ห่วงโซ่ทางเดินหายใจคืออะไร?

คำนิยาม

ห่วงโซ่การหายใจเป็นกระบวนการสร้างพลังงานในเซลล์ร่างกายของเรา เข้าร่วมวงจรกรดซิตริกและเป็นขั้นตอนสุดท้ายในการสลายน้ำตาลไขมันและโปรตีน ห่วงโซ่ทางเดินหายใจอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย ในห่วงโซ่ทางเดินหายใจค่าเทียบเท่าการลด (NADH + H + และ FADH2) ที่เกิดขึ้นในระหว่างนี้จะถูกออกซิไดซ์อีกครั้ง (ให้อิเล็กตรอนออก) ซึ่งสามารถสร้างการไล่ระดับโปรตอนได้ ท้ายที่สุดแล้วสิ่งนี้ถูกใช้เพื่อสร้าง ATP ของผู้ให้บริการพลังงานสากล (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต) จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนเพื่อให้ห่วงโซ่ทางเดินหายใจสามารถทำงานได้อย่างสมบูรณ์

ลำดับของห่วงโซ่การหายใจ

ห่วงโซ่ทางเดินหายใจถูกรวมเข้ากับเยื่อไมโทคอนเดรียด้านในและประกอบด้วยสารประกอบเชิงซ้อนของเอนไซม์ทั้งหมดห้าตัว ตามมาจากวัฏจักรกรดซิตริกซึ่งจะเกิดการรีดิวซ์เทียบเท่า NADH + H + และ FADH2 สิ่งที่เทียบเท่าการลดลงเหล่านี้จะเก็บพลังงานไว้ชั่วคราวและถูกออกซิไดซ์อีกครั้งในห่วงโซ่การหายใจ กระบวนการนี้เกิดขึ้นในสารประกอบเชิงซ้อนของเอนไซม์สองตัวแรกในห่วงโซ่ทางเดินหายใจ

คอมเพล็กซ์ 1: NADH + H + ถึงคอมเพล็กซ์แรก (NADH ubiquinone oxidoreductase) และปล่อยอิเล็กตรอนสองตัว ในเวลาเดียวกันโปรตอน 4 ตัวจะถูกสูบออกจากพื้นที่เมทริกซ์ไปยังช่องว่างระหว่างเมมเบรน

คอมเพล็กซ์ 2: FADH2 ปล่อยอิเล็กตรอนสองตัวที่เอนไซม์ตัวที่สองที่ซับซ้อน (succinate-ubiquinone-oxidoreductase) แต่ไม่มีโปรตอนเข้าไปในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์

คอมเพล็กซ์ 3: อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะถูกส่งต่อไปยังเอนไซม์คอมเพล็กซ์ที่สาม (ubiquinone cytochrome c oxidoreductase) โดยที่โปรตอนอีก 2 ตัวจะถูกสูบออกจากพื้นที่เมทริกซ์ไปยังช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์

คอมเพล็กซ์ 4: ในที่สุดอิเล็กตรอนจะไปที่คอมเพล็กซ์ที่สี่ (ไซโตโครมซีออกซิเดส) ที่นี่อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังออกซิเจน (O2) เพื่อให้มีโปรตอนเพิ่มอีกสองโปรตอนน้ำ (H2O) จึงถูกสร้างขึ้น ในกระบวนการนี้โปรตอน 2 ตัวจะเข้าสู่ช่องว่างระหว่างเมมเบรนอีกครั้ง

คอมเพล็กซ์ 5: ตอนนี้โปรตอนทั้งหมดแปดตัวถูกสูบจากพื้นที่เมทริกซ์เข้าไปในช่องว่างระหว่างเมมเบรน ข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนคือค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีที่เพิ่มขึ้นของเอนไซม์คอมเพล็กซ์ ซึ่งหมายความว่าความสามารถของเอนไซม์เชิงซ้อนในการดึงดูดอิเล็กตรอนเชิงลบนั้นแข็งแกร่งขึ้นเรื่อย ๆ
นอกจากผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายแล้วน้ำการไล่ระดับโปรตอนยังถูกสร้างขึ้นในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ผ่านห่วงโซ่ทางเดินหายใจ เก็บพลังงานที่ใช้ในการสร้าง ATP (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต) นี่คืองานของเอนไซม์คอมเพล็กซ์ลำดับที่ห้าและขั้นสุดท้าย (ATP synthase) คอมเพล็กซ์ที่ห้าครอบคลุมเยื่อไมโตคอนเดรียเหมือนอุโมงค์ ด้วยสิ่งนี้ขับเคลื่อนโดยความแตกต่างของความเข้มข้นโปรตอนจึงไหลกลับเข้าไปในปริภูมิเมทริกซ์ สิ่งนี้สร้าง ATP จาก ADP (adenosine diphosphate) และอนินทรีย์ฟอสเฟตซึ่งมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

ปั๊มโปรตอนทำอะไร?

ปั๊มโปรตอนเป็นเอนไซม์ที่ซับซ้อนตัวที่ 5 และสุดท้ายในห่วงโซ่ทางเดินหายใจ ด้วยวิธีนี้โปรตอนจะไหลย้อนกลับจากช่องว่างระหว่างเมมเบรนเข้าสู่สเปซเมทริกซ์ สิ่งนี้เกิดขึ้นได้โดยความแตกต่างของความเข้มข้นที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้ระหว่างช่องว่างของปฏิกิริยาทั้งสอง พลังงานที่เก็บไว้ในการไล่ระดับสีของโปรตอนจะใช้ในการสังเคราะห์ ATP (adenosine triphosphate) จากฟอสเฟตและ ADP ในที่สุด
ATP เป็นตัวส่งพลังงานสากลของร่างกายเราและจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาต่างๆ เนื่องจากมันถูกสร้างขึ้นที่ปั๊มโปรตอนจึงเรียกอีกอย่างว่า ATP synthase

ความสมดุลของห่วงโซ่การหายใจ

ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่เด็ดขาดของห่วงโซ่ทางเดินหายใจคือ ATP (อะดีนีนไตรฟอสเฟต) ซึ่งเป็นตัวพาพลังงานสากลในร่างกาย ATP ถูกสังเคราะห์ด้วยความช่วยเหลือของการไล่ระดับโปรตอนที่เกิดขึ้นระหว่างห่วงโซ่การหายใจ NADH + H + และ FADH2 มีประสิทธิภาพแตกต่างกัน NADH + H + ถูกออกซิไดซ์กลับไปที่ NAD + ในห่วงโซ่ทางเดินหายใจที่เอนไซม์ตัวแรกและปั๊มโปรตอนรวม 10 ตัวเข้าไปในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ เมื่อ FADH2 ถูกออกซิไดซ์ผลผลิตจะลดลงเนื่องจากมีเพียง 6 โปรตอนเท่านั้นที่ถูกขนส่งเข้าไปในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ เนื่องจาก FADH2 ถูกนำเข้าสู่ห่วงโซ่ทางเดินหายใจที่คอมเพล็กซ์ของเอนไซม์ที่สองจึงข้ามคอมเพล็กซ์แรกไป ในการสังเคราะห์ ATP โปรตอน 4 ตัวต้องไหลผ่านคอมเพล็กซ์ที่ห้า
ดังนั้นต่อ NADH + H + 2.5 ATP (10/4 = 2.5) และต่อ FADH2 1.5 ATP (6/4 = 1.5)
เมื่อโมเลกุลน้ำตาลถูกย่อยสลายผ่านทางไกลโคไลซิสวัฏจักรกรดซิตริกและห่วงโซ่ทางเดินหายใจจะสามารถสร้าง ATP ได้สูงสุด 32 ATP ซึ่งมีอยู่ในสิ่งมีชีวิต

ไมโตคอนเดรียมีบทบาทอย่างไร?

ไมโตคอนเดรียเป็นออร์แกเนลล์ของเซลล์ที่พบในสิ่งมีชีวิตของสัตว์และพืช กระบวนการพลังงานต่างๆเกิดขึ้นในไมโทคอนเดรียรวมถึงห่วงโซ่ทางเดินหายใจ เนื่องจากห่วงโซ่ทางเดินหายใจเป็นกระบวนการชี้ขาดในการสร้างพลังงานไมโทคอนเดรียจึงเรียกอีกอย่างว่า "โรงไฟฟ้าของเซลล์" พวกมันมีเมมเบรนสองชั้นดังนั้นจึงมีการสร้างช่องว่างปฏิกิริยาแยกกันทั้งหมดสองช่อง ด้านในเป็นช่องว่างเมทริกซ์และช่องว่างระหว่างเมมเบรนระหว่างเมมเบรนทั้งสอง ช่องว่างทั้งสองนี้เป็นพื้นฐานของการไหลของห่วงโซ่ทางเดินหายใจ ด้วยวิธีนี้เท่านั้นที่สามารถสร้างการไล่ระดับสีโปรตอนได้ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการสังเคราะห์ ATP

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อในบทความนี้: โครงสร้างของไมโทคอนเดรีย

ไซยาไนด์ทำอะไรในห่วงโซ่ทางเดินหายใจ?

ไซยาไนด์เป็นสารพิษอันตรายรวมทั้งสารประกอบของไฮโดรเจนไซยาไนด์ พวกเขาสามารถทำให้ห่วงโซ่ทางเดินหายใจหยุดนิ่งได้
โดยเฉพาะไซยาไนด์จะจับกับเหล็กของห่วงโซ่ทางเดินหายใจที่ซับซ้อนที่สี่ เป็นผลให้ไม่สามารถถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังโมเลกุลออกซิเจนได้อีกต่อไป ส่งผลให้ห่วงโซ่ทางเดินหายใจทั้งหมดไม่สามารถวิ่งได้อีกต่อไป
ผลที่ได้คือการขาดแหล่งพลังงาน ATP (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต) และสิ่งที่เรียกว่า "การหายใจไม่ออกภายใน" เกิดขึ้น อาการต่างๆเช่นอาเจียนหมดสติและตะคริวเกิดขึ้นเร็วมากหลังจากได้รับพิษจากไซยาไนด์และหากปล่อยทิ้งไว้โดยไม่ได้รับการรักษาจะทำให้เสียชีวิตได้อย่างรวดเร็ว

ข้อบกพร่องของห่วงโซ่ทางเดินหายใจคืออะไร?

ความบกพร่องของระบบทางเดินหายใจเป็นโรคเกี่ยวกับการเผาผลาญที่หาได้ยากซึ่งมักปรากฏในวัยเด็ก สาเหตุคือการเปลี่ยนแปลงข้อมูลทางพันธุกรรม (DNA) ไมโทคอนเดรียถูก จำกัด การทำงานและห่วงโซ่ทางเดินหายใจทำงานไม่ถูกต้อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอวัยวะที่ใช้พลังงานมากในรูปของ ATP (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต)
อาการทั่วไปคือปวดกล้ามเนื้อหรือกล้ามเนื้ออ่อนแรง
การบำบัดโรคนี้ทำได้ยากเนื่องจากเป็นโรคที่เกิดจากกรรมพันธุ์ ควรตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีพลังงานเพียงพอ (เช่นผ่านกลูโคส) มิฉะนั้นการรักษาตามอาการจะเหมาะสม