Come Catena respiratoria viene chiamata una cascata di passaggi di trasferimento di elettroni (reazioni redox) nel metabolismo delle cellule di quasi tutti gli esseri viventi. Alla fine della catena respiratoria, che si svolge nei mitocondri, vengono prodotte le centrali elettriche delle cellule, ATP (adenosina trifosfato) e acqua (H2O). L'ATP contiene l'energia conservata che può essere trasportata su brevi distanze, che proviene dalla catena respiratoria ed è disponibile per processi metabolici endotermici, cioè che richiedono energia.
Qual è la catena respiratoria?
La catena respiratoria come parte della respirazione cellulare contiene una catena di reazioni redox che avvengono una dopo l'altra, cioè reazioni di donazione di elettroni e reazioni di accettazione di elettroni che sono cataliticamente controllate dagli enzimi. Il processo globale fortemente esotermico, che corrisponde alla combustione dell'idrogeno in acqua (reazione ossidrogeno), altrimenti distruggerebbe termicamente le cellule o addirittura le farebbe esplodere.
La catena respiratoria si svolge nella membrana interna dei mitocondri in quattro complessi redox successivi: gli elettroni trasferiti al livello successivo emettono ciascuno parte della propria energia. Allo stesso tempo, si accumula un gradiente protonico a causa dei protoni (H +) rilasciati nello spazio tra la membrana interna ed esterna (spazio intermembrana) dei mitocondri. I protoni cercano di migrare dall'area ad alta concentrazione all'area a bassa concentrazione, in questo caso la membrana interna.
Funziona solo in combinazione con l'enzima ATP sintasi, una proteina del tunnel. Durante il passaggio attraverso il tunnel proteico, i protoni sprigionano energia, che viene convertita in ATP nel corso della fosforilazione ossidativa di ADP (adenosina difosfato) e fosfato inorganico. L'ATP funge da vettore energetico onnipotente per quasi tutti i processi metabolici che consumano energia nel corpo. Quando l'energia viene utilizzata nei processi metabolici, viene nuovamente scomposta in ADP con la scissione esotermica di un gruppo fosfato.
Funzione e compito
La catena respiratoria ha il compito e la funzione, in connessione con il ciclo dell'acido citrico, che si svolge anche nei mitocondri, di fornire all'organismo sufficiente energia utilizzabile. In definitiva, i processi di degradazione dei componenti alimentari dei gruppi di sostanze carboidrati, grassi e proteine confluiscono nella catena respiratoria nell'ultima parte dei processi di degradazione, in cui l'energia contenuta nei componenti alimentari viene messa a disposizione dell'organismo sotto forma di ATP energeticamente utilizzabile.
Il principale vantaggio per il metabolismo umano è che l'energia chimica contenuta nei componenti del cibo non viene convertita esclusivamente e in modo incontrollabile in energia termica, ma viene immagazzinata sotto forma di ATP. L'ATP consente al corpo di utilizzare l'energia immagazzinata in tempi diversi e in luoghi diversi secondo necessità. Quasi tutti i processi metabolici che consumano energia dipendono dall'ATP come fornitore di energia.
La catena respiratoria comprende quattro cosiddetti complessi (I, II, III, IV) e, come ultimo passaggio, la fosforilazione dell'ADP in ATP, che alcuni autori chiamano anche complesso V. In entrambe le catene di trasferimento di elettroni I e II, i complessi enzimatici in connessione con ubichinone, NAD / NADH (nicotinamide adenina dinucleotide) e FAD (flavina adenina dinucleotide) svolgono un ruolo importante. I processi nei complessi III e IV avvengono anche con la partecipazione dell'ubiquinolo o dell'ubiquinone ossidato e della citocromo c ossidasi, che si ossida a citocromo c. Allo stesso tempo, l'ossigeno viene ridotto ad acqua (H2O) con l'aggiunta di 2 ioni H +.
La catena respiratoria può essere vista come una sorta di ciclo aperto in cui i catalizzatori enzimatici coinvolti si rigenerano e intervengono nuovamente nel ciclo del materiale. Questa risulta essere particolarmente efficiente dal punto di vista energetico per il metabolismo dell'organismo e particolarmente efficiente in termini di utilizzo delle risorse, grazie al perfetto riciclo dei biocatalizzatori (enzimi) coinvolti.
Malattie e disturbi
La catena respiratoria contiene una cascata di trasferimenti di elettroni in cui molte sostanze e, soprattutto, complessi processi enzimatici sono coinvolti in una sorta di processo biocatalitico. Se uno di questi processi viene disturbato, la catena respiratoria stessa può essere disturbata o, in casi estremi, arrestarsi completamente.
In linea di principio, una serie di difetti genetici possono anche verificarsi nel set cromosomico o, oltre a difetti genetici, esclusivamente nel DNA mitocondriale separato. Se c'è un difetto genetico mitocondriale, può provenire solo dalla madre perché il DNA mitocondriale separato dell'uomo è solo nella coda dello sperma, che viene respinto ed escreto prima che lo sperma penetri nell'uovo.
I disturbi acquisiti sono possibili anche al di là dei disturbi causati geneticamente nel corso della catena respiratoria. B. causato da inibitori naturali o artificiali della catena respiratoria. Sono note numerose sostanze che inibiscono la catena respiratoria in un punto definito in modo che la catena respiratoria sia completamente interrotta o funzioni solo in modo inadeguato. Altre sostanze agiscono come cosiddetti disaccoppiatori (protonofori), che rendono le fasi di ossidazione molto più veloci e portano a una maggiore richiesta di ossigeno. Anche qui ci sono disaccoppiatori naturali e artificiali.
Come inibitori z. B. alcuni antibiotici e fungicidi utilizzati ad es. T. attacco su complessi I, II o III. L'antibiotico oligomicina ha un effetto inibitorio diretto sul processo di ATP sintasi, per cui si verifica una ridotta sintesi di ATP con ridotto consumo di ossigeno. Il tessuto adiposo bruno funge anche da disaccoppiatore naturale, in grado di convertire l'energia direttamente in calore senza passare attraverso l'ATP. I disturbi funzionali nella catena respiratoria sono generalmente evidenti attraverso prestazioni ridotte e stanchezza e esaurimento frequenti o costanti.
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