Transcript Document 7387755

211315 Introductory Biochemistry
(1/ 2552)
1.
2.
3.
4.
Introduction to the biochemistry of life
Principle methods of biochemistry
Chemistry & metabolism of carbohydrates
Electron transport & bioenergetics
ดร. นพกาญจน์ จันทร์ เดช
5. Chemistry and metabolism of lipids
6. Enzymes and coenzymes
7. Applied biochemistry
รศ. ดร. เกรียงศักดิ์ ไชยโรจน์
8. Chemistry & metabolism of amino acids
and proteins
9. Chemistry & metabolism of nucleic acids
ผศ. ดร. หทัยชนก เนียมทรัพย์
หนังสืออ่ านประกอบ
1) ชีวเคมีทวั่ ไป
2) Biochemistry: the chemistry of life (International Edition). David T. Plummer
3) Harper’s Biochemistry (25th-edition). Robert K. Murray, Daryl K. Granner,
Peter A. Mayes, and Victor W. Rodwell
4) General, Organic and Biochemistry (4th-edition). Denniston, K.J., Topping,
J.J., and Caret, R.L.
OBJECTIVES
1.
2.
3.
4.
เข้าใจหลักการและวิธีการตรวจวัดขั้นพื้นฐานทางชีวเคมี
ชนิด และลักษณะสาคัญของ carbohydrates
Metabolism ของ carbohydrate ชนิดต่างๆ ในสิ่ งมีชีวติ ชนิ ดต่างๆ
กลไกการถ่ายทอดอิเลคตรอนในสิ่ งมีชีวิต และพลังงานในสิ่ งมีชีวิต
1) Introduction to Biochemistry of Life
What is biochemistry?
Categories of biochemistry
1)
Chemical materials of life = Biomolecules; carbohydrate (sugar
and polysaccharides, protein (amino acid and enzymes), lipid,
nucleic acid
2) Reaction of biomolecules = Metabolism (anabolism and catabolism)
3) Metabolic regulation
Macromolecules protein, carbohydrate, lipid, enzyme, nucleic acid
Molecules
glucose, amino acid
atom
C H O N [S]
Metabolism (metabolism)
NADH or NADPH
Catabolism
Macro molecules
Carbohydrate
Polysaccharides  sugar
Protein
Lipid
Micro molecules
Oxidative
phosphorelation
Reducing
equivalence
Energy
O
2
H2O
Anabolism
Lactic acid
Pyruvic acid
CO2 , NH3
Urae
Metabolic Pathway (metabolic pathway)
Catabolic pathway:
การหายใจของเซลล์ ; สร้ างพลังงาน (ATP และ NADPH)
Aerobic respiration ได้ แก่ Electron transport chain Oxidative phosphorylation
Anaerobic respiration ได้ แก่ Cori cycle Lactic acid fermentation Ethanol fermentation
- Glycogenolysis; สลายแป้ ง (แป้ งในสัตว์ )/ไกลโคเจน  กลูโคส
-- Glycolysis; กลูโคส  ไพรู เวต (pyruvate) และ ATP
-- Entner-Doudoroff Pathway; alternative-glycolysis ในแบคทีเรี ย
-- Pentose phosphate pathway (hexose monophosphate shunt); สร้ าง NADPH จากกลูโคส
- Protein catabolism; protein  amino acid
Anabolic pathway;
เป็ นกระบวนการสร้ างโมเลกุลของสารที่ซับซ้ อน จากสารประกอบตัง้ ต้ นอย่ างง่ าย:
- Glycogenesis: การสังเคราะห์ ไกลโคเจน
- Gluconeogenesis: การสังเคราะห์ กลูโคส
- Secondary metabolism; กระบวนการสร้ างสารที่ไม่ สาคัญต่ อการเจริญเติบโต
แต่ มีความสาคัญต่ อการดารงชีวิต
- การสังเคราะห์ แสง (Photosynthesis) ปฏิกิริยาที่ขนึ ้ กับแสง (light reaction)
ปฏิกิริยาที่ไม่ ขนึ ้ กับแสง (dark reaction)
Prokaryotic cells: the simplest forms of life
DNA
Nucleus
Prokaryotic cell
Eukaryotic cell
ในเซลล์แบคทีเรี ยมี
Mitochondria !!
Anatomy of the bacterial cell
ลักษณะสาคัญของ Prokaryotic cell (page2-3)
1 ไม่ มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส
2. เยื่อหุ้มเซลล์ มีหน้ าที่หลายอย่ าง
ลักษณะสาคัญของ Eukaryotic cell
1. มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส
2. มีcytoskeleton; microtubules & microfilaments
3. มี exocytosis & endocytosis
4. มีการแบ่ งเซลล์ แบบ mitosis & miosis
ลักษณะพืน้ ฐานที่เหมือนกัน
1. มีเยื่อหุ้มเซลล์
2. มีDNA เป็ นสารพันธุกรรม
3. มีเอนไซม์ ควบคุม
4. มีRNA เป็ นตัวถ่ ายทอดคาสั่งจาก DNA
5. สังเคราะห์ โปรตีนที่ไรโบโซม
6. ใช้ ATP เป็ นแหล่ งพลังงานเบือ้ งต้ น
Protoplasm
cytoplasm
nucleus
Cell wall (ไม่ มีในเซลล์ สัตว์ ; เกิด plasmolysis)
Cell membrane (semipermeable membrane)
Organelles
Endoplasmic Recticulum (ER)
RER (สังเคราะห์โปรตีน) & SER (สลายไกลโคเจน)
Lysosome (มีเฉพาะในเซลล์ สัตว์ )
Ribosome (สังเคราะห์ โปรตีน)
Mitochondria**
Plastid (ไม่พบในรา แบคทีเรีย cyanobacteria)
leucoplast (สะสมอาหาร)
chromoplast (รงควัตถุ)
chloroplast (รงควัตถุสีเขียว)
grana
stroma
Vacuole
sap vaculoe/ food vacuole/ pinocytotic vacuole/
contractile vacuole/ nucleolar vacuole/ gas vacuole
L
centriole
2) Principle Methods of Biochemistry
2.1 sample preparation: (p-8)
Breaking up cells/ tissue
Homogenization
Centrifugation
2.2 separation methods: (p-9-14)
Chromatography
paper and thin layer chromatography
column chromatography
Ion exchange chromatography
gel filtration
HPLC
gas chromatography
Electrophoresis
2.3
analytical methods: (p-15)
2.1 Sample preparation
centrifugation
นาของเหลวภายใน cell
ไปวิเคราะห์ **
ชนิด, ปริมาณ,
ทาให้ บริสุทธิ์
Cell lysis
-Osmotic pressure
-Freeze & thaw
-Sonication
แยกน้ าเลี้ยงกับ cell ออกจากกันได้
Centrifugation:
 “centrifugal force” เป็ นแรงเหวีย่ งที่ทาให้อนุภาคหนีออกจากจุดศูนย์กลาง
 ระดับของ centrifugal force ขึ้นกับขนาดของอนุภาค
 macromolecule จะเคลื่อนออกจากจุดศูนย์กลางได้เร็ วกว่า micromolecule
 หน่วยของความเร็วในการ centrifuge: times gravity (×g) หรื อ
centrifugation rotor speed; revolution per minute (rpm)
g = (1.118 × 10-5) R S2
g = times gravity
R = รัศมีของหัวเหวี่ยง (cm)
S = speed of the centrifuge in rpm (revolution per minute)
Example, centrifugation of a sample at 5,000 rpm in a microcentrifuge that has a
rotor with a radius of 7 cm will deliver a centrifugal force of 1,957 × g
Types of rotor
1. Fixed angle rotors (14-40ﾟ, usually 30ﾟ)
2. Swing-out rotors (used for pelleting small quantities of materials)
3. Vertical rotors
4. Continuous flow rotors (for cell harvesting)
Fractional centrifugation
10 min, 600xg 10 min, 10,000xg180 min, 100,000xg
Cell debris (เศษเซลล์)
Organelles
Ribosome
Separation & Purification
a) Chromatography
หลักการ สารต่างชนิดกันมีความสามารถในการละลายใน mobile phase
และละลายใน Stationary phase ต่างกัน
-Paper chromatography
Stationary phase = น ้าในกระดาษกรอง
Mobile phase = solvent or buffer (ที่มีขวน้
ั ้ อยกว่าน ้า)
-การแยกของสารผสมที่มีสี สามารถมองเห็นได้ ด้วยตาเปล่า
-กรณีสารผสม เป็ นสารไม่มีสี
-Thin layer material + fluorescent indicator ; UV-detectable
-Compound  Color reaction
Ex. unsaturated compound :: Iodine vapour
amino acid :: Ninhydrin reagent
reducing sugar:: Dinitrosalicylic acid, Benedict’s solution
Rf =
ระยะที่สารเคลื่อนที่ (cm)
ระยะที่ตวั ทาละลาย(ตัวชะ)เคลื่อนที่ (cm)
Rf value depends on the nature of the thin layer
material, and the composition of the solvent
Solvent front
Filter paper
Thin layer
plate
Solvent front
Solvent
Fig. Schematic of TLC
Sample 1
2
3
1
2
3
Fig. Separation by TLC
1
2
3
- Column chromatography
- Column chromatography
ตัวชะ (eluent)
ตัวกลาง
(stationary phase)
หลักการ
eluent จะเป็ นตัวพาสารผสมออกจาก
column ทางด้านล่างด้วยความเร็ วต่างๆกัน
ประสิ ทธิภาพของ column chromatography
ขึ้นอยูก่ บั ชนิดของสารตัวอย่าง, การเลือกใช้ตวั กลาง
และขนาดของ column
-Ion-exchange chromatography
- สารตัวกลางเป็ นสารที่มีประจุ เช่น carboxymethylcellulose ซึ่ งเป็ น
cellulose ที่มี carboxymethyl group (-CH2COO-) หรื อ polystylene
ที่มี aminomethyl group (-CH2NH3+)
- สารตัวกลาง = resin หรื อ exchanger หรื อ matrix
- ประจุในตัวกลางทาหน้าที่ยดึ สารที่มีประจุตรงข้ามไว้
anion exchange chromatography ; สารตัวกลางมีประจุบวก (แลกเปลี่ยนประจุลบ)
เช่น diethylaminoethyl- ;DEAE -O-C2H5-NH-C2H5
C2H5
cation exchange chromatography ; สารตัวกลางมีประจุลบ (แลกเปลี่ยนประจุบวก)
เช่น carboxymethyl- ; CM
-O-CH2-COO-
CM-Cellulose
OCH2COO-
กาหนดให้ตวั ชะ คือ KCl
Cellulose
(ความเข้ มข้ นต่า)**
Cation exchanger
OCH2COO-
KCl
OCH2COO-
Samples ;
OCH2COO-
Cl-
OCH2COO-
K+
A- K+
OCH2COO-
OCH2COO-
AB+
OCH2COO-
B+
ตัวอย่ าง: การชะโปรตีนผสมออกจาก column
1. pH gradients
2. Ionic strength gradient **
pH gradients
Decrease pH of buffer for anion-exchange chromatography (ประจุลบ กลายเป็ นกลาง)
Increase pH of buffer for cation-exchange chromatography (ประจุบวกกลายเป็ นกลาง)
pH 7.0
pH 6.0
pH 5.0
Phenylalanine
Protein#1
Protein#2
Protein#3
Protein Detection: Abs 280 nm
Anion-exchange chromatography (target protein = negative)
ตัวอย่ าง: การชะโปรตีนผสมออกจาก column
1. pH gradients
2. Ionic strength gradient **
Ionic strength gradients
KCl
(low conc. 10 mM)
Prot1 (+++)
Prot2 (++)
Prot3 (+)
Prot4 (-)
KCl (0.5M)
KCl (1.0M)
Prot1 (+++)
Prot2 (++)
Prot1 (+++)
Prot3 (+)
Prot4 (-)
Prot2 (++)
Cation-exchange chromatography (target protein = negative)
[KCl] M
A280 nm
Prot2 (++)
2.0
Prot1 (+++)
Prot3 (+) & prot4 (-)
1.5
1.0
0.5
Fraction no.
- Gel filtration
- แยกสารต่างๆได้ตามขนาดโมเลกุลของสาร
- ตัวกลางคือ polysaccharide เช่น sephadex, sepharose, agarose เป็ นต้น
- ตัวกลางมีคุณสมบัติยอมให้โมเลกุลขนาดเล็กลอดผ่านเข้าไปได้
- เมื่อชะสารต่างๆออกจาก column สารที่มีโมเลกุลเล็กจะเคลื่อนที่ออกจาก column ได้ชา้
- พิจารณาขนาดโมเลกุลของสารตัวอย่าง, ชนิดของตัวกลาง และความยาวของ column
-Gas chromatography (GC)
-ใช้ แยกสารพวก volatile non-polar substances โดยเปลี่ยนสารผสมให้ เป็ นไอที่อณ
ุ หภูมิหนึง่
แล้ วผ่านไอไปสู่ column
- stationary phase = gas or liquid (gas-liquid chromatography)
ถ้ า stationary phase เป็ นพวก non-polar จะเสถียรที่ช่วงอุณหภูมิกว้ าง
- mobile phase = gas เช่น Nitrogen, Helium, Hydrogen
การวิเคราะห์
1. sample injection
2. สารผสมจะถูกให้ ความร้ อน
จนกลายเป็ นไอแล้ วถูกพาเข้ า
ไปใน column
3. ตรวจวัดโดย detector และ
แสดงออกมาในรูปของ
chromatogram
High Performance Liquid Chromatography (HPLC)
ของเหลวที่เคลือบอยูบ่ นสารยึดซึ่งเป็ นของแข็งบรรจุใน column ขนาดเล็ก
-Sample จะถูกฉี ดผ่าน injector และอาศัยแรงดันจากปั๊ มช่วยนาตัวทาละลาย (mobile phase)
ออกจาก reservoir พา sample ผ่าน column
- Stationary phase:
- ระยะเวลาที่sample ผ่านเข้าออก column
เรี ยกว่า retention time
ในสภาวะเดียวกัน สารชนิดเดียวกันจะมี retention time เท่ ากัน
- สามารถหาชนิ ดของสารตัวอย่างได้จากการเปรี ยบเทียบ retention time กับสารมาตรฐาน
- สามารถหาปริ มาณของสารตัวอย่างได้จากการคานวณพื้นที่ใต้peak เทียบกับสารมาตรฐานที่ทราบชนิด
และปริ มาณ
ตัวอย่าง
Standard glucose 10 mM
Standard fructose 10 mM
Standard sucrose 10 mM
Glucose 100 mM
Glucose 10 mM
Glucose 1 mM
Retention time
พืน้ ทีใ่ ต้ กราฟ glucose (unit 2)
Detection signal
การหาปริมาณกลูโคสในสารตัวอย่ าง
1
10
100
ความเข้ มข้ น glucose (mM)
b) Electrophoresis
เป็ นการแยกสารโดยอาศัยกระแสไฟฟ้ า
หลักการ อนุภาคที่มปี ระจุไฟฟ้ าจะเคลื่อนที่ไปในสนามไฟฟ้ า อนุภาคที่มปี ระจุบวกจะ
เคลื่อนที่ทวนทิศทางของสนาม ส่ วนอนุภาคประจุลบจะเคลื่อนที่ตามทิศทางของสนาม
macromolecule ที่มีหมู่ -NH3+, -COO-, หรื อ -PO32- จะมีประจุบนโมเลกุล
ทิศทางกระแสไฟฟ้า
- ตัวกลาง = กระดาษกรอง(with buffer)
- เหมาะสาหรับวิเคราะห์สารโมเลกุลเล็ก
-หลังจากผ่านกระแสไฟฟ้าแล้ว
นากระดาษไปผึ่งให้แห้ง
- ถ้าสารที่แยกได้ไม่มีสีอาจตรวจดูได้โดยการย้อมสี
หรื อทาปฏิกิริยาให้เกิดสี เช่น
ถ้าเป็ นกรดอะมิโน อาจพ่นด้วยนินไฮดริ น
แล้วทาให้ร้อน จะเกิดสี น้ าเงิน
Polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE)
ตัวกลาง = polymer ของสาร acrylamide และ N,N’-methylene-bis-acrylamide
-เจลมีลกั ษณะพิเศษคือ เส้นpolymer
มีลกั ษณะเป็ นตาข่าย ดังนั้นจึงสามารถกั้นโมเลกุลขนาดใหญ่ให้
เคลื่อนที่ชา้ ลงได้ ดังนั้นอัตราการเคลื่อนที่ของสารจึงถูกกาหนดด้วยประจุ และขนาดโมเลกุล
-ในกรณี ที่มี sodium dodesylsulfate (SDS) ซึ่ งเป็ นผงซักฟอกอยูใ่ นระบบจะทาให้สารละลาย
โปรตีนที่ตอ้ งการแยกเสี ยสภาพ และมีประจุต่อหน่ วยมวลใกล้ เคียงกัน (all negative)
ดังนั้น การแยกโปรตีนด้วยวิธี SDS-PAGE
จะแยกสารออกจากกันโดยอาศัยขนาดโมเลกุลเท่ านั้น
- สามารถใช้ SDS-PAGE
หาน้ าหนักโมเลกุลของโปรตีนได้
การทางานของ SDS-PAGE
Polyacrylamide gel electrophoresis
Tris buffer pH 9.0
c) Spectroscopy
คือการวัดปริมาณรังสีแม่ เหล็กไฟฟ้ า ที่สารหนึ่งสามารถดูดซับเอาไว้ ได้ เมื่อมี
รังสีฉายผ่ านสารนัน้ รังสีแม่ เหล็กไฟฟ้ า อาจมีความยาวคลื่น (wavelength) ได้
ต่ างๆกัน เรียกว่ า spectrum
- สารต่ างชนิดกันมีความสามารถในการดูดซับรังสีท่ คี วามยาวคลื่นต่ างกัน
- สารชนิดเดียวกัน ความเข้ มข้ นหรือปริมาณต่ างกัน
ดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นเดียวกันได้ ไม่ เท่ ากัน
- หน่ วยความยาวคลื่น คือ นาโนเมตร (nm)
- UV light: 185 – 400 nm
Visible light: 400-800 nm
เครื่องมือและหลักการที่ใช้ ใน spectroscopy
spectrophotometer หรือ spectrometer คือเครื่องมือที่ใช้ วัดการดูดกลืนรังสี
แม่ เหล็กไฟฟ้ าของสาร ประกอบด้ วย แหล่ งของรังสี และส่ วนที่ใช้ เลือก
ความยาวคลื่น (monochrometer)
รังสีจากแหล่ งจะผ่ าน monochrometerไปยังสารละลาย ซึ่งจะดูดเอาไว้ ส่วนหนึ่ง
รังสีส่วนที่ทะลุออกมาสามารถวัดได้ ด้วย detector
กฎของเบียร์ -แลมเบิร์ต
•
ความเข้ มของรั งสีท่ ีมาตกกระทบ (I0) จะลดลงเป็ น I เมื่อผ่ านสารละลายเป็ นระยะทางdx
“ ความเข้ มของรังสีท่ ถี กู ดูดเอาไว้ (dI) จะแปรเป็ นสัดส่ วนโดยตรงกับความ
เข้ มข้ น (c) และระยะทางที่รังสีนัน้ วิ่งผ่ านสารละลาย (dx)”
I
d
ʃ dI = ʃ k’cdx
I0
I
; k’ = ค่ าคงที่
dx
0
---- ถ้ า conc. มาก อัตราส่ วนระหว่ าง dI/I มาก ------- ถ้ า dx มาก อัตราส่ วนระหว่ าง dI/I มาก ----
I0
I
ดังนัน้ ถ้ าให้ รังสีความเข้ มข้ น I0 วิ่งผ่ านสารละลายเป็ นระยะทาง dx จะได้
log (Io/I) = kcdx
log (Io/I) = optical density (OD) หรื อ absorbance (A) ของสารละลาย
k (เท่ากับ k’.ln10 ซึง่ เรียกว่า extinction coefficient จะมีคา่ คงที่เมื่อความยาว
คลื่นคงที่ และเป็ นค่าจาเพาะสาหรับสารนันๆ
้
** ถ้ าความเข้ มข้ น (c) เป็ นโมลาร์ และ dx มีหน่วยเป็ น ซม. จะเรี ยกค่า k ว่า molar
extinction coefficient, ε มีประโยชน์ในการใช้ หาความเข้ มข้ นของสารจาก OD เมื่อ
ทราบεของสารนัน้
A = εcl
A = absorption of solution
ε = molar extinction coefficient (M-1 cm-1)
l = path length of cuvette (cm)
C = concentration (M)
cuvette
ตัวอย่ าง
สารละลาย tryptophan มีค่าการดูดกลืนแสง 0.55 ที่ 280 nm ใน cuvette
ที่มีความหนา 0.5 cm , ε ของ tryptophan เท่ากับ 5600 M-1 cm-1
สารละลายนี้มีความเข้มข้นเท่าไหร่
C = A / (ε d) = 0.55/ (5600 . 0.5)
= 1.96 x 10-4 M
- สารชีวโมเลกุลที่เป็ น aromatic หรือมี conjugated double bond
สามารถดูดกลืนรังสีในแถบ ultraviolet (185-350 nm) ได้
- carotene, hemoglobin, chlorophyll สามารถดูดกลืนแสงในช่ วง visible light
- nucleotide ซึ่งเป็ นส่ วนประกอบของ nucleic acid สามารถดูดกลืนรังสี
Ultraviolet ได้ ดีท่ สี ุดที่ 260 nm (λmax = 260 nm)
สาร
Adenosine 5’-phosphate
Cytidine 5’-phosphate
Uridine 5’-phosphate
Guanosine 5’-phosphate
Phenylalanine
Tyrosine
Tryptophan
NADH
NADPH
λmax (nm)
ε (M-1cm-1)
259
271
262
252
257
275
280
338
339
15,400
9,000
10,000
14,000
200
1,300
5,000
6,220
6,200
3) Chemistry of Carbohydrates
PHOTOSYNTHESIS
6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2
Plants are consumed by animals
Animals release CO2 + H2O
ENERGY METABOLISM
6O2+ C6H12O6  6CO2 + H2O + energy
and
BIOSYNTHESIS
-C:H:O = 1:2:1
-General formula;
(CH2O)n, n= 3-7
“monosaccharides”
-Polysaccharides; starch,
cellulose, glycogen
Type of carbohydrates
Monosaccharides
-General formula; (CH2O)n, n= 3-7
-monosaccharides can be named on the basis of the functional
group (carbonyl group)
-monosaccharides contain many “Hydroxyl group (-OH)” 
polyhydroxylaldehydes/ polyhydroxylketones
Dihydroxyaldehyde
(aldose)
Dihydroxyacetone
(ketose)
Monosaccharides: nomenclature
 Functional group: aldose
ketose
 Carbon atom: triose (C-3), tetrose (C-4),
pentose (C-5), hexose (C-6)**
Unique name: e.g., glucose (aldo-hexose)
fructose (keto-hexose)
galactose (…)
glyceraldehyde (…)
D- and L-configuration of monosaccharides
-the prefixes D and L found in the complete name of monosaccharide
are used to identify one of two possible isomeric forms called
“stereoisomers”
“ stereoisomers …same molecular formula, same bonding, but different in arrangement ”
CHO
CHO
H
C
OH
HO
L-glyceraldehyde
CHO
H
C
OH
CH2OH
D-glyceraldehyde
H
CH2OH
CH2OH
D-glyceraldehyde
C
CHO
HO
C
H
CH2OH
L-glyceraldehyde
Single asymmetric carbon
or
Chiral carbon
น้ าตาลที่มี chiral center มากกว่า 1 ตาแหน่ง จะ
พิจารณา D, L จาก asymmetric C ที่อยูไ่ กล
จาก aldehyde or keto group มากที่สุด
O
Most naturally occurring
sugars are D isomers.
D & L sugars = mirror
Images, same name
H
C
H – C – OH
HO – C – H
H – C – OH
H – C – OH
CH2OH
D-glucose
O
H
C
HO – C – H
H – C – OH
HO – C – H
HO – C – H
CH2OH
L-glucose
Enantiomers:
Stereoisomers ที่สมมาตรกันเหมือนส่ องกระจก เช่ น D-glucose กับ L-glucose
Diastereoisomers:
Stereoisomers ที่ไม่ มีคุณสมบัตเิ ป็ น Enantiomers
Epimers:
Diastereoisomers ที่มีตาแหน่ ง chiral C ที่สมมาตรกันเพียง 1 ตาแหน่ ง
Enantiomers
HO
H
Epimers
การพิจารณา D-, L- configuration ไม่ เกี่ยวข้ องกับ
การหมุนระนาบแสง (optical rotation)
Levorotatory sugar (S- หรื อ (-)- sugar): หมุนไปทางซ้าย ทวนเข็มนาฬิกา
Dextrorotatory sugar (R- หรื อ (+)-sugar): หมุนไปทางขวา ตามเข็มนาฬิกา
สามารถพบกลูโคสทัง้ แบบที่เป็ น D(+) glucose และ D(-) glucose
L(+) glucose และ L(-) glucose
จานวน isomers
เท่ ากับ 2n ;
n คือจานวน
chiral carbon
The D-aldose Family
Dihydroxyacetone
D-ribulose
D-fructose
- - configuration of monosaccharides
เมื่อกลูโคสอยูใ่ นรูปของสารละลาย
1
H
HO
H
H
2
3
4
5
6
Hemiacetal formation
CHO
C
OH
C
H
C
OH (linear form)
C
OH
D-glucose
5
6 CH2OH
4
OH
O
H
OH
3
H
หมู่ด้านขวา ... ชี้ลงล่าง
หมู่ด้านซ้ าย ... ชี้ขนึ้ บน
CH2OH
6 CH2OH
H
Cyclization
H
2
OH
-D-glucose
H
1
OH
5
H
4
OH
H
OH
3
H
O
OH
H
1
2
H
 และ  glucose;
Diastereoisomers ที่มีความแตกต่างกัน
เฉพาะ C-1 (anomeric carbon)
OH
-D-glucose
เกิด chiral carbon ใหม่ที่ C-1
เรี ยกว่า “anomeric carbon atom”
สลายพันธะ C=O
สลายพันธะ OH
1
4
2
5
3
อ่ านเพิ่มเติม
กรณี ketose  Hemiketal formation (C-2 & C-6)
C2 & C5
Pyranose
Furanose
C2 & C6
ลองสังเกตความแตกต่ างของ ribose, fructofuranose และ glucofuranose
การเกิดโครงสร้ างที่เป็ นวงของ monosaccharides อาจเกิดได้ ทงที
ั ้ ่เป็ นวง 6 เหลี่ยม (pyranose)
และวง 5 เหลี่ยม (furanose) และเป็ นได้ ทงรู
ั ้ ป - และ - ในสัดส่วนต่างๆกัน
ดังนัน้ ในสารละลายกลูโคสเราจะพบทัง้
- โครงสร้ างโซ่เปิ ด
- -glucopyranose
- -glucofuranose
C1&C4
write by yourself !!
- -glucofuranose
- -glucopyranose
-form
opened chain
-form
“Mutarotation”
ปกติกลูโคสมีจุดหลอมเหลว เท่ ากับ 146C (Glc-ธรรมดา)
Glc
Glc
Glc
Glc
Heat >98ﾟC
ผลึกกลูโคสจะมี
จุดหลอมเหลว
150ﾟC (Glc-ผลึก)
Different optical rotation:
Glc-ธรรมดา: +112ﾟ +52.7ﾟ
Glc-ผลึก:+18.7ﾟ+52.7ﾟ
จากผลการวิเคราะห์ ด้วย X–ray พบว่ า Glc-ธรรมดา คือ -D-glucose: 36%
Glc-ผลึก คือ -D-glucose: 64% (ถ้ าไม่ นับรู ปโซ่ เปิ ด)
Glycoside formation
•เมื่อนา้ ตาลทาปฏิกริ ิยากับเมทานอลในสารละลายที่เป็ นกรดจะได้ anomeric methyl acetals
•Acetal ของคาร์ โบไฮเดรต เรี ยกว่ า glycoside เช่ น glucoside หรื อ glucopyranoside, manoside
เป็ นต้ น
•Glycoside จะเสถียรในสารละลายเบส
•Glycoside ในสารละลายกรดจะเกิด hydrolysis ให้ นา้ ตาล กับ แอลกอฮอล์ (aglycone)
[H+]
[hemiacetal formation**]
[acetal formation**]
*Formation of glycosidic bond
เสมือนเป็ นหมู่ CH3
Oxidation of monosaccharides
เป็ นปฏิกริ ิยาที่มีความสาคัญอย่ างมากในสิ่งมีชีวติ
- oxidation of carbohydrates to CO2 and H2O in aerobic processes ทาให้ ได้ พลังงาน
- photosynthesis in plants
1) Benedict’s reagent/ Tollens reagent/ Fehling reagent
- สาหรั บตรวจวัดนา้ ตาล reducing (ทัง้ aldose และ ketose โดย Ketose จะเปลี่ยนเป็ น aldose ใน
สารละลายที่เป็ นเบส)
- สารทดสอบเป็ น oxidizing agent พวกเกลือของทองแดงในสารละลายด่ าง; Benedict’s
Solution (Cu2+citrate ในเบสอ่ อน), Fehling Solution (Cu2+tartrateในเบสแก่ ) และ Tollens
reagent [Ag+(NH3)2OH]
- Positive test: ตะกอนสีแดงอิฐของ Cu2O หรื อ โลหะเงินฉาบอยู่ข้างหลอด (Tollens)
-
ตะกอนที่ได้ อาจมีสีเหลือง เขียว ส้ ม แดง ขึ ้นอยู่กบั ปริมาณคาร์ โบไฮเดรทที่ใช้ ทดสอบ และอัตราเร็วในการเกิดตะกอน
คาร์ โบไฮเดรทขนาดใหญ่ เช่ น polysaccharide จะไม่ แสดงคุณสมบัติ reduce เนื่องจากโมเลกุลจะไปบดบังหมู่ aldehde/
ketone อิสระ
Benedict’s Test
THE TOLLENS TEST
Aldehydes (but not ketones) are oxidized
by Ag2O in aqueous ammonia to give the
carboxylic acid and metallic silver "silver
mirror"
น้าตาล reducing??
Positive test ของ reducing sugar กับ oxidizing reagent เกิดจากการมีหมู่ hemiacetal
นา้ ตาล ketose ในสารละลายที่เป็ นเบส (Benedicts solution ฯลฯ)
มีสภาพเป็ นเบส) จะเปลี่ยนไปเป็ นนา้ ตาล aldose และสามารถเกิดปฏิกิริยากับ
oxidizing reagent ได้
โดยปกติคาร์ โบไฮเดรตที่มีหมู่
hemiacetal (cyclic) จะอยู่ใน
สภาพสมดุลกับโซ่เปิ ดในสาร
ละลาย
โครงสร้ างแบบโซ่เปิ ดจะทาปฏิกิริยา
กับ oxidizing agent จนกว่า reagent
หรื อน ้าตาลจะหมดไปจากระบบ (p.27)
คาร์ โบไฮเดรตที่มีเฉพาะหมู่ acetal จะไม่ให้ positive test กับ Benedict’s หรื อ Tollens’ solution
เนื่องจาก acetal ในสารละลายที่เป็ นเบสจะเสถียรและไม่เกิดสมดุลระหว่างโครงสร้ างแบบโซ่เปิ ด
Reducing end of branched polysaccharides;
have a number of nonreducing ends but only one reducing end
Glucose
Glucose
หลายๆโมเลกุลต่อกันด้วยพันธะ glycosidic
Non-reducing end
Non-reducing end
Non-reducing end
Reducing end
Non-reducing end
Reducing end
2) Bromine water; the synthesis of aldonic acid
น ้าโบรมีน (pH 6.0) เป็ นรี เอเจนต์ที่สามารถเลือกออกซิไดซ์ (selectively oxidize) หมู่ –CHO
ให้ เป็ นหมู่ –COOH ได้ โดยจะเปลี่ยน aldose ให้ เป็ น aldonic acid ดังสมการ
Xylose
Xylonic acid
2) Nitric acid; the synthesis of aldaric acid
Strong oxidizing agent = nitric acid (HNO3) เข้ าทาปฏิกิริยากับทัง้ aldehyde
และ primary alcohol
Xylose
Xylaric acid
Reduction of monosaccharides
Alditol synthesis
การรี ดิวซ์แอลโดสและคีโตสด้ วย sodium borohydride หรื อ แก๊ สไฮโดรเจนโดยมีโลหะเป็ นตัวคะตะลิสต์จะได้
สารประกอบที่เรี ยกว่า อัลดิ ตอล (Alditol) เป็ นผลิตภัณฑ์ ดังสมการ
Name
Sweetness
(sucrose =
1.0)
Caloric
content
(kcal/g)
Glycerol
0.6
0.4
0.9
4.3
2.0
2.1
1.6
Lactitol
Maltitol
Mannitol
Sorbitol
Xylitol
0.5
0.6
1.0
2.6
2.4
เมตาบอลิสมของไซลิทอล
เกิดขึน้ ที่ลาไส้ เล็ก (Passive diffusion)และตับ
(เปลี่ยน xylitol ไปเป็ น fructose-6phosphate เข้ าวิถี
pentose-phosphate
โดยปกติร่างกายสามารถรั บไซลิทอลได้ ในปริมาณ
100-300 กรั ม/วัน
การผลิตไซลิทอลสามารถทาได้ ทงั ้ วิธีทางเคมี และ
ชีวภาพ (Xylose reductase จากยีสต์ )
จากการวิจยั ของ สมาคมทันตกรรม (USA) ระบุวา่ ควรเคี ้ยวหมากฝรั่งที่มีสว่ นผสมของไซลิ
ทอล 6-12 เม็ดต่ อวัน อย่ างน้ อย 5 นาที วันละ 3 ครั ง้ หลังอาหารมื ้อหลัก และต้ องเป็ นหมาก
ฝรั่ง ซึง่ มีไซลิทอลผสมร้ อยละ 50 ขึ ้นไป เพราะจากผลการวิจยั ต้ องให้ ไซลิทอลอยู่ในปากไม่ต่ากว่า
5 นาที”
การเคี ้ยวหมากฝรั่งชนิดไซลิทอลสามารถลดการเกิดฟั นผุได้ ถึง
59 – 74% (เมื่อเทียบกับคนที่ไม่เคี ้ยวหมากฝรั่ง
ที่มา: สาโรจน์ ศิริศนั สนียกุล 2547.ไซลิทอล,อุตสาหกรรมเกษตร,5 (3),13-27.
RECALDENT
CPP-ACP: Casein phosphopeptide and Amorphus calcium phosphate
การตรวจ furfuralหรืออนุพนั ธ์ ของมันจากการต้ มนา้ ตาลกับกรด
+
phenol compound
e.g., orcinol
สารประกอบเชิงซ้ อนที่มีสี
anthrone
Furfural
Sugar in
acid
Bial’s test (orcinol, conc.HCl, FeCl3):
Seliwanoff’s (resorcinol, 3M HCl):
สี ฟ้าเขียว กับ pentose
สี แดงกับ hydroxymethylfurfural ของ ketohexose
สี ชมพูกบั hydroxymethylfurfural (HMF) ของ aldohexose
Molisch’s test (-naphthol, H2SO4):
** Anthrone’s (anthrone, H2SO4):
วงแหวนสี ม่วงแดง all carb. (เป็ นการทดสอบเชิงคุณภาพ)
สี ฟ้าเขียว กับ all carb.
** สามารถหาปริ มาณของ carbohydrate ได้โดยการวัดค่าการดูดกลืนแสงที่ 620 nm
(แต่ถา้ เป็ น glycoprotein tryptophan จะทาให้ได้ผลการทดลองเป็ นสี แดง)
การทดสอบ carbohydrate ด้ วยสารละลาย Iodine
ใช้ทดสอบ polysaccharide โดยจะเกิดเป็ นสารประกอบเชิงซ้อนที่มีสีแตกต่างกัน เช่น
amylose จะให้สารประกอบเชิงซ้อนสี น้ าเงินเข้ม
amylopectin และ glycogen จะให้สารประกอบเชิงซ้อนสี ม่วงแดง
dextrin จะให้สารประกอบเชิงซ้อนสี น้ าตาลแดง
cellulose ไม่ เกิดปฏิกริ ิยากับ iodine
monosaccharide & disaccharide
ไม่เกิดปฏิกิริยากับiodine
Disaccharides
น้ าตาลโมเลกุลคู่ที่ได้จากการนา monosaccharide 2 molecules มาต่อกันด้วย
พันธะ Glycosidic
Maltose; glucose + glucose
Lactose; glucose + galactose
Sucrose; glucose + fructose
“ Sucrose
เป็ น non-reducing sugar ”
Maltose
Cellobiose
Polysaccharides
starch:
found in plants.
It's a polymer of glucose linked ( 1->4)
and  1->6 in branches.
ในแป้งมีโครงสร้างอยู่ 2 แบบ
Amylose; no branches (helix)
Amylopectin; branches
(every 24-30 glucose unit)
Starch granules consist of about
20% amylose and 80% amylopectin
COMPOSITION OF CEREALS
Protein
Wheat
Rye
Oats
Barley
Corn
Buckwheat
Rice
Fat
Oats
Corn
Barley
Buckwheat
Rice
Wheat
Rye
Carbohydrate
Cellulose
Rice
Rye
Corn
Wheat
Barley
Buckwheat
Oats
Oats
Buckwheat
Barley
Wheat
Rye
Corn
Rice
4) Metabolism of Carbohydrates
Polysaccharides: Glycogen (in animals), starch (in plants) = แหล่งพลังงานสารอง
starch: amylose ( 1-4 linked)
amylase
maltotriose
ในนา้ ลาย
maltose
amylase, maltase
จากตับอ่อนและลาไส้ เล็ก
glucose
Glycogenesis
Energy reserve:
glycogen
Glycolysis
Energy source for
biosynthesis
starch: amylopectin ( 1-4 and  1-6)
amylase ในนา้ ลาย
ย่ อยที่  1-4
amylase, maltase,
 1-6 glucosidase
sucrase or invertase
จากตับอ่อนและลาไส้ เล็ก
sucrose + H2O  glucose + fructose
lactase
lactose + H2O  glucose + galactose
Glycogenesis
Energy reserve:
glycogen
Glycolysis
Energy source for
biosynthesis
เมื่อระดับนา้ ตาลในเลือดสู ง ...
glucose  glycogen
GLYCOGENESIS
HOH2C
G
glucose
ATP: adenosine P-P-P
HOH2C
hexokinase and glucokinase
glucose-6phosphate
UDP
G
+ ADP: adenosine P-P
glycogen synthase
phosphoglucomutase (PGM)
HOH2C
glucose-1phosphate
G
UDP-glucose pyrophosphorylase
UDP-glucose
+ PPi
UDP:
uridine P-P
การเกิดแขนงของ ไกลโคเจน
เมื่อกลูโคสถูกเติมเข้ าไปในสายหลักยาว มากกว่ า11 โมเลกุล
กลูโคสประมาณ 6-7 โมเลกุลจะหลุดจากสายหลัก เปลี่ยนไปเป็ นสายแขนง
โดยการทางานของ branching enzyme (BM); amylo-(1,4 1,6)-transglycosylase เชื่อมสายหลัก
กับสายแขนงด้ วยพันธะ -1-6 ที่ประมาณโมเลกุลที่ 4 ในสายหลัก
Reducing end
14
6
BM
1
Non-reducing end
,1-6
เมื่อระดับนา้ ตาลในเลือดต่า ... glycogen 
glucose
GLYCOGENOLYSIS
phosphorylase
(release glucose unit and
add phosphate)
P
HOH2C
G
debranching enzyme
hydrolase ( 1-6)
amylo-1,6-glucosidase
Glucose-6-phosphatase
P OH2C
G
HOH2C
G
P
phosphoglucomutase (PGM)
glucose-1-phosphate
glucose-6-phosphate
Phosphorylase
- เร่งการย้ ายเอา glucose residue ออกจาก non-reducing ends ของสายไกลโคเจน
-ตัดไกลโคเจนที่ Glc ตาแหน่งที่ 4 ที่หา่ งจากจุดแยก -(1-6 ) branch point แล้ วเหลือ limit dextrin
– limit dextrin ถูกย่อยต่อด้ วย debranching enzyme (glucanotransferase) โดยจะย้ ายกลูโคส
3 units จาก branch ให้ มาต่อกับ branch อีกอันหนึง่
-amylo-1,6-glucosidase จะย่อยพันธะ -(1-6 ) ได้ ผลิตภัณฑ์เป็ น กลูโคสอิสระ
-ส่วนสายหลักของไกลโคเจน จะถูกย่อยโดย phosphorylase ต่อไป (ได้ ผลิตภัณฑ์ เป็ น G-1-P)
GLYCOGENESIS
GLYCOGENOLYSIS
glycogen
glycogen synthase
phosphorylase
UDP
branching enzyme
UDP-glucose
UDP-glucose
pyrophosphorylase
debranching enzyme
amylo (1-6) glucosidase
UTP
Glucose-1-phosphate
phosphoglucomutase (PGM)
Glucose-6-phosphate
ADP
hexokinase
glucokinase
Glucose-6-phosphatase
ATP
glucose
METABOLISM OF GLUCOSE
Catabolism of glucose: GLYCOLYSIS
Glucose synthesis: GLUCONEOGENESIS
GLYCOGENESIS
glucose
GLUCONEOGENESIS
GLYCOLYSIS
lactate
Pentose phosphate pathway
pyruvate
Ethanol + CO2
Alcoholic fermentation
Lactic fermentation
Oxygen
KREBS’ CYCLE
6CO2
Glycolysis หรื อ Embden-Meyerhof pathway
- Glycolysis เกิดใน Cytoplasm
-
1. C-6 (glucose)  C-3 (triose phosphate) ใช้พลังงาน 2 ATP/ glucose
2. Oxidoreduction; C-3  pyruvate
ได้พลังงาน 4 ATP/ gl
phosphorelytion of -D-glucose ---> glucose 6-phosphate (G-6-P); hexokinase; ใช้ ATP
G-6-P ---> fructose 6-phosphate (F-6-P); phosphoglucoisomerase
phosphorelytion of F-6-P ---> fructose 1,6-diphosphate (FDP); phosphofructokinase; ใช้ ATP
FDP แยกตัวออกเป็ น C-3 สองตัว คือ dihydroxyacetone phosphate (DHAP) กับ
D-glyceraldehyde 3-phosphate (GAP); aldolase
isomerization ระหว่าง DHAP กับ GAP; triose phosphate isomerase
แบ่งเป็น 2 ตอน
ปฏิกิริยาที่ 1
ปฏิกิริยาที่ 2
ปฏิกิริยาที่ 3
ปฏิกิริยาที่ 4
ปฏิกิริยาที่ 5
ปฏิกิริยาที่ 6 Oxidation of GAP โดย NAD+ ---> 1,3-di-phosphoglycerate (DPG) และ NADH;
glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase
ปฏิกิริยาที่ 7 DPG ให้ phosphate แก่ ADP ---> 3-phosphoglycerate (3PGA) และ ATP; phosphoglycerate
kinase; ได้ 2ATP
ปฏิกิริยาที่ 8 3PGA ---> 2-phosphoglycerate (2PGA); phosphoglyceromutase
ปฏิกิริยาที่ 9 Dehydration of 2PGA ---> phosphoenolpyruvate (PEP); enolase
ปฏิกิริยาที่ 10 PEP ---> pyruvate; pyruvate kinase ; ได้ 2ATP
dehydrogenase
Glycolysis (p.38)
Pyruvate was reduced to lactate
by NADH from step 6
glucose
NAD+ was returned to use in
step 6
• Muscle:
extreme exercise !!
GLYCOLYSIS
• Lactic acid bacteria
NAD+
NADH
pyruvate
lactate
Lactate dehydrogenase
Lactic acid fermentation
[Anaerobic condition]
Ethanol fermentation
glucose
[Anaerobic condition]
• YEAST
GLYCOLYSIS
pyruvate
CO2
acetaldehyde
NADH
NAD+
ethanol
• Acetaldehyde was reduced to ethanol
by NADH from step 6
• NAD+ was returned to use in
step 6
The Pasteur effect
Louis Pasteur ได้ สังเกตพบว่ าในสภาวะที่ไม่ มีออกซิเจน (anaerobic condition)
เซลล์ ยีสต์ สามารถเจริญได้ ดี และมีอัตราการใช้ กลูโคสและการผลิตเอธานอลที่สูงมากกว่ า
สภาวะที่มีออกซิเจน (aerobic condition)
เซลล์ กล้ ามเนือ้ จะมีการสะสมของกรดแลกติกภายใต้ สภาวะที่ไม่ มีออกซิเจน
ภาวะที่ glycolytic activity ลดช้ าลงในสภาวะที่มีออกซิเจน เรี ยกว่ า Pasteur effect
การใช้ พลังงานจาก monosaccharides ชนิดอื่นๆ
Fructose
fructokinase
Fructose-1-P
Fructose 1-phosphate aldolase
Glyceraldehyde
Triose kinase
dihydroxyacetone phosphate
Triose phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3-phosphate
Pyruvate
Galactosemia & Lactose intolerance
galactose
ATP
Glycogen synthase
PPi
galactokinase
Gal-1-phosphate
Gal-1-phosphate
uridyl transferase
Glc-1-phosphate
Glc-6-phosphate
glycogen
phosphorylase
UDPGlc
NAD+
Uridine
Diphosphogalactose
4-epimerase
UDPGal
Glc-1-phosphate
phosphoglucomutase
Glc-6-phosphate
Glucose-6-phosphatase
Pyruvate
Glucose
gluconeogenesis
เป็ นการสังเคราะห์ glucose จากสารต่างๆที่ไม่ใช่ carbohydrate โดยเริ่ มจาก pyruvate
- การสั งเคราะห์ PEP จาก pyruvate
pyruvate kinase
PEP
Pyruvate + ATP
PEP
GTP
Oxaloacetate
PEP carboxykinase
[Acetyl CoA]
Pyruvate + ATP + CO2
pyruvate carboxylase
[Biotin]
GTP
จากนั้นจะเป็ นการทวนกลับของ glycolysis จนได้ fructose1,6 bisphosphate (F-1,6 diphosphate: FDP)
ในปฏิกิริยาสุ ดท้าย glucose 6-phosphate เปลี่ยนเป็ น Glucose โดยเอนไซม์ glucose 6-phosphatase
Gluconeogenesis: The synthesis of glucose
p. 44 - 45
Biotin
ทวน glycolysis
Acetyl CoA
*
สารต้ นตออื่นๆ สาหรับการสังเคราะห์ กลูโคส
LACTATE TO PYRUVATE
Gluconeo
genesis
glycerol
Fatty acid
Glycerol kinase
pyruvate
ATP
glucose
Glycolysis
ATP
Lactate
dehydrogenase
Glycerol 3-phosphate
CO2+H2O
lactate
lactate
CORI CYCLE
flavin-containing
glycerol 3-phosphate
dehydrogenase complex
AMINO ACID TO PYRUVATE
Dihydroxyacetone phosphate
-ketoglutarate
e.g. glutamate
glucose
pyruvate
TRANSAMINATION; glucose-alanine cycle
Pentose phosphate pathway; PPP (p. 48-49)
Glucose  glucose 6-phosphate  Pentose phosphate pathway (Hexose monophosphate shunt)
ความสาคัญ ผลิต NADPH และสร้ าง ribose 5-phosphate
Source of reaction; อวัยวะที่มีการสังเคราะห์กรดไขมันและสเตียรอยด์ เช่น ต่อมหมวกไต
Pentose phosphate pathway แบ่งได้ เป็ น 2 ระยะคือ
oxidative stage; สร้ าง NADPH จากการเปลี่ยน hexose (Glc 6-P) ไปเป็ น pentose (ribose 5-phosphate)
Glc-6-P + 2NADP+ + H2O
ribulose 5-P + 2NADPH + CO2 + 2H+
non-oxidative stage; ribulose 5-phosphate ถูกเปลี่ยนต่อไปเป็ น glycolytic intermediate; fructose 6-phosphate
และ glyceraldehyde 3-phosphate
3ribulose 5-P
2 Frc-6-P + glyceraldehyde 3-phosphate
fructose 6-phosphate และ glyceraldehyde 3-phosphate จะถูกเมแทบอไลซ์ใน glycolysis และ
gluconeogenesis ได้
3
3
•การควบคุม Glc-6-P dehydrogenase; self limiting
3
(2 โมเลกุล)
C5
C5
C3
C7
C4
C6
C6
C3
•ผลิตภัณฑ์ สุดท้ ายที่ได้ ถูกนากลับไปสังเคราะห์ Glc-6P โดย riburose-5-P 6 โมเลกุลจะได้ Glc-6-P 5 โมเลกุล
Pathways of carbohydrate metabolism
GLYCOGENESIS
GLYCOGENOLYSIS
GLYCOLYSIS หรื อ Embden-Meyerhof Pathway
GLUCONEOGENESIS
PENTOSE PHOSPHATE PATHWAY
From Glycolysis to . . . Krebs Cycle
Cytoplasm
Glycolysis
ดังนั้น การสลายกลูโคส 1 โมเลกุล
ในสภาวะที่มีออกซิเจน (aerobic condition)
anaerobic condition
2Acetyl CoA + 2CO2 + 2ATP + 4NADH
pyruvate
pyruvate
Pyruvate dehydrogenase complex
Mitochondria
aerobic condition
CH3COSCoA
CO2
NADH
MITOCHOHDRIA
Pyruvate
translocase
CYTOSOL
outer membrane
inner membrane
HS-CoA
Pyruvate
Pyruvate
H+
CO2
MATRIX
Acetyl CoA
NAD+
NADH.H+
TCA cycle
Krebs Cycle; Tricarboxylic acid cycle (TCA cycle)
1.
Acetly CoA
2,3 Citric acid
รวมตัวกับ Oxaloacetic acid; citrate synthase
 citric acid
จะสู ญเสี ยน้ า  cis-aconitic acid ซึ่งจะรวมตัวกับน้ าอีก  isocitric acid
(เป็ นการเปลี่ยนตาแหน่ง –OH จาก  ในcitric acidไปเป็ น  ใน isocitric acid ); aconitase
4,5
ปฏิกิริยา oxidative decarboxylation ใช้ NAD+ เป็ นโคเอนไซม์
isocitric acid
จะให้ CO2 และ NADH  -keto-glutaric acid; isocitrate dehydrogenase
6. -keto-glutaric acid ให้ CO2
และ NADH  Succinyl CoA;
-keto-glutarate dehydrogenase complex
7.
Succinyl CoA เป็ นสารพลังงานสู ง จะแตกตัวเป็ น succinic acid และ Coenzyme A (CoASH)
ขณะเดียวกันพลังงานที่ได้จะรวมกับ GDP และ phosphate (จาก ATP) ได้เป็ น GTP: succinyl thiokinase
ถูกoxidized  Fumaric acid และ FADH; succinate dehydrogenase
8.
Succinic acid
9.
Fumaric acid รวมตัวกับน้ าได้ malic acid; fumarase
10. Malic acid ถูก oxidized ด้วย NAD+
เป็ น oxaloacetate และ NADH; malate dehydrogenase
Krebs Cycle
citrate synthase
malate
dehydrogenase
aconitase
fumarase
a-keto-glutarate
succinate
dehydrogenase
succinyl thiokinase
dehydrogenase complex
isocitrate dehydrogenase
NADre = NADH ตัวให้ eNADox = NAD+ ตัวรับ e-
จาก Krebs Cycle ใน mitochondria
สู่ ลูกโซ่ การหายใจ (Respiratory Chain)
เมื่อสิ้ นสุ ด Krebs Cycle 1 รอบ (Acetyl CoA 1 molecule) จะได้:
(1GTP + 3NADH +1FADH2) X2
ที่ได้จาก Krebs cycle จะถูก oxidized โดยการผ่านอิเล็กตรอนเข้าไปในลูกโซ่
การหายใจ หรื อลูกโซ่การขนส่ งอิเล็กตรอน (electron transport chain) ซึ่งประกอบด้วย flavoprotein (FP)
ชนิดต่างๆ, Coenzyme Q และ Cytochrome หลายชนิด O2 จะเป็ นตัวรับอิเล็กตรอนจากอีกปลายหนึ่งของลูก
โซ่น้ ีแล้วเปลี่ยนไปเป็ นน้ า
Reducing equivalence
Mitochondrial ox
NADH
red
ox
red
ox
red
FP
CoQ
Cytb
CytC1
CytC Cyta, a3
NAD+
red
ox
red
ox
red
ox
1/2 O2
H2O
ระหว่างขนส่ งอิเล็กตรอนจาก flavoprotein ถึง oxygen พลังงานที่ได้จะถูกนาไปสังเคราะห์
ATPจาก ADP และ phosphate โดยวีธีการควบคู่ (Coupling)
กระบวนการสังเคราะห์ ATP นี้เรี ยกว่า “OXIDATIVE PHOSPHORYLATION”
ปฏิกิริยาที่ให้พลังงาน ATP คือ 1) ปฏิกิริยาระหว่าง NADH กับ FP 2) ปฏิกิริยาระหว่าง Cytb กับ CytC1
3) ปฏิกิริยาระหว่าง Cyt a,a3 กับ 1/2O2
พลังงานที่ได้จากการขนส่ ง e- จาก NADH จะให้ 3 ATPพลังงานที่ได้จากการขนส่ ง e- จาก FADH2 จะให้ 2 ATP
P
ATP
OXIDATIVE PHOSPHORYLATION
ADP
ATP
พลังงาน
Mitochondrial NADH
Succinate
Fatty Acyl CoA
Glycerol phosphate
FP1
FP2
FP3
FP4
CoQ
Cytb
ATP
Cytc1
FP1:
FP2:
FP3:
FP4:
Cytc
Cyta + a3
1/2 O2
NADH dehydrogenase
succinate dehydrogenase
acetyl CoA dehydrogenase
glycerol 3-phosphate dehydrogenase
NADH ใน cytoplasm
- NADH, FADH2 สามารถให้ ATP ออกมาได้โดยการผ่านอิเล็กตรอนเข้าไปในลูกโซ่การหายใจ
- เกิดใน mitochondria เท่ านั้น
- NADH และ FADH2 ที่เกิดใน mitochondria สามารถผ่านอิเล็กตรอนเข้าไปในลูกโซ่การหายใจได้เลย
- NADH ที่ได้ จาก Glycolysis ใน Cytoplasm ไม่ สามารถซึมผ่ านผนังของ mitochondria ได้
ระบบลาเลียง (shuttle system) ที่นา reducing equivalence เช่น NADH ใน cytoplasm เข้าสู่ mitochondria
เพื่อเข้าสู่ ลูกโซ่การหายใจ
1. Glycerol phosphate shuttle
2. -hydroxybutyrate shuttle
3. Malate shuttle
ระบบลาเลียง NADH ใน cytoplasm ไปยัง mitochondria
I
II
NADH+H+
NADH+H+
Cytoplasm
DHAP
NAD+
GP
Acetoacetate
+ NAD+
NADH+H
NAD+
OAA
Malate
-hydroxybutyrate
Malate
dehydrogenase
GP-dehydrogenase
Intermembrane
space
Aspartate
Acetoacetate
GP-dehydrogenase complex
+
NADH+H
[FP4H2]
[FP4]
DHAP
Inner membrane
(cristae)
CoQ
2(ADP + Pi)
2ATP
1/2 O2
matrix
III
-hydroxybutyrate
GP
FP1
NAD+
Aspartate
3(ADP + Pi)
3ATP
1/2 O2
3ATP 3(ADP + Pi)
1/2 O2
FP1
Malate
dehydrogenase
OAA
Malate
NADH+H+ NAD+
จานวน ATP ที่ได้ จาก Glycolysis และการหายใจ (respiration)
กระบวนการ
Glycolysis:
Glucose
ใช้ ไป
ได้ จาก reducing equivalence
รวม
2ATP
4 ATP
2 NADH = 4 ATP
หรื อ 6ATP
6 หรื อ 8 ATP
Pyruvate dehydrogenase:
2 pyruvate
2 acetyl CoA + 2 CO2
-
-
2 NADH = 6 ATP
6 ATP
Krebs Cycle:
2 Acetyl CoA
-
2GTP
= 2ATP
6NADH = 18 ATP
2FADH2 = 4 ATP
24 ATP
2 ATP
6ATP
32 หรื อ 34 ATP
GLUCOSE
2pyruvate
ผลิตได้
4CO2
6CO2
36 หรื อ 38 ATP
5. Bioenergetics and electron transport
- สิ่ งมีชีวติ ต้องการใช้พลังงานสาหรับกิจกรรมต่างๆ
- Thermodynamics:
การศึกษาการเปลี่ยนแปลงพลังงานในรู ปต่างๆ และสมดุลของพลังงานในระบบ
- System: closed system and open system
สิ่ งมีชีวติ จัดเป็ นระบบเปิ ด
- Bioenergetics:
The study of energy transformation in living matter using the basic principles of
thermodynamics
กฏข้ อที่ 1. ของ thermodynamics
ผลรวมของพลังงานในระบบและสิ่ งแวดล้อมมีค่าคงที่เสมอ
Heat (q)
ΔE : พลังงานภายในระบบ
ΔE = q-w
ΔE
Work (w)
system
ถ้าไม่มีงานออกมา, w = 0 นัน่ คือ ΔE = q
แต่ การวัดการเปลีย่ นแปลงพลังงานภายในระบบ (∆E) ทาได้ ยาก
Enthalpy (ΔH):
most living systems operate the constant T and P,
ΔE = the change in the total heat energy (Enthalpy,ΔH)
ดังนั้น ΔH = q-w
ΔH = negative 
ΔH = positive 
ระบบมีการคายพลังงาน; exothermic
ระบบมีการดูดพลังงาน; endothermic
C6H12O6 + 6O2
Molecules:
State:
ΔH (kJ/mol)
1
solid
-912
+ 6
+ gas
0
-393
ΔH = [ΔH products] – [ΔH reactants]
= [6X(-393) + 6X(-238)] – [1X (-912) + 0]
= -2874 kJ/mol
6CO2
+ 6H2O
6
gas
+
6
+ liquid
-238
กฏข้ อที่ 2. ของ thermodynamics
Entropy (ΔS) ของระบบปิ ดหรื อ universe จะเพิ่มขึ้นเสมอ
Entropy คือ ดัชนี ช้ ีวด
ั ความไม่เป็ นระเบียบเรี ยบร้อยของระบบ
ΔS = q/T
ΔS = positive  reaction หรื อกิจกรรมนั้นสามารถเกิดขึ้นได้เอง
ΔS = negative  reaction หรื อกิจกรรมนั้นต้องใช้พลังงานเข้าช่วย
Bioenergetics: Thermodynamics applied to biology
พลังงานอิสระ (FREE ENERGY)
Δ H = TΔS – w หรื อ – w = Δ H –TΔS
Δ G = Δ H –TΔS ที่อุณหภูมิ และความดันคงที่
Δ G คือ ผลต่ างพลังงานอิสระ หรื อ Gibbs’ free energy
“ในทางชีวเคมี หาผลต่ างพลังงานอิสระในสิ่ งมีชีวิตจากปฎิริยาเคมีทเี่ กิดขึน้ ”
ผลต่ างพลังงานอิสระมาตรฐาน (ΔG˚‘) และค่ าคงที่สมดุล (Keq)
Δ G ของปฏิกิริยาเคมีจะขึ้นกับความเข้มข้นสารที่ทาปฏิกิริยา, T และ P
Δ G˚ T = 25C (298K); P=1 atm; [reactant] = 1M
ΔG˚‘ ในการศึกษาปฏิกิริยาทางชีวเคมี ... [H+] 1M at pH 7 is used
ΔG˚‘ = -RTlnKeq
A+B
ΔG˚‘ = -RTln[C][D]
C+D
[A][B]
Keq = [C][D]
[A][B]
ΔG˚‘
Direction of reaction
[A][B] = [C][D]
Keq =1
0
[A][B] > [C][D]
Keq <1
+
[A][B] < [C][D]
Keq >1
-
Energy change
zero
endergonic (ใช้ พลังงาน)
exergonic (ให้ พลังงาน)
ΔG˚‘ เป็ นลบมากๆ = spontaneous reaction
G
G
A+B
C+D
C+D
G
A+B
A+B
C+D
การดาเนินไปของปฎิกริ ิยา
∆G = 0
Direction;
ไม่มีการใช้หรื อให้พลังงาน
การดาเนินไปของปฎิกริ ิยา
∆G = negative
Direction;
∆G = positive
Direction;
เป็ นปฎิกิริยาให้พลังงาน
เป็ นปฎิกิริยาใช้พลังงาน
(exergonic reaction)
(endergonic reaction)
Spontaneous reaction
A+B
การดาเนินไปของปฎิกริ ิยา
C+D
Energy of activation (ΔE)
ปฏิกิริยาการสลาย glucose เป็ น CO2 และน้ ามี ΔG˚‘ เป็ นลบมากๆ
Energy
ΔE
glucose + O2
ΔG˚‘
CO2 + H2O
glucose + O2
CO2 + H2O
CO2 + H2O
ΔG˚‘
เป็ นลบ
glucose + O2
ΔG˚‘
เป็ นบวก
ปฏิกริ ิยาจะเกิดได้ ง่ายขึน้ ถ้ ามีตัวไปลดพลังงานกระตุ้น
สารพลังงานสู ง (High energy compounds)
คือสารที่เมื่อเกิด hydrolysis แล้ วให้ พลังงานอิสระออกมาเป็ นจานวนมาก หรื อ ΔG˚‘
มีค่าเป็ นลบมากๆ (7 kcal/mol)
ΔG˚‘
และ Keq ของปฏิกริ ิยา hydrolysis ที่ 30C ของสารสาคัญในชีวเคมี:
สาร (X-P)
PEP
-14.18
1,3 DPG
ATP ( AMP+PPi)
ATP ( ADP + Pi)
Glucose 1-phosphate
Fructose 6-phosphate
Glucose 6-phosphate
X-P +H2O  X-OH + Pi
ΔG˚‘ (kcal/mol)
-11.8
-7.6
-7.4
-5.0
-3.8
-3.3
Keq
7.2X1010
4.5X108
3.2X105
2.3 X105
4,600
600
260
Bioenergetics and electron transport
Introduction
-พลังงานอิสระของกิบส์ (Gibbs Free Energy: G)
หมายถึง พลังงานที่เป็ นประโยชน์ที่สามารถใช้เพื่อให้เกิดงานได้
กระบวนการใช้พลังงานในร่ างกาย
-สิ่ งมีชีวติ ใช้ และสังเคราะห์พลังงานอิสระในรู ปของ ATP
พลังงาน
∆G° = -7.3 kcal
ATP
ADP + Pi
∆G° = +7.3 kcal
พลังงาน
การวัดค่าพลังงานอิสระ มักวัดเป็ นค่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระ (∆G)
(∆G) = (ผลรวม G ผลิตภัณฑ์ ) – (ผลรวม G สารทีท
่ าปฎิกยิ า)
กระบวนการสลายอาหาร
ภาพแสดง∆G
ในขัน้ ต่ างๆของ
glycolysis
การสร้ างและการใช้ ATP
การสร้ าง ATP
- สิ่ งมีชีวต
ิ ที่ใช้ออกซิเจน ส่ วนใหญ่ได้ ATP มาจากกระบวนการ oxidative phosphorylation
ADP + Pi + พลังงานจาก coupling reaction (oxidation จากการสลายอาหาร)
-พืชสร้าง ATP จาก ADP และ Pi จากกระบวนการ photophosphorylation
Photosynthesis
6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2
sucrose and starch
Carbon fixation
90%  microorganism in ocean
10%  on land
(plant)
Photosynthesis
แสง
H2 O
LIGHT REACTION
½ O2
(ตัวให้ อเิ ล็กตรอน)
พลังงานเคมี
nCO2
DARK
REACTION
(CH2O)n
6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12H+  Glucose + 18 Pi + 18 ADP + 12NADP+
Photosynthesis
1. Absorption of light
color pigments extracted from leaves
“chlorophylls”  chlorophyll a
X
Porphyrin ring
chlorophyll a, X= CH3
chlorophyll b, X= CHO
ใน Chloroplast มี cytochrome ชนิดต่ างๆ
Chlorophyll c ในสาหร่ ายสี น้าตาล และ diatom
Chlorophyll d ในสาหร่ ายสี แดง
Phycobillin
P700
LIGHT REACTION
Electron transport in plant
Photosystems in Plant
-photosystem I (PSI): มี chlorophyll a จานวนมาก
-photosystem II (PSII): มี chlorophyll b จานวนมาก
Z scheme:
- ถ้าการถ่ายทอด e- ไม่เป็ นวัฏจักร จะได้ ATP + NADPH / 1 คู่e- ถ้าไม่มีน้ า PSII
จะไม่ทางาน การถ่ายทอด e- จะเป็ นวัฏจักร จะได้ ATP / 1 คู่e-
12H2O + 12 NADP+  6O2 + 12 NADPH + 12H+
Z-scheme diagram
Z
NADPH
ferridoxin
NADP+
Cytb6
Photosystem II
2e-
Q
plastoquinone
Cytb
2e-
2e-
H2O
Cytf
2e-
plastocyanin
ATP
Pigment I
P700
Photosystem I
1/2O2 +
2H+
Pigment II
P680
DARK REACTION
(Calvin cycle)
Ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase
Phosphoglycerate kinase
2X
-Succinyl CoA synthetase
-PEP carboxykinase
Glyceraldehyde 3-phosphate
dehydrogenase
Light Reaction
12H2O + 12 NADP+  6O2 + 12 NADPH + 12H+
Dark Reaction
6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12H+  Glucose + 18 Pi + 18 ADP + 12NADP+
Overall Reaction
6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2
Oxidative phosphorylation
Photophosphorylation
Substrate level phosphorylation
เป็ นการผลิต ATP โดยการถ่ายทอดหมู่ phosphate จากสารintermediate substrate ใน
ั ADP
exergonic pathway ให้กบ
ADP
ATP
ADP
ATP
ADP + Pi
ATP
KEY WORDS
OXIDATIVE PHOSPHORYLATION
PHOTOPHOSPHORYLATION
SUBSTRATE LEVEL PHOSPHORYLATION
FREE ENERGY & ACTIVATED ENERGY
ATP; HIGH ENERGY COMPOUND
Introduction to the Biochemistry of Life
Principle Methods of Biochemistry
Chemistry of Carbohydrates
Metabolism of Carbohydrates
Electron Transport and Bioenergetics
ดูประกาศห้ องสอบ midterm ที่หน้าห้อง lecture (CB 1320)
GOOD LUCK