ลักษณะการหายใจแบบแอโรบิคขั้นตอนและสิ่งมีชีวิต - ชีววิทยา - 2026

การหายใจแบบแอโรบิคหรือแอโรบิคเป็นกระบวนการทางชีววิทยาที่เกี่ยวข้องกับการได้รับพลังงานของโมเลกุลอินทรีย์ซึ่งส่วนใหญ่เป็นน้ำตาลกลูโคส - โดยชุดของปฏิกิริยาออกซิเดชั่นโดยที่ตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายคือออกซิเจน

กระบวนการนี้มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตอินทรีย์ส่วนใหญ่โดยเฉพาะยูคาริโอต สัตว์พืชและเชื้อราทุกชนิดหายใจโดยใช้ออกซิเจน นอกจากนี้แบคทีเรียบางชนิดยังแสดงการเผาผลาญแบบแอโรบิค

ในยูคาริโอตเครื่องจักรสำหรับการหายใจระดับเซลล์ตั้งอยู่ในไมโทคอนเดรีย
ที่มา: สถาบันวิจัยจีโนมมนุษย์แห่งชาติ (NHGRI) จาก Bethesda, MD, USA, Wikimedia Commons

โดยทั่วไปกระบวนการได้รับพลังงานจากโมเลกุลกลูโคสจะแบ่งออกเป็นไกลโคไลซิส (ขั้นตอนนี้พบได้ทั่วไปทั้งในทางเดินแบบแอโรบิคและแบบไม่ใช้ออกซิเจน) วงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

แนวคิดของการหายใจแบบแอโรบิคตรงข้ามกับการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน ในตอนหลังตัวรับสุดท้ายของอิเล็กตรอนเป็นสารอนินทรีย์อื่นซึ่งแตกต่างจากออกซิเจน เป็นเรื่องปกติของโปรคาริโอตบางชนิด

ออกซิเจนคืออะไร?

ก่อนที่จะพูดถึงกระบวนการหายใจแบบแอโรบิคจำเป็นต้องรู้ลักษณะบางอย่างของโมเลกุลออกซิเจน

มันเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่แสดงในตารางธาตุที่มีตัวอักษร O และเลขอะตอม 8 ภายใต้เงื่อนไขมาตรฐานของอุณหภูมิและความดันออกซิเจนมีแนวโน้มที่จะจับคู่กันทำให้เกิดโมเลกุล dioxygen

ก๊าซนี้สร้างขึ้นจากสองอะตอมออกซิเจนไม่มีสีกลิ่นหรือรสชาติและตัวแทนจากสูตร O 2 ในชั้นบรรยากาศเป็นองค์ประกอบที่โดดเด่นและจำเป็นต่อการดำรงชีวิตส่วนใหญ่บนโลก

ด้วยลักษณะที่เป็นก๊าซของออกซิเจนทำให้โมเลกุลสามารถข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างอิสระทั้งเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกที่แยกเซลล์ออกจากสภาพแวดล้อมนอกเซลล์และเยื่อของช่องใต้เซลล์รวมถึงไมโทคอนเดรีย

ลักษณะการหายใจ

เซลล์ใช้โมเลกุลที่เรากินเข้าไปในอาหารของเราเป็น "เชื้อเพลิง" ทางเดินหายใจ

การหายใจของเซลล์เป็นกระบวนการสร้างพลังงานในรูปแบบของโมเลกุล ATP ซึ่งโมเลกุลที่ถูกย่อยสลายจะได้รับการออกซิเดชั่นและตัวรับสุดท้ายของอิเล็กตรอนในกรณีส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลอนินทรีย์

คุณลักษณะสำคัญที่ช่วยให้กระบวนการหายใจเกิดขึ้นคือการมีห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ในการหายใจแบบแอโรบิคตัวรับสุดท้ายสำหรับอิเล็กตรอนคือโมเลกุลของออกซิเจน

ภายใต้สภาวะปกติ "เชื้อเพลิง" เหล่านี้คือคาร์โบไฮเดรตหรือคาร์โบไฮเดรตและไขมันหรือไขมัน เมื่อร่างกายเข้าสู่สภาวะที่ล่อแหลมเนื่องจากการขาดอาหารมันจะหันไปใช้โปรตีนเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงาน

คำว่าการหายใจเป็นส่วนหนึ่งของคำศัพท์ของเราในชีวิตประจำวัน การหายใจเข้าปอดของเราในรอบการหายใจออกและการหายใจเข้าอย่างต่อเนื่องเราเรียกว่าการหายใจ

อย่างไรก็ตามในบริบทที่เป็นทางการของวิทยาศาสตร์ชีวภาพการกระทำดังกล่าวถูกกำหนดโดยคำว่าการระบายอากาศ ดังนั้นคำว่าการหายใจจึงใช้เพื่ออ้างถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นในระดับเซลล์

กระบวนการ (ขั้นตอน)

ขั้นตอนของการหายใจแบบแอโรบิคเกี่ยวข้องกับขั้นตอนที่จำเป็นในการดึงพลังงานจากโมเลกุลอินทรีย์ - ในกรณีนี้เราจะอธิบายกรณีของโมเลกุลกลูโคสเป็นเชื้อเพลิงทางเดินหายใจ - จนกว่าจะถึงตัวรับออกซิเจน

เส้นทางการเผาผลาญที่ซับซ้อนนี้แบ่งออกเป็นไกลโคไลซิสวัฏจักรเครบส์และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน:

ไกลโคไลซิส

รูปที่ 1: ไกลโคไลซิสเทียบกับกลูโคโนเจเนซิส ปฏิกิริยาและเอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง

ขั้นตอนแรกในการสลายกลูโคสโมโนเมอร์คือไกลโคไลซิสหรือที่เรียกว่าไกลโคไลซิส ขั้นตอนนี้ไม่ต้องการออกซิเจนโดยตรงและมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิด

เป้าหมายของการเผาผลาญอาหารทางเดินนี้เป็นความแตกแยกของน้ำตาลกลูโคสเป็นสองโมเลกุลของกรด pyruvic ที่ได้รับโมเลกุลพลังงานสุทธิสอง (เอทีพี) และการลดสองโมเลกุลของ NAD +

ในที่ที่มีออกซิเจนทางเดินสามารถไปยังวงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนได้ ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนโมเลกุลจะเป็นไปตามเส้นทางการหมัก กล่าวอีกนัยหนึ่งไกลโคไลซิสเป็นวิถีการเผาผลาญทั่วไปสำหรับการหายใจแบบแอโรบิคและแบบไม่ใช้ออกซิเจน

ก่อนที่จะเกิดวงจร Krebs จะต้องเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของกรดไพรูวิก ขั้นตอนนี้เป็นสื่อกลางโดยคอมเพล็กซ์ของเอนไซม์ที่สำคัญมากเรียกว่าไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสซึ่งทำปฏิกิริยาดังกล่าว

ดังนั้นไพรูเวตจึงกลายเป็นอนุมูลอะซิทิลที่ถูกจับโดยโคเอนไซม์เอในเวลาต่อมาซึ่งมีหน้าที่ในการขนส่งไปยังวัฏจักรเครบส์

วงจร Krebs

วัฏจักร Krebs หรือที่เรียกว่าวงจรกรดซิตริกหรือวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิกประกอบด้วยชุดปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์เฉพาะที่พยายามปล่อยพลังงานเคมีที่เก็บไว้ในอะซิติลโคเอนไซม์เอ

เป็นทางเดินที่ออกซิไดซ์โมเลกุลไพรูเวตอย่างสมบูรณ์และเกิดขึ้นในเมทริกซ์ของไมโทคอนเดรีย

รอบนี้จะขึ้นอยู่กับชุดของการเกิดออกซิเดชันและการลดปฏิกิริยาที่ถ่ายโอนพลังงานที่มีศักยภาพในรูปแบบของอิเล็กตรอนกับองค์ประกอบที่ยอมรับพวกเขาโดยเฉพาะอย่างยิ่ง NAD ⁺โมเลกุล

สรุปวงจร Krebs

โมเลกุลของกรดไพรูวิกแต่ละโมเลกุลจะแตกตัวเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และโมเลกุลของคาร์บอนสองโมเลกุลที่เรียกว่ากลุ่มอะซิทิล ด้วยการรวมตัวกันเป็นโคเอนไซม์ A (ที่กล่าวถึงในหัวข้อก่อนหน้า) จะเกิดอะซิทิลโคเอนไซม์เอคอมเพล็กซ์

กรดไพรูวิกสองคาร์บอนเข้าสู่วัฏจักรควบแน่นด้วย oxaloacetate และสร้างโมเลกุลซิเตรตคาร์บอนหกตัว ดังนั้นปฏิกิริยาขั้นออกซิเดชั่นจึงเกิดขึ้น ซิเตรตจะเปลี่ยนกลับเป็น oxaloacetate ด้วยการผลิตตามทฤษฎีของคาร์บอนไดออกไซด์ 2 โมล, NADH 3 โมล, 1 ของ FADH ₂และ 1 โมลของ GTP

เนื่องจากโมเลกุลของไพรูเวทสองโมเลกุลถูกสร้างขึ้นในไกลโคไลซิสโมเลกุลกลูโคสหนึ่งโมเลกุลจึงเกี่ยวข้องกับการหมุนรอบเครบส์สองรอบ

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนประกอบด้วยลำดับของโปรตีนที่มีความสามารถในการทำปฏิกิริยาออกซิเดชั่นและรีดักชั่น

การส่งผ่านของอิเล็กตรอนผ่านสารประกอบเชิงซ้อนของโปรตีนเหล่านี้ส่งผลให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานทีละน้อยซึ่งต่อมาจะถูกใช้ในการสร้าง ATP โดย chemoosmotics ที่สำคัญปฏิกิริยาลูกโซ่สุดท้ายเป็นชนิดที่ย้อนกลับไม่ได้

ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตซึ่งมีช่องใต้เซลล์องค์ประกอบของห่วงโซ่ขนย้ายจะยึดกับเมมเบรนของไมโตคอนเดรีย ในโปรคาริโอตซึ่งไม่มีช่องเหล่านี้องค์ประกอบของโซ่จะอยู่ในเยื่อหุ้มพลาสมาของเซลล์

ปฏิกิริยาของห่วงโซ่นี้นำไปสู่การก่อตัวของ ATP โดยใช้พลังงานที่ได้จากการแทนที่ของไฮโดรเจนผ่านตัวขนส่งจนกระทั่งถึงตัวรับสุดท้าย: ออกซิเจนซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ก่อให้เกิดน้ำ

คลาสของโมเลกุลพาหะ

โซ่ประกอบด้วยสายพานลำเลียงสามแบบ ชั้นหนึ่งคือฟลาโวโปรตีนโดยมีสารฟลาวิน ตัวขนย้ายประเภทนี้สามารถทำปฏิกิริยาได้สองประเภททั้งรีดิชั่นและออกซิเดชั่นหรืออีกทางหนึ่ง

ประเภทที่สองประกอบด้วยไซโตโครเมส โปรตีนเหล่านี้มีกลุ่มฮีม (เช่นเดียวกับเฮโมโกลบิน) ซึ่งสามารถแสดงสถานะออกซิเดชั่นที่แตกต่างกัน

กลุ่มลำเลียงสุดท้ายคือ ubiquinone หรือที่เรียกว่าโคเอนไซม์คิวโมเลกุลเหล่านี้ไม่ใช่โปรตีนในธรรมชาติ

สิ่งมีชีวิตที่มีการหายใจแบบแอโรบิค

สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่มีการหายใจแบบแอโรบิค เป็นเรื่องปกติของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต (สิ่งมีชีวิตที่มีนิวเคลียสที่แท้จริงในเซลล์คั่นด้วยเยื่อหุ้มเซลล์) สัตว์พืชและเชื้อราทุกชนิดหายใจโดยใช้ออกซิเจน

สัตว์และเชื้อราเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีความแตกต่างกันซึ่งหมายความว่า "เชื้อเพลิง" ที่จะใช้ในกระบวนการเผาผลาญของการหายใจจะต้องถูกใช้อย่างเต็มที่ในอาหาร ตรงกันข้ามกับพืชซึ่งมีความสามารถในการผลิตอาหารเองโดยการสังเคราะห์ด้วยแสง

โปรคาริโอตบางสกุลยังต้องการออกซิเจนสำหรับการหายใจ โดยเฉพาะมีแบคทีเรียประเภทแอโรบิคที่เข้มงวดนั่นคือพวกมันเติบโตได้เฉพาะในสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยออกซิเจนเช่น pseudomonas

แบคทีเรียสกุลอื่น ๆ มีความสามารถในการเปลี่ยนเมแทบอลิซึมจากแอโรบิคเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจนตามสภาพแวดล้อมเช่นซัลโมเนลลี ในโปรคาริโอตการเป็นแอโรบิคหรือแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นลักษณะสำคัญสำหรับการจำแนกประเภท

ความแตกต่างจากการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน

กระบวนการที่ตรงกันข้ามกับการหายใจแบบแอโรบิคคือโหมดไม่ใช้ออกซิเจน ความแตกต่างที่ชัดเจนที่สุดระหว่างทั้งสองคือการใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้าย การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนใช้โมเลกุลอนินทรีย์อื่นเป็นตัวรับ

นอกจากนี้ในการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนผลิตภัณฑ์สุดท้ายของปฏิกิริยาคือโมเลกุลที่ยังคงมีศักยภาพในการออกซิไดซ์ต่อไป ตัวอย่างเช่นกรดแลคติกเกิดขึ้นในกล้ามเนื้อระหว่างการหมัก ในทางตรงกันข้ามผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการหายใจแบบใช้ออกซิเจนคือคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ

นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างจากมุมมองด้านพลังงาน ในวิถีแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะมีการสร้างโมเลกุล ATP เพียงสองโมเลกุลเท่านั้น (สอดคล้องกับวิถีไกลโคไลติก) ในขณะที่ในการหายใจแบบแอโรบิคผลิตภัณฑ์สุดท้ายจะมีโมเลกุลประมาณ 38 ATP ซึ่งเป็นความแตกต่างที่สำคัญ

อ้างอิง

1. แคมป์เบลล์ MK และฟาร์เรล SO (2011) ชีวเคมี. พิมพ์ครั้งที่หก. ทอมสัน บรูคส์ / โคล.
2. เคอร์ติส, H. (2549). ขอเชิญเข้าร่วมชีววิทยา พิมพ์ครั้งที่หก. บัวโนสไอเรส: Pan-American Medical
3. Estrada, E & Aranzábal, M. (2002). Atlas of Vertebrate Histology. มหาวิทยาลัยอิสระแห่งชาติเม็กซิโก หน้า 173.
4. Hall, J. (2011). สนธิสัญญาสรีรวิทยาการแพทย์. นิวยอร์ก: วิทยาศาสตร์สุขภาพเอลส์เวียร์
5. ฮาริชา, S. (2005). ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเทคโนโลยีชีวภาพเชิงปฏิบัติ นิวเดลี: สื่อไฟร์วอลล์
6. ฮิลล์อาร์. (2549). สรีรวิทยาของสัตว์. มาดริด: การแพทย์แพนอเมริกัน
7. Iglesias, B. , Martín, M. & Prieto, J. (2007). พื้นฐานของสรีรวิทยา มาดริด: Tebar
8. Koolman, J. , & Röhm, KH (2005). ชีวเคมี: ข้อความและแผนที่ Panamerican Medical Ed.
9. Vasudevan, D. & Sreekumari S. (2555). ข้อความชีวเคมีสำหรับนักศึกษาแพทย์ พิมพ์ครั้งที่หก. เม็กซิโก: JP Medical Ltd.