เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 หลักชีววิทยา

เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต (Enzyme and Bioenergetics)

ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ* ภาควิชาสัตววิทยา คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร

จุดประสงคของหัวขอการเรียน เพื่อใหนิสิต…

1. สามารถใหความหมาย หนาที่ โครงสราง และคุณสมบัติของเอนไซม 2. สามารถอธิบายการทํางานของเอนไซม และการเกิดปฏิกิริยาระหวางเอนไซมและซับสเตรท 3. ทราบถึงปจจัย และผลที่เกิดขึ้นกับอัตราการทํางานของเอนไซม 4. สามารถอธิบายความหมาย ความสําคัญ โครงสรางและการทํางานของแอลโลสเตอริก เอนไซม 5. สามารถจําแนกประเภทของเอนไซมตามหนาที่ และรูจักการเรียกชื่อเอนไซม 6. สามารถอธิบายพลังงานในสิ่งมีชีวิต และพลังงานที่เกี่ยวของในระบบชีวภาพ 7. ทราบความสําคัญของพลังงานในสิ่งมีชีวิต และ ATP 8. สามารถอธิบายโครงสราง กระบวนการสังเคราะห และการแยกสลาย ATP 9. สามารถบอกชนิดของสารที่ใหพลังงานสูง พรอมยกตัวอยางประกอบ

(D://424111/EnzEnerg48_pdf / 25.11.05)

*ติดตอผูสอน... หองทํางาน: ชีว. 402A ตึกชีววิทยา (เดิม) คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร วิทยาเขตบางเขน E-mail: fscijws@ku.ac.th Home-page: http://pirun.ku.ac.th/~fscijws ทบทวนสื่อการสอนอิเล็กทรอนิกสของผูสอน...http://course.ku.ac.th log in และเขาสูรายวิชา 424111 ภาพประกอบของปก: โมเดลของเอนไซมดีสาทูเลสที่ยึดกับเยื่อ (Membrane-bound fatty acid desaturases)

(Credit: http://bioinfo.pbi.nrc.ca/covello/Images/enzyme-w-o-stars.gif, June 27, 2005 )

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 2

I. เอนไซม (Enzyme) 1. ประวัติและความสําคัญของเอนไซม1. ประวัติและความสําคัญของเอนไซม กระบวนการที่เกี่ยวของกับมนุษยมาตั้งแตสมัยโบราณ ไดแก กระบวนการหมัก (fermentation) ซ่ึงมีการเปลี่ยนน้ําตาลใหเปนแอลกอฮอลโดยอาศัยยีสต (yeast) ในป ค.ศ. 1871 หลุยส ปาสเตอร (Louis Pasture) ไดเสนอแนะวากระบวนการหมักจะเกิดขึ้นไดตองอาศัยยีสตที่ยังคงมีชีวิตอยู ตอมาไลบิก (Liebig) เชื่อวาการหมักสามารถเกิดไดโดยสารอินทรียที่มีอยูในเซลลของยีสต โดยที่เซลลของยีสตดังกลาวไมจําเปนตองมีชีวิตอยู ในป ค.ศ. 1897 บุชเนอร (Buchner) ไดศึกษาพบวาสารสกัดที่ไดจากยีสตกอใหเกิดกระบวนการหมักไดโดยไมตองอาศัยยีสตที่ยังมีชีวิตอยู ปจจุบันจากการศึกษาคนควาจากนักวิทยาศาสตรหลายๆ ทาน ทําใหเราไดทราบวาสารสกัดจากยีสตมีเอนไซมอยูหลายชนิด ในป ค.ศ. 1878 คุนน (Kuhne) ไดนิยามคําวา “เอนไซม (Enzyme)” โดยมีที่มาจากภาษากรีก แปลวา “in yeast” ผูที่เสนอแนะเปนคนแรกวาเอนไซมเปนโปรตีนคือ ซัมเนอร (Sumner, 1926) โดยเขาสามารถแยกเอนไซมยูรีเอส (urease) จากถั่ว นอรธรอพ (Northrop, 1930-1936) ไดพิสูจนใหเห็นวาผลึกของเอนไซมเพปซิน (pepsin) ทริปซิน (trypsin) และไคโมทริปซิน (chymotrypsin) เปนโปรตีน ซ่ึงตอมาไดมีผลศึกษามากมายเกิดขึ้นเกี่ยวกับโครงสรางทางเคมีและโครงสรางสามมิติของโปรตีน (three dimensional protein structure) ของเอนไซม เมื่อป ค.ศ. 1981 โทมัส อาร เซช (Thomas R. Cech) และคณะ พบวา มีอารเอ็นเอ (RNA) บางชนิด ทําหนาที่เปนตัวเรงปฏิกิริยาได และตอมามีการคนพบอารเอ็นเอตัวอ่ืนๆ ที่ทําหนาที่ดังกลาวไดเพิ่มมากขึ้น ในปจจุบันเปนที่ยอมรับกันวา RNA สามารถทําหนาที่เปนตัวเรงปฏิกิริยาได เราเรียก RNA เหลานี้วา “ไรโบไซม (ribozyme)” ซ่ึงมักมีโครงสรางโมเลกุลขนาดใหญ กระบวนการตางๆ ภายในรางกายของสิ่งมีชีวิตทั้งที่เปนจุลินทรีย พืช และสัตว มีเอนไซมเขารวมอยูในปฏิกิริยาดวย เชน การสรางพลังงาน การยอยและสังเคราะหสารอาหาร ฯลฯ ซ่ึงสามารถจําแนกความสําคัญของเอนไซมในดานตางๆ ดังนี้

ภาพที่ 1-1 ปรามิดของเอนไซม (http://www.empowernet.com/images/products/fn/pyramid.jpg, Nov 25, 2005)

1) ดานโภชนาการ เอนไซมมีความสําคัญเกี่ยวของกับกระบวนการยอยและสังเคราะหสารอาหารในสิ่งมีชีวิต เชน อะ-ไมเลส (amylase) ในน้ําลายซึ่งเกี่ยวของกับกระบวนการกลืน เคี้ยว และยอยอาหารจําพวกแปง, โปรติเอส (protease) และไล-เปส (lipase) ทำหนาที่ในการยอยอาหารในสวนของกระเพาะและลําไสเล็ก ฯลฯ

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 3

2) ดานสุขภาพและโรคภัย ความรูทางดานเอนไซมไดถูกนํามาใชประโยชนทางดานการแพทยและเภสัชศาสตรเปนอยางมาก เชน โรคกาเลคโทซิเมีย (galactosemia) ในผูปวยที่ขาดเอนไซมที่จะดูดซับน้ําตาลกาเลคโทส (galactose intolerance) โดยเฉพาะในเด็กออนซึ่งไมสามารถบริโภคนมที่มีน้ําตาลกาเลกโทสจากนมแม หรือนมวัวได จึงตองดื่มนมถั่วเหลืองแทน โรคขาดเลคเทส (lactase deficiency) เปนโรคที่ขาดเอนไซมยอยสลายน้ําตาลเลคโทส ทําใหผูปวยไมสามารถบริโภคอาหารที่มีน้ําตาลเลคโทสได เชน อาหารนมทั่วไป โรคสวนใหญที่เกิดขึ้นนี้เนื่องจากความบกพรองทางพันธุกรรม ดังนั้นจึงควรปองกันและควบคุม โดยการเลือกบริโภคอาหารเฉพาะชนิดใหสอดคลองกับลักษณะบกพรองนั้นๆ

3) ดานการวิเคราะห อาศัยคุณสมบัติของเอนไซมที่มีความจําเพาะและเกิดปฏิกิริยาที่ไมรุนแรง จึงมีผูนําเอนไซมมาใชในการวิเคราะหตางๆ เชน การหาระดับน้ําตาลกลูโคสในเลือด ปสสาวะ และ เนื้อเยื่อ โดยใชเอนไซมกลูโคสออกซิเดส (glucose oxidase) รวมกับเพอรออกซิเดส (peroxidase) และมีการนําเอนไซมมาพัฒนาใชในการวิเคราะหในลักษณะการใชเอนไซมตรึงรูปทําเปนขั้วไฟฟา (electrode) เรียก เอนไซมอิเล็กโทรด ใชวัดสารประเภทตางๆ โดยประกอบเปนเครื่องมือที่เรียกวา “ไบโอเซนเซอร (biosensor)” ซ่ึงเปนอุปกรณรับรูทางชีวภาพที่ประกอบดวยสวนของเอนไซมอิเล็กโทรด แทรนสดิวเซอร (transducer) หรือตัวตรวจหา (detector) ตัวแปลและสะสม และตัวบันทึกผล (ภาพที่ 1-2) ไบโอเซนเซอรนอกจากใชในทางการแพทยแลว ยังมีการนํามาใชประโยชนในการวิเคราะหหาสารเคมีตางๆ ในภาคอุตสาหกรรม วิทยาศาสตรการเกษตร และวิทยาศาสตรส่ิงแวดลอม ตัวอยางเชน การตรวจวัดไนเตรต และสารตางๆ จากยาฆาแมลงในน้ําดื่ม การตรวจหาสารเคมี ยา หรือแอลกอฮอลในเลือด และลาสุดยังมีการนํานาโนเทคโนโลยี (nanotechnology) มาประยุกตใชกับเอนไซม เพื่อการวิเคราะหในรูปแบบของไบโอชิพ หรือโปรตีนชิพ (biochip or protein chip)

(http://www.must.edu.my/~ccyeo/topics/biosensor.jpg, Nov 25, 2005)

(ก) หลักการทํางานของไบโอเซนเซอร

ภาพที่ 1-2 ไบโอเซนเซอรที่มีสวนประกอบหนึ่งคือ ขั้วไฟฟาเอนไซม (enzyme electrode)

(ดัดแปลงจาก Bradfield et al., 2004)

(ข) ไบโอเซนเซอรสําหรับน้ําตาลในเลือด

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 4

4) ดานอุตสาหกรรม ไดมีวิวัฒนาการเรื่อยมาจนถึงปจจุบัน ขึ้นอยูกับลักษณะการใชงานและคุณลักษณะของเอนไซมนั้นๆ โดยมีวัตถุประสงคในการใชที่ตางๆ กัน เชน การผลิตสารอินทรียชนิดใหม เพื่อการปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑและกระบวนการผลิต ตัวอยางเชน การใชเอนไซมเซลลูเลส (cellulase) ในผลิตภัณฑผงซักฟอก เพื่อขยายเสนใยเซลลูโลสของผา ทําใหเอนไซมและสารเคมีในผงซักฟอกเขาสูเนื้อผา และทําใหส่ิงสกปรกหลุดออกจากเนื้อผาไดดีขึ้น การใชเอนไซมเพกทิเนส (pectinase) ในอุตสาหกรรมการผลิตกาแฟ ทําใหมีการยอยสลายเพกทินเจลที่เคลือบในระหวางการหมักของกาแฟ หรือในอุตสาหกรรมไวน ซ่ึงจะชวยแยกเพกทิน ทําใหไวนใส ฯลฯ

2. ความหมายและคุณสมบัติของเอนไซม เอนไซมคือ โปรตีนที่มีความสามารถเรงปฏิกิริยาในสิ่งมีชีวิต (biocatalyst) ทำใหอัตราเรงของปฏิกิริยาเพิ่มสูงกวาตัวเรงสังเคราะหเปนหลายลานเทาดวยปริมาณเอนไซมเพียงระดับไมโครโมลาร (µM) โดยการเรงของเอนไซมเกิดขึ้นภายใตสภาวะที่ไมรุนแรง ซ่ึงเหมาะสมกับการเกิดภายในเซลลและเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต ในปฏิกิริยาที่มีเอนไซมเปนตัวเรงนั้น ตัวทําปฏิกิริยา (reactant) ซ่ึงเรียกวา ซับสเตรต (substrate) จะมีความจําเพาะตอเอนไซม และเอนไซมสามารถเรงปฏิกิริยาไดโดยเอนไซมไมเกิดการเปลี่ยนแปลง นอกจากนี้เอนไซมจะทําหนาที่เพิ่มอัตราเร็วของปฏิกิริยาโดยลดพลังงานกระตุน (activation energy, EA) (ภาพที่ 1-3) ของปฏิกิริยาได

(ก) (ข) ภาพที่ 1-3 พลังงานอิสระ (free energy) กับการเกิดปฏิกิริยา (ก) สภาวะของสารที่เกี่ยวของกับฏิกิริยา

(ข) การเปลี่ยนพลังงานกระตุนของการเปลี่ยนตัวทําปฏิกิริยา (reactants) เปนผลิตภัณฑ (products) (Campbell and Reece, 2002)

คุณสมบัติของเอนไซม 2.1 เอนไซมเปนโปรตีน ซ่ึงอาจเกิดการสูญเสียความสามารถในการทํางานไดเนื่องจากการเปล่ียนแปลงโครงสรางของโปรตีน ทําใหเกิดการเสียสภาพธรรมชาติ (denaturation) สาเหตุที่อาจทําใหเอนไซม

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 5

สูญเสียความสามารถในการทํางาน เชน อุณหภูมิ ความเปนกรด-เบส (pH) ปริมาณของเกลือตางๆ โลหะหนัก สบู และสารตางๆ ที่ทําใหเกิดฟอง (detergents) ฯลฯ 2.2 เอนไซมเปนตัวเรงปฏิกิริยา ที่สามารถเรงอัตราเรงของปฏิกิริยาไดโดยใชปริมาณเพียงเล็กนอย ความเขมขนของเอนไซมที่ตองใชในการเรงปฏิกิริยาการเปลี่ยนซับสเตรตไปเปนผลิตผลของปฏิกิริยาจะนอยมากเมื่อเทียบกับความเขมขนของซับสเตรต โดยทั่วไปความเขมขนของเอนไซมภายในเซลลมีคาไมเกิน 10-5 โมลาร 2.3 ตัวเอนไซมเองไมเกิดการเปลี่ยนแปลง โดยหลังจากเอนไซมไดทํางานเปลี่ยนซับสเตรตไปเปนผลิตผลของปฏิกิริยาแลว เอนไซมโมเลกุลนั้นสามารถหมุนเวียนกลับมาทําหนาที่ไดใหม ซ่ึงจะเปลี่ยนซับ-สเตรตตัวตอๆ ไป ใหเปนผลิตผลของปฏิกิริยา ปริมาณเปนโมลของซับสเตรตที่เขาทําปฏิกิริยากับเอนไซม หรือปริมาณเปนโมลของผลิตผลที่เกิดจากปฏิกิริยาของเอนไซม 1 โมล ภายในหนึ่งหนวยเวลา (วินาที หรือนาที) เรียกวา เทอรนโอเวอรนัมเบอร (turnover number) หรือจํานวนผันเวียนของเอนไซม ซ่ึงเปนคาที่แสดงใหเห็นถึงประสิทธิภาพการทํางานของเอนไซม 2.4 เอนไซมมีความจําเพาะ (specificity) และประสิทธิภาพ (efficiency) สูง ความจําเพาะหมายถึง การที่ตัวเรงเจาะจงจะเรงเฉพาะปฏิกิริยาบางประเภทหรือปฏิกิริยาที่มีสารบางชนิดเปนซับสเตรตเทานั้น เอนไซมตางชนิดกันจะมีความจําเพาะมากนอยแตกตางกันออกไป เชน เอนไซมยูรีเอสจะมีความจําเพาะสูงสุด โดยจะเรงปฏิกิริยาที่มียูเรีย (urea) เปนซับสเตรตเทานั้น ซับสเตรตจะจับตัวเขากับเอนไซมที่ “ตําแหนงกัมมันต (active site)” ของเอนไซม สวนประสิทธิภาพ หมายถึง ความสามารถของเอนไซมในการเพิ่มอัตราเร็วของปฏิกิริ- ยาเมื่อเทียบกับอัตราของปฏิกิริยาซ่ึงเดิมไมมีเอนไซมเปนตัวเรงปฏิกิริยา ประสิทธิภาพของเอนไซมในการเรงปฏิกิริยามีสูงมาก โดยสามารถเพิ่มอัตราเร็วของปฏิกิริยาไดถึง 108-1014 เทาของปฏิกิริยาที่ไมมีเอนไซม ซ่ึงตัวเรงที่ไมใชเอนไซมจะมีความสามารถเพียง 102-106 เทาของปฏิกิริยาเดิม

3. โครงสรางของเอนไซม เอนไซมสวนใหญเปนโปรตีนที่มีลักษณะเปนกอน (globular protein) ความสามารถในการทํางานของเอนไซมขึ้นอยูกับโครงรูป (conformation) ของโปรตีน เอนไซมบางชนิดจะทํางานไดก็ตอเมื่อมีโมเลกุลที่ (non-protein molecule) หรือที่เรียกวา “โคแฟกเตอร (cofactor)” อยูดวย

Holoenzyme = Apoenzyme (protein) + Cofactor (non-protein molecule) เราเรียกเอนไซมที่มีโคแฟกเตอรรวมอยูดวยวา “โฮโลเอนไซม (holoenzyme)” โดยสวนที่เปนโปรตีนซึ่งไมสามารถเรงปฏิกิริยาไดมีช่ือเรียกวา “อะโพเอนไซม (apoenzyme)” โคแฟกเตอรของเอนไซม (ตารางที่ 1) อาจ

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 6

เปนอิออนของโลหะ เชน Zn2+, Mg2+, Fe2+ ฯลฯ หรืออาจเปนสารประกอบอินทรีย เชน วิตามินหรืออนุพันธของวิตามิน ซ่ึงในกรณีนี้มักเรียกวา “โคเอนไซม (coenzyme)” โคแฟกเตอรบางชนิดจะจับกับเอนไซมแนนมากดวยพันธะโคเวเลนซ (covalent bond) จนไมสามารถแยกออกจากเอนไซมโดยไมทําใหเอนไซมสูญเสียความสามารถในการเรงปฏิกิริยาไปได เราเรียกโคแฟกเตอรประเภทนี้มีวา “หมูพรอสเทติก (prosthetic group)” เชน ฮีม (heme), ฟลาวิน (flavin) ฯลฯ เอนไซมมีขนาดตางๆ กัน ซ่ึงเมื่อเทียบกับขนาดของซับสเตรตจะเห็นวา เอนไซมและซับสเตรตมีขนาดที่ตางกันมาก ดังภาพที่ 1-4

ตารางที่ 1 ตัวอยางของโคแฟกเตอร หรือโมเลกุลที่ไมใชโปรตีน ชนิดโมเลกุล บทบาทในปฏิกิริยาเรง โคแฟกเตอร เหล็ก (Iron, Fe2+, Fe3+ ออกซิเดชัน/ รีดักชัน ทองแดง (Copper, Cu+, Cu2+) ออกซิเดชัน/ รีดักชัน สังกะสี (Zinc, Zn2+) ชวยยึดจับ NAD โคเอนไซม ไบโอติน(Biotin) นําสง –COO- โคเอนไซม เอ (Coenzyme A) นําสง –CH2 – CH3 NAD+ (Nicotinamide adenine dinucleotide) นําสงอิเล็กตรอน FAD+ (Flavin adenine dinucleotide) นําสงอิเล็กตรอน หมูพรอสเทติก ฮีม (Heme) จับกับอิออน ออกซิเจน และอิเล็กตรอน; มีเหล็ก

เปนโคแฟกเตอร ฟลาวิน (Flavin) จับอิเล็กตรอน เรทิเนล (Retinal) เปลี่ยนกลับพลังงานแสงของโปรตีนตัวรับแสง

(photoreceptor proteins)

ภาพที่ 1-4 เปรียบเทียบขนาดของเอนไซม และซับสเตรต (http://www.phschool.com/science/biology_place/labbench/lab2/images/enzyme.gif, June 27, 2005)

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 7

4. การทํางานของเอนไซม การที่เอนไซมจะทํางานในการเรงปฏิกิริยาไดนั้น เอนไซมจะตองจับกับซับสเตรต แลวเกิดเปนสารประกอบเชิงซอนของเอนไซม-ซับสเตรต (enzyme-substrate complex) ด ังแสดงไวในภาพที่ 1-5 เมื่อให E คือ เอนไซม, S คือ ซับสเตรต และ P คือผลิตภัณฑที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยา

E + S E-S complex E + P

ภาพ

จะตองจับกับซับจะทําหนาที่ในก

(http://www.

(http://www.cat.cc.md.us/courses/bio141/lecguide/unit4/genetics/proteins/enzymes/images/u4fg2.jpg)

ที่ 1-5 ปฏิกิริยาการทํางานของเอนไซมในการเรงปฏิกิริยาเปลี่ยนซับสเตรตใหไดเปนผลิตภัณฑ

ในกรณีของเอนไซมบางชนิดที่ตองอาศัยโคแฟกเตอรในการทํางาน เอนไซมและโคแฟกเตอร สเตรตกอน ซ่ึงซับสเตรตตองมีโครงสรางที่เหมาะสมพอดีกับเอนไซมและโคแฟกเตอร เอนไซมารเรงปฏิกิริยาไดเปนผลิตภัณฑ (ภาพที่ 1-6)

ภาพที่ 1-6 ความสัมพันธระหวางอะโพเอนไซม โคแฟกเตอร โฮโลเอนไซมและซับสเตรต cat.cc.md.us/courses/bio141/lecguide/unit4/genetics/proteins/enzymes/images/u4fg3.jpg, Nov 25, 2005)

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 8

5. ทฤษฎีการรวมตัวของเอนไซมกับซับสเตรต 5.1 ทฤษฎีกุญแจและลูกกุญแจ (lock and key theory) เสนอโดยนักเคมีชาวเยอรมัน ช่ือ อีมิล พิชเชอร (Emil Fischer) ในป ค.ศ. 1897 โดยทฤษฎีนี้ไดอธิบายความจําเพาะของเอนไซมที่มีพื้นฐานจากการเกิดโครงสรางเชิงซอนของเอนไซมจับกับซับสเตรตแบบมีความจําเพาะรอบดาน โดยโครงสรางของเอนไซมเปรียบไดกับแมกุญแจ (lock) และซับสเตรตเปรียบไดกับลูกกุญแจ (key) ซ่ึงจะสวมกันไดอยางเหมาะสมพอดี ดังภาพที่ 1-7 ภาพที่ 1-7 การเกิดปฏิกิริยาเอนไซมกับซับสเตรต โดยอาศัย

การอธิบายจากทฤษฎีกุญแจและลูกกุญแจ

5.2 ทฤษฎีเหนี่ยวนําใหพอดี (induced fit theory) ในโมเลกุลของซับสเตรตจะไปเหนี่ยวนําตําแหนงกัมมันตของเอนไซไดพอดี ทําใหเกิดการรวมกันได (ภาพที่ 1-8)

6. ความสามารถในการทํางานและความเขมขนของเอนไซม (Enz ความเขมขนของเอนไซม หมายถึง จํานวนโมเลกุลของหนวยน้ําหนักหรือหนวยปริมาตร เชน มิลลิกรัม/กรัม มิลลิกรัมของเอนไซมนั้นคอนขางจะยาก ทั้งนี้เพราะวาปริมาณของเอนไซมมาใหอยูในลักษณะที่บริสุทธิ์กอนที่จะวัดหาปริมาณโดยวิธีการตรดังนั้นการวัดความสามารถในการเรงปฏิกิริยาของเอนไซมจึงมีควากระทําไดงายกวา ความสามารถในการทํางานของเอนไซม ถูกวัดออกมาเปปริมาณเอนไซม 1 กรัม นั่นคือ ปริมาณเอนไซม 1 กรัม ที่เปล่ียนภัณฑไดภายใน 1 นาที ในสภาวะปฏิกิริยาที่กําหนด คาความสามความเร็วของปฏิกิริยา ทําใหเกิดการศึกษาเกี่ยวกับอัตราของปฏิกิรเอนไซม ปจจัยตางๆ ที่จะเปนตัวกําหนดความเร็วของปฏ“จลนพลศาสตรของเอนไซม (enzyme kinetics)” นิสิตจะไดเรียนอดังนั้นจึงไมขอกลาวในหัวขอการเรียนนี้

ภาพที่ 1-8 การรวมกันของเอนไซมซับสเตรต โดยอาศัยทฤษฎีเหนี่ยวนําใหพอดี

ป ค.ศ. 1959 โคชแลนด (Kosh land) ไดเสนอวา มใหเปลี่ยนแปลง เหมาะสม เขากับซับสเตรต

yme activity and concentration) เอนไซม หรือปริมาณของเอนไซมที่มีอยู ตอ

/ลิตร เปนตน อยางไรก็ตามการหาความเขมขนที่มีอยูนั้นมักจะนอยมาก และจะตองสกัดออกวจหาโปรตีน ซ่ึงวิธีการเหลานี้คอนขางยุงยาก มสําคัญมากเทาการวัดปริมาณฯ และสามารถ

นหนวยสากล (international unit, IU) ต อซับสเตรต 1 โมโครโมล (µmole) ไปเปนผลิตารถในการทํางานของเอนไซมนี้จะเกี่ยวของกับิยา (reaction rate) รวมทั้งกลไกการทํางานของิกิริยาของเอนไซม ซ่ึงเราเรียกการศึกษานี้วา ยางละเอียดในวิชาชีวเคมีในชั้นปที่สูงขึ้นตอไป

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 9

7. ปจจัยท่ีมีผลตอความสามารถในการทํางานของเอนไซม ความสามารถในการทํางานของเอนไซม สามารถหาไดจากอัตราการเพิ่มขึ้นของผลิตภัณฑ หรืออัตราการ

ลดลงของซับสเตรต ปจจัยที่มีผลตอความสามารถนี้ ไดแก อุณหภูมิ pH ความเขมขนของเอนไซม ความเขมขน-ของซับสเตรต และการมีตัวยับยั้งในปฏิกิริยาการทํางานของเอนไซม 7.1 อุณหภูมิ (Temperature) อัตราเร็วของปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิ โดยการเพิ่มอุณหภูมิจะชวยเพิ่มพลังงานจลนที่โมเลกุลของสารในปฏิกิริยา ซ่ึงสารที่ถูกกระตุนนี้จะมีพลังงานสูง เกิดการชนกันไดมากขึ้นตอหนวยเวลา เขาสูสภาพเปลี่ยน (transition state) เกิดความไมเสถียร และในที่สุดจะไดเปนผลิตภัณฑของปฏิกิริยา สําหรับปฏิกิริยาที่มีเอนไซมเปนตัวเรง การเพิ่มอุณหภูมิจะทําใหอัตราเร็วของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น แตเปนการเพิ่มที่มีขีดจํากัด ทั้งนี้โดยที่เอนไซมเปนโปรตีนที่มีโครงสรางตติยภูมิ (tertiary structure) ท ี่สลับซับซอน และในปฏิกิริยาการทํางานนั้นเอนไซมจะตองมีโครงสรางตติยภูมิที่เหมาะสมแกการทํางาน โดยมีการจัดเรียงตัวของหมูแขนงดานขาง (site chain group, R) ของกรดอะมิโนตางๆ โดยเฉพาะที่

ภาพที่ 1-9 กราฟแสดงความสัมพันธของ อัตราของ ปฏิกิริยา (Reaction rate) กับอุณหภูมิ

(Temperature) ในการทํางานของเอนไซม

ตําแหนงกัมมันตอยางพอเหมาะในการจับกับซับสเตรต ซ่ึงตองอาศัยแรงอยางออนของพันธะที่ไมใชโคเวเลนซ (non-covalent bonds) จำนวนมาก พันธะเหลานี้สามารถถูกทําลายไดงาย เกิดการเสียสภาพธรรมชาติ และไมสามารถเรงปฏิกิริยาตอไปได ดังนั้นในการเพิ่มอุณหภูมิที่สูงขึ้นมากเกินไปเอนไซมจะเสียสภาพธรรมชาติ ดังนั้นเอนไซมที่สามารถทํางานไดจะมีปริมาณลดลง ซ่ึงมีผลตออัตราเร็วของปฏิกิริยาทําใหเกิดการลดลงของอัตราเร็วของปฏิกิริยา เมื่อเขียนกราฟระหวางอัตราของปฏิกิริยากับอุณหภูมิ (ภาพที่ 1-9) มักจะไดกราฟรูประฆังคว่ํา ซ่ึงจะแสดงยอดสูงสุดที่เรียกวา “อุณหภูมิที่เหมาะสม (optimal or optimum temperature)” โดยทั่วไปซับสเตรตจะชวยตานการเกิดการเสียสภาพธรรมชาติของเอนไซม และยังพบวาเอนไซมที่มีน้ําหนักโมเลกุลต่ําซึ่งประกอบดวยสายพอลิเพปไทดสายเดี่ยว และมีพันธะไดซัลไฟลจะทนตอความรอนไดดีกวาพวกที่มีน้ําหนักโมเลกุลสูง ส่ิงมีชีวิตมีการวิวัฒนาการของเอนไซมในการปรับสภาพการทํางานใหเขากับอุณหภูมิที่อยูลอมรอบนั้นๆ เมื่อดําเนินการทดลองภายนอกรางกายในหลอดทดลอง (in vitro) โดยสวนใหญเอนไซมที่พบในรางกายของมนุษยมีอุณหภูมิที่เหมาะสมที่ประมาณ 40 °C แตสําหรับแบคทีเรียบางสายพันธุซ่ึงอาศัยอยู ในน้ําพุรอนมีเอนไซม ซ่ึงไมสามารถทําใหเสียสภาพธรรมชาติไดในอุณหภูมิสูงที่ 95 °C

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 10

7.3 ความเปนกรด-เบส (pH)

ภาพที่ 1-10 ผลของ pH ตอการทํางานของ เอนไซมชนิดตางๆ

เอนไซมชนิดตางๆ จะมี “ความเปนกรด-เบสที่เหมาะสม (optimum pH)” ซ่ึงทําใหอัตราของปฏิกิริยาเกิดไดสูงสุด (ภาพที่ 1-10) การเปลี่ยนคา pH หมายถึง การเปลี่ยนความเขมขนของไฮโดรเจนอิ-ออน (H+) ที่อยูรอบๆ เอนไซม สงผลกระทบตอการแตกตัวเปนอิออน (ionization) ของหมูแขนงดานขาง (R-groups) ของกรดอะมิโนตางๆ ในโมเลกุลของโปรตีน นอกจากนี้ยังมีสงผลตอรูปรางของตําแหนง กัมมันตและการจับกับซับสเตรต เมื่อมีคาpH ที่เหมาะสม รูปรางของตําแหนงกัมมันตจะเหมาะสมที่สุดในการเกิดรูปรางของสารประกอบเชิงซอนของเอนไซม-ซับสเตรต ในรางกายมนุษยเอนไซมสวนใหญทํางานไดดีที่ optimum pH ∼ 7 ซ่ึงอยูในสภาวะเปนกลาง แตมีขอยกเวน เชน เพปซิน(pepsin) ซ่ึงเปนเอนไซมที่ถูกหล่ังออกมาจากกระเพาะอาหารทําหนาที่ในการยอยโปรตีน มี optimum pH ∼ 2, อารจิเนส (arginase) ซ่ึงเปนเอนไซมเกี่ยวของกับการสังเคราะหยูเรียในตับ มี optimum pH ∼ 10

7.3 ความเขมขนของเอนไซม (Enzyme concentration)

ภาพที่ 1-11 ผลของความเขมขนเอนไซม ตออัตราของปฏิกิริยาเอนไซม

ภาพที่ 1-12 ผลของความเขมขนซับสเตรต ตออัตราของปฏิกิริยาเอนไซม

จากที่กลาวแลวขางตน เมื่อเกิดการทํางานของเอนไซม เอนไซมจะไมสูญหายไปในระหวางการเกิดปฏิกิริยา ซ่ึงมันทําหนาที่เรงปฏิกิริยานั้นๆ และตําแหนงกัมมันตของเอนไซมจะถูกใชตอไปไดอีกในการเรงปฏิกิริยาครั้งตอไป ดังนั้นเอนไซมจะมีประสิทธิภาพสูงในการทํางานที่ความเขมขนของเอนไซมต่ํา โดยสวนใหญในการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม โมเลกุลของซับสเตรตจะมีจํานวนมากจนเกินพอ และอัตราของปฏิกิริยาจะถูกจํากัดดวยความเขมขนของเอนไซม ดังนั้นถาความเขมขนของเอนไซมเพิ่มขึ้น ทําใหโอกาสในการพบกัน รวมทั้งการทําปฏิกิริยากับโมเลกุลของซับสเตรต และอัตราของปฏิกิริยาก็จะเพิ่มขึ้นดวย (ภาพที่ 1-11)

7.4 ความเขมขนของซับสเตรต (Substrate concentration) ถาความเขมขนของซับสเตรตต่ํา ตําแหนงกัมมันตของเอน-ไซมบางโมเลกุลจะไมมีการจับกับซับสเตรต และอัตราของปฏิกิริยาจะต่ําลง แตถามีการเพิ่มความเขมขนของซับสเตรตใหมากขึ้น ใน

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 11

สภาวะดังกลาวจะทําใหเกิดสารประกอบเชิงซอนของเอนไซม-ซับสเตรต และอัตราของปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้น ปรากฏ- การณนี้จะเกิดขึ้นจนกระทั่งถึงจุดที่ความเขมขนของซับสเตรตสูงเกินพอ จากนั้นอัตราของปฏิกิริยาจะเขาสูตําแหนงสูงสุดที่เรียกวา “อัตราเร็วสูงสุดของปฏิกิริยา (V max)” (ภาพที่ 1-12) เมื่อทุกตําแหนงกัมมันตของเอนไซมมีการจับกับซับสเตรตอยางอิ่มตัว

7.5 ตัวยับยั้ง (Inhibitors) เราเรียกสารเคมีที่ทําใหปฏิกิริยาของเอนไซมเกิดชาลงหรือหยุดชงักวา “ตัวยับยั้ง” โดยตัวยับยั้งจะไมมีผลโดยตรงหรือโดยออมตอรูปรางของตําแหนงกัมมันต เราสามารถแบงชนิดของตัวยับยั้งเปนกลุมที่เกิดการยับยั้งแบบยอนกลับ (reversible inhibitors) และกลุมที่เกิดการยับยั้งแบบไมยอนกลับ (non-reversible inhibitors) ตัวยับยั้งที่เกิดการยับยั้งแบบยอนกลับจะจับกับเอนไซมแบบชั่วคราว ดังนั้นผลของมันจึงไมเกิดแบบถาวร ในขณะที่ตัวยับยั้งที่เกิดการยับยั้งแบบไมยอนกลับจะจับกับเอนไซมแบบถาวร ทําใหเอนไซมไมสามารถทําหนาที่ในการเรงปฏิกิริยาได 7.5.1 ตัวยับยั้งที่เกิดการยับยั้งแบบยอนกลับสามารถแบงไดเปน 3 ประเภท คือ 1) ตัวยับยั้งแบบแขงขัน (competitive inhibitors or active site directed inhibitors) เปนสารที่มีโครงสราง คลาย กับซับสเตรต ซ่ึงจะแยงจับที่ตําแหนงกัมมันตของเอนไซม ทําใหซับสเตรตของเอนไซมนั้นไมสามารถเขาจับที่ตําแหนงกัมมันตได นั่นคือตัวยับยั้งชนิดนี้จะแขงขันกับซับสเตรตเพื่อเขาจับที่ตําแหนงกัมมันตของเอนไซม ศักยภาพในการยับยั้ง ขึ้นอยูกับความเขมขนสัมพัทธของซับสเตรต และตัว ยับยั้ง การเกิดปฏิกิริยาของตัวยับยั้งแบบแขงขันแสดงไวดังปฏิกิริที่แสดงไวดานขาง และเมื่อเขียนกราฟเปรียบเทียบผลของปฏิกิริยาเอนไซมเมื่อมีตัวยับยั้งนี้กับปฏิกิริยาในชุดการทดลองควบคุม (control) แสดงในภาพที่ 1-13 ตัวอยางของตัวยับยั้งแบบแขงขัน เชน กรดมาโลนิก (malonic acid) เปนตัวยับยั้งการทํางานของเอนไซมซักซินิกดีไฮโดรจีเนส (succinic dehydrogenase) ซ่ึงเรงปฏิกิริยาของกรดซักซินิก (succinic acid) ไปเปนกรดฟูมาริก (fumaric acid) ในวัฏจักรเครบส (Kreb’s cycle)

E + S ES E + P + I EI

E + S ES E + P + + I I

EI + S ESI

2) ตัวยับยั้งแบบไมแขงขัน (non-competitive inhibitors or non-active site directed inhibitors) เปนสารที่มีโครงสร างไมเหมือน กับซับสเตรต จะจับกับตําแหนงอื่นของเอนไซมที่ไมใชตําแหนงกัม-มันต ทําใหโครงสรางของเอนไซมเปล่ียนไป หรือไมสามารถทํางานได ดังนั้นเอนไซมจึงทําปฏิกิริยากับซับสเตรตไดยาก หรือไมได ตัวยับยั้ง-

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 12

ชนิดนี้ และซับสเตรตมีอิสระในการจับกับเอนไซมที่ตําแหนงตางกัน นั่นคือ I จะจับกับ E และกับ ES ส วน S จะจับกับ E และกับ EI ไดสารเชิงซอนที่เปน ESI ซ่ึงไมไวตอปฏิกิริยาการเรง โดย I นี้กัมมันต กราฟเปรียบเทียบผลของปฏิกิริยาเอนไซมเมื่อมีตัวยับยั้งแบบนี้กับปฏิกิริยาในชุดการทดลองควบคุม (control) แสดงดังภาพที่ 1-13 3) ตัวยับยั้งแบบไมไดแขงขัน (uncompetitive inhibitors) เปนสารที่เขาจับกับสารประกอบเชิงซอนของเอนไซม-ซับสเตรต (ES-complex) ในลักษณะการเกิดปฏิกิริยาแบบยอนกลับได และเกิดเปนสารประกอบเชิงซอนของเอนไซม-ซับสเตรต-ตัวยับยั้ง (ESI-complex) ท ี่ไมไวตอการเรงปฏิกิริยา และตัวยับยั้งนี้ไมจับกับเอนไซมอิสระ ดังปฏิกิริยาที่แสดงไวดานขาง

E + S ES E + P + I

ESI

7.5.2 ตัวยับยั้งที่เกิดการยับยั้งแบบไมยอนกลับ (non-reversible inhibitors) จะทําใหเอนไซมเกิดความเสียหายอยางถาวร ตัวอยางไดแก อิออนของโลหะหนัก เชน ปรอท (Hg+) เงิน (Ag+) อารเซนิก (arsenic, Aa+) ฯลฯ ซ่ึงเมื่อสารเหลานี้จับกับเอนไซมแลวจะเกิดการทําลายพันธะไดซัลไฟด (disulphide bonds) ของโครงสรางตติยภูมิของโปรตีน ทําใหโปรตีนเกิดการเสียรูป ไมสามารถเกิดการยอนกลับเปนโครงสรางเดิมได

ขอสังเกต :- ปฏิกิริยาที่มี competitive inhibitors เปนปฏิกิริยาที่ยอนกลับไดเสมอ - ปฏิกิริยาที่มี non-competitive inhibitors อาจเกิดปฏ ิกิริยายอนกลับ หรือไมยอนกลับได - ปฏิกิริยาที่มีการยับยั้งแบบไมยอนกลับ (non-reversible inhibitors) เปนการยับยั้งแบบไมแขงขัน

ภาพที่ 1-13 กราฟแสดงผลของตัวยับยั้ง (+inhibitor) เทียบกับการทดลองควบคุมที่ไมมีตัวยับยั้ง (-inhibitor) (ก) การยับยั้งแบบแขงขัน (ข) การยับยั้งแบบไมแขงขัน

(http://www.blc.arizona.edu/courses/181gh/rick/energy/regulation.html, June 1, 2004)

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 13

8. แอลโลสเตอริกเอนไซม (Allosteric enzyme) [คําวา “Allo-” แปลวา ความแตกตาง (different) และ “-steric” แปลวา รูปราง (shape)] แอลโลสเตอริกเอนไซม มักเปนเอนไซมที่ประกอบดวยหลายหนวยยอย (multiple subunits) สวนใหญเปนโปรตีนที่มีโครงสรางแบบจตุรภาค (quaternary structure) แตละหนวยยอยมีตําแหนงกัมมันต และตําแหนงแอลโลสเตอริก (allosteric site) ซ่ึงมักจะอยูในตําแหนงที่หนวยยอยมาเชื่อมตอกัน (ภาพที่ 1-14) เอนไซมนี้มีสองสถานะของโครงสรางคือ สถานะกัมมันต (active state) และสถานะหยุดกัมมันต (inactive state) ตําแหนงแอล-โลสเตอริกมีความจําเพาะกับการจับของลิแกนด (ligand, โมเลกุลใดๆ ที่เขาจับกับสารโมเลกุลใหญ เชนโปรตีน) ซ่ึงทําหนาที่เปนตัวกระตุน (activator) ท ี่ตําแหนงแอลโลสเตอริก ทําใหเกิดการคงสภาพของโครงสราง เกิดการทําหนาที่ของตําแหนงกัมมันต ในขณะที่เมื่อเกิดการจับของลิแกนดซ่ึงทําหนาที่เปนตัวยับยั้ง (inhibitor) ทําใหเกิดการคงสภาพของเอนไซมในสถานะหยุดกัมมันต เราอาจเรียกลิแกนดเหลานี้เปน ตัวคุม (effector, modulator) ตัวยับยั้ง หรือตัวกระตุน ทั้งนี้ขึ้นอยูกับผลของการทํางานของลิแกนดนั้นๆ พื้นที่ของการสัมผัสระหวางหนวยยอยตางๆ ของแอลโลสเตอริกเอนไซมมีความพอดีกัน (ภาพที่ 1-14) ทําใหในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงของโครงสรางจากหนวยยอยหนึ่ง ก็จะมีผลตอเนื่องไปยังหนวยยอยอ่ืนๆ จากการเกิดอันตรกิริยา (interaction) ของหนวยยอยเหลานี้ ตัวกระตุน หรือตัวยับยั้งหนึ่งโมเลกุลที่จับกับหนึ่งตําแหนงแอลโลสเตอริกจะสงผลตอตําแหนงกัมมันตทั้งหมดของแอลโลสเตอริกเอนไซม หรืออาจกลาวไดวา แอลโลสเตอริกเอนไซมสามารถเกิดอันตรกิริยาระหวางตําแหนงจับตางๆ ได เรียกลักษณะการเกิดแบบนี้วา “ความรวมมือ (coorperativity)” พวกตัวคุมแอลโลสเตอริกชนิดบวก (positive allosteric effector) จะมีผลทําใหเอนไซมมีความชอบตอซับสเตรตหรือตอลิแกนดเพิ่มมากขึ้น ซ่ึงเทียบเทากับเปนตัวกระตุน และเรียกตําแหนงแอลโลสเตอริกที่พวกสารนี้เขาจับวาเปน “ตําแหนงกระตุน (activator site)” ส วนพวกตัวคุมแอลโลสเตอริกชนิดลบ (negative allosteric effector) จะจับกับตําแหนงที่เรียก “ตําแหนงยับยั้ง (inhibitory site)” แลวมีผลทําใหเอนไซมมีความชอบตอซับสเตรตหรือลิแกนดอ่ืนนอยลง แอลโลสเตอริกเอนไซมมักเปนเอนไซมที่เรงปฏิกิริยาควบคุมในวิถีเมแทบอลิซึม ซ่ึงเปนปฏิกิริยาที่เกิดชาที่สุดในวิถีนั้น ภาพที่ 1-14 การควบคุมแบบแอลโลสเตอริกในการทํางานของเอนไซม (http://www.schoolscience.co.uk/content/5/chemistry/proteins/ images/p33fig13.gif, Nov 25, 2005)

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 14

เนื่องจากแอลโลสเตอริกเอนไซมเปนเอนไซมที่มีอันตรกิริยาระหวางตําแหนงจับตางๆ ดังนั้นเมื่อเขียนกราฟระหวางอัตราการทํางานของเอนไซมกับความเขมขนของซับสเตรต จะไดกราฟรูปตัวเอส (sigmoidal curve, ภาพที่ 1-15) โดยการเขาจับของซับสเตรตตัวแรกกับหนวยยอยแรกจะเหนี่ยวนําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสรางของหนวยยอยนั้น แลวจะเหนี่ยวนําใหหนวยยอยที่เหลือมีความชอบตอซับสเตรตเพิ่มสูงขึ้น ทําใหเกิดการจับของซับสเตรตตัวตางๆ กับเอนไซมไดมากขึ้น ภาพที่ 1-15 กราฟแสดงการทํางานของแอลโลสเตอริกเอนไซม (ขวา) เปรียบเทียบกับการทํางานของเอนไซมที่มีหนวยยอยเดียว

(ซาย) (http://www.blc.arizona.edu/courses/181gh/rick/energy/regulation.html, June 1, 2004)

9. การจําแนกประเภทของเอนไซม สหภาพสากลแหงเคมี (The International Union of Biochemists, I.U.B) ไดจําแนกเอนไซมตามชนิดของปฏิกิริยาที่เอนไซมนั้นทําหนาที่ในการเรง เปน 6 กลุม คือ 9.1 ออกซิโดรีดักเทส (Oxidoreductases) เอนไซมในกลุมนี้จะทําหนาที่ในการเรงปฏิกิริยาการเคลื่อนยายอะตอมไฮโดรเจน (H) หรือออกซิเจน (O) หรืออิเล็กตรอน จากสารประกอบหนึ่งไปยังสารประ- กอบอื่น (ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน, oxidation-reduction reactions) เชน ดีไฮโดรจีเนส (dehydrogenase), ออกซิเดส (oxidase) 9.2 ทรานสเฟอเรส (Transferases) เกี่ยวของกับการเรงปฏิกิริยาการเคลื่อนยายหมูทําหนาที่ (functional groups) หรือถายทอดอนุมูล (radical) จากสารประกอบหนึ่งไปยังสารประกอบอื่น เชน การยายหมูอะ-มิโน (transaminases), การยายหมูฟอสเฟต (phosphorylase), การยายหมูฟอสเฟตจาก ATP ไปยังโมเลกุลอ่ืน (kinases) 9.3 ไฮโดรเลส (Hydrolases) ทําหนาที่ในการเรงปฏิกิริยาการแยกสลายดวยน้ํา (hydrolysis) เกิดการแยกของพันธะโคเวเลนซโดยการเติมน้ํา เชน amylases, lipases, เพปทิเดส (peptidases) 9.4 ไลเอส (Lyases) ทําหนาที่ในการเรงปฏิกิริยาที่มีการเติม หรือดึงหมูอนุมูล หรือหมูอะตอมจากพันธะคู (double bond) เชน ดีคารบอซิเดส (decarboxylases), อัลโดเลส (aldolase)

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 15

9.5 ไอโซเมอเรส (Isomerase) ทําหนาที่เรงปฏิกิริยาที่มีการจัดตัวใหมภายในโมเลกุลจากไอโซเมอร (isomer) หนึ่งไปยังอีกไอโซเมอรหนึ่ง เชน ไอโซเมอเรส (isomerases), มิวเทส (mutases) 9.6 ไลเกส (Ligases) ทําหนาที่เรงปฏิกิริยาที่มีการสรางพันธะระหวางสองสารประกอบโดยการใชพลังงานที่ไดจากการแยกสลายดวยน้ําของโมเลกุลอ่ืน (ตัวอยางเชน ATP) เชน ซินเทเทส (synthetases), การเชื่อมตอช้ินสวนโอกาซากิ (Okazaki fragments) ในการสังเคราะหพอลินิวคลีโอไทดของ DNA

10. การเรียกชื่อเอนไซม เอนไซมแตละตัวมีช่ือเรียกไดหลายชื่อ เนื่องจากที่มาของการตั้งชื่อเอนไซมที่แตกตางกัน เชน - เรียกชื่อตามแหลงสกัด โดยจะลงทายดวย “…ain” ตัวอยางเชน ปาเปน (papain) เปนเอนไซมสกัดจากมะละกอ (Carica papaya) - เรียกชื่อตามซับสเตรตที่ใช ตัวอยางเชน มอสเทส (maltase) ยอยสลายน้ําตาลมอลโทส (moltose), amylase ยอยสลายอะไมโลส (amylose) - เรียกชื่อแบบผสมผสาน ซ่ึงชื่อนี้ไมบอกความหมายใดๆ ในชื่อที่ชัดเจนและจําเพาะ ตัวอยางเชน แคแทเลส (catalase), เพปซิน (pepsin), ทริปซิน (trypsin) ในหัวขอการเรียนนี้จะกลาวเฉพาะการเรียกชื่อเอนไซมตามขอตกลงเอนไซม (Commission on enzymes) โดยมีที่มาจากการประชุมของสหภาพสากลแหงเคมี (I.U.B) เมื่อป ค.ศ.1955 ซ่ึงเปนการประชุมรวมกันระหวางนักชีวเคมีจากประเทศอังกฤษ สหรัฐอเมริกา รัสเซีย เดนมารก ฝร่ังเศส เยอรมันนี และออสเตรีย แลวมีมติใหจัดตั้ง “ขอตกลงของเอนไซม (Commission on enzyme, E.C.) โดยใหมีการเรียกชื่อเอนไซมแตละชนิดเปน 3 ช่ือ ดังนี้

10.1 ช่ือสามัญ (Trivial name) หมายถึง ช่ือทั่วๆ ไป ซ่ึงอาจมาจากชื่อซับสเตรตแลวลงทายดวย “-ase” เชน amylase หรือมาจากชื่อแหลงพบ ลงทายดวย “-ain” เชน papain, โบรมีเลน (bromelain, เอนไซมจากสับปะ- รด) ฯลฯ

10.2 ช่ือเรียกตามระบบ (Systematic name) โดยแบงเปน 2 สวน คือ 10.2.1 สวนที่ 1 เปนชื่อบอกซับสเตรต หรือถามีซับสเตรต 2 ชนิด ใหคั่นดวยเครื่องหมาย “:” (colon) ระหวางชื่อซับสเตรตทั้งสองนั้น 10.2.2 สวนที่ 2 เปนชื่อแสดงปฏิกิริยาของเอนไซมตามการแยกชนิดเอนไซมเปน 6 ชนิด ดังกลาวแลวในตอนตน แลวลงทายดวย “-ase” เชน 1) ช่ือสามัญ กลูโคสออกซิเดส (glucose oxidase) ช่ือตามระบบ บีตา-ดี-กลูโคส : ออกซิเจน ออกซิโดรีดักเทส (β-D-glucose : oxygen oxidoreductase)

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 16

2) ช่ือสามัญ ไลเปส (lipase) ช่ือตามระบบ ไตรกลีเซอไรด-เอสเทอร ไฮโดรเลส (triglyceride-ester hydrolase)

10.3 ช่ือเรียกตามรหัส หรือตามระบบตัวเลข (Code or number system) โดยใชตัวเลข 4 ตัว เรียงตามหลังตัวอักษร E.C. ดังนี้ E.C. X.X.X.X (อักษร X แทนตัวเลข) ซ่ึงมีการกําหนดความหมายของตัวเลขทั้งสี่ตัวตามความหมาย ดังนี้ ตัวเลขที่ 1 แทนกลุมเอนไซม 6 กลุม คือ 1 = Oxidoreductases, 2 = Transferases, 3 = Hydrolases, 4 = Lyases, 5 = Isomerases และ 6 = Ligases ตัวเลขที่ 2 แทนกลุมยอยของเอนไซมเปนลําดับที่ 2 (sub-class) ตัวเลขที่ 3 แทนกลุมยอยของเอนไซมเปนลําดับที่ 3 (sub-sub-class) ตัวเลขที่ 4 แทนลําดับชั้นของกลุมยอยเปนลําดับสุดทาย เชน 1) เอนไซมกลุม Oxidoreductase 2) เอนไซมกลุม Hydrolases ช่ือสามัญ glucose oxidase ช่ือสามัญ lipase ช่ือตามรหัส E.C.1.1.3.4 ช่ือตามรหัส E.C.3.1.1.3

II. พลังงานในสิ่งมีชีวิต (Bioenergetics)

การเกิดกระบวนการของปฏิกิริยาเคมีชนิดตางๆ ในสิ่งมีชีวิต หรือที่เรียกวา เมแทบอลิซึม (metabolism) เปนการขับเคลื่อนใหเกิดการมีชีวิตอยูของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ ปฏิกิริยาเคมีจํานวนมากมายเกิดขึ้นภายในเซลลอยางเปนลําดับขั้น เกิดเปนวิถีเมแทบอลิซึม (metabolic pathways) ซ่ึงในแตละขั้นนั้นมีการเรงปฏิกิริยาโดยเอนไซม เมแทบอลิซึมเกี่ยวของกับการจัดการวัตถุดิบและแหลงพลังงานของเซลล บางวิถีเมแทบอลิซึมมีการปลดปลอยพลังงานออกมาโดยการแตกสลายโมเลกุลเชิงซอนไปเปนโมเลกุลเชิงเดียว ซ่ึงเราเรียกกระบวนการแบบดังกลาวนี้วา “วิถีแคแทบอลิก (catabolic pathways)” ซ่ึงแคแทบอลิซึม (catabolism) หลักก็คือ การหายใจของเซลล (cellular respiration) ซ่ึงมีการสลายน้ําตาลกลูโคสและแหลงพลังงานอินทรียอ่ืนๆ ไปเปนคารบอนไดออกไซด (carbondio- xide) และน้ํา พลังงานที่สะสมอยูในโมเลกุลของสารอินทรียมีความสําคัญอยางมากตอการทํางานของเซลล ใน- ทางตรงกันขาม “วิถีแอแนบอลิก (anabolic pathways)” ซ่ึงในการเกิดปฏิกิริยาตางๆ มีการใชพลังงานเพื่อสรางโมเลกุลเชิงซอนจากโมเลกุลเชิงเดียว ตัวอยางเชน การสังเคราะหโปรตีนจากกรดอะมิโน ในเมแทบอลิซึมมีการแลกเปลี่ยนของพลังงานจากวิถีทั้งสองดังกลาว เกิดเปนพลังงานคูควบ (energy coupling) การศึกษาถึงกลไกทั่วไป

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 17

ของวิถีเมแทบอลิซึมถูกนํามาใชเพื่อใหเกิดความเขาใจในเรื่อง “พลังงานในสิ่งมีชีวิต (bioenergetics)” ซ่ึงเปนการศึกษาวาสิ่งมีชีวิตสามารถจัดการแหลงพลังงานของมันไดอยางไร หรืออีกนัยหนึ่งก็คือ การศึกษาอุณหพล-ศาสตร (thermodynamics) เพื่อการประยุกตใชในระบบชีวภาพนั้นเอง (อุณหพลศาสตร เปนการศึกษาการแปลงพลังงาน (energy transformation) ที่เกิดขึ้นในวัตถุ)

ภาพที่ 1-16 พลังงานในสิ่งมีชีวิต (bioenergetics) ที่ประยุกตใชในกระบวนการเมแทบอลิซึมตางๆ

นักวิทยาศาสตรไดใชคําวา “ระบบ (system)” เพื่อใหความหมายถึง สสารหรือวัตถุที่เราตองการศึกษา และเรียกสิ่งตางๆ ที่อยูภายนอกระบบวา “บริเวณแวดลอม (surroundings)” ระบบปด เชน ของเหลวที่บรรจุอยูในขวดเก็บความรอนซึ่งแยกมันออกจากตําแหนงแวดลอม ในระบบปดพลังงานหรือวัตถุจะเกิดการถายโอนระหวางระบบกับบริเวณแวดลอมของมัน ส่ิงมีชีวิตชนิดตางๆ จัดเปนระบบเปด ดังตัวอยางของสิ่งมีชีวิตซึ่งมีการดูดกลืนพลังงานแสง หรือใชพลังงานเคมีในรูปของโมเลกุลอินทรีย (organic molecules) และปลอยความรอนหรือผลิตผลที่เปนของเสียจากกระบวนการเมแทบอลิซึม เชน คารบอนไดออกไซด สูบริเวณแวดลอม เราสามารถใชกฎสองขอของอุณหพลศาสตรมาอธิบายการแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตได ดังนี้

1) กฎขอที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร (The first law of thermodynamics): พลังงานในเอกภพเปนความคงตัว พลังงานสามารถถูกถายโอนหรือแปลงได แตไมสามารถถูกสรางหรือทําลายได เชน การแปลงพลังงานแสงเปนพลังงานเคมี ซ่ึงพืชสีเขียวจะทําหนาที่เปนตัวแปลงพลังงานดังกลาว ไมใชเปนตัวสรางพลังงาน กฎขอนี้เปนกฎของการอนุรักษพลังงาน (law of conser- vation of energy) นั้นเอง

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 18

2) กฎขอที่สองของอุณหพลศาสตร (The second law of thermodynamics): ทุกๆ การถายโอนหรือแปลง พลังงานทําใหเอกภพ (universe) เกิดความไมเปนระเบียบ (disorder or randomness) มากขึ้น นักวิทยาศาสตรใชปริมาณซึ่งเรียกวา “เอนโทรป (entropy)” เปนตัววัดความไมเปนระเบียบของระบบ นั้นคือ ทุกๆ การถายโอนหรือแปลงพลังงานจะเพิ่มเอน-โทรปของเอกภพ ตัวอยางเชน การเปลี่ยนพลังงานเคมีใหเปนพลังงานจลนของรถยนต จะสงผลใหเกิดความผิดปกติที่เพิ่มขึ้นของบริเวณแวดลอมในรูปของความรอน และโมเลกุลขนาดเล็กที่ไดจากการแตกตัวของผลิตภัณฑจากน้ํามันเชื้อเพลิง ซ่ึงประมาณ 25% ของพลังงานเคมีที่เก็บอยูในถังน้ํามันของรถยนตจะถูกแปลงไปใชในการเคลื่อนที่ของรถ และที่เหลืออีก 75% จะสูญเสียไปจากเครื่องยนตในรูปความรอน ซ่ึงจะกระจายตัวอยางรวดเร็วไปในบริเวณแวดลอม

การแปลงรูปแบบอื่นๆ ของพลังงานไปเปนความรอนไมมีผลขัดแยงกับกฎขอที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร ทั้งนี้พลังงานไดถูกอนุรักษเนื่องจากความรอนจัดเปนพลังงานรูปแบบหนึ่งเชนกัน โดยการผนวกกฎทั้งสองขอของอุณหพลศาสตรเขาดวยกัน เราสามารถสรุปไดวา ปริมาณพลังงานในเอกภพมีคาคงตัว แตคุณภาพของมันนั้นไมคงตัว กระบวนการตางๆ ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ จะเกิดในทิศทางที่แนนอนที่ทําใหระดับของพลังงานศักยมีคานอยที่สุด และเขาสูสถานะสมดุล (equilibrium state) กระบวนการที่เกิดไดเอง (spontaneous) จะใหพลังงานออกมาขณะที่มันดําเนินไปสูสถานะสมดุล และพลังงานนี้สามารถนําไปใชทํางานที่เปนประโยชนได ตัวอยางของปฏิกิริยาที่เกิดไดเอง เชน การไหลของน้ําจากที่สูงไปยังที่ต่ํา การเคลื่อนเขาหากันของประจุที่ตางกัน การคลายตัวของสปริง ฯลฯ พลังงานอิสระ (free energy) เปนสวนหนึ่งในพลังงานของระบบ ซ่ึงสามารถทํางานได เมื่ออยูในสภาวะที่มีอุณหภูมิแบบเดียวกันทั่วทั้งระบบเชนที่พบในเซลลที่มีชีวิต ตัวอยางเชน การเกิดปฏิกิริยาเคมีตางๆ ซ่ึงเกี่ยวของกับพลังงานอิสระ โมเลกุลของน้ําตาลมีความคงตัวนอยกวาโมเลกุลของน้ําตาลเชิงเดียว ฯลฯ เมื่อเกิดวิถีแคแทบอ-ลิกมีการแตกสลายของโมเลกุลสารประกอบเชิงซอน เซลลสามารถสรางงานไดโดยใชพลังงานอิสระที่มีสะสมอยูในรูปของโมเลกุลเชิงซอนที่มากกวา เมื่อให G แทนคาพลังงานอิสระของระบบ, H แทนพลังงานทั้งหมดของระบบ และ S แทนเอนโทรป สามารถเขียนความสัมพันธเปนสมการ ดังนี้

G = H - TS โดย T คือ อุณหภูมิสัมบูรณ (°K, Kelvin, องศาเคลวิน) ของระบบ

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 19

ในกระบวนการที่เกิดขึ้นไดเอง พลังงานอิสระของระบบจะมีคาลดลง เมื่อแทนคาพลังงานอิสระของการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากสถานะเริ่มตนไปยังสถานะสุดทาย ดวย G หรือคาผลตางของพลังงานอิสระ และเมื่อสถานการณเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น ณ อุณหภูมิและความดันที่คงที่ จะไดวา

G = H - T S ปฏิกิริยาจะเกิดไดเองเมื่อคา ( H - T S) เปนลบ ( G< 0) คาผลตางของพลังงานอิสระ, G ประกอบดวยคาสองคาคือ H และ S ในการที่จะกําหนดวาระบบนั้นจะเกิดไดเองหรือไม สําหรับระบบที่มีการคายความรอน ( H เปนลบ) และเกิดการเพิ่มขึ้นของความไมเปนระเบียบ ( S เปนบวก) จะทําใหคา G เปนลบ นั้นคือ การเปลี่ยนแปลงนั้นจะเกิดเองได ไมวาอุณหภูมิจะเปนเทาใดก็ตาม พลังงานอิสระจะมีคาเพิ่มขึ้นเมื่อปฏิกิริยาไมอยูในสถานะสมดุล (equilibrium state) ซ่ึงเปนสถานะที่มีความคงตัวสูงสุด เมื่อปฏิกิริยาอยูในสถานะสมดุล คา G = 0 ทั้งนี้เนื่องจากไมมีการเปลี่ยนแปลงสุทธิในระบบ

1. พลังงานอิสระและเมแทบอลิซึม วัฏจักรของสสารและพลังงานที่สําคัญของชีวิต (ภาพที่ 1-17) ไดพลังงานค้ําจุนมาจากดวงอาทิตย โดยเริ่มจากพลังงานแสงจากดวงอาทิตยถูกดูดกลืนโดยคลอโรฟลล (chlorophyll) หรือรงควัตถุ (pigments) ชนิดอื่นๆ ที่มีอยูในพืชสีเขียว หรือในจุลินทรียที่สามารถสังเคราะหแสงได ตอมาพลังงานแสงนี้จะถูกแปลงไปเปนพลังงานเคมีโดยกระบวนการสังเคราะหดวยแสง (photosynthesis) เกิดผลิตผลเปนกลูโคสจากคารบอนไดออกไซดและน้ํา ดังสมการ แสง 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

ปฏิกิริยานี้มีการสะสมของพลังงานอิสระในโมเลกุลของกลูโคส, G มีคาเปนบวก ( G = +686 kcal/mole หรือ 2,870 kJ/mole) เปนปฏิกิริยาที่มีการดูดกลืนพลังงาน (endergonic reaction or endothermic) ในกระบวนการเมแทบอลิซึมนอกจากผลิตผลที่เปนกลูโคสแลว ยังมีการสังเคราะหสารที่ใหพลังงานสูงอ่ืนๆ (high energy compound) อีกดวย เมื่อสัตวหรือส่ิงมีชีวิตที่ไมสามารถสังเคราะหดวยแสงไดรับกลูโคส หรือสารที่ใหพลังงานสูงเหลานี้เขาไป จะมีการสลายไดเปนคารบอนไดออกไซดและน้ํา พรอมกับการเกิดพลังงานอิสระที่จําเปนตอการดํารงชีวิต กระบวนการสลายสารที่ใหพลังงานสูงนี้ ไดแก การหมัก (fermentation) และการหายใจ (respiration) ในสิ่งมีชีวิต ปฏิกิริยารวมของการหายใจของเซลล เปนดังนี ้ C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O G = -686 kcal/mole (or -2,870 kJ/mole)

ปฏิกิริยานี้มีการคายพลังงานออกมา (exergonic reaction or exothermic) พลังงานที่ถูกปลอยออกมานี้บางสวนจะถูกนํามาใชประโยชนภายในเซลล และบางสวนจะสูญเสียไปในรูปของความรอน

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 20

ภาพที่ 1-17 วัฏจักรของสสารและพลังงานที่สําคัญของชีวิต (http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/summer2004/energy.jpg)

จากที่ไดกลาวมาขางตนจะเห็นไดวาเรามีการประยุกตใชแนวความคิดเรื่องพลังงานอิสระที่เกี่ยวของกับกระบวนการเมแทบอลิซึม ทําใหเราทราบวาเซลลมีการสรางงานเพื่อการดํารงชีวิตอยูไดอยางไร ลักษณะที่สําคัญอยางหนึ่งของพลังงานในสิ่งมีชีวิตคือ พลังงานคูควบ (energy coupling) ซ่ึงใชกระบวนการคายพลังงานเปนตัวขับเคลื่อนกระบวนการดูดกลืนพลังงาน โดยมีโมเลกุลที่สําคัญคือ ATP ในการประสานการคูควบของพลังงานเกือบทั้งหมดภายในเซลล 2. งานและกิจกรรมตางๆ ภายในเซลล กับสาร ATP งานที่เกิดขึ้นภายในเซลล แบงเปน 3 งาน คือ 1) งานกล (Mechanical work) เชน การเคลื่อนที่ของซิเลีย (cilia) การหดตัวของเซลลกลามเนื้อ การเคลื่อนของ

โครโมโซมระหวางการสืบพันธุของเซลล 2) งานขนสง (Transport work) เชน การปมโซเดียม-โปแทสเซียมอิออน (sodium-potassium pump) ผานเยื่อหุม-

เซลล โดยกระบวนการ active transport 3) งานทางเคมี (Chemical work) เชน การสงเสริมใหเกิดปฏิกิริยาดูดความรอนซึ่งไมอยูในสภาพที่เกิดเอง

ได ตัวอยางคือ การสังเคราะหพอลิเมอรจากโมโนเมอร งานเกือบทั้งหมดสามารถเกิดขึ้นไดจากโมเลกุลสําคัญที่ทําหนาที่เก็บสะสมพลังงานอิสระไวในสิ่งมีชีวิต

คือ ATP ซ่ึงเปนสารที่ใหพลังงานสูงที่สําคัญ และเมื่อถูกแยกสลายดวยน้ําจะใหพลังงานอิสระออกมาจํานวนมาก ซ่ึงเซลลสามารถนําไปใชในการทํางานที่มีประโยชนไดตอไป (ภาพที่ 1-18)

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 21

ภาพที่ 1-18 ความสัมพันธของงานและกิจกรรมตางๆ ภายในเซลล กับสาร ATP

3. โครงสราง และกระบวนการสลาย ATP

สารเคมีพลังงานสูง ATP (adenosine triphos- phate) ประกอบดวยเบสอะดินีน (adenine) น้ําตาลไรโบส (ribose) และกรดฟอสฟอริกในรูปหมูฟอสเฟต อยางละ 1 โมเลกุล โดยเบสอะดินีนจับกับน้ําตาลไรโบส (คลายในอะดินีนนิวคลีโอไทด (adenine nucleotide) ของ RNA แตโมเลกุลของ RNA มีเพียงหนึ่งโมเลกุลของหมูฟอสเฟตที่เกาะยึดกับน้ําตาลไรโบส) ซ่ึงอะดีโนซีน (adenosine, adenine + ribose) มีสามหมูฟอสเฟตเกาะยึดอยูที่ไรโบส (ภาพที่ 1-19)

พันธะระหวางหมูฟอสเฟต ถูกทําลายโดยกระบวนการแยกสลายดวเกิดการแตกออก มีผลใหโมเลกุลของอนินทรียฟอสเฟต (Pi = inorganic phโนซีนไดฟอสเฟต (adenosine diphosphate, ADP) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้เปนปพลังงานออกมา 7.3 kcal/mole ของATP ที่ถูกแยกสลายดวยน้ําภายใตสภาวะปฏิบัติการ อยางไรก็ตามเมื่อเกิดปฏิกิริยาดังกลาวในสภาวะของสิ่งแวดลอมถึง 78% ( G ~ -13 kcal/mole) ผลิตภัณฑที่ไดจากกระบวนการนี้คือ ADP

ATP + H2O ADP + Pi G = -7.3 kcal/mole (or –31 kJ/mole)

สาร ADP ที่ไดจากกระบวนการแยกสลายดวยน้ําของ ATP นั้น มเขียนพันธะฟอสเฟต ซ่ึงมีการยึดเหนี่ยวแบบแอนไฮไดรด (anhydride linka

ภาพที่ 1-19 โครงสรางของ ATP

ยน้ํา เมื่อพันธะฟอสเฟตดานปลายสุดosphate) หลุดออกจาก ATP เกิดอะดิฏิกิริยาคายความรอน โดยมีการปลอยมาตรฐานของการควบคุมภายในหองภายในเซลล G ที่เกิดขึ้นจะมากกวา และ Pi ดังสมการ

ีความเสถียรมากกวา ATP เราสามารถge) ระหวางสองหมูฟอสเฟตของสาร

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 22

ATP, ADP และสารไพโรฟอสเฟต (pyrophosphate) อ่ืนๆ โดยใชสัญลักษณ ~ แทน - เพื่อการเขียนแทนพันธะที่มีพลังงานสูง (high-energy bond) ในโครงสรางทางโมเลกุลของสารเหลานี้ ปริมาณของโมเลกุล ATP, ADP และ AMP (adenosine monophosphate) มีความแตกตางกัน ขึ้นอยูกับชนิดของเซลลและชนิดของสิ่งมีชีวิต โดยพบ ATP มีปริมาณมากที่สุด ในขณะที่พบ AMP ปริมาณนอยที่สุด ทั้งนี้นอยมากที่ ADP จะสูญเสียหมูฟอสเฟตจนกลายเปน AMP เมื่อ ATP ถูกแยกสลายดวยน้ํา และปลดปลอยพลังงานอิสระออกมาภายในเซลล ซ่ึงเซลลโดยทั่วไปไมมีประสิทธิภาพเพียงพอในการใชพลังงานฯ หรืออาจเกิดอันตรายกับเซลลได จากการทํางานของเอนไซมที่จําเพาะ เซลลสามารถคูควบพลังงานจากกระบวนการแยกสลายดวยน้ําของโมเลกุล ATP ไดโดยตรง เกิดกระบวนการดูดความรอน ซ่ึงอาศัยการถายโอนหมูฟอสเฟตจาก ATP ไปยังโมเลกุลอ่ืนๆ เราเรียกกระบวนการที่สารรวมกับหมูฟอสเฟต วา “ฟอสโฟรีเลชัน (phosphorylation)” โมเลกุลที่รับหมูฟอสเฟต (phosphorylated molecule) นี้มีความเสถียรนอย ดังนั้นจึงมีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยามากขึ้นกวาโมเลกุลตั้งตน เกือบทั้งหมดของงานที่เกิดขึ้นภายในเซลลขึ้นอยูกับการจัดการพลังงานที่ไดจากการแยกสลาย ATP ของโมเลกุลอ่ืน โดยการถายโอนหมูฟอสเฟต เชน ATP ทําใหเกิดการเคลื่อนที่ของกลามเนื้อ โดยการถายโอนหมูฟอสเฟตไปยังโปรตีนหนวยยอยตางๆ ของเซลลกลามเนื้อที่เรียกวา คอนแทคไทลโปรตีน (contractile proteins), การสังเคราะหอะมิโนแอซิด กลูตามีน (amino- acid glutamine, Glu-NH2) จากกรดกลูตามิก (glutamic acid, Glu) และแอมโมเนีย (ammonia, NH3) ดังภาพที่ 1-19

4. การสราง ATP ส่ิงมีชีวิตใช ATP อยางตอเนื่องเพื่อใหเกิดงาน โดยมี ATP เกิดขึ้นใหมๆ จากการถายโอนหมูฟอสเฟตให

กับ ADP ซ่ึงจําเปนตองอาศัยพลังงานอิสระจากกระบวนการแคแทบอลิซึมภายในเซลล เกิดการสงตอ Pi และพลังงาน ซ่ึงเรียกกระบวนการนี้วา “วัฏจักรเอทีพี (ATP cycle) ดังภาพที่ 1-20

พลังงานสําหรับงาน

ของเซลลพลังงานจากแค-แทบอลิซึม

ภาพที่ 1-20 วัฏจักรเอทีพี (ATP cycle)

ภาพที่ 1-19 การคูควบพลังงานโดยการยายโอนฟอสเฟต โดยตัวอยางนี้ การแยกสลายดวยน้ําของ ATP ขับเคลื่อนการเปลี่ยนกรดกลูตามิก (Glu) ไปเปนอะมิโนแอซิดกลูตามีน (Glu-NH2)

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 23

การสราง ATP โดยกระบวนการฟอสฟอรีเลชัน เกิดขึ้นได 3 แบบ คือ 4.1 ซับสเตรต ฟอสฟอรีเลชัน (substrate phosphorylation) โดยการยายโอนหมูฟอสเฟตจากสารที่มี

พันธะเคมีพลังงานสูงกวาใหกับ ADP โดยตรง เชน Pyruvate kinase Phosphoenol pyruvate + ADP Pyruvate + ATP 4.2 โฟโทฟอสฟอรีเลชัน (photophosphorylation) เกิดขึ้นระหวางการถายทอดอิเล็กตรอนของปฏิกิริยา

ใชแสง (light reaction) ของกระบวนการการสังเคราะหดวยแสง (photosynthesis)โดยพลังงานแสงที่ไดรับมาทําใหเกิดการรวมตัวของ ADP กับหมูฟอสเฟต (ภาพที่ 1-21) 4.3 ออกซิเดทีฟฟอสฟอรีเลชัน (oxidative phosphorylation) โดยการรวมตัวของ ADP กับหมูฟอสเฟตในขณะที่มีการถายทอดอิเล็กตรอนของกระบวนการหายใจที่เกิดขึ้นภายในไมโทคอนเดรีย (ภาพที่ 1-22)

ภาพที่ 1-21 โฟโทฟอสฟอรีเลชัน (Photophosphorylation) ในระหวางการสังเคราะหดวยแสง (http://www.cat.cc.md.us/courses/bio141/lecguide/unit1/eustruct/phofig2.html, June 1, 2004)

5. สารที่ใหพลังงานสูง (High energy compound)

สารที่ใหพลังงานสูงสวนใหญเปนสารประกอบฟอสได พรอมกับปลอยพลังงานอิสระออกมา ซ่ึงโดยทั่วไปสาพลังงานสูงซึ่งมีระดับพลังงานที่ต่ํากวา ทั้งนี้เนื่องจากไมมีเอถายทอดพลังงานตองอาศัย ATP เปนตัวกลาง (ภาพที่ 1-23)

ภาพที่ 1-22 ออกซิเดทีฟฟอสฟอรีเลชัน (oxidative phospho rylation) ในเยื่อช้ันในของไมโทคอนเดรียระหวาง การหายใจของเซลล (http://wunmr.wustl.edu/EduDev/LabTutorials/Cytochromes/cytochromes.html, June 1, 2004)

เฟต ซ่ึงสามารถถายโอนหมูฟอสเฟตไปยังสารอื่นๆ รที่ใหพลังงานสูงเหลานี้จะไมทําปฏิกิริยากับสารที่ใหนไซมจําเพาะที่จะไปเรงปฏิกิริยานั้นๆ โดยตรง การ

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 24

สารที่ไดรับหมูฟอสเฟต (phosphorylated form) จะมีพลังงานสูงกวาสารชนิดเดียวกันเมื่ออยูอยางอิสระ เชน กลูโคสฟอสเฟต (glucose phosphate)/ กลูโคส (glucose), ฟรุกโทสฟอสเฟต (fructose phosphate)/ ฟรุกโทส(fructose) สารที่ใหพลังงานสูงมีความสําคัญในการอนุรักษพลังงานที่เกิดจากการหายใจ หรือกระบวนการในเมแทบอลิซึมอื่นๆนอกเหนือไปจากการเก็บไวในรูปของสาร ATP

ภาพที่ 1-23 การถายโอนหมูฟอสเฟตโดยอาศัย ATP เปนตัวกลาง ไปยังสารที่ใหพลังงานสูงอื่นๆ

(http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e19/19a.htm, June 1, 2004)

สารที่ใหพลังงานสูง แบงตามชนิดพันธะของสารประกอบนั้นๆ ไดเปน 5 ชนิด คือ 1) สารประกอบที่มีพันธะชนิดไพโรฟอสเฟต (Pyrophosphate-bonded compounds) เชน ATP, ADP 2) สารประกอบที่มีพันธะชนิดคารบอกซิลฟอสเฟต (Carboxyl phosphate-bonded compounds, - COO ~ P) เชน 1, 3- diphosphoglyceric acid หรือ 1, 3- diPGA 3) สารประกอบที่มีพันธะชนิดเอมีนฟอสเฟต (Amine phosphate-bonded compounds, - C - NH ~ P) เชน Phosphocreatine 4) สารประกอบที่มีพันธะชนิดอีนอลฟอสเฟต (Enolphosphate-bonded compounds, CH2 = CO ~ P) เชน Phosphoenolpyruvate (PEP) COOH 5) สารประกอบที่มีพันธะชนิดไธโอเอสเทอร (Thioester-bonded compounds, -CO ~ S) เชน acetyl Co A

จากเนื้อหาในหัวขอการเรียนของเอกสารฯ นี้ ทานคงไดแนวความคิดที่สําคัญอยางยิ่งของเคมีชีวิตซึ่งถูกดําเนินการในรูปของกระบวนการเมแทบอลิซึมตางๆ ในสิ่งมีชีวิต โดยอาศัยเอนไซมในการเรงปฏิกิริยาของวิถีที่เกี่ยวของทั้งในกระบวนการแคแทบอลิซึม และอะนาบอลิซึม การสรางงานตางๆ ที่เกิดขึ้นภายในเซลลอาศัยพลังงานเคมีที่สะสมอยูในโครงสรางทางโมเลกุลของสารตางๆ พลังงานในสิ่งมีชีวิตสามารถแปลงรูปเปนไปตามกฎของอุณหพลศาสตร ซ่ึงในเซลลของสิ่งมีชีวิตมีสาร ATP ทําหนาที่เปนตัวกลางในการรับสงพลังงาน (cell’s energy shuttle) ขับเคลื่อนการเกิดงานของเซลล โดยการคูควบของปฏิกิริยาคายพลังงานและปฏิกิริยาดูดกลืนพลัง-

เอกสารประกอบการสอนวิชา 424111 ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติ เอนไซมและพลังงานในสิ่งมีชีวิต 25

งาน นอกจากเซลลจะเก็บพลังงานที่เกิดขึ้นจากการหายใจของเซลล และกระบวนการเมแทบอลิซึมอื่นๆ ในรูปของ ATP แลว เซลลยังอนุรักษพลังงานไวในรูปของสารที่ใหพลังงานสูงอื่นๆ เกิดการถายทอดพลังงานใหแกกัน โดยมีวัตถุประสงคของงานทั้งหมดอยูที่การคงสภาพของการมีชีวิตอยูของเซลลในสิ่งมีชีวิต บรรณานุกรม

ปราณี อานเปรื่อง. 2547. เอนไซมทางอาหาร พิมพครั้งที่ 4. สํานักพิมพแหงจุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย: กรุงเทพฯ พัชรา วีระกะลัส. 2543. เอนไซม พิมพครั้งที่ 2. สํานักพิมพแหงจุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย: กรุงเทพฯ Avila, V. L. 1995. Biology: investigating life on earth, 2nd ed. John and Bartlett/Bookmark: California. Bradfield, P., J. Dodds, J. Dodds and N. Taylor. 2004. AS level biology. Pearson Education Limited: China Campbell, N. A., and J. B. Reece. 2002. Biology, 6th ed. Benjamin Cummings: California. Mathews, C. K. and K. E. Van Holde. 1996. Biochemistry. Benjamin/ Cumming: California. Palmer, T. 1995. Understanding enzyme. Prentice Hall: London. Starr, C. 2000. Basic concepts in biology. Brooks/ Cole: Australia.