Introduction to Metabolism 01402313 ชีวเคมี II Introduction to Metabolism

Metabolic Pathway Metabolism (เมแทบอลิซึม) คือ กระบวนการทั้งหมดในสิ่งมีชีวิตทั้งการย่อยสลายและการสังเคราะห์สาร เพื่อการดำรงชีวิต Phototrophs ได้แก่พืชและแบคทีเรียบางชนิด ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในการสร้างอาหาร Chemotrophs ได้พลังงานจากการ oxidize สารอินทรีย์ พลังงานที่ได้ จะนำไปสร้างเป็นสารประกอบพลังงานสูง เช่น ATP

Metabolic Pathway Metabolic pathways คือ ชุดของปฏิกิริยาที่ใช้เอนไซม์ มีลำดับต่อเนื่องกันไปเพื่อใช้สร้างสารต่าง ๆ สารตั้งต้น สารตัวกลาง และผลิตภัณฑ์ รวมกันเรียกว่า metabolites Catabolism หรือ degradation คือ การย่อยสารอาหาร เพื่อให้ได้พลังงาน หรือย่อยองค์ประกอบของเซลล์ เพื่อนำองค์ประกอบมาใช้ใหม่ (salvage)

Metabolic Pathway Anabolism หรือ biosynthesis คือ กระบวนการสังเคราะห์สารชีวโมเลกุล จากสารโมเลกุลเล็ก พลังงานที่ได้จาก catabolism นำมาเก็บไว้ โดยวิธีสังเคราะห์ ATP จาก ADP และ phosphate หรืออาจจะเก็บไว้ในรูป NADPH โดยการ reduction NADP+

Metabolic Pathway

Metabolic Pathway ลักษณะเด่นของ catabolism คือ เปลี่ยนสารอาหารต่าง ๆ ที่หลากหลายให้กลายเป็น common intermediate เช่น เปลี่ยนคาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมันให้กลายเป็น acetyl CoA ส่วนกระบวนการ anabolism เปลี่ยนสารตั้งต้นไม่กี่ชนิดให้กลายเป็นสารผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่หลากหลายได้

Metabolic Pathway หลักใหญ่ 5 ข้อของ metabolic pathway Metabolic pathways are irreversible. Catabolic and anabolic pathways must differ.

Metabolic Pathway 3. Every metabolic pathway has a first committed step. 4. All metabolic pathways are regulated. 5. Metabolic pathways in eukaryotic cells occur in specific cellular locations.

Metabolic Pathway

Metabolic Pathway

Organic Reaction Mechanisms ปฏิกิริยาแทบทั้งหมดใน metabolic pathways เป็นปฏิกิริยาอินทรีย์ที่เร่งโดยเอนไซม์ แบ่งออกได้เป็น 4 ประเภทใหญ่ ๆ 1. group-transfer reactions 2. oxidations and Reductions 3. elimination, isomerization and rearrangement 4. reaction that make or break C-C bonds

Organic Reaction Mechanisms Chemical logic

Organic Reaction Mechanisms สารประกอบที่เกี่ยวข้องกับ heterolytic bond cleavage แบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่มกว้าง ๆ คือ Electron rich = nucleophile Electron deficient = electrophile

Organic Reaction Mechanisms Nucleophile ที่สำคัญในสิ่งมีชีวิต คือ amino, hydroxyl, imidazole และ sulfhydryl

Organic Reaction Mechanisms Electrophile ที่พบบ่อยในปฏิกิริยาชีวเคมี คือ H+, metal ions, อะตอมคาร์บอนของหมู่ carbonyl และ cationic imines

Organic Reaction Mechanisms

Organic Reaction Mechanisms Group transfer reaction

Organic Reaction Mechanisms Group transfer reaction ที่พบบ่อยในชีวเคมี มี 3 ชนิดคือ 1. Acyl group transfer เช่น การ hydrolysis พันธะ peptide ด้วยเอนไซม์ chymotrypsin 2. Phosphoryl group transfer เช่น ปฏิกิริยาที่เร่งโดนเอนไซม์ hexokinase 3. Glycosyl group transfer คือ การเปลี่ยนหมู่ที่ C1 ของวงแหวนน้ำตาล

Organic Reaction Mechanisms Oxidation-reduction ที่พบใน metabolic pathway มักจะเกี่ยวข้องกับการตัดพันธะ C-H แล้วมี NAD+ มารับอิเล็กตรอน

Organic Reaction Mechanisms elimination, isomerization and rearrangement ปฏิกิริยา elimination ทำให้ได้ C=C โดยสารที่ถูกกำจัดออก เช่น H2O, NH3, ROH และ RNH2

Organic Reaction Mechanisms - Isomerization ย้ายตำแหน่งของพันธะคู่ เช่น การเปลี่ยนไปมาระหว่าง aldose-ketose - rearrangement ไม่ค่อยพบบ่อย เช่น การเปลี่ยน L-methymalonyl-CoA เป็น succinyl-CoA

Organic Reaction Mechanisms reaction that make or break C-C bonds เช่น ปฏิกิริยาในกระบวนการย่อยสลาย glucose เป็น CO2 และปฏิกิริยาของเอนไซม์ fatty acid synthase

Experimental Approaches to the Study of Metabolism ดูว่าลำดับของปฏิกิริยาจากสารตั้งต้นเป็นสารผลิตภัณฑ์เป็นอย่างไร ตลอดจนพลังงานที่ใช้ในแต่ละขั้นตอน ดูกลไกของปฏิกิริยา ซึ่งต้องอาศัยการแยกเอนไซม์แต่ละขั้นตอนออกมาศึกษา ดูว่ามีกลไกอะไรควบคุมปฏิกิริยาในแต่ละขั้นตอน

Experimental Approaches to the Study of Metabolism Metabolic inhibitors, Growth studies and Biochemical genetics Pathway intermediates accumulate in the presence of metabolic inhibitors pathway แรกที่ศึกษาจนประสบความสำเร็จคือ การเปลี่ยน glucose เป็น ethanol ในยีสต์ เช่น ใช้ iodoacetate เป็นตัวยับยั้งเอนไซม์ ทำให้เกิดการสะสม fructose-1,6-bisphosphate

Experimental Approaches to the Study of Metabolism Genetic defects also cause metabolic intermediate to accumulate เช่น ภาวะ alcaptonuria จะขับถ่าย homogentisic acid ออกมาในปัสสาวะ เพราะตับขาดเอนไซม์ย่อย phenylketonuria สะสม phenylpyruvate ในปัสสาวะ

Experimental Approaches to the Study of Metabolism Metabolic block can be generated by genetic manipulation ใช้สาร mutagen, X-ray หรือพันธุวิศวกรรม สร้าง auxotrophic mutant (ต้องการสารอาหารบางชนิดเป็นพิเศษ) สร้าง transgenic organism

Experimental Approaches to the Study of Metabolism Isotope in biochemistry ใช้ติดฉลาก (label) โมเลกุล โดยไม่ส่งผลกระทบต่อสมบัติทางเคมีของโมเลกุลนั้น ๆ

Experimental Approaches to the Study of Metabolism Isolated organs, cells and subcellular organelle ทำ tissue culture ใช้เอนไซม์ย่อยเนื้อเยื่อ เช่น trypsin, collagenase ศึกษา metabolism ในเซลล์แต่ละชนิด

Experimental Approaches to the Study of Metabolism Systems biology การนำข้อมูลการค้นพบทั้งเก่าและใหม่มาวิเคราะห์ จัดระบบ เพื่อใช้ศึกษาการทำงานของสิ่งมีชีวิต