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