSO reductase, or trimethylamine-N-oxide reductase, depending on the availability of these acceptors in the environment.

    Most terminal oxidases and reductases are inducible. They are synthesized by the organism as needed, in response to specific environmental conditions.

    Electron acceptors Edit

    Just as there are a number of different electron donors (organic matter in organotrophs, inorganic matter in lithotrophs), there are a number of different electron acceptors, both organic and inorganic. In aerobic bacteria and facultative anaerobes if oxygen is available, it is invariably used as the terminal electron acceptor, because it generates the greatest Gibbs free energy change and produces the most energy. [18]

    In anaerobic environments, different electron acceptors are used, including nitrate, nitrite, ferric iron, sulfate, carbon dioxide, and small organic molecules such as fumarate.

    In oxidative phosphorylation, electrons are transferred from a low-energy electron donor such as NADH to an acceptor such as O2) through an electron transport chain. In photophosphorylation, the energy of sunlight is used to crear a high-energy electron donor which can subsequently reduce redox active components. These components are then coupled to ATP synthesis via proton translocation by the electron transport chain. [8]

    Photosynthetic electron transport chains, like the mitochondrial chain, can be considered as a special case of the bacterial systems. They use mobile, lipid-soluble quinone carriers (phylloquinone and plastoquinone) and mobile, water-soluble carriers (cytochromes, electron transport chain.). They also contain a proton pump. The proton pump in todos photosynthetic chains resembles mitochondrial Complejo III. The commonly-held theory of symbiogenesis believes that both organelles descended from bacteria.


    Oxidative phosphorylation

    Oxidative phosphorylation is by far the most productive stage of respiration. Far more usable cellular energy is produced during oxidative phosphorylation than during glycolysis and the citric acid cycle combined.

    Oxidative phosphorylation includes two phases: the electron transport chain and chemiosmosis.

    Electron transport chain

    The electron transport chain is a chain of molecules that electrons are passed along. It utilizes electrons made available during glycolysis and the citric acid cycle.

    Electrons are carried from the citric acid cycle and glycolysis pathway by the molecules NADH and FADH₂ to the electron transport chain. The electrons are donated to the electron transport chain and passed along the chain of molecules. When an electron has been passed down the entire length of the electron transport chain it is reacted with oxygen and a hydrogen ion (H⁺) to form water.

    The electron transport chain is made from a series of four large protein complexes and electron carrying molecules. The electron carrying molecules transfer electrons between the large protein complexes down the electron transport chain.

    In eukaryotic cells, the protein complexes are located in the inner membrane of mitochondria. In prokaryotic cells they are found in the plasma membrane of the whole cell.

    To start the electron transport chain, electrons are donated from NADH and FADH₂ to the first and second electron carriers of the electron transport chain. As electrons move down the electron transport chain through a series of protein complexes, the proteins use the electron’s energy to pump hydrogen ions to the other side of the inner mitochondrial membrane (eukaryotic cells) or the plasma membrane (prokaryotic cells).

    This movement of hydrogen ions is known as a proton pump and creates a large difference in the concentration of hydrogen ions on either side of the membranes. This difference in concentrations is known as a ‘proton gradient’ and is important in the second phase of oxidative phosphorylation called ‘chemiosmosis’.

    In aerobic respiration, the final electron carrier passes the electrons to an oxygen molecule. The oxygen then binds to two hydrogen ions and forms water. This is where and how the oxygen that we breathe in is used by our bodies.

    In anaerobic respiration, the final electron carrier passes the electron to a substance other than oxygen such as nitrate (NO₃⁻) or an iron ion. Less hydrogen ions are pumped across the membrane if these substances are used instead of oxygen so anaerobic respiration is less efficient than aerobic respiration.

    The electron transport chain doesn’t produce any ATP but simply reduces the energy of the electron and creates a proton gradient. When the electron’s energy has been reduced enough it can be accepted by oxygen or the ‘acceptor’ in anaerobic respiration. The energy of the electron is used to pump hydrogen ions across the membrane which will be used to produce ATP through chemiosmosis.

    Quimiosmosis

    Chemiosmosis is where the vast majority of ATP is produced. The production of ATP is driven by an enzyme called ‘ATP synthase’ which adds a phosphate group to a molecule of ADP.

    ATP synthase enzymes are found in the same membranes as the electron transport chain. The proton gradient (i.e. the difference in concentration of hydrogen ions) across the membrane that was produced by the electron transport chain is used to power ATP synthase enzymes.

    Hydrogen ions naturally want to have a balanced concentration on either side of the gradient. ATP synthase provides a channel for hydrogen ions to flow back across the membrane to balance out the concentrations. As the hydrogen ions flow through ATP synthase, they power the enzyme to produce ATP from ADP.

    The movement of hydrogen ions through ATP synthase leads to the generation of around 26-28 molecules of ATP for every glucose molecule that is broken down. Compared to the two molecules of ATP produced during glycolysis and the citric acid cycle, this final step in the oxidative phosphorylation stage is by far the most productive.

    It would not be possible however without the gradual breakdown of a glucose molecule and the gradual release of its energy and this is only possible because of the glycolysis pathway and the citric acid cycle.

    The overall balanced equation of cellular respiration looks like this:

    glucose + oxygen → carbon dioxide + water + 30-32 ATP

    Resumen

    • Cellular respiration breaks down glucose to harvest its energy and convert it into usable cellular energy in the form of ATP
    • There are three distinct stages of respiration: glycolysis, the citric acid cycle and oxidative phosphorylation
    • Glycolysis splits glucose into two 3 carbon molecules called ‘pyruvate’
    • Pyruvate is transported into the mitochondria in eukaryotic cells and stays in the cytoplasm in prokaryotic cells
    • Pyruvate is converted to acetyl CoA and enters into the citric acid cycle
    • The citric acid cycle is a series of reactions that produces NADH and FADH₂, plus two ATP molecules and CO₂ as a byproduct
    • NADH and FADH₂ deliver electrons to the electron transport chain
    • Electrons are passed along the electron transport chain and the energy released pumps protons from inside the mitochondria into the intermembrane space of the mitochondria in eukaryotic cells. The same is completed across the plasma membrane of prokaryotic cells.
    • The electron transport chain finishes with the electrons being passed onto oxygen which reacts with hydrogen ions to create water as a byproduct
    • In anaerobic respiration, a molecule other than oxygen is the final electron acceptor
    • The build up of hydrogen ions is used by the ATP synthase enzyme to power the production of ATP from ADP.
    • The overall reaction is: glucose + oxygen → carbon dioxide + water + 30-32 ATP

    Last edited: 25 April 2016

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Comentarios:

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