電子輸送チェーンとエネルギー生成の説明

細胞によるエネルギーの生成方法について詳しく知る

電子輸送チェーンと酸化的リン酸化。 OpenStaxカレッジ/ウィキメディア・コモンズ

細胞生物学では、 電子伝達系 食べたものからエネルギーを作る細胞のプロセスの 1 つです。

有酸素運動の第3ステップです 細胞呼吸 .細胞呼吸とは、体内の細胞が消費した食物からエネルギーを生成する方法を表す用語です。電子伝達系は、細胞が動作するために必要なほとんどのエネルギーが生成される場所です。この「チェーン」は、実際には一連の タンパク質 細胞内膜内の複合体および電子伝達分子 ミトコンドリア 、細胞の発電所としても知られています。

鎖は酸素への電子の供与で終了するため、酸素は好気呼吸に必要です。

重要ポイント: 電子輸送チェーン

• 電子伝達鎖は、細胞内膜内の一連のタンパク質複合体と電子伝達分子です。 ミトコンドリア エネルギーのATPを生成します。
• 電子は鎖に沿ってタンパク質複合体からタンパク質複合体へと渡され、酸素に供与されます。電子の通過中に、プロトンがポンプで排出されます。 ミトコンドリアマトリックス 内膜を通過して膜間腔へ。
• 膜間腔にプロトンが蓄積すると、電気化学的勾配が生じ、これによりプロトンが勾配を流れ落ち、ATP シンターゼを介してマトリックスに戻ります。この陽子の動きは、ATP の生産のためのエネルギーを提供します。
• 電子伝達系は、 好気性細胞呼吸 .解糖とクレブス回路は、細胞呼吸の最初の 2 つのステップです。

エネルギーはどのように作られるか

電子が鎖に沿って移動するとき、その動きまたは運動量を使用して、 アデノシン三リン酸（ATP） . ATP は、以下を含む多くの細胞プロセスの主要なエネルギー源です。 筋 収縮と 細胞分裂 .

アデノシン三リン酸 (ATP) は、細胞にエネルギーを供給する有機化学物質です。 ttsz / iStock /ゲッティイメージズプラス

ATP が存在すると、細胞の代謝中にエネルギーが放出されます 加水分解された .これは、電子が鎖に沿ってタンパク質複合体からタンパク質複合体に渡され、酸素を形成する水に供与されるときに起こります. ATP は、水と反応してアデノシン二リン酸 (ADP) に化学的に分解されます。 ADP は、ATP の合成に使用されます。

より詳細には、電子が鎖に沿ってタンパク質複合体からタンパク質複合体に渡されると、エネルギーが放出され、水素イオン (H+) がミトコンドリア マトリックス (内部区画内のコンパートメント) から排出されます。 膜 ) と膜間腔 (内膜と外膜の間の区画) に入ります。このすべての活動により、内膜全体に化学的勾配 (溶液濃度の差) と電気的勾配 (電荷の差) の両方が生じます。より多くの H+ イオンが膜間スペースに送り込まれると、より高い濃度の水素原子が蓄積され、マトリックスに逆流し、同時にタンパク質複合体 ATP シンターゼによる ATP の生成が促進されます。

ATP シンターゼは、マトリックスへの H+ イオンの移動から生成されたエネルギーを使用して、ADP を ATP に変換します。 ATP を生成するためのエネルギーを生成するために分子を酸化するこのプロセスは、酸化的と呼ばれます。 リン酸化 .

細胞呼吸の最初のステップ

細胞呼吸は、生物の細胞内で生化学的エネルギーを栄養素からアデノシン三リン酸 (ATP) に変換し、老廃物を放出する一連の代謝反応とプロセスです。 ノーマル/iStock/ゲッティイメージズプラス

細胞呼吸の最初のステップは、 解糖系 .解糖は 細胞質 1 分子のグルコースを 2 分子の化合物ピルビン酸に分割することを含みます。全部で2分子のATPと2分子のNADH（高エネルギー、電子伝達分子）が生成されます。

と呼ばれる 2 番目のステップ クエン酸回路 またはクレブス回路は、ピルビン酸がミトコンドリアの外側および内側の膜を横切ってミトコンドリアマトリックスに輸送されるときです。ピルビン酸はクレブス回路でさらに酸化され、さらに 2 分子の ATP と、NADH および FADH が生成されます。₂分子。 NADHおよびFADHからの電子₂細胞呼吸の第 3 段階である電子伝達系に転送されます。

チェーン内のタンパク質複合体

四つあります タンパク質複合体 これらは電子伝達鎖の一部であり、電子を鎖に伝える機能を果たします。 5番目のタンパク質複合体は、水素を輸送する働きをします イオン マトリックスに戻ります。これらの複合体はミトコンドリア内膜に埋め込まれています。

酸化的リン酸化を伴う電子伝達系の図。 Extender01 / iStock /ゲッティイメージズプラス

コンプレックスⅠ

NADH は 2 つの電子を複合体 I に移動させ、4 つの H を生成します⁺イオンが内膜を通過します。 NADHはNADに酸化されます⁺にリサイクルされます。 クレブス サイクル .電子は複合体 I からキャリア分子ユビキノン (Q) に移動し、ユビキノール (QH2) に還元されます。ユビキノールは電子を複合体 III に運びます。

コンプレックスⅡ

ファド₂は電子を複合体 II に転送し、電子はユビキノン (Q) に渡されます。 Q はユビキノール (QH2) に還元され、電子を複合体 III に運びます。いいえ⁺この過程でイオンは膜間腔に運ばれます。

複合体Ⅲ

複合体 III への電子の通過により、さらに 4 つの H の輸送が促進されます。⁺内膜を横切るイオン。 QH2 は酸化され、電子は別の電子伝達タンパク質シトクロム C に渡されます。

コンプレックスⅣ

シトクロム C は、鎖の最終的なタンパク質複合体である複合体 IV に電子を渡します。 2 つの H⁺イオンは内膜を通過します。その後、電子は複合体 IV から酸素 (O₂) 分子、分子の分裂を引き起こします。結果として生じる酸素原子はすぐにHをつかみます⁺イオンが 2 つの水分子を形成します。

ATP合成酵素

ATP シンターゼは H を動かす⁺電子伝達系によってマトリックスから排出されたイオンは、マトリックスに戻されます。の流入からのエネルギー 陽子 ADP のリン酸化 (リン酸の付加) によって ATP を生成するために使用されます。選択的透過性ミトコンドリア膜を通過し、電気化学的勾配を下るイオンの移動は、化学浸透と呼ばれます。

NADH は FADH よりも多くの ATP を生成します₂.酸化されるすべての NADH 分子に対して、10 H⁺イオンが膜間スペースに送り込まれます。これにより、約 3 つの ATP 分子が生成されます。 FADHだから₂後の段階でチェーンに入り（複合体II）、6つのHのみ⁺イオンは膜間スペースに移動します。これは約 2 つの ATP 分子に相当します。合計 32 の ATP 分子が電子伝達と酸化的リン酸化で生成されます。

ソース

• 「細胞のエネルギーサイクルにおける電子輸送」。 ハイパーフィジックス 、hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/etrans.html。
• Lodish、Harvey、他。 「電子輸送と酸化的リン酸化」。 分子細胞生物学。第4版。 、米国国立医学図書館、2000 年、www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21528/。