ชีววิทยาเรื่อง การหายใจระดับเซลล์...

Energy transformation

การเปลยนรปพลงงานและการหมนเวยนสารเคมในระบบนเวศ

Chloroplast และ mitochondria เปน organelles

ทเปลยนพลงงานรปหนงไปอกรปหนง

ในChloroplast เกดกระบวนการ photosynthesis ซงพลงงานแสงถกเปลยนเปนพลงงานสะสมในคารโบไฮเดรต

ท mitochondria เกดกระบวนการ cellular respiration

พลงงานทเกบไวในคารโบไฮเดรตจะถกเปลยนเปนพลงงานในรป ATP ซงสงมชวตจะน าไปใชในเซลลตอไป

มพลงงานบางสวนสญเสยไปกบความรอน

ATP (Adenosine triphosphate)

เปนสารเคมทมพลงงานสงพรอมทจะแตกตวปลอยใหพลงงานออกมาใชทใดทหนงได

เมอ ~P สลายภายในเซลล พลงงานบางสวนจะสญเสยไปในรปของความรอน และบางสวนถกน าไปใชท างาน และเมอ ATP ถายทอด ~P ใหกบโมเลกลของสารอน โมเลกลของสารนนจะไดพลงงานเพมขนดวย ท าใหเกดปฏกรยากบโมเลกลอนตอไป ดงนนพลงงานจาก ATP สามารถท าใหเกดปฏกรยาเคมภายในเซลลได

ATP เมอถกใชแลวสามารถสรางกลบมาใหมได

พลงงานในรป ATP ถกน าไปใชท างานตางๆภายในเซลล

ATP สรางขนอยางไร

เรยกกระบวนการสราง ATP วา Phosphorylation มวธการสรางหลายแบบ

1. Oxidative phosphorylation

2. Substrate phosphorylation

3. Photophosphorylation

Oxidative phosphorylation

การสราง ATP จากการถายทอด e- ผานสารน า e- เชน NADH,

FADH2 ใน e-

transport chain ท mitochondria และม O2 เปนตวรบ e- ตวสดทาย

Substrate phosphorylation

ATP ถกสรางโดยการถายทอด ~P จากสารทมพนธะเคมพลงงานสงกวามายง ADP

โดยตรง โดยม enzyme กระตน

Photophosphorylation

แสงท าให e- จากน า ถกถายทอดไปตาม e-

transport chain ใน chloroplast ไดพลงงานในรป ATP

Metabolic pathway กระบวนการ metabolism เปนผลของปฏกรยาเคมทเกดขนในเซลล

เรมตนจาก

A B C D E

E1 E2 E3 E4

ในแตละขนตอนจะอาศย enzymes เปนตวเรงใหเกดปฏกรยา

Enzyme ชวยเรงใหเกดปฏกรยาโดยตวเองไมเปลยนแปลงเปนสารอน

เรงปฏกรยาเฉพาะ

การท างานตองการ optimum factors

The induced fit between an enzyme

and its substrate

The catalytic cycle of an enzyme

อตราการเรงปฏกรยาเคมโดย enzyme ขนกบ

Temperture

pH

Inhibition (noncompetitive inhibition, Competitive inhibition)

Environmental factors affecting enzyme activity

Temperature

pH

A substrate can normally

bind to the active site of an

enzyme

Competitive

inhibitor

Noncompetitive

inhibitor

Inhibiton of enzyme activity

Cofactor : Helpers of enzymes

enzymes หลายชนดตองการ cofactor ทไมใชโปรตนชวยในการท างาน ตวอยางเชน ions ไดแก Mg ++, K+, Ca ++

cofactors อนๆ เชน organic molecules เมอรวมกบ enzymes แลวจะเปนเหมอน carrier ส าหรบ chemical

group หรอ e-

Coenzymes หลายชนดมขนาดใหญ รางกายไมสามารถสรางได นอกจากการกน vitamine เขาไป ซง vitamine หลายชนด เชน niacin, thamin (vit B1), riboflavin, folate และ biotin เปนสวนส าคญสวนหนงของ coenzymes

ตวอยางเชน NAD+, NADP+, FAD

NAD+ = nicotinamide adenine dinucleotide

NAD+

พบในเซลล

ท างานรวมกบ enzyme โดยเปนตวรบ e- ในปฏกรยา 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

รวมหมายถง 2 กระบวนการ คอ

Aerobic cellular respiration

Fermentation

Aerobic cellular respiration

เปนกระบวนการยอยสารอาหาร เพอใหได ATP และม O2 เปนตวรบ e- ตวสดทาย

Organic

compounds

(food)

+ Oxygen CO2 + H2O + energy

แตโดยทวไป cellular respiration จะอธบายถง Oxidation ของ glucose

6C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energy

Fermentation

เปนกระบวนการยอยสารอาหาร เพอใหได ATP โดยม organic compounds เปนตวรบ e-

เปน anaerobic process

เปนการยอยสลาย glucose เพยงบางสวน ผลได lactate (animal cell) หรอ CO2 + alcohol

(yeast)

ได 2 ATP

Aerobic cellular respiration ประกอบดวย

Glycolysis

Krebs cycle

Electron transport chain (ETC) and

oxidative phosphorylation

Aerobic cellular respiration

เมอรางกายของเราเกดการเผาผลาญ glucose ในเซลลแลว ได product

รางกายท าอยางไร

คนเราหายใน O2 เขาไปในปอด และรบประทานอาหาร glucose ซง O2

และ glucose เขาไปในกระแสเลอด แลวเขาไปในเซลล

Glycolysis เกดขนท cytoplasm ได pyruvate

Pyruvate เขาไปใน mitochondria และถกเผาผลาญตอไป จนได

CO2 + H2O + พลงงานในรป ATP

CO2 , H2O และ ATP แพรออกจาก mitochondria ไปยง cytoplasm

ATP ถกน าไปใชประโยชนภายในเซลล CO2 แพรออกจากเซลล เขาไปในกระแสเลอด และหายใจออกไป สวน H2O จะถกน าไปใชในเซลล

Glycolysis

โปรตนทอยทผวของ mitochondria จะขนสง pyruvate

เขาไปใน mitochondria

2 Pyruvate 2 Acetyl CoA + 2NADH

2C2O ออกจากเซลล

Net:

Krebs cycle เกดท 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 ประกอบดวย

electron carrier molecules (ตวรบ e-)ทอยใน inner mitochondrial

membrane

ตวรบ e- จะรบเฉพาะ e-

H+ จะถกปลอยออกมาและถกสงออกไปท intermembrane space

O2 จะเปนตวรบ e- ตวสดทาย

แลวรวมกบ H+ กลายเปน H2O

½ O2 + 2e- + 2H+ H20

สรปวา

ETC ไมท าใหสราง ATP

โดยตรง แตท าใหเกด H+

gradient ทผนงดานในของ mitochondria ซงท าใหสะสมพลงงานมากพอทจะท าใหเกด

phosphorylation

ATP synthase เปน

protein cmplex ท าหนาทสงเคราะห ATP ซงจะท างานไดโดยการไหลผานของ H+

การสราง ATP แบบนเรยกวา Chemiosmotic ATP synthesis

Electron transport chain and oxidative phosphorylation

Review: how each molecules of glucose yields many

ATP molecules during cellular respiration

Fermentation

(Backup ATP production)

Glycolysis Pyruvate Lactate (animal)

CO2 + alcohol (yeast)

หรอ อาจจะได product อนๆ ขนอย กบ enzyme ในสงมชวตนน

ผลของ fermentation จะได 2ATP

NADH ทไดจาก fermantation จะถกเปลยนเปน NAD+ เพอใชใน glycolysis ได

Alcohol fermentation (yeast)

Lactic acid fermentation (animal cell)

Pyruvate as a key junction in catabolism

ผลของ Glycolysis

คอ pyruvate ซงจะถกเผาผลาญตอไปดวย

fermentation หรอ

aerobic cellular respiration แลวแตวาจะอยในภาวะทม O2

หรอไม ส าหรบเซลลทสามารถเกดกระบวนการหายใจไดทง 2 แบบ

ถงแมวา fermantation จะไดพลงงานนอย แตกส าคญเพราะวาท าใหได

ATP อยางรวดเรว ในรางกายของเรา muscle cell จะเกด

fermentation มากในขณะทรางกายท างานหนกในระยะเวลาสน เชน วง fermentation เปนกระบวนการใหเกด ATP และ lactate ใน

muscle cell ในตอนแรก เมอมจ านวนมากขนท าใหเกดอาการเมอยลา เนองจากมสภาพเปนกรดมาก เมอหยดวงรางกายหายใจแรงเปนการน าเอา O2 มาใชเพมมากขน lactate จะถกสงไปทตบ และถกเปลยนเปน

pyruvate

ในเซลลของยส ถาม glucose จ านวนมาก ยสจะหายใจแบบ

anaerobic ไดเปน alcohol เมอม alcohol เพมจ านวนมากขนจะท าใหยสตายได

จากการทคนพบกระบวนการ fermentation จงน ามาใชประโยชนไดมากมาย

The catabolism of

various food molecules

รางกายของเราไดพลงงานสวนใหญจาก fats, proteins,

disaccharides และ polysaccharides ทกนเขาไป โมเลกลเหลานถกยอยใหเปนโมเลกลทเลกลงดวย

enzymes ซงสามารถจะเขาไปในกระบวนการ glycolysis หรอ Krebs

cycle ได

The control of

cellular respiration

กลไกทควบคมกระบวนการยอยสารอาหารใหไดพลงงาน หรอการสงเคราะหในรางกาย สวนใหญเปน

feedback inhibition

กระบวนการ Glycolysis และ Krebs cycle ควบคมโดย

Phosphofructokinase

ปรมาณ ATP, ADP และ AMP มผลตอการท างานของ Phosphofructokinase

ADP, AMP เปน allosteric activators ถามมากจะเรงการท างานของ enzyme ใหมาก มผลให Glycolysis

และ Krebs cycle เกดมากขน ดงนน ATP จะมปรมาณมากขน

Citrate และ ATP เปน allosteric inhibitors ถามมาก enzyme ตวนจะท างานนอย ดงนน glycolysis เกดนอย acetyl Co A จะมปรมาณนอยดวย

Photosynthesis

แบงออกเปน 2 ขนตอน

1. Light reactions

2. Calvin cycle

Light reactions:

เกดขนท thylakoid membranes

เปนกระบวนการทเปลยนพลงงานแสงไปเปนพลงงานเคมของ ATP และ NADPH

ให O2 ออกมาสบรรยากาศ

Calvin cycle reactions:

เกดขนท stroma

เปนกระบวนการทใช CO2 สรางเปน sugur โดยใชพลงงานทไดจาก Light reaction (ATP, NADPH)

ให ADP, Pi, NADP+กลบไปใชใน light reaction

Comparison of aerobic cellular respiration

and photosynthesis

Differences:

Energy + 6CO2 + 6H2O C6H12O6 +6O2

Photosynthesis

Aerobic cellular respiration