Energy transformation การสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงาน

การเปลี่ยนรูปพลังงานและการหมุนเวียนสารเคมีในระบบนิเวศ Chloroplast และ mitochondria เป็น organelles ที่เปลี่ยนพลังงานรูปหนึ่งไปอีกรูปหนึ่ง ในChloroplast เกิดกระบวนการ photosynthesis ซึ่งพลังงานแสงถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานสะสมในคาร์โบไฮเดรต ที่ mitochondria เกิดกระบวนการ cellular respiration พลังงานที่เก็บไว้ในคาร์โบไฮเดรตจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานในรูป ATP ซึ่งสิ่งมีชีวิตจะนำไปใช้ในเซลล์ต่อไป มีพลังงานบางส่วนสูญเสียไปกับความร้อน

ATP (Adenosine triphosphate) เป็นสารเคมีที่มีพลังงานสูงพร้อมที่จะแตกตัวปล่อยให้พลังงานออกมาใช้ที่ใดที่หนึ่งได้

เมื่อ ~P สลายภายในเซลล์ พลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน และบางส่วนถูกนำไปใช้ทำงาน และเมื่อ ATP ถ่ายทอด ~P ให้กับโมเลกุลของสารอื่น โมเลกุลของสารนั้นจะได้พลังงานเพิ่มขึ้นด้วย ทำให้เกิดปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่นต่อไป ดังนั้นพลังงานจาก ATP สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ได้

ATP เมื่อถูกใช้แล้วสามารถสร้างกลับมาใหม่ได้

พลังงานในรูป ATP ถูกนำไปใช้ทำงานต่างๆภายในเซลล์

ATP สร้างขึ้นอย่างไร เรียกกระบวนการสร้าง ATP ว่า Phosphorylation มีวิธีการสร้างหลายแบบ Oxidative phosphorylation Substrate phosphorylation Photophosphorylation

Oxidative phosphorylation การสร้าง ATP จากการถ่ายทอด e- ผ่านสารนำ e- เช่น NADH, FADH2 ใน e- transport chain ที่ mitochondria และมี O2 เป็นตัวรับ e- ตัวสุดท้าย

Substrate phosphorylation ATP ถูกสร้างโดยการถ่ายทอด ~P จากสารที่มีพันธะเคมีพลังงานสูงกว่ามายัง ADP โดยตรง โดยมี enzyme กระตุ้น

Photophosphorylation แสงทำให้ e- จากน้ำ ถูกถ่ายทอดไปตาม e- transport chain ใน chloroplast ได้พลังงานในรูป ATP

Metabolic pathway A B C D E E1 E2 E3 E4 กระบวนการ metabolism เป็นผลของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์ เริ่มต้นจาก A B C D E E1 E2 E3 E4 ในแต่ละขั้นตอนจะอาศัย enzymes เป็นตัวเร่งให้เกิดปฏิกิริยา

Enzyme ช่วยเร่งให้เกิดปฏิกิริยาโดยตัวเองไม่เปลี่ยนแปลงเป็นสารอื่น เร่งปฏิกิริยาเฉพาะ การทำงานต้องการ optimum factors

The induced fit between an enzyme and its substrate

The catalytic cycle of an enzyme

อัตราการเร่งปฏิกิริยาเคมีโดย enzyme ขึ้นกับ Temperture pH Inhibition (noncompetitive inhibition, Competitive inhibition)

Environmental factors affecting enzyme activity Temperature

pH

NAD+ = nicotinamide adenine dinucleotide

ทำงานร่วมกับ enzyme โดยเป็นตัวรับ e- ในปฏิกิริยา oxidation-reduction NAD+ พบในเซลล์ ทำงานร่วมกับ enzyme โดยเป็นตัวรับ e- ในปฏิกิริยา oxidation-reduction Oxidation R C R’ + NAD+ R C R’’ + NADH + H+ H OH O Dehydrogenase Reduction NAD+ = oxidized coenzyme NADH = reduced coenzyme

Cellular respiration รวมหมายถึง 2 กระบวนการ คือ - Aerobic cellular respiration - Fermentation

Aerobic cellular respiration เป็นกระบวนการย่อยสารอาหาร เพื่อให้ได้ ATP และมี O2 เป็นตัวรับ e- ตัวสุดท้าย Organic compounds (food) + Oxygen CO2 + H2O + energy

แต่โดยทั่วไป cellular respiration จะอธิบายถึง Oxidation ของ glucose 6C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energy

Fermentation เป็นกระบวนการย่อยสารอาหาร เพื่อให้ได้ ATP โดยมี organic compounds เป็นตัวรับ e- เป็น anaerobic process เป็นการย่อยสลาย glucose เพียงบางส่วน ผลได้ lactate (animal cell) หรือ CO2 + alcohol (yeast) ได้ 2 ATP

Aerobic cellular respiration ประกอบด้วย Glycolysis Krebs cycle Electron transport chain (ETC) and oxidative phosphorylation

Aerobic cellular respiration

เมื่อร่างกายของเราเกิดการเผาผลาญ glucose ในเซลล์แล้ว ได้ product ร่างกายทำอย่างไร คนเราหายใน O2 เข้าไปในปอด และรับประทานอาหาร glucose ซึ่ง O2 และ glucose เข้าไปในกระแสเลือด แล้วเข้าไปในเซลล์ Glycolysis เกิดขึ้นที่ cytoplasm ได้ pyruvate Pyruvate เข้าไปใน mitochondria และถูกเผาผลาญต่อไป จนได้ CO2 + H2O + พลังงานในรูป ATP CO2 , H2O และ ATP แพร่ออกจาก mitochondria ไปยัง cytoplasm ATP ถูกนำไปใช้ประโยชน์ภายในเซลล์ CO2 แพร่ออกจากเซลล์ เข้าไปในกระแสเลือด และหายใจออกไป ส่วน H2O จะถูกนำไปใช้ในเซลล์

Glycolysis

โปรตีนที่อยู่ที่ผิวของ mitochondria จะขนส่ง pyruvate เข้าไปใน mitochondria Net: 2 Pyruvate 2 Acetyl CoA + 2NADH 2C2O ออกจากเซลล์

Krebs cycle เกิดที่ mitochondria matrix

ใน 2 Krebs cycle / 1 Glucose 2 Acetyl CoA 4CO2 + 6NADH2 +2 FADH2 + 2 ATP (substrate level phosphorylation) e- transport chain

The pathway of electron transport ETC ประกอบด้วย electron carrier molecules (ตัวรับ e-)ที่อยู่ใน inner mitochondrial membrane ตัวรับ e- จะรับเฉพาะ e- H+ จะถูกปล่อยออกมาและถูกส่งออกไปที่ intermembrane space

สรุปว่า O2 จะเป็นตัวรับ e- ตัวสุดท้าย แล้วรวมกับ H+ กลายเป็น H2O ETC ไม่ทำให้สร้าง ATP โดยตรง แต่ทำให้เกิด H+ gradient ที่ผนังด้านในของ mitochondria ซึ่งทำให้สะสมพลังงานมากพอที่จะทำให้เกิด phosphorylation

ATP synthase เป็น protein cmplex ทำหน้าที่สังเคราะห์ ATP ซึ่งจะทำงานได้โดยการไหลผ่านของ H+ การสร้าง ATP แบบนี้เรียกว่า Chemiosmotic ATP synthesis

Electron transport chain and oxidative phosphorylation

Review: how each molecules of glucose yields many ATP molecules during cellular respiration

(Backup ATP production) Fermentation (Backup ATP production) Glycolysis Pyruvate Lactate (animal) CO2 + alcohol (yeast) หรือ อาจจะได้ product อื่นๆ ขึ้นอยู่กับ enzyme ในสิ่งมีชีวิตนั้น

ผลของ fermentation จะได้ 2ATP NADH ที่ได้จาก fermantation จะถูกเปลี่ยนเป็น NAD+ เพื่อใช้ใน glycolysis ได้

Alcohol fermentation (yeast)

Lactic acid fermentation (animal cell)

Pyruvate as a key junction in catabolism ผลของ Glycolysis คือ pyruvate ซึ่งจะถูกเผาผลาญต่อไปด้วย fermentation หรือ aerobic cellular respiration แล้วแต่ว่าจะอยู่ในภาวะที่มี O2 หรือไม่ สำหรับเซลล์ที่สามารถเกิดกระบวนการหายใจได้ทั้ง 2 แบบ

ถึงแม้ว่า fermantation จะได้พลังงานน้อย แต่ก็สำคัญเพราะว่าทำให้ได้ ATP อย่างรวดเร็ว ในร่างกายของเรา muscle cell จะเกิด fermentation มากในขณะที่ร่างกายทำงานหนักในระยะเวลาสั้น เช่น วิ่ง fermentation เป็นกระบวนการให้เกิด ATP และ lactate ใน muscle cell ในตอนแรก เมื่อมีจำนวนมากขึ้นทำให้เกิดอาการเมื่อยล้า เนื่องจากมีสภาพเป็นกรดมาก เมื่อหยุดวิ่งร่างกายหายใจแรงเป็นการนำเอา O2 มาใช้เพิ่มมากขึ้น lactate จะถูกส่งไปที่ตับ และถูกเปลี่ยนเป็น pyruvate ในเซลล์ของยีส ถ้ามี glucose จำนวนมาก ยีสจะหายใจแบบ anaerobic ได้เป็น alcohol เมื่อมี alcohol เพิ่มจำนวนมากขึ้นจะทำให้ยีสตายได้ จากการที่ค้นพบกระบวนการ fermentation จึงนำมาใช้ประโยชน์ได้มากมาย

The catabolism of various food molecules ร่างกายของเราได้พลังงานส่วนใหญ่จาก fats, proteins, disaccharides และ polysaccharides ที่กินเข้าไป โมเลกุลเหล่านี้ถูกย่อยให้เป็นโมเลกุลที่เล็กลงด้วย enzymes ซึ่งสามารถจะเข้าไปในกระบวนการ glycolysis หรือ Krebs cycle ได้