พลังงานในสิ่งมีชีวิต นำเสนอโดย ผศ.ดร.สมาน แก้วไวยุทธ

พลังงานในสิ่งมีชีวิต (BIOENERGETICS)  มีหลายรูป เช่น :-  ATP (Adenosine Triphosphate)  NADH + H+  B5 (Nicotinic acid)  FADH2  B2 (Riboflavin)  NADPH + H+  Creatine phosphate Reducing Equivalent ATP นำไปใช้กว้างขวางที่สุด สะดวกที่สุด

1, 3 – diPGA + ADP  3 – PGA + ATP Phosphorylation I. Substrate level phosphorylation  สร้าง ATP จากสารอินทรีย์พลังงานสูง 1, 3 – diPGA + ADP  3 – PGA + ATP II. Oxdative phosphorylation  สร้าง ATP จากปฏิกิริยา oxidation NADH + H+ oxidation NAD+ + 2H+ + 2e ADP + Pi  ATP

พบใน Autotrophs เท่านั้น III. Photophosphorylation  สร้าง ATP โดยอาศัยพลังงานแสง 2hr 2e Photooxidation chl. chl.+2 ADP + Pi ATP พบใน Autotrophs เท่านั้น

ester bond AMP Anhydride bond ADP Pi ATP 3.4 kcal ester bond AMP Anhydride bond 7.3 kcal ADP Pi 7.3 kcal ATP

ENDERGONIC REACTION PHOSPHORYLATION ENDERGONIC REACTION HYDROLYSIS ATP Pi > 7.3 kcal/mol H2O 7.3 kcal/mol Pi ADP Pi > 7.3 kcal/mol H2O 7.3 kcal/mol Pi AMP HYDROLYSIS ENDERGONIC REACTION PHOSPHORYLATION Pi ENDERGONIC REACTION > 3.4 kcal/mol H2O 3.4 kcal/mol Pi Adenosine ATP > ADP > AMP

Alcoholic fermentation Lactic acid fermentation I. Aerobic respiration 1.1 Glycolysis 1.2 Pyruvate oxidation 1.3 Krebs cycle 1.4 Electron transport system (ETS) II. Anareobic respiration 2.1 Glycolsis 2.2 Fermentation Alcoholic fermentation Lactic acid fermentation

การหายใจ (Respiration) การหายใจในทางชีวเคมี หมายถึง ปฏิกิริยาการสลายสารอาหารอินทรีย์ภายในเซลล์ เพื่อให้ได้พลังงานในรูป ATP ซึ่งมักจะเรียกว่า การหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration) ซึ่งแบ่งเป็น 2 ประเภท ได้แก่ 1. การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (aerobic respiration) 2. การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic respiration)

การหายใจแบบใช้ออกซิเจน การหายใจแบบใช้ออกซิเจน จะใช้แก๊สออกซิเจน (O2) เป็นตัวสุดท้ายที่รับไฮโดรเจนจากสารอาหาร ซึ่งแบ่งเป็น 4 ขั้น คือ 1. ไกลโคลิซิส (glycolysis) 2. การสร้างอะซิติลโคเอนไซม์ เอ หรือออกซิเดชันกรดไพรูวิก (pyruvate dehydrogenase complex pathway หรือ pyruvate oxidation) 3. วัฏจักรเครบส์ หรือวัฏจักรกรดซิตริก (Krebs cycle หรือ Citric acid cycle) 4. ระบบการถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport system)

 Phosphoglycerokinase 2 ADP  Phosphoglycerokinase 2 ADP  Pyruvate kinase

ผลลัพธ์ Glycolysis cytoplasm C6H12O6 2 C3H4O3 4H 2ATP (2 NADH + H+) (Pyruvic acid) 4H 2ATP (2 NADH + H+) ผลลัพธ์ 1. C3H4O3 2 โมเลกุล 2. ATP สุทธิ 2 โมเลกุล (เกิด 4 ATP, ใช้ 2 ATP) 3. 4H (2 NADH + H+)  เกิดใน cytoplasm 

2. ถ้าเริ่มต้นจากกลูโคส 1 โมเลกุล จะได้ 2.1 กรดไพรูวิก 2 โมเลกุล ไกลโคลิซิส 1. ไกลโคลิซิส เป็นกระบวนการสลายกลูโคสหรือไกลโคเจนไปเป็นกรดไพรูวิก (C3H4O3) ซึ่งเกิดในไทโทพลาซึมของเซลล์ทุกเซลล์ไม่ว่าจะมีแก๊สออกซิเจน (O2) หรือไม่มีก็ตาม แต่ไม่ใช้แก๊สออกซิเจนเข้าร่วมปฏิกิริยา 2. ถ้าเริ่มต้นจากกลูโคส 1 โมเลกุล จะได้ 2.1 กรดไพรูวิก 2 โมเลกุล 2.2 NADH + H+ 2 โมเลกุล (4H) 2.3 ATP สุทธิ 2 โมเลกุล

การออกซิเดชันกรดไพรูวิก 1. การออกซิเดชันกรดไพรูวิกหรือการสร้างอะซิติลโคเอนไซม์ เอ เป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันของกรดไพรูวิกไปเป็นอะซิติลโคเอนไซม์ เอ (CH3 – C – S – COA) ซึ่งเกิดในแมทริกซ์ (matrix) ของไมโทคอนเดรียเมื่อมี O2 เป็นตัวเหนี่ยวนำ (inducer) ไม่ใช้ O2 เข้าร่วมปฏิกิริยา O 2. ถ้าเริ่มต้นจากกลูโคส 1 โมเลกุล หรือกรดไพรูวิก 2 โมเลกุล จะได้ 2.1 อะซิติลโคเอนไซม์ เอ 2 โมเลกุล 2.2 CO2 2 โมเลกุล 2.3 NADH + H+ 2 โมเลกุล (4H)

การสร้าง Acetyl COA CH3 – C – C –OH (Pyruvic acid) = 3 C CO2 Decarboxylation O CH3 – C – H (acetaldehyde) = 2 C -lipoic acid (oxidised form) CH2 – CH2 – CH – (CH2)4 – C – OH NAD+ NADH + H+ I S H I S H -lipoic acid -lipoic acid (reduced) O COASH (Coenzyme A) CH3 – C – S – COA (acetyl COA) COASH O O CH3 – C – H CH3 – C – S - COA NAD + NADH + H+

การสร้าง Acetyl COA O2  inducer O2 present 2 COASH 2 C3H4O3 2 CH3 – C – S – COA Decarbo xylation (2/3 ของ C ใน C6H12O6) + 2 CO2 (1/3 ของ C ใน C6H12O6) + 2 NADH + H+ (4H)  ไม่มี ATP อิสระเกิดขึ้น  เกินใน matrix ของ mitochondria เมื่อมี O2 แต่ O2 ไม่ได้เข้าร่วมปฏิกิริยาโดยตรง O2  inducer

Krebs cycle 6C  5C  4C 2 Krebs cycle 2 CH3 – C – S – COA 4 CO2 (2C) + 6 NADH + H+ + 2 FADH2 + 2 GTP (ATP)  เกินใน matrix ของ mitochondria เมื่อมี O2 แต่ O2 ไม่ได้เข้าร่วมปฏิกิริยาโดยตรง  การเปลี่ยนแปลง C ใน Krebs cycle 2C  6C  5C  4C 6C  5C  4C 2C CO2 6C 4C 5C CO2

วัฏจักรเครบส์ 1. วัฏจักรเครบส์ เป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันของอะซิติล- โคเอนไซม์ เอ ไปเป็น CO2 ซึ่งเกิดที่แมทริกซ์ของ ไมโทคอนเดรียเมื่อมี O2 แต่ไม่ใช้ O2 เข้าร่วมปฏิกิริยา การย่นหน้าผาก 2. ถ้าเริ่มต้นจากกลูโคส 1 โมเลกุล หรือะซิติลโคเอนไซม์ เอ 2 โมเลกุล จะได้ 2.1 CO2 4 โมเลกุล (2 CO2 / วัฏจักรเครบส์) 2.2 NADH + H+ 6 โมเลกุล (3 NADH + H+ / วัฏจักรเครบส์) 2.3 FADH2 2 โมเลกุล (1 FADH2 / วัฏจักรเครบส์) 2.4 GTP 2 โมเลกุล (1 GTP / วัฏจักรเครบส์) (GTP เมื่อเกิดปฏิกิริยาไฮโดรลิซิสจะให้พลังงานเท่ากับ ATP)

3. ลำดับการเปลี่ยนแปลงของคาร์บอน (C) ในวัฏจักรเครบส์เป็นดังนี้ คือ 6C  5C  4C หรือ 2C  6C  5C  4C หรือ 6C 2C 4C 5C 4. วัฏจักรเครบส์ เป็นปฏิกิริยาที่สลายสารอาหารอินทรีย์ให้เป็น CO2 โดยสมบูรณ์ และเป็นปฏิกิริยาที่เกิดไฮโดรเจนพลังงานสูง (H) มากที่สุดถึง 2 ใน 3 ของ H ทั้งหมดจากกลูโคส (16/24)

ความสำคัญของ Krebs cycle 1. สลายสารอาหารอินทรีย์ (C – อินทรีย์) ให้เป็นสารอนินทรีย์ (CO2) ได้หมดสิ้นสมบูรณ์ 2. เกิด H พลังงานสูงมากที่สุด 2/3 ของ H จาก C6H12O6 (16/24 H) 3. ปฏิกิริยากลางของการสลายทั้ง Carbohydrate, Lipid, Protein