พลังงานในระดับเซลล์

        พลังงานเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด พลังงานเป็นสิ่งสำคัญในกระบวนการต่างๆของเซลล์ เช่น การสังเคราะห์โปรตีน การแบ่งเซลล์ การหดตัวของเซลล์กล้ามเนื้อ เป็นต้น
        พลังงานภายในเซลล์ส่วนใหญ่จะเก็บไว้ในรูปแบบสารเคมีเรียกว่า ATP ที่เปรียบเสมือน"power bank" ภายในเซลล์ 

      เมื่อ ATP เปลี่ยนเป็น ADP จะปล่อยพลังงานออกมา 7.3 kcal/mol และมีหมู่ฟอสเฟตหลุดออกมาหนึ่งหมู่ และเมื่อ ADP เปลี่ยนเป็น AMP ก็จะเกิดเหตุการณ์เดียวกัน-เรียกกระบวนการนี้ว่า ATP hydrolysis 
      ADP สามารถเปลี่ยนกลับมาเป็น ATP ได้เหมือนเดิมโดยเติมพลังงานและหมู่ฟอสเฟต-เรียกกระบวนการนี้ว่า Phosphorylation 

*ATP จะจ่ายพลังงานให้แก่ปฎิกิริยาที่ต้องการพลังงานเช่น การสังเคราะห์สาร (Anabolism)
ส่วน ADP หรือ AMP มีพลังงานเหลือน้อยจะไปเติมพลังงานจากปฎิกิริยาที่คายพลังงานเช่น การย่อยสลายสาร (Catabolism)

 และปฎิกิริยาหลักๆที่สร้าง ATP ให้แก่เซลล์ก็คือ การหายใจระดับเซลล์

การหายใจระดับเซลล์

แบ่งออกเป็น 2 แบบ

1. แบบใช้ O₂
2. แบบไม่ใช้ O₂

การหายใจระดับเซลล์แบบใช้ O₂

การสลายกลูโคสภายในเซลล์สามารถสรุปได้โดยสมการ

ประกอบด้วย 4 ขั้นตอนย่อย ดังนี้

1. ไกลโคไลซิส : เกิดขึ้นใน cytoplasm เป็นการเปลี่ยนจากกลูโคส(มีC 6 อะตอม) 1 โมเลกุล เป็น pyruvate(มีC 3 อะตอม) 2 โมเลกุล ระหว่างทางจะเกิด ATP และ อิเล็กตรอนคู่
2. การสร้าง Acetyl CoA : จะเกิดที่ cytoplasm เช่นกัน เป็นการเปลี่ยนจากpyruvate(มีC 3 อะตอม) เป็น Acetyl CoA(มีC 2 อะตอม) จึงมี C หลุดออกมา 1 อะตอม C ที่หลุดออกมานี้จะกลายเป็น CO₂ ที่เราจะหายใจออกไปในที่สุด ระหว่างทางจะเกิด อิเล็กตรอนคู่
3. Krebs cycle : เกิดขึ้นภายใน matrix ในไมโตคอนเดรีย ที่มีเอนไซม์ที่สำคัญในการเกิดปฏิกิริยา ระหว่างทางจะเกิด อิเล็กตรอนคู่
4. การถ่ายทอดอิเล็กตรอน : เกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย (inner membrane) เป็นปฎิกิริยาที่จะนำอิเล็กตรอนที่เกิดจากสามขั้นตอนก่อนหน้า มาใช้สร้าง ATP

จุดเด่นของการหายแบบใช้ O₂ คือ ได้ ATP ในปริมาณมาก แต่ ATP ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นในระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนซึ่งเป็นขั้นตอนที่ต้องใช้ อิเล็กตรอนคู่ ที่อยู่ในรูป NADH หรือ FADH₂ เพราะฉะนั้นแล้วการเกิดไกลโคไลซิส การสร้างAcetyl CoA และ Krebs cycle ต่างมีเป้าหมายคือสร้าง NADH หรือ FADH₂ ให้ได้มากที่สุด เพื่อนำไปใช้ในขั้นตอนสุดท้ายนั่นเอง

1.) ไกลโคไลซิส

• กลูโคสที่มี C 6 อะตอมจะถูกเปลี่ยนเป็น phosphoglyceraldehyde (PGAL) และ Phosphoglycerate (PGA) ที่มีC 3 อะตอมก่อน แล้วจึงเปลี่ยนไปเป็น pyruvate 2 โมเลกุลในที่สุด
• ในการเปลี่ยนกลูโคสเป็น 2PGAL จำเป็นต้องใช้ ATP 2 โมเลกุล แต่หลังจากนั้นมีการคายพลังงานมากพอที่จะสร้าง ATP ขึ้นมา 4 โมเลกุล เพราะฉะนั้นไกลโคไลซิสจะเกิด ATP 2 โมเลกุลต่อ 1 กลูโคส
• เรียกการสร้าง ATP ที่ได้รับพลังงานมาจากปฏิกิริยาการการย่อยน้ำตาลนี้ว่า substrate-level phosphorylation 
• เกิดอิเล็กตรอนคู่ จำนวน 2 คู่อีกด้วย และจะถูกเก็บไว้ในรูป NADH จำนวน 2 โมเลกุล เพื่อนำไปใช้ในการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

2.) การสร้าง Acetyl CoA

• คือการเปลี่ยนน้ำตาล pyruvate ให้กลายเป็น acetyl CoA เพราะ pyruvate นั้นไม่สามารถเข้าไปในไมโตคอนเดรียได้เลย จึงต้องเปลี่ยนรูปให้กลายเป็น acetyl CoA เสียก่อน
• เมื่อ pyruvate(C3) รวมกับ Coenzyme A จะกลายไปเป็น acetyl CoA(C2) และเกิด CO₂ และยังมีอิเล็กตรอนคู่ในรูป NADH ออกมาด้วย

3.) Krebs cycle หรือ citric acid cycle

• คือการใช้acetyl CoA เพื่อสร้าง NADH และ FADH₂ ให้ได้ปริมาณมาก
• เริ่มจาก acetyl CoA(C2) รวมตัวกับ oxaloacetate(C4) เกิดเป็น citrate(C6) ที่เป็นผลิตภัณฑ์แรกของวัฏจักร
• ต่อจากนั้น citrate (C6) จะถูกเปลี่ยนเป็นสารที่มี C5 และ C4 ตามลำดับ ทุกครั้งที่จำนวนคาร์บอนอะตอมลดลงจะเกิด CO₂ และ NADH เป็นผลิตภัณฑ์
• สารC4 จะถูกเปลี่ยนเป็น สารC4ตัวอื่นไปเรื่อยๆ จนในที่สุดกลายมาเป็น oxaloacetate(C4)ตามเดิม และเกิดการคายพลังงานออกมาพอสำหรับสร้าง ATP ได้ 1 โมเลกุล (substrate-level phosphorylation) และสร้าง NADH และ FADH₂ 
• จาก acetyl CoA 1 โมเลกุล จะได้ NADH 3 โมเลกุล, FADH₂ 1 โมเลกุล และ ATP 1 โมเลกุล

4.) การถ่ายทอดอิเล็กตรอน

• คือการนำอิเล็กตรอนที่อยู่ใน NADH และ FADH₂ มาสร้างพลังงาน ATP โดยใช้ O₂ เป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย เรียนวิธีการสร้าง ATP แบบนี้ว่า oxidative phosphorylation
• NADH และ FADH₂ จะมาถ่ายอิเล็กตรอนให้แก่โปรตีนที่อยู่บนเยื่อหุ้มด้านในของไมโตคอนเดรีย อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปเรื่อยๆจนในที่สุด O₂ มารับอิเล็กตรอนและโปรตอนเป็นสุดท้ายแล้วกลายไปเป็นน้ำ
• เมื่อได้รับพลังงานจากอิเล็กตรอน โปรตีนที่ถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะทำงานโดยปั้มเอา H⁺ ไปเก็บไว้ที่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย (intermembrane space) ทำให้บริเวณ intermembrane space มีปริมาณ H⁺ สูงกว่าใน matrix 
• บนเยื่อหุ้มด้านในจะมีเอนไซม์ ATP synthase ทำหน้าที่ในการสร้าง ATP เปรียบเสมือนที่ชาร์ตไฟ  ATP synthase ทำงานได้โดยใช้แรงทางเคมีของ H⁺ ที่เกิดจากของความเข้มข้นที่แตกต่างกันระหว่าง intermembrane กับ matrix
  เมื่อ H⁺ ไหลจาก intermembrane มายัง matrix  ATP synthase ก็จะสามารถทำงานได้
• อิเล็กตรอนคู่จาก NADH 1 โมเลกุล จากสร้าง ATP ได้ประมาณ 2.5 โมเลกุล และ FADH₂ 1 โมเลกุล จากสร้าง ATP ได้ประมาณ 1.5 โมเลกุล

  ---

การหายใจระดับเซลล์แบบไม่ใช้ O₂

          เป็นการสร้าง ATP ในเซลล์อย่างรวดเร็วแบบไม่อาศัยไมโตคอนเดรีย โดยจะเกิดขึ้นในเซลล์ prokaryote ที่ไม่มีไมโตคอนเดรีย หรืออาจเกิดขึ้นในร่างกายของสัตว์หรือคนได้อีกด้วย โดยมักจะเรียกกระบวนการหายใจแบบไม่ใช้ O₂ ว่า การหมัก

1. การหมักแอลกอฮอล์
   มักพบในยีส และ แบคทีเรีย เป็นกระบวนการสลายกลูโคสเพื่อสร้าง ATP 2 โมเลกุล กลูโคสจะถูกเปลี่ยนเป็นethanol(C2) 2 โมเลกุล จึงมี CO₂  2 โมเลกุล ออกมาด้วย
2. การหมักกรดแลกติก
   พบได้ในกล้ามเนื้อลาย และแบคทีเรีย เป็นกระบวนการสลายกลูโคสเพื่อสร้าง ATP 2 โมเลกุล อย่างรวดเร็ว กลูโคสจะถูกเปลี่ยนเป็น lactic acid(C3) 2 โมเลกุล เมื่อมีกรดแลกติกสะสมไว้ในเซลล์กล้ามเนื้อปริมาณมากๆจะเกิดการล้า