Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
การหายใจระดบเซลล (cellular respiration)
อ.ดร. มยรา ศรกลยานกล คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยแมโจ
การหายใจระดบเซลล
หมายถง การทเซลลใชออกซเจนในการเกด catabolismหรอในการสลายสารอาหาร แลวปลอยแกสคารบอนไดออกไซด (CO2) ออกมา
เมทาบอลซม (Metabolism)
เมตาบอลซม คอ กระบวนการสลายสารอาหารเพอใหไดพลงงานรวมไปถงการสรางสารทจ าเปนตอการด ารงชพของสงมชวต แบงเปน 2 ชนด คอ
1. Catabolism คอ กระบวนการสลายสารอาหารตาง ๆ เพ อเปลยนเปนพลงงาน เชน ในการหายใจ
2. Anabolism คอ กระบวนการสรางสารทจ าเปนตอการด ารงชพของสงมชวต เชน กระบวนการสงเคราะหแสง การสรางแปง น าตาล เซลลโลส ไขมน และโปรตน เปนตน กระบวนการนตองใชพลงงานในการท าปฏกรยาทางเคม
กระบวนการสลายสาร พลงงานจะถกปลอยออกมาเพอน ากลบไปใชในกระบวนการสงเคราะหสารอกครงหนงโดยมตวเชอมทส าคญคอ
1. NAD+ (Nicotinamide adenine dinucleotide)
2. FAD (Flavine adenine dinucleotide)
3. ATP (Adenosine Triphosphate)
NAD+ (Nicotinamide adenine dinucleotide)
เปนตวน าอเลกตรอน พรอมดวยโปรตอน และเนองจากอะตอมของไนโตรเจนทเปนองคประกอบของ NAD มประจเปนบวก จงเขยน NAD+
เมอ NAD+ 1 โมเลกลไดรบอเลกตรอนและโปรตอน (oxidizing agent) NAD+ จะกลายเปน NADH
NADH เปนสารทมพลงงานสง มสมบตเปนตวใหอเลกตรอน (reducing agent) เขาสกระบวนการถายทอดอเลกตรอน เพอน าพลงงานทอยใน NADH มาใชในการสราง ATP ตอไป
NAD+ (Nicotinamide adenine dinucleotide)
FAD (Flavin adenine dinucleotide)
เปนตวน าอเลกตรอน พรอมดวยโปรตอน FAD 1 โมเลกลรบอเลกตรอนและโปรตอนจะได FADH2
FADH2 มสมบตเปนตวใหอเลกตรอน เมอเขาสกระบวนการถายทอดอเลกตรอนพลงงานทสะสมอยจะถกน ามาใชในการสราง ATP
FAD (Flavin adenine dinucleotide)
ATP เปนสารอนทรยทใหพลงงานสงพรอมทจะแตกตวปลอยพลงงานออกมาใชได
ประกอบดวยสารอนทรย 2 ชนด คอ adenine กบ ribose เชอมตอกบกลมฟอสเฟตอก 3 กลม
ATP เมอถกใชแลวสามารถสรางกลบใหมไดตลอดเวลา
กระบวนการสรางพนธะเคมทมพลงงานสงของ ATP เรยกวา Phosphorylation มวธสรางได 3 แบบ
1. Substrate phosphorylation เปนการสราง ATP จากสารพลงงานสง
2. Oxidative phosphorylation เปนการสราง ATP จากสารน าอเลกตรอน (NADH และ FADH2) โดย NADH และ FADH2 สามารถถายอเลกตรอนใหแกออกซเจน โดยผานลกโซขนสงอเลกตรอน (electron transport chain) ใน mitochondria ท าใหเกดพลงงานทจะท าใหเกดปฏกรยาระหวาง ADP กบฟอสเฟตเปน ATP
3. Photophosphorylation เปนการสราง ATP จากพลงงานแสงส าหรบสงมชวตทสงเคราะหแสงได โดยพลงงานแสงจะท าใหน าแตกตวใหออกซเจน โปรตอน และอเลกตรอน และอเลกตรอนจะถกขนสงไปตามลกโซขนสงอเลกตรอนของคลอโรพลาสตท าใหเกดพลงงานทจะท าใหเกดปฏกรยาระหวาง ADP กบฟอสเฟตเปน ATP
Mitochondria: 1. Has outer membrane and inner membrane 2. Folds are called cristae 3. Space inside cristae is called the matrix, contains DNA and ribosome 4. Site of aerobic respiration 5. Krebs cycle takes place in matrix 6. Electron Transport Chain takes place in cristae
การหายใจระดบเซลล เปนกระบวนการทเกยวของกบ 3 ขนตอนทตอเนองกน
1. วถไกลโคลซส (glycolytic pathway) เกดในไซโตพลาสซม
2. วฏจกรเครบส (Krebs cycle) เกดในไมโทคอนเดรย
3. ระบบถายทอดอเลกตรอน (electron transport system) เกดในไมโทคอนเดรย
ไกลโคลซส (glycolysis)
เปนกระบวนการสลายกลโคส (C6H12O6) ทเกดขนตอเนองหลายขนตอนใหเกดเปนไพรเวต (C3H4O3) จ านวน 2 โมเลกล โดยจะไดพลงงานทงในรป ATP และ NADH
กระบวนการนเกดขนกบเซลลของสงมชวตทกชนด โดยเกดขนทไซโทพลาสซมของเซลลทเรยกวาไซโตซอล เปนปฏกรยาทไมตองใชออกซเจน
ไพรเวตทเกดขนนนสามารถถกน าไปใชตอไดใน
1. ปฏกรยาทใชออกซเจน โดยผานทางวฏจกรเครปส และระบบถายทอดอเลกตรอน
2. ปฏกรยาทไมใชออกซเจนโดยเปลยนเปนเอทานอล (ethanol) ในกระบวนการหมกแอลกอฮอล (alcohol fermentation) เกดขนในยสตหรอเปลยนเปนแลกเตต (lactate) เกดขนในการท างานของกลามเนอลายขณะทกลามเนอท างานหนก
ไกลโคลซส (glycolysis)
ไกลโคลซสอาจแบงเปนสามขนตอนใหญๆ
1. เปนการเตมหมฟอสเฟตจาก ATP ใหน าตาลกลโคส 2. เปลยนน าตาลทม 6 คารบอน ใหเปน น าตาลทมคารบอน 3 อะตอม 3. เปนการออกซเดชนน าตาลทมคารบอน 3 อะตอมใหเปนไพรเวต และได ATP
สรปกระบวนการและผลลพธของglycolysis
1. เปนกระบวนการสลายกลโคสใหเปนไพรเวต ซงมคารบอน 3 อะตอม จ านวน 2 โมเลกล
2. เกดในไซโทพลาสซมของเซลล
3. ผลลพธทไดคอ
ไพรเวต 2 โมเลกล
สรางพลงงาน 4 ATP ใชพลงงานไป 2 ATP เหลอสทธ 2 ATP
สราง 2 NADH
การสราง acetyl Co A
- ขนตอนนเปนจดเชอมตอระหวางไกลโคลซสและวฏจกรเครบส
- ไพรเวตซงเกดจากไกลโคลซสในไซโตพลาสซมเขาไปในไมโทคอนเดรย และถกเปลยนเปนแอซตล โคเอ (acetyl CoA) โดยเอนไซมไพรเวต ดไฮโดรจเนส (pyruvate dehydrogenase)
- เปนขนแรกในกระบวนการหายใจทม CO2 เกดขน
การสราง acetyl Co A
เกดในไมโทคอนเดรย สราง 2 NADH และ 2 CO2 (เนองจากมไพรเวต 2 โมเลกล)
วฏจกรเครบส (Krebs cycle)
มชอเรยกอยางอนอกวา วฏจกรของกรดซตรก (citric acid cycle), วฏจกรของกรดไทรคารบอกซลก (tricarboxylic acid cycle)
เกดขนท matrix ในไมโทคอนเดรย
ในการสลาย กลโคส 1 โมเลกล ได pyruvate 2 โมเลกล ท าใหเกด krebs cycle 2 รอบ รอบท 1 รอบท 2 3 NADH 6 NADH 1 FADH2 2 FADH2
1 ATP 2 ATP 2 CO2 4 CO2
สรปกระบวนการและผลลพธของวฏจกรเครบส
1. เกดขนทของเหลว (matrix) ในไมโทคอนเดรย
2. กลโคส 1 โมเลกล ได acetyl CoA 2 โมเลกล สรางพลงงานอสระเกบไวในรปของ GTP 2 โมเลกล เมอถกไฮโดรไลซส ไดพลงงานเทากบ
2 ATP
6 NADH
2 FADH2
4 CO2
ระบบถายทอดอเลกตรอน (Electron Transport System)
NADH และ FADH2 ทไดจาก glycolysis, การสราง acetyl CoA (pyruvate oxidation), และ Krebs cycle จะถายทอดอเลกตรอนพลงงานสงไปยงโปรตนหลายชนดทเปน electron carriers ซงฝงตวอยในเยอหมชนในของไมโทคอนเดรยบรเวณ ครสต (cristae)
ระบบถายทอดอเลกตรอน (Electron Transport System)
ในแตละล าดบขนของการสงถายอเลกตรอนพลงงานทปลดปลอยออกมาจะถกน าไปใชในการสรางพนธะเคมในโมเลกลของ ATP เรยกการสราง ATP จากปฏกรยา redox เชนนวา “oxidative phosphorylation” ออกซเจนท าหนาทเปนตวรบอเลกตรอนตวสดทายหลงจากรบอเลกตรอนแลวออกซเจนจะรวมตวกบไฮโดรเจนอออน ไดเปนโมเลกลของน า
โมเลกลทเปนองคประกอบของลกโซหายใจทพบในไมโทคอนเดรย คอโปรตนเชงซอน 3 กลมไดแก
NADH dehydrogenase complex
cytochrome b-c1 complex
cytochrome oxidase complex
นอกจากโปรตนเชงซอนทง 3 กลมแลว ลกโซหายใจในไมโทคอนเดรยยงประกอบดวยโมเลกลอก 2 ชนด คอ
1. ยบควโนน (ubiquinone) สามารถรบอเลกตรอนจาก NADH dehydrogenase complex แลวสงใหกบ cytochrome b-c1 complex
2. ไซโทโครมซ (cytochrome c) ท าหนาทรบอเลกตรอนจาก cytochrome b-c1 complex แลวสงให cytochrome oxidase complex
หลกการรบสงอเลกตรอนในลกโซหายใจ
อเลกตรอนของ NADH
NADH dehydrogenase complex
Ubiquinone
cytochrome b-c1 complex
cytochrome c
cytochrome oxidase complex
O2 H2O
ความสามารถในการรบอเลกตรอน
cytochrome oxidase complex
cytochrome c
cytochrome b-c1 complex
ubiquinone
NADH dehydrogenase complex
มาก
นอย
เมอมการรบ-สงอเลกตรอนใน ETC ท าใหคา pH ใน matrix สงขน
NADH: in the mitochondria; produces 3 ATP
อเลกตรอนในโมเลกลของ FADH2 จะไมสามารถสงใหกบ NADH dehydrogenase complex ไดเพราะFADH2 มความสามารถรบอเลกตรอนไดดกวา
FADH2: in the mitochondria; produces 2 ATP
Oxidative Phosphorylation สรปขนตอน
NADH สงอเลกตรอน
ปมโปรตอนไปสะสมท intermembrane space
เกดการแพรของโปรตอน (ATP synthase)
สงเคราะห ATP จาก ADP และ Pi
สรปกระบวนการและผลลพธของ ETS
1. เกดทเยอหมชนในของไมโทคอนเดรยหรอครสต
2. O2 จะเปนตวรบอเลกตรอนตวสดทายและเกดเปนน า
3. NADH เมอผาน ETS จะไดพลงงาน 3 ATP
4. FADH2 เมอผาน ETS จะไดพลงงาน 2 ATP
ขนตอนการเกดพลงงานจาก ETS
1. ไกลโคลซส: 2 NADH = 2x2 = 4 ATP เสยอเลคตรอนเมอเขามาในไมโตคอนเดรย
2. Acetyl CoA: 2 NADH = 2x3 = 6 ATP
3. วฏจกรเครบส:
6 NADH = 6x3 = 18 ATP
2 FADH2 = 2x2 = 4 ATP
รวมทงสน 32 ATP
พลงงานทไดจาการหายใจระดบเซลลแบบใชออกซเจน
การหายใจแบบไมใชออกซเจน
เซลลยสตจะเกด alcohol fermentation
ได alcohol CO2 และ 2 ATP
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP
enzyme
การหายใจของยสต
เซลลกลามเนอ ฟงไจ หรอแบคทเรยบางชนด จะเกด lactate
fermentation ไดกรดแลคตก และพลงงาน 2 ATP
C6H12O6 C3H6O3 + พลงงาน 2 ATP
enzyme
การสลายกลโคส 1 โมเลกลโดยกระบวนการหายใจแบบใชออกซเจน
(aerobic respiration) จะให ATP 36 โมเลกล
การสลายกลโคส 1 โมเลกลโดยกระบวนการหายใจแบบไมใชออกซเจน
(anaerobic respiration) จะให ATP 2 โมเลกล
การสลายกรดไขมน และกรดอะมโน 1. การสลายไขมน lipase Fatty → Glycerol + fatty acid → Beta Oxidation → Acetyl Co A ↓ PGAL(G3P), Pyruvate (C3) → Aerobic (Glycolysis)/Anaerobic respiration
2. การสลายกรดอะมโน
กรดอะมโนบางชนด ถกเปลยนเปน Pyruvate (C3) จะเขาตรง (Acetyl Co A)
กรดอะมโนบางชนด เขาตรง Krebs cycle