กิจกรรมเรื่องการสลายสารอาหารระดับเซลล์ของยีสต์

 

กิจกรรมเรื่องการสลายสารอาหารระดับเซลล์ของยีสต์

ดร.สุนัดดา โยมญาติ

         สิ่งมีชีวิตต้องการพลังงานจากการสลายสารอาหารเพื่อใช้ในกิจกรรมต่างๆ ซึ่งในการสลายสารอาหารนี้ จะเปลี่ยนพลังงานของพันธะเคมีของสารอาหารให้อยู่ในรูปสารประกอบพลังงานสูง เช่น ATP ที่เซลล์สามารถนำไปใช้ได้ เรียกกระบวนการนี้ว่า การสลายสารอาหารระดับเซลล์หรือ  การหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration) สารอาหารที่ลำเลียงเข้าสู่เซลล์และสามารถให้พลังงานแก่เซลล์ได้ เช่น กลูโคส กรดอะมิโน กลีเซอรอล และกรดไขมัน

         การสลายสารอาหารระดับเซลล์มีทั้งแบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน ในที่นี่ขอกล่าวถึงเฉพาะการสลายน้ำตาลกลูโคสเนื่องจากในแต่ละวันร่างกายจะได้รับพลังงานจากคาร์โบไฮเดรตมากที่สุด กระบวนการสลายกลูโคสแบบใช้ออกซิเจนประกอบด้วย 3 ขั้นตอนใหญ่ๆ ต่อเนื่องกัน คือ  ไกลโคลิซิส วัฏจักรเครบส์ และกระบวนการถ่ายทอดอิเล็คตรอน ได้ผลิตภัณฑ์หลายชนิด เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และ ATP แต่เมื่ออยู่ในภาวะที่ไม่มีออกซิเจนหรือมีออกซิเจนไม่เพียงพอ ทำให้ขาดออกซิเจนซึ่งเป็นตัวรับอิเล็กตรอนในขั้นตอนสุดท้าย จึงไม่สามารถสร้าง ATP ได้ และขาดแคลน NAD⁺ ในกระบวนการไกลโคลิซิส ดังนั้นเพื่อให้ได้ ATP และกระบวนการไกลโคลิซิสไม่หยุดชะงัก ไพรูเวตจากกระบวนการไกลโคลิซิสจะถูกรีดิวซ์ไปเป็นกรดแลกติกหรือเอทิลแอลกอฮอล์โดยกระบวนการหมัก ขึ้นอยู่กับชนิดของสิ่งมีชีวิต เช่น ในเซลล์ยีสต์ กระบวนการหมักแอลกอฮอล์จะมีขั้นตอนดังนี้ ไพรูเวต ซึ่งมีคาร์บอน 3 อะตอม จะเปลี่ยนเป็นแอซิตัลดีไฮด์ ซึ่งมีคาร์บอน 2 อะตอม ส่วนคาร์บอนที่ถูดตัดจะออก 1 อะตอม จะไปอยู่ในรูปคาร์บอนไดออกไซด์ จากนั้นแอซิตัลดีไฮด์จะรับอิเล็กตรอนจาก NADH แล้วกลายเป็นเอทิลแอกอฮอล์ ดังภาพที่ 1

 

ภาพที่ 1 การสลายกลูโคสในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน

         จากที่กล่าวมาแล้วจะเห็นได้ว่า การสลายสารอาหารระดับเซลล์แบบไม่ใช้ออกซิเจน จะได้ผลิตภัณฑ์คือ แอลกอฮอล์และคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้น ซึ่งนักเรียนสามารถทำกิจกรรมเรื่องการสลายสารอาหารระดับเซลล์แบบไม่ใช้ออกซิเจนอย่างง่ายๆ โดยทดลองกับยีสต์ ในที่นี้จะเสนอกิจกรรมอย่างง่าย 3 รูปแบบคือ

1.  กิจกรรมเรื่องการหมักของยีสต์โดยดูจากการเปลี่ยนแปลงขนาดของลูกโป่ง

         นำยีสต์แห้ง 5 กรัม น้ำตาลทราย 10 กรัม และน้ำ 50 มิลลิลิตร ใส่ลงในขวด นำลูกโป่งมาไล่อากาศออกแล้วครอบลูกโป่งลงบนปากขวด ใช้เทปกาวพันให้ลูกโป่งติดกับปากขวดจนแน่น เขย่าขวดแล้วตั้งทิ้งไว้ 30 นาที (สามารถเขย่าขวดทุก 5 นาที) จะสังเกตเห็นลูกโป่งพองออก  แก๊สที่ทำให้ลูกโป่งพองออกนี้ คือคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากหมักของยีสต์นั่นเอง การทดลองนี้อาจจะมีการออกแบบการทดลองเพิ่มเติมเพื่อพิสูจน์ว่า ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อการหมักของยีสต์ เช่น การเพิ่มหรือลดปริมาณของยีสต์หรือน้ำตาลที่ใช้ การเปลี่ยนขนาดและรูปร่างของขวด การเปลี่ยนชนิดของน้ำตาลที่ใช้ เป็นต้น

 

ภาพที่ 2 การพองของลูกโป่งที่เกิดจากผลของการหมักของยีสต์

2. กิจกรรมเรื่องการหมักของยีสต์โดยดูการเปลี่ยนสีของบรอมไทมอลบลู

          นำยีสต์ 1 กรัม ใส่ลงในหลอดทดลองที่มีน้ำสับปะรดคั้น 10 มิลลิลิตร ผสมให้เข้ากัน แล้วค่อยๆ เติมน้ำมันพืช 1 มิลลิลิตร ให้ลอยอยู่บนผิวหน้าของสารละลายปิดจุกยางที่ต่อสายยางไปยังหลอดทดลองอีกหลอดหนึ่งที่บรรจุสารละลายบรอมไทมอลบลูปริมาตร 10 มิลลิลิตร จากนั้นตั้งหลอดทดลองทิ้งไว้ประมาณ 30 นาที จะสังเกตเห็นว่าสีของสารละลายบรอมไทมอลบลูจะเปลี่ยนจากสีฟ้าเป็นสีเหลือง ดังภาพที่ 3     (บรอมไทมอลบลูจะเปลี่ยนสีเมื่อสารละลายมี pH น้อยกว่า 7) แสดงว่าสารละลายนั้นอยู่ในสภาพที่เป็นกรด สภาพดังกล่าวนี้เกิดจากมีคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งได้มาจากการหมักของยีสต์ละลายอยู่ในสารละลายในหลอดทดลอง ทำให้สารละลายมีความเป็นกรดอ่อน จากกิจกรรมนี้ครูอาจให้นักเรียนตั้งสมมติฐานแล้วออกแบบการทดลองเพิ่มเติม เช่น ปริมาณน้ำตาลในน้ำผลไม้ชนิดต่างๆ มีผลต่อการหมักของยีสต์หรือไม่ ซึ่งสามารถออกแบบการทดลองโดยใช้น้ำผลไม้ชนิดต่างๆ แล้วเปรียบเทียบเวลาที่ใช้ในการทำให้สารละลาย  บรอมไทมอลบลูเปลี่ยนสี หรือใช้เวลาในการทดลองเท่ากัน แต่สีของสารละลายบรอมไทมอลบลูเปลี่ยนสีแตกต่างกันอย่างไร

 

3. กิจกรรมเรื่องการหมักของยีสต์โดยดูจากการแทนที่ของแก๊ซใน fermentation tube

            ผสมยีสต์แห้ง 3 กรัม น้ำตาลทราย 5 กรัม น้ำ 50 มิลลิลิตร ในบีกเกอร์ แล้วเทลงใน fermentation tube ตั้งทิ้งไว้ 30 นาที จะสังเกตเห็นว่ามีคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นและไปแทนที่สารละลายในหลอด และมีฟองเกิดขึ้นจำนวนมาก ดังภาพที่ 4

 

                                                                                             

         นอกจากนี้สามารถตรวจสอบว่าสารเคมีมีผลต่อการหมักของยีสต์ โดยการเติมโซเดียมฟลูโอไรด์ (NaF) ลงไปในสารละลาย โซเดียมฟลูโอไรด์นี้มีสมบัติเป็นตัวยับยั้งเอนไซม์อีโลเนส (elonase) ที่ใช้ในการเปลี่ยนฟอสโฟอีนอลไพรูเวตไปเป็นไพรูเวตในกระบวนการไกลโคลิซิส     เมื่อตั้ง fermentation tube ไว้ 30 นาที จะสังเกตเห็นว่าคาร์บอนไดออกไซด์จะเกิดขึ้นน้อยมาก   ดังภาพที่ 5 ก. เมื่อเทียบกับหลอดที่ไม่เติมโซเดียมฟลูโอไรด์ จะมีคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นจำนวนมากเมื่อตั้งทิ้งไว้นานเท่ากัน ดังภาพที่ 5 ข.

 

         จากกิจกรรมที่เสนอมาให้นี้ผู้สอนจะเลือกกิจกรรมใดมาจัดการเรียนการสอนในชั้นเรียนนั้น ขึ้นอยู่กับระดับความรู้ของผู้เรียน รวมทั้งวัสดุอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลองด้วย หรือครูผู้สอนอาจดัดแปลงอุปกรณ์มาใช้ในกิจกรรมเองก็ได้ แต่อาศัยหลักการเดียวกันที่ต้องทำในภาชนะปิด คือสภาวะที่ไม่มีออกซิเจนนั่นเอง

 

 

 

เอกสารอ้างอิง

ส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, สถาบัน. กระทรวงศึกษาธิการ. หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติม ชีววิทยา เล่ม 1. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์ สกสค. จัดพิมพ์ จำหน่าย. 2553.

ส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, สถาบัน. กระทรวงศึกษาธิการ. หลักสูตร 2 : การจัดการเรียนการสอนตามมาตรฐานและตัวชี้วัดที่มีประสิทธิภาพสูง (ชีววิทยา). 2555.

Petro, S. (2012). Fermentation in the Yeast Saccharomyces cerevisiae. (Online). Avaiable: http://phobos.ramapo.edu/~spetro/lab_pdf/Fermlab.pdf (Retrieved 01/08/2012)

University of Illinois at Chicago. (2012). Glycolysis, Krebs Cycle, and other Energy-Releasing Pathways. (Online). Avaiable:http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/respiration.htm (Retrieved 01/08/2012)

University of North Dakota. Laboratory 7 – Respiration. (Online). Avaiable: http://www.und.nodak.edu/dept/jcarmich/101lab/lab7/lab7.html (Retrieved 01/08/2012)