การหายใจของเซลล์: กระบวนการประเภทและหน้าที่ - ชีววิทยา

การหายใจของเซลล์เป็นกระบวนการที่สร้างพลังงานในรูปแบบของ ATP (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต) ต่อมาพลังงานนี้จะถูกส่งไปยังกระบวนการเซลล์อื่น ๆ ในระหว่างปรากฏการณ์นี้โมเลกุลจะได้รับการออกซิเดชั่นและตัวรับสุดท้ายของอิเล็กตรอนในกรณีส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลอนินทรีย์

ลักษณะของตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้ายขึ้นอยู่กับชนิดของการหายใจของสิ่งมีชีวิตที่ศึกษา ในแอโรบิกเช่นโฮโมเซเปียนตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายคือออกซิเจน ในทางตรงกันข้ามสำหรับเครื่องช่วยหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนออกซิเจนอาจเป็นพิษได้ ในกรณีหลังตัวรับสุดท้ายคือโมเลกุลอนินทรีย์อื่นที่ไม่ใช่ออกซิเจน

ที่มา: โดย Darekk2 จาก Wikimedia Commons

การหายใจแบบแอโรบิคได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางโดยนักชีวเคมีและประกอบด้วยสองขั้นตอนคือวงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตเครื่องจักรทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการหายใจจะเกิดขึ้นภายในไมโทคอนเดรียทั้งในไมโทคอนเดรียเมทริกซ์และในระบบเมมเบรนของออร์แกเนลล์นี้

เครื่องจักรประกอบด้วยเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาของกระบวนการ เชื้อสายโปรคาริโอตมีลักษณะเฉพาะโดยไม่มีออร์แกเนลล์ ด้วยเหตุนี้การหายใจจึงเกิดขึ้นในบริเวณเฉพาะของพลาสมาเมมเบรนซึ่งจำลองสภาพแวดล้อมที่คล้ายกับไมโทคอนเดรีย

คำศัพท์

ในสาขาสรีรวิทยาคำว่า "การหายใจ" มีคำจำกัดความ 2 ประการคือการหายใจในปอดและการหายใจระดับเซลล์ เมื่อเราใช้คำว่าลมหายใจในชีวิตประจำวันเรากำลังหมายถึงประเภทแรก

การหายใจในปอดประกอบด้วยการหายใจเข้าและออกกระบวนการนี้ส่งผลให้เกิดการแลกเปลี่ยนก๊าซ: ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ คำที่ถูกต้องสำหรับปรากฏการณ์นี้คือ "การระบายอากาศ"

ในทางตรงกันข้ามการหายใจของเซลล์เกิดขึ้นตามชื่อของมัน - ภายในเซลล์และเป็นกระบวนการที่รับผิดชอบในการสร้างพลังงานผ่านห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน กระบวนการสุดท้ายนี้เป็นกระบวนการที่จะกล่าวถึงในบทความนี้

การหายใจของเซลล์เกิดขึ้นที่ไหน?

ตำแหน่งของการหายใจในยูคาริโอต

mitochondria

การหายใจของเซลล์เกิดขึ้นในออร์แกเนลล์ที่ซับซ้อนเรียกว่าไมโทคอนเดรีย โครงสร้างไมโทคอนเดรียกว้าง 1.5 ไมครอนและยาว 2 ถึง 8 ไมครอน พวกมันมีลักษณะเฉพาะด้วยการมีสารพันธุกรรมของตัวเองและหารด้วยฟิชชันไบนารี - ลักษณะร่องรอยของแหล่งกำเนิดเอนโดซิมไบโอติก

พวกเขามีสองเมมเบรนแบบเรียบและด้านในมีรอยพับที่เป็นสันเขา ยิ่งไมโทคอนเดรียทำงานมากเท่าไหร่ก็ยิ่งมีสันเขามากขึ้นเท่านั้น

ภายในไมโทคอนดรีออนเรียกว่าเมทริกซ์ไมโทคอนเดรีย ในช่องนี้มีเอนไซม์โคเอนไซม์น้ำและฟอสเฟตที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาทางเดินหายใจ

เยื่อหุ้มชั้นนอกช่วยให้โมเลกุลขนาดเล็กส่วนใหญ่ผ่านไปได้ อย่างไรก็ตามมันเป็นเมมเบรนด้านในที่ จำกัด การส่งผ่านตัวขนส่งที่เฉพาะเจาะจงมาก การซึมผ่านของโครงสร้างนี้มีบทบาทพื้นฐานในการผลิต ATP

จำนวนไมโทคอนเดรีย

เอนไซม์และส่วนประกอบอื่น ๆ ที่จำเป็นสำหรับการหายใจของเซลล์นั้นพบได้ในเยื่อหุ้มเซลล์และเป็นอิสระในเมทริกซ์ไมโทคอนเดรีย

ดังนั้นเซลล์ที่ต้องการพลังงานจำนวนมากจึงมีลักษณะเฉพาะคือมีไมโทคอนเดรียจำนวนมากตรงกันข้ามกับเซลล์ที่มีความต้องการพลังงานต่ำกว่า

ตัวอย่างเช่นเซลล์ตับมีไมโตคอนเดรียโดยเฉลี่ย 2,500 เซลล์ในขณะที่เซลล์กล้ามเนื้อ (มีการเผาผลาญสูง) มีจำนวนมากกว่ามากและไมโทคอนเดรียของเซลล์ประเภทนี้จะมีขนาดใหญ่กว่า

นอกจากนี้สิ่งเหล่านี้ยังอยู่ในพื้นที่เฉพาะที่ต้องการพลังงานเช่นรอบแฟลเจลลัมของอสุจิ

ตำแหน่งของการหายใจโปรคาริโอต

ตามเหตุผลสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตจำเป็นต้องหายใจและไม่มีไมโทคอนเดรีย - หรือออร์แกเนลล์ที่ซับซ้อนของยูคาริโอต ด้วยเหตุนี้กระบวนการทางเดินหายใจจึงเกิดขึ้นในการแพร่กระจายของเมมเบรนพลาสมาขนาดเล็กซึ่งคล้ายคลึงกับการเกิดขึ้นในไมโตคอนเดรีย

ประเภท

มีสองประเภทพื้นฐานของการหายใจขึ้นอยู่กับโมเลกุลที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับสุดท้ายของอิเล็กตรอน ในการหายใจแบบแอโรบิคตัวรับคือออกซิเจนในขณะที่ไม่ใช้ออกซิเจนเป็นโมเลกุลอนินทรีย์แม้ว่าในบางกรณีตัวรับจะเป็นโมเลกุลอินทรีย์ เราจะอธิบายรายละเอียดแต่ละรายการด้านล่าง:

การหายใจแบบแอโรบิค

ในสิ่งมีชีวิตช่วยหายใจแบบแอโรบิคตัวรับสุดท้ายสำหรับอิเล็กตรอนคือออกซิเจน ขั้นตอนที่เกิดขึ้นจะแบ่งออกเป็นวงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในวิถีทางชีวเคมีเหล่านี้จะได้รับการพัฒนาในหัวข้อถัดไป

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน

ตัวรับสุดท้ายประกอบด้วยโมเลกุลอื่นที่ไม่ใช่ออกซิเจน ปริมาณของ ATP ที่เกิดจากการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการรวมถึงสิ่งมีชีวิตที่อยู่ระหว่างการศึกษาและเส้นทางที่ใช้

อย่างไรก็ตามการผลิตพลังงานจะสูงกว่าในการหายใจแบบแอโรบิคเสมอเนื่องจากวงจร Krebs ทำงานเพียงบางส่วนเท่านั้นและไม่ใช่โมเลกุลของลำเลียงทั้งหมดในห่วงโซ่จะมีส่วนร่วมในการหายใจ

ด้วยเหตุนี้การเจริญเติบโตและพัฒนาการของบุคคลที่ไม่ใช้ออกซิเจนจึงน้อยกว่าคนที่ไม่ใช้ออกซิเจนอย่างมีนัยสำคัญ

ตัวอย่างสิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช้ออกซิเจน

ในสิ่งมีชีวิตบางชนิดออกซิเจนเป็นพิษและเรียกว่าแอนแอโรบิคที่เข้มงวด ตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือแบคทีเรียที่ทำให้เกิดบาดทะยักและโบทูลิซึม: Clostridium

นอกจากนี้ยังมีสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ที่สามารถสลับระหว่างการหายใจแบบแอโรบิคและแบบไม่ใช้ออกซิเจนได้ซึ่งเรียกว่าแบบไม่ใช้ออกซิเจนแบบ facultative กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขาใช้ออกซิเจนเมื่อเหมาะสมกับพวกเขาและในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนพวกเขาใช้การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน ตัวอย่างเช่นแบคทีเรีย Escherichia coli ที่รู้จักกันดีมีคุณสมบัติในการเผาผลาญนี้

แบคทีเรียบางชนิดสามารถใช้ไนเตรตไอออน (NO ₃^- ) เป็นตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้ายเช่นสกุล Pseudomonas และ Bacillus ไอออนดังกล่าวสามารถลดลงเป็นไนไตรต์ไอออนไนตรัสออกไซด์หรือก๊าซไนโตรเจน

ในกรณีอื่น ๆ ตัวรับสุดท้ายประกอบด้วยซัลเฟตไอออน (SO ₄^2- ) ที่ก่อให้เกิดไฮโดรเจนซัลไฟด์และใช้คาร์บอเนตเพื่อสร้างก๊าซมีเทน แบคทีเรียสกุล Desulfovibrio เป็นตัวอย่างของตัวรับชนิดนี้

การรับอิเล็กตรอนในโมเลกุลของไนเตรตและซัลเฟตมีความสำคัญอย่างยิ่งในวัฏจักรชีวเคมีของสารประกอบเหล่านี้ ได้แก่ ไนโตรเจนและกำมะถัน

กระบวนการ

Glycolysis เป็นทางเดินก่อนการหายใจระดับเซลล์ เริ่มต้นด้วยโมเลกุลของกลูโคสและผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือไพรูเวตซึ่งเป็นโมเลกุลของคาร์บอนสามตัว Glycolysis เกิดขึ้นในไซโทพลาสซึมของเซลล์ โมเลกุลนี้ต้องสามารถเข้าสู่ไมโตคอนเดรียเพื่อย่อยสลายต่อไป

ไพรูเวทสามารถแพร่กระจายผ่านการไล่ระดับความเข้มข้นเข้าสู่ออร์แกเนลล์ผ่านรูพรุนของเยื่อ ปลายทางสุดท้ายจะเป็นเมทริกซ์ของไมโทคอนเดรีย

ก่อนเข้าสู่ขั้นตอนแรกของการหายใจระดับเซลล์โมเลกุลของไพรูเวทจะต้องผ่านการปรับเปลี่ยนบางอย่าง

ประการแรกมันทำปฏิกิริยากับโมเลกุลที่เรียกว่าโคเอนไซม์เอไพรูเวตแต่ละตัวจะแยกออกเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และหมู่อะซิทิลซึ่งจับกับโคเอนไซม์เอทำให้เกิดเอซิลโคเอนไซม์เอคอมเพล็กซ์

ในปฏิกิริยานี้อิเล็กตรอนสองตัวและไฮโดรเจนไอออนจะถูกถ่ายโอนไปยัง NADP ⁺ทำให้ได้ NADH และถูกเร่งปฏิกิริยาโดยคอมเพล็กซ์เอนไซม์ pyruvate dehydrogenase ปฏิกิริยาต้องใช้ปัจจัยร่วมหลายชุด

หลังจากการปรับเปลี่ยนนี้สองขั้นตอนภายในการหายใจจะเริ่มขึ้น: วัฏจักร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

วงจร Krebs

วงจร Krebs เป็นหนึ่งในปฏิกิริยาวัฏจักรที่สำคัญที่สุดในทางชีวเคมี เป็นที่รู้จักกันในวรรณคดีว่าวงจรกรดซิตริกหรือวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (TCA)

ได้รับการตั้งชื่อตามผู้ค้นพบ: Hans Krebs นักชีวเคมีชาวเยอรมัน ในปีพ. ศ. 2496 Krebs ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบครั้งนี้ซึ่งเป็นสาขาวิชาชีวเคมี

วัตถุประสงค์ของวงจรเป็นรุ่นค่อยเป็นค่อยไปของพลังงานที่มีอยู่ใน acetyl เอโคเอนไซม์มันประกอบด้วยชุดของการเกิดออกซิเดชันและการลดปฏิกิริยาที่การถ่ายโอนพลังงานโมเลกุลที่แตกต่างกันส่วนใหญ่ NAD +

สำหรับทุกสอง acetyl โมเลกุลโคเอนไซม์ที่เข้าสู่รอบสี่โมเลกุลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมาหกโมเลกุลของ NADH และสองของ FADH ₂จะมีการสร้าง CO ₂ถูกปล่อยสู่บรรยากาศโดยเป็นของเสียจากกระบวนการ GTP ถูกสร้างขึ้นด้วย

เนื่องจากทางเดินนี้มีส่วนร่วมในกระบวนการทั้ง anabolic (การสังเคราะห์โมเลกุล) และ catabolic (การย่อยสลายโมเลกุล) จึงเรียกว่า "amphibolic"

ปฏิกิริยาวงจร Krebs

วัฏจักรเริ่มต้นด้วยการหลอมรวมของโมเลกุลอะซิทิลโคเอนไซม์เอกับโมเลกุลออกซาโลอะซิเตต การรวมตัวกันนี้ก่อให้เกิดโมเลกุลคาร์บอนหกตัว: ซิเตรต ดังนั้นโคเอนไซม์เอจึงถูกปล่อยออกมาในความเป็นจริงมันถูกนำกลับมาใช้หลายครั้ง หากมี ATP ในเซลล์มากเกินไปขั้นตอนนี้จะถูกยับยั้ง

ปฏิกิริยาข้างต้นต้องการพลังงานและได้รับจากการทำลายพันธะพลังงานสูงระหว่างหมู่อะซิทิลและโคเอนไซม์เอ

ซิเตรตถูกเปลี่ยนเป็น cis aconitate และถูกเปลี่ยนเป็นไอโซซิเตรตโดยเอนไซม์อะโคนิเทส ขั้นตอนต่อไปคือการเปลี่ยน isocitrate เป็น alpha ketoglutarate โดย dehydrogenated isocitrate ขั้นตอนนี้มีความเกี่ยวข้องเนื่องจากนำไปสู่การลด NADH และปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

อัลฟาคีโตกลูตาเรตจะถูกเปลี่ยนเป็นซัคซินิลโคเอนไซม์เอโดยอัลฟาคีโตกลูตาเรตดีไฮโดรจีเนสซึ่งใช้โคแฟกเตอร์เดียวกันกับไพรูเวทไคเนส NADH ถูกสร้างขึ้นในขั้นตอนนี้เช่นกันและในขั้นตอนเริ่มต้นจะถูกยับยั้งโดย ATP ส่วนเกิน

ผลิตภัณฑ์ต่อไปคือ succinate ในการผลิตการก่อตัวของ GTP เกิดขึ้น succinate เปลี่ยนเป็น fumarate ปฏิกิริยานี้ให้ผล FADH ในทางกลับกัน fumarate จะกลายเป็น malate และในที่สุด oxaloacetate

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

จุดมุ่งหมายของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนคือการรับอิเล็กตรอนจากสารประกอบที่สร้างขึ้นในขั้นตอนก่อนหน้านี้เช่น NADH และ FADH ₂ซึ่งอยู่ในระดับพลังงานสูงและขับเคลื่อนไปยังระดับพลังงานที่ต่ำกว่า

การลดลงของพลังงานนี้จะเกิดขึ้นทีละขั้นตอนนั่นคือจะไม่เกิดขึ้นทันทีทันใด ประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆที่เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์

ส่วนประกอบหลักของโซ่คือสารประกอบเชิงซ้อนที่เกิดจากโปรตีนและเอนไซม์ควบคู่ไปกับไซโตโครเมส: เมทัลโลพอร์ไฟรินชนิดฮีม

Cytochromes มีความคล้ายคลึงกันในแง่ของโครงสร้างแม้ว่าแต่ละตัวจะมีลักษณะเฉพาะที่ช่วยให้สามารถทำหน้าที่เฉพาะภายในห่วงโซ่ได้ แต่จะร้องเพลงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่แตกต่างกัน

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านห่วงโซ่ทางเดินหายใจไปยังระดับล่างก่อให้เกิดการปลดปล่อยพลังงาน พลังงานนี้สามารถใช้ในไมโทคอนเดรียเพื่อสังเคราะห์ ATP ในกระบวนการที่เรียกว่าฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชัน

การมีเพศสัมพันธ์แบบ Chemosmotic

เป็นเวลานานที่กลไกของการสร้าง ATP ในห่วงโซ่เป็นเรื่องน่าฉงนจนกระทั่งนักชีวเคมี Peter Mitchell เสนอการมีเพศสัมพันธ์ทางเคมี

ในปรากฏการณ์นี้จะมีการสร้างการไล่ระดับโปรตอนบนเยื่อไมโทคอนเดรียด้านใน พลังงานที่มีอยู่ในระบบนี้จะถูกปล่อยออกมาและใช้ในการสังเคราะห์ ATP

จำนวน ATP ที่เกิดขึ้น

อย่างที่เราเห็น ATP ไม่ได้ก่อตัวขึ้นโดยตรงในวงจร Krebs แต่อยู่ในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน สำหรับทุกๆสองอิเล็กตรอนที่ผ่านจาก NADH ไปยังออกซิเจนการสังเคราะห์ ATP สามโมเลกุลจะเกิดขึ้น ค่าประมาณนี้อาจแตกต่างกันบ้างขึ้นอยู่กับวรรณกรรมที่ปรึกษา

ในทำนองเดียวกันสำหรับทุกๆสองอิเล็กตรอนที่ผ่านจาก FADH ₂จะเกิดโมเลกุล ATP สองโมเลกุล

คุณสมบัติ

หน้าที่หลักของการหายใจของเซลล์คือการสร้างพลังงานในรูปแบบของ ATP เพื่อให้สามารถสั่งการไปยังหน้าที่ของเซลล์ได้

ทั้งสัตว์และพืชจำเป็นต้องดึงพลังงานเคมีที่มีอยู่ในโมเลกุลอินทรีย์ที่พวกมันมาใช้เป็นอาหาร ในกรณีของผักโมเลกุลเหล่านี้คือน้ำตาลที่พืชสังเคราะห์ขึ้นเองโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในกระบวนการสังเคราะห์แสงที่มีชื่อเสียง

ในทางกลับกันสัตว์ไม่สามารถสังเคราะห์อาหารเองได้ ดังนั้น heterotrophs จึงกินอาหารในอาหารเช่นเรา กระบวนการออกซิเดชั่นมีหน้าที่ในการดึงพลังงานจากอาหาร

เราไม่ควรสับสนระหว่างหน้าที่ของการสังเคราะห์ด้วยแสงกับการหายใจ พืชก็หายใจได้เช่นกัน กระบวนการทั้งสองเป็นส่วนเสริมและรักษาพลวัตของโลกที่มีชีวิต

อ้างอิง

Alberts, B. , & Bray, D. (2006). ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับชีววิทยาของเซลล์ Panamerican Medical Ed.
Audesirk, T. , Audesirk, G. , & Byers, พ.ศ. (2546). ชีววิทยา: สิ่งมีชีวิตบนโลก การศึกษาของ Pearson
Curtis, H. , & Schnek, A. (2008). เคอร์ติส ชีววิทยา. Panamerican Medical Ed.
Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A. , Ober, WC, & Garrison, C. (2007). หลักการบูรณาการของสัตววิทยา McGraw-Hill
Randall, D. , Burggren, W. , French, K. , & Eckert, R. (2002). สรีรวิทยาของสัตว์ Eckert Macmillan
Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). จุลชีววิทยาเบื้องต้น. Panamerican Medical Ed.
Young, B. , Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A. , & Wheater, PR (2000) เนื้อเยื่อวิทยาที่ใช้งานได้: ข้อความและแผนที่เป็นสี ฮาร์คอร์ท.

การหายใจของเซลล์: กระบวนการประเภทและหน้าที่ - ชีววิทยา - 2025