การหายใจระดับเซลล์และปฏิกิริยารีดอกซ์

• การหายใจระดับเซลล์ (Cellular respiration) เป็นกระบวนการสร้างพลังงานเพื่อใช้ในกิจกรรมต่างๆ ของเซลล์ ซึ่งส่งผลต่อการดำรงชีวิต
• ATP (adenosine triphosphate) เป็นสารประกอบพลังงานสูงที่เซลล์ต้องการ ได้จากการสลายสารอาหาร เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน และลิพิด

ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox Reaction)

• ปฏิกิริยารีดอกซ์คือปฏิกิริยาที่ประกอบด้วย Reduction (การรับอิเล็กตรอน) และ Oxidation (การให้อิเล็กตรอน)
• ปฏิกิริยารีดอกซ์ มีการรับและให้อิเล็กตรอนของธาตุเกิดขึ้นพร้อมกันในคนละธาตุ และเขียนแยกเป็น 2 ปฏิกิริยาย่อย

ปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction)

• ปฏิกิริยารีดักชัน คือปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอน
• เลขออกซิเดชันของธาตุในอนุภาคลดลงในปฏิกิริยารีดักชัน ตัวอย่างเช่น B + e⁻ → B⁻ (เลขออกซิเดชันของ B ลดลงจาก 0 เป็น -1)

ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation)

• ปฏิกิริยาออกซิเดชัน คือปฏิกิริยาที่มีการให้อิเล็กตรอน
• เลขออกซิเดชันของธาตุในอนุภาคเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น A → A⁺ + e⁻ (เลขออกซิเดชันของ A เพิ่มขึ้นจาก 0 เป็น +1)

ตัวรีดิวซ์และตัวออกซิไดซ์

• ตัวรีดิวซ์ (หรือตัวถูกออกซิไดซ์) คือสารที่ให้อิเล็กตรอน ทำให้เลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น (+1)
• ตัวออกซิไดซ์ (หรือตัวถูกรีดิวซ์) คือสารที่รับอิเล็กตรอน ทำให้เลขออกซิเดชันลดลง (-1)
• ความสัมพันธ์: ตัวรีดิวซ์ = ตัวถูกออกซิไดซ์ = ปฏิกิริยาออกซิเดชัน = ให้อิเล็กตรอน = เลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น
• ความสัมพันธ์: ตัวออกซิไดซ์ = ตัวถูกรีดิวซ์ = ปฏิกิริยารีดักชัน = รับอิเล็กตรอน = เลขออกซิเดชันลดลง

การระบุตัวรีดิวซ์และตัวออกซิไดซ์ในสมการเคมี

• ในสมการ Ni + 2Ag⁺ → Ni²⁺ + 3Ag, Ni เป็นตัวรีดิวซ์ (ให้อิเล็กตรอน, เลขออกซิเดชันเพิ่มจาก 0 เป็น +2)
• Ag⁺ เป็นตัวออกซิไดซ์ (รับอิเล็กตรอน, เลขออกซิเดชันลดลงจาก +1 เป็น 0)

สารพลังงานสูง

• สารพลังงานสูง ได้แก่ ATP (adenosine triphosphate), NAD⁺ (nicotinamide adenine dinucleotide) และ FAD (flavin adenine dinucleotide)
• NAD⁺ จะอยู่ในสภาพรีดิวซ์ (NADH) เมื่อรับ e⁻ และกลับสู่สภาพออกซิไดซ์ (NAD⁺) เมื่อให้ e⁻ (NAD⁺ + 2e⁻ + H⁺ → NADH)
• FAD จะอยู่ในสภาพรีดิวซ์ (FADH₂) เมื่อรับ e⁻ และกลับสู่สภาพออกซิไดซ์ (FAD) เมื่อให้ e⁻ (FAD + 2e⁻ + H⁺ → FADH₂)

ATP (Adenosine Triphosphate)

• ATP ประกอบด้วยสารอินทรีย์ 2 ชนิด: เบสอะดีนีนและน้ำตาลไรโบส ต่อกับหมู่ฟอสเฟต 3 หมู่
• ATP ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการถ่ายทอดพลังงานให้เซลล์
• การสลาย ATP ให้พลังงาน 7.3 กิโลแคลอรี่/โมล
• หมู่ฟอสเฟตใน ATP มีประจุลบ ทำให้โมเลกุลไม่เสถียรและสูญเสียหมู่ฟอสเฟตได้ง่าย
• พันธะระหว่างหมู่ฟอสเฟตแตกสลายได้ง่าย ให้พลังงาน เรียกว่า สารพลังงานสูง

การสร้าง ATP (Phosphorylation)

• Substrate level phosphorylation: การสร้าง ATP โดยการย้ายหมู่ฟอสเฟตจากสารอื่นมายัง ADP โดยตรง มีเอนไซม์เป็นตัวกระตุ้น
• Oxidative phosphorylation: การสร้าง ATP โดยการถ่ายทอดอิเล็กตรอนผ่านสารนำอิเล็กตรอน (NADH, FADH₂) ใน Electron transport chain ที่ไมโทคอนเดรีย โดยมีออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย

หลักการของการหายใจระดับเซลล์

• การหายใจระดับเซลล์คือกระบวนการที่รับแก๊สออกซิเจน (O₂) เพื่อเปลี่ยนกลูโคส (C₆H₁₂O₆) ให้เป็นพลังงานในรูป ATP
• มีการคายแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ที่มีพลังงานต่ำออกมา

ประเภทของการหายใจระดับเซลล์

• การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic respiration): ใช้โมเลกุลออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย
• การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic respiration): ไม่ใช้โมเลกุลออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย

ขั้นตอนของการหายใจแบบใช้ออกซิเจน

• ไกลโคไลซิส (Glycolysis): เกิดในไซโตซอล
• การสร้าง Acetyl Coenzyme A และ วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle): เกิดใน matrix ของไมโทคอนเดรีย
• การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron transport chain): เกิดที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย

ไกลโคไลซิส (Glycolysis)

• ไกลโคไลซิสเกิดขึ้นที่บริเวณ cytosol ของเซลล์
• เป็นกระบวนการ 10 ขั้นตอนที่แต่ละขั้นตอนมีเอนไซม์เฉพาะเป็นตัวเร่ง
• แบ่งเป็น 2 ช่วงหลัก: Energy investment phase (ใช้ ATP) และ Energy payoff phase (ได้ 4 ATP และ 2 NADH)
• ผลลัพธ์: Glucose (C6 อะตอม) → Pyruvate (C3 อะตอม)

การสร้าง Acetyl Coenzyme A

• Pyruvate (C3 อะตอม) → Acetyl Coenzyme A (C2 อะตอม) เกิดขึ้นที่ไซโทพลาซึม 2Pyruvate ---> 2CO2 + 2NADH+H+ + 2Acetyl CoA

วัฏจักรเครบส์ (Krebs Cycle)

• Acetyl CoA 1 โมเลกุล จะถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ในวัฏจักรเครบส์ได้ 1 รอบ ดังนั้นน้ำตาลกลูโคส 1 โมเลกุล จึงเข้าสู่วัฏจักรเครบส์ 2 รอบ

ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากวัฏจักรเครบส์ (จาก 1 กลูโคส ผ่านวัฏจักรเครบส์ 2 รอบ)

• CO₂ 4 โมเลกุล
• NADH 6 โมเลกุล
• FADH₂ 2 โมเลกุล
• ATP 2 โมเลกุล

การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron Transport Chain)

• องค์ประกอบ: ตัวรับอิเล็กตรอนในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย
• กลไก: ตัวรับจะรับเฉพาะอิเล็กตรอน (e⁻) ส่วนโปรตอน (H⁺) จะถูกปล่อยออกมาและส่งไปยัง intermembrane space
• O₂ เป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย และรวมกับ H⁺ กลายเป็น H₂O

ETC (Electron Transport Chain)

• ไม่ได้สร้าง ATP โดยตรง แต่สร้าง H⁺ gradient ที่ผนังด้านในไมโทคอนเดรีย ทำให้เกิด phosphorylation
• ATP synthase เป็นโปรตีนคอมเพล็กซ์ที่สังเคราะห์ ATP โดยใช้การไหลของ H⁺ (chemiosmosis)
• NADH 1 โมเลกุล นำไปสร้าง ATP ได้ 2.5 โมเลกุล
• FADH₂ 1 โมเลกุล นำไปสร้าง ATP ได้ 1.5 โมเลกุล

ปริมาณ ATP ที่ได้จากการหายใจแบบใช้ออกซิเจน

• ปริมาณ ATP ที่ได้แตกต่างกันในแต่ละเซลล์
• ในสมองและกล้ามเนื้อลาย จะได้ 30 ATP
• ในหัวใจ ตับ ไต จะได้ 32 ATP
• ความแตกต่างของจำนวน ATP มาจากกระบวนการไกลโคไลซิส ที่ระบบลำเลียง NADH เข้าสู่ไมโทคอนเดรียต่างกัน โดยในสมองและกล้ามเนื้อลาย จะไม่ใช่ NADH แต่เป็น FADH₂ ทำให้ ATP ลดลง 2 ATP

การสลายสารอื่นที่ไม่ใช่กลูโคส

• โปรตีน: เปลี่ยนแปลงได้หลายแบบ เช่น เป็น Pyruvate, Acetyl CoA หรือสารอื่นในวัฏจักรเครบส์
• การเปลี่ยนแปลงต้องมีการตัดหรือย้ายหมู่อะมิโน (NH₃)
• กระบวนการย้ายหมู่อะมิโนเรียกว่า transamination
• ไขมัน (ลิพิด): ผ่านการย่อยสลายเป็นกลีเซอรอลและกรดไขมัน
• กลีเซอรอลเข้าสู่กระบวนการในช่วงไกลโคไลซิส
• กรดไขมันเข้าสู่กระบวนการตัดสารไฮโดรคาร์บอนออกทีละ 2 คาร์บอน (β-oxidation) สร้าง Acetyl CoA

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Respiration)

• กรณีที่ไม่มีออกซิเจนเพียงพอ NADH และ FADH₂ ไม่สามารถถ่ายทอดอิเล็กตรอนได้
• เซลล์จะผันกลับ NADH เป็น NAD⁺ เพื่อให้ไกลโคไลซิสสามารถสร้าง ATP ต่อไปได้
• กระบวนการนี้เรียกว่า การหมัก (fermentation)

กระบวนการหมัก (Fermentation)

• กระบวนการหมักแอลกอฮอล์ (Alcoholic fermentation): ผลิต เอทานอล(2C₂H₅OH), (2)CO₂ และ ATP ได้น้อยมาก
• กระบวนการหมักกรดแลกติก (Lactic acid fermentation): ผลิต (2)กรดแลกติกC₃H₆O₃ และ ATP ได้น้อยมาก

การเปรียบเทียบการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน

• การหายใจแบบใช้ออกซิเจน:
• เกิดครบ 4 ขั้นตอน
• เกิดทั้งในไซโทซอลและไมโทคอนเดรีย
• ใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้าย
• สลายสารอาหารได้สมบูรณ์
• ได้พลังงาน 30-32 ATP
• การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน:
• เกิดขั้นตอนเดียว (ไกลโคไลซิส)
• เกิดในไซโทซอลเท่านั้น
• ไม่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอน
• สลายสารอาหารไม่สมบูรณ์
• ได้พลังงาน 2 ATP