การหายใจระดับเซลล์ (Cellular respiration)-ชีววิทยา

ชีวเคมีพื้นฐานและน้ำตาลกลูโคสกับไกลโคไลซิส

อะตอม (Atom) คือหน่วยพื้นฐานของธาตุ ไม่สามารถแบ่งแยกด้วยวิธีการใดๆ ธาตุทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมจำนวนมาก ซึ่งอะตอมเหล่านี้ประกอบด้วย อนุภาคโปรตอน (Proton) นิวตรอน (Neutron) และอิเล็กตรอน (Electron)

โครงสร้างของอะตอมภายในประกอบด้วยนิวเคลียสและถูกล้อมรอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ภายในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน (Proton) ที่มีประจุบวกกับนิวตรอน (Neutron) ซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดอยู่กับนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสและจะอาศัยอยู่ในระดับชั้นของพลังงานที่แตกต่างกัน

ภาพอะตอมปกติอิเล็กตรอนจะมีพลังงานอยู่ใน สถานะพื้น (ground  state)  เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากภายนอกที่เหมาะสมจะขึ้นไปอยู่บนวงโคจรใหม่ตามระดับขั้นของพลังงาน เรียกว่า  สถานะกระตุ้น (excited  state)  ทันที    อิเล็กตรอนจะอยู่ในสถานะกระตุ้นไม่ได้และจะกระโดดกลับลงมาที่สถานะพื้น  โดยปล่อยควอนตัมของพลังงานออกมาที่มีความถี่และความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ  กัน

วัฏจักรเครปส์เป็นขบวนการ 8 ขั้นตอนที่มีเอนไซม์และโคเอนไซม์จำนวนมากเข้ามาเกี่ยวข้อง สารตัวกลางในวัฏจักร ได้แก่ ซิเตรด (citrate) ไอโซซิเตรด (isocitrate) แอลฟาคีโตกลูตาเรต (α-Ketoglutarate) ซักซินิลโค เอ (succinyl-CoA) ซักซิเนต (succinate) ฟูมาเรต (fumarate) มาเลต (malate) และออกซาโลอะซิเตด (oxaloacetate) พลังงานสุทธิเมื่อเกิดวัฏจักรเครปส์หนึ่งรอบ คือ 3 NADH, 1 FADH₂ และ 1 GTP ซึ่ง GTP อาจสามารถถูกใช้สร้าง ATP ในภายหลังได้ ดังนั้น ผลผลิตสุทธิจากกลูโคสหนึ่งโมเลกุล (ไพรูเวต 2 โมเลกุล) คือ 6 NADH, 2 FADH₂ และ 2 ATP จะได้น้ำ 12 โมเลกุล

ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน

ในยูคาริโอต ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันเกิดขึ้นในคริสตีของไมโทคอนเดรีย ประกอบด้วย ลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งทำให้เกิดความแตกต่างของโปรตอน (ศักย์เคมิออสโมซิส) ข้ามเยื่อหุ้มชั้นในโดยการออกซิไดซ์ NADH ที่ได้จากวัฏจักรเครปส์ ATP จะถูกสังเคราะห์โดยเอนไซม์เอทีพีซินเทส (ATP synthase) เมื่อความแตกต่างทางเคมิออสโมซิสใช้ขับเคลื่อนฟอสโฟรีเลชันของ ADP ท้ายสุด อิเล็กตรอนจะถูกส่งต่อไปยังออกซิเจนที่หายใจรับเข้ามา และเมื่อรวมกับโปรตอนอีกสองตัว จะเกิดเป็นน้ำ

ตารางด้านล่างอธิบายปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องเมื่อกลูโคสหนึ่งโมเลกุลถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ มีการสันนิษฐานว่า โคเอนไซม์ในรูปรีดิวซ์ทั้งหมดถูกออกซิไดซ์โดยลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอนและถูกใช้ในออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน

แม้ทางทฤษฎีจะระบุว่า กลูโคสหนึ่งโมเลกุลจะให้ผลผลิต ATP สุทธิสูงสุด 38 โมเลกุลจากการหายใจระดับบเซลล์ แต่สภาวะดังกล่าวโดยปกติไม่สามารถเกิดขึ้นได้จริง เนื่องจากการสูญเสีย เช่น ค่าการย้ายไพรูเวต ฟอสเฟตและ ADP เข้าสู่ไมโทคอนเดรีย ทั้งหมดต้องถูกลำเลียงแบบใช้พลังงานโดยใช้ตัวพาซึ่งใช้พลังงานที่เก็บสะสมไว้ในความแตกต่างทางไฟฟ้าเคมีของโปรตอน

ผลผลิตของขบวนการขนส่งเหล่านี้โดยใช้ความแตกต่างทางไฟฟ้าเคมีของโปรตอน คือ ต้องใช้มากกว่า 3 โปรตอนในการสร้าง 1 ATP จึงชัดเจนว่า เป็นการลดประสิทธิภาพของขบวนการทั้งหมดในทางทฤษฎี และผลผลิตสูงสุดที่น่าจะใกล้เคียงกับ 28-30 ATP มากกว่าในทางปฏิบัติ ประสิทธิภาพอาจลดลงไปอีก เนื่องจากเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียนั้นรั่วต่อโปรตอนเล็กน้อยนอกจากนี้ยังมีปัจจัยอื่นอีก คือ โปรตีนอันคัปปลิง (uncoupling protein, UCP) ซึ่งมีอยู่ในบางเซลล์ เป็นช่องทางที่สามารถขนส่งโปรตอนได้ เมื่อโปรตีนนี้ทำงานในเยื่อหุ้มชั้นใน จะเป็นการลัดวงจรการจับคู่ระหว่างลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอนกับการสังเคราะห์ ATP พลังงานศักย์จากความแกต่างของโปรตอนไม่ถกนำไปสร้าง ATP แต่จะให้ความร้อนแทน ซึ่งขบวนการดังกล่าวค่อนข้างมีความสำคัญในการก่อความร้อนของไขมันสีน้ำตาลในสัตว์แรกเกิดและจำศีล

การหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration) หมายถึง กระบวนการสลายโมเลกุลของสารอาหาร
ภายในเซลล์ เพื่อเปลี่ยนพลังงานของพันธะเคมีของสารอาหารให้อยู่ในรูปสารประกอบพลังงานสูง ที่เซลล์
พร้อมจะน าไปใช้งานได้ เช่น อะดีโนซีนไตรฟอสเฟส (Adenosine triphosphate: ATP)
การหายใจระดับเซลล์แบ่งออกได้เป็น 2 แบบ คือ
1. การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic respiration)
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + พลังงาน (2 ATP)
2. การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (aerobic respiration)
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + พลังงาน (36-38 ATP)

-ขอบคุณข้อมูล https://th.wikipedia.org/