Transcript คะตาบอลิซึมของกรดไขมัน

บทที่ 2
การสร้ างพลังงาน
เมตาบอลิซึม (Metabolism)
เมตาบอลิซมึ (Metabolism) หมายถึงปฏิกริ ิยาเคมีต่างๆ ที่เกิดขึน้ ภายในเซลล์
โดยมีเอนไซม์ (enzyme) เป็ นตัวเร่ ง เพื่อที่จะนาเอาพลังงานและสารประกอบคาร์ บอน
จากสิ่งแวดล้ อมมาใช้ สังเคราะห์ ส่วนประกอบต่ างๆของเซลล์ เพื่อก่ อให้ เกิดการเติบโต
การแบ่ งเซลล์ ตลอดจนการเคลื่อนไหวและการขับถ่ ายของเสียออกจากเซลล์
ภาพที่ 1 แสดงแผนผังกระบวนเมตาบอลิซึมโดยรวมในสิ่ งมีชีวิต(โปรดขยายเพื่อดูรายละเอียด)
สิ่งมีชีวติ ต่ างๆ มีปฏิกิริยาเคมีในกระบวนการเมตาบอลิซืมคล้ ายคลึงกัน
จะต่ างกันก็ท่ ืแหล่ งพลังงานและคาร์ บอน สามารถจาแนกได้ ดังนี ้
ตารางที่1 การแบ่ งประเภทของสิ่งมีชีวติ ตามแหล่ งของพลังงานและคาร์ บอน
ประเภท
คาร์ บอน
พลั ง งาน
ตั ว อ ย่ าง
โฟ โตลิ โธโทรพ
CO 2
แส งแดด
พื ชและแบคที เรี ยสั งเคราะห์ แส ง
โฟ โตออร์ แกโนโทรพ
ส ารอิ น ทรี ย์
แส งแดด
Non-sulfer purple bacteria
เคโมลิ โ ธโทรพ
CO 2
ออ กซิ โ ดรี ดั กชั น แบคที เรี ยที่ ใช้ ไฮโดรเจนกามะถั นและเหล็ ก
เคโมออร์ แกโนโทรพ
ส ารอิ น ทรี ย์
ออ กซิ โ ดรี ดั กชั น สั ตว์ แล ะแบคที เรี ย ทั่ วไป
คะตาบอลิซึมและอะนาบอลิซมึ
(Catabolism and Anabolism)
เมตาบอลิซมึ อาจแบ่ งได้ เป็ นสองชนิด คือ
1. คะตาบอลิซมึ (catabolism) เป็ นกระบวนการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลใหญ่ๆ
2. อะนาบอลิซมึ (anabolism) เป็ นกระบวนการสังเคราะห์โมเลกุลที่คอ่ นข้ างใหญ่จากโมเลกุลเล็ก
ทังสองกระบวนการนี
้
้ประกอบด้ วยปฏิกิริยาเคมีที่มีเอนไซม์หลายชนิดเป็ นตัวเร่งต่อเนื่องกัน
แต่ทงสองปฏิ
ั้
กิริยาไม่ได้ เกิดขึ ้นโดยการทวนวิถีปฏิกิริยา (reaction path) กันและกัน
ภาพที่ 2 แสดงวัฎจักรของกระบวนการเมตาบอลิซึมการสลายโมเลกุลใหญ่ โดยกระบวนการคะตาบอลิซึม
ให้
เป็ นโมเลกุลเล็ก นั้นจะก่ อให้ เกิดพลังงาน และรีดวิ ซิ่งอีควิวาเลนซ์ (reducing equivalence)
ซึ่งจะถูกนาไปใช้ ในการสั งเคราะห์ โมเลกุลเล็กๆ โดยกระบวนการอะนาบอลิซึม
วัฎจักรพลังงาน (Energy Cycle)
ภาพที่ 3 แสดงโครงสร้ างของสารพลังงาน ATPพลังงานทีเ่ กิดจากคะตาบอลิซึมนั้น ส่ วนใหญ่ อยู่ในรู ปของ
พลังงานเคมีในสารประกอบ ATP อะดีโนซีนไทรฟอสเฟต (adenosine triphosphate หรือ
ATP)
ATP
ADP+Pi
พลังงาน
X+Y
X-Y
ภาพที่ 4 แสดงการสร้ างพันธะใหม่ จากสารพลังงาน ATP ATP ทาหน้ าทีเ่ ป็ นตัวกลางในการนาเอา
พลังงาน จากทีห่ นึ่ง ไปใช้ ยงั อีกทีห่ นึ่ง พลังงานจากสารนีจ้ ะถูกนาไปใช้ สร้ างพันธะใหม่ ในการเชื่อม
โมเลกุลเล็กๆ สองตัว เช่ น X และ Y ให้ กลายเป็ นโมเลกุลใหญ่ X-Y
วัฎจักรรีดวิ ซิ่งอีควิวาเลนซ์ (Reducing Equivalence Cycle)
ปฏิกิริยาหลายอย่างที่เกิดขึ้นในเมตาบอลิซึมเป็ นประเภทออกซิ โดรี ดกั ชัน (oxido-reduction)
สารเคมีที่ใช้กบั ปฏิกิริยาเหล่านี้มีหลายชนิ ด ส่ วนมากเป็ นอนุพนั ธุ์ของวิตามินที่ละลายน้ าดด้เช่น
NAD+ และ NADP
คะตาบอลิซมึ
NADPH
NADP+
อะนาบอลิซมึ
ภาพที่ 5 แสดงวัฎจักรของ NADP+ และ NADPH
ในปฏิกิริยาคะตาบอลิซมึ NAD+ และ NADP+ จะถูกรี ดิวซ์ให้ กลายเป็ น NADH และ NADPH
ตามลาดับและจะถูกออกซิไดซ์ให้ กลับเป็ น NADP+ และ NAD+ ในกระบวนการอะนาบอลิซมึ
คะตาบอลิซมึ
NADH
NAD+
ออกซิเดตีฟฟอสโฟริเลชัน
ATP + H2O
ภาพที่ 6 แสดงวัฎจักรของ NAD+ และ NADH
ADP+Pi+O2
วิถีเมตาบอลิซมึ (Metabolic Pathway)
ปฏิกริ ิยาต่ างๆ ในกระบวนการคะตาบอลิซมึ พอจะแบ่ งได้ 3 ตอนใหญ่ ๆ
ตอนที่ 1 สารโมเลกุลใหญ่ จะถูกทาให้ กลายเป็ นโมเลกุลหน่ วยโครงสร้ าง (building unit)
ตอนที่ 2 โมเลกุลหน่ วยโครงสร้ างจะกลายเป็ นโมเลกุลเล็กๆ
ตอนที่ 3 จะให้ พลังงาน (ATP) และรี ดวิ ซิ่งอีควิวาเลนซ์ (NADH)
หน่ วยโครงสร้ าง
โมเลกุลใหญ่
ตอนที่2
ตอนที่1
ผล
โมเลกุลเล็ก
ตอนที่3
คาร์ โบไฮเดรต
เฮ็กโซส
acetyl CoA
ATP
โปรตีน
ไขมัน
เพ็นโตส
กรดอะมิโน
กรดไขมัน
oxaloacetate
alfa-ketoglutarate
succinate
NADH
กลีเซอรอล
fumarate
Urea
ภาพที่ 7 แสดง ปฏิกริ ิยาต่ างๆ ในกระบวนการคะตาบอลิซึม
NH3
การควบคุมเมตาบอลิซึม (Metabolism Regulation)
วิถีเมตาบอลิซมึ ประกอบด้ วยการสังเคราะห์ และการทาลายสารหลายประเภท
เพื่อไม่ให้ มีการสังเคราะห์สารประเภทใดประเภทหนึง่ จนเกินควรจึงต้ องมีการ
ควบคุมปฏิกิริยา
ซึง่ ทาได้ 2 วิธีคือ
1. การควบคุมอัตราเร็วของการเร่ ง (catalytic rate) ด้ วยสารควบคุม (regulator)
วิธีนี ้ เรี ยกว่าการควบคุมระดับเอนไซม์ (enzyme control)
2. การควบคุมปริมาณของเอนไซม์ นัน่ คือการควบคุมการสร้ างเอนไซม์จากยีน (gene)
วิธีนี ้เรี ยกว่าการควบคุมระดับพันธุกรรม (genetic control)
วิธีการทดลองในการศึกษาเมตาบอลิซมึ (Experiment in Metabolism Study)
(1). การใช้ ไอโซโทรปเป็ นตัวตามรอย (isotropic tracer)
(2). การใช้ ตัวยับยัง้ (inhibitor)
(3). การใช้ ข้อบกพร่ องทางพันธุ์กรรม (genetic defect)
เมตาบอลิซมึ ของคาร์ โบไฮเดรต (Metabolism of Carbohydrate)
กระบวนการเผาผลาญคาร์ โบไฮเดรตอาจแบ่ งได้ สองตอนคือ
1. กระบวนการหายใจ (aerobic respiration)
2. กระบวนการหายใจแบบไม่ ใช้ ออกซิเจน (anaerobic respiration)
3. กระบวนการหมัก (fermentation)
ภาพที่ 7 แสดงวิถีต่างๆ ในกระบวนการคะตาบอลิซึมของคาร์ โบไฮเดรต
การหายใจแบบใช้ ออกซิเจน
เป็ นการเปลี่ยนแปลงสารอาหารโดยเฉพาะกลูโคส ให้ เป็ นคาร์ บอนไดออกไซด์และน ้า
ซึง่ จะให้ พลังงานเกิดขึ ้นมาก กระบวนการหายใจนี ้จะเกิดขึ ้น 3 ขันตอนด้
้
วยกัน คือ
1. ไกลโคไลซีส (Glycolysis หรื อ Embden-Meyerhof pathway)
ปฏิกิริยารวมเป็ นดังนี ้
C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi - - - - > 2CH3COCOOH + 2 NADH2 + 2ATP
ภาพที่ 8 แสดงวิถีไกลโคไลซีส
2. วัฏจักรเครปส์ (Krebs cycle หรื อ Tricarboxylic acid cycle หรื อ Citric acid cycle)
เป็ นปฏิกิริยาที่เกิดต่อเนื่องกันเพื่อให้ ได้ พลังงาน ATP, NADH2 และ FADH2
และได้ สารตัวกลาง (intermediate) หลายชนิด ซึง่ ปฏิกิริยาจะแบ่งเป็ น 2 ตอน
ปฏิกิริยารวมเป็ นดังนี ้
2 pyruvic acid - - - - - > 2 acetyl CoA + 2 NADH2 + 2 CO2
2 acetyl CoA - - - - - > 4 CO2 + 6 NADH2 + 2 FADH2 + 2 GTP
ภาพที่ 9 แสดงวัฎจักรกรดซิตริคหรือวัฎจักรเครบส์
3. กระบวนการขนส่ งอิเล็กตรอน (Electron transport system, ETS)
หรื อลูกโซ่ การหายใจ (respiratory chain) หรื อระบบไซโตโครม (cytochrome system)
เป็ นปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รี ดกั ชัน ที่เกิดขึ ้นเป็ นลูกโซ่อย่างต่อเนื่อง การสร้ างพลังงาน
ที่เกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รี ดกั ชันนันเรี
้ ยกว่า ออกซิเดตีฟฟอสโฟรี เลชัน
(oxidative phosphorylation) หรื ออิเล็กตรอนทรานสปอร์ ตฟอสโฟรี เลชัน
(electron transport phosphorylation)
ภาพที่ 10 แสดงกระบวนการขนส่ งอิเล็กตรอน
การหายใจแบบไม่ ใช้ ออกซิเจน
เป็ นการเปลี่ยนแปลงให้ เกิดพลังงาน โดยใช้ สารอนินทรี ย์อื่น ๆ เป็ นตัวรับอิเล็กตรอน
หรื ออิเล็กตรอนตัวสุดท้ ายแทนออกซิเจน ได้ แก่ NO3-, NO2-, SO42-, fumarate เป็ นต้ น
1. การรี ดิวซ์ไนเตรต (Nitrate reduction) หรื อดีไนตริฟิเคชัน (denitrification)
2. การรี ดิวซ์ซลั เฟต (sulfate reduction)
SO42- + 8e- + 8H+
H2S + 2H2O + 2OH-
3. การรี ดิวซ์คาร์ บอนไดออกไซด์ (CO2 reduction)
เฮกโซสมอโนฟอสเฟตชันต์ (hexose monophosphate shunt)
น ้าตาลกลูโคสนอกจากจะสลายโดยผ่านกระบวนการไกลโคลิซิสแล้ ว ยังอาจสลายผ่าน
กระบวนการ เฮกโซสมอโนฟอสเฟตชันต์ (hexose monophosphate shunt)
หรื อฟอสโฟกลูโคเนตชันต์ (phosphogluconate shunt) หรื อเพนโทสฟอสเฟตแพทเวย์
(pentose phosphate pathway) สาหรับพลังงานที่ได้ จากการสลายกลูโคสด้ วยวิธีนี ้จะได้ เป็ น
NADPH
ภาพที่ 11 แสดงวิถีเฮกโซสมอโนฟอสเฟตชันต์
กระบวนการหมัก
แบ่ งออกเป็ น 2 แบบ ตามชนิดของผลผลิตที่เกิดขึน้ คือ
1. โฮโมเฟอร์ เมนเตชัน (Homofermentation) เป็ นการหมักที่ได้ ผลผลิตเพียงชนิดเดียว
เป็ นส่วนใหญ่
2. เฮเทอโรเฟอร์ เมนเตชัน (Heterofermentation) หรื อมิกซ์แอซิดเฟอร์ เมนเตชัน
(Mixed acid fermentation) เป็ นการหมักที่ได้ ผลผลิตหลายชนิด
ภาพที่ 12 แสดงกระบวนการหมักแบบโฮโมเฟอร์ เมนเตชัน
ภาพที่ 13 แสดงกระบวนการหมักแบบเฮเทอโรเฟอร์ เมนเตชัน
เมตาบอลิซึมของไขมัน (Metabolism of Lipid)
กรดไขมัน (fatty acid) เป็ นพลังงานที่สาคัญของเซลล์อีกชนิดหนึท่ ี่สะสมไว้ ในเซลล์
มักอยูใ่ นรูปไตรกลีเซอไรด์ (triglyceride) และฟอสโฟกลีเซอไรด์ (phosphogylceride)
คะตาบอลิซมึ ของกรดไขมัน (Fatty Acid Catabolism)
คะตาบอลิซมึ ของไขมันจึงประกอบด้ วย
(1) การกระตุ้นกรดไขมัน
(2) การนากรดไขมันผ่านเข้ าไปในไมโตคอนเดรี ย
(3) การเผาผลาญกรดไขมันในไมโตคอนเดรี ย
ภาพที่ 14 แสดงกระบวนการกระตุ้นกรดไขมัน
ภาพที่ 15 แสดงกระบวนการนากรดไขมันผ่ านเข้ าสู่ ไมโตคอนเดรีย
(3) โดยปฏิกิริยาบีต้า-ออกซิเดชัน (beta-oxidation)
ภาพที่ 16 แสดงกระบวนการการเผาผลาญกรดไขมันในไมโตคอนเดรียโดยการเกิดปฏิกริ ิยา
บีต้า- ออกซิเดชัน
ภาพที่ 17 แสดงกระบวนเการผาผลาญไขมันโดยการเกิดปฏิกริ ิยา บีต้า- ออกซิเดชัน
ภาพที่ 18 แสดงกฏิกริ ิยาในการสั งเคราะห์ กรดไขมัน
ภาพที่ 19 แสดงกระบวนการสั งเคราะห์ กรดไขมัน
ภาพที่ 20 แสดงเมตาบอลิซึมโดยรวมของกรดอะมิโน
ภาพที่ 21 แสดงคะตาบอลิซึมของกรดอะมิโน
ปฏิกริ ิยาที่ใช้ กาจัดหมู่อัลฟาอะมิโน จากกรดอะมิโนอาจแบ่ งได้ เป็ น 2ส่ วนคือ
1. Transamination ซึง่ เปลี่ยนเอาหมูอ่ ลั ฟาอะมิโนของกรดอะมิโนทัง้ 20 ตัวมาเป็ น
หมูอ่ ลั ฟาอะมิโนของกลูตาเมท (glutamate) อะลานีน (alanin) และแอสปาร์ เตท (aspartate)
Amino acid + enzyme
alpha-ketoglutarate + enzyme-NH3
alpha-keto acid + enzyme-NH3
enzyme + glutamate
ภาพที่ 22 แสดงปฏิกริ ิยาของเอนไซม์ Glutamate dehydrogenase ในการกาจักหมู่อัลฟาอะมิโน
ของกลูตาเมทให้ เป็ นแอมโมเนีย
การกาจัดแอมโมเนีย
แอมโมเนียที่เกิดขึ ้นจากคะตาบอลิซมึ ของกรดอะมิโนต่างๆ อาจถูกนาไปใช้ ในการ
สังเคราะห์กรดอะมิโนได้ อีก โดยใช้ ปฏิกิริยาของ glutamate dehuydrogenase ที่มี
NAD+ เป็ นโคเอนไซม์แอมโมเนียที่เหลือจะถูกขับถ่ายออกมาในรูปแอมโมเนีย , ยูเรี ย
(urea) หรื อกรดยูริค (uric acid)
ภาพที่ 23 แสดงโครงสร้ างของ แอมโมเนีย , ยูเรีย (urea) และกรดยูริค (uric acid)
ภาพที่ 23 แสดงวัฎจักรยูเรียสั ตว์ บกทีม่ กี ระดูกสั นหลังขับต้ องถ่ ายแอมโมเนียในรู ปของยูเรีย
ซึ่งจะมีวฎั จักรดังนี้
ภาพที่ 24 แสดงการสั งเคราะห์ กรดอะมิโนสารประกอบทีใ่ ช้ ในการสั งเคราะห์ กรดอะมิโนมักเป็ นตัวกลาง
ของวิถีไกลโคไลซีสและวัฎจักรเครบส์ สารประกอบเหล่ านีไ้ ด้ แก่ 3-phosphogylcerate,
phosphoenolpyrurate, pyruvate, alpha-ketoglutarat, oxaloacetate และ ribose 5-phosphate