การหายใจระดับเซลล์ คือผลรวมของวิธีการทางชีวเคมีต่างๆ ที่สิ่งมีชีวิตยูคาริโอตใช้ในการสกัด พลังงาน จากอาหารโดยเฉพาะ กลูโคส โมเลกุล
กระบวนการหายใจระดับเซลล์ประกอบด้วยสี่ขั้นตอนหรือขั้นตอนพื้นฐาน: ไกลโคไลซิสซึ่งเกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตทั้งโปรคาริโอตและยูคาริโอต ปฏิกิริยาสะพานซึ่งกำหนดเวทีสำหรับการหายใจแบบแอโรบิก และ เครบส์ ไซเคิล และ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน, เส้นทางที่ขึ้นกับออกซิเจนที่เกิดขึ้นตามลำดับในไมโตคอนเดรีย
ขั้นตอนของการหายใจระดับเซลล์ไม่ได้เกิดขึ้นที่ความเร็วเท่ากัน และปฏิกิริยาชุดเดียวกันอาจเกิดขึ้นในอัตราที่ต่างกันในสิ่งมีชีวิตเดียวกันในเวลาที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น อัตราไกลโคไลซิสในเซลล์กล้ามเนื้อคาดว่าจะเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงที่มีความเข้มข้นสูง ไม่ใช้ออกซิเจน การออกกำลังกายซึ่งก่อให้เกิด "หนี้ออกซิเจน" แต่ขั้นตอนของการหายใจแบบใช้ออกซิเจนไม่ได้เร่งขึ้นอย่างเห็นได้ชัด เว้นแต่จะออกกำลังกายที่ระดับความเข้มข้นแบบแอโรบิก "จ่ายตามการใช้งาน"
สมการการหายใจระดับเซลล์
สมบูรณ์ สูตรการหายใจระดับเซลล์ ดูแตกต่างกันไปเล็กน้อยจากแหล่งที่มาหนึ่งไปยังอีกแหล่งหนึ่ง ขึ้นอยู่กับสิ่งที่ผู้เขียนเลือกที่จะรวมไว้เป็นสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่มีความหมาย ตัวอย่างเช่น หลายแหล่งละเว้นตัวพาอิเล็กตรอน NAD
โดยรวมแล้ว กลูโคสของโมเลกุลน้ำตาลคาร์บอน 6 ตัวจะถูกแปลงเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในที่ที่มีออกซิเจนเพื่อให้เกิด ATP 36 ถึง 38 โมเลกุล (อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต, "สกุลเงินพลังงาน" ตามธรรมชาติของเซลล์) สมการทางเคมีนี้แสดงโดยสมการต่อไปนี้:
ค6โฮ12โอ6 + 6 ออน2 → 6 CO2 + 12 ชั่วโมง2O + 36 ATP
ไกลโคไลซิส
ขั้นตอนแรกของการหายใจระดับเซลล์คือ ไกลโคไลซิสซึ่งเป็นชุดของปฏิกิริยา 10 อย่างที่ไม่ต้องการออกซิเจน จึงเกิดขึ้นในทุกเซลล์ที่มีชีวิต โปรคาริโอต (จากโดเมน แบคทีเรียและอาร์เคีย เดิมเรียกว่า "อาร์คีแบคทีเรีย") ใช้ไกลโคไลซิสเกือบทั้งหมด ในขณะที่ยูคาริโอต (สัตว์ เชื้อรา โพรทิสต์ และพืช) ใช้เป็นส่วนประกอบหลักในการจัดเตรียมโต๊ะอาหารเพื่อให้มีกำไรมากขึ้น ปฏิกิริยาของ การหายใจแบบแอโรบิก.
Glycolysis เกิดขึ้นในไซโตพลาสซึม ใน "ขั้นตอนการลงทุน" ของกระบวนการนี้ ใช้ ATP สองตัวในขณะที่เติมฟอสเฟตสองชนิดลงในอนุพันธ์ของกลูโคส ก่อนที่มันจะแบ่งออกเป็นสารประกอบสามคาร์บอนสองชนิด เหล่านี้จะถูกเปลี่ยนเป็นสองโมเลกุลของ ไพรูเวท 2 NADH และสี่ ATP สำหรับ a กำไรสุทธิของสอง ATP
ปฏิกิริยาสะพาน
ขั้นตอนที่สองของการหายใจระดับเซลล์ การเปลี่ยนแปลง หรือ ปฏิกิริยาสะพานได้รับความสนใจน้อยกว่าการหายใจระดับเซลล์ที่เหลือ ตามชื่อที่สื่อถึง ไม่มีทางที่จะได้รับจากไกลโคไลซิสไปเป็นปฏิกิริยาแอโรบิกนอกเหนือจากนั้น
ในปฏิกิริยานี้ ซึ่งเกิดขึ้นในไมโทคอนเดรีย โมเลกุลไพรูเวตสองโมเลกุลจากไกลโคไลซิสจะถูกแปลงเป็นสองโมเลกุลของอะซิติลโคเอ็นไซม์ A (อะซิติลโคเอ) โดยมี CO 2 โมเลกุล2 ผลิตเป็นของเสียจากการเผาผลาญ ไม่มีการผลิตเอทีพี
The Krebs Cycle
เครบส์ ไซเคิล ไม่สร้างพลังงานมากนัก (สอง ATP) แต่โดยการรวมโมเลกุลสองคาร์บอนอะซิติล CoA กับออกซาโลอะซีเตตโมเลกุลสี่คาร์บอนและการปั่นจักรยาน ผลลัพธ์ที่ได้ผ่านชุดของทรานซิชันที่ตัดแต่งโมเลกุลกลับเป็นออกซาโลอะซิเตต มันสร้าง แปด NADH และสอง FADH2, ตัวพาอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่ง (สี่ NADH และ FADH. หนึ่งตัว2 ต่อโมเลกุลกลูโคสเข้าสู่การหายใจระดับเซลล์ที่ไกลโคไลซิส)
โมเลกุลเหล่านี้จำเป็นสำหรับ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนและในระหว่างการสังเคราะห์ CO. อีกสี่ตัว2 โมเลกุลถูกขับออกจากเซลล์เป็นของเสีย
ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
ขั้นตอนที่สี่และขั้นสุดท้ายของการหายใจระดับเซลล์คือจุดที่ "การสร้าง" พลังงานหลักเสร็จสิ้น อิเล็กตรอนที่บรรทุกโดย NADH และ FADH2 ถูกดึงออกมาจากโมเลกุลเหล่านี้โดยเอนไซม์ใน เยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย และใช้เพื่อขับเคลื่อนกระบวนการที่เรียกว่าออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน ซึ่งการไล่ระดับเคมีไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วย การปล่อยอิเลคตรอนดังกล่าวจะเพิ่มพลังให้โมเลกุลฟอสเฟตเข้าสู่ ADP เพื่อผลิต เอทีพี
ออกซิเจน จำเป็นสำหรับขั้นตอนนี้ เนื่องจากเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในสายโซ่ สิ่งนี้สร้างH2ดังนั้นขั้นตอนนี้จึงเป็นที่มาของน้ำในสมการการหายใจระดับเซลล์
โดยรวมแล้ว ATP 32 ถึง 34 โมเลกุลจะถูกสร้างขึ้นในขั้นตอนนี้ ขึ้นอยู่กับว่าผลรวมของพลังงานเป็นอย่างไร ดังนั้น การหายใจระดับเซลล์ให้ผลรวม 36 ถึง 38 ATP: 2 + 2 + (32 หรือ 34)