พลังงานในสิ่งมีชีวิต

[CM4869]

พลังงานในสิ่งมีชีวิต
สิ่งมีชีวิตที่ใช้พลังงานแสงเพื่อการดำรงชีวิต เรียกว่า โฟโต
โทรฟ(Phototroph) หรือ Phototrophic organism ได้แก่ พืช
สาหร่าย และแบคทีเรียบางชนิด
สิ่งมีชีวิตที่ใช้พลังงานจากการรับสารเคมี(สารอินทรีย์)ต่าง
ๆ จากสิ่งแวดล้อมเรียกว่า เคโมโทรฟ (Chemotroph หรือ
Chemotrophic organism) ได้แก่ สัตว์ต่าง ๆ เห็ดรา และ
แบคทีเรียทั่ว ๆ ไป
พลังงานกระตุ้น (Activation energy) หมายถึง ปริมาณ
พลังงานจลน์ที่น้อยที่สุดที่ให้กับอนุภาคของสาร เพื่อให้
อนุภาคของสารมีแรงชนกันเพียงพอ ที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยา
เคมีขึ้น
พลังงานกระตุ้น (Activation energy) ทำให้เกิดการเปลี่ยน
แปลง 4 ประการ คือ
1. ทำให้อนุภาคของสารเคลื่อนที่เร็วขึ้นกว่าปกติ
2. เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่เร็วขึ้น โอกาสที่จะชนกันย่อมมีมาก
ขึ้น
3. อนุภาคเคลื่อนที่เร็วขึ้น โอกาสที่จะชนกันมากขึ้น
ตำแหน่งที่ไวต่อปฏิกิริยาย่อมมีโอกาสถูกชนมากขึ้นตามไป
ด้วย
4. เมื่อชนกันแรงมากขึ้นโอกาสที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงทาง
เคมีย่อมมากขึ้นด้วย
พลังงานส่วนใหญ่ที่สิ่งมีชีวิตใช้ได้มาจากการสลายสาร
อาหารด้วยกระบวนการทางเคมี พลังงานที่ได้จึงเป็น
พลังงานเคมี
เมตาโบลิซึม (Metabolism) หมายถึง กระบวนการเปลี่ยน
แปลงทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตโดยอาศัย
enzymeเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาให้เกิดได้เร็ว
คะตะลิสต์ (Catalyst) หมายถึง สารที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่ง
ปฏิกิริยาทางเคมี โดยหลังจากปฏิกิริยาสิ้นสุดแล้ว โครง
สร้างของมันเองไม่เปลี่ยนแปลง
ปฏิกิริยาเคมี 2 ประเภท คือ
1. ปฏิกิริยาคายพลังงาน (Exergonic reaction) หมายถึง
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแล้วจะปล่อยพลังงานออกมามากกว่า
พลังงานกระตุ้นที่ใส่เข้าไป
2. ปฏิกิริยาดูดพลังงาน (Endergonic reaction) หมายถึง
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแล้วจะปล่อยพลังงานออกมาน้อยกว่า
พลังงานกระตุ้นที่ใส่เข้าไป
เอนไซม์ (Enzyme) หมายถึง อินทรียสารจำพวกโปรตีน
ซึ่งเซลล์สังเคราะห์ขึ้นเพื่อช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ ในร่าง
กายเกิดขึ้นได้ง่าย
คุณสมบัติของเอนไซม์
1. เป็นอินทรียสารจำพวกโปรตีน มีโมเลกุลขนาดใหญ่
2. เป็นตัวเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาหรือเป็นตัวคะตะลิสต์
3. ทำปฏิกิริยากับสารเฉพาะอย่าง เช่น ไลเปสย่อยไขมัน ,
อะไมเลสย่อยแป้ง
4. ไม่เปลี่ยนแปลง ไม่สูญหาย และไม่เปลี่ยนสภาพหลังจาก
สิ้นสุดปฏิกิริยาแล้ว
โครงสร้างของเอนไซม์ ถือเป็นตัวกำหนดความเป็นคะตะ
ลิสต์ให้แก่สารเคมีชนิดใดชนิดหนึ่งคล้ายแม่กุญแจกับลูก
กุญแจ ต้องมีความเฉพาะเจาะจงกันจึงจะเกิดปฏิกิริยาเคมี
ขึ้นได้
5. ช่วงอุณหภูมิพอเหมาะที่เอนไซม์ทำงานได้ดีที่สุด
ในสัตว์ทั่ว ๆ ไป จะอยู่ประมาณ 35-40 องศาเซลเซียส
สำหรับพืชจะอยู่ประมาณ 50-60 องศาเซลเซียส
ช่วงความเป็นกรดเป็นด่างพอเหมาะที่เอนไซม์ทำงานได้ดี
ที่สุด โดยทั่วไปจะอยู่ประมาณ 6.0-7.5
6. มีปริมาณเพียงเล็กน้อยก็สามารถทำงานได้
- โคเอนไซม์ (Coenzyme) คือ กลุ่มสารอินทรีย์ซึ่งมี
วิตามิน B เป็นองค์ประกอบ ทำหน้าที่เป็นตัวนำ 2
ประเภท คือ
1. ตัวนำอิเล็กตรอน เช่น NAD+ , NADP+ , FAD
2. ตัวนำหมู่อื่น ๆ เช่น Coenzyme A , Biotin ฯลฯ
การทำงานของเอนไซม์
โมเลกุลที่เข้าเกาะกับเอนไซม์เพื่อให้เกิดการคะตะไลซ์ เรียก
ว่า ซับสเตรท (substrate) ที่ผิวของเอนไซม์ตำแหน่งที่ซับ
สเตรทเข้าเกาะเพื่อให้เกิดการคะตะไลซ์ เรียกว่า แอคทีฟ
ไซท์ (active site) ทำให้เกิดสารประกอบที่เรียกว่า เอนไซม์
ซับสเตรท
เอนไซม์ เปรียบเสมือนกุญแจ
ซับสเตรท เปรียบเสมือนแม่กุญแจต่อมาจะเปลี่ยนไปเป็น
ผลิตภัณฑ์
เอนไซม์ที่แร่งปฏิกิริยาชีวเคมีในการสลายตัวของ H2O2 คือ
เอนไซม์คะตะเลส (catalase)
สารเคมีที่สามารถให้ปฏิกิริยาที่มีเอนไซม์เป็นตัวเร่ง
ปฏิกิริยานั้นหยุดชะงักลงเรียกว่า ตัวยับยั้งเอนไซม์
(Inhibitor) ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายซับสเตรท จะเข้าจับ
เอนไซม์ที่ที่แอกทีฟไซท์ ทำให้เอนไซม์ไม่สามารถจับกับ
ซับสเตรทได้ปฏิกิริยาจึงหยุดชะงักลง
- เอนไซม์ไคโมทริปซิน (Chymotrypsin) จะสลายพันธะ
ของโมเลกุลของโปรตีนที่พันธะฟีนิลอะลานีน
- เอนไซม์ทริปซิน (Trypsin) จะสลายพันธะของไลซีน
- ปาเปน (papain) เป็นเอนไซม์ที่ใช้ย่อยโปรตีนในเนื้อ
สัตว์ ทำให้เนื้อนุ่ม เอนไซม์นี้สามารถพบได้ในยาง
มะละกอ
- โปรมีเลน (bromelain) เป็นเอนไซม์ที่พบในน้ำ
สับปะรด
- อะไมเลส (amylase) เป็นเอนไซม์ที่พบในเมล็ดพืชที่
กำลังงอก ทำหน้าที่ย่อยแป้งในเมล็ด ใช้ในการเจริญเติบโต
ของต้นอ่อนขณะกำลังงอก
พลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะเคมี เรียกว่า พลังงานพันธะ
(bond energy)
พันธะเคมี คือ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมต่างชนิดกันหรือ
ชนิดเดียวกันทำให้ธาตุรวมกันเป็นโมเลกุล มีหลายประเภท
คือ
พันธะอิออนิก (Ionic bond) คือ พันธะที่เกิดจากแรงดึง
ดูดระหว่างอิออนที่มีประจุบวก กับอิออนที่มีประจุลบ
พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) คือ พันธะที่เกิดจาก
แรงดึงดูดระหว่างอะตอมของธาตุไฮโดรเจน(มีประจุบวก)
ในโมเลกุลหนึ่งกับอะตอมซึ่งมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงและมี
ขนาดเล็กในอีกโมเลกุลหนึ่ง
ถ้าพลังงานสลายพันธะ<พลังงานสร้างพันธะ แสดงว่า
ปฏิกิริยาเคมีดังกล่าวเป็น ปฏิกิริยาคายความร้อน
ถ้าพลังงานสลายพันธะ>พลังงานสร้างพันธะ แสดงว่า
ปฏิกิริยาเคมีดังกล่าวเป็น ปฏิกิริยาดูดพลังงาน
อะตอมของแต่ละธาตุประกอบด้วยนิวตรอน โปรตอน
และอิเล็กตรอน ซึ่งมีจำนวนเท่ากับโปรตอน แต่เคลื่อนที่
รอบ ๆ นิวเคลียสที่ระดับต่างกัน
ปฏิกิริยาที่มีการสูญเสีย e- เรียกว่า ปฏิกิริยาออกซิเดชัน
(oxidation)
ปฏิกิริยาที่มีการรับ e- เรียกว่า ปฏิกิริยารีดักชัน (reduction)
ATP เป็นอินทรียสารที่มีพลังงานสูง ได้มาจากกระบวน
การหายใจ และกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
ATP ประกอบด้วย เบส 1 โมเลกุล (อะดินิน) + น้ำตาล
(ไรโบส) + หมู่ฟอสเฟส 3 หมู่
แสดงโครงสร้าง ATP

กระบวนการที่ ADP + Pi ATP เรียกว่า ฟอสโฟริเลชัน
(Phosphorylation) การสร้าง ATP ต้องใช้พลังงาน 7.3 K cal
(ต่อการสร้าง ATP 1 โมเลกุล)
กระบวนการสลาย ATP เพื่อให้ได้พลังงานออกมาใช้ใน
กิจกรรมต่าง ๆ ของเซลล์ เรียกว่า ไฮโดรลิซิส (Hydrolysis)

ปฏิ กิริยารีดอกซ์ เป็นปฏิกิริยาที่ประกอบด้วย 2 ปฏิกิริยาย่อย คือ
ปฏิกิริยารีดักชันกับปฏิกิริยาออกซิเดชัน
ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation reaction) หมายถึงปฏิกิริยาที่สารเสียอิเล็กตรอน หรือหมายถึงปฏิกิริยาที่สารมีการเพิ่มเลยออกซิเดชัน
ปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction reaction) หมายถึงปฏิกิริยาที่สารรับอิเล็กตรอน หรือหมายถึงปฏิกิริยาที่สารมีการลดเลขออกซิเดชัน
การพิจารณาว่าปฏิกิริยาใดเป็นปฏิ กิริยารีดอกซ์หรือไม่ อาจพิจารณาได้ง่าย ๆ ดังนี้
1. ปฏิกิริยาที่มีธาตุอิสระเป็นสารตั้งต้นหรือเป็นสารผลิตภัณฑ์จะเป็นปฏิกิริยา รีดอกซ์ (ปฏิกิริยาสันดาป และปฏิกิริยาสังเคราะห์แสงเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์)
2. ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์ไฟฟ้าเคมีทุกชนิดเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์
3. ปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมในร่างกายเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์
4. ปฏิกิริยาที่มีธาตุแทรนซิชันร่วมอยู่ด้วยมักจะเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์
ตัวรี ดิวซ์ (Reducer or Reducing agent or Reductant) คือ สารที่ทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอนแก่สารอื่น ดังนั้นตัวรีดิวซ์จึงมีเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น
ตัวออก ซิไดซ์ (Oxidizer or Oxidizing agent or Oxidant) คือ สารที่ทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนจากสารอื่น ดังนั้นตัวออกซิไดซ์จึงมีเลขออกซิเดชันลดลง
ข้อสังเกต
1. อโลหะอิสระมักจะเป็นตัวออกซิไดซ์ เพราะอโลหะชอบรักอิเล็กตรอน
2. โลหะอิสระจะเป็นตัวรีดิวซ์ เพราะโลหะเสียอิเล็กตรอนได้ง่าย
3. สารประกอบที่มีธาตุออกซิเจนเป็นองค์ประกอบมากกว่ามักจะเป็นตัวออกซิไดซ์ ส่วนสารที่มีออกซิเจนน้อยกว่า หรือไม่มีเลยมักจะเป็นตัวรีดิวซ์
4. ไอออนบวกมักจะเป็นตัวออกซิไดซ์ ส่วนไอออนลบมักจะเป็นตัวรีดิวซ์
การหายใจระดับเซลล์
กระบวนการหายใจระดับเซลล์เป็นการผลิตพลังงานจากสารอาหารที่เซลล์ได้รับ พลังงานที่ได้จะสะสมอยู่ใน รูปของพลังงานพันธะ เมื่อเซลล์ต้องการใช้พลังงาน ก็จะสลายพันธะดังกล่าวเพื่อปลดปล่อยพลังงานออกมา ใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ ของเซลล์ เช่น การนำสารบางชนิดเข้าสู่เซลล์, การเคลื่อนที่ เป็นต้น
สารอินทรีย์ที่สามารถสร้างพันธะเพื่อสะสมพลังงานได้มีหลายชนิด แต่สารอินทรีย์ที่สำคัญมากที่สุดที่ใช้ใน การสะสมพลังงานในสิ่งมีชีวิตคือ ATP (ADENOSINETRIPHOSPHATE) ชื่อของสารอินทรีย์บอกให้เรา ทราบว่าสารนี้ประกอบด้วยหมู่ฟอสเฟต 3 หมู่ (TRI = 3) การสลายพันธะระหว่างหมู่ฟอสเฟตจะเป็น การปลอดปล่อยพลังงานที่สะสมอยู่ในพันธะออกมา ในทางกลับกันการสร้างพันธะเหล่านี้ก็ต้องอาศัย พลังงานเช่นกัน (ดูรูปที่ 1)


เนื่องจาก ATP มีความสำคัญมากในการสร้างพลังงานภายในเซลล์ เซลล์จึงต้องสร้าง ATP ขึ้นมาใหม่ ตลอดเวลา ถ้าเราให้ร่างกายของคนเราประกอบด้วยเซลล์ประมาณ 20-30 ล้านล้านเซลล์ แต่ละเซลล์ จะต้องสลาย ATP ประมาณ 1-2 พันล้านโมเลกุล ให้เป็น ADP ทุก ๆ นาที หรือเทียบเท่ากับน้ำหนัก ถึงประมาณ 40 กิโลกรัมต่อวัน! เพื่อให้เราสามารถดำรงชีวิตได้อย่างปกติสุข ดังนั้นเซลล์จะต้องสร้าง ATP ขึ้นมาใหม่ ADP ที่เป็นผลจากการสลาย ATP จึงจะสามารถสร้าง ATP ได้พอกับความต้องการ
สารอินทรีย์อีกชนิดที่คล้ายคลึงกันคือ GTP (GUANOSINE TRIPHOSPHATE) ก็สามารถสะสม พลังงานในรูปของพลังงานพันธะและสามารถถ่ายทอดพลังงานนี้ไปยัง ATP ได้อีกด้วย (1 โมเลกุล GTP จะสามารถสร้าง ATP ได้ 1 โมเลกุล)
นอกจากนี้ยังมีสารอินทรีย์อีกพวกหนึ่ง สามารถเก็บสะสมพลังงานจากสารอาหารในรูปของอิเล็กตรอน ซึ่งจะสามารถปล่อยพลังงานที่สะสมไว้ออกมา เมื่อมีการถ่ายเทอิเล็กตรอนไปยังตัวรับอิเล็กตรอนอื่น ๆ พลังงานเหล่านี้จะถูกนำไปใช้สังเคราะห์ ATP เพื่อสะสมพลังงานไว้ใช้ต่อไป สารเหล่านี้ได้แก่ NAD+ (NICOTINAMIDE ADENINE DINUCLEOTIDE) และ FAD (FLAVIN ADENINE DINUCLEOTIDE) ในการรับอิเล็กตรอนของ NAD+ และ FAD นั้นมักมีการรับโปรตอน (H+) มาด้วย ทำให้โมเลกุลของสารทั้งสองตัวที่รับอิเล็กตรอนมาแล้วอยู่ในรูปของ NADH (ดูรูปที่ 2) และ FADH2 ตามลำดับ


การสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงานนั้นเซลล์ต้องใช้กระบวนการซับซ้อนเพื่อค่อย ๆ ปล่อยพลังงาน ออกมาอย่างช้า ๆ เซลล์จึงจะสามารถนำพลังงานเหล่านั้นไปเก็บสะสมในรูปของ ATP ได้อย่างมี ประสิทธิภาพ และถึงกระนั้นก็ตามพลังงานจำนวนมากก็สูญเสียไปในรูปของความร้อน ดังนั้นถ้าการปล่อย พลังงานของสารอาหารในสิ่งมีชีวิตเป็นไปอย่างรวดเร็ว นอกจากอาจทำให้เซลล์ได้รับพลังงานลดลงแล้ว อาจเกิดความร้อนสูงเกินไปจนเป็นอันตรายต่อเซลล์
สารอาหารที่ถูกใช้เป็นตัวอย่างในการศึกษาการสลายสารอาหาร คือ น้ำตาลกลูโคส การสลายน้ำตาลกลูโคส จะต้องอาศัยกลุ่มของปฏิกิริยา 3 กลุ่ม คือ ไกลโคลิซิส (GLYCOLYSIS), การสร้างแอซีติลโคเอนไซม์ เอ และ วัฏจักรเครบส์


ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการย่อยสลายกลูโคส คือ พลังงาน, คาร์บอนไดออกไซด์, น้ำและสารอื่น ๆ ที่ได้จาก การนำเอาสารในกระบวนการย่อยสลายไปสังเคราะห์ขึ้น การคำนวณหาพลังงานที่ได้อาจพิจารณาจาก แผนภาพง่าย ๆ นี้ (ดูรูปที่ 4)


จะเห็นได้ว่าในการย่อยสลายกลูโคสจะได้พลังงานในรูปของ ATP และ GTP จำนวนหนึ่ง ส่วนพลังงานที่เก็บ ในรูปของอิเล็กตรอนใน NADH และ FADH2 นั้น จะถูกเปลี่ยนเป็น ATP โดยการถ่ายทอดอิเล็กตรอนไปยัง ตัวรับอิเล็คตรอนต่าง ๆ หรือที่เรียกว่า ออกซิเดทีพฟอสโฟริเลชั่น (OXIDATIVE PHOSPHORYLATION) ดังนี้ (ดังรูปที่ 5)


จากแผนภูมิข้างต้นทำให้เราสามารถสรุปได้ว่า NADH1 โมเลกุลเมื่อถ่ายทอดอิเล็กตรอนแล้วจะปลดปล่อย พลังงานเพียงพอสำหรับการสังเคราะห์ ATP 3 โมเลกุล ส่วน FADH2 ให้เพียง 2 ATP เท่านั้น แต่เนื่องจาก ว่าการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะเกิดในไมโทคอนเดรีย (MITOCHONDRIA) เท่านั้น ดังนั้น NADH ที่เกิดจาก ไกลโคลิซิส ในส่วนที่เรียกว่า ไซโทพลาซึม (CYTOPLASM) ของเซลล์ จะต้องถูกนำเข้าสู่ไมโทคอนเดรีย เพื่อ ถ่ายทอดอิเล็กตรอน ในเนื้อเยื่อหัวใจ ตับ และไต NADH จะส่งโปรตอนและอิเล็กตรอนไปยัง NAD+ ที่อยู่ ภายในไมโทคอนเดรียด้วยกระบวนการที่ซับซ้อน NADH ที่เกิดขึ้นในไมโทคอนเดรีย จะถูกเปลี่ยนให้เป็น ATP โดยการถ่ายทอดอิเล็กตรอนผลลัพธ์ของการถ่ายเทอิเล็กตรอนจึงเท่ากับ 3 ATP ตามเดิม ส่วนในเนื้อเยื่อ กล้ามเนื้อลายสมอง และกล้ามเนื้อที่ใช้ในการบินของแมลง NADH จะส่งโปรตอนและอิเล็กตรอนไปยัง FAD จึงได้พลังงานเพียง 2 ATP
ด้วยเหตุผลที่กล่าวมาแล้วผลรวมของการย่อยสลายกลูโคสในเนื้อเยื่อ หัวใจ ตับ และไตจึงอาจมีค่าเท่ากับ
6 ATP - 2 ATP + 3(10ATP) + 2(2ATP) = 38 ATP
ส่วนในเนื้อเยื่อ กล้ามเนื้อลาย สมอง และกล้ามเนื้อที่ใช้ในการบินของแมลงจะมีค่าเท่ากับ
6 ATP - 2 ATP + 2(2ATP) + 3(8ATP) + 2(2ATP) = 36 ATP
ในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนนั้นจะสังเกตได้ว่า ออกซิเจนจะเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย นั่นแสดงให้เห็น ว่าการที่ร่างกายของเราหายใจเอาออกซิเจนเข้าไปนั้น ก็เพื่อไปใช้ในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนนั่นเอง และเมื่อ เราหายใจออกก็เป็นการถ่ายเทเอาของเสียคือ คาร์บอนไดออกไซด์ ที่ได้จากการย่อยสลายสารอาหารออกมา (ในช่วงวัฏจักรเครบส์) เราจึงเรียกการหายใจระดับเซลล์แบบนี้ว่า การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic respiration)