การหายใจระดับเซลล์ในมนุษย์

จุดประสงค์ของการหายใจระดับเซลล์คือการเปลี่ยนกลูโคสจากอาหารให้เป็นพลังงาน

เซลล์สลายกลูโคสในชุดของปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อน และรวมผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อเก็บพลังงานใน อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) โมเลกุล. โมเลกุล ATP ถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนกิจกรรมของเซลล์และทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานสากลสำหรับสิ่งมีชีวิต

การหายใจระดับเซลล์ ในมนุษย์เริ่มที่ระบบย่อยอาหารและทางเดินหายใจ อาหารถูกย่อยในลำไส้และเปลี่ยนเป็นกลูโคส ออกซิเจนถูกดูดซึมเข้าสู่ปอดและเก็บไว้ในเซลล์เม็ดเลือดแดง กลูโคสและออกซิเจนจะเดินทางเข้าสู่ร่างกายผ่านระบบไหลเวียนโลหิตเพื่อไปถึงเซลล์ที่ต้องการพลังงาน

เซลล์ใช้กลูโคสและออกซิเจนจากระบบไหลเวียนโลหิตเพื่อผลิตพลังงาน พวกมันส่งของเสีย คาร์บอนไดออกไซด์ กลับสู่เซลล์เม็ดเลือดแดง และปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สู่บรรยากาศทางปอด

ในขณะที่ระบบย่อยอาหาร ทางเดินหายใจ และระบบไหลเวียนโลหิตมีบทบาทสำคัญในการหายใจของมนุษย์ การหายใจในระดับเซลล์จะเกิดขึ้นภายในเซลล์และใน ไมโตคอนเดรีย ของเซลล์ กระบวนการสามารถแบ่งออกเป็นสามขั้นตอนที่แตกต่างกัน:

• ไกลโคไลซิส: เซลล์แยกโมเลกุลกลูโคสในเซลล์ไซโตซอล
  
• วงจร Krebs (หรือวงจรกรดซิตริก):
  ชุดของปฏิกิริยาวัฏจักรก่อให้เกิดผู้บริจาคอิเล็กตรอนที่ใช้ในขั้นตอนต่อไปและเกิดขึ้นในไมโตคอนเดรีย
• ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน: ปฏิกิริยาชุดสุดท้ายที่ใช้ออกซิเจนในการผลิตโมเลกุล ATP เกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย

ในปฏิกิริยาการหายใจของเซลล์โดยรวม โมเลกุลของกลูโคสแต่ละโมเลกุลจะผลิต 36 หรือ 38 โมเลกุลของ ATPแล้วแต่ชนิดเซลล์ การหายใจระดับเซลล์ในมนุษย์เป็นกระบวนการที่ต่อเนื่องและต้องการออกซิเจนอย่างต่อเนื่อง ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน กระบวนการหายใจของเซลล์จะหยุดที่ระดับไกลโคไลซิส

จุดประสงค์ของการหายใจของเซลล์คือการผลิตโมเลกุล ATP ผ่านทาง through ออกซิเดชัน ของกลูโคส

ตัวอย่างเช่น สูตรการหายใจระดับเซลล์สำหรับการผลิตโมเลกุล ATP 36 ตัวจากโมเลกุลของกลูโคสคือ C₆โฮ₁₂โอ₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + พลังงาน (โมเลกุล 36ATP) โมเลกุล ATP เก็บพลังงานไว้ในสาม พันธะหมู่ฟอสเฟต.

พลังงานที่ผลิตโดยเซลล์จะถูกเก็บไว้ในพันธะของกลุ่มฟอสเฟตที่สาม ซึ่งถูกเพิ่มเข้าไปในโมเลกุล ATP ในระหว่างกระบวนการหายใจของเซลล์ เมื่อจำเป็นต้องใช้พลังงาน พันธะฟอสเฟตที่สามจะถูกทำลายและใช้สำหรับปฏิกิริยาเคมีของเซลล์ อัน อะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) โมเลกุล เหลือฟอสเฟตสองกลุ่ม

ระหว่างการหายใจระดับเซลล์ พลังงานจากกระบวนการออกซิเดชันจะใช้เพื่อเปลี่ยนโมเลกุล ADP กลับเป็น ATP โดยการเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตกลุ่มที่สาม จากนั้นโมเลกุล ATP ก็พร้อมที่จะทำลายพันธะที่สามนี้อีกครั้งเพื่อปลดปล่อยพลังงานให้เซลล์ใช้

ใน glycolysis โมเลกุลกลูโคสหกคาร์บอนจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนเพื่อสร้างเป็นสอง ไพรูเวต โมเลกุลในชุดของปฏิกิริยา หลังจากที่โมเลกุลกลูโคสเข้าสู่เซลล์ ครึ่งหนึ่งของคาร์บอนสามส่วนแต่ละส่วนจะได้รับกลุ่มฟอสเฟตสองกลุ่มในสองขั้นตอนแยกกัน

อย่างแรก โมเลกุล ATP สองตัว ฟอสโฟรีเลต สองส่วนของโมเลกุลกลูโคสโดยการเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตให้กับแต่ละกลุ่ม จากนั้นเอ็นไซม์จะเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตอีกหนึ่งกลุ่มในแต่ละส่วนของโมเลกุลกลูโคสแต่ละส่วน ส่งผลให้โมเลกุลคาร์บอนสามตัวแบ่งครึ่ง โดยแต่ละส่วนมีกลุ่มฟอสเฟตสองกลุ่ม

ในปฏิกิริยาสองชุดสุดท้ายและแบบคู่ขนาน ฟอสโฟรีเลตสามคาร์บอนสองส่วนของโมเลกุลกลูโคสดั้งเดิมสูญเสียหมู่ฟอสเฟตเพื่อสร้างโมเลกุลไพรูเวตสองโมเลกุล การแยกโมเลกุลกลูโคสในขั้นสุดท้ายจะปล่อยพลังงานที่ใช้เพื่อเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตให้กับโมเลกุล ADP และสร้าง ATP

โมเลกุลกลูโคสแต่ละครึ่งสูญเสียหมู่ฟอสเฟตสองกลุ่มและผลิตโมเลกุลไพรูเวตและโมเลกุลเอทีพีสองโมเลกุล

Glycolysis เกิดขึ้นในเซลล์ cytosol แต่กระบวนการหายใจของเซลล์ที่เหลือจะเคลื่อนเข้าสู่ ไมโตคอนเดรีย. ไกลโคไลซิสไม่ต้องการออกซิเจน แต่เมื่อไพรูเวตเคลื่อนเข้าสู่ไมโตคอนเดรียแล้ว ออกซิเจนก็จำเป็นสำหรับขั้นตอนต่อไปทั้งหมด

ไมโทคอนเดรียเป็นโรงงานพลังงานที่ให้ออกซิเจนและไพรูเวตผ่านเยื่อหุ้มชั้นนอกและ their จากนั้นปล่อยให้ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาคาร์บอนไดออกไซด์และ ATP ออกจากเซลล์และเข้าสู่ระบบไหลเวียนโลหิต ระบบ.

วงจรกรดซิตริก เป็นชุดของปฏิกิริยาเคมีแบบวงกลมที่สร้าง NADH และ FADH₂ โมเลกุล สารประกอบทั้งสองนี้เข้าสู่ขั้นตอนถัดไปของการหายใจระดับเซลล์ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนและบริจาคอิเล็กตรอนเริ่มต้นที่ใช้ในห่วงโซ่ ผลลัพธ์ NAD⁺ และสารประกอบ FAD จะกลับสู่วัฏจักรกรดซิตริกเพื่อเปลี่ยนกลับเป็น NADH และ FADH เดิม₂ แบบฟอร์มและการรีไซเคิล

เมื่อโมเลกุลไพรูเวตสามคาร์บอนเข้าสู่ไมโตคอนเดรีย พวกมันจะสูญเสียโมเลกุลคาร์บอนหนึ่งโมเลกุลเพื่อสร้างคาร์บอนไดออกไซด์และสารประกอบสองคาร์บอน ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยานี้จะถูกออกซิไดซ์และต่อเข้ากับ โคเอ็นไซม์ A เป็นรูปสอง อะเซทิลโคเอ โมเลกุล ตลอดวงจรกรดซิตริก สารประกอบคาร์บอนจะเชื่อมโยงกับสารประกอบสี่คาร์บอนเพื่อผลิตซิเตรตหกคาร์บอน

ในชุดของปฏิกิริยา ซิเตรตจะปล่อยอะตอมของคาร์บอนสองอะตอมออกมาเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ และสร้าง 3 NADH, 1 ATP และ 1 FADH₂ โมเลกุล ในตอนท้ายของกระบวนการ วัฏจักรจะสร้างสารประกอบสี่คาร์บอนเดิมอีกครั้งและเริ่มต้นอีกครั้ง ปฏิกิริยาเกิดขึ้นภายในไมโตคอนเดรีย และ NADH และ FADH₂ จากนั้นโมเลกุลจะมีส่วนร่วมในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนบนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนประกอบด้วยสี่ คอมเพล็กซ์โปรตีน อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย NADH บริจาคอิเล็กตรอนให้กับโปรตีนคอมเพล็กซ์แห่งแรกในขณะที่ FADH₂ ให้อิเล็กตรอนกับโปรตีนคอมเพล็กซ์ที่สอง คอมเพล็กซ์โปรตีนส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังห่วงโซ่การขนส่งในชุดของการลดการเกิดออกซิเดชันหรือ รีดอกซ์ ปฏิกิริยา.

พลังงานจะถูกปลดปล่อยออกมาในแต่ละสเตจรีดอกซ์ และโปรตีนเชิงซ้อนแต่ละชนิดใช้เพื่อสูบฉีด โปรตอน ผ่านเยื่อหุ้มยลเข้าสู่ช่องว่างระหว่างเมมเบรนระหว่างเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอก อิเล็กตรอนผ่านไปยังโปรตีนคอมเพล็กซ์ที่สี่และสุดท้ายซึ่งโมเลกุลออกซิเจนทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้าย อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมรวมกับอะตอมออกซิเจนเพื่อสร้างโมเลกุลของน้ำ

เมื่อความเข้มข้นของโปรตอนนอกเยื่อหุ้มชั้นในเพิ่มขึ้น an การไล่ระดับพลังงาน ถูกสร้างขึ้นโดยมุ่งที่จะดึงดูดโปรตอนกลับข้ามเมมเบรนไปยังด้านที่มีความเข้มข้นของโปรตอนต่ำกว่า เอนไซม์เยื่อหุ้มชั้นในเรียกว่า เอทีพีสังเคราะห์ ให้โปรตอนกลับผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน

เมื่อโปรตอนผ่าน ATP synthase เอนไซม์จะใช้พลังงานโปรตอนเพื่อเปลี่ยน ADP เป็น ATP โดยเก็บพลังงานโปรตอนจากห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในโมเลกุล ATP

กระบวนการทางชีววิทยาและเคมีที่ซับซ้อนซึ่งประกอบขึ้นเป็นการหายใจในระดับเซลล์นั้นเกี่ยวข้องกับเอนไซม์ โปรตอนปั๊ม และโปรตีนที่มีปฏิสัมพันธ์กันในระดับโมเลกุลในรูปแบบที่ซับซ้อนมาก แม้ว่าน้ำตาลกลูโคสและออกซิเจนที่ป้อนเข้าจะเป็นสารธรรมดา แต่เอ็นไซม์และโปรตีนกลับไม่ใช่

ภาพรวมของ ไกลโคไลซิส, Krebs หรือวัฏจักรกรดซิตริกและห่วงโซ่การถ่ายโอนอิเล็กตรอนช่วยแสดงให้เห็นว่าการหายใจของเซลล์ทำงานอย่างไรในระดับพื้นฐาน แต่การทำงานจริงของขั้นตอนเหล่านี้ซับซ้อนกว่ามาก

อธิบายกระบวนการหายใจระดับเซลล์ได้ง่ายกว่าในระดับแนวคิด ร่างกายรับสารอาหารและออกซิเจน และกระจายกลูโคสในอาหารและออกซิเจนไปยังเซลล์แต่ละเซลล์ตามต้องการ เซลล์ออกซิไดซ์โมเลกุลกลูโคสเพื่อผลิตพลังงานเคมี คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ

พลังงานถูกใช้เพื่อเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตกลุ่มที่สามให้กับโมเลกุล ADP เพื่อสร้าง ATP และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกกำจัดออกทางปอด พลังงาน ATP จากพันธะฟอสเฟตที่สามถูกใช้เพื่อให้พลังงานแก่หน้าที่อื่นๆ ของเซลล์ นั่นคือวิธีที่การหายใจระดับเซลล์เป็นพื้นฐานสำหรับกิจกรรมอื่นๆ ของมนุษย์ทั้งหมด