Transcript Document 7917606

Energy transformation
่
ปพลังงานและการหมุนเวียน
การเปลียนรู
สารเคมีในระบบนิ เวศ
Chloroplast และ
mitochondria เป็ น
่ ยนพลั
่
organelles ทีเปลี
งงาน
รูปหนึ่ งไปอีกรูปหนึ่ ง
ในChloroplast เกิด
กระบวนการ photosynthesis
่
่
ซึงพลั
งงานแสงถูกเปลียนเป็
น
พลังงานสะสมในคาร ์โบไฮเดรต
 ที่ mitochondria เกิด
กระบวนการ cellular
่ บไว ้
respiration พลังงานทีเก็
ในคาร ์โบไฮเดรตจะถูก
่
เปลียนเป็
นพลังงานในรูป ATP
่ งมี
่ ชวี ต
ซึงสิ
ิ จะนาไปใช ้ในเซลล ์
ต่อไป
ATP (Adenosine triphosphate)
่
เป็ นสารเคมีทมี
ี่ พลังงานสู งพร ้อมทีจะแตก
่ ่ งดด้
ตัวปล่อยให้พลังงานออกมาใช้ทใดที
ี่
หนึ
่ ~P สลายภายในเซลล ์ พลังงานบางส่วน
เมือ
จะสู ญเสียดปในรู ปของความร ้อน และบางส่วนถูก
่ ATP ถ่ายทอด ~P ให้ก ับ
นาดปใช้ทางาน และเมือ
่ โมเลกุลของสารนันจะดด้
้
โมเลกุลของสารอืน
่ นด้
้ วย ทาให้เกิดปฏิก ิรย
พลังงานเพิมขึ
ิ ากับ
่ อดป ดังนันพลั
้
โมเลกุลอืนต่
งงานจาก ATP
สามารถทาให้เกิดปฏิก ิรย
ิ าเคมีภายในเซลล ์ดด้
่ กใช้แล้วสามารถสร ้าง
ATP เมือถู
กลับมาใหม่ดด้
พลังงานในรู ป ATP ถูกนาดปใช้ทางาน
ต่างๆภายในเซลล ์
้
ATP สร ้างขึน
อย่างดร
เรียกกระบวนการสร ้าง ATP ว่า
Phosphorylation มีวธ
ิ ก
ี ารสร ้าง
หลายแบบ
1. Oxidative phosphorylation
2. Substrate phosphorylation
3. Photophosphorylation
Oxidative phosphorylation
การสร ้าง ATP
จากการถ่ายทอด
e- ผ่านสารนา eเช่น NADH,
FADH2 ใน etransport chain
ที่ mitochondria
และมี O2 เป็ น
ตัวร ับ e- ตัว
สุดท้าย
Substrate phosphorylation
ATP ถูกสร ้างโดย
การถ่ายทอด ~P
่
จากสารทีมี
พันธะเคมี
พลังงานสู งกว่า
มายัง ADP
โดยตรง โดยมี
enzyme กระตุน
้
Photophosphorylation
แสงทาให้ e- จากน้ า ถู กถ่ายทอดดป
ตาม e- transport chain ใน chloroplast
ดด้พลังงานในรู ป ATP
Metabolic pathway
กระบวนการ metabolism เป็ นผลของปฏิก ิรย
ิ า
้
เคมีทเกิ
ี่ ดขึนในเซลล
์
่ นจาก
เริมต้
E1
A
E2
B
E3
C
E4
D
E
้
ในแต่ละขันตอนจะอาศ
ัย enzymes เป็ นตัวเร่ง
ให้เกิดปฏิก ิรย
ิ า
Enzyme ช่วยเร่งให้เกิดปฏิก ิรย
ิ าโดย
่
่
ตัวเองดม่เปลียนแปลงเป็
นสารอืน
เร่งปฏิก ิรย
ิ าเฉพาะ
การทางานต้องการ optimum
factors
The induced fit between an enzyme
and its substrate
The catalytic cycle of an enzyme
อต
ั ราการเร่งปฏิก ิรย
ิ าเคมีโดย enzyme
้ บ
ขึนกั
Temperture
pH
Inhibition (noncompetitive
inhibition, Competitive inhibition)
Environmental factors affecting enzyme activity
Temperature
pH
Inhibiton of enzyme activity
A substrate can normally
bind to the active site of an
enzyme
Competitive
inhibitor
Noncompetitive
inhibitor
Cofactor : Helpers of enzymes
่ ใช่
enzymes หลายชนิ ดต้องการ cofactor ทีดม่
โปรตีนช่วยในการทางาน ตัวอย่างเช่น ions
ดด้แก่ Mg ++, K+, Ca ++
่ เช่น organic molecules เมือ
่
cofactors อืนๆ
รวมกับ enzymes แล้วจะเป็ นเหมือน carrier
สาหร ับ chemical group หรือ eCoenzymes หลายชนิ ดมีขนาดใหญ่ ร่างกายดม่
สามารถสร ้างดด้ นอกจากการกิน vitamine เข้า
ดป ซึง่ vitamine หลายชนิ ด เช่น niacin, thamin
(vit B1), riboflavin, folate และ biotin เป็ นส่วน
่
NAD+ = nicotinamide adenine dinucleotide
NAD+
พบในเซลล ์
ทางานร่วมกับ enzyme โดยเป็ นตัวร ับ eในปฏิก ิรย
ิ า oxidation-reduction
Oxidation
H
R
C
OH
Dehydrogenase
R’ + NAD+
R
C
R’’ + NADH + H+
O
Reduction
NAD+ = oxidized coenzyme
NADH = reduced coenzyme
Cellular respiration
รวมหมายถึง 2 กระบวนการ คือ
Aerobic cellular respiration
Fermentation
Aerobic cellular respiration
่
เป็ นกระบวนการย่อยสารอาหาร เพือให้
ดด้ ATP และมี O2 เป็ นตัวร ับ e- ตัวสุดท้าย
Organic
compounds + Oxygen
(food)
CO2 + H2O + energy
่
แต่โดยทัวดป
cellular respiration จะ
อธิบายถึง Oxidation ของ glucose
6C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + energy
Fermentation
เป็ นกระบวนการย่อยสารอาหาร
่
เพือให้
ดด้ ATP โดยมี organic
compounds เป็ นตัวร ับ eเป็ น anaerobic process
เป็ นการย่อยสลาย glucose เพียง
บางส่วน ผลดด้ lactate (animal cell)
หรือ CO2 + alcohol (yeast)
ดด้ 2 ATP
Aerobic cellular respiration
ประกอบด้วย
Glycolysis
Krebs cycle
Electron transport chain (ETC) and
oxidative phosphorylation
Aerobic cellular respiration
่ างกายของเราเกิดการเผาผลาญ glucose ในเซลล ์
เมือร่
แล้ว ดด้ product ร่างกายทาอย่างดร
คนเราหายใน O2 เข้าดปในปอด และร ับประทานอาหาร
glucose ซึง่ O2 และ glucose เข้าดปในกระแสเลือด แล้ว
เข้าดปในเซลล ์
้ ่ cytoplasm ดด้ pyruvate
Glycolysis เกิดขึนที
Pyruvate เข้าดปใน mitochondria และถูกเผาผลาญ
ต่อดป จนดด้ CO2 + H2O + พลังงานในรู ป ATP
CO2 , H2O และ ATP แพร่ออกจาก mitochondria ดป
ยัง cytoplasm
 ATP ถูกนาดปใช้ประโยชน์ภายในเซลล ์ CO2 แพร่ออก
จากเซลล ์ เข้าดปในกระแสเลือด และหายใจออกดป ส่วน
H O จะถูกนาดปใช้ในเซลล ์
Glycolysis
่ ่ทผิ
โปรตีนทีอยู
ี่ วของ mitochondria จะขนส่ง
pyruvate เข้าดปใน mitochondria
Net: 2 Pyruvate
2C2O
2 Acetyl CoA + 2NADH
ออกจากเซลล ์
Krebs cycle
เกิดที่
mitochondria
matrix
ใน 2 Krebs cycle / 1 Glucose
2 Acetyl CoA
+ 6NADH2
4CO2
e- transport chain
+2 FADH2
+ 2 ATP (substrate level
phosphorylation)
The pathway of
electron transport
ETC ประกอบด้วย
electron carrier
molecules (ตัวร ับ e-)ที่
อยู ่ใน inner
mitochondrial
membrane
ตัวร ับ e- จะร ับเฉพาะ
e-
H+ จะถูกปล่อย
ออกมาและถูกส่งออกดป
ที่ intermembrane
O2 จะเป็ นตัวร ับ e- ตัว
สุดท้าย แล้วรวมกับ H+
กลายเป็ น- H2O +
½ O2 + 2e + 2H
H20
สรุปว่า
ETC ดม่ทาให้สร ้าง
ATP โดยตรง แต่ทาให้
่ ง
เกิด H+ gradient ทีผนั
ด้านในของ
่ าให้
mitochondria ซึงท
สะสมพลังงานมาก
่
พอทีจะท
าให้เกิด
phosphorylation
ATP synthase เป็ น
protein cmplex ทา
่ งเคราะห ์ ATP
หน้าทีสั
่
ซึงจะท
างานดด้โดยการ
ดหลผ่านของ H+
การสร ้าง ATP แบบนี ้
เรียกว่า Chemiosmotic
ATP synthesis
Electron transport chain and oxidative phosphorylation
Review: how each molecules of glucose yields many
ATP molecules during cellular respiration
Fermentation
(Backup ATP production)
Glycolysis
Pyruvate
Lactate (animal)
CO2 + alcohol (yeast)
่ ขึนอยู
้
หรือ อาจจะดด้ product อืนๆ
่ก ับ
่ ชวี ต
้
enzyme ในสิงมี
ิ นัน
ผลของ fermentation จะดด้ 2ATP
่ จาก fermantation จะถู ก
NADH ทีดด้
่
่
เปลียนเป็
น NAD+ เพือใช้
ใน glycolysis
ดด้
Alcohol fermentation (yeast)
Lactic acid fermentation (animal cell)
Pyruvate as a key junction in catabolism
ผลของ
Glycolysis คือ
่
pyruvate ซึงจะ
ถูกเผาผลาญ
ต่อดปด้วย
fermentation
หรือ aerobic
cellular
respiration
แล้วแต่วา
่ จะอยู ่
่ O2
ในภาวะทีมี
หรือดม่ สาหร ับ
่
เซลล ์ทีสามารถ
ถึงแม้วา
่ fermantation จะดด้พลังงานน้อย แต่กส
็ าคัญ
เพราะว่าทาให้ดด้ ATP อย่างรวดเร็ว ในร่างกายของเรา
่ างกาย
muscle cell จะเกิด fermentation มากในขณะทีร่
้ เช่น วิง่ fermentation เป็ น
ทางานหนักในระยะเวลาสัน
กระบวนการให้เกิด ATP และ lactate ใน muscle cell ใน
่ จานวนมากขึนท
้ าให้เกิดอาการเมือยล้
่
ตอนแรก เมือมี
า
่
่ างกายหายใจ
เนื่ องจากมีสภาพเป็ นกรดมาก เมือหยุ
ดวิงร่
่
้ lactate จะถู ก
แรงเป็ นการนาเอา O2 มาใช้เพิมมากขึ
น
่ บ และถู กเปลียนเป็
่
ส่งดปทีตั
น pyruvate
ในเซลล ์ของยีส ถ้ามี glucose จานวนมาก ยีสจะหายใจ
่ alcohol เพิม
่
แบบ anaerobic ดด้เป็ น alcohol เมือมี
้
จานวนมากขึนจะท
าให้ยส
ี ตายดด้
่ นพบกระบวนการ fermentation จึง
จากการทีค้
นามาใช้ประโยชน์ดด้มากมาย
The catabolism of
various food molecules
ร่างกายของเราดด้
พลังงานส่วนใหญ่จาก
fats, proteins,
disaccharides และ
่ น
polysaccharides ทีกิ
เข้าดป โมเลกุลเหล่านี ้
ถูกย่อยให้เป็ นโมเลกุล
่ กลงด้วย enzymes
ทีเล็
่
ซึงสามารถจะเข้
าดป
ในกระบวนการ
glycolysis หรือ Krebs
cycle ดด้
The control of
cellular respiration
่
ม
กลดกทีควบคุ
กระบวนการย่อย
สารอาหารให้ดด้พลังงาน
หรือการสังเคราะห ์ใน
ร่างกาย ส่วนใหญ่เป็ น
feedback inhibition
กระบวนการ Glycolysis
และ Krebs cycle ควบคุม
โดย
Phosphofructokinase
ปริมาณ ATP, ADP และ AMP มีผลต่อการ
ทางานของ Phosphofructokinase
ADP, AMP เป็ น allosteric activators ถ้ามี
มากจะเร่งการทางานของ enzyme ให้มาก มี
้
ผลให้ Glycolysis และ Krebs cycle เกิดมากขึน
้ ATP จะมีป ริมาณมากขึน
้
ด ังนัน
Citrate และ ATP เป็ น allosteric inhibitors
้
้
ถ้ามีมาก enzyme ต ัวนี จะท
างานน้อย ด ังนัน
glycolysis เกิดน้อย acetyl Co A จะมีป ริมาณ
น้อยด้วย
Photosynthesis
้
แบ่งออกเป็ น 2 ขันตอน
1. Light reactions
2. Calvin cycle
Light reactions:
้ ่ thylakoid membranes
เกิดขึนที
่
่
เป็ นกระบวนการทีเปลี
ยนพลั
งงานแสงดป
เป็ นพลังงานเคมีของ ATP และ NADPH
ให้ O2 ออกมาสู ่บรรยากาศ
Calvin cycle reactions:
้ ่ stroma
เกิดขึนที
่ CO2 สร ้างเป็ น sugur
เป็ นกระบวนการทีใช้
่ จาก Light reaction
โดยใช้พลังงานทีดด้
(ATP, NADPH)
ให้ ADP, P , NADP+กลับดปใช้ใน light
Comparison of aerobic cellular respiration
and photosynthesis
Differences:
Photosynthesis
Energy + 6CO2 + 6H2O
C6H12O6 +6O2
Aerobic cellular
respiration