การสลายสารอาหารระดับเซลล์ (cellular respiration) หรือ การหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration) เป็นการผลิตพลังงานจากสารอาหารที่เซลล์ได้รับ พลังงานที่ได้จะสะสมอยู่ในรูปของพลังงานพันธะ เมื่อเซลล์ต้องการใช้พลังงาน ก็จะสลายพันธะเพื่อปลดปล่อยพลังงานออกมาใช้ในกิจกรรมต่างๆ ของเซลล์ เช่น การนำสารบางชนิดเข้าสู่เซลล์ การเคลื่อนที่ เป็นต้น

สารให้พลังงานในกระบวนการหายใจระดับเซลล์

สารอินทรีย์ที่สามารถสร้างพันธะเพื่อสะสมพลังงานได้มีหลายชนิด แต่สารอินทรีย์ที่สำคัญมากที่สุดที่ใช้ในการสะสมพลังงานในสิ่งมีชีวิต คือ ATP (adenosine triphosphate) ชื่อของสารอินทรีย์บอกให้เราทราบว่า สารนี้ประกอบด้วย เบสอะดีนีน (adenine) น้ำตาลไรโบส (ribose) และหมู่ฟอสเฟต 3 หมู่

การเปลี่ยน ATP เป็น ADP จะมีการสลายพันธะระหว่างหมู่ฟอสเฟต จะสูญเสียฟอสเฟตไป 1 หมู่ สารที่ได้รับฟอสเฟตก็จะมีพลังงานสูงขึ้น เรียกกระบวนการที่สารรวมกับกลุ่มฟอสเฟตว่า ฟอสโฟลิเลชัน (phosphorylation) การปลดปล่อยพลังงานที่สะสมอยู่ในพันธะออกมา

โดย ATP ถูกไฮโดรไลต์ไปเป็น ADP (adenosine diphosphate) และ ADP ถูกไฮโดรไลต์ไป เป็น AMP (adenosine monophosphate) จะได้พลังงานอิสระอย่างละ 7.3 Kcal/mol ในทางกลับกัน การสร้าง ADP จาก AMP และ ATP จาก ADP ต้องใช้พลังงาน 7.3 Kcal/mol เช่นกัน แต่ถ้า AMP ถูกเปลี่ยนไปเป็น adenosine จะได้พลังงานอิสระเพียง 3.4 Kcal/mol

เนื่องจาก ATP มีความสำคัญมากในการสร้างพลังงานภายในเซลล์ เซลล์จึงต้องสร้าง ATP ขึ้นมาใหม่ตลอดเวลา ถ้าเราให้ร่างกายของคนเราประกอบด้วยเซลล์ประมาณ 20-30 ล้านล้านเซลล์ แต่ละเซลล์จะต้องสลาย ATP ประมาณ 1-2 พันล้านโมเลกุลให้เป็น ADP ทุกๆ นาที หรือเทียบเท่ากับน้ำหนักถึงประมาณ 40 กิโลกรัมต่อวัน เพื่อให้เราสามารถดำรงชีวิตได้อย่างปกติสุข ดังนั้น เซลล์จะต้องสร้าง ATP ขึ้นมาใหม่ ADP ที่เป็นผลจากการสลาย ATP จึงจะสามารถสร้าง ATP ได้พอกับความต้องการ

นอกจากนี้ ยังมีสารอินทรีย์อีกพวกหนึ่งสามารถเก็บสะสมพลังงานจากสารอาหารในรูปของอิเล็กตรอน ซึ่งจะสามารถปล่อยพลังงานที่สะสมไว้ออกมา เมื่อมีการถ่ายเทอิเล็กตรอนไปยังตัวรับอิเล็กตรอนอื่นๆ พลังงานเหล่านี้จะถูกนำไปใช้สังเคราะห์ ATP เพื่อสะสมพลังงานไว้ใช้ต่อไป สารเหล่านี้ได้แก่ NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) และ FAD (flavin adenine dinucleotide) ในการรับอิเล็กตรอนของ NAD+ และ FAD นั้น มักมีการรับโปรตอน (H+) มาด้วย ทำให้โมเลกุลของสารทั้งสองตัวที่รับอิเล็กตรอนมาแล้วอยู่ในรูปของ NADH และ FADH2 ตามลำดับ

ปฏิกิริยาการหายใจระดับเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

มี 2 แบบ คือ

1. การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (aerobic respiration) เป็นการสลายสารอาหารได้อย่างสมบูรณ์ ประกอบด้วยขั้นตอน 4 ขั้นตอนคือ 

            - ไกลโคลิซิส (glycolysis) 
            - การสร้างอะซิทิลโคเอนไซม์ เอ (acetyl coenzyme A) 
            - วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) 
            - การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport system)

2. การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic respiration) เป็นการสลายสารโมเลกุลอาหารอย่างไม่สมบูรณ์ ประกอบด้วย 2 ขั้นตอน คือ ไกลโคลิซิส และการหมัก (fermentation) 

การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic respiration)

1. ไกลโคลิซิส (glycolysis) กระบวนการสลายกลูโคส 1 โมเลกุล ได้กรดไพรูวิก 2 โมเลกุล เกิดที่บริเวณไซโทซอล (cytosol) มีหลายขั้นตอน โดยในแต่ละขั้นตอนจะมีเอนไซม์ต่างๆ มาเร่งปฏิกิริยาสามารถแบ่งเป็น 3 ขั้นตอนใหญ่ๆ ได้ดังนี้

ขั้นตอนที่หนึ่ง เติมพลังงาน ATP 2 โมเลกุล ให้กับน้ำตาลกลูโคส เพื่อเปลี่ยนไปเป็น ฟรักโทสไดฟอสเฟส (fructose diphosphate) 

ขั้นตอนที่สอง เปลี่ยนฟรักโทสไดฟอสเฟสที่มี 6 คาร์บอน ให้เป็น น้ำตาลที่มีคาร์บอน 3 อะตอม หรือที่เรียกว่า ไตรโอสฟอสเฟต (triose phosphate) จำนวน 2 ตัว ในที่นี้ คือ ฟอสโฟกลีเซอรอลดีไฮด์ (phosphoglyceraldehyde) หรือ PGAL 

ขั้นตอนที่สาม เป็นการออกซิเดชันของไตรโอสฟอสเฟตให้เป็น กรดไพรูวิก และได้พลังงาน 4 ATP

สรุปผลการสลายกลูโคสในกระบวนการไกลโคลิซิส

        - ได้กรดไพรูวิก 2 โมเลกุล
        - ใช้พลังงานร่วมในกระบวนการ 2 ATP และได้พลังงานจากกระบวนการ 4 ATP
        - เกิดไฮโดรเจน 4 อะตอม

สามารถสรุปกระบวนการไกลโคลิซิสได้ดังนี้

C₆H₁₂O₆ + 2ADP + 2Pi + 2NAD⁺ ===> 2C₃H₄O₃ + 2NADH + H⁺

2. การสร้างอะซิทิลโคเอนไซม์ เอ (Acetyl Coenzyme A) ขั้นตอนนี้เกิดขึ้นบริเวณเมทริกซ์ (matrix) ซึ่งเป็นของเหลวในไมโทรคอนเดรีย โดยกรดไพรูวิกจะถูกเปลี่ยนเป็นกรดอะซิติก ซึ่งเป็นสารที่มีคาร์บอน 2 อะตอม (2C) ในการเปลี่ยนนี้ จะปล่อยคาร์บอนไดออกไซม์ (CO₂) และไฮโดรเจน (H) ออกมาด้วย จากนั้น กรดอะซิติกจะรวมตัวกับโคเอนไซม์ เอ ซึ่งมีอยู่แล้วในเซลล์ เปลี่ยนเป็นอะซิทิลโคเอนไซม์ เอ เรียกย่อๆ ว่า “อะซีทิลโคเอ” ในขั้นนี้จะมีคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้น 2 โมเลกุล และไฮโดรเจน 4 อะตอม

3. วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) อาจเรียกว่า วัฏจักรของกรดซิตริก (citric acid cycle) หรือ วัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิก (tricarboxylic acid cycle) การสลายสารแอซิติลโคเอนไซม์ เอ ให้ได้เป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซค์ และเก็บพลังงานไว้ในรูปของ NADH FADH และ ATP เกิดขึ้นบริเวณเมทริกซ์ ซึ่งเป็นของเหลวในไมโทรคอนเดรีย มีขั้นตอนโดยละเอียด ดังนี้

ขั้นตอนที่ 1 คาร์บอน 2 อะตอมของแอซีทิลโค เอ เข้ามาในวัฏจักรโดยเกิดการรวมของ หมู่แอซีทิล กับ ออกชาโลอะซีเทต โดยใช้เอนไซม์ชิเทรดชินเทสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ได้ผลผลิตเป็น ซิเทรต และ CoA

ขั้นตอนที่ 2 ขั้นแรกเป็นปฏิกิริยาเอาน้ำออกจากซิเทรต 1 โมเลกุล ได้เป็นซิสอะโคนิเทตก่อน จากนั้น ซิสอะโคนิเทตจึงรวมตัวกับน้ำ 1 โมเลกุล เกิดเป็นไอโซซิเทรต

ขั้นตอนที่ 3 ไอโซซิเทรตจะถูกออกซิไดซ์เป็น แอลฟา-คีโตกลูตาเรต และให้ CO₂ โดยใช้เอนไซม์ไอโซซิเทรต ดีไฮโดรจีเนส เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และมี NAD+ มารับกลายเป็น NADH

ขั้นตอนที่ 4 แอลฟา-คีโตกลูตาเรต ถูกออกซิไดซ์ปล่อยหมู่ CO₂ ออกมา และโคเอนไซม์ เอ เข้าไปแทนตำแหน่ง CO₂ ได้เป็นซักซีนิล โคเอ โดยมีเอนไซม์แอลฟา-คีโตกลูตาเรด ดีไฮโดรจีเนส เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ขั้นตอนนี้มี NAD+ มารับกลายเป็น NADH 

ขั้นตอนที่ 5 หมู่ CoA ของซักซีนิลโคเอจะถูกแทนที่โดยหมู่ฟอสเฟต และเปลี่ยนเป็นซักซิเนตโดยมี เอนไซม์ ซักซีนิล โคเอ ซินเทส มาเร่งปฏิกิริยา

ขั้นตอนที่ 6 เอนไซม์ซักซีเนต ดีไฮโดรจีเนส จะทำปฏิกิริยากับซักซิเนต เปลี่ยนไปเป็น ฟูมาเรต ปฏิกิริยานี้จะสูญเสียไฮโดรเจนแก่ FAD เกิดเป็น FADH₂ 

ขั้นตอนที่ 7 มีการเติมน้ำ 1 โมเลกุลแก่ฟูมาเรต เปลี่ยนเป็นมาเลต โดยมีเอนไซม์ฟูมาเรสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา 

ขั้นตอนที่ 8 มาเลตจะถูกออกซิไดซ์ให้เป็น ออกซาโลแอซีเทต ซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่จะไปรวมกับแอซีติล โคเอ ตัวใหม่ เพื่อเข้ารอบใหม่ของวัฏจักรเครบส์ต่อไป และมีการออกซิเดชันและมีการออกซิเดชัน NAD+ จะถูกรีดิวซ์ให้เป็น NADH ปฏิกิริยานี้จะมีเอนไซม์มาเลต ดีไฮโดรจีเนส มาช่วยเร่งปฏิกิริยา

4. กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport system) เกิดขึ้นในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย (cristae) เป็นกระบวนการที่เกิดต่อเนื่องจากวัฏจักรเครบส์ แหล่งของอิเล็กตรอนคือ NADH และ FADH₂ ซึ่งเมื่อถูกออกซิไดซ์ อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะถูกส่งต่อเป็นทอดๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอนหลายตัว ไปจนถึงปลายสุดของระบบอิเล็กตรอน จะไปรีดิวซ์ O₂ ให้เป็น H₂O

กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนในการหายใจ (respiration) นี้ คล้ายกับที่เกิดขึ้นในระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช ในขั้นตอนของปฏิกิริยาที่ใช้แสง ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นช่วงๆ จะ เกิดพลังงานอิสระซึ่งจะนำไปใช้ในการสร้าง ATP ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า ออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน (oxidative phosphorylation)

การสร้าง ATP ในกระบวนการนี้ ไม่ใช่การสร้าง ATP โดยตรงแบบ substrate-level phosphorylation (ย้ายหมู่ฟอสเฟตของซับสเตรต ซึ่งเป็นสารพลังงานสูงให้ ADP) เหมือนที่สร้างจากวิถีไกลโคลิซีส และวัฏจักรเครบส์ แต่จะเป็นการสร้างแบบที่ต้องมีการเชื่อมโยงกับการออกซิเดชันในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน ซึ่งทำให้เกิดการปั๊มของโปรตอน ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย

ซึ่งการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นเป็นทอดๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นกลุ่มของโปรตีน (ซึ่งหลายตัวเป็นเอนไซม์) และมีโคเอนไซม์ และโคแฟคเตอร์ หลายตัวรวมอยู่ด้วยกัน กลุ่มโปรตีนเหล่านี้ได้แก่ complex I, II, III และ IV ลำดับของการถ่ายทอดอิเล็กตรอน นอกจากกลุ่มโปรตีน 4 กลุ่มนี้ยังมี โคเอนไซม์ Q และไซโตโครม c (cytochrome c) ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้ เพื่อช่วยในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนระหว่างกลุ่มโปรตีนดังกล่าว

กลไกการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบ่งออกเป็น 4 ช่วง คือ

1. NADH ส่งอิเล็กตรอนให้ complex I 
2. FADH₂ การถ่ายทอดอิเล็กตรอนให้complex II 
3. อิเล็กตรอนถูกถ่ายทอดจากโคเอนไซม์ Q ผ่าน complex III ไปยังไซโทโครม c 
4. อิเล็กตรอนถูกส่งจากไซโทโครม c ไปยัง O₂ ผ่าน complex IV

ในขั้นตอนสุดท้ายของการถ่ายทอดอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนที่หลุดเป็นอิสระจะรวมกับออกซิเจน  จากลมหายใจเข้าและรวมกับโปรตอน ทำให้เกิดน้ำ ดังสมการ

H⁺ + 1/2 O 2e- => H₂O

ลักษณะและผลลัพธ์สำคัญของการถ่ายทอดอิเล็กตรอน มีดังนี้

1. เป็นกระบวนการเปลี่ยน NADH + H+ และ FADH₂ ให้ได้พลังงานในรูป ATP 

2. เกิดขึ้นเมื่อมี O₂ อิสระ โดย O₂ จะเป็นตัวรับโปรตอนและอิเล็กตรอนเกิดเป็นน้ำ ทั้งสิ้น 12 โมเลกุล ต่อ 1 โมเลกุลของกลูโคส

3. เป็นกระบวนการที่ให้พลังงานในรูป ATP แก่สิ่งมีชีวิตมากที่สุดถึง 34 ATP/ 1 โมเลกุลของกลูโคส สำหรับในไต ตับ และหัวใจ หรือได้ 32 ATP/ 1 โมเลกุลของกลูโคส สำหรับกล้ามเนื้อลาย และสมอง

4. NADH + H+ เมื่อผ่านกระบวนการนี้ จะได้พลังงาน 3 ATP และ FADH2 เมื่อผ่านกระบวนการนี้ จะได้ พลังงาน 2 ATP

ตารางสรุปการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจน ต่อกลูโคส 1 โมเลกุล

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic respiration)

1. ไกลโคลิซิส (glycolysis) กระบวนการสลายกลูโคส 1 โมเลกุล ได้กรดไพรูเวท 2 โมเลกุล เกิดที่บริเวณไซโทซอล มีหลายขั้นตอน เช่นเดียวกับการสลายอาหารแบบใช้ออกซิเจน

2. การหมัก (fermentation) ในกรณีที่มีออกซิเจนในเซลล์เพียงพอ ไพรูเวทจะเปลี่ยนไปเป็น อะซีทิล โคเอ แล้วเข้าสู่วัฏจักรเครบส์ และกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน ตามขั้นตอนของกระบวนการหายใจ เพื่อให้ได้ ATP ซึ่งส่วนใหญ่จะถูกสร้างขึ้นโดยวิธีออกซิเดทีฟฟอสโฟริเลชัน

หากในเซลล์ไม่มีออกซิเจน ATP ที่ได้จะมาจากกระบวนการซับสเตรตฟอสโฟริเลชัน ขณะที่กลูโคสเปลี่ยนไปเป็นไพรูเวท จากนั้นผลผลิตสุดท้ายของไกลโคลิซิสคือ ไพรูเวท จะถูกนำไปใช้ต่อในกระบวนการหมัก

แต่เนื่องจากว่าเซลล์ต้องการ NAD+ กลับมาหมุนเวียนใช้ใหม่ในกระบวนการไกลโคลิซีส ในกระบวนการหมักจะมีการโยกย้ายอิเล็กตรอนจาก NADH ไปยังไพรูเวท หรืออนุพันธ์ของไพรูเวทที่ชื่อ อะซีทอลดีไฮด์ ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน เพื่อจะออกซิไดส์ NADH กลับไปเป็น NAD+ ซึ่งสามารถนำกลับไปใช้ใหม่

ผลผลิตสุดท้ายซึ่งถือว่าเป็นของเสียจากกระบวนการหมัก อาจเป็นแอลกอฮอล์ หรือกรดแลกติก เช่น ในยีสต์และพืช หากไม่มีออกซิเจน กรดไพรูวิกจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนได้เป็นเอทิลแอลกอฮอล์ และคาร์บอนไดออกไซด์

การสลายไขมัน

กรดไขมัน และกลีเซอรอล เมื่อลำเลียงเข้าสู่เซลล์จะเป็นสารตั้งต้นในกระบวนการสลายสารอาหาร โดยกลีเซอรอลเข้าสู่กระบวนการในช่วงไกลโคไลซิส ส่วนกรดไขมันจะมีกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางเคมี โดยการตัดสายไฮโดรคาร์บอนออกทีละ 2 คาร์บอนอะตอม สร้างเป็นแอซีติลโคเอนไซม์ เอ เข้าสู่วัฏจักรเครปส์ต่อไป

การสลายโปรตีน

กรดอะมิโนถูกเปลี่ยนแปลงได้หลายแนวทางตามชนิดของกรดอะมิโน บางชนิดเปลี่ยนเป็นกรดไพรูวิก บางชนิดเปลี่ยนเป็นแอซีติลโคเอนไซม์ เอ หรือบางชนิดเปลี่ยนไปเป็นสารตัวใดตัวหนึ่งในวัฏจักรเครบส์ โดยต้องมีการตัดหมู่อะมิโน (-NH2) ออกจากโมเลกุลของกรดอะมิโน หรือย้ายหมู่อะมิโนไปอยู่กับโมเลกุลของสารประกอบตัวอื่นก่อนทุกครั้ง โดยหมู่อะมิโนที่หลุดออกจะเปลี่ยนเป็นแอมโมเนีย ซึ่งร่างกายจะมีกระบวนการเปลี่ยนไปเป็นยูเรียหรือกรดยูริค และกำจัดอออกนอกร่างกายโดยระบบขับถ่ายต่อไป

พลังงานที่ได้จากการสลายโมเลกุลของกลูโคส กรดไขมัน และกรดอะมิโน จะถูกนำไปใช้ในกระบวนการต่างๆของเซลล์ เช่น การหดตัวของเซลล์กล้ามเนื้อ การขนส่งสารแบบแอกทิฟ (active transport) การสร้างสารโมเลกุลใหญ่จากสารโมเลกุลเล็ก การสังเคราะห์โปรตีน (protein synthesis) ดังนั้น เซลล์ที่ใช้พลังงานมาก จึงต้องมีไทโทคอนเดรียมากด้วย

พัดชา วิจิตรวงศ์