พลังงานผลิตโดยเซลล์อย่างไร?

น่าสนใจทีเดียวที่ทุกคนรู้ว่าเวลาหิวร่างกายจะอ่อนแอและไร้ชีวิตชีวา หากคุณได้รับอาหารเพียงพอ ร่างกายก็จะเต็มไปด้วยพลังงานและความมีชีวิตชีวา

แล้วอะไรทำให้เกิดความแตกต่างนี้? เซลล์ผลิตพลังงานหรือไม่? หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับปัญหานี้ โปรดอ่านบทความต่อไปนี้!

ในทางชีววิทยาของเซลล์ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนเป็นหนึ่งในขั้นตอนสำคัญในการที่เซลล์ของคุณสร้างพลังงานจากอาหารที่คุณกิน

นี่เป็นขั้นตอนที่สามของการหายใจระดับเซลล์แบบแอโรบิก การหายใจระดับเซลล์เป็นคำที่ใช้สำหรับวิธีที่เซลล์ของร่างกายผลิตพลังงานจากอาหารที่บริโภค ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนเป็นที่ที่พลังงานส่วนใหญ่ของเซลล์ถูกสร้างขึ้น

พลังงานเกิดขึ้นได้อย่างไร?

ออกซิเจนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการหายใจแบบใช้ออกซิเจนเมื่อสายโซ่สิ้นสุดลงด้วยการมีส่วนร่วมของอิเล็กตรอนกับออกซิเจน และในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปตามสายโซ่ การเคลื่อนที่หรือโมเมนตัมก็ถูกใช้เพื่อสร้างอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP)

เอทีพีเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับกระบวนการต่างๆ ของเซลล์ รวมถึงการหดตัวของกล้ามเนื้อและการแบ่งตัวของเซลล์

พลังงานจะถูกปล่อยออกมาระหว่างการเผาผลาญของเซลล์เมื่อ ATP ถูกไฮโดรไลซ์ สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกส่งผ่านไปตามสายโซ่จากโปรตีนคอมเพล็กซ์หนึ่งไปยังอีกคอมเพล็กซ์ จนกระทั่งพวกมันถูกบริจาคให้กับน้ำที่สร้างออกซิเจน

เอทีพีสลายตัวทางเคมีเป็นอะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) โดยทำปฏิกิริยากับน้ำ จากนั้น ADP จะถูกใช้เพื่อสังเคราะห์ ATP

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่ออิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนไปตามสายโซ่จากโปรตีนเชิงซ้อนไปยังโปรตีนเชิงซ้อน พลังงานจะถูกปลดปล่อยและไฮโดรเจนไอออน (H+) จะถูกสูบออกจากเมทริกซ์ระหว่างเซลล์ของไมโตคอนเดรีย (ช่องในเยื่อหุ้มชั้นใน) และเข้าไปในช่องว่างของเยื่อหุ้มเซลล์ (นี่คือช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอก)

กิจกรรมทั้งหมดเหล่านี้สร้างทั้งเกรเดียนต์ทางเคมี (นี่คือความแตกต่างในความเข้มข้นของสารละลาย) และการไล่ระดับทางไฟฟ้า (นี่คือความแตกต่างในประจุ) ผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน

เมื่อไอออน H+ ถูกปั๊มเข้าไปในโพรงของเยื่อหุ้มเซลล์มากขึ้น ความเข้มข้นของอะตอมไฮโดรเจนก็จะสะสมมากขึ้นและไหลกลับเข้าไปในเมทริกซ์ระหว่างเซลล์ ซึ่งให้พลังงานสำหรับการผลิต ATP หรือ ATP synthase

การสังเคราะห์ ATP ใช้พลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของไอออน H+ ไปเป็นเมทริกซ์ระหว่างเซลล์เพื่อแปลง ADP เป็น ATP

การเกิดออกซิเดชันของโมเลกุลเหล่านี้สร้างพลังงานสำหรับการผลิต ATP หรือที่เรียกว่าออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน

ขั้นตอนการหายใจระดับเซลล์

ขั้นตอนแรกของการหายใจระดับเซลล์คือไกลโคไลซิส (นี่คือการไฮโดรไลซิสของกลูโคส) ไกลโคไลซิสเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึมและเกี่ยวข้องกับการแยกโมเลกุลกลูโคสหนึ่งโมเลกุลออกเป็นสองโมเลกุลของไพรูเวตที่เป็นสารประกอบทางเคมี

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ATP สองโมเลกุลและ NADH สองโมเลกุล (โมเลกุลที่มีพลังงานสูงและมีอิเล็กตรอน) ถูกผลิตขึ้น

Glycolysis สามารถเกิดขึ้นได้โดยมีหรือไม่มีออกซิเจน ในที่ที่มีออกซิเจน glycolysis เป็นขั้นตอนแรกของการหายใจระดับเซลล์แบบแอโรบิก หากไม่มีออกซิเจน glycolysis ช่วยให้เซลล์ผลิต ATP ในปริมาณเล็กน้อย

กระบวนการนี้เรียกว่าการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือการหมัก การหมักยังผลิตกรดแลคติกซึ่งสามารถสร้างขึ้นในเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อทำให้เกิดอาการปวดและรู้สึกแสบร้อน

ขั้นตอนที่สอง เรียกว่าวัฏจักรกรดซิตริกหรือวัฏจักรเครบส์ เริ่มต้นหลังจากสองโมเลกุลของน้ำตาลคาร์บอนสามชนิดที่ผลิตในไกลโคไลซิสถูกแปลงเป็นสารประกอบที่แตกต่างกันเล็กน้อย (อะซิติลโคเอ)

กระบวนการนี้เกิดขึ้นเมื่อไพรูเวตถูกส่งผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นนอกและชั้นในไปยังคั่นระหว่างหน้าของไมโตคอนเดรีย จากนั้นไพรูเวตจะถูกออกซิไดซ์เพิ่มเติมในวัฏจักร Krebs ซึ่งสร้างโมเลกุล ATP สองโมเลกุล รวมทั้งโมเลกุล NADH และ FADH2

วัฏจักรกรดซิตริกเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีออกซิเจน แต่ไม่มีการใช้ออกซิเจนโดยตรง อิเล็กตรอนจาก NADH และ FADH2 จะถูกถ่ายโอนไปยังขั้นตอนที่สามของการหายใจระดับเซลล์ ซึ่งเป็นกระบวนการออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน/ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

คอมเพล็กซ์โปรตีนในสายโซ่

มีโปรตีนเชิงซ้อนสี่ชนิดที่เป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนที่ขนส่งอิเล็กตรอนลงสู่สายโซ่

คอมเพล็กซ์โปรตีนที่ห้าทำหน้าที่ขนส่งไฮโดรเจนไอออนกลับเข้าไปในเมทริกซ์ระหว่างเซลล์ คอมเพล็กซ์เหล่านี้ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน

คอมเพล็กซ์ฉัน (คอมเพล็กซ์ฉัน)

NADH ถ่ายเทอิเล็กตรอนสองตัวไปยังคอมเพล็กซ์ I เพื่อผลิตไอออน H+ สี่ตัวที่สูบผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน ณ จุดนี้ NADH จะถูกออกซิไดซ์เป็น NAD+ ซึ่งถูกนำกลับมาใช้ใหม่เป็นวัฏจักรเครบส์

อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจากสารเชิงซ้อน I ไปยังโมเลกุลพาหะ ยูบิควิโนน (Q) ซึ่งถูกรีดิวซ์เป็นยูบิควินอล (QH2) ยูบิควินอลนำอิเล็กตรอนไปยังคอมเพล็กซ์ III

คอมเพล็กซ์ II (คอมเพล็กซ์ II)

FADH2 ถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยัง Complex II และอิเล็กตรอนไปยัง ubiquinone (Q) Q ถูกรีดิวซ์เป็นยูบิควินอล (QH2) โดยนำอิเล็กตรอนไปยังคอมเพล็กซ์ III ไม่มีการเคลื่อนย้ายไอออน H+ ไปยังช่องว่างระหว่างเยื่อระหว่างกระบวนการนี้

คอมเพล็กซ์ III (คอมเพล็กซ์ III)

การถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังคอมเพล็กซ์ III ช่วยขนส่งไอออน H+ สี่ตัวผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน QH2 ถูกออกซิไดซ์และอิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนไปยังโปรตีนตัวพาอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งคือ cytochrome C

คอมเพล็กซ์ IV (คอมเพล็กซ์ IV)

Cytochrome C ถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังโปรตีนที่ซับซ้อนสุดท้ายในสายโซ่, คอมเพล็กซ์ IV ไอออน H+ สองตัวถูกปั๊มผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน

จากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจาก IV เชิงซ้อนไปยังโมเลกุลออกซิเจน (O2) ทำให้โมเลกุลแตกตัว อะตอมของออกซิเจนที่ได้นั้นใช้ไอออน H+ อย่างรวดเร็วเพื่อสร้างโมเลกุลของน้ำสองโมเลกุล

เอทีพีสังเคราะห์

การสังเคราะห์เอทีพีจะย้ายไอออน H+ ที่ถูกปั๊มออกจากเมทริกซ์ระหว่างเซลล์โดยห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนกลับเข้าไปในเมทริกซ์ระหว่างเซลล์

พลังงานจากการไหลเข้าของโปรตอนเข้าสู่เมทริกซ์ระหว่างเซลล์ใช้เพื่อสร้าง ATP โดยฟอสโฟรีเลชัน (การเติมฟอสเฟต) ของ ADP การเคลื่อนที่ของไอออนผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียอย่างเฉพาะเจาะจงและลดระดับเคมีไฟฟ้าลงเรียกว่าคีโมแทกซิส

NADH ผลิต ATP มากกว่า FADH2 สำหรับโมเลกุล NADH ที่ออกซิไดซ์แต่ละโมเลกุล ไอออน H+ 10 ตัวจะถูกปั๊มเข้าไปในช่องว่างของไดอะแฟรม สิ่งนี้ให้ผลประมาณสามโมเลกุล ATP

เนื่องจาก FADH2 เข้าสู่ห่วงโซ่ในขั้นตอนต่อมา (Complex II) ไอออน H+ เพียงหกตัวเท่านั้นที่ถูกส่งไปยังช่องว่างของเยื่อหุ้มเซลล์

บัญชีนี้มีโมเลกุล ATP ประมาณสองโมเลกุล โมเลกุลเอทีพีทั้งหมด 32 โมเลกุล C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ~32 ATP ถูกสร้างขึ้นระหว่างการขนส่งอิเล็กตรอนและฟอสโฟรีเลชั่นออกซิเดชัน

ขั้นตอนการผลิตพลังงานจากเซลล์ฟังดูซับซ้อนใช่ไหม อย่างไรก็ตาม เคมีก็มีส่วนร่วมในกลไกนี้เช่นกัน หวังว่าบทความนี้จะช่วยคุณได้ในอนาคต