พลังงาน ATP
โครงสร้างของ ATP
ATP เป็นสารอินทรีย์พลังงานสูงประกอบตัวด้วยองค์ประกอบ 3 ชนิด คือ
1. เบสอะดีนีน 1 โมเลกุล
2. น้ำตาลไรโบส (C5H10O5) 1 โมเลกุล
3. กรดฟอสฟอริก (H3PO4) ในรูปหมู่ฟอสเฟต (Pi = inorganic phosphate) 3 หมู่
พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (Hydrolysis) ของ ATP
ATP 1 โมล เมื่อเกิดไฮโดรไลซิส ไปเป็น ADP และ Pi จะให้พลังงาน 7.3 กิโลแคลอรี/โมล
ATP 1 โมล เมื่อเกิดไฮโดรไลซิส ไปเป็น AMP และ Pi จะให้พลังงาน 7.3 กิโลแคลอรี/โมล ส่วน AMP 1 โมล เมื่อเกิดไฮโดรไลซิสไปเป็น Adenosine และ Pi จะให้พลังงานเพียง 3.4 กิโลแคลอรี/โมล เท่านั้น
ปฏิกิริยาไฮโดรลิซิลของ ATP, ADP และ AMP เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน (Exergonic reaction) ดังนั้นจึง กล่าวได้ว่า พลังงานสูงใน ATP จะอยู่ในพันธะระหว่างหมู่ฟอสเฟต
ATP สร้างขึ้นมาจากปฏิกิริยาต่างๆ ในสิ่งมีชีวิต กระบวนการสังเคราะห์พันธะเคมีที่มีพลังงานสูงของ ATP เรียกว่า ฟอสฟอรีเลชัน (Phosphorylation) ซึ่งเกิดได้ 3 แบบ คือ
1. ซับสเตรท ฟอสฟอรีเลชัน (Substrate Phosphorylation) เป็นปฏิกิริยาถ่ายทอดกลุ่มฟอสเฟตจากสารที่มีพันธะเคมีพลังงานสูงกว่ามาให้ ADP โดยตรง เช่น
Phosphoenol pyruvate + ADP →┴(Pyruvate kinase ) Pyruvate + ATP
2. โฟโตฟอสฟอรีเลชัน (Photophosphorylation) เป็นการสร้าง ATP โดยการใช้พลังงานแสงที่ได้รับมา ทำให้เกิดการรวมตัวของ ADP กับฟอสเฟต ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการถ่ายทอดอิเล็กตรอนของปฏิกิริยาใช้แสงในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
3. ออกซิเดตีฟ ฟอสฟอรีเลชัน (Oxidative Phosphorylation) เป็นการสร้าง ATP โดยการรวมตัวของ ADP กับฟอสเฟตโดยอาศัยพลังงานจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน ในขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนไปให้ออกซิเจนในกระบวนการหายใจที่เกิดขึ้นภายในไมโทคอนเดรียซึ่งเป็นการสร้าง ATP มากที่สุด
การสลายโมเลกุลอาหารแบบใช้ออกซิเจน (Cellular Respiration)
ปฏิกิริยาการสลายกลูโคส (Glucose Catabolism)
การสลายกลูโคสภายในเซลล์เกิดได้ 2 กรณี คือ
1. การสลายกลูโคสแบบใช้ออกซิเจน (aerobic respiration)
2. การสลายกลูโคสแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic respiration)
การสลายกลูโคสแบบใช้ออกซิเจน (aerobic respiration)
การหายใจแบบใช้ออกซิเจนประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลง 4 ขั้นตอน ดังแผนภาพ
1. ไกลโคลิซิส (glycolysis)
2. การสร้างอะชิติลโคเอนไซม์ – เอ หรือไพรูเวท ออกซิเดชัน (Pyruvate oxidation)
3. วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle)
4. การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport and chemiosmosis)
1. ไกลโคลิซิส (glycolysis)
ไกลโคไลซิส (อังกฤษ: Glycolysis) เป็นกระบวนการปฏิกิริยาเคมีที่พบทั้งในโพรแคริโอตและยูแคริโอตโดยในยูแคริโอตนั้นพบบริเวณไซโทซอลของเซลล์ เป็นกระบวนการสังเคราะห์โมเลกุล ATP กับ NADH จากโมเลกุลของกลูโคสกล่าวโดยสรุปแล้วหนึ่งโมเลกุของกลูโคสเมื่อผ่านกระบวนการไกลโคไลซิสแล้วได้ 2 โมเลกุลของ ATP, NADH และ ไพรูเวต เป็นการย่อยสลายโมเลกุลของกลูโคส (คาร์บอน 6 ตัว) ไปเป็นไพรูเวต (คาร์บอน 3 ตัว)
2. การสร้างอะซิติลโคเอนไซม์ เอ หรือไพรูเวท ออกซิเดชัน สรุปสิ่งที่ต้องการทราบ
ในสภาวะที่มีออกซิเจนไพรูเวต (คาร์บอน 3 ตัว) ถูกเปลี่ยนเป็น อะเซติลโคเอ (acetyl-CoA) (คาร์บอน 2 ตัว) ได้คาร์บอนไดออกไซด์ 1 โมเลกุล จากนั้น อะเซติลโคเอ จะถูกเปลี่ยนเป็นอะซีเตต (acetate) เพื่อเข้าวัฏจักรเครบส์
3.วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle)
Pyruvate ซึ่งเป็นสารที่มีคาร์บอน 3 อะตอม ที่เกิดจากกระบวนการ glycolysis ใน cytoplasm จะถูกนาเข้าไปใน matrix ของ mitochondria และเปลี่ยนเป็น acetyl coenzyme A (acetyl CoA) ซึ่งเป็นสารที่มีคาร์บอน 2 อะตอม พร้อมกับปล่อย CO2 ออกมา acetyl CoA จะเข้าสู่ Krebs cycleเกิดขึ้นบริเวณเมทริกซ์ซึ่งเป็นของเหลวในไมโทคอนการย่อยสลายสารอาหารใดๆให้สมบูรณ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำต้องเข้าวัฏจักรนี้เสมอ เป็นขั้นตอนการสร้างคาร์บอนไดออกไซด์มากที่สุดในการหายใจระดับเซลล์
4.การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport and chemiosmosis)
-การถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันของ NADH + H+ และ FADH2 กับโมเลกุลของแก๊สออกซิเจน
-เกิดขึ้นที่เยื่อชั้นใน (cristae) ของไมโทคอนเดรียสำหรับ Eukaryote และที่เยื่อหุ้มเซลล์ของ Prokaryote
-ATP เกิดขึ้นมากที่สุดถึง 32 – 34 ATP / 1 โมเลกุลของกลูโคส
-เกิดขึ้นเมื่อมีออกซิเจนอิสระภายในเซลล์โดยเออกซิเจนจะเป็นตัวรับโปรตอนและอิเล็กตรอน (Proton and electron acceptor) เกิดเป็น H2O ทั้งสิ้น 12 โมเลกุล / 1 โมเลกุลของกลูโคส
-NADH + H+ และ FADH2 เมื่อผ่านกระบวนการนี้จะได้พลังงาน 3 ATP และ 2 ATP ต่อโมเลกุลเรียงตามลำดับ
-การมี O2 ในเซลล์ทำให้เกิดการหายใจอย่างสมบูรณ์ เพราะเกิดปฏิกิริยาการสลายสารอินทรีย์เป็นสารอนินทรีย์ได้แก่ CO2 ทั้งหมด
การสลายโมเลกุลอาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic respiration)
ในสภาวะที่ไม่มี O2
-ไพรูเวตจะไม่เกิดเมแทบอลิซึมโดยการหายใจระดับเซลล์ แต่จะเกิดขบวนการการหมัก (fermentation) แทน
-ไพรูเวตไม่ถูกขนส่งเข้าสู่ไมโทคอนเดรีย แต่จะยังอยู่ในไซโทพลาสซึม ที่ซึ่งมันจะถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ของเสียที่สามารถส่งออกนอกเซลล์ได้
-ขบวนการดังกล่าวมีเพื่อออกซิไดซ์ NADH เป็น NAD+ จะได้นำกลับไปใช้ในไกลโคไลสิสได้
-การหมักยังเป็นการป้องกันมิให้ NADH สะสมมากเกินไปในไซโทพลาสซึม
ประกอบด้วย 2 กระบวนการ
1. กระบวนการหมักกรดเเลกติค (lactic acid fermentation)
การหมักให้เกิดกรดแล็กทิก (lactic acid fermentation) หมายถึง การหมัก (fermentation) น้ำตาลกลูโคส (glucose) ในสภาพที่ไม่มีออกซิเจนหรือมีปริมาณออกซิเจนน้อย โดยกรดไพรูวิกจะทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน เกิดเป็นกรดแล็กทิก
- การเกิดแลกเตตถูกเร่งปฏิกิริยาโดยแลกเตตดีไฮโดรจีเนส (lactate dehyrdrogenase) ในปฏิกิริยาผันกลับได้
2. กระบวนการหมักแอลกอฮอล์ (alcoholic fermentation)
ในยีสต์การหมัก (fermentation) ทำให้เกิดเอทิลแอลกอฮอล์และคาร์บอนไดออกไซด์ โดยมีสารตั้งต้น คือน้ำตาลกลูโคส (glucose)
การหมักเป็นขบวนการที่ด้อยประสิทธิภาพกว่าในการใช้พลังงานจากกลูโคส เพราะได้พลังงานออกมาเพียง 2 ATP ต่อกลูโคสเท่านั้น เมื่อเทียบกับ 38 ATP ที่ผลิตได้จากการหายใจแบบใช้ออกซิเจน ทั้งนี้เนื่องจากผลิตภัณฑ์ของเสียจากการหมักยังมีพลังงานสะสมอยู่มาก โปรคาริโอตที่ต้องคงอัตราการเจริญเติบโตที่รวดเร็วต่อไปเมื่อพวกมันย้ายจากสิ่งแวดล้อมที่มีออกซิเจนไปยังสิ่งแวดล้อมที่ขาดออกซิเจน พวกมันต้องเพิ่มอัตราปฏิกิริยาไกลโคไลสิส สำหรับสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ระหว่างการหายใจกระชั้นในกิจกรรมที่ต้องใช้แรงมาก เซลล์กล้ามเนื้อจะใช้การหมักสร้าง ATP แทนการหายใจแบบใช้ออกซิเจนที่ช้ากว่า ดังนั้น เซลล์จึงอาจใช้การหมักแม้ก่อนระดับออกซิเจนจะหมดลง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) กระทรวงศึกษาธิการ เป็นหน่วยงานของรัฐที่ไม่แสวงหากำไร ได้จัดทำเว็บไซต์คลังความรู้ SciMath เพื่อส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์และเทคโนโลยีทุกระดับการศึกษา โดยเน้นการศึกษาขั้นพื้นฐานเป็นหลัก หากท่านพบว่ามีข้อมูลหรือเนื้อหาใด ๆ ที่ละเมิดทรัพย์สินทางปัญญาปรากฏอยู่ในเว็บไซต์ โปรดแจ้งให้ทราบเพื่อดำเนินการแก้ปัญหาดังกล่าวโดยเร็วที่สุด
The Institute for the Promotion of Teaching Science and Technology (IPST), Ministry of Education, a non-profit organization under the Thai government, developed SciMath as a website that provides educational resources in Science, Mathematics and Technology. IPST invites visitors to use its online resources for personal, educational and other non-commercial purpose. If there are any problems, please contact us immediately.
Copyright © 2018 SCIMATH :: คลังความรู้ SciMath. Terms and Conditions. Privacy. , All Rights Reserved.
อีเมล: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. (ให้บริการในวันและเวลาราชการเท่านั้น)