กลับไปสู่หน้าหลัก เกี่ยวกับผู้สอน แบบเรียน แบบทดสอบแต่ละบท ถาม-ตอบข้อข้องใจ อย่าลืมเข้ามาชมได้นะครับ

 

 

 

 

 

บทที่ 5

การหายใจ

 

Respiratory Quotient

การเกิดน้ำตาลที่มีคาร์บอน 6 อะตอมจากคาร์โบไฮเดรต

ไกลโคไลสิซ และการหมัก

วงจรเครบส์ (Krebs Cycle)

Electron Transport และ Oxidative Phosphorylation

Pentose Phosphate Pathway

ปัจจัยที่ควบคุมการหายใจ

 

                        ในเซลล์ที่มีชีวิตนั้น  จะมีการหายใจตลอดเวลาโดยการใช้ออกซิเจนแล้วปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาในปริมาตรเท่า ๆ  กัน        แต่อย่างไรก็ตามการหายใจไม่ใช่เป็นเพียงการแลกเปลี่ยนก๊าซเท่านั้น  กระบวนการทั้งหมดเป็นกระบวนการออกซิเดชั่น-รีดักชั่น  ซึ่งอาหารจะถูกออกซิไดซ์ไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์  ส่วนออกซิเจนที่เซลล์ได้รับจะถูกรีดิวซ์ไปเป็นน้ำ อาหารที่เป็นสารเริ่มต้นของกระบวนการหายใจได้แก่  แป้ง     ฟรุคโตแซน (Fructosan)  ซูโครส  น้ำตาลชนิดอื่น ๆ ไขมัน  กรดอินทรีย์  และในบางกรณีโปรตีนก็สามารถเป็นสารเริ่มต้นได้

                       

                        พลังงานที่ได้ออกมาจำนวนมากจะหายไปในรูปของความร้อน ซึ่งถ้าอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมต่ำ  พลังงานความร้อนนี้จะกระตุ้นกระบวนการเมตาบอลิสม์   และอาจจะกระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชบางชนิดได้   แต่โดยปกติแล้วพลังงานความ ร้อนส่วนนี้มักจะสูญเสียไปสู่สภาพแวดล้อม    พลังงานที่สำคัญที่เกิดจากการหายใจที่สำคัญอยู่ในรูปของสารประกอบที่ให้พลังงานสูงคือ ATP และ NADH

                        สมการอย่างง่ายของกระบวนการหายใจนั้น         ไม่ใช่ปฏิกิริยาที่เกิดจริง ๆ  เพราะกระบวนการหายใจจริง ๆ   เกิดอย่างซับซ้อนกว่าสมการข้างต้นมาก   และมีเอนไซม์เข้ามาเกี่ยวข้องหลายชนิด

 

Respiratory Quotient (R.Q.)

                                Respiratory Quotient  เป็นค่าอัตราส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการหายใจต่อปริมาณของออกซิเจนที่ใช้ เมื่อมีการใช้สารเริ่มต้น ค่า  R.Q. จะผันแปรไป ตามชนิดของสารเริ่มต้นที่ใช้ในการหายใจ  เช่น  การใช้คาร์โบไฮเดรตเป็นสารเริ่มต้น ค่า R.Q.จะ   เท่ากับ เพราะปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาจะเท่ากับปริมาณของออกซิเจนที่ใช้ไป  ค่า R.Q. ของเมล็ดที่มีน้ำมันหรือไขมันมาก  และหายใจโดยใช้ไขมันเป็นสารเริ่มต้น จะมีค่า R.Q. ต่ำกว่า 1

                        ในการหายใจที่ใช้กรดอินทรีย์เป็นสารเริ่มต้น ค่า R.Q. จะมากกว่า 1

 

การเกิดน้ำตาลที่มีคาร์บอน 6 อะตอม จากคาร์โบไฮเดรต

                        การสลายตัวของแป้ง พืชจะสะสมแป้งไว้ในพลาสติดของเซลล์ในรูปที่ไม่ละลายน้ำเป็นเม็ดแป้งซึ่งประกอบด้วยอะไมโลส (Amylose) และอะไมโลเพคติน (Amylopectin) แป้งที่สะสมในอะไมโลพลาสต์ก็สามารถใช้เป็นสารเริ่มต้นในการหายใจได้เช่นกัน  เช่น แป้งในหัวมันฝรั่งจะถูกใช้ไปในการหายใจเพื่อสร้างยอดที่งอกออกมาใหม่    รวมทั้งแป้งที่สะสมในส่วนเอนโดสเปิร์มของเมล็ดก็จะถูกใช้ไปในการเจริญของต้นอ่อนเช่นกัน            ซึ่งหลังจากที่มีการเจริญเติบโตของต้นอ่อนแล้วเอนโดสเปิร์มจะหายไปด้วย

                        ส่วนใหญ่ของขั้นตอนในการสลายแป้งให้เป็นกลูโคส สามารถคะตะไลท์โดยเอนไซม์ 3 ชนิด และต้องการเอนไซม์ชนิดอื่น ๆ เพื่อใช้ในกระบวนการเสร็จสมบูรณ์ เอนไซม์ 3  ชนิดแรกที่ใช้คือ แอลฟา อะไมเลส (a-amylase) เบตา อะไมเลส (b-amylase) และ Starch  Phosphorylase แอลฟา อะไมเลสเป็นเอนไซม์ที่สามารถเข้าสลายเม็ดแป้งได้ แล้วจากนั้น เบตา อะไมเลสและ Starch Phosphorylase  จึงเข้าสลายผลิตภัณฑ์ที่ได้จากแอลฟาอะไมเลส แอลฟาอะไมเลสจะสลายแป้งที่มี แขน 1, 4 ของอะไมโลส และอะไมโลเพคติน ซึ่งผลิตภัณฑ์ที่ได้จะยังคงมีโมเลกุลใหญ่และซับซ้อนและต่อมาจะเกิดสลายเป็นโมเลกุลที่มีกลูโคสประกอบอยู่ 10 โมเลกุลเรียกว่าเดกซ์ตริน (Dextrin) และกลายเป็นแอลฟา มอลโตส ไปในที่สุด (a-maltose) ซึ่งมอลโตสประกอบด้วยกลูโคส 2 โมเลกุล ซึ่งในที่สุดจะได้เป็นกลูโคส เอนไซม์แอลฟา อะไมเลสนั้น  ไม่สามารถเข้าทำลายแขน 1, 6 ซึ่งเป็นแขนที่แยกสาขาของอะไมโลเพคติน       ส่วนเบตา  อะไมเลสจะสลายแป้งให้กลายเป็น เบตา มอลโตส      (b-maltose) โดยเริ่มสลายจากปลายข้างใดข้างหนึ่งของลูกโซ่ของโมเลกุล เบตา มอลโตส จะเกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็น  แอลฟา มอลโตส   โดยกระบวนการ Mutarotation ทำให้เกิดส่วนผสมของแอลฟาและเบตา มอลโตส อยู่รวมกัน กิจกรรมของเอนไซม์อะไมเลสทั้ง 2 ชนิด จะเกี่ยวข้องกับโมเลกุลของน้ำจึงเรียกว่า ไฮโดรไลติค เอนไซม์ (Hydrolytic Enzymes) ซึ่งเป็นการเกิดปฏิกิริยาชนิดไม่ผันกลับ อะไมเลสมีอยู่ทั่วไปในเนื้อเยื่อ  แต่จะมีอยู่มากในเมล็ดที่มีแป้งสูงและกำลังงอก  ในใบพืช แอลฟา อะไมเลส จะมีความสำคัญกว่า เบตา อะไมเลส ในการสลายแป้ง

เอนไซม์  Starch Phosphorylase เป็นเอนไซม์ ฟอสโฟโรไลติค (Phosphorolytic Enzymes) เพราะเกี่ยวข้องกับกลุ่มฟอสเฟต 4 เอนไซม์ทั้ง  3  ชนิดพบมากในเซลล์พืช  และตัดสินยากว่า  เอนไซม์ชนิดใด      สลายแป้ง แต่เป็นที่เข้าใจว่าแอลฟา อะไมเลสจะเป็นเอนไซม์ที่เริ่มต้นเข้าทำลายโมเลกุลของแป้ง  ในเมล็ดของธัญพืชอะไมเลสทั้ง 2  ชนิดจะมีกิจกรรมสูงโดยที่ไม่มีกิจกรรมของ Phosphorylase ส่วนเมล็ดของพืชตระกูลอื่นๆ เอนไซม์ทั้ง 3 ชนิดจะเกี่ยวข้อง

                        การแตกสาขาของโมเลกุลแป้ง ทำให้เกิดอะไมโลเพคตินนั้น แยกออกไปด้วยแขน 1, 6 ซึ่งเอนไซม์ทั้ง 3 ชนิดดังกล่าวเข้าทำลายแขนชนิดนี้ไม่ได้  แขนดังกล่าวจะถูกทำลายด้วยเอนไซม์ Debranching  Enzyme  หรือ R enzyme  และ  เด็กซ์ตริเนส (Dextrinases)

                        มอลโตสที่ได้ออกมานั้น   จะถูกเปลี่ยนเป็น  กลูโคสโดยเอนไซม์   แอลฟา อะไมเลส ไฮโดรไลซ์อย่างช้าๆ เกิดเป็นกลูโคส หรือโดยเอนไซม์  มอลเตส (Maltase) ซึ่งจะสลายมอลโตสเป็นกลูโคสอย่างรวดเร็ว

                       อุณหภูมิมีผลกระทบต่ออัตราส่วนของน้ำตาลต่อแป้งในเนื้อเยื่อแต่ละชนิด ในหัวมันฝรั่ง การเก็บรักษาที่อุณหภูมิที่ใกล้จุดเยือกแข็ง จะก่อให้เกิดการสะสม กลูโคส    ฟรุคโตส และซูโครส และสูญเสียแป้งไปประมาณ 1-5 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นในการเก็บรักษาหัวมันฝรั่งในที่อุณหภูมิดังกล่าวจึงทำให้เกิดรสหวาน  เมื่อนำหัวมันฝรั่งดังกล่าวมาเก็บรักษาที่  10 องศาเซลเซียส น้ำตาลจะเปลี่ยนกลับมาเป็นแป้งอีก ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิดังกล่าวมีผลกระทบต่อการผลิตมันฝรั่งทอดกรอบ  (Potato chip) มาก  เพราะน้ำตาลจะทำให้สีของมันฝรั่งทอดกรอบคล้ำไม่เป็นที่นิยม   ผลจากอุณหภูมิในทำนองเดียวกันยังพบในหัวของทิวลิป ลูกโอ๊ค ต้นเมเปิล และมันเทศ แต่ในผลกล้วยจะเกิดผลในทางตรงกันข้าม คือ น้ำตาลจะเปลี่ยนเป็นแป้งในอุณหภูมิต่ำ

 

ไกลโคไลสิซ และการหมัก (Glycolysis และ Fermentation)

                        ไกลโคไลสิซเป็นกลุ่มของปฏิกิริยาซึ่งกลูโคส หรือกลูโคส -1-ฟอสเฟต  หรือ ฟรุคโตส จะถูกเปลี่ยนไปตามลำดับของปฏิกิริยาและได้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายเป็นกรดไพรูวิค เป็นกระบวนการที่เกิดในไซโตพลาสต์ (Cytoplasm)      กระบวนการไกลโคไลสิซจะติดตามต่อไปด้วยกระบวนการวงจรเครบส์ (Krebs Cycle) กระบวนการไกลโคไลสิซพบในปี ค..1912-1935 โดย  นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Embden, Meyerhof และ Parnas       กระบวนการไกลโคไลสิซ เป็นกระบวนการที่ต้องใช้เอนไซม์หลายชนิด รวมทั้งโคเอนไซม์ต่าง ๆ กระบวนการนี้ไม่เกี่ยวข้องกับการใช้ออกซิเจน และสามารถเกิดได้ในสภาพที่ขาดออกซิเจน กระบวนการนี้เป็นกระบวนการหลักของการใช้แป้งเป็นกระบวนการที่น้ำตาลที่มีคาร์บอน 6 อะตอม    สลายตัวเป็นกรดไพรูวิค 2 โมเลกุล

                        เมื่อสรุปจำนวนของ   ATP          ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการไกลโคไลซิสจะได้ดังนี้ กระบวนการนี้ให้กรดไพรูวิค  2 โมเลกุล NADH 2 โมเลกุลและ ATP 4 โมเลกุล  ซึ่งเกิดจาก Substrate-level ไม่ได้เกิดจากการไหลของอีเลคตรอน  NADH  ภายใต้สภาพหายใจที่มีออกซิเจนตามปกติจะถูกออกซิไดซ์ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรียโดยเอนไซม์ NADH dehydrogenase ได้ ATP 2 โมเลกุล ต่อ NADH 1 โมเลกุล  ดังนั้นกระบวนการไกลโคไลซิสจึงให้ ATP ออกมาทั้งหมด 8 ATP แต่ในการเกิดกระบวนการไกลโคไลซิสนี้ต้องใช้ ATP ไป 2 โมเลกุล  ดังนั้น ATP ที่ได้จริง ๆ จึงมี 6 โมเลกุล  หรือถ้าเป็นกรณีที่ใช้ กลูโคส-1-ฟอสเฟตหรือกลูโคส-6-ฟอสเฟต  แทนน้ำตาลกลูโคสจะได้   ATP จริง ๆ    7 โมเลกุล

 

                        หน้าที่ของกระบวนการไกลโคไลสิซ

                        1. สร้างโมเลกุลของสารประกอบหลายชนิด   ซึ่งสามารถออกไปจากกระบวนการเพื่อใช้สังเคราะห์ส่วนประกอบอื่นๆ ของพืช

                        2. สร้าง ATP ซึ่งถึงแม้ว่าเริ่มต้นกระบวนการต้องใช้ ATP 2 โมเลกุล แต่ใน ระหว่างกระบวนการในช่วงที่เอนไซม์ Phosphoglycerokinase และ Pyruvate kinase เป็นคะตะไลต์ จะให้ ATP ออกมา 4 โมเลกุล ดังนั้น ATP ที่ได้สุทธิคือ 2 โมเลกุล   ถ้าหากเริ่มต้นกระบวนการใช้กลูโคส-1-ฟอสเฟต หรือ กลูโคส-6-ฟอสเฟต หรือ  ฟรุคโตส-6-ฟอสเฟต     เป็นสารเริ่มต้น จะให้ ATP สุทธิเป็น 3 โมเลกุล                   ในเซลล์ที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ 3 Phophoglyceric acid หรือ  PGA และ 3 Phosphoglyceraldehyde ซึ่งเกิดขึ้นใน Calvin Cycle สามารถเป็นสารเริ่มต้นของกระบวน     การหายใจได้  โดยเคลื่อนย้ายออกจากคลอโรพลาสต์มาสู่ไซโตพลาสต์         

                        3. สร้าง NADH ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นมาโดยการรีดิวซ์ NAD+  ในระหว่างการออกซิไดซ์ 3-phosphoglyceraldehyde เป็น  1,3-diphosphoglyceric  acid ซึ่งเป็นปฏิกิริยาซึ่งกลับกันกับปฏิกิริยาในการสังเคราะห์แสง    NADH ที่เกิดในกระบวนการไกลโคไลสิซ มี 2 โมเลกุล ด้วยกัน ซึ่งต่อมา NADH จะเข้าไปสู่ไมโตคอนเดรียเข้าสู่กระบวนการไหลของอีเลคตรอน ซึ่งจะกล่าวต่อไป แล้วได้ ATP ออกมา 2 โมเลกุล  ดังนั้นในกระบวนการไหลของอีเลคตรอน จะทำให้เกิด ATP จาก NADH สุทธิ 4  โมเลกุลด้วยกัน ซึ่งกระบวนการไหลของอีเลคตรอนต้องมีออกซิเจน

                        ถ้าหากเซลล์ขาดออกซิเจน   NADH  จะไม่ถูกออกซิไดซ์โดยการไหลของอีเลคตรอน  ดังนั้นในเซลล์ที่ขาดออกซิเจนจะมี NAD+ อยู่น้อย แต่มี NADH มาก  และกรดไพรูวิคจะถูกรีดิวซ์ไปเป็น เอทธิลอัลกอฮอล์ (Ethanol) และ CO2 หรือกรดแลคติค (Lactic Acid) การเกิดเอทธิลอัลกอฮอล์นั้นจะต้องสูญเสีย CO2 (decarboxylated) จากกรดไพรูวิคแล้วถูกรีดิวซ์ต่อไปเป็น   อะซีตัลดีไฮด์ โดย  NADH   และโดยเอนไซม์ Pyruvate  decarboxylase  แล้วจึงถูกเอนไซม์ Alcohol dehydrogenase  เข้าเร่งปฏิกิริยาเกิดเป็นเอทธานอลต่อไป     เมื่อเซลล์ของยีสต์เจริญเติบโตภายใต้สภาพขาดออกซิเจน จะมีการพัฒนาของไมโตคอนเดรียน้อยมาก แต่ในโคลีออพไทด์ (Coleoptile) ของข้าวที่ปลูกในสภาพขาดออกซิเจนมีไมโตคอนเดรียที่พัฒนาตามปกติ  ถ้าให้น้ำตาลกับเซลล์ของยีสต์ในสภาพขาดออกซิเจน     ยีสต์จะเปลี่ยนน้ำตาลเป็นอัลกอฮอล์และ CO2  โดยกระบวนการหมัก ซึ่ง NADH ที่เกิดขึ้นในกระบวนการไกลโคไลสิซจะถูกใช้ไปอย่างรวดเร็ว การสังเคราะห์ ATP จะถูกจำกัด ซึ่งเป็นสาเหตุให้สิ่งมีชีวิตที่เจริญในสภาพขาดออกซิเจนเจริญเติบโตช้า                                 

                        กระบวนการหมักนั้นสามารถเกิดได้กับเซลล์ของพืชชั้นสูง เมื่อเซลล์เกิดขาด    ออกซิเจน เช่น ในดินที่มีน้ำขังเป็นต้น ซึ่งจะส่งผลให้มีการเจริญเติบโตช้า  รากของพืชที่ขึ้นในที่น้ำขังมักจะมีรากตื้นเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการขาดออกซิเจน ในเมล็ดนั้นออกซิเจนอาจจะซึมเข้าไปยาก เพราะเปลือกหุ้มเมล็ด จึงต้องทำให้ออกซิเจนซึมเข้าไปได้ง่ายขึ้น

กรดแลคติค พบในพืชชั้นสูงน้อยกว่าเอทธานอล พบบ้างในสาหร่ายและเชื้อราที่เจริญในสภาพที่ขาดออกซิเจน กล้ามเนื้อของมนุษย์ที่ทำงานมากจะขาดออกซิเจนทำให้เกิดแลคติคขึ้นมา เป็นสาเหตุให้ปวดเมื่อยกล้ามเนื้อส่วนนั้น

                        การเกิดไกลโคไลสิซ และการหมักค่อนข้างเกี่ยวพันกัน   เพียงแต่ว่าถ้ามีออกซิเจนก็จะเกิดไกลโคไลสิซตามปกติที่จะเข้าสู่กระบวนการเครบส์  

                        กรดไพรูวิค ที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่เข้าสู่ไมโตคอนเดรีย  แล้วถูกออกซิไดซ์เป็น CO2 ในวงจรเครบส์                         กระบวนการไกลโคไลสิซจัดเป็นกระบวนการซึ่งเกิดขึ้นอย่างกว้างขวางในพืช       ทั่ว ๆ ไป และเป็นกระบวนการซึ่งมีความสำคัญต่อการออกซิไดซ์คาร์โบไฮเดรตในพืชด้วยเอนไซม์ที่     เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้มีหลายชนิด เช่น Pyruvate kinase  Phosphofructokinase  Phosphohexose isomerase และ Hexokinase เป็นต้น

                        ปฏิกิริยาที่จัดเป็น Rate  Limiting  ของกระบวนการไกลโคไลสิซ  คือ ปฏิกิริยาที่ใช้เอนไซม์ Phosphofructokinase    โดยมีสารที่ชะงักกิจกรรมของเอนไซม์นี้ได้  คือ กรดซิตริก ATP, Phosphoenol pyruvate  และ  3 Phosphoglyceric acid ปฏิกิริยาในช่วงนี้ไม่    ผันกลับมี ADP และ AMP กระตุ้นปฏิกิริยานี้  ดังนั้นเอนไซม์ Phosphofructokinase จึงเป็น Allosteric Enzyme  ทำหน้าที่ควบคุมอัตราการเกิดไกลโคไลสิซ

 

วงจรเครบส์ (Krebs Cycle)

                        วงจรเครบส์นั้น มีชื่อเนื่องมาจากนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ H.A.  Krebs ซึ่งเสนอวงจรนี้ขึ้นมาในปี 1937 วงจรนี้อธิบายถึงการสลายตัวของกรดไพรูวิค วงจรนี้มีชื่อหลายชื่อ เช่น Citric Acid Cycle หรือ Tricarboxylic Acid Cycle หรือ TCA        เพราะกรดบางชนิดที่เกิดในวงจรนี้มีคาร์บอกซิล 3 กลุ่ม

                        วงจรเครบส์เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรีย เริ่มต้นจากการสูญเสีย CO2 จากกรดไพรูวิค ทำให้เกิดอะซิเตท ซึ่งรวมกับโคเอนไซม์ เอ (Coenzyme A) หรือ CoA         เกิดเป็น อะซิติลโคเอ (Acetyl CoA)  CoA นี้เป็นสารประกอบที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ ดังนั้นกำมะถันจึงเป็นธาตุที่ จำเป็นต่อพืช

                        ปฏิกิริยา  Pyruvate  decarboxylation  เกี่ยวข้องกับไธอะมีนหรือวิตามิน B1 (Thiamine หรือ Vitamin B1) โดยที่ไธอะมีนทำหน้าที่เป็น Prosthetic Group ซึ่งก็เป็นการแสดงให้เห็นว่าไธอะมีนเป็นสารที่มีความจำเป็นต่อพืช  นอกจากการสูญเสีย CO2 แล้ว กรดไพรูวิคยังสูญเสียไฮโดรเจนออกไปอีก 2 อะตอม  เอนไซม์ที่ใช้ในการคะตะไลท์     กรดไพรูวิคให้เป็นอะซิติลโคเอก็คือ Pyruvic Acid  Dehydrogenase ซึ่งประกอบด้วยเอนไซม์  3  ชนิดด้วยกัน  ไฮโดรเจนที่ถูกดึงออกมาจากไพรูวิคจะรวมกับ NAD เกิดเป็น NADH   การเกิดวงจรเครบส์  เริ่มจากการที่ อะซิติลโคเอรวมกับออกซาโลอาซิเตท แล้วเกิดเป็นกรดที่มีคาร์บอกซิล 3 กลุ่ม เช่น กรดซิตริก ซึ่งมีคาร์บอน 6 อะตอม แล้วกรดซิตริกจะสูญเสีย CO2  2 โมเลกุล  ดังนั้นจึงกลายเป็นสารประกอบที่มีคาร์บอน 4 อะตอม คือ แอลฟา  คีโตกลูทาริค (a-ketoglutaric  acid) แล้วในที่สุดจะกลับไปเป็นกรดออกซาโลอาซิติคอีก เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องในวงจรส่วนใหญ่เป็น dehydrogenase  ซึ่งทำหน้าที่ดึงเอาไฮโดรเจนออกจากโมเลกุลแล้ว NAD มารับเกิดเป็น NADH

                        การที่โมเลกุลในวงจรเครบส์ถูกดึง   H+   ออกไปนั้น    ก็คือการสูญเสียอีเลคตรอนแล้วสารที่มารับอีเลคตรอน ก็คือ NAD และ FAD ถ้าสังเกตจากรูปที่ 6.2  จะพบว่าไม่มี NADP มาเป็นตัวรับอีเลคตรอนเลย และไม่พบ NADP ในไมโตคอนเดรีย แต่จะพบมากในคลอโรพลาสต์ ดังนั้น NADH และ FADH2  จึงเป็นผลิตภัณฑ์สำคัญที่เกิดจากวงจรเครบส์ นอกจากนั้นวงจรเครบส์ยังให้ ATP จาก ADP และ H2PO4 ในช่วงที่มีการเปลี่ยน Succinyl CoA เป็น Succinic Acid    CO2 ที่     ปลดปล่อยจากวงจรเครบส์ก็คือ CO2 ที่กระบวนการหายใจปลดปล่อยออกมานั่นเอง

 

                    หน้าที่ของวงจรเครบส์

                        1. สร้าง NADH และ FADH2      ซึ่งต่อมาจะถูกออกซิไดซ์แล้วให้ ATP 3 และ 2 โมเลกุลตามลำดับ กลูโคส 1 โมเลกุลให้ NADH 8 โมเลกุลและ FADH2  2 โมเลกุล

                        2. สังเคราะห์  ATP  1 โมเลกุล จากกรดไพรูวิค  1  โมเลกุล      ดังนั้นกลูโคส  1 โมเลกุล จึงให้ ATP 2 โมเลกุลในวงจรเครบส์ ซึ่งเมื่อรวมกับ ATP  ซึ่งได้จากข้อ 1 ทำให้ได้ ATP ทั้งหมด 30 โมเลกุล

                        3. สร้างสารประกอบที่ใช้ในการสังเคราะห์สารอื่น ๆ ในเซลล์

 

                        Electron Transport และ Oxidative Phosphorylation

เมื่อ NADH  และ FADH2 ถูกสังเคราะห์ขึ้นในวงจรเครบส์แล้ว สารทั้ง  2 จะถูกออกซิไดซ์ทำให้เกิด ATP ขึ้นมา  เป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการใช้ออกซิเจนทำให้เกิดน้ำขึ้นมา แต่ทั้ง NADH และ FADH2 ไม่สามารถรวมได้โดยตรงกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ แต่จะต้องมีการไหลของ     อีเลคตรอนผ่านตัวกลางอื่นๆ อีกหลายชนิด  รวมเรียกว่าเป็น Electron  Transport System หรือ Cytochrome  System  ของไมโตคอนเดรีย          การเคลื่อนที่ของอีเลคตรอนจะเริ่มจากสารที่มี Reduction Potential ต่ำ ไปสู่สารที่มี Reduction Potential สูง หรือจากสารที่รับอีเลคตรอนยาก  ไปสู่สารที่รับอีเลคตรอนง่าย ซึ่งออกซิเจน คือ สารที่รับอีเลคตรอนง่ายที่สุดจึงเป็นตัวรับอีเลคตรอน     ตัวสุดท้าย  การรับอีเลคตรอนของสารนั้นจะรับจากสารที่อยู่เรียงกันเท่านั้น ซึ่งสารเหล่านี้จะเรียงตัวกันอยู่บน Cristae ของไมโตคอนเดรีย ในไมโตคอนเดรียหนึ่ง ๆ จะมี Cytochrome system หลายพันระบบ

                        สารที่เป็นตัวรับอีเลคตรอนในระบบการไหลของอีเลคตรอน คือ  ไซโตโครมส์ (Cytochromes)  ซึ่งประกอบด้วยไซโตโครมส์ บี 3 ชนิด และ ไซโตโครมส์ ซี อีก  2 ชนิด ซึ่ง            ไซโตโครมส์เป็นโปรตีนที่มีเหล็กและกำมะถัน  นอกจากนั้นมีสารประกอบควิโนนซึ่งเรียกว่ายูบิควิโนน (Ubiquinone) และมีตัวรับอีเลคตรอนที่เป็นฟลาโวโปรตีนก่อนส่งไปให้ออกซิเจน คือ ไซโตโครมส์ ออกซิเดส (Cytochrome Oxidase) ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ

 

                                                                              

Oxidative  Phosphorylation คือการสังเคราะห์  ATP  ที่เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรียซึ่งเป็นผลอันเนื่องมาจากการไหลของอีเลคตรอนผ่านตัวรับอีเลคตรอนต่าง ๆ ไปสู่ออกซิเจน โดย ATP ที่เกิดขึ้นจะเกิดจาก ADP และ H2PO-4 ซึ่ง ATP เป็นสารที่ให้พลังงานสูงของเซลล์ และพบมากใน เซลล์ซึ่งต้องใช้พลังงานสูง  ATP สองโมเลกุลจะเกิดขึ้นเมื่อมีการไหลของอีเลคตรอนจาก FADH2 ไปสู่ออกซิเจน และ ATP  สามโมเลกุลจะเกิดขึ้นเมื่ออีเลคตรอนเคลื่อนที่จาก  NADH  ที่เกิดขึ้นในกระบวนการเครบส์   (เปรียบเทียบกับ NADH จากไกลโคไลสิซ ซึ่งเมื่อถูกออกซิไดซ์จะให้ ATP สองโมเลกุลเท่านั้น) ดังนั้นกระบวนการ Oxidative Phosphorylation จึงเป็นกระบวนการที่มี             ประสิทธิภาพในการสังเคราะห์ ATP มากกว่ากระบวนการไกลโคไลสิซ และกระบวนการหมัก

                       

                        ดังนั้นเมื่อรวมสมการของกระบวนการไกลโคไลสิซ   กระบวนการเครบส์   และ Oxidative Phosphorylation จะได้สมการรวมของการหายใจจากกลูโคส

                        การคาดหมายประสิทธิภาพของการหายใจ ในแง่ที่ว่ามีพลังงานจากกลูโคสเป็นปริมาณเท่าใดที่เปลี่ยนไปเป็น ATP นั้น สามารถคาดหมายได้จากการเปลี่ยนแปลง Gibbs Free Energy (DG) ที่ pH 7 ของกลูโคส 1 โมเลกุล หรือ ฟรุคโตส 1  โมเลกุลเท่ากับ   -686,000  แคลอรี่ เมื่อพิจารณาจากสมการข้างต้น DG     สำหรับ ATP     1 โมเลกุล เท่ากับ  -7,600 แคลอรี่/โมเลกุล   ที่ pH 7 ดังนั้น 36 โมเลกุลของ ATP  จะให้พลังงาน  -273,600  แคลอรี่   ดังนั้นประสิทธิภาพของการหายใจจึงเท่ากับประมาณ -273,600/-686,000 หรือเท่ากับ 40 เปอร์เซ็นต์ อีก 60 เปอร์เซ็นต์นั้น     สูญเสียไปในรูปของความร้อน    

 

Coupling ของการไหลของอีเลคตรอน  และ Oxidative  Phosphorylation

                        เนื่องจากขณะนี้สามารถแยกไมโตครอนเดรียออกมาจากเซลล์ได้แล้ว จึงมีการศึกษา Oxidative Phosphorylation ที่เกิดขึ้นนอกเซลล์ซึ่งความจริงแล้วข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับการไหลของอีเลคตรอนก็เรียนรู้มาจากการศึกษานอกเซลล์เป็นส่วนใหญ่  ปัจจัยจำกัดของการใช้ออกซิเจนและการไหลของอีเลคตรอนก็คือ จำนวนของ  ADP และ H2PO4- ซึ่งถ้าในเซลล์ขาด ADP และ H2PO4-   อัตราการสังเคราะห์ ATP และการใช้ออกซิเจนจะลดลงหรือหยุดชะงัก      ผลดังกล่าวชี้ให้เห็นว่ากระบวนการ    Oxidative Phosphorylation  และการไหลของอีเลคตรอนเป็นกระบวนการซึ่งมีความสัมพันธ์กันที่ต้องเกิดขึ้นพร้อม ๆ กันเสมอ ลักษณะดังกล่าวนี้เรียกว่า Coupling

                        การกระตุ้นให้เกิดการหายใจอีกวิธีหนึ่งในพืช          คือการเพิ่มความเข้มข้นของ 2,4-dinitrophenol ปริมาณที่เหมาะสม Dinitrophenol จะป้องกันการเปลี่ยน ADP และ H2PO4- ให้เป็น ATP แต่จะเพิ่มการไหลของอีเลคตรอน และ H+  ไปสู่ออกซิเจน ดังนั้น   2,4-dinitrophenol  จึงทำหน้าที่เป็นสาร   Uncoupler   ของกระบวนการ Oxidative Phosphorylation  เพราะว่าไม่ทำให้เกิด  ATP  แม้ว่าจะมีกระบวนการออกซิเดชั่นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเพราะมี ADP ก็ตาม

                        อันที่จริงการสังเคราะห์ ATP ในการหายใจ สามารถเกิดขึ้นได้โดย 2  วิธีการ คือ วิธี Substrate Level Phosphorylation ซึ่ง ATP จะเกิดจากสารที่ใช้ในการหายใจถูกออกซิไดซ์ และ ATP อาจจะเกิดจากการไหลของอีเลคตรอนไปสู่ออกซิเจน     การวัดประสิทธิภาพของการสร้าง ATP ทำได้โดยใช้อัตราส่วน P/O  ซึ่งจะบ่งบอกถึงจำนวนโมเลกุลของ ATP ที่เกิดขึ้นต่ออะตอมของออกซิเจนที่ถูกใช้   การออกซิไดซ์ กรด Succinic ไปเป็นกรด Fumaric จะเกิด ATP 2 โมเลกุล และมีการใช้ออกซิเจน 1 อะตอม ดังนั้น P/O จึงเท่ากับ 2 แต่ถ้าอีเลคตรอนจากกรด Succinic ไหลไปตามตัวรับอีเลคตรอนและมี NADH เข้ามาเกี่ยวข้องนั้น จะมี P/O เท่ากับ 3

                        เมื่อ ADP หมดไปจากเซลล์อัตราการหายใจจะต่ำมาก  และไม่เกิดการสร้าง ATP เพราะไม่มี Phosphate Acceptor ลักษณะนี้เป็น Resting  State  ของการหายใจแต่เมื่อได้รับ ADP จะกลับเข้าสู่ระยะที่เรียกว่า Active Respiration  อีกครั้ง การที่อัตราการไหลของอีเลคตรอนถูก   ควบคุมโดย ADP นี้เรียกว่า Acceptor Control

 

 

Pentose Phosphate Pathway

                        หลังจากปี  .. 1950 นักสรีรวิทยาของพืชพบว่า  กระบวนการไกลโคไลสิซและกระบวนการเครบส์  ไม่ได้เป็นเพียงกระบวนการหายใจที่เกิดขึ้นในพืชเท่านั้น    Martin Gibbs Bernard Axelrod และ Harry Beevers  พบกระบวนการอีกกระบวนการซึ่งเกี่ยวข้องกับการหายใจ เป็นกระบวนการที่เกิดสารที่มีน้ำตาลที่มีคาร์บอน 5 อะตอมขึ้น   จึงเรียกว่า  Pentose Phosphate Pathway หรือ PPP  สารหลายชนิดที่เกิดขึ้นในกระบวนการนี้เกิดใน  Calvin Cycle ด้วย ความ   แตกต่างระหว่างสองกระบวนการนี้อยู่ที่ PPP นั้น  น้ำตาลจะถูกออกซิไดซ์  ไม่ได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นมา ถ้าพิจารณาถึงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแล้ว  PPP จะคล้ายคลึงกับไกลโคไลสิซ    เพราะมีสารเริ่มต้นชนิดเดียวกัน    และต่างก็เกิดขึ้นในไซโตพลาสต์ ความแตกต่างของไกลโคไลสิซและ PPP อยู่ที่ PPP  นั้นมีสารรับอีเลคตรอนเป็น NADP ในขณะที่ไกลโคไลสิซมี NAD เป็นสารรับอีเลคตรอน

                        สําหรับปฏิกิริยาการเกิด  PPP   นั้นจะเริ่มจาก Glucose-6-phosphate  ซึ่งได้จากการสลายตัวของแป้งโดย  Starch   Phosphorylase    หรือโดยการเพิ่มฟอสเฟตให้กับกลูโคส  สารนี้จะถูกออกซิไดซ์ทันที โดย Glucose-6-phosphate dehydrogenase เป็น 6-phosphogluconic acid ซึ่งเป็นการออกซิไดซ์ อัลดีไฮด์ไปเป็นกรด และ NADP เป็นตัวรับอีเลคตรอน กระบวนการต่อไปคือ  6-phosphogluconate ถูกดึงเอาไฮโดรเจนและ CO2 ออกไป  โดย 6-phosphogluconic  acid dehydrogenase  ให้น้ำตาลที่มีคาร์บอน  5  อะตอมคือ   Ribulose-5-Phosphate NADPH และ CO2  กระบวนการที่กล่าวแล้วทั้งสองนี้เป็นกระบวนการที่ไม่ผันกลับ ปฏิกิริยาที่จะเกิดต่อไปเป็นวงจรที่จะเปลี่ยน   Ribulose-5-Phosphate  ให้เป็น   Glucose-6-Phosphate เป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้

                        ต่อมาประมาณในปี  ..  1960    จึงพบว่า PPP  นั้น       นอกจากจะเกิดใน              ไซโตพลาสต์แล้วยังเกิดในคลอโรพลาสต์อีกด้วยแต่เกิดในขณะไม่มีแสงเท่านั้น    ในขณะที่มีแสงเอนไซม์ Glucose-6-Phosphate dehydrogenase ไม่สามารถมีกิจกรรมได้

                        PPP มีความสำคัญ คือ เป็นกลไกในการสลายกลูโคส และให้ NADPH  เพื่อใช้ในกระบวนการอื่น และยังสังเคราะห์ Ribulose-5-Phosphate      ซึ่งเป็นโครงสร้างพื้นฐานของกรดนิวคลีอิค  และยังสังเคราะห์ Erythrose-4-Phosphate  ซึ่งจำเป็นต่อการสังเคราะห์ลิกนิน และสารประกอบฟีโนลิค

 

                        หน้าที่ของ Pentose phosphate Pathway

                        1. สร้าง NADPH  ซึ่งใช้เป็นสารให้พลังงานสูง และ Reductant  ในการสังเคราะห์สารอื่นๆ  หลายชนิด ตามปกติ NADPH  จะเกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์แสงเท่านั้น      ดังนั้นถ้าหาก เซลล์ซึ่งไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้ จึงต้องสร้าง NADPH โดยวิธีการนี้   เช่น   เมล็ดที่กำลังงอกและอยู่ในที่มืด NADPH ที่ได้จะไม่เข้าสู่ Oxidative Phosphorylation แต่จะใช้เป็น Reductant

                        2. สร้าง Ribulose-5-Phosphate  ซึ่งจำเป็นต่อการสังเคราะห์กรดนิวคลีอิค

                        3. สร้าง Erythrose-4-Phosphate ซึ่งจำเป็นต่อวิถี  Shikimic acid ซึ่งใช้สร้างสารที่มี Aromatic ring

 

ปัจจัยที่ควบคุมการหายใจ

                        1. การมีสารเริ่มต้น  เนื่องจากกระบวนการหายใจเป็นกระบวนการที่ใช้อาหารสะสม ดังนั้นพืชที่ขาดอาหาร เช่น มีแป้งสะสมน้อยมากหรือขาดสารเริ่มต้นชนิดอื่นจะหายใจช้า เมื่อให้    น้ำตาลกับพืชเหล่านี้จะเพิ่มกระบวนการหายใจขึ้นทันที ใบล่างที่ได้รับแสงน้อยจะมีอัตราการหายใจต่ำกว่าใบยอดที่ได้รับแสงเต็มที่ ซึ่งอาจจะเกิดจากใบล่างสังเคราะห์แสงได้น้อยจึงมีน้ำตาลสะสมน้อย  ถ้าการขาดอาหารของพืชยังดำเนินต่อไป   โปรตีนจะถูกออกซิไดซ์ โดยเริ่มจากการไฮโดรไลซ์โปรตีนเป็นกรดอะมิโนแล้วจึงเข้าสู่กระบวนการหายใจ   ในกรณีของกรดกลูตามิคและแอสพาติค (Glutamic และ Aspartic acid)          จะเปลี่ยนไปเป็น a-Ketoglutaric และ Oxaloacetic acid ตามลำดับ อะลานีน (Alanine) จะถูกออกซิไดซ์เป็นกรดไพรูวิค

                        2. การปรากฏของออกซิเจน  การได้รับออกซิเจนจะมีอิทธิพลต่อการหายใจ ซึ่งจะต่างกันไปตามชนิดและอวัยวะของพืช   ความผันแปรของออกซิเจนในอากาศปกติจะมีอิทธิพลต่อการหายใจน้อยมาก  ยิ่งไปกว่านั้นอัตราการซึมของออกซิเจนสู่ไมโตคอนเดรียก็นับว่าพอเพียงต่อการหายใจ   รากของข้าวซึ่งเจริญเติบโตอยู่ในน้ำได้ปรับตัวให้เข้ากับสภาพการขาดออกซิเจนโดยสร้างรากที่มีช่องว่างระหว่างเซลล์ใหญ่ รากจะได้รับออกซิเจนผ่านมาทางใบและเก็บออกซิเจนไว้ที่ช่องว่างระหว่างเซลล์      ถ้าไม่มีออกซิเจนในบรรยากาศเลยมีแต่ก๊าซไนโตรเจน      อัตราการหายใจจะไม่เท่ากับศูนย์   และในบางครั้งอาจจะเพิ่มขึ้นได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Pasteur Effect  การเพิ่มอัตราการหายใจดังกล่าวเป็นผลจากเมื่อปริมาณออกซิเจนต่ำมากจะไม่รบกวนกระบวนการไกลโคไลสิซ ทำให้กระบวนการไกลโคไลสิซเกิดโดยไม่มีออกซิเจนนั้น คือ เกิดการสะสมเอทธานอล การระงับ    ไกลโคไลสิซของออกซิเจนเกิดจากเอนไซม์ Phosphofructokinase ซึ่งจะมีกิจกรรมมากขึ้นเมื่อเซลล์ขาดออกซิเจน

                        3. อุณหภูมิ พืชส่วนใหญ่มี Q10 ของการหายใจระหว่างอุณหภูมิ 5-25 องศาเซลเซียส  ประมาณ 2-2.5  แต่การเพิ่มอัตราการหายใจจะลดลงหลังจากที่อุณหภูมิสูงถึง 30 องศาเซลเซียส และอัตราการหายใจจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 40 องศาเซลเซียส  เพราะเอนไซม์เริ่มหมดสภาพ

                        4. ชนิดและอายุของพืช   เนื่องจากพืชมีลักษณะทางสัณฐานวิทยา แตกต่างกันมาก จึงมีกระบวนการเมตาบอลิสม์ที่ต่างกันด้วย  และอวัยวะที่ต่างกันของพืชชนิดเดียวกันก็จะมีอัตราการหายใจที่ต่างกัน  ส่วนของพืชที่กำลังเจริญเติบโตมีปริมาณโปรโตพลาสต์มากจะมีอัตราการหายใจสูงเมื่อใช้น้ำหนักแห้งเป็นพื้นฐาน อายุของพืช พืชที่มีอายุน้อย เช่น ต้นอ่อนที่งอกจากเมล็ดใหม่ ๆ หรือผลอ่อนที่เพิ่งติดจะมีอัตราการหายใจสูงกว่าส่วนของพืชที่เจริญเต็มที่แล้ว