เซลล์จับพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการหายใจของเซลล์ได้อย่างไร

สิ่งมีชีวิตสร้างห่วงโซ่พลังงานที่พืชผลิตอาหารที่สัตว์และสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ใช้เป็นพลังงาน กระบวนการหลักในการผลิตอาหารคือ การสังเคราะห์แสง ในพืชและวิธีการหลักในการเปลี่ยนอาหารเป็นพลังงานคือการหายใจระดับเซลล์

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

โมเลกุลการถ่ายเทพลังงานที่เซลล์ใช้คือ ATP. กระบวนการหายใจของเซลล์จะเปลี่ยนโมเลกุล ADP เป็น ATP ซึ่งเก็บพลังงานไว้ สิ่งนี้เกิดขึ้นผ่านกระบวนการสามขั้นตอนของไกลโคไลซิส วัฏจักรกรดซิตริก และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน การหายใจของเซลล์จะแยกและออกซิไดซ์กลูโคสเพื่อสร้างโมเลกุลเอทีพี

ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชจะจับพลังงานแสงและใช้พลังงานจากปฏิกิริยาเคมีในเซลล์พืช พลังงานแสงทำให้พืชรวมคาร์บอนจากคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศกับไฮโดรเจนและออกซิเจนจากน้ำให้กลายเป็น กลูโคส.

ใน การหายใจระดับเซลล์สิ่งมีชีวิตเช่นสัตว์กินอาหารที่มีน้ำตาลกลูโคสและสลายน้ำตาลกลูโคสให้เป็นพลังงานคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำถูกขับออกจากร่างกายและพลังงานจะถูกเก็บไว้ในโมเลกุลที่เรียกว่า อะดีโนซีนไตรฟอสเฟตหรือ ATP. โมเลกุลการถ่ายเทพลังงานที่เซลล์ใช้คือ ATP และให้พลังงานแก่กิจกรรมอื่นๆ ของเซลล์และสิ่งมีชีวิต

สิ่งมีชีวิตเป็นเซลล์เดียว โปรคาริโอต หรือ ยูคาริโอตซึ่งสามารถเป็นเซลล์เดียวหรือหลายเซลล์ก็ได้ ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างทั้งสองคือ โปรคาริโอตมีโครงสร้างเซลล์ที่เรียบง่ายโดยไม่มีนิวเคลียสหรือออร์แกเนลล์ของเซลล์ ยูคาริโอตมักจะมี a นิวเคลียส และกระบวนการของเซลล์ที่ซับซ้อนมากขึ้น

สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวของทั้งสองประเภทสามารถใช้วิธีการผลิตพลังงานได้หลายวิธี และหลายๆ วิธีก็ใช้การหายใจระดับเซลล์เช่นกัน พืชและสัตว์ขั้นสูงล้วนเป็นยูคาริโอตและพวกมันใช้การหายใจระดับเซลล์โดยเฉพาะ พืชใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อจับพลังงานจากดวงอาทิตย์ แต่จากนั้นเก็บพลังงานส่วนใหญ่นั้นไว้ในรูปของกลูโคส

ทั้งพืชและสัตว์ใช้กลูโคสที่เกิดจากการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็น an แหล่งพลังงาน.

การสังเคราะห์ด้วยแสงทำให้เกิดกลูโคส แต่กลูโคสเป็นเพียงวิธีเก็บพลังงานเคมีและเซลล์ไม่สามารถใช้โดยตรง กระบวนการสังเคราะห์แสงโดยรวมสามารถสรุปได้ในสูตรต่อไปนี้:

6CO₂ + 12H₂O + พลังงานแสง → ค₆โฮ₁₂อู๋₆ + 6O₂ + 6H₂อู๋

พืชใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อแปลง พลังงานแสง ไปเป็นพลังงานเคมีและเก็บพลังงานเคมีไว้ในกลูโคส จำเป็นต้องใช้กระบวนการที่สองเพื่อใช้พลังงานที่เก็บไว้

การหายใจระดับเซลล์จะเปลี่ยนพลังงานเคมีที่เก็บไว้ในกลูโคสให้เป็นพลังงานเคมีที่เก็บไว้ในโมเลกุล ATP ATP ถูกใช้โดยเซลล์ทั้งหมดเพื่อเพิ่มพลังให้เมแทบอลิซึมและกิจกรรมของพวกเขา เซลล์กล้ามเนื้อเป็นเซลล์ชนิดหนึ่งที่ใช้กลูโคสเป็นพลังงาน แต่จะเปลี่ยนเป็น ATP ก่อน

ปฏิกิริยาเคมีโดยรวมสำหรับการหายใจของเซลล์มีดังนี้:

ค₆โฮ₁₂อู๋₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂โมเลกุล O + ATP

เซลล์แบ่งกลูโคสออกเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในขณะที่ผลิตพลังงานที่เก็บอยู่ในโมเลกุล ATP จากนั้นจึงใช้พลังงาน ATP สำหรับกิจกรรมต่างๆ เช่น การเกร็งของกล้ามเนื้อ กระบวนการหายใจระดับเซลล์ที่สมบูรณ์มี สามขั้นตอน.

กลูโคสเป็นคาร์โบไฮเดรตที่มีอะตอมของคาร์บอนหกอะตอม ในช่วงแรกของกระบวนการหายใจระดับเซลล์ที่เรียกว่า ไกลโคไลซิสเซลล์แบ่งโมเลกุลกลูโคสออกเป็นสองโมเลกุลของไพรูเวตหรือโมเลกุลคาร์บอนสามตัว ในการเริ่มต้นกระบวนการนั้นต้องใช้พลังงานจึงใช้โมเลกุล ATP สองโมเลกุลจากเซลล์สำรอง

ในตอนท้ายของกระบวนการ เมื่อโมเลกุลไพรูเวตสองโมเลกุลถูกสร้างขึ้น พลังงานจะถูกปลดปล่อยและเก็บไว้ในโมเลกุล ATP สี่ตัว Glycolysis ใช้โมเลกุล ATP สองโมเลกุลและผลิตสี่โมเลกุลสำหรับโมเลกุลกลูโคสแต่ละตัวที่ประมวลผล กำไรสุทธิคือสองโมเลกุล ATP

Glycolysis เริ่มต้นในไซโตพลาสซึมของเซลล์ แต่กระบวนการหายใจของเซลล์ส่วนใหญ่เกิดขึ้นใน ไมโตคอนเดรีย. เซลล์ชนิดต่างๆ ที่ใช้กลูโคสเป็นพลังงานประกอบด้วยเซลล์แทบทุกเซลล์ในร่างกายมนุษย์ ยกเว้นเซลล์ที่มีความเฉพาะทางสูง เช่น เซลล์เม็ดเลือด

ไมโทคอนเดรียเป็นออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรนขนาดเล็ก และเป็นโรงงานผลิตเซลล์ที่ผลิตเอทีพี มีเยื่อหุ้มชั้นนอกเรียบและพับสูง เยื่อหุ้มชั้นใน ที่เกิดปฏิกิริยาการหายใจระดับเซลล์

ปฏิกิริยาแรกเกิดขึ้นภายในไมโตคอนเดรียเพื่อสร้างการไล่ระดับพลังงานข้ามเยื่อหุ้มชั้นใน ปฏิกิริยาที่ตามมาที่เกี่ยวข้องกับเมมเบรนจะผลิตพลังงานที่ใช้สร้างโมเลกุล ATP

ไพรูเวตที่ผลิตโดยไกลโคไลซิสไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการหายใจระดับเซลล์ ขั้นตอนที่สองจะประมวลผลโมเลกุลไพรูเวตทั้งสองเป็นสารตัวกลางที่เรียกว่า อะเซทิลโคเอ. acetyl CoA เข้าสู่ วงจรกรดซิตริก และอะตอมของคาร์บอนจากโมเลกุลกลูโคสเดิมจะถูกแปลงเป็น CO. อย่างสมบูรณ์₂. กรดมะนาว รากถูกรีไซเคิลและเชื่อมโยงกับโมเลกุล acetyl CoA ใหม่เพื่อทำซ้ำกระบวนการ

การเกิดออกซิเดชันของอะตอมของคาร์บอนทำให้เกิดโมเลกุล ATP อีกสองโมเลกุลและเปลี่ยนเอ็นไซม์ NAD⁺ และ FAD ถึง NADH และ FADH₂. เอ็นไซม์ที่แปลงแล้วจะใช้ในขั้นตอนที่สามและสุดท้ายของการหายใจของเซลล์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนสำหรับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

โมเลกุล ATP จะจับพลังงานบางส่วนที่ผลิตได้ แต่พลังงานเคมีส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในโมเลกุล NADH ปฏิกิริยาวัฏจักรกรดซิตริกเกิดขึ้นภายในไมโตคอนเดรีย

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน (ฯลฯ) ประกอบด้วยชุดของสารประกอบที่อยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย ใช้อิเล็กตรอนจาก NADH และ FADH₂ เอนไซม์ที่ผลิตโดยวัฏจักรกรดซิตริกเพื่อปั๊มโปรตอนข้ามเมมเบรน

ในปฏิกิริยาลูกโซ่ อิเล็กตรอนพลังงานสูงจาก NADH และ FADH₂ จะถูกส่งต่อไปยังชุดของสารประกอบ ETC โดยแต่ละขั้นตอนจะนำไปสู่สถานะพลังงานอิเล็กตรอนที่ต่ำลง และโปรตอนถูกสูบผ่านเมมเบรน

ในตอนท้ายของปฏิกิริยา ETC โมเลกุลของออกซิเจนจะรับอิเล็กตรอนและสร้างโมเลกุลของน้ำ พลังงานอิเล็กตรอนที่มาจากการแยกตัวและออกซิเดชันของโมเลกุลกลูโคสได้ถูกแปลงเป็น a การไล่ระดับพลังงานโปรตอน ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย

เนื่องจากมีความไม่สมดุลของโปรตอนทั่วเยื่อหุ้มชั้นใน โปรตอนจึงมีแรงที่จะกระจายกลับเข้าไปในภายในของไมโตคอนเดรีย เอนไซม์ที่เรียกว่า เอทีพีสังเคราะห์ ถูกฝังอยู่ในเมมเบรนและสร้างช่องเปิดเพื่อให้โปรตอนเคลื่อนตัวกลับผ่านเมมเบรน

เมื่อโปรตอนผ่านช่องเปิดของ ATP synthase เอนไซม์จะใช้พลังงานจากโปรตอนเพื่อสร้างโมเลกุล ATP พลังงานส่วนใหญ่จากการหายใจระดับเซลล์ถูกจับในขั้นตอนนี้และเก็บไว้ในโมเลกุล ATP 32 ตัว

ATP เป็นสารเคมีอินทรีย์ที่ซับซ้อนที่มีฐานอะดีนีนและกลุ่มฟอสเฟตสามกลุ่ม พลังงานถูกเก็บไว้ในพันธะที่ถือกลุ่มฟอสเฟต เมื่อเซลล์ต้องการพลังงาน มันจะทำลายพันธะหนึ่งของหมู่ฟอสเฟตและใช้พลังงานเคมีเพื่อสร้างพันธะใหม่ในสารอื่นๆ ของเซลล์ โมเลกุล ATP จะกลายเป็น อะดีโนซีนไดฟอสเฟตหรือ ADP.

ในการหายใจระดับเซลล์ พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจะใช้เพื่อเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตให้กับ ADP การเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตจะจับพลังงานจากไกลโคไลซิส วัฏจักรกรดซิตริก และพลังงานจำนวนมากจาก ETC โมเลกุล ATP ที่เป็นผลลัพธ์สามารถใช้โดยสิ่งมีชีวิตสำหรับกิจกรรมต่างๆ เช่น การเคลื่อนไหว การค้นหาอาหาร และการสืบพันธุ์