Anaerobic Respiration ถ้าไม่มีออกซิเจน… เซลล์ของเรายังสร้างพลังงานได้อย่างไร | คอร์ส MCAT by Englican

 

 

เมื่อออกซิเจนหมด… เซลล์ยังมีแผนสำรอง!

   คุณเคยสงสัยไหมว่า… ทำไมกล้ามเนื้อปวดเมื่อยหลังออกกำลังกาย? หรือทำไมไวน์ 🍇 และขนมปัง 🍞 เกี่ยวข้องกับกระบวนการเผาผลาญพลังงานของเซลล์? คำตอบซ่อนอยู่ในกระบวนการที่เรียกว่า Anaerobic Respiration หรือ “การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน” นั่นเอง!

การหายใจระดับเซลล์มี 2 รูปแบบ

   เมื่อพูดถึงการหายใจระดับเซลล์ เราสามารถแบ่งกระบวนการออกเป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic Respiration) และ การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Respiration) กระบวนการแรกเป็นวิธีที่เซลล์สามารถสกัดพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด โดยอาศัยไมโตคอนเดรียเป็นแหล่งผลิตพลังงานหลัก ผ่านกระบวนการ Glycolysis → Acetyl-CoA → Krebs Cycle → Electron Transport Chain (ETC)

   ในทางกลับกัน เมื่อออกซิเจนไม่เพียงพอ เซลล์จะเข้าสู่กระบวนการ Anaerobic Respiration ซึ่งเกิดขึ้นเฉพาะในไซโทพลาสซึม และมีขั้นตอนหลักคือ Glycolysis ซึ่งเป็นกระบวนการแตกตัวของกลูโคสเป็นไพรูเวตโดยไม่ต้องใช้ออกซิเจน ถึงแม้ว่าวิธีนี้จะให้พลังงานน้อยกว่าการหายใจแบบใช้ออกซิเจนมาก (เพียง 2 ATP เทียบกับ 36-38 ATP) แต่ก็เป็นวิธีที่ช่วยให้เซลล์รอดชีวิตได้ในสภาพแวดล้อมที่ขาดออกซิเจน

 

Anaerobic Respiration มีกี่ประเภท?

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่:

1. การหมักแอลกอฮอล์ (Alcohol Fermentation)

• เกิดขึ้นใน ยีสต์และแบคทีเรียบางชนิด ที่สามารถดำรงชีวิตได้โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจน

• ในกระบวนการนี้ ไพรูเวต (Pyruvate) จาก Glycolysis จะถูกเปลี่ยนเป็น เอทานอล (Ethanol) และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂)

• คาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมามีบทบาทสำคัญในการทำให้ขนมปังฟู และเอทานอลเป็นองค์ประกอบสำคัญของเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ เช่น ไวน์และเบียร์

• Alcohol Fermentation เป็นกระบวนการสำคัญในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่มที่ใช้การหมัก

2. การหมักกรดแลคติก (Lactic Acid Fermentation)

• กระบวนการนี้เกิดขึ้นใน เซลล์กล้ามเนื้อของมนุษย์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เมื่อต้องการพลังงานเร่งด่วน

• เมื่อกล้ามเนื้อทำงานหนักจนออกซิเจนไม่เพียงพอ ไพรูเวตจะถูกเปลี่ยนเป็น กรดแลคติก (Lactic Acid) แทนการเข้าสู่ Krebs Cycle

• กรดแลคติกที่สะสมในกล้ามเนื้อเป็นสาเหตุของอาการ ปวดล้า ตะคริว และความรู้สึกเมื่อยล้าหลังออกกำลังกายหนัก

• อย่างไรก็ตาม ร่างกายสามารถนำกรดแลคติกนี้กลับมาใช้ใหม่โดยการเปลี่ยนกลับเป็นไพรูเวตในตับผ่าน Cori Cycle

ทำไมร่างกายเลือกใช้ Anaerobic Respiration?

• กระบวนการนี้เป็น ทางเลือกฉุกเฉิน ของร่างกายเมื่อออกซิเจนมีจำกัด

• พบได้ในสถานการณ์ที่ต้องการพลังงานรวดเร็ว เช่น การออกกำลังกายหนักหรือภาวะขาดออกซิเจนในเซลล์

• แม้ว่าจะให้พลังงานน้อยกว่าการหายใจแบบใช้ออกซิเจน (เพียง 2 ATP เทียบกับ 36-38 ATP) แต่ก็ช่วยให้เซลล์ยังสามารถทำงานต่อไปได้

Fermentation: กลไกเบื้องหลังไวน์และขนมปัง

   นอกจากกล้ามเนื้อของเราแล้ว จุลินทรีย์หลายชนิด เช่น ยีสต์ (Yeast) และแบคทีเรียบางประเภท ก็ใช้ Anaerobic Respiration เพื่อเอาตัวรอด และสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์มากมาย เช่น ไวน์ 🍇 เบียร์ 🍺 และขนมปัง 🍞

กระบวนการของ Alcoholic Fermentation

• กลูโคส (C6H12O6) ➔ Pyruvate ➔ Ethanol + CO2 + ATP

• CO2 ที่เกิดขึ้นช่วยทำให้ขนมปังฟูขึ้น

• Ethanol เป็นส่วนสำคัญของกระบวนการผลิตไวน์และเบียร์

• Alcoholic Fermentation เป็นกระบวนการที่ถูกใช้มาตั้งแต่ยุคโบราณ และเป็นหัวใจของอุตสาหกรรมเครื่องดื่มหมักทั่วโลก

• แม้ว่าแอลกอฮอล์จะถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์อาหารและเครื่องดื่ม แต่ในร่างกายมนุษย์ การเผาผลาญเอทานอล จำเป็นต้องผ่านกระบวนการดีท็อกซ์ที่ ตับ เพื่อหลีกเลี่ยงพิษสะสมที่อาจส่งผลเสียต่อสุขภาพ

Lactic Acid Fermentation และความปวดล้าหลังออกกำลังกาย

   เมื่อเราออกกำลังกายอย่างหนัก เซลล์กล้ามเนื้อ ของเราจะเข้าสู่ Lactic Acid Fermentation เพื่อสร้างพลังงานแบบเร่งด่วน กระบวนการนี้เป็นกลไกที่ช่วยให้กล้ามเนื้อยังสามารถทำงานต่อไปได้แม้ไม่มีออกซิเจนเพียงพอ

กระบวนการของ Lactic Acid Fermentation

• กลูโคส (C6H12O6) ➔ Pyruvate ➔ Lactic Acid + ATP

• ไพรูเวต (Pyruvate) ที่ได้จาก Glycolysis จะรับอิเล็กตรอนจาก NADH และเปลี่ยนเป็น กรดแลคติก (Lactic Acid)

• การสะสมของกรดแลคติกในกล้ามเนื้อทำให้เกิด อาการเมื่อยล้าและปวดกล้ามเนื้อ

ทำไมกล้ามเนื้อถึงเมื่อยล้า?

   เมื่อมี การสะสมของกรดแลคติกมากเกินไป ค่าความเป็นกรด (pH) ในกล้ามเนื้อจะลดลง ส่งผลให้ เอนไซม์ที่ช่วยในการหดตัวของกล้ามเนื้อทำงานได้ลดลง นี่เป็นสาเหตุที่ทำให้เรารู้สึก อ่อนล้า ตะคริว และปวดกล้ามเนื้อ หลังออกกำลังกายหนัก

   อย่างไรก็ตาม ร่างกายสามารถกำจัด กรดแลคติกที่สะสมนี้ ได้ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า Cori Cycle โดยที่ ตับ จะนำกรดแลคติกกลับมาเปลี่ยนเป็น กลูโคส ซึ่งสามารถถูกใช้เป็นพลังงานใหม่ให้กับร่างกายได้อีกครั้ง

Anaerobic vs Aerobic Respiration

   หากเปรียบเทียบกัน การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic Respiration) สามารถผลิต ATP ได้มากกว่า 18 เท่า เมื่อเทียบกับ การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Respiration) อย่างไรก็ตาม Anaerobic Respiration มีความสำคัญในสถานการณ์ที่ร่างกายต้องการพลังงานเร่งด่วน หรือในสิ่งมีชีวิตที่อาศัยในสภาพแวดล้อมที่ขาดออกซิเจน เช่น ยีสต์ แบคทีเรียบางชนิด และเซลล์กล้ามเนื้อที่อยู่ในภาวะออกซิเจนต่ำ

สรุป

• Aerobic Respiration เป็นกระบวนการหลักที่สิ่งมีชีวิตใช้เพื่อสร้างพลังงานสูงสุด

• Anaerobic Respiration เป็นกลไกสำรองที่ช่วยให้เซลล์สามารถผลิตพลังงานในภาวะที่ออกซิเจนมีจำกัด

• Lactic Acid Fermentation มีบทบาทสำคัญต่อระบบกล้ามเนื้อและการออกกำลังกาย

• Alcoholic Fermentation มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่มที่ต้องอาศัยกระบวนการหมัก

 

ร่างกายของเรานำสารอาหารมาใช้เป็นพลังงานอย่างไร?

การเผาผลาญสารอาหารเพื่อการสร้างพลังงานในร่างกาย

   สารอาหารหลักที่ร่างกายได้รับจากการบริโภค ได้แก่ คาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมัน ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ถูกนำไปใช้ในกระบวนการเมตาบอลิซึม (Metabolism) เพื่อเปลี่ยนเป็น ATP (Adenosine Triphosphate) ซึ่งเป็นพลังงานที่เซลล์สามารถนำไปใช้ได้ โดยมี Acetyl-CoA เป็นจุดเชื่อมโยงสำคัญของเส้นทางเมตาบอลิซึมต่างๆ ที่นำไปสู่การผลิตพลังงานภายในไมโตคอนเดรียผ่าน Krebs Cycle และ Electron Transport Chain

กระบวนการเมตาบอลิซึมของสารอาหาร

1. การสลายคาร์โบไฮเดรตเพื่อผลิตพลังงาน

   คาร์โบไฮเดรตที่บริโภคจะถูกย่อยเป็น มอโนแซ็กคาไรด์ (Monosaccharides) เช่น กลูโคส (Glucose) ก่อนเข้าสู่กระบวนการ Glycolysis ซึ่งเกิดขึ้นในไซโทพลาสซึมของเซลล์ และเปลี่ยนเป็น Pyruvate พร้อมสร้าง ATP จำนวนเล็กน้อย หากมีออกซิเจนเพียงพอ Pyruvate จะถูกแปรสภาพเป็น Acetyl-CoA และเข้าสู่ Krebs Cycle เพื่อผลิตพลังงานในปริมาณสูงผ่าน Electron Transport Chain

2. การสลายไขมันเพื่อผลิตพลังงาน

   ไขมันให้พลังงานมากที่สุดเมื่อเทียบกับคาร์โบไฮเดรตและโปรตีน โดยถูกย่อยเป็น กลีเซอรอล (Glycerol) และกรดไขมัน (Fatty Acids) ซึ่งกรดไขมันจะเข้าสู่กระบวนการ β-Oxidation ในไมโตคอนเดรีย และถูกเปลี่ยนเป็น Acetyl-CoA ซึ่งเข้าสู่ Krebs Cycle กระบวนการนี้สร้าง ATP ได้จำนวนมาก ทำให้ไขมันเป็นแหล่งพลังงานสำคัญของร่างกายในระยะยาว

3. การสลายโปรตีนเพื่อผลิตพลังงาน

   โปรตีนถูกนำมาใช้เป็นพลังงานเมื่อร่างกายขาดคาร์โบไฮเดรตและไขมัน กรดอะมิโนที่ได้จากการย่อยโปรตีนจะเข้าสู่กระบวนการ Deamination เพื่อกำจัดหมู่ไนโตรเจน จากนั้นคาร์บอนที่เหลือจะถูกแปรสภาพเป็น Acetyl-CoA หรือสารตัวกลางใน Krebs Cycle เพื่อใช้ในการผลิตพลังงาน อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้เป็นแหล่งพลังงานรอง เนื่องจากการใช้โปรตีนเป็นพลังงานอาจส่งผลต่อมวลกล้ามเนื้อและกระบวนการฟื้นฟูของร่างกาย

การกำจัดของเสียจากการเผาผลาญ

การสลายโปรตีนก่อให้เกิดของเสียที่มีไนโตรเจน ซึ่งร่างกายต้องกำจัดออกเพื่อป้องกันการสะสมของสารพิษ:

• แอมโมเนีย (NH₃): เป็นของเสียที่มีความเป็นพิษสูง ต้องถูกเปลี่ยนเป็นยูเรียในตับก่อนถูกขับออกทางไต

• ยูเรีย (Urea): เป็นรูปแบบของเสียที่ละลายน้ำได้ และถูกขับออกจากร่างกายทางปัสสาวะ

• กรดยูริก (Uric Acid): เป็นของเสียที่เกิดจากการสลายพิวรีนใน DNA และ RNA ซึ่งต้องถูกขับออกจากร่างกายผ่านทางไต

บทบาทของ Acetyl-CoA ในการผลิตพลังงาน

   Acetyl-CoA เป็นจุดศูนย์กลางของกระบวนการเมตาบอลิซึม โดยสามารถเข้าสู่ Krebs Cycle และส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยัง Electron Transport Chain (ETC) ซึ่งเป็นกระบวนการที่สร้าง ATP ในปริมาณมากเพื่อรองรับการทำงานของเซลล์ทั่วร่างกาย

เมื่ออดอาหาร ร่างกายจะใช้พลังงานจากไหน?

   เมื่อร่างกายไม่ได้รับสารอาหารจากภายนอก มันจะต้องใช้พลังงานสำรองจากแหล่งที่มีอยู่ภายใน โดยลำดับการใช้พลังงานจะขึ้นอยู่กับระยะเวลาของการอดอาหารและภาวะเมตาบอลิซึมของร่างกาย

1. การใช้ Glycogen ที่สะสมไว้ในตับและกล้ามเนื้อ

   ร่างกายจะเริ่มจากการสลาย Glycogen ที่สะสมไว้ใน ตับและกล้ามเนื้อ ผ่านกระบวนการ Glycogenolysis เพื่อเปลี่ยนเป็น Glucose และใช้เป็นพลังงาน กระบวนการนี้ช่วยรักษาระดับน้ำตาลในเลือด (Blood Glucose) และให้พลังงานแก่สมองและกล้ามเนื้อ อย่างไรก็ตาม Glycogen สามารถสะสมได้จำกัด และมักหมดไปภายใน 24 ชั่วโมงของการอดอาหาร

2. การเปลี่ยนไขมันเป็นแหล่งพลังงานหลัก

   เมื่อ Glycogen ถูกใช้จนหมด ร่างกายจะหันไปใช้ ไขมัน เป็นพลังงานโดยสลาย Triglycerides ที่สะสมอยู่ในเนื้อเยื่อไขมัน กระบวนการนี้เรียกว่า Lipolysis ซึ่งแยกกรดไขมันออกจากกลีเซอรอล จากนั้น กรดไขมัน (Fatty Acids) จะเข้าสู่ β-Oxidation ภายในไมโตคอนเดรีย และเปลี่ยนเป็น Acetyl-CoA เพื่อนำเข้าสู่ Krebs Cycle และผลิต ATP กระบวนการนี้สามารถให้พลังงานในปริมาณสูง และเป็นแหล่งพลังงานหลักของร่างกายในช่วงการอดอาหารระยะยาว

3. การสลายโปรตีนจากกล้ามเนื้อเพื่อเป็นพลังงาน

   หากการอดอาหารดำเนินไปเป็นเวลานาน และไขมันเริ่มลดลงจนไม่เพียงพอ ร่างกายจะเข้าสู่ ภาวะสลายโปรตีน (Protein Catabolism) โดยใช้ กรดอะมิโนจากกล้ามเนื้อ ผ่านกระบวนการ Gluconeogenesis ในตับ เพื่อสร้าง Glucose เป็นพลังงานให้กับอวัยวะสำคัญ เช่น สมอง และเซลล์เม็ดเลือดแดง ซึ่งไม่สามารถใช้กรดไขมันเป็นพลังงานได้

   อย่างไรก็ตาม การใช้โปรตีนจากกล้ามเนื้อเป็นพลังงานจะนำไปสู่การสูญเสียมวลกล้ามเนื้อ ทำให้ร่างกายอ่อนแอ และอาจส่งผลกระทบต่อระบบเผาผลาญในระยะยาว นอกจากนี้ การเผาผลาญโปรตีนยังทำให้เกิดของเสียที่มีไนโตรเจน เช่น ยูเรีย (Urea) ซึ่งต้องถูกกำจัดออกทางไต

ผลกระทบของการอดอาหารเป็นเวลานาน

• สูญเสียมวลกล้ามเนื้อ ทำให้ร่างกายอ่อนแอ และระบบเผาผลาญลดลง

• เกิดภาวะ Ketosis เมื่อร่างกายผลิต Ketone Bodies จากไขมันมาใช้แทนกลูโคส

• ความเสี่ยงต่อภาวะขาดสารอาหาร และการทำงานผิดปกติของอวัยวะภายใน

• ส่งผลกระทบต่อสมองและระบบประสาท เนื่องจากสมองต้องการกลูโคสเป็นพลังงานหลัก

 

 

อยากลองท้าทายตัวเองเพิ่มไหม?

เข้ามาวัดระดับความรู้ของคุณด้วย MCAT E-Placement Test Wรี!
รายละเอียดคอร์สเรียน > https://englican.in.th/featured_item/mcat-course/
ทดลองเรียน ฟรี! > https://www.medmasterth.co/courses/26/info
E-Placement Test > https://www.englican-test.com/mcat-e-placement-test/

เชื่อมั่นในหลักสูตรระดับโลก และทีมอาจารย์ชั้นนำกับ Englican International Thailand
ลงทะเบียนเพื่อเริ่มเรียนได้ทันที
สอบถามข้อมูลเพิ่มเติม
Facebook: Englican International – Thailand
IG: @englican
Line: https://Ihco.li/3JrFSIK