มนุษย์มีกิจกรรมระหว่างวันมากมาย ไม่ว่าจะเป็นการแปรงฟัน การรับประทานอาหาร การเดิน การออกกำลังกาย การนั่งทำงาน นอกจากนี้ภายในร่างกายของเราก็ยังมีการทำงานอยู่ตลอดเวลาด้วย เช่น หัวใจสูบฉีดเลือดไปเลี้ยงส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย การแบ่งเซลล์ หรือการส่งกระแสประสาทจากสมองไปตามเส้นประสาทต่าง ๆ กิจกรรมทั้งภายในและภายนอกเหล่านี้ล้วนจำเป็นต้องใช้พลังงาน ซึ่งพลังงานดังกล่าวก็มาจากอาหารที่เรารับประทานเข้าไปนั่นเอง แต่ต้องผ่านกระบวนการมากมายกว่าที่จะได้เป็นพลังงานออกมาให้เซลล์ในร่างกายของเรานำไปใช้ได้

พลังงานที่เซลล์ในร่างกายของเรานำมาใช้เรียกว่า อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (Adenosine Triphosphate) หรือ ATP มีเบสอะดีนีน น้ำตาลไรโบส และหมู่ฟอสเฟต 3 หมู่เป็นองค์ประกอบ โดยมาจากการสลายสารอาหารระดับเซลล์ หรือการหายใจระดับเซลล์ (Cellular Respiration) ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นการหายใจแบบใช้ออกซิเจน จากออกซิเจนที่เราหายใจเข้าไป สำหรับการสลายน้ำตาลกลูโคส เขียนเป็นสมการรวมได้ดังนี้

น้ำตาลกลูโคส + ออกซิเจน ----> คาร์บอนไดออกไซด์ + น้ำ + พลังงาน

การหายใจระดับเซลล์ กรณีการสลายน้ำตาลกลูโคส ประกอบไปด้วย 4 ขั้นตอน ได้แก่  1) ไกลโคลิซิส (Glycolysis) 2) ไพรูเวทออกซิเดชัน (Pyruvate oxidation) 3) วัฏจักรเครบส์ (Krebs Cycle หรือ Citric Acid Cycle) 4) กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron Transport Chain) (สำหรับการสลายสารอาหารประเภทโปรตีนและไขมันอาจมีความแตกต่างจากน้ำตาลกลูโคสเล็กน้อย)

ขั้นตอนของการหายใจระดับเซลล์

1) ไกลโคลิซิส (Glycolysis)

กระบวนการนี้เป็นกระบวนการแรกในการหายใจระดับเซลล์ เกิดขึ้นที่บริเวณไซโทซอล (ส่วนที่เป็นของกึ่งเหลวในไซโทพลาซึม) โดยจะมีออกซิเจนหรือไม่มีออกซิเจนในกระบวนการก็ได้ เป็นการสลายกลูโคส 1 โมเลกุล ซึ่งมีคาร์บอน 6 อะตอม ให้อยู่ในรูปของกรดไพรูวิก (Pyruvic Acid) ซึ่งมีคาร์บอนอยู่ 3 อะตอม จำนวน 2 โมเลกุล และในกระบวนการนี้ยังได้เป็น 2 ATP กับ 2 NADH ออกมาด้วย

2) ไพรูเวทออกซิเดชัน (Pyruvate oxidation)

กรดไพรูวิกจากกระบวนการไกลโคลิซิส จำนวน 2 โมเลกุล จะเข้าสู่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย และทำปฏิกิริยากับโคเอนไซม์เอ (Coenzyme A, Co.A) ได้เป็นแอซิทิลโคเอนไซม์เอ (Acetyl Coenzyme A) 2 โมเลกุล NADH 2 โมเลกุล และคาร์บอนไดออกไซด์ 2 โมเลกุล อย่างไรก็ตาม ในบางครั้งกระบวนการนี้อาจถูกจัดอยู่ในกระบวนการไกลโคลิซิสหรือวัฏจักรเครบส์ได้

3) วัฏจักรเครบส์ (Krebs Cycle)

เกิดขึ้นที่บริเวณเมทริกซ์ซึ่งเป็นของเหลวที่อยู่ในไมโทคอนเดรีย เริ่มต้นจากแอซิทิลโคเอนไซม์เอรวมกับสารประกอบกรดออกซาโลแอซิติก ได้เป็นกรดซิตริก จากนั้นยังมีขั้นตอนย่อย ๆ เกิดขึ้นอีกหลายขั้นตอนในวัฏจักรนี้ โดยแอซิทิลโคเอนไซม์เอ 2 โมเลกุล จะได้เป็น 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH₂ และคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา

4) กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron Transport Chain)

เกิดขึ้นในคริสตี (Cristae) ซึ่งเป็นเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย กระบวนการนี้เริ่มจาก NADH และ FADH₂ ในวัฏจักรเครบส์ซึ่งเป็นสมมูลย์รีดิวซ์ มีการให้หรือส่งต่ออิเล็กตรอนแก่ตัวรับอิเล็กตรอนที่แทรกอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย และปลดปล่อยพลังงานออกมา เป็นพลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายโปรตอน (H⁺) ออกไปอยู่ด้านนอกของเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย ทำให้ด้านนอกมีความเป็นกรดมากขึ้น ดังนั้น เซลล์จึงพยายามรักษาสมดุลโดยการย้ายโปรตอนเข้าสู่ด้านในอีกครั้งผ่านการทำงานของเอนไซม์ ATP Synthase และทำให้โปรตอนเหล่านั้นกลายเป็น ATP 34 โมเลกุล

ทั้งนี้ น้ำตาลกลูโคส  1 โมเลกุลที่เรารับประทานเข้าไป สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ถึง 38 ATP ขณะที่ 1 ATP ให้พลังงานประมาณ 7.3 kcal ซึ่งเกิดขึ้นในเซลล์ตับ ไต และหัวใจ แต่สำหรับเซลล์บางชนิดอาจมีการสูญเสียพลังงานไประหว่างกระบวนการต่าง ๆ พลังงานรวมท้ายสุดที่ได้ออกมาจึงน้อยกว่า 38 ATP เช่น เซลล์ผิวหนัง เซลล์สมอง

ตารางสรุปกระบวนการ Glucose Catabolism

์