บทบาทนำของพลังงานในวิถีการเผาผลาญขึ้นอยู่กับกระบวนการ ซึ่งมีสาระสำคัญคือออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น สารอาหารจะถูกออกซิไดซ์ ทำให้เกิดพลังงานที่ร่างกายเก็บสะสมไว้ในไมโตคอนเดรียของเซลล์ในรูปของเอทีพี สิ่งมีชีวิตบนบกทุกรูปแบบมีสารอาหารที่ชื่นชอบในตัวเอง แต่ ATP เป็นสารประกอบสากล และพลังงานที่สร้างจากปฏิกิริยาออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชันจะถูกเก็บไว้เพื่อใช้ในกระบวนการเผาผลาญอาหาร
แบคทีเรีย
เมื่อสามพันห้าร้อยล้านปีก่อน สิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกๆ ได้ปรากฏตัวขึ้นบนโลกของเรา ชีวิตเกิดขึ้นบนโลกเนื่องจากแบคทีเรียที่ปรากฏ - สิ่งมีชีวิตโปรคาริโอต (ไม่มีนิวเคลียส) ถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทตามหลักการของการหายใจและโภชนาการ โดยการหายใจ - เป็นแอโรบิกและไม่ใช้ออกซิเจน และโดยโภชนาการ - เป็นโปรคาริโอต heterotrophic และ autotrophic การเตือนความจำนี้แทบจะไม่ซ้ำซาก เนื่องจากไม่สามารถอธิบายออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชันได้หากไม่มีแนวคิดพื้นฐาน
ดังนั้น โปรคาริโอตที่สัมพันธ์กับออกซิเจน(การจำแนกทางสรีรวิทยา) แบ่งออกเป็นจุลินทรีย์แอโรบิกซึ่งไม่สนใจออกซิเจนอิสระและแอโรบิกซึ่งกิจกรรมที่สำคัญขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของมันทั้งหมด พวกเขาเป็นผู้ดำเนินการออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่นโดยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่อิ่มตัวด้วยออกซิเจนฟรี เป็นเส้นทางเมแทบอลิซึมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและให้พลังงานสูงเมื่อเปรียบเทียบกับการหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจน
ไมโตคอนเดรีย
แนวคิดพื้นฐานอีกอย่างหนึ่ง: ไมโตคอนเดรียคืออะไร? นี่คือแบตเตอรี่พลังงานของเซลล์ ไมโตคอนเดรียตั้งอยู่ในไซโตพลาสซึมและมีจำนวนมากอย่างไม่น่าเชื่อ - ในกล้ามเนื้อของบุคคลหรือในตับของเขาเช่นเซลล์มีไมโตคอนเดรียมากถึงหนึ่งและครึ่งพัน (ที่ที่มีการเผาผลาญอย่างเข้มข้นที่สุด) และเมื่อเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชันในเซลล์ นี่คือการทำงานของไมโตคอนเดรีย พวกมันยังเก็บและกระจายพลังงาน
ไมโตคอนเดรียไม่ได้ขึ้นอยู่กับการแบ่งเซลล์ด้วยซ้ำ พวกมันเคลื่อนที่ได้ดีมาก เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระในไซโตพลาสซึมเมื่อต้องการ พวกมันมี DNA ของตัวเอง ดังนั้นพวกมันจึงเกิดและตายไปเอง อย่างไรก็ตาม ชีวิตของเซลล์ขึ้นอยู่กับพวกมันทั้งหมด หากปราศจากไมโตคอนเดรีย มันก็ไม่ทำงาน นั่นคือชีวิตเป็นไปไม่ได้อย่างแท้จริง ไขมัน คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ถูกออกซิไดซ์ ส่งผลให้เกิดอะตอมของไฮโดรเจนและอิเล็กตรอน ซึ่งเทียบเท่ากันจะลดน้อยลง ซึ่งจะตามมาตามห่วงโซ่การหายใจต่อไป นี่คือลักษณะที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน กลไกของมันดูเรียบง่าย
ไม่ง่าย
พลังงานที่ผลิตโดยไมโตคอนเดรียจะถูกแปลงเป็นพลังงานอื่น ซึ่งเป็นพลังงานของการไล่ระดับเคมีไฟฟ้าสำหรับโปรตอนล้วนๆ ซึ่งอยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย เป็นพลังงานที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ ATP และนั่นคือสิ่งที่เป็นออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน ชีวเคมีเป็นวิทยาศาสตร์ที่ค่อนข้างใหม่ มีเพียงช่วงกลางศตวรรษที่สิบเก้าเท่านั้นที่มีแกรนูลยลที่พบในเซลล์ และกระบวนการในการได้รับพลังงานได้อธิบายไว้ในภายหลัง มีการสังเกตว่าไตรโอสก่อตัวขึ้นจากไกลโคไลซิส (และที่สำคัญที่สุดคือกรดไพรูวิก) ทำให้เกิดการออกซิเดชันเพิ่มเติมในไมโตคอนเดรียได้อย่างไร
Trioses ใช้พลังงานของการแตกตัว ซึ่ง CO2 ถูกปล่อยออกมา ออกซิเจนถูกใช้ไป และ ATP จำนวนมากถูกสังเคราะห์ขึ้น กระบวนการทั้งหมดข้างต้นมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับวัฏจักรออกซิเดชัน เช่นเดียวกับสายโซ่ทางเดินหายใจที่มีอิเล็กตรอน ดังนั้น ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่นจึงเกิดขึ้นในเซลล์ สังเคราะห์ "เชื้อเพลิง" สำหรับพวกมัน - โมเลกุล ATP
วงจรออกซิเดชันและห่วงโซ่การหายใจ
ในวัฏจักรออกซิเดชัน กรดไตรคาร์บอกซิลิกจะปล่อยอิเล็กตรอน ซึ่งเริ่มต้นการเดินทางไปตามห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน: อันดับแรกที่โมเลกุลโคเอ็นไซม์ ซึ่ง NAD เป็นหลัก (nicotinamide adenine dinucleotide) จากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยัง ETC (ห่วงโซ่การขนส่งทางไฟฟ้า)จนรวมตัวกับโมเลกุลออกซิเจนและเกิดเป็นโมเลกุลของน้ำ ฟอสโฟรีเลชั่นออกซิเดชันซึ่งเป็นกลไกที่อธิบายไว้ข้างต้นโดยสั้น ๆ ถูกถ่ายโอนไปยังอีกจุดหนึ่งของการออกฤทธิ์ นี่คือห่วงโซ่ทางเดินหายใจ - คอมเพล็กซ์โปรตีนที่สร้างขึ้นในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย
นี่คือจุดสุดยอดเกิดขึ้น - การเปลี่ยนแปลงของพลังงานผ่านลำดับของการเกิดออกซิเดชันและการลดลงขององค์ประกอบ สิ่งที่น่าสนใจในที่นี้คือ จุดสำคัญสามจุดในห่วงโซ่การขนส่งทางไฟฟ้าซึ่งเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน ชีวเคมีพิจารณากระบวนการนี้อย่างลึกซึ้งและรอบคอบ บางทีสักวันหนึ่งการรักษาความชราใหม่อาจเกิดขึ้นจากที่นี่ ดังนั้น ที่จุดสามจุดของสายโซ่นี้ ATP เกิดจากฟอสเฟตและ ADP (อะดีโนซีนไดฟอสเฟตเป็นนิวคลีโอไทด์ที่ประกอบด้วยไรโบส อะดีนีน และกรดฟอสฟอริกสองส่วน) นั่นคือเหตุผลที่กระบวนการได้รับชื่อ
การหายใจระดับเซลล์
เซลล์ (กล่าวอีกนัยหนึ่ง - เนื้อเยื่อ) การหายใจและออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชันเป็นขั้นตอนของกระบวนการเดียวกันที่นำมารวมกัน อากาศถูกใช้ในทุกเซลล์ของเนื้อเยื่อและอวัยวะ โดยที่ผลิตภัณฑ์ที่แตกแยก (ไขมัน คาร์โบไฮเดรต โปรตีน) จะถูกย่อยสลาย และปฏิกิริยานี้จะผลิตพลังงานที่สะสมอยู่ในรูปของสารประกอบมหภาค การหายใจในปอดปกติแตกต่างจากการหายใจของเนื้อเยื่อตรงที่ออกซิเจนเข้าสู่ร่างกายและกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากร่างกาย
ร่างกายจะตื่นตัวอยู่เสมอ ใช้พลังงานไปกับการเคลื่อนไหวและการเติบโต ในการสืบพันธุ์ด้วยตนเอง ความหงุดหงิด และในกระบวนการอื่นๆ อีกมากมาย มันเป็นสำหรับสิ่งนี้และphosphorylation ออกซิเดชันเกิดขึ้นในไมโตคอนเดรีย การหายใจระดับเซลล์สามารถแบ่งออกเป็นสามระดับ: การเกิดออกซิเดชันของ ATP จากกรดไพรูวิก เช่นเดียวกับกรดอะมิโนและกรดไขมัน สารตกค้างของอะซิติลถูกทำลายโดยกรดไตรคาร์บอกซิลิกหลังจากนั้นจะปล่อยโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์สองโมเลกุลและอะตอมไฮโดรเจนสี่คู่ อิเล็กตรอนและโปรตอนถูกถ่ายโอนไปยังโมเลกุลออกซิเจน
กลไกเพิ่มเติม
การหายใจในระดับเซลล์ช่วยให้เกิดการสร้างและการเติมเต็มของ ADP ในเซลล์โดยตรง แม้ว่าร่างกายจะสามารถเติมเต็มด้วยกรดอะดีโนซีน ไตรฟอสฟอริกได้อีกทางหนึ่ง ด้วยเหตุนี้จึงมีกลไกเพิ่มเติมและรวมไว้ด้วยหากจำเป็นแม้ว่าจะไม่ได้ผลก็ตาม
นี่คือระบบที่เกิดการสลายตัวของคาร์โบไฮเดรตโดยปราศจากออกซิเจน - ไกลโคเจโนไลซิสและไกลโคไลซิส นี่ไม่ใช่การเกิดออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่นอีกต่อไป ปฏิกิริยาจะแตกต่างกันบ้าง แต่การหายใจระดับเซลล์ไม่สามารถหยุดได้ เนื่องจากในกระบวนการนั้น โมเลกุลของสารประกอบที่สำคัญที่สุดจะก่อตัวขึ้นซึ่งจำเป็นมาก ซึ่งใช้สำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพที่หลากหลาย
รูปแบบพลังงาน
เมื่ออิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนในเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียซึ่งเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน ห่วงโซ่การหายใจจากสารเชิงซ้อนแต่ละชนิดจะควบคุมพลังงานที่ปล่อยออกมาเพื่อเคลื่อนโปรตอนผ่านเมมเบรน กล่าวคือ จากเมทริกซ์ไปยังช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์. จากนั้นจะเกิดความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น โปรตอนมีประจุบวกและอยู่ในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และในทางลบการกระทำที่มีประจุจากเมทริกซ์ยล
เมื่อถึงความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น คอมเพล็กซ์โปรตีนจะส่งโปรตอนกลับไปที่เมทริกซ์ เปลี่ยนพลังงานที่ได้รับให้กลายเป็นพลังงานที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง โดยที่กระบวนการออกซิเดชันร่วมกับการสังเคราะห์ - ฟอสโฟรีเลชั่น ADP ตลอดการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวและการสูบฉีดโปรตอนผ่านเมมเบรนของยล การสังเคราะห์ ATP ไม่หยุด นั่นคือ ปฏิกิริยาออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน
สองชนิด
ฟอสโฟรีเลชั่นและสารตั้งต้นมีความแตกต่างกันโดยพื้นฐาน ตามแนวคิดสมัยใหม่รูปแบบชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดสามารถใช้ปฏิกิริยาของฟอสโฟรีเลชั่นของสารตั้งต้นเท่านั้น สำหรับสิ่งนี้ สารประกอบอินทรีย์ที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อมภายนอกถูกใช้ผ่านสองช่องทาง - เป็นแหล่งพลังงานและเป็นแหล่งของคาร์บอน อย่างไรก็ตาม สารประกอบดังกล่าวในสิ่งแวดล้อมค่อยๆ แห้ง และสิ่งมีชีวิตที่ปรากฏขึ้นก็เริ่มปรับตัว มองหาแหล่งพลังงานใหม่และแหล่งคาร์บอนใหม่
ดังนั้นพวกเขาจึงเรียนรู้การใช้พลังงานของแสงและคาร์บอนไดออกไซด์ แต่จนกระทั่งสิ่งนี้เกิดขึ้น สิ่งมีชีวิตปล่อยพลังงานจากกระบวนการหมักแบบออกซิเดชันและเก็บไว้ในโมเลกุล ATP สิ่งนี้เรียกว่าฟอสโฟรีเลชั่นสารตั้งต้นเมื่อใช้วิธีการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ที่ละลายน้ำได้ ซับสเตรตที่หมักแล้วจะสร้างสารรีดิวซ์ที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังตัวรับภายในที่ต้องการ - อะซิโตน อะซีตัลไฮด ไพรูเวต และอื่นๆ ในทำนองเดียวกัน หรือ H2 - ก๊าซไฮโดรเจนถูกปล่อยออกมา
ลักษณะเปรียบเทียบ
เมื่อเทียบกับการหมัก ปฏิกิริยาออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่นให้พลังงานสูงกว่ามาก ไกลโคไลซิสให้ผลผลิตรวมของ ATP สองโมเลกุล และในระหว่างกระบวนการ มีการสังเคราะห์สามสิบถึงสามสิบหกตัว มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปยังสารประกอบตัวรับจากสารประกอบของผู้บริจาคผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชัน ก่อตัวเป็นพลังงานที่เก็บไว้เป็น ATP
ยูคาริโอตทำปฏิกิริยาเหล่านี้กับโปรตีนเชิงซ้อนที่อยู่ภายในเยื่อหุ้มเซลล์ไมโตคอนเดรีย และโปรคาริโอตทำงานภายนอก - ในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ นี่คือความซับซ้อนของโปรตีนที่เชื่อมโยงกันซึ่งประกอบขึ้นเป็น ETC (ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน) ยูคาริโอตมีโปรตีนเชิงซ้อนเพียงห้าชนิดในองค์ประกอบ ในขณะที่โปรคาริโอตมีจำนวนมาก และพวกมันทั้งหมดทำงานร่วมกับผู้บริจาคอิเล็กตรอนและตัวรับอิเล็กตรอนที่หลากหลาย
การเชื่อมต่อและการตัดการเชื่อมต่อ
กระบวนการออกซิเดชันทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าเคมี และด้วยกระบวนการของฟอสโฟรีเลชั่น ศักย์นี้จะถูกนำมาใช้ ซึ่งหมายความว่ามีการผันคำกริยามิฉะนั้น - การผูกมัดของกระบวนการฟอสโฟรีเลชั่นและออกซิเดชัน ดังนั้นชื่อออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น ศักย์ไฟฟ้าเคมีที่จำเป็นสำหรับการผันคำกริยาถูกสร้างขึ้นโดยคอมเพล็กซ์ทางเดินหายใจสามส่วน - ที่หนึ่ง, สามและสี่ซึ่งเรียกว่าจุดผันคำกริยา
หากเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรียเสียหายหรือมีการซึมผ่านเพิ่มขึ้นจากการทำงานของตัวถอดแยก สิ่งนี้จะทำให้ศักย์ไฟฟ้าเคมีหายไปหรือลดลงอย่างแน่นอน และถัดมาคือการคลายกระบวนการของฟอสโฟรีเลชั่นและออกซิเดชันนั่นคือการหยุดการสังเคราะห์เอทีพี มันคือปรากฏการณ์เมื่อศักย์ไฟฟ้าเคมีหายไปซึ่งเรียกว่าการคลายฟอสโฟรีเลชั่นและการหายใจ
ตัวแยก
สถานะที่การเกิดออกซิเดชันของซับสเตรตยังคงดำเนินต่อไปและฟอสโฟรีเลชันไม่เกิดขึ้น (นั่นคือ ATP ไม่ได้เกิดขึ้นจาก P และ ADP) เป็นการคลายตัวของฟอสโฟรีเลชั่นและออกซิเดชัน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อตัวถอดแยกชิ้นส่วนรบกวนกระบวนการ พวกเขาคืออะไรและสิ่งที่พวกเขามุ่งมั่นเพื่อผลลัพธ์คืออะไร? สมมุติว่าการสังเคราะห์ ATP ลดลงอย่างมาก กล่าวคือ สังเคราะห์ในปริมาณที่น้อยกว่า ในขณะที่ระบบทางเดินหายใจทำงาน เกิดอะไรขึ้นกับพลังงาน? มันเปล่งออกมาเหมือนความอบอุ่น ทุกคนรู้สึกแบบนี้เวลามีไข้
มีอุณหภูมิมั้ยคะ? ดังนั้นเบรกเกอร์จึงทำงาน ตัวอย่างเช่น ยาปฏิชีวนะ เหล่านี้เป็นกรดอ่อนที่ละลายในไขมัน แทรกซึมเข้าไปในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ พวกมันกระจายเข้าไปในเมทริกซ์ ลากโปรตอนที่ถูกผูกไว้กับพวกมัน การแยกตัวออก เช่น มีฮอร์โมนที่ต่อมไทรอยด์หลั่งออกมาซึ่งมีไอโอดีน (triiodothyronine และ thyroxine) หากต่อมไทรอยด์ทำงานมากเกินไป สภาพของผู้ป่วยจะแย่มาก พวกเขาขาดพลังงานของ ATP พวกเขากินอาหารเป็นจำนวนมาก เนื่องจากร่างกายต้องการสารตั้งต้นจำนวนมากสำหรับการเกิดออกซิเดชัน แต่พวกมันจะลดน้ำหนัก เนื่องจากส่วนหลักของ พลังงานที่ได้รับจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน
