การสลายสารอาหารระดับเซลล์ จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อภิปราย สรุปโครงสร้างและหน้าที่ของส่วนต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสลายสารอาหาร ระดับเซลล์ อะไรบ้างที่เกี่ยวข้องกับการสลายสารอาหารระดับเซลล์ การสลายสารอาหารระดับเซลล์ สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องใช้พลังงาน (Energy) ในการดำรงชีพหรือทำกิจกรรมต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต เช่น การเคลื่อนไหว การตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม การควบคุมการทำงานของระบบต่าง ๆ ในร่างกาย และถ้าพิจารณาในระดับเซลล์ เซลล์จะมีกิจกรรมต่าง ๆ เช่น การลำเลียงแบบแอกทีฟทรานสปอร์ต การสังเคราะห์สาร รวมทั้งปฏิกิริยาต่าง ๆ ภายในเซลล์ กิจกรรมเหล่านี้ต้องใช้พลังงานจากสารอาหารทั้งสิ้น พืชสามารถเปลี่ยนพลังงานแสง เป็นพลังงานเคมีด้วยกระบวนการสังเคราะห์แสง สัตว์ ได้รับการถ่ายทอดพลังงานที่อยู่ในอาหารจากพืช โดยการกินพืชเป็นอาหาร(ในห่วงโซ่หรือสายใยอาหาร) โดยเก็บสะสมพลังงานไว้ในรูป ATP สารอาหารที่ลำเลียงเข้าสู่เซลล์และสามารถให้พลังงานแก่เซลล์ได้ เช่น น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว กรดอะมิโน กลีเซอรอล และกรดไขมัน แต่เซลล์ยังไม่สามารถนำพลังงานจากสารอาหารเหล่านี้ไปใช้ได้ จะต้องมีกระบวนการสลายสารอาหารภายในเซลล์ เพื่อเปลี่ยนพลังงานของพันธะเคมีของสารอาหารให้มาอยู่ในรูปสารประกอบพลังงานสูง ที่เซลล์พร้อมที่จะนำพลังงานไปใช้ได้ เช่น ATP เรียกกระบวนการสลายโมเลกุลของสารอาหารในเซลล์เพื่อให้ได้พลังงานนี้เรียกว่า การสลายสารอาหารระดับเซลล์ (Cellular respiration) การหายใจ (Respiration) คือกระบวนการออกซิไดซ์สารอาหาร เช่น คาร์โบไฮเดรต ไขมัน หรือโปรตีน โดยอาศัยการควบคุมของเอนไซม์ภายในเซลล์ เพื่อให้เซลล์ของสิ่งมีชีวิตสามารถนำไปใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ เพื่อการดำรงชีวิตของเซลล์ การหายใจมีความหมายทางชีววิทยา 2 แบบ คือ 1. การหายใจเอาแก๊สออกซิเจนเข้าไปและหายใจเอาแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา การหายใจเข้าออกเป็นการหมุนเวียนอากาศอย่างเป็นวัฏจักร ช่วยให้การไหลเวียนของอากาศระหว่างบรรยากาศภายนอกกับถุงลมปอดเกิดได้ดีขึ้น 2. การหายใจระดับเซลล์ (Cellular respiration ) คือการออกซิเดชันสารประกอบอินทรีย์ภายในเซลล์เพื่อให้ เกิดพลังงาน (การหายใจระดับเซลล์ คือการสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงาน) การหายใจเปรียบเทียบได้กับการเผาไหม้ในอากาศแต่สิ่งที่ต่างกัน คือ 1. การหายใจเป็นการเผาไหม้ที่สามารถควบคุมได้โดยใช้เอนไซม์ ทำให้สารตั้งต้นค่อยๆ สลายตัวพลังงานจึงถูกปล่อยออกมาอย่างช้าๆ เซลล์สามารถนำไปใช้สร้างสารประกอบต่างๆ สะสม ไว้ได้ 2. พลังงานที่ได้จากการหายใจ เซลล์จะสะสมไว้ในรูปของสารเคมีที่มีพลังงานสูง คือ ATP จึงไม่ทำให้อุณหภูมิของเซลล์สูงขึ้น ซึ่งเป็นอันตรายต่อเซลล์เอง ปฏิกิริยาการหายใจในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ปฏิกิริยาการหายใจจะเป็นปฏิกิริยาต่อเนื่องหลายปฏิกิริยา ดังนี้ 1. การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic respiration) ประกอบด้วย 4 ขั้นตอน คือ 1.1 ไกลโคลิซีส (Glycolysis) 1.2 การสร้างอะซิติลโคเอนไซม์ เอ หรือการออซิเดชัน กรดไพรูวิก (Pyruvate oxidation หรือ Pyruvate dehydrogenase complex pathway) 1.3 วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) 1.4 การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron transport system) 2. การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic respiration) ประกอบด้วย 2 ขั้นตอน คือ 2.1 ไกลโคลิซีส (Gycolysis) 2.2 การหมัก (Fermenttation) ปฏิกิริยาออกซิเดชัน - รีดักชัน (Oxidation - Reduction Reaction) ปฏิกิริยาการสูญเสียอิเล็กตรอนจากอะตอมหรือโมเลกุลหนึ่งให้กับอีกอะตอมหนึ่งหรืออีกโมเลกุลหนึ่งเรียกว่าปฏิกิริยาออกซิเดชั่น - รีดักชัน (Oxidation - Reduction reaction) โดยที่ปฏิกิริยาที่มีการสูญเสียอิเล็กตรอนเรียกว่าออกซิเดชัน (Oxidation) สารที่สูญเสียอิเล็กตรอนจะถูกเรียกว่าสารนั้นถูกออกซิไดช์ (Oxidized) ในทางตรงข้ามปฏิกิริยารีดักชัน(Reduction) เป็นปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอน สารที่ได้รับอิเล็กตรอนจะถูกเรียกว่าสารนั้นถูกรีดิวช์ ปฏิกิริยาออกซิเดชันที่พบในการหายใจระดับเซลล์ส่วนใหญ่อิเล็กตรอนมักถูกดึงออกมาพร้อมไฮโดรเจนอิออน (H+=โปรตอน) ซึ่งก็คือไฮโดรเจน 1 อะตอม ปฏิกิริยานี้เรียกว่า Dehydrogenation แต่ในไฮโดรเจนจะถูกดึงออกจากโมเลกุลของสารทีละ 2 อะตอม[หรือไฮโดรเจน 1 โมเลกุล (H2)] -----------Oxidation---------- C6H12O6 + 6 O2 ® 6 CO2 + 6 H2O + energy -----------Reduction---------- ATP ( Adenosine Triphosphate) ATP เป็นสารที่มีพลังงานสูงทำหน้าที่เก็บพลังงานที่ได้จากกระบวนการสลายสารอาหารของเซลล์ ATP ประกอบด้วยสารอินทรีย์ 2 ชนิดต่อกัน คือ เบสอะดีนีน(Adenine) กับน้ำตาลไรโบส(Ribose sugar) ซี่งเรียกว่า อะดีโนซีน(Adenosine) แล้วจึงต่อกับหมู่ฟอสเฟต(Pi) 3 หมู่ หมู่ฟอสเฟตแรกที่จับกับน้ำตาลไรโบสมีพลังงานพันธะต่ำ (3.4 กิโลแคลอรี/โมล ) ส่วนพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างหมู่ฟอสเฟตแรกกับหมู่ที่ 2 และหมู่ที่ 2 กับหมู่ที่ 3 มีพลังงานพันธะสูง (7.3 กิโลแคลอรี/โมล ) พันธะที่เชื่อมระหว่างหมู่ฟอสเฟตสองหมู่มีพลังงานสูง (Energy rich bond) ซึ่งจะใช้สัญลักษณ์ที่แสดงว่ามีพลังงานสูงคือ ~ และเมื่อ ATP ถูกสลายตัวโดยกระบวนการไฮโดรลิซีส( Hydrolysis) จะได้ ADP ,หมู่ฟอสเฟต (Pi) และปล่อยพลังงานสุทธิออกมามากถึง 7.3 กิโลแคลอรี/โมล ATP + H2O " ADP + Pi + พลังงาน 7.3 กิโลแคลอรี/โมล ส่วนพันธะระหว่างฟอสเฟตกับน้ำตาลไรโบส ถูกสลายจะมีพลังงานปลดปล่อยออกมาเพียง 3.4 กิโลแคลอรี/โมลเท่านั้น จึงไม่จัดว่าเป็นพันธะพลังงานสูง แทนด้วยสัญลักษณ์ – AMP + H2O " Adenosine + Pi + พลังงาน 3.4 กิโลแคลอรี/โมล ปฏิกิริยาจากการสลาย ATP , ADP และ AMP ซึ่งเรียกว่า ปฏิกิริยาไฮโดรไลซีส (Hydrolysis) จะมีการปล่อยพลังงานออกมาจากปฏิกิริยา จึงจัดเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน (Exergonic reaction) เมื่อATP สูญเสียฟอสเฟตไป 1 หมู่ จะกลายเป็น ADP หมู่ฟอสเฟตที่หลุดออกมารวมกับอินทรียสาร สารที่ได้รับฟอสเฟตก็จะมีพลังงานสูงขึ้น เรียกกระบวนการที่สารรวมกับกลุ่มฟอสเฟตว่า ฟอสฟอรีเลชัน(Phosphorylation) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน (Endergonic reaction) ส่วนการที่ ADP จะสูญเสียฟอสเฟตไป 1 หมู่ จนกลายเป็น AMP นั้นน้อยมาก ดังนั้นส่วนใหญ่จึงมักมีการสลายของ ATP ไปเป็น ADP และ ADP ก็สามารถจับกับหมู่ฟอสเฟตในเซลล์ทำให้ได้ ATP อีก วนเวียนกันเป็นวัฏจักร ไมโทคอนเดรีย (Mitochondria) แหล่งผลิตพลังงานของเซลล์ คือ ไมโทคอนเดรีย เป็นออร์แกเนลล์ที่พบในสิ่งมีชีวิตพวก ยูแคริโอตที่หายใจแบบใช้ออกซิเจนเท่านั้น พบครั้งแรกโดย คอลลิกเกอร์ (Kollicker) ไมโทคอนเดรียมีรูปร่างกลม ท่อนสั้น ท่อนยาว หรือกลมรีคล้ายรูปไข่ โดยทั่วไปมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.2 - 1 ไมครอน และยาว 5 -7 ไมครอน ประกอบดวยสารโปรตีนร้อยละ 60 – 65 และลิพิดประมาณร้อยละ 35 - 40 ไมโทคอนเดรียเป็นออร์แกเนลล์ที่มียูนิตเมมเบรนหุ้ม 2 ชั้น (Double unit membrane) โดยชั้นนอกเรียบมีความหนาประมาณ 60 – 70 อังสตรอม เยื่อชั้นในพับเข้าด้านในเรียกว่า คริสตี (Cristae)ภายในของไมโทคอนเดรียมีของเหลวซึ่งประกอบด้วยสารหลายชนิดเรียกว่าเมทริกซ์ (Matrix)ในไมโทคอนเดรีย นอกจากมีสารประกอบเคมีหลายชนิดแล้วยังมีเอนไซม์ที่สำคัญในการสร้างพลังงานจากการหายใจระดับเซลล์ โครงสร้างของไมโทคอนเดรีย มีเยื่อหุ้ม 2 ชั้น ดังนี้ 1. เยื่อหุ้มชั้นนอก (Outer membrane) มีลักษณะเรียบหน้าที่คอยควบคุมการผ่านเข้าออกของสาร 2. เยื้อหุ้มชั้นใน (Inner membrane) มีลักษณะหยักไปมาคล้ายวิลลัสในลำไส้คน เรียกว่า คริสตา (Crista) ที่เยื่อชั้นในมีโครงสร้างเล็ก ๆ ลักษณะเป็นเม็ดกลม ๆ เรียกว่า Inner membrane particle ติดอยู่เต็มไปหมด โครงสร้างเล็ก ๆ มีหน้าที่เป็นแหล่งเก็บสารที่เป็นตัวรับไฮโดรเจนและตัวรับอิเล็กตรอน การถ่ายทอดอิเล็กตอน จึงเกิดขึ้นที่โครงสร้างเล็ก ๆ (Particle) นี้เอง ของเหลวบรรจุอยู่ภายใน เรียกว่าเมทริกซ์ (Matrix) ภายในของเหลวนี้มีเอนไซม์หลายชนิดที่เกี่ยวกับการหายใจในขั้น วัฎจักรเครบส์ จำนวนไมโทคอนเดรียในเซลล์แต่ละชนิดจะมีจำนวนไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับชนิดและกิจกรรมของเซลล์ เซลล์ที่มีเมแทบอลิซึมสูงจะมีไมโทคอนเดรียมาก เช่น เซลล์ตับ เซลล์ไต เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ เซลล์ต่อมต่าง ๆ ส่วนเซลล์ที่มีเมแทบอลิซึมต่ำ เช่น เซลล์ผิวหนัง เซลล์เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน จะมีไมโทคอนเดรียน้อย หน้าที่ของไมโตคอนเดรีย เป็นแหล่งผลิตพลังงานให้แก่เซลล์ หรือเป็นบริเวณที่เกิดการหายใจภายในเซลล์ (Internal respiration) เมตาบอลิซึม (Metabolism) เมตาบอลิซึม (Metabolism) คือกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีที่เกิดภายในเซลล์เท่านั้น แบ่งออกได้ 2 ประเภท คือ 1. Anabolism เป็นปฏิกิริยาการสร้างสารอินทรีย์ ใช้พลังงานในรูป ATP 2. Catabolism เป็นปฏิกิริยาการสลายสารอินทรีย์ จะคายพลังงานออกม ปฏิกิริยาคายพลังงาน(Exergonic reaction) หมายถึง ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแล้วจะปล่อยพลังงานออกมา † พลังงานกระตุ้นที่ใส่เข้าไป เช่น การรวมตัวของแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจน หรือการสลายสารอินทรีย์ต่าง ๆ สรุป พลังงานสร้างพันธะ † พลังงานสลายพันธะ ตัวอย่างปฏิกิริยาคายพลังงาน ATP + H2O ¦ ADP + Pi + 7.3 k cal/mol C6 H12O6 + 6O2 ¦ 6CO2 + 6H2O + 36 ATP 2 H2 + O2 ¦ 2H2O + พลังงานสร้างพันธะ ปฏิกิริยาดูดพลังงาน(Edergonic reaction) หมายถึง ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแล้วจะปล่อยพลังงานออกมา … พลังงานกระตุ้นที่ใส่เข้าไป เช่น กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง การแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า การสังเคราะห์สารอินทรีย์ต่าง ๆ ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต สรุป พลังงานสร้างพันธะ … พลังงานสลายพันธะ ตัวอย่างปฏิกิริยาดูดพลังงาน 2H2O + พลังงานสร้างพันธะ ¦ 2 H2 + O2 6CO2 + H2O + 18 ATP ¦ C6 H12O6 + 6O2 + 6H2O ADP + Pi + 7.3 k cal/mol ¦ ATP ไซโตโครม (Cytochrome) ไซโตโครม (Cytochrome) คือรงควัตถุในรูปโปรตีน ซึ่งมีธาตุเหล็ก(Fe)เป็นองค์ประกอบ มีหน้าที่สำคัญ คือเป็นตัวรับและถ่ายทอดอิเล็กตรอน ในกระบวนการหายใจ คือ Cytochrome b ® Cytochrome c ® Cytochrome a ตามลำดับ โคเอนไซม์ (Coenzyme) โคเอนไซม์ (Coenzyme) หมายถึง กลุ่มสารอินทรีย์ที่มีวิตามิน B เป็นองค์ประกอบ หน้าที่สำคัญคือ เป็นตัวรับและถ่ายทอดไฮโดรเจน (H – acceptor) ในกระบวนการหายใจ เช่น NAD + , FAD และ Co.A NAD (Nicotinamide adenine dinucleotide) เป็นตัวนำอิเล็กตรอน พร้อมด้วยโปรตอน และเนื่องจากอะตอมของไนโตรเจนที่เป็นองค์ประกอบของ NAD มีประจุเป็นบวก จึงเขียน NAD + มีวิตามิน B 5 คือ ไนอะซีน (Niacin) เป็นองค์ประกอบ เมื่อ NAD + 1 โมเลกุลได้รับอิเล็กตรอนและโปรตอน NAD + จะกลายเป็น NADH ดังสมการ NAD+ + 2H+ + 2e- ® NADH + H+ NADH เป็นสารที่มีพลังงานสูง มีสมบัติเป็นตัวให้อิเล็กตรอน (Reducing agent) เข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน เพื่อนำพลังงานที่อยู่ใน NADH มาใช้ในการสร้าง ATP ต่อไป FAD (Flavin adenine dinucleotide) เป็นตัวนำอิเล็กตรอน พร้อมด้วยโปรตอน FAD 1 โมเลกุลรับอิเล็กตรอนและโปรตอนจะได้ FADH2 ดังสมการ FAD + 2H+ + 2e- ® FADH2 FADH2 มีสมบัติเป็นตัวให้อิเล็กตรอน เมื่อเข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนพลังงานที่สะสมอยู่จะถูกนำมาใช้ในการสร้าง ATP FAD มีวิตามิน B 2 คือ ไรโบฟลาวิน (Riboflavin) เป็นองค์ประกอบ Co.A (Coenzyme A) เป็นตัวนำหมู่เอซิล เพื่อสร้าง Acetyl Co.A มีวิตามินบีรวม กรดแพนโทเทนิก(Pantothenic acid) เป็นองค์ประกอบ ตารางที่ 5.1 ตารางสรุปโคเอนไซม์ชนิดต่าง ๆ ส่วนประกอบหน้าที่ในกระบวนการสลายสารอาหาร
| ||||||||||||||||
ขอขอบคุณ:http://www.pw.ac.th/main/website/sci/5_main.html
0 ความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น