ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
บทเรียนชีววิทยา
สิ่งมีชีวิต
ศัพท์ชีววิทยา
แบบฝึกหัดชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกชีววิทยา | บทเรียนชีววิทยา

บทเรียนชีววิทยา
   

การหายใจ : การสลายโมเลกุลของอาหารแบบใช้ออกซิเจน
 
ระดับชั้น : มัธยม 5


สารอาหารที่เป็นแหล่งพลังงาน ได้แก่ คาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีน สารอาหารหลักที่เซลล์นำมาใช้เป็นแหล่งพลังงาน คือ คาร์โบไฮเดรต โดยเฉพาะกลูโคส

ในการสลายกลูโคสซึ่งเป็นสารที่มีพลังงานสูงจนกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ซึ่งเป็นสารที่มีพลังงานต่ำนั้นมีหลายขั้นตอน ในที่นี้จะแบ่งออกเป็น 4 ขั้นตอน คือ ขั้นตอนไกลโคลิซีส ขั้นตอนการสร้างสารแอซิติลโคเอนไซม์ เอ ขั้นตอนวัฏจักรเครบส์ และการถ่ายทอดอิเล็กตรอน โดยการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นกระบวนการที่เกิดควบคู่ไปกับ 3 ขั้นแรก

สรุปการสลายกลูโคสในกระบวนการหายใจที่ใช้ออกซิเจน


  ไกลโคลิซีส (glycolysis)

คำว่า "ไกลโคลิซีส" มีความหมายว่า การสลายน้ำตาล ในขั้นตอนนี้เริ่มต้นด้วยฟอสโฟลิเลชันของน้ำตาลกลุโคส ทำให้กลูโคสมีพลังงานศักย์สูงขึ้น พร้อมที่จะมีการเปลี่ยนแปลงต่อไป ในการฟอสโฟริเลชันของกลูโคส 1 โมเลกุลใช้ ATP 2 โมเลกุล ปฏิกิริยาขั้นไกลโคลิซีสมีหลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนมีเอนไซม์ต่างชนิดกันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในขั้นตอนสุดท้ายของไกลโคลิซีสแต่ละโมเลกุลของกลุโคสจะสลายเป็นกรดไพรูวิก ซึ่งแต่ละโมเลกุลมีคาร์บอน 3 อะตอม เรียกว่าสาร 3 C จำนวน 2 โมเลกุล และปล่อยพลังงานจำนวนหนึ่งออกมา พลังงานจำนวนนี้สังเคราะห์ ATP ได้ 4 โมเลกุล นอกจากนี้ยังมีการปล่อยไฮโดรเจนที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงอีก 4 อะตอม

 การสร้างแอซิติลโคเอนไซม์ เอ

ขั้นตอนนี้เป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างไกลโคลิซีสกับวัฏจักรเครบส์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจะมีเอนไซม์ และโคเอนไซม์มาเกี่ยวข้องหลายชนิด โดยมีกรดไพรูวิกเป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยา กรดไพรูวิกแต่ละโมเลกุลจะทำปฏิกิริยากับ โคเอนไซม์ เอ (coenzyme A) ได้เป็นแอซิติลโคเอนไซม์ เอ ซึ่งแต่ละโมเลกุลมีคาร์บอน 2 อะตอม การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับแต่ละโมเลกุลของกรดไพรูวิกจะได้คาร์บอนไดออกไซด์ 1 โมเลกุล และมีการปล่อยไฮโดรเจนอะตอม 2 อะตอม

 วัฏจักรเครบส์

วัฏจักรเครบส์เริ่มด้วยแอซิติลโคเอนไซม์ เอ ซึ่งมีคาร์บอน 2 อะตอมรวมกับสารซึ่งคาร์บอน 4 อะตอม ที่มีอยู่แล้วภายในเซลล์ ได้สารที่มีคาร์บอน 6 อะตอม คือ กรดซิตริก (citric acid) และปล่อยโคเอนไซม์ เอ เป็นอิสระ กรดซิตริกนี้จะถูกเปลี่ยนแปลงต่อไปอีกหลายขั้นโดยใช้เอนไซม์หลายชนิด ในระหว่างปฏิกิริยาเหล่านี้มีการลดจำนวนคาร์บอนในกรดซิตริกจากคาร์บอน 6 อะตอม เป็นสารที่มีที่คาร์บอน 5 อะตอม และในที่สุดก็จะได้สารที่มีคาร์บอน 4 อะตอมตามเดิม ซึ่งจะเข้ารวมตัวกับแอซิติลโคเอนไซม์ เอโมเลกุลอื่นๆ ได้อีก คาร์บอนที่ปล่อยออกมาจะปล่อยออกมาในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนี้ยังมีการปล่อยไฮโดรเจนที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงจำนวนหนึ่งออกมาด้วย ปฏิกิริยาช่วงนี้จึงมีลักษณะเป็นวัฏจักร เรียกว่า วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) ซึ่งตั้งตามชื่อของ เซอร์ ฮานส์ เครบส์ (Sir Hans Krebs) นักชีวเคมีชาวอังกฤษผู้ค้นพบวัฏจักรดังกล่าว ในปี ค.ศ.1934 หรือที่เรียกว่า วัฏจักรของกรดซิตริก

 กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

จะเห็นว่าการสลายโมเลกุลของกลูโคสได้ผลิตภัณฑ์หลายชนิด ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ ATP และไฮโดรเจนจำนวนหลายอะตอม ไฮโดรเจนที่ปล่อยออกมา ประกอบด้วย อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง พลังงานนี้เป็นพลังงานส่วนใหญ่ที่เซลล์นำมาใช้ในกิจกรรมของเซลล์ ซึ่งไฮโดรเจนที่ปล่อยออกมานั้นในที่สุดก็จะไปรวมกับออกซิเจกลายเป็นน้ำ

เซลล์ไม่ได้ใช้พลังงานจากสารอาหารเพื่อทำกิจกรรมต่างๆ โดยตรง พลังงานจากการสลายโมเลกุลของอาหารจะถูกเก็บไว้ในโลเลกุลของ ATP แล้วเซลล์จึงใช้พลังงานจาก ATP ในการทำกิจกรรม การย้ายพลังงานจากสารอาหารมาเก็บไว้ในโมเลกุลของ ATP ดังกล่าว เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน

ในการสังเคราะห์ ATP อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากโมเลกุลของสารอาหารไม่ได้เคลื่อนที่ไปยัง ADP แล้วคายพลังงานเพื่อให้ ADP นำไปใช้สร้าง ATP โดยตรง แต่จะมีสารมารับอิเล็กตรอน เรียกว่า ตัวนำอิเล็กตรอน (electron carrier) แล้วถ่ายทอดไปยังตัวนำอิเล็กตรอนอื่นๆ ขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะมีพลังงานปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอน พลังงานเหล่านี้จะนำไปสังเคราะห์ ATP กระบวนการดังกล่าวนี้จึงเกี่ยวข้องกับสาร 2 ประเภท คือ สารที่เป็นตัวนำอิเล็กตรอนกับสารที่รับพลังงานจากอิเล็กตรอน

 ตัวนำอิเล็กตรอน

การสลายโมเลกุลของสารอาหาร อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากโมเลกุลของสารอาหารพร้อมด้วยโปรตอน ในรูปของอะตอมของไฮโดรเจน ตัวนำอิเล็กตรอนบางชนิดสามารถรับอิเล็กตรอนพร้อมด้วยโปรตอน แต่ตัวนำบางชนิดรับเฉพาะอิเล็กตรอน ไม่ว่าจะเป็นการรับอิเล็กตรอนในรูปของอะตอมไฮโดรเจนหรือรับเฉพาะอิเล็กตรอนก็ตาม การรับอิเล็กตรอนทำให้ตัวนำอิเล็กตรอนถูกรีดิวซ์ เช่น สารที่เป็นตัวนำอิเล็กตรอน ชื่อ นิโคตรรินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (nicotinamide adenine dinucleotide หรือใช้คำย่อว่า NAD) เนื่องจากอะตอมของไนโตรเจนซึ่งเป็นองค์ประกอบของโมเลกุล NAD มีประจุบวกอยู่ด้วย จึงมักเขียนย่อว่า NAD+ ดังนั้น เมื่อ NAD+ 1 โมเลกุลได้รับไฮโดรเจน 2 อะตอม จึงถูกรีดิวซ์เป็น NADH + H+ ดังสมการ


NADH + H+ เป็นสารที่ถูกรีดิวซ์ เพราะได้รับอิเล็กตรอน (พร้อมด้วยโปรตอน) ถ้า NADH + H+ สูญเสียไฮโดรเจน 2 อะตอมก็จะกลายเป็น NAD+

นอกจาก NAD+ แล้วยังมี ฟลาวินอะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (flavin adenine dinucleotide ใช้ตัวย่อว่า FAD) ที่เป็นตัวนำอิเล็กตรอนที่รับอิเล็กตรอนพร้อมด้วยโปรตอนจากการสลายโมเลกุลของสารอาหาร นอกจากนี้ยังมีตัวนำอิเล็กตรอนที่รับอิเล็กตรอนต่อจาก NADH + H+ หรือ FADH2 แล้วถ่ายทอดอิเล็กตรอนไปยังตัวนำอิเล็กตรอนตัวอื่นๆ การถ่ายทอดอิเล็กตรอนของตัวนำเหล่านี้เป็นไปตามลำดับ จนถึงออกซิเจน ซึ่งเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นปฏิกิริยิกซิเดชันและรีดักชัน กล่าวคือ มีทั้งการให้และการรับอิเล็กตรอนเกิดขึ้น อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงที่ปล่อยออกมาจากโมเลกุลของสารอาหารจะถูกถ่ายทอดให้แก่ NAD+ หรือ FAD แล้ว NAD+ หรือ FAD จะถ่ายทอดอิเล็กตรอนให้แก่ตัวนำอิเล็กตรอนตัวอื่นๆ ขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากตัวนำอิเล็กตรอนหนึ่งไปยังตัวนำอิเล็กตรอนต่อไปเป็นทอดๆ นั้น พลังงานจากอิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาเป็นระยะๆ ออกซิเจนจะเป็นตัวรับอิเล็กตรอนในขณะที่อิเล็กตรอนมีระดับพลังงานสูงสุด ออกซิเจนที่ได้รับอิเล็กตรอนจะรวมกับโปรตอนที่มีอยู่ในสารละลายภายในไมโทคอนเดรียกลายเป็นน้ำ ดังสมการ


 สารรับพลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนของตัวนำต่างๆ เป็นการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน จะมีพลังงานจากอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาทุกครั้งที่มีการให้อิเล็กตรอน (ออกซิเดชัน) และการรับอิเล็กตรอน (รีดักชัน) ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาแต่ละขั้นไม่เท่ากัน บางขั้นจะมีการปล่อยพลังงานออกมามาก แต่บางขั้นอาจมีการปล่อยพลังงานออกมาน้อย ดังภาพ

แผนภาพแสดงปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแต่ละคู่ระหว่างตัวนำต่างๆ
(จุดสีชมพู หมายถึง อิเล็กตรอน)

 การถ่ายทอดอิเล็กตรอนเกิดขึ้นที่ส่วนไหนของเซลล์

จากที่ทราบมาแล้วว่า การหายใจนั้นซับซ้อนกว่าการเผาไหม้ในบรรยากาศมากมาย แต่ถึงแม้จะซับซ้อนก็เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นอย่างเป็นระเบียบมีลำดับขั้นตอนที่แน่นอนโดยไม่สลับขั้นกัน จึงทำให้น่าสงสัยว่า เซลล์จะต้องมีความพิเศษสำหรับเกิดกระบวนการหายใจ และคงจะเป็นที่รวบรวมเอนไซม์และสารที่จำเป็นต่อปฏิกิริยาต่างๆ ให้เป็นหมวดหมู่ไม่กระจัดกระจายทั่วเซลล์ กระบวนการที่ซับซ้อนจึงจะเกิดอย่างมีระเบียบได้

ภายในเซลล์ นอกจากออร์แกเนลล์ เช่น นิวเคลียส คลอโรพลาสต์ ฯลฯ ยังมีออร์แกเนลล์ที่มีขนาดเล็กๆ กระจัดกระจายอยู่ทั่วๆ ไปอีกด้วย ออร์แกเนลล์เหล่านี้ไม่สามารถมองเห็นรายละเอียดได้จากกล้องจุลทรรศน์ธรรมดา แต่จะเห็นเมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ออร์แกเนลล์อย่างหนึ่งที่น่าสนใจ คือ ไมโทคอนเดรียซึ่งมีอยู่ในไซโทพลาสซึมของเซลล์แทบทุกชนิด และมีจำนวนแตกต่างกันไปตามชนิดของเซลล์ ที่สำคัญก็คือ เซลล์ที่ต้องใช้พลังงานมาก เช่น เซลล์ตับ และเซลล์ไข่ของหอยเม่น จะมีจำนวนของไมโทคอนเดรียมากคือ มีประมาณ 2500 และ 15000 อัน ตามลำดับ ส่วนเซลล์ที่ใช้พลังงานน้อยก็จะมีไมโทคอนเดรียน้องลงไปตามลำดับ บางเซลล์มีเพียง 10-12 อันเท่านั้น จากข้อเท็จจริงนี้เป็นไปได้ว่า ไมโทคอนเดรียเป็นแหล่งเก็บพลังงานให้แก่เซลล์
ภาพโครงสร้างภายในของไมโทคอนเดรีย และภาพถ่ายจากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

จากภาพจะเห็นว่า ไมโทคอนเดรียแต่ละอันจะประกอบด้วยเยื่อหุ้มชั้นนอกเรียบ ส่วนชั้นในหยักไปมามองดูคล้ายวิลลัสในลำไส้ของคน ผนังในชั้นนี้จะมีตัวนำอิเล็กตรอนติดอยู่ ส่วนปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องในวัฏจักรเครบส์ ส่วนใหญ่พบในของเหลวในไมโทคอนเดรีย นอกจากนี้ถ้าใช้กล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายสูงมาก จึงจะเห็นเม็ดกลมๆ ยื่นออกจากผนังของไมโทคอนเดรีย โครงสร้างนี้เป็นแหล่งสังเคราะห์ ATP

 การสลายกรดไขมันและกรดอะมิโน

จากเดิมที่เราทราบว่า วัฏจักรเครบส์เป็นส่วนสำคัญของการสลายคาร์โบไฮเดรต แต่จากการค้นคว้าต่อมาพบว่า วัฏจักรนี้เป็นส่วนสำคัญของการสลายอาหารอีก 2 ประเภท คือ กรดไขมันและกรดอะมิโน

กรดไขมันแต่ละชนิดจะแตกตัว โดยมีเอนไซม์และสารอื่นๆ เป็นตัวช่วย ทำให้กรดไขมันเปลี่ยนไปเป็นสารอินทรีย์ที่มีโมเลกุลขนาดเล็กลงไปอีก คือ เป็นสารที่มีคาร์บอนเพียง 1 อะตอม สารเหล่านี้จะรวมกับโคเอนไซม์ เอ กลายเป็นแอซิติลโคเอนไซม์ เอ ซึ่งพร้อมที่จะเข้าสู่วัฏจักรเครบส์ได้

สำหรับกรดอะมิโนนั้น อาจถูกเปลี่ยนแปลงได้หลายแนวทางด้วยกันตามชนิดของกรดอะมิโนนั้นๆ เช่น บางชนิดเปลี่ยนเป็นกรดไพรูวิก บางชนิดเป็นแอซีติลโคเอนไซม์ เอ บางชนิดก็เปลี่ยนเป็นสารตัวใดตัวหนึ่งในวัฏจักเครบส์ แต่พบว่า ทุกครั้งก่อนที่โมเลกุลของกรดอะมิโนจะเปลี่ยนเป็นสารประกอบตัวหนึ่งตัวใดตามที่ได้กล่าวมา จะต้องมีการแยกหรือดึงหมู่อะมิโน (-NH2) ออกจากโมเลกุลของกรดอะมิโนก่อนเสมอ หมู่อะมิโนที่หลุดออกมานี้จะกลายเป็นแอมโมเนีย (NH3) ซึ่งร่างกายจะมีกระบวนการเปลี่ยนแปลงแอมโมเนียไปเป็นยูเรียหรือยูริก และกำจัดออกนอกร่างกายด้วยระบบขับถ่ายต่อไป


ที่มาข้อมูล :
  • สรุปชีววิทยา ม.ปลาย โดย นิพนธ์ ศรีนฤมล

  • หนังสือเรียนวิชาชีววิทยา (ว ๔๔๒) หลักสูตรมัธยมศึกษาตอนปลาย พ.ศ.๒๕๓๓ กระทรวงศึกษาธิการ
  • จำนวนคนอ่าน 23258 คน
       
     

    © 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved