การหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจน

การหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจนคือกระบวนการออกซิเดชันของโมเลกุลเชื้อเพลิงที่ต้องใช้ออกซิเจน เพื่อเปลี่ยนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ พร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานอิสระที่ถูกจับเก็บไว้ในรูปของ ATP กระบวนการนี้รวมถึงไกลโคไลซิส, การออกซิเดชันของไพรูเวต, วัฏจักรกรดซิตริก และสายใยการขนส่งอิเล็กตรอน และเป็นเส้นทางหลักที่เซลล์ส่วนใหญ่ของมนุษย์ใช้ในการตอบสนองความต้องการพลังงานของตน

Definition

การหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจนคือการออกซิเดชันที่สมบูรณ์และต้องใช้ออกซิเจนของเชื้อเพลิงอินทรีย์ ซึ่งคาร์บอนจะถูกปล่อยออกมาในรูปของ CO2 และอิเล็กตรอนจะถูกส่งต่อไปยังออกซิเจนโมเลกุลในที่สุด โดยพลังงานอิสระส่วนใหญ่จะถูกเก็บรักษาไว้ในรูปของ ATP ผ่านกระบวนการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน

Scope

บทความนี้กล่าวถึงการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจนในฐานะกระบวนการสลาย (catabolic process) แบบบูรณาการที่ต้องใช้ออกซิเจนโมเลกุลเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย ซึ่งแตกต่างจากเส้นทางแบบไม่ใช้ออกซิเจนและแบบหมัก บทความนี้จะจัดวางตำแหน่งของวิถีทางที่เกี่ยวข้องสัมพันธ์กัน และอธิบายว่าเหตุใดการออกซิเดชันที่ต้องใช้ออกซิเจนจึงให้พลังงานที่ใช้ประโยชน์ได้มากกว่าการสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนมาก บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงและกรอบการศึกษา ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิก

Core questions

• เหตุใดการออกซิเดชันของกลูโคสอย่างสมบูรณ์จึงต้องใช้ออกซิเจน?
• ไกลโคไลซิส, วัฏจักรกรดซิตริก และสายใยการขนส่งอิเล็กตรอนรวมเข้าเป็นกระบวนการเดียวได้อย่างไร?
• เหตุใดการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจนจึงให้ ATP มากกว่าการหมักหรือไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจนมาก?
• บทบาทของออกซิเจนในฐานะตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายคืออะไร?

Key concepts

• ออกซิเจนโมเลกุลในฐานะตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย
• การบูรณาการของไกลโคไลซิส, วัฏจักรกรดซิตริก และการขนส่งอิเล็กตรอน
• การออกซิเดชันของไพรูเวตเป็นแอซิทิล-โคเอ
• โคเอนไซม์รีดิวซ์ NADH และ FADH2 ในฐานะตัวพาอิเล็กตรอน
• คาร์บอนไดออกไซด์ในฐานะผลิตภัณฑ์คาร์บอนที่ถูกออกซิไดซ์
• ผลผลิต ATP จากการหายใจเทียบกับการหมัก

Key theories

การเชื่อมโยงเคมิออสโมติกในการหายใจ

พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนไหลจากโคเอนไซม์รีดิวซ์ไปยังออกซิเจนไม่ได้ถูกเก็บรักษาโดยตรงในรูปของพันธะเคมี แต่เป็นในรูปของความชันของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้ม ซึ่ง ATP synthase จะนำไปใช้ในการสร้าง ATP; สิ่งนี้เชื่อมโยงปลายด้านที่ใช้ออกซิเจนของการหายใจเข้ากับการผลิต ATP ส่วนใหญ่ของเซลล์

Mechanisms

ในการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจน กลูโคสจะถูกแยกออกเป็นไพรูเวตโดยไกลโคไลซิสก่อน ภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจน ไพรูเวตจะถูกออกซิเดทีฟดีคาร์บอกซิเลชันเป็นแอซิทิล-โคเอ (acetyl-CoA) ซึ่งจะเข้าสู่วัฏจักรกรดซิตริก ทั้งไกลโคไลซิสและวัฏจักรจะรีดิวซ์โคเอนไซม์ NAD+ และ FAD และตัวพาเหล่านี้จะส่งอิเล็กตรอนไปยังสายใยการขนส่งอิเล็กตรอนในไมโทคอนเดรีย เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปยังออกซิเจน ซึ่งเป็นตัวรับตัวสุดท้ายที่ถูกรีดิวซ์เป็นน้ำ สายใยจะปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มชั้นใน แรงขับเคลื่อนโปรตอนที่เกิดขึ้นจะขับเคลื่อน ATP synthase เนื่องจากออกซิเจนสามารถรับอิเล็กตรอนที่ปลายสายใยได้ เชื้อเพลิงจึงสามารถถูกออกซิไดซ์ได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งช่วยเก็บรักษาพลังงานได้มากกว่าการออกซิเดชันบางส่วนของวิถีทางแบบไม่ใช้ออกซิเจนมาก

Clinical relevance

เนื้อเยื่อที่มีความต้องการพลังงานสูงขึ้นอยู่กับการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจนอย่างมาก และการหยุดชะงักของกระบวนการนี้ เช่น เมื่อการส่งออกซิเจนล้มเหลวในภาวะขาดเลือด (ischaemia) จะนำไปสู่ภาวะพลังงานล้มเหลวและความเสียหายของเซลล์อย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนแปลงการใช้เชื้อเพลิงจากการออกซิเดชันแบบใช้ออกซิเจนอย่างสมบูรณ์ยังเป็นลักษณะที่พบได้ในเนื้องอกหลายชนิด บทความนี้อธิบายชีวเคมีและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

แนวคิดที่ว่าการหายใจคือการออกซิเดชันของเชื้อเพลิงโดยออกซิเจนที่ถูกควบคุมได้ก่อร่างขึ้นตลอดศตวรรษที่สิบเก้าและยี่สิบ โดยงานของ Otto Warburg เกี่ยวกับเอนไซม์การหายใจและการใช้ออกซิเจนของเซลล์เป็นหนึ่งในผลงานที่เป็นรากฐาน จากนั้นวิถีทางภายในเซลล์ก็ได้รับการไขความกระจ่างผ่านการอธิบายไกลโคไลซิสและวัฏจักรกรดซิตริก และสมมติฐานเคมิออสโมติก (chemiosmotic hypothesis) ของ Mitchell ได้อธิบายว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เชื่อมโยงกับออกซิเจนถูกเปลี่ยนเป็น ATP ได้อย่างไร

Key figures

• Otto Warburg
• Hans Krebs
• Peter Mitchell
• Albert Lehninger

Seminal works

• warburg-1956
• mitchell-1961
• saraste-1999

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจนและการหมักคืออะไร?

การหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจนใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายและออกซิไดซ์เชื้อเพลิงอย่างสมบูรณ์เป็น CO2 และน้ำ โดยจับเก็บพลังงานได้มาก; การหมักจะสร้าง NAD+ ขึ้นใหม่โดยไม่ใช้ออกซิเจนและออกซิไดซ์เชื้อเพลิงเพียงบางส่วน ทำให้ได้ ATP น้อยกว่ามาก

เหตุใดเซลล์จึงต้องการออกซิเจนในการสร้าง ATP ส่วนใหญ่?

ออกซิเจนรับอิเล็กตรอนที่ปลายสายใยการขนส่งอิเล็กตรอน ทำให้การไหลของอิเล็กตรอนและการปั๊มโปรตอนดำเนินต่อไปได้; หากไม่มีออกซิเจน สายใยจะหยุดชะงักและออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน ซึ่งเป็นแหล่งของ ATP ส่วนใหญ่ จะไม่สามารถดำเนินต่อไปได้