การหายใจระดับเซลล์
ชีวเคมีพื้นฐานและน้ำตาลกลูโคสกับไกลโคไลซิส
อะตอม (Atom) คือหน่วยพื้นฐานของธาตุ ไม่สามารถแบ่งแยกด้วยวิธีการใดๆ ธาตุทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมจำนวนมาก ซึ่งอะตอมเหล่านี้ประกอบด้วย อนุภาคโปรตอน (Proton) นิวตรอน (Neutron) และอิเล็กตรอน (Electron)
โครงสร้างของอะตอมภายในประกอบด้วยนิวเคลียสและถูกล้อมรอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ภายในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน (Proton) ที่มีประจุบวกกับนิวตรอน (Neutron) ซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดอยู่กับนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสและจะอาศัยอยู่ในระดับชั้นของพลังงานที่แตกต่างกัน
ภาพอะตอมปกติอิเล็กตรอนจะมีพลังงานอยู่ใน สถานะพื้น (ground state) เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากภายนอกที่เหมาะสมจะขึ้นไปอยู่บนวงโคจรใหม่ตามระดับขั้นของพลังงาน เรียกว่า สถานะกระตุ้น (excited state) ทันที อิเล็กตรอนจะอยู่ในสถานะกระตุ้นไม่ได้และจะกระโดดกลับลงมาที่สถานะพื้น โดยปล่อยควอนตัมของพลังงานออกมาที่มีความถี่และความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ กัน
ที่มา: https://socratic.org/questions/1s2-2s2-2p4-3s1-is-the-electronic-configuration-of-1-ground-state-of-neon-2-grou
การปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนมีตวามสำคัญต่อกระบวนการหายใจเป็นอย่างมากเนื่องจากสิ่งมีชีวิตได้รับพลังงานจากสารอาหารที่ให้พลังงานได้แก่ โปรตีน คาร์โบไฮเดรต และไขมัน ภายในโมเลกุลของสารอาหารเหล่านี้ประกอบด้วยอะตอมของธาตุหลัก (C H O) จับเรียงตัวกันด้วยพันธะโควาเลนต์ (พันธะที่เกิดจาการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันและจัดเป็นพันธะภายในโมเลกุลที่มีพลังงานสูง) เมื่อพันธะเคมีของโมเลกุลเกิดการสลายตัวส่งผลให้เกิด electron ที่มีพลังงานสูงหลุดออกมาและอยู่ในสภาวะถูกกระตุ้น ดังนั้นอิเล็กตรอนเหล่านี้เมื่อมีการคายพลังงานออกมาเพื่อกลับเข้าสู่สภาวะพื้นหรือ Ground state จะคายพลังงานออกมา พลังงานที่อิเล็กตรอนคายและปล่อยออกมาสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่นๆ ได้โดยเฉพาะพลังงานเอทีพี (ATP) ซึ่งจัดเป็น universal energy ของสิ่งมีชีวิต
เราพบว่าขั้นตอนกระบวนการปล่อยพลังงานของ electron ภายในสิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการรับอิเล็กตรอน (Electron carrier) ได้แก่ NADH และ FADH2 โดยองค์ประกอบของสารทั้งสองตัวประกอบด้วยวิตามิน B3 และ B2 ตามลำดับ ซึ่งสารทั้งสองจัดเป็นตัวริดิวซ์ (Reducing agent) หรือตัวให้อิเล็กตรอน NADH และ FADH2 มีการส่งอิเล็กตรอนผ่านกลุ่มโปรตีนหรือที่เรียกว่า electron transport chain (ETC) ที่อยู่บริเวณเยื่อหุ้มชั้นใน (inner membrane) ของไมโทคอนเดรีย เมื่อ NADH และ FADH2 เกิดการสูญเสียอิเล็กตรอน ตัวมันเองจะกลายเป็น NAD+ และ FAD ซึ่งอยู่ในรูปที่สามารับรับอิเล็กตรอนได้อีกครั้งหรือที่เรียกว่า ตัวรับอิเลกตรอน (Oxidizing agent)
อิเล็กตรอนที่ผ่านกลุ่มโปรตีน ETC จะมีการส่งอิเล็กตรอนเป็นลำดับชั้นลดหลั่นลงมาตามระดับชั้นพลังงานของโปรตีนจนเมื่ออิเล็กตรอนส่งผ่านพลังงานมาจนถึงโปรตีนตัวสุดท้ายอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานต่ำก็จะถูกส่งให้ออกซิเจนซึ่งเป็น final electron acceptor หรือตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายให้ได้ผลผลิตเป็นน้ำเกิดขึ้น โดยหากอิเลกตรอนถูกส่งให้กับออกซิเจนจะจัดเป็นการหายใจแบบใช้ออกซิเจน (aerobic respiration) ซึ่งกระบวนการดังกล่าวมีข้อดีคือทำให้ได้ผลผลิตเป็น ATP จำนวนมาก แต่หากในสภาวะที่ออกซิเจนไม่เพียงพอ (anaerobic respiration) จำนวน ATP จะเกิดขึ้นได้น้อยแต่จะเกิดขึ้นได้ไวและจำนวนมาก
น้ำตาลกลูโคสกับกระบวนการไกลโคไลซิส (Glycolysis)
ความสำคัญของกลูโคสกับกระบวนการไกลโคไลซิส
สาเหตุหลักที่เราศึกษาการสลายน้ำตาลกลูโคสเนื่องจากน้ำตาลกลูโคสเป็นแหล่งพลังงานหลักของสิ่งมีชีวิต พืชสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมีในรูปของน้ำตาลกลูโคสไว้ใช้และเก็บสะสมไว้ในรูปของแป้งเพื่อเป็นพลังงานสำรอง สัตว์นำพลังงานที่พืชเก็บสำรองมาใช้สร้างพลังงานให้กับตัวเองและเก็บสะสมใว้ในรูปของไกลโคเจน (Glycogen) ที่ตับและกล้ามเนื้อ
สมองของมนุษย์จะใช้พลังงานจากน้ำตาลกลูโคสเป็นแหล่งพลังงานหลักและปลอดภัย หากร่างกายขาดแคลนน้ำตาลกลูโคส สมองจะใช้พลังงานจากการสลายไขมันโดยกระบวนการ β-oxidation โดยกระบวนการดังกล่าวทำให้เกิดสาร Ketone bodies ส่งผลให้เลือดเกิดสภาวะเป็นกรด (Ketoacidosis) ซึ่งทำให้เกิดการเสียชีวิตตามมาได้ เพราะในสภาวะปกติเลือดจะมี pH ประมาณ 7.35-7.45 นอกจากนี้ระดับน้ำตาลกลูโคสเองยังเป็นตัวกำหนดความหิวให้กับร่างกายด้วย โดยในร่างกายมีกลไกควบคุมระดับน้ำตาลกลูโคสให้คงที่ (glucostatic mechanism) โดยบริเวณด้านข้างของไฮโพทาลามัสได้แก่ระบบประสาทส่วนกลางตรง หรือที่ศูนย์หิวมีตัวรับกลูโคส (glucoreceptor) ที่คอยตรวจระดับการเปลี่ยนแปลงของน้ำตาลกลูโคสในเลือด หากระดับของน้ำตาลกลูโคสมีความแตกต่างกันเล็กน้อยในเส้นเลือดแดงและเส้นเลือดดำ จะทำให้เกิดความหิว ดังนั้นเมื่อกินอาหารเข้าสู่ร่างกายโดยเฉพาะแป้ง และเกิดการย่อยสลายได้น้ำตาลกลูโคสซึ่งถูกดูดซึมผ่านเซลล์เยื่อบุผนังลำไส้เล็กเข้าสู่กระแสเลือดจะทำให้ระดับน้ำตาลกลูโคสในเส้นเลือดแดงแตกต่างจากเส้นเลือดดำมาก ซึ่งความแตกต่างทำให้ศูนย์หิวได้รับการกระตุ้นเกิดการอิ่มขึ้นมา ดังนั้นการทราบความสำคัญของกลูโคสจึงมีความสำคัญต่อการดูแลชีวิตให้ปราศจากโรคได้
ภาพแสดงการเกิดเมทาบอลิซึมของกลูโคสที่เปลี่ยนไปในรูปแบบต่างๆ
ที่มา: https://en.wikipedia.org/wiki/Glucose
ผลผลิตของปฏิกิรยาไกลโคไลซิส
น้ำตาลกลูโคสมีความสำคัญสำหรับการดำรงชีวิตเนื่องจากเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับร่างกาย ในปฏิกิรยาไกลโคไลซิสพบว่าขั้นตอนการสลายน้ำตาลกลูโคสจากสารที่มีคาร์บอน 6 อะตอม ไปเป็น pyruvic acid หรือไพรูเวตที่มีคาร์บอน 3 อะตอม จะให้ผลผลิตที่สำคัญออกมา 2 ตัวได้แก่
- ATP โดยการผลิต ATP ในปฏิกิริยาไกลโคไลซิสอาศัยขั้นตอนการสร้าง ATP แบบที่เรียกว่า substrate level phosphorylation ซึ่งการสร้าง ATP วิธีนี้จะเป็นการอาศัยสารตั้งต้นที่มีพลังงานสูงในการสร้าง ATP ดังนั้นเราจะพบขั้นตอนการเปลี่ยนแปลงน้ำตาลกลูโคสให้กลายเป็นโมเลกุลพลังงานสูงโดยผ่านปฏิกิริยาย่อยหลายขั้นตอน
- NADH ซึ่งจัดเป็นโมเลกุลที่เป็น electron carrier หรือตัวกลางในนำอิเลกตรอนจากสารอาหารไปผ่านขั้นตอนต่างๆภายในไมโตคอนเดรียเพื่อทำให้ได้พลังงานในรูปของ ATP นั้นเอง
ไกลโคไลซิส Glycolysis (From glycose, an older term for glucose and lysis ==> degradation) เป็นปฏิกิริยาเคมีที่พบบริเวณ cytosol ของเซลล์เกิดขึ้นเพื่อสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงานหลักๆจะเป็นการศึกษาการสลายน้ำตาลกลูโคส โดยปฏิกิริยาของ Glycolysis สามารถพบได้ได้ทั้งเซลล์โปรคาริโอต (Prokaryotic cell) และยูคาริโอต (Eukaryotic cell)
กระบวนการไกลโคไลซิสแบ่งออกเป็น 2 ช่วงเกิดขึ้นโดยมีปฏิกิริยาทั้งสิ้น 10 ขั้นตอน
- Investment phase หรือ chemical priming phase ขั้นตอนนี้มีการใช้พลังงาน ATP จำนวน 2 โมเลกุลเพื่อเปลี่ยน glucose ไปเป็นfructose-1,6-bisphosphate (F-1,6-BP)
- Energy-yielding phase ขั้นตอนที่จะมีการให้พลังงาน ATP จำนวน 4 โมเลกุล จากการเปลี่ยน F-1,6-BP เป็นpyruvate ในขณะเดียวกันก็จะมีการผลิต NADH เพิ่มขึ้นมาด้วย
Return to contents
Acetyl CoA, Krebs' cycle
การสร้าง Acetyl CoA
หลังจากสิ้นสุด กระบวนการ Glycolysis ที่สลาย Glucose ที่มีคาร์บอน 6 อะตอม ใน cytosol ได้ผลลัพธ์สุทธิคือ ATP 2 โมเลกุล NADH 2 โมเลกุล และ Pyruvic acid ที่มีคาร์บอน 3 อะตอม 2 โมเลกุล ซึ่งต่อไป Pyruvic acid ที่ได้จาก Glycolysis 2 โมเลกุลนี้จะเคลื่อนเข้าสู่บริเวณ matrix ซึ่งเป็นของเหลว ใน mitochondria เพื่อเปลี่ยนเป็น Acetyl CoA ที่มีคาร์บอน 2 อะตอม (CoA เป็น coenzyme ชนิดหนึ่งซึ่งมีวิตามิน Pantothenic acid เป็นองค์ประกอบ) และ Acetyl CoA จะเข้าสู่ Krebs Cycle ต่อไป
โดยการสร้าง Acetyl CoA เริ่มต้นจาก Pyruvic acid ทั้ง 2 โมเลกุลเคลื่อนที่เข้าสู่ mitochondria เพื่อทำปฏิกิริยากับ CoA แล้วเกิดการ oxidize จน CO2 หลุดออกมา 1 โมเลกุล ซึ่งเป็นการเสียคาร์บอนในรูปของแก็สคาร์บอนไดออกไซด์ พร้อมกับอิเล็กตรอน 1 ตัว ซึ่งในปฏิกิริยานี้มีตัวรับอิเล็กตรอนคือ NAD+ มารับอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา เก็บเอาไว้กลายเป็น NADH
ภาพการสร้าง Acetyl CoA ซึ่งเกิดขึ้นบริเวณ Matrix ของ Mitochondria
ที่มา: https://courses.lumenlearning.com/boundless-biology/chapter/oxidation-of-pyruvate-and-the-citric-acid-cycle/
ดังนั้น Pyruvic acid ที่เดิมแล้วมีคาร์บอนอยู่ 3 อะตอม ตอนนี้ถูกตัดคาร์บอนไปแล้ว 1 อะตอม จึงเหลือคาร์บอนแค่ 2 อะตอม เรียกสารนี้ว่ากว่า Acetyl CoA ซึ่งเป็นผลลัพธ์จากการทำปฏิกิริยา และผลลัพธ์สุทธิของปฏิกิริยานี้หากตั้งต้นจาก pyruvate 2 โมเลกุลคือ จะได้ Acetyl CoA 2 โมเลกุล และ NADH 2 โมเลกุล ซึ่ง Acetyl CoA 2 โมเลกุลนี้จะเคลื่อนเข้าสู่ Krebs Cycle ต่อไป
ปฏิกิริยาสุทธิของกระบวนการสร้าง Acetyl CoA นี้คือ
Pyruvic acid + NAD+ + coenzyme A -> Acetyl CoA + NADH + CO2
*** Oxidation and Reduction (เทคนิคการจำ) ***
ตัว Reduce ถูก Oxidize เกิด Oxidation (Reducing agent) ปฏิกิริยาให้อิเล็กตรอน
ตัว Oxidize ถูก Reduce เกิด Reduction (Oxidizing agent) ปฏิกิริยารับอิเล็กตรอน
Redox = Oxidation + Reduction เป็นปฏิกิริยาที่มีทั้งการให้และรับอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเดียวกัน
Krebs’ Cycle
Krebs Cycle เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นที่บริเวณ matrix ใน mitochondria เพื่อสลาย Acetyl CoA ให้เป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ทั้งหมดและทำให้ได้พลังงาน ATP ออกมา โดย Acetyl CoA จะรวมกับ OAA ให้กลายเป็นกรดที่มีคาร์บอน 6 อะตอม แล้วปล่อย CoA ให้เป็นอิสระ ต่อจากนั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงอีกหลายขั้นตอนโดยใช้เอนไซม์หลายชนิดจนได้สารที่มีคาร์บอน 4 อะตอมอีกครั้ง คือ OAA และพลังงานเคมีจากคาร์บอนอินทรีย์จะถูกเก็บไว้ในรูปของ NADH, FADH2 และ ATP (เป็นการสร้าง ATP แบบ Substrate – level Phosphorylation เหมือนที่เกิดใน Glycolysis) ก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนต่อไป
ภาพ Acetyl CoA 1 โมเลกุลเมื่อเข้าสู่ Krebs cycle
ที่มา: https://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/5.13/)
โดยกระบวนการในวัฏจักรนี้เริ่มต้นโดยการที่ Acetyl CoA ที่มีคาร์บอน 2 อะตอม เข้ารวมตัวกับสารประกอบ Oxaloacetate acid (OAA) ซึ่งเป็นกรดที่มีคาร์ลบอน 4 อะตอม ได้เป็นสารที่มีคาร์บอน 6 อะตอม เรียกว่า Citric acid หรือเรียกว่าขั้น Citrate(C6) ต่อมาเกิดการเปลี่ยนโครงสร้าง แต่ยังมีคาร์บอนอยู่ 6 อะตอมเหมือนเดิม เรียกว่าขั้น Isocitrate (C6) แล้วจะถูก oxidize จน CO2 หลุดออกมา 1 โมเลกุล ซึ่งเป็นการสูญเสียคาร์บอน จึงทำให้เหลือคาร์บอน 5 อะตอม และในการเสียคาร์บอนจะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา 1 ตัว ซึ่งมีตัวรับอิเล็กตรอนคือ NAD+ มาเก็บไว้จนกลายเป็น NADH กลายเป็นขั้น Alfa – Ketoglutarate (C5) ในขั้นนี้ก็จะถูก oxidize จน CO2 หลุดออกมา 1 โมเลกุล ซึ่งเป็นการสูญเสียคาร์บอน จึงทำให้เหลือคาร์บอน 4 อะตอม และในการเสียคาร์บอนจะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา 1 ตัว ซึ่งมีตัวรับอิเล็กตรอนคือ NAD+ มาเก็บไว้จนกลายเป็น NADH กลายเป็นขั้น Succinyl CoA (C4) ในขั้นนี้คาร์บอนเหลือ 4 อะตอมแล้ว Succinyl CoA จะเปลี่ยนโครงสร้างเป็น Succinate ซึ่งมีคาร์บอน 4 อะตอมเหมือนเดิม แต่ขั้นตอนนี้เป็นขั้นสำคัญคือ จะได้ GTP ออกมา เป็นพลังงาน แต่ไม่เสถียร จึงเปลี่ยนเป็น ATP ที่มีความเสถียรกว่า ต่อไป Succinate (C4) จะเปลี่ยนโครงสร้างเป็นขั้น Fumarate (C4) ซึ่งมีอิเล็กตรอนหลุดออกมาแต่ครั้งนี้ตัวรับอิเล็กตรอนคือ FAD มาเก็บไว้จนกลายเป็น FADH2 และ Fumarate เปลี่ยนโครงสร้างอีกครั้ง เป็นขั้น Malate (C4) และ Malate เปลี่ยนโครงสร้างครั้งสุดท้ายเป็น OAA (C4) อีกครั้ง โดยมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา 1 ตัว ซึ่งมีตัวรับอิเล็กตรอนคือ NAD+ มาเก็บไว้จนกลายเป็น NADH
สรุปเมื่อ Acetyl CoA 1 โมเลกุล เข้า Krebs Cycle
- Acetyl CoA (C2) + OAA (C4) -> Citrate(C6)
- Citrate(C6) -> Isocitrate (C6)
- Isocitrate (C6) / C -> Alfa – Ketoglutarate (C5) + NADH
- Alfa – Ketoglutarate (C5) / C -> Succinyl CoA (C4) + NADH
- Succinyl CoA (C4) -> Succinate (C4) + ATP
- Succinate (C4) -> Fumarate (C4) + FADH2
- Fumarate (C4) -> Malate (C4)
- Malate (C4) -> OAA (C4) + NADH
ดังนั้นหาก Acetyl CoA 2 โมเลกุล (คิดจากกลูโคส 1 โมเลกุล) เมื่อเข้าสู่ Krebs cycle จะได้ผลลัพธ์คือ ATP 2 โมเลกุล NADH 6 โมเลกุล FADH2 2 โมเลกุล และ NADH และ FADH2 เป็นสารที่ที่จะเข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนต่อไป
Return to contents
Oxidative phosphorylation
หลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการ Krebs Cycle ที่สลาย Acetyl CoA แล้ว ได้ผลลัพธ์จากสุทธิคือ ATP 2 โมเลกุล NADH 6 โมเลกุล FADH2 2 โมเลกุล ต่อไป NADH และ FADH2 นี้จะถูกใช้ในกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน
โดยอิเล็กตรอนจาก NADH และ FADH2 จะถูกส่งต่อให้กับโปรตีนที่เป็นตัวถ่ายทอดอิเล็กตรอน (เรียกว่า Electron transport chain) ซึ่งแทรกอยู่ที่เยื่อหุ้มชั้นในของ mitochondria อิเลกตรอนที่ถูกส่งผ่านโปรตีนต่างๆเมื่อมาถึงสุดท้ายจะมี O2 เป็นมารับอิเล็กตรอนกลายเป็นน้ำ
ภาพการสร้าง ATP แบบ Oxidative phosphorylation ซึ่งประกอบด้วย 2 ขั้นตอนได้แก่ 1. Electron transport chain และ 2. Chemiosmosis
ที่มา: https://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/5.13/
ขณะที่รับและส่งอิเล็กตรอนไปตามตัวนำต่างๆ จะมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาทีละน้อยในแต่ละช่วงของการถ่ายทอด จนในที่สุดอิเล็กตรอนที่ส่งให้กับ O2
จะมีการปั๊มโปรตอน จาก matrix ให้เข้าไปอยู่ในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ mitochondria (intermembrane space) ส่งผลให้บริเวณนี้มีค่า pH ต่ำ กระบวนการนี้ต้องอาศัยพลังงานจากเซลล์ เพราะเป็นการนำสารจากที่ๆ มีความเข้มข้นน้อยไปที่ๆ มีความเข้มข้นมาก (active transport) หลังจากนั้นโปรตอนก็จะกลับเข้าไปใน matrix โดยผ่านของเอนไซม์ ATP synthase ซึ่งเป็นโปรตีนที่เยื่อหุ้มชั้นในเช่นกัน โดยผ่านในรูปแบบของกระบวนการแพร่ที่ไม่ต้องใช้พลังงานจากเซลล์ (passive transport) และการแพร่ของโปรตอนทำให้ ADP รวมตัวกับ Pi หรือหมู่ฟอสเฟต กลายเป็น ATP ภายใน matrix ในที่สุด ซึ่งรูปแบบดังกล่าวจัดเป็นเป็นการสร้าง ATP แบบ Oxidative Phosphorylation
แหล่งที่มา
Reece, J. B and Campbell, N. A. (2011). Campbell biology (10th). Boston, Benjamin Cummings: Pearson.
จิรัสย์ เจนพาณิชย์. (2552). BIOLOGY for high school students (พิมพ์ครั้งที่ 19). กรุงเทพฯ:
บูมคัลเลอร์ไลน์.
สมาน แก้วไวยุทธ. (2551). 100 จุดเน้นชีววิทยา ม.4-5-6 (พิมพ์ครั้งที่ 1). กรุงเทพฯ:
ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2558). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ ชีววิทยา เล่ม 1 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 – 6 (พิมพ์ครั้งที่ 7). กรุงเทพฯ: องค์การค้าของ สกสค.ลาดพร้าว.
Return to contents
ม.5
ม.6
นักเรียน
