การสลายสารอาหารระดับเซลล์

การสลายสารอาหารระดับเซลล์

CellularRespiration

การสลายสารอาหารระดับเซลล์ หรือการหายใจระดับเซลล์ (Cellular Respiration) เป็นกระบวนการนำเอาสารอาหารที่ได้จากกระบวนการย่อยอาหารได้แก่ น้ำตาลกลูโคส (glucose) กรดอะมิโน (amino acid) และกรดไขมัน (fatty acid) ไปใช้สร้างเป็นพลังงานโดยเก็บไว้ในรูปของสารที่มีพลังงานสูง ที่เรียกว่า ATP (Adenosine Triphosphate)

ภาพที่ 1 โครงสร้างของ ATP
ที่มา : http://libraly.thinkquest.org/C004535/cellular_currency:_atp.html

ATP เป็นสารที่มีพลังงานสูงทำหน้าที่เก็บพลังงานที่ได้จากกระบวนการสลายสารอาหารของเซลล์ ประกอบด้วย อะดีนีน (adenine) กับน้ำตาลไรโบส (ribose) รวมเรียกว่าอะดีโนซีน (adenosine) แล้วจึงต่อกับหมู่ฟอสเฟต (P) 3 หมู่ พันธะที่เกิดขึ้นระหว่างหมู่ฟอสเฟตหมู่ที่ 2 และ 3 เป็นพันธะที่มีพลังงานสูง (สัญลักษณ์คือ ~) เมื่อสลายแล้วจะให้พลังงาน 7.3 กิโลแคลอรีต่อโมล
ในสิ่งมีชีวิต เซลล์จะมีการสลาย ATP โดย ATP จะเปลี่ยนเป็น ADP (adenosine diphosphate) หมู่ฟอสเฟตและปลดปล่อยพลังงานออกมา ดังสมการ
ATP --> ADP + P + Energy (พลังงาน)
เพื่อให้ได้พลังงานสำหรับใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ ดังนั้นจึงต้องมีการสร้าง ATP ใหม่ขึ้นมาทดแทน กระบวนการสร้าง ATP เรียกว่า ฟอสโฟรีเลชัน (phosphorylation) คือการสร้าง ATP จาก ADP และหมู่ฟอสเฟตซึ่งจะเกิดเป็นวัฏจักรดังภาพที่ 2

ภาพที่ 2 วัฏจักรของ ATP
กระบวนการสลายสารอาหารระดับเซลล์ แบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ
1. การสลายสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic Respiration) เป็นกระบวนการที่มีกลไกเกิดต่อเนื่องกัน 3 ขั้นตอน คือ ไกลโคลิซิส (Glycolysis) วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) และการถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron transport chain)
2. การสลายสารอาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Respiration)หรือเรียกว่ากระบวนการหมัก (fermentation)

Glycolysis

ไกลโคลิซิสเกิดในส่วนไซโทพลาสซึม (cytoplasm) หรือไซโทซอล (cytosol) ของเซลล์ เป็นขั้นตอนการสลายน้ำตาลกลูโคสที่มีคาร์บอน 6 อะตอม (C6) ไปเป็นกรดไพรูวิก (pyruvic acid) หรือไพรูเวท (pyruvate) ที่มีคาร์บอน 3 อะตอม (C3) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจะมีทั้งหมด 10 ขั้นตอน มีเอนไซม์ชนิดต่าง ๆ เข้ามาช่วยเร่งปฏิกิริยา กระบวนการไกลโคลิซิสสามารถสรุปเป็นขั้นตอนหลัก ๆ ได้ 3 ขั้นตอน คือ
ขั้นตอนที่ 1 น้ำตาลกลูโคส 1 โมเลกุล จะถูกสลายไปเป็นน้ำตาลฟรักโทส 1,6 บิสฟอสเฟต (fructose1,6-bisphosphate)
ในขั้นนี้จะมีการใช้ ATP 2 โมเลกุล มาเติมหมู่ฟอสเฟต (P) ให้กับน้ำตาลกลูโคส ได้เป็นน้ำตาล fructose 1,6-bisphosphate
ขั้นตอนที่ 2 น้ำตาล fructose1,6-bisphosphate ถูกเปลี่ยนไปเป็น glyceraldehyde-3-phosphate และ dihydroxyacetate phosphate ซึ่งสารตัวนี้ไม่เสถียรจะถูกเปลี่ยนเป็น glyceraldehyde-3-phosphate หรือเรียกว่า PGAL (phosphoglyceraldehyde) ทำให้ได้ PGAL 2 โมเลกุล ขั้นตอนที่ 3 PGAL 2 โมเลกุลจะถูกเปลี่ยนแปลงเป็นขั้นตอนจนได้เป็นกรดไพรูวิก (pyruvic acid) หรือไพรูเวท (pyruvate) 2 โมเลกุล ซึ่งในขั้นตอนที่มีการเปลี่ยนแปลงนี้จะมีการสร้าง ATP ทั้งหมด 4 โมเลกุล และมีการสูญเสียอิเล็กตรอนทั้ง หมด 4 อิเล็กตรอน โดยมี NAD+ ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนเก็บไว้ในรูป NADH เพื่อนำเข้าสู่กระบวนการถ่าย ทอดอิเล็กตรอนต่อไป

ภาพที่ 3 ขั้นตอนไกลโคลิซิส
ที่มา : http://library.thinkquest.org/27819/ch4_4.shtml
สรุปผลผลิตทีไ่ด้จากขั้นตอนไกลโคลิซิส

ปรับปรุงมาจาก : http://porpax.bio.miami.edu/~cmallery/150/makeatp/sumgly.jpg
สรุปสมการไกลโคลิซิส glucose + 2ADP + 2Pi--------> 2pyruvate + 2ATP
NAD+ = Nicotinamide adenine dinucleotideเป็นโคเอนไซม์ (coenzyme) ที่พบได้ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน (oxidizing qgent) ที่อยู่ในรูป NAD+
NAD+ + 2e- + 2H+ ----> NADH + H+ oxidized reduced

การสลายสารอาหารระดับเซลล์


เขียนโดย pramote เมื่อ พุธ, 10/08/2008 - 20:36. -->เขียนโดย pramote เมื่อ พุธ, 10/08/2008 - 20:36 แก้ไขล่าสุด พุธ, 12/31/2008 - 17:41 ไมโทคอนเดรีย (Mitochondria)
เป็นออร์แกเนลล์ที่พบในเซลล์พวกยูคารีโอต มีโครงสร้างเป็นเยื่อหุ้ม 2 ชั้น คือเยื่อหุ้มชั้นนอก (outer membrane) และเยื่อหุ้มชั้นใน (inner membrane) ซึ่งจะพับเป็นรอยหยักเรียกว่า คริสตี (cristae) ภายในเยื่อหุ้มชั้นในจะเป็นของเหลวเรียกว่า แมทริกซ์ (matrix) และช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นนอกและชั้นใน เรียกว่า intermembrane space ไมโทคอนเดรียทำหน้าที่เป็นแหล่งสร้าง ATP ของเซลล์ ที่เกิดจากกระบวนการหายใจแบบใช้ออกซิเจน

ภาพที่ 4 โครงสร้างไมโทคอนเดรีย
ที่มา: http://www.unm.edu/~lkravitz/MEDIA2/mitochondria.gif

การสร้างอะเซทิลโคเอนไซม์ เอ (Acetyl Coenzyme A formation) ไพรูเวท (pyruvate) ที่ได้จากขั้นตอนไกลโคลิซิสจะถูกนำมาสร้างเป็น acetyl CoA ซึ่งจะเกิดขึ้นที่บริเวณไซโทซอลในพวกโปรคารีโอต และแมทริกซ์ (matrix) ของไมโทคอนเดรีย (พวกยูคารีโอต) ในขั้นนี้จะเกิด CO2 1 โมเลกุล และ NADH 1 โมเลกุล

ภาพที่ 5 การสร้าง acetyl CoA
ที่มา : http://www.micro.siu.edu/micro201/chapter8N.html
สมการ 2Pyruvic acid + 2NAD+ + 2Coenzyme A ----------> 2Acetyl-CoA + 2CO2 + 2NADH


Krebs Cycle

วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) หรือวัฏจักรกรดซิตริก (Citric Acid Cycle) หรือ Tricarboxylic acid cycle (TCA) เกิดขึ้นที่บริเวณแมทริกซ์ของไมโทคอนเดรีย (ดูภาพที่ 4) สารตัวแรกที่ถูกสร้างขึ้นในวัฏจักรนี้คือ กรดซิตริก (citric acid) จึงเรียกว่าวัฏจักรกรดซิตริก ขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยา เริ่มจาก
1. acetyl CoA (2C) เข้ารวมกับออกซาโลแอซิเตต (oxaloacetate : 4C) เกิดเป็นซิเตรต (citrate) หรือกรดซิตริก
(citric acid : 6C)
2. citric acid (6C) เปลี่ยนเป็น ไอโซซิเตรท (iso-citrate : 6C)
3. iso-citrate (6C) เปลี่ยนเป็น alpha-ketoglutarate (5C) ขั้นนี้เกิด CO2 1 โมเลกุล และ NADH 1 โมเลกุล
4. alpha-ketoglutarate (5C) เปลี่ยนเป็นซัคซินิล โคเอนไซม์ เอ (succinyl CoA : 4C) ขั้นนี้เกิด CO2 1 โมเลกุล และ NADH
1 โมเลกุล
5. succinyl CoA (4C) เปลี่ยนเป็นกรดซัคซินิค (sucinic acid : 4C) ขั้นนี้มีการสร้างพลังงาน ATP 1 โมเลกุล
6. succinic acid (4C) เปลี่ยนเป็นกรดฟูมาริค (fumaric acid : 4C) ขั้นนี้เกิด FADH2 1 โมเลกุล
7. fumaric acid (4C) เปลี่ยนเป็นกรดมาลิค (malic acid : 4C) ขั้นนี้ใช้น้ำ (H2O) ร่วมในปฏิกิริยา 1 โมเลกุล
8. malic acid (4C) เปลี่ยนเป็นกรดออกซาโลอะซีติก (oxaloacetic acid) ขั้นนี้เกิด NADH 1 โมเลกุล
ปฏิกิริยาส่วนใหญ่ของวัฏจักรเครบส์เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ทำให้ได้สารพลังงานสูง NADH และ FADH2 ออกมา ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการสร้าง ATP โดยวิธีออกซิเดทีฟฟอสโฟริเลชัน (oxidative phosphorylation) ในขั้นตอนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนต่อไป

ภาพที่ 6 วัฏจักรเครบส์
ที่มา: http://http//student.ccbcmd.edu/~gkaiser/biotutorials/cellresp/images/u4fg35.jpg
สรุปสมการ Acetyl-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O -------> 3NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + 3H+ + CoA


Electron Tranport Chain

การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport chain : ETC) เกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียตรงส่วนที่เรียกว่า คริสตี (cristae) โดยจะเกิดขึ้นเป็นทอด ๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นกลุ่มของโปรตีน (protein complex) ที่ฝังตัวอยู่บนเยื่อหุ้มชั้นใน ของไมโทคอนเดรีย กลุ่มโปรตีนเหล่านี้ ได้แก่ complex I, II, III และ IV ลำดับของการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแสดงไว้ ดังภาพที่ 5 นอกจากกลุ่มโปรตีน 4 กลุ่มนี้แล้ว บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียยังมี โคเอนไซม์ Q และไซโตโครม c ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้เพื่อช่วยในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนระหว่างกลุ่มโปรตีนเหล่านั้น เมื่ออิเล็กตรอนถูกส่งไปยังตัวรับตัวสุดท้ายก็จะมีออกซิเจน (O2) มาทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนเป็นตัวสุดท้าย ได้ผลิตภัณฑ์เป็นน้ำ (H2O)

ภาพที่ 7 กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน
ที่มา: http://porpax.bio.miami.edu/~cmallery/150/makeatp/c8.9x16.chemiosmosis.jpg
ผนังชั้นในของไมโตคอนเดรียมีกลุ่มโปรตีนที่เรียก ATP synthase อยู่เป็นจำนวนมาก ATP synthase เป็นเอนไซม์ที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยหลายหน่วย กลุ่มหนึ่งของหน่วยย่อยทำหน้าที่เป็นช่องให้โปรตอนผ่าน อีกกลุ่มหนึ่งทำหน้าที่จับกับ ADP และ Pi เพื่อสร้าง ATP การส่งอิเล็กตรอนต่อเป็นทอด ๆ ในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน ทำให้เกิดการสูบโปรตอนจากข้างในแมทริกซ์ผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน ส่งผลให้ความเข้มข้นของโปรตอนในสองข้างของเยื่อหุ้มต่างกัน คือทางด้านแมทริกซ์จะต่ำและทางด้านช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้ม (intermembrane space) จะสูง และเกิดความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้ม โดยทางด้านแมทริกซ์จะเป็นลบ ทางด้านช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเป็นบวก แรงที่เกิดจากความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้มและความแตกต่างของความเข้มข้นของโปรตอน จะรวมกันเกิดเป็นแรงขับเคลื่อนโปรตอน เพื่อนำโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นในกลับไปยังแมทริกซ์ โดยมี ATP synthase ทำหน้าที่เป็นช่องทางผ่าน การผ่านของไฮโดรเจนอิออนทำให้เกิดพลังงานที่ช่วยผลักดันให้เกิดการสร้าง ATP โดยการรวมตัวของ ADP กับฟอสเฟตโดยการควบคู่พลังงาน