บทที่ 5 ระบบย่อยอาหารและ การสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงาน บทที่ 5 ระบบย่อยอาหารและ การสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงาน Biology (40242)

บทที่ 5 ระบบย่อยอาหารและการสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงาน บทที่ 5 ระบบย่อยอาหารและการสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงาน 5.1 อาหารและการย่อยอาหาร 5.1.1 การย่อยอาหารของจุลินทรีย์ 5.1.2 การย่อยอาหารของสัตว์ 5.1.3 การย่อยอาหารของคน 5.2 การสลายสารอาหารระดับเซลล์ 5.2.1 การสลายโมเลกุลของสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน 5.2.2 การสลายโมเลกุลของสารอาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจน

การสลายสารอาหารระดับเซลล์ (Cellular respiration)

5.2 การสลายสารอาหารระดับเซลล์ (Cellular respiration) 5.2.1 การสลายโมเลกุลของสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic respiration) วิถีไกลโคลิซีส (glycolytic pathway) วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport system) 5.2.2 การสลายโมเลกุลของสารอาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic respiration)

Kreb’s Cycle

Kreb’s Cycle ทำหน้าที่อะไร Glycolysis ให้พลังงานน้อยกว่า 1 ใน 4 ของพลังงานเคมีที่สะสมไว้อยู่ในโมเลกุลของ glucose ในสภาวะที่มีออกซิเจน pyruvate จะเข้าไปใน mitochondrai ซึ่งเอนไซม์ของ krebs cycle จะทำหน้าที่ ออกซิไดซ์ต่ออย่างสมบูรณ์

http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

เมื่อ pyruvate ซึ่งเกิดจาก glycolytic pathway ใน cytosol เข้าไปใน mitochondria จะถูกเปลี่ยนเป็น acetyl CoA โดยเอนไซม์ pyruvate dehydrogenase ขั้นตอนนี้เป็นรอยต่อระหว่าง glycolytic pathway และ krebs cycle และเป็นขั้นแรกในกระบวนการหายใจที่มี CO2 เกิดขึ้น http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

The Krebs Cycle http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/krebscycle.htm #The%20Electron%20Transport%20Chain%20and%20Proton%20Pumping

การเปลี่ยน pyruvate เป็น acetyl coA  การเปลี่ยน pyruvate เป็น acetyl coA เกิดขึ้นใน mitochondria ในปฏิกิริยา 3 ขั้นตอน ขั้นแรก หมู่คาร์บอกซิลของ pyruvate จะหลุดออก กลายเป็นแก๊ส CO2 (เป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการหายใจระดับเซลล์ที่มี CO2เกิดขึ้น) ขั้นที่ 2 ส่วนที่เหลือของ pyruvate ซึ่งมี 2 คาร์บอนอะตอม ถูกออกซิไดส์ด้วย NAD+ ได้เป็น acetrate (คือ acetic acid ที่ถูก ionized) และในปฏิกิริยานี้จะได้ NADH ซึ่งเป็นสารที่สะสมพลังงานเคมีไว้ในตัว ขั้นสุดท้าย coA จะถูกนำไปติดกับ acetrate ด้วยพันธะที่ไม่ค่อยอยู่ตัวได้เป็น acetyl coA ซึ่งจะทำให้ acetyl coA สามารถส่งหมู่ acetrate เข้าวัฏจักรเครบส์ (เพื่อถูกออกซิไดซ์ต่อ) ได้อย่างง่าย

http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

ในแต่ละรอบของ krebs cycle จะมีคาร์บอน 2 อะตอมในรูปของหมู่ acetyl เข้ามา (ขั้นที่ 1) และ มี 2 คาร์บอนอะตอม ออกไปในรูปของ CO2 (ขั้นที่ 3 และ 4) หมู่ acety ที่เข้ามาที่ krebs cycle จะมารวมกับ oxaloacetate เกิดเป็น citrate ทำปฏิกิริยาต่อๆ ไป รวม 8 ขั้นตอนจนครบรอบวัฏจักรได้เป็นสาร oxaloacetate กลับคืนมา ปฏิกิริยาส่วนใหญ่ใน krebs cycle เป็นออกซิเดชัน-รีดักชัน krebs cycle ถือว่าเป็นปลายทางของการสลายสารอินทรีย์ให้เป็น CO2 และเป็นขั้นตอนที่มีการเก็บเกี่ยวพลังงานจากสารอินทรีย์ (จากสารอาหาร) ไว้ในรูปของอิเล็กตรอนพลังงานสูง อาจกล่าวได้ว่าเป็นการนำอิเล็กตรอนออกมาจาก acety coA และใช้อิเล็กตรอนนี้ในการสร้าง NADH และ FADH2 ซึ่งเป็นสารที่สะสมพลังงานเคมีไว้ในตัว และจะนำไปใช้ในการสร้าง ATP ต่อไปในกระบวนการ oxidative phosphorylation krebs cycle ประกอบไปด้วย 8 ขั้นตอน แต่ละขั้นตอนเร่งโดยเอนไซม์ที่จำเพาะของแต่ละปฏิกิริยาดังต่อไปนี้

ขั้นตอนที่ 1         คาร์บอน 2 อะตอมของ acetyl coA เข้ามาในวัฏจักรโดยเกิดการรวมของหมู่ acetyl กับ oxaloacetate โดยใช้เอนไซม์ citrate synthase เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ได้ผลผลิตเป็น citrate และ CoA http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

ขั้นตอนที่ 2        ซิเตรตเปลี่ยนไปเป็น isomer ของมันคือ isocitrate โดยใช้เอนไซม์ aconitase เป็นตัวเร่ง ปฏิกิริยานี้เกิดเป็น 2 ขั้นตอนย่อย คือ ขั้นแรก เป็นปฏิกิริยาเอาน้ำออกไป 1 โมเลกุล กลายเป็น cis-aconitate ก่อน (ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นในเวลาสั้นมาก)  จากนั้น ซิสอะโคนิเตตจึงรวมตัวกับน้ำ 1 โมเลกุล เกิดเป็น isocitrate http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

ขั้นตอนที่ 3        เป็นขั้นตอนที่เกิดปฏิกิริยา decarboxylation คือให้แก๊ส CO2 โดย isocitrate จะถูกออกซิไดซ์ไปเป็น α-ketoglutarate และให้ CO2 ออกมา โดยใช้เอนไซม์ isocitrate dehydrogenase เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และขั้นตอนนี้มีการให้อิเล็กตรอนกับ NAD+ กลายเป็น NADH http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

ขั้นตอนที่ 4        ขั้นตอนนี้จะมีการให้ CO2 ออกมาอีก 1 โมเลกุล คือ α-ketoglutarate ถูกออกซิไดซ์ ปล่อยหมู่ CO2 ออกมา และในขณะเดียวกัน Coenzyme A เข้าไปแทนที่ตรงตำแหน่งที่ CO2 หลุดออกไปเกิดเป็น succinyl CoA  โดยใช้เอนไซม์ α-ketoglutarate dehydrogenase เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ขั้นตอนนี้มีการให้อิเล็กตรอนกับ NAD+ กลายเป็น NADH http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

ขั้นตอนที่ 5        หมู่ CoA ของ succinyl CoA จะถูกแทนที่โดยหมู่ฟอสเฟต (Pi) ซึ่งพันธะนี้จะไม่อยู่ตัวจะส่งหมู่ฟอสเฟตต่อให้ GDP เกิดเป็น GTP และ succinyl CoA เปลี่ยนเป็น succinate เอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยานี้ คือ succinyl CoA synthetase http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

ขั้นตอนที่ 6        เอนไซม์ succinate dehydrogenase จะเปลี่ยน succinate ไปเป็น fumarate ในปฏิกิริยารีดักชันนี้ succinate จะให้ไฮโดรเจนแก่ FAD เกิดเป็น FADH2 ซึ่งเป็นตัวสะสมพลังงานเคมีไว้ในตัว http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

ขั้นตอนที่ 7        เป็นปฏิกิริยาเติมน้ำ 1 โมเลกุล ได้แก่ fumarate ให้เปลี่ยนไปเป็น malate โดยใช้เอนไซม์ fumarase เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

ขั้นตอนที่ 8        เป็นขั้นตอนสุดท้ายที่จะครบ 1 รอบของวัฏจักร คือ เป็นการสร้าง oxaloacetate กลับคืนมาใหม่ malate จะถูกออกซิไดซ์ให้เป็น oxaloacetate ซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่จะไปรวมกับ acetyl coA ตัวใหม่ เพื่อเข้ารอบใหม่ของ krebs cycle ต่อไป ในขั้นตอนของการออกซิเดชันนี้ NAD+ จะถูกรีดิวซ์ให้เป็น NADH (เก็บพลังงานเคมีสะสมไว้ในตัว) ปฏิกิริยานี้เร่ง โดยเอนไซม์ malate dehydrogenase http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

The Kreb’s Cycle http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/krebscycle.htm #The%20Electron%20Transport%20Chain%20and%20Proton%20Pumping

รวมปฏิกิริยาใน Krebs Cycle Acetyl-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O 3NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + 3H+ + CoA

ผลผลิตจาก Krebs Cycle http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

สรุป Krebs Cycle krebs cycle มีจุดสำคัญ ที่สรุปได้ดังนี้ 1. คาร์บอน 2 อะตอม (จาก acetyl CoA) เข้ามาในวัฏจักร และคาร์บอน 2 อะตอมออกไปในรูปของ CO2 2. ไฮโดรเจนอะตอม 4 คู่ ออกไปจากวัฏจักรในปฏิกิริยาออกซิเดชัน 4 ปฏิกิริยา   NAD+ 2 โมเลกุลถูกรีดิวซ์ได้เป็น NADH ในปฏิกิริยา oxidative decarboxylation (ออกซิเดชัน และเอา CO2 ออก) จำนวน 2 ปฏิกิริยา FAD 1 โมเลกุลถูกรีดิวซ์ได้เป็น FADH2 ในปฏิกิริยาออกซิเดชันของ succinate NAD+ อีก 1 โมเลกุล ถูกรีดิวซ์ได้เป็น NADH ในปฏิกิริยาออกซิเดชันของ malate 3. ได้สารพลังงานสูง GTP 1 โมเลกุล ซึ่งเกิดจากแตกของพันธะ thioester ของ succinyl CoA GTP นี้จะถูกนำไปสร้างต่อเป็น ATP โดยการให้หมู่ฟอสเฟตโดยตรงแก่ ADP ให้เป็น ATP วิธีการนี้เรียกว่า substrate-level phosphorylation

http://mil. citrus. cc. ca http://mil.citrus.cc.ca.us/cat2courses/bio104/ChapterNotes/Chapter07notesLewis.htm

สารอะไรบ้างที่เข้าสู่ krebs cycle ได้ http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

สารอาหารทุกประเภท คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน สามารถเข้าสู่ glycolytic pathway และ krebs cycle เพื่อให้พลังงานได้หลายจุด http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

TOTAL 36 or 38 ATPs per Glucose http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/krebscycle.htm#The%20Electron%20Transport%20Chain%20and%20Proton%20Pumping

http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson3_menu.html

Electron transport system

http://mil. citrus. cc. ca http://mil.citrus.cc.ca.us/cat2courses/bio104/ChapterNotes/Chapter07notesLewis.htm

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนเกี่ยวข้องกับการสร้าง ATP อย่างไร กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน เกิดขึ้นในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย เป็นกระบวนการที่เกิดต่อเนื่องจากวัฏจักรเครบส์ แหล่งของอิเล็กตรอนคือ NADH และ FADH2 ซึ่งเมื่อถูกออกซิไดซ์ อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะถูกส่งต่อเป็นทอดๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอนหลายตัวไปจนถึงปลายสุดของระบบ อิเล็กตรอนจะไปรีดิวซ์ O2 ให้เป็น H2O กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนในการหายใจ (respiration) นี้คล้ายกับที่เกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชในขั้นตอนของปฏิกิริยาที่ใช้แสง ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นช่วงๆ จะเกิดพลังงานอิสระซึ่งจะนำไปใช้ในการสร้าง ATP ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า oxidative phosphorylation การสร้าง ATP ในกระบวนการนี้ไม่ใช่การสร้าง ATP โดยตรงแบบ substrate-level phosphorylation (ย้ายหมู่ฟอสเฟตของซับสเตรตซึ่งเป็นสารพลังงานสูงให้ ADP) เหมือนที่สร้างจากวิถีไกลโคลิซีสและวัฏจักรเครบส์ แต่จะเป็นการสร้างแบบที่ต้องมีการเชื่อมโยงกับการออกซิเดชันในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน ซึ่งทำให้เกิดการปั๊มของโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นเป็นทอดๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นกลุ่มของโปรตีน (ซึ่งหลายตัวเป็นเอนไซม์) และมี coenzyme และ cofactor หลายตัวรวมอยู่ด้วยกัน กลุ่มโปรตีนเหล่านี้ ได้แก่ complex I, II, III และ IV http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

องค์ประกอบของระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน คือ complex I, II, III และ IV ฝังตัวอยู่บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย นอกจากกลุ่มโปรตีน 4 กลุ่มนี้ ยังมีโคเอนไซม์ Q และ cytochrome c ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้เพื่อช่วยในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนระหว่างกลุ่มโปรตีน ดังกล่าว http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

Structure of mitochondria http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/mitochondria.htm

ATP ถูกสร้างขึ้นได้อย่างไร ? ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอน โปรตอน ( H+) ถูกปั๊มจากแมทริกซ์ ผ่าน เยื่อหุ้มชั้นในออกไปด้านนอกที่ติดกับไซโตซอล ความแตกต่างของโปรตอน ( proton gradient) ใน 2 ด้านของเยื่อหุ้มชั้นในหรือที่บางครั้ง เรียกว่า แรงขับเคลื่อนโปรตอน (proton-motive force) จะถูกนำมาใช้ในการสร้าง ATP โดยกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

oxidative phosphorylation และการสร้าง ATP ซึ่งเชื่อมโยงกันด้วยการไหลของโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนไม่ได้เป็นตัวสร้าง ATP โดยตรง หน้าที่ของมัน คือ นำอิเล็กตรอนที่ได้จากสารอาหาร (ในรูปของ NADH และ FADH2) ไปยัง O2 ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนในแต่ละช่วงจะเกิดพลังงานอิสระในปริมาณมากพอที่จะนำไปสร้าง ATP http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแต่ละขั้นตอนที่เกิดต่อกันเป็นทอดๆ ตลอดระบบจาก complex I - IV http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

Also each FADH2 can pump 4 H+s Also each FADH2 can pump 4 H+s. Therefore each FADH2 can cause 2ATP to be made http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/krebscycle.htm #The%20Electron%20Transport%20Chain%20and%20Proton%20Pumping

กลไกการถ่ายทอดอิเล็กตรอน ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอนไม่ได้เป็นตัวสร้าง ATP โดยตรง หน้าที่ของมันคือ นำอิเล็กตรอนที่ได้จากสารอาหาร (ในรูปของ NADH และ FADH2) ไปยัง O2 ระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนในแต่ละช่วงจะเกิดพลังงานอิสระในปริมาณมากพอที่จะนำไปสร้าง ATP

กลไกการถ่ายทอดอิเล็กตรอน อาจแบ่งได้เป็น 4 ช่วง 1) NADH ส่งอิเล็กตรอนให้ complex I NADH + Q + 5 H+matrix       N AD+ + QH 2 + 4 H+cytosol 2) FADH2 ส่งอิเล็กตรอนให้ complex II 3) อิเล็กตรอนถูกถ่ายทอดจากโคเอนไซม์ Q ผ่าน complex III ไปยังไซโตโครม c QH 2 + 2 Cyt ox + 2 H+matrix      Q + 2 Cyt c red + 4 H+cytosol 4) อิเล็กตรอนถูกส่งจากไซโตโครม c ไปยัง O2 ผ่าน complex IV 4 Cyt c red + 8 H+matrix + O 2              4 Cyt c ox + 2 H 2O + 4 H+cytosol

oxidative phosphorylation การถ่ายทอด 2 อิเล็กตรอนจาก NADH หรือ FADH2 ไปยังโมเลกุลของ O2 ทำให้เกิดพลังงานอิสระ = -53 และ -36 kcal /mol ตามลำดับ กระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน จะจับพลังงานนี้ไว้ในรูปของฟอสเฟตพลังงานสูงของ ATP NADH + O 2 + H+  ↔  H2O + NAD+   G ํ = -53 kcal/mol

proton gradient หรือ proton-motive force http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

The Electron Transport Chain and Proton Pumping http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/krebscycle.htm #The%20Electron%20Transport%20Chain%20and%20Proton%20Pumping

The Electron Transport Chain and Proton Pumping http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/krebscycle.htm #The%20Electron%20Transport%20Chain%20and%20Proton%20Pumping

electrochemical gradient หรือ แรงขับเคลื่อนโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย มาจากแรง 2 ชนิด คือ ความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้ม ( V) และความแตกต่างของความเข้มข้นของ H+ ( pH) แรงทั้ง 2 อย่างนี้ จะรวมกันเกิดเป็นแรงขับเคลื่อนโปรตอน เพื่อนำ H+ ผ่านเยื่อหุ้มชั้นในกลับไปยังแมทริกซ์ เพื่อให้เกิดการสร้าง ATP โดย ATP synthase http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

โครงสร้างของ ATP synthase ATP synthase ประกอบไปด้วย 2 ส่วน มีชื่อเรียกว่า Fo และ F1 โดยที่ส่วน Fo ที่ทำหน้าที่ ลำเลียงโปรตอน (จากด้านนอกของเยื่อหุ้มชั้นในเข้ามาในแมทริกซ์ขณะที่มีการสร้าง ATP) ส่วน F1 ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาสร้าง ATP (catalytic unit) http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

http://mil. citrus. cc. ca http://mil.citrus.cc.ca.us/cat2courses/bio104/ChapterNotes/Chapter07notesLewis.htm

การทำงานของเอนไซม์ ATPase ตามทฤษฎีของ Paual Boyer ด้วยกลไก binding – change การหมุนของโปรตีน γ (เนื่องจากมี H+ ไหลผ่าน) ทำให้หน่วย β ทั้ง 3 หน่วย เปลี่ยนโครงสร้าง สามมิติกลับไปมาใน 3 รูปแบบ คือแบบ T ที่มี ATP ที่สร้างใหม่ แต่ปล่อยออกไม่ได้ จะเปลี่ยนเป็นแบบ Oซึ่งปล่อย ATP ออกไป และจับ ADP , Pi ตัวใหม่ และเปลี่ยนเป็นแบบ L เพื่อที่จะจับกับ ADP, Pi ให้แน่นขึ้นเพื่อจะเริ่มการสร้าง ATP ในรอบใหม่ http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html

http://mil. citrus. cc. ca http://mil.citrus.cc.ca.us/cat2courses/bio104/ChapterNotes/Chapter07notesLewis.htm

Reference http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/respiration.htm http://mil.citrus.cc.ca.us/cat2courses/bio104/ChapterNotes/Chapter07notesLewis.htm http://www.il.mahidol.ac.th/index_thai.html

Thank you Miss Lampoei Puangmalai Major of biology Department of science St. Louis College Chachoengsao

Structure of mitochondria http://www.il.mahidol.ac.th/course/respiration/Lesson4_menu.html