การหายใจระดับเซลล์เป็นกระบวนการพื้นฐานในชีวเคมีที่ช่วยให้เซลล์แปลงพลังงานที่เก็บไว้ในโมเลกุลอินทรีย์ให้อยู่ในรูปแบบที่เซลล์สามารถใช้งานได้ทันที ขั้นตอนหลักของการหายใจระดับเซลล์ ได้แก่ ไกลโคไลซิส วัฏจักรเครบส์ และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
ไกลโคไลซิส
ไกลโคไลซิสเป็นระยะแรกของการหายใจของเซลล์และเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึมของเซลล์ มันเกี่ยวข้องกับการสลายกลูโคสซึ่งเป็นน้ำตาลหกคาร์บอนออกเป็นสองโมเลกุลของไพรูเวตซึ่งเป็นสารประกอบสามคาร์บอน กระบวนการนี้ยังให้ผลอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) และนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (NADH) จำนวนเล็กน้อยซึ่งมีอิเล็กตรอนพลังงานสูง
ในระหว่างไกลโคไลซิส กลูโคสจะถูกฟอสโฟรีเลตแล้วแยกออกเป็นโมเลกุลสามคาร์บอนสองตัว ซึ่งจะถูกย่อยสลายเพิ่มเติมและดัดแปลงเพื่อให้ได้ไพรูเวต ระหว่างทาง ATP และ NADH ถูกผลิตขึ้นผ่านปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชั่นและปฏิกิริยารีดอกซ์ในระดับสารตั้งต้น ตามลำดับ
วงจรเครบส์
ไพรูเวตที่เกิดขึ้นระหว่างไกลโคไลซิสจะเข้าสู่ไมโตคอนเดรีย ซึ่งมันจะผ่านกระบวนการเพิ่มเติมในวงจรเครบส์ หรือที่เรียกว่าวงจรกรดซิตริก วัฏจักรนี้เกิดขึ้นในเมทริกซ์ไมโตคอนเดรียและเป็นชุดของปฏิกิริยาเคมีที่ท้ายที่สุดส่งผลให้เกิดออกซิเดชันที่สมบูรณ์ของไพรูเวตเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ทำให้เกิด ATP และตัวพาอิเล็กตรอนเพิ่มเติมในรูปของ NADH และฟลาวินอะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (FADH2)
วงจร Krebs เป็นชุดปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่ได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด ซึ่งผลิตอิเล็กตรอนพลังงานสูงในรูปของ NADH และ FADH2 รวมถึง ATP ผ่านทางฟอสโฟรีเลชั่นระดับสารตั้งต้น อะตอมของคาร์บอนในไพรูเวตจะถูกปล่อยออกมาเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นของเสียในขั้นตอนนี้
ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
อิเล็กตรอนพลังงานสูงที่ถูกพาโดย NADH และ FADH2 จะถูกถ่ายโอนไปยังห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งอยู่ในเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน ขั้นตอนสำคัญของการหายใจระดับเซลล์คือจุดที่การผลิต ATP ส่วนใหญ่เกิดขึ้นผ่านการออกซิเดชั่นฟอสโฟรีเลชั่น
เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านชุดของโปรตีนเชิงซ้อนในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน พวกมันจะปล่อยพลังงานที่ใช้ในการสูบโปรตอน (H+) ไปทั่วเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน ทำให้เกิดการไล่ระดับเคมีไฟฟ้า การไล่ระดับสีนี้ขับเคลื่อนการผลิต ATP เมื่อโปรตอนไหลกลับผ่านโปรตีนเชิงซ้อนที่เรียกว่า ATP synthase ซึ่งนำไปสู่การสังเคราะห์ ATP จากอะดีโนซีน ไดฟอสเฟต (ADP) และอนินทรีย์ฟอสเฟต
เมื่ออิเล็กตรอนบริจาคพลังงานแล้ว พวกมันจะรวมตัวกับออกซิเจนและโปรตอนเพื่อสร้างน้ำเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย กระบวนการนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการจ่ายออกซิเจนในเซลล์อย่างต่อเนื่อง และจำเป็นสำหรับการผลิต ATP อย่างมีประสิทธิภาพผ่านห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
สรุปข้อสังเกต
การหายใจระดับเซลล์เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและจำเป็นที่ช่วยให้เซลล์สร้างพลังงานที่จำเป็นสำหรับกิจกรรมการเผาผลาญต่างๆ การทำความเข้าใจขั้นตอนหลักของการหายใจระดับเซลล์ รวมถึงไกลโคไลซิส วงจรเครบส์ และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน จะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับชีวเคมีที่อยู่เบื้องหลังการผลิตพลังงานในสิ่งมีชีวิต