การหายใจระดับเซลล์: ความหมาย สมการ และขั้นตอน

ปราชญ์เบอร์ทรานด์ รัสเซลล์ กล่าวว่า "สิ่งมีชีวิตทุกชนิดเป็นลัทธิจักรวรรดินิยม แสวงหาการเปลี่ยนแปลงให้มากที่สุด ของสิ่งแวดล้อมเข้าไปในตัวของมันเอง" นอกจากคำอุปมาอุปมัย การหายใจระดับเซลล์เป็นวิธีที่เป็นทางการซึ่งสิ่งมีชีวิตทำในที่สุด นี้. การหายใจระดับเซลล์ใช้สารที่จับได้จากสภาพแวดล้อมภายนอก (แหล่งอากาศและคาร์บอน) และ แปลงเป็นพลังงานเพื่อสร้างเซลล์และเนื้อเยื่อให้มากขึ้น และเพื่อการดำรงชีวิต กิจกรรม. ยังก่อให้เกิดของเสียและน้ำอีกด้วย ไม่ควรสับสนกับ "การหายใจ" ในชีวิตประจำวัน ซึ่งมักจะหมายถึงสิ่งเดียวกับ "การหายใจ" การหายใจเป็นเช่นไร สิ่งมีชีวิตได้รับออกซิเจน แต่สิ่งนี้ไม่เหมือนกับการประมวลผลออกซิเจน และการหายใจไม่สามารถจัดหาคาร์บอนที่จำเป็นสำหรับ needed การหายใจ; อาหารดูแลสิ่งนี้ อย่างน้อยก็ในสัตว์

การหายใจระดับเซลล์เกิดขึ้นในทั้งพืชและสัตว์ แต่ไม่พบในโปรคาริโอต (เช่น แบคทีเรีย) ซึ่งขาด ไมโตคอนเดรียและออร์แกเนลล์อื่น ๆ จึงไม่สามารถนำออกซิเจนมาใช้ได้ โดยจำกัดให้เหลือเพียงไกลโคไลซิสเป็นพลังงาน แหล่งที่มา พืชมักเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสงมากกว่าการหายใจ แต่การสังเคราะห์ด้วยแสงคือ แหล่งออกซิเจนสำหรับการหายใจของเซลล์พืชและแหล่งออกซิเจนที่ออกจากพืชซึ่งสามารถนำมาใช้โดย สัตว์ ผลพลอยได้จากทั้งสองกรณีคือ ATP หรือ adenosine triphosphate ซึ่งเป็นตัวพาพลังงานเคมีหลักในสิ่งมีชีวิต

การหายใจระดับเซลล์ มักเรียกว่าการหายใจแบบใช้ออกซิเจน เป็นการสลายอย่างสมบูรณ์ของโมเลกุลกลูโคสเมื่อมีออกซิเจนเพื่อให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ:

ค₆โฮ₁₂โอ₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P –> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 กิโลแคลอรี

สมการนี้มีองค์ประกอบออกซิเดชัน (C₆โฮ₁₂โอ₆ -> 6CO₂) โดยพื้นฐานแล้วการกำจัดอิเล็กตรอนในรูปของอะตอมไฮโดรเจน นอกจากนี้ยังมีส่วนประกอบลดขนาด 6O₂ -> 6H₂O ซึ่งเป็นการเติมอิเล็กตรอนในรูปของไฮโดรเจน

สมการโดยรวมแปลว่าอะไรคือพลังงานที่อยู่ในพันธะเคมีของสารตั้งต้นคือ ใช้เชื่อมต่ออะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) กับอะตอมของฟอสฟอรัสอิสระ (P) เพื่อสร้างอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (เอทีพี).

กระบวนการโดยรวมเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอน: Glycolysis เกิดขึ้นในไซโตพลาสซึม ตามด้วย Krebs วัฏจักรและห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในเมทริกซ์ยลและบนเยื่อหุ้มยลchon ตามลำดับ

ขั้นตอนแรกในการสลายกลูโคสทั้งในพืชและสัตว์คือชุดของปฏิกิริยา 10 อย่างที่เรียกว่าไกลโคไลซิส กลูโคสเข้าสู่เซลล์สัตว์จากภายนอก ผ่านทางอาหารที่แตกตัวเป็นโมเลกุลกลูโคส ที่ไหลเวียนอยู่ในกระแสเลือดและถูกดูดซึมโดยเนื้อเยื่อที่ต้องการพลังงานมากที่สุด (รวมถึง สมอง). ในทางตรงกันข้าม พืชสังเคราะห์กลูโคสจากการรับคาร์บอนไดออกไซด์จากภายนอก และใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อแปลงCO₂ เป็นกลูโคส ณ จุดนี้ไม่ว่าจะไปถึงที่นั่นอย่างไร โมเลกุลของกลูโคสทุกโมเลกุลก็มุ่งมั่นสู่ชะตากรรมเดียวกัน

ในระยะเริ่มต้นของไกลโคไลซิส โมเลกุลกลูโคสหกคาร์บอนจะถูกฟอสโฟรีเลตเพื่อดักจับภายในเซลล์ ฟอสเฟตมีประจุเป็นลบ ดังนั้นจึงไม่สามารถลอยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้เช่นเดียวกับโมเลกุลที่ไม่มีขั้วและไม่มีประจุซึ่งบางครั้งสามารถทำได้ โมเลกุลฟอสเฟตตัวที่สองถูกเติมเข้าไป ซึ่งทำให้โมเลกุลไม่เสถียร และในไม่ช้าก็จะถูกแยกออกเป็นสารประกอบสามคาร์บอนสองชนิดที่ไม่เหมือนกัน ในไม่ช้าสิ่งเหล่านี้จะถือว่าเกิดรูปแบบทางเคมีและถูกจัดเรียงใหม่เป็นชุดขั้นตอนเพื่อให้ได้โมเลกุลสองโมเลกุลในท้ายที่สุด ไพรูเวต. ระหว่างทางมีการบริโภค ATP สองโมเลกุล (พวกมันให้ฟอสเฟตสองตัวที่เติมลงในกลูโคสในช่วงต้น) และสี่ถูกผลิตขึ้นสองโดยแต่ละกระบวนการคาร์บอนสามตัวเพื่อให้ได้โมเลกุล ATP สองสุทธิต่อโมเลกุลของ กลูโคส

ในแบคทีเรีย ไกลโคไลซิสเพียงอย่างเดียวก็เพียงพอแล้วสำหรับเซลล์ – และด้วยเหตุนี้ทั้งสิ่งมีชีวิตจึงต้องการพลังงาน แต่ในพืชและสัตว์นั้นไม่เป็นเช่นนั้น และด้วยไพรูเวต ชะตากรรมสุดท้ายของกลูโคสเพิ่งจะเริ่มต้นขึ้น ควรสังเกตว่าไกลโคไลซิสเองไม่ต้องการออกซิเจน แต่โดยทั่วไปแล้วออกซิเจนจะรวมอยู่ใน included การอภิปรายเกี่ยวกับการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและการหายใจระดับเซลล์เพราะจำเป็นต้องสังเคราะห์ ไพรูเวต

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยในหมู่ผู้ที่ชื่นชอบชีววิทยาคือ คลอโรพลาสต์ทำหน้าที่เหมือนกันในพืชที่ไมโตคอนเดรียทำในสัตว์ และสิ่งมีชีวิตแต่ละประเภทมีเพียงอย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น นี้ไม่เป็นเช่นนั้น พืชมีทั้งคลอโรพลาสต์และไมโตคอนเดรีย ในขณะที่สัตว์มีเพียงไมโตคอนเดรีย พืชใช้คลอโรพลาสต์เป็นเครื่องกำเนิด - ใช้แหล่งคาร์บอนขนาดเล็ก (CO₂) เพื่อสร้างขนาดใหญ่ขึ้น (กลูโคส) เซลล์ของสัตว์ได้รับกลูโคสจากการทำลายโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมัน ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องสร้างกลูโคสจากภายใน สิ่งนี้อาจดูแปลกและไม่มีประสิทธิภาพในกรณีของพืช แต่พืชได้พัฒนาคุณลักษณะหนึ่งที่สัตว์ไม่มี นั่นคือ ความสามารถในการควบคุมแสงแดดเพื่อการใช้งานโดยตรงในการเผาผลาญ สิ่งนี้ทำให้พืชสร้างอาหารได้เองอย่างแท้จริง

เชื่อกันว่าไมโตคอนเดรียเป็นแบคทีเรียชนิดยืนอิสระเมื่อหลายร้อยล้านปีก่อน ซึ่งเป็นทฤษฎีที่สนับสนุนโดยพวกมัน โครงสร้างที่คล้ายคลึงกันอย่างน่าทึ่งกับแบคทีเรียรวมถึงกลไกการเผาผลาญและการมีอยู่ของ DNA และออร์แกเนลล์ของพวกมันเองที่เรียกว่า ไรโบโซม ยูคาริโอตเกิดขึ้นครั้งแรกเมื่อกว่าพันล้านปีก่อนเมื่อเซลล์หนึ่งสามารถกลืนกินเซลล์อื่นได้ (สมมติฐานเอนโดซิมบิออน) นำไปสู่ข้อตกลงที่เป็นประโยชน์อย่างมากต่อผู้กลืนกินในข้อตกลงนี้เนื่องจากการผลิตพลังงานที่เพิ่มขึ้น ความสามารถ ไมโตคอนเดรียประกอบด้วยพลาสมาเมมเบรนสองชั้น เช่นเดียวกับเซลล์ เยื่อหุ้มชั้นในประกอบด้วยรอยพับที่เรียกว่าคริสเต ส่วนภายในของไมโตคอนเดรียเรียกว่าเมทริกซ์และคล้ายคลึงกับไซโตพลาสซึมของเซลล์ทั้งหมด

คลอโรพลาสต์ เช่น ไมโทคอนเดรีย มีเยื่อหุ้มชั้นนอกและชั้นในและมี DNA ของตัวเอง ภายในช่องว่างที่หุ้มด้วยเมมเบรนชั้นในมีถุงเยื่อเมมเบรนที่เชื่อมต่อถึงกัน เป็นชั้น และเต็มไปด้วยของเหลวที่เรียกว่าไทลาคอยด์ แต่ละ "กอง" ของ thylakoids ก่อตัวเป็นแกรนูม (พหูพจน์: grana) ของเหลวภายในเยื่อหุ้มชั้นในที่ล้อมรอบกรานาเรียกว่าสโตรมา

คลอโรพลาสต์ประกอบด้วยรงควัตถุที่เรียกว่าคลอโรฟิลล์ซึ่งทำให้พืชมีสีเขียวและทำหน้าที่เป็นตัวสะสมแสงแดดสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง สมการของการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นตรงกันข้ามกับการหายใจของเซลล์ แต่แต่ละขั้นตอนที่จะได้รับจาก คาร์บอนไดออกไซด์กับกลูโคสไม่เหมือนกับปฏิกิริยาย้อนกลับของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน วัฏจักรเครบส์ และ ไกลโคไลซิส

ในกระบวนการนี้ เรียกอีกอย่างว่าวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (TCA) หรือวัฏจักรกรดซิตริก โมเลกุลของไพรูเวตจะถูกแปลงเป็นโมเลกุลสองคาร์บอนก่อนที่เรียกว่าอะเซทิลโคเอ็นไซม์ A (อะซิติลโคเอ) สิ่งนี้จะปล่อยโมเลกุลของCO₂. จากนั้นโมเลกุลของ Acetyl CoA จะเข้าสู่ mitochondrial matrix ซึ่งแต่ละโมเลกุลจะรวมตัวกับโมเลกุลคาร์บอนสี่ตัวของออกซาโลอะซิเตตเพื่อสร้างกรดซิตริก ดังนั้น หากคุณกำลังทำบัญชีอย่างรอบคอบ กลูโคสหนึ่งโมเลกุลจะส่งผลให้เกิดกรดซิตริก 2 โมเลกุลที่จุดเริ่มต้นของวัฏจักรเครบส์

กรดซิตริก ซึ่งเป็นโมเลกุล 6 คาร์บอน ถูกจัดเรียงใหม่เป็นไอโซซิเตรต จากนั้นอะตอมของคาร์บอนจะถูกแยกออกเพื่อสร้างคีโตกลูตาเรตด้วย CO₂ ออกจากวงจร ในทางกลับกัน Ketoglutarate จะถูกดึงออกจากอะตอมของคาร์บอนอีกตัวหนึ่งทำให้เกิด CO. อีกตัวหนึ่ง₂ และ succinate และยังสร้างโมเลกุลของ ATP จากนั้นโมเลกุลของซัคซิเนตสี่คาร์บอนจะถูกแปลงเป็นฟูมาเรต มาเลต และออกซาโลอะซีเตตตามลำดับ ปฏิกิริยาเหล่านี้จะเห็นไฮโดรเจนไอออนถูกกำจัดออกจากโมเลกุลเหล่านี้และจับกับตัวพาอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง NAD+ และ FAD+ เพื่อสร้าง NADH และ FADH₂ ตามลำดับซึ่งโดยพื้นฐานแล้วพลังงาน "การสร้าง" ปลอมตัวอย่างที่คุณเห็นในไม่ช้า เมื่อสิ้นสุดวัฏจักรเครบส์ โมเลกุลกลูโคสดั้งเดิมได้เพิ่มเป็น 10 NADH และ 2 FADH₂ โมเลกุล

ปฏิกิริยาของวัฏจักร Krebs จะสร้าง ATP เพียงสองโมเลกุลต่อโมเลกุลกลูโคสดั้งเดิม หนึ่งโมเลกุลสำหรับแต่ละ "เทิร์น" ของวัฏจักร ซึ่งหมายความว่านอกเหนือจาก ATP สองตัวที่ผลิตใน glycolysis หลังจากวงจร Krebs แล้ว ผลลัพธ์ที่ได้คือ ATP ทั้งหมดสี่ ATP แต่ผลลัพธ์ที่แท้จริงของการหายใจแบบใช้ออกซิเจนยังไม่เปิดเผยในขั้นตอนนี้

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งเกิดขึ้นบนคริสเตของเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน เป็นขั้นตอนแรกในการหายใจระดับเซลล์ที่อาศัยออกซิเจนอย่างชัดเจน NADH และ FADH₂ ที่ผลิตในวงจร Krebs ในขณะนี้พร้อมที่จะมีส่วนในการปล่อยพลังงานในลักษณะสำคัญ

วิธีที่เกิดขึ้นคือไฮโดรเจนไอออนที่เก็บไว้ในโมเลกุลของพาหะอิเล็กตรอนเหล่านี้ (ไฮโดรเจนไอออนสามารถสำหรับ วัตถุประสงค์ปัจจุบันถือเป็นคู่อิเล็กตรอนในแง่ของการมีส่วนร่วมในส่วนนี้ของการหายใจ) ถูกนำมาใช้เพื่อ สร้าง ไล่ระดับเคมี. คุณอาจเคยได้ยินเรื่องการไล่ระดับความเข้มข้น ซึ่งโมเลกุลจะไหลจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงกว่าไปยัง บริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ เช่น น้ำตาลก้อนที่ละลายในน้ำและอนุภาคน้ำตาลจะกระจายตัว ตลอด. อย่างไรก็ตาม ในการไล่ระดับเคมีอิเลคตรอนจาก NADH และ FADH₂ ลมถูกส่งผ่านไปโดยโปรตีนที่ฝังอยู่ในเมมเบรนและทำหน้าที่เป็นระบบถ่ายโอนอิเล็กตรอน พลังงานที่ปล่อยออกมาในกระบวนการนี้ใช้เพื่อปั๊มไฮโดรเจนไอออนผ่านเมมเบรนและสร้างระดับความเข้มข้นทั่วทั้งเมมเบรน สิ่งนี้นำไปสู่การไหลสุทธิของอะตอมไฮโดรเจนในทิศทางเดียว และการไหลนี้ถูกใช้เพื่อให้พลังงานแก่เอนไซม์ที่เรียกว่า ATP synthase ซึ่งทำให้ ATP จาก ADP และ P คิดว่าห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนเป็นสิ่งที่ทำให้น้ำมีน้ำหนักมากหลังกังหันน้ำซึ่งการหมุนครั้งต่อไปจะใช้เพื่อสร้างสิ่งต่างๆ

ซึ่งไม่ใช่โดยบังเอิญ เป็นกระบวนการเดียวกับที่ใช้ในคลอโรพลาสต์เพื่อเร่งการสังเคราะห์กลูโคส แหล่งพลังงานสำหรับสร้างเกรเดียนต์ข้ามเมมเบรนคลอโรพลาสต์ในกรณีนี้ไม่ใช่ NADH และ FADH₂แต่แสงแดด. การไหลของไฮโดรเจนไอออนที่ตามมาในทิศทางของความเข้มข้นของไอออน H+ ที่ต่ำกว่านั้นใช้เพื่อขับเคลื่อนการสังเคราะห์โมเลกุลคาร์บอนที่ใหญ่กว่าจากโมเลกุลที่เล็กกว่า โดยเริ่มด้วย CO₂ และลงท้ายด้วย C₆โฮ₁₂โอ₆.

พลังงานที่ไหลจากการไล่ระดับเคมีออสโมติกนั้นไม่เพียงแต่ใช้เพื่อเพิ่มพลังในการผลิต ATP เท่านั้น แต่ยังมีกระบวนการที่สำคัญอื่นๆ ของเซลล์อีกด้วย เช่น การสังเคราะห์โปรตีน หากห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนถูกขัดจังหวะ (เช่นเดียวกับการขาดออกซิเจนเป็นเวลานาน) จะไม่สามารถคงระดับการไล่ระดับโปรตอนและ this การผลิตพลังงานเซลลูลาร์หยุดลง เช่นเดียวกับกังหันน้ำหยุดไหลเมื่อน้ำรอบๆ ไม่มีแรงดันไหลอีกต่อไป การไล่ระดับสี

เนื่องจากแต่ละโมเลกุลของ NADH ได้แสดงการทดลองเพื่อผลิต ATP ประมาณสามโมเลกุลและแต่ละ FADH₂ สร้าง ATP สองโมเลกุล พลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาลูกโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนคือ (อ้างอิงกลับไปที่ส่วนก่อนหน้า) 10 คูณ 3 (สำหรับ NADH) บวก 2 คูณ 2 (สำหรับ FADH₂) รวมเป็น 34 ATP เพิ่มสิ่งนี้ลงใน 2 ATP จาก glycolysis และ 2 จากวงจร Krebs และนี่คือที่มาของตัวเลข 38 ATP ในสมการสำหรับการหายใจแบบใช้ออกซิเจน