เรื่องที่  6  การสลายสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic  respiration)

 

จุดประสงค์การเรียนรู้

1.   อภิปราย  และสรุปปฏิกิริยาการสลายสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน

 

               นักเรียนสงสัยหรือไม่ว่าเซลล์นำสารอาหารไปใช้ในการผลิตพลังงานให้แก่เซลล์ได้อย่างไร

การสลายสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic  respiration)

                การหายใจ(Respiration) คือกระบวนการสลายสารอาหาร เช่น  คาร์โบไฮเดรต  ไขมันและโปรตีน  โดยอาศัยการควบคุมของเอนไซม์ภายในเซลล์

การหายใจแบบใช้ออกซิเจน  เป็นกระบวนการสร้าง ATP จากโมเลกุลของกลูโคสได้มากที่สุดถึง  36 -38  โมเลกุล  หรือมากกว่าต่อกลูโคส  1  โมเลกุล

การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic  respiration) เป็นการสลายสารอาหารโดยใช้ออกซิเจนเข้าร่วมปฏิกิริยา  ประกอบด้วย  4  ขั้นตอน  คือ

1.    ไกลโคลิซีส (Glycolysis)

2.   การสร้างอะซิติลโคเอนไซม์ เอ  หรือการออกซิเดชัน  กรดไพรูวิก (Pyruvate 

oxidation หรือ  pyruvate  dehydrogenase  complex  pathway)

3.  วัฏจักรเครบส์ (Krebs  cycle)

4.  การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron  transport  system)

 

 

                               ภาพที่  6.1  แสดงตำแหน่งที่เกิดขั้นตอนทั้ง 4  ขั้นตอนของการสลายสารอาหารระดับเซลล์

                               ที่มา : www.dwm.ks.edu.tw

 

1.        ไกลโคลิซีส (Glycolysis)

กระบวนการนี้มีชื่อเรียกอีกชื่อว่า  EMP Pathway ซึ่งเรียกตามชื่อของผู้ริเริ่มศึกษา

กระบวนการนี้  3  คน  คือ Emden, Meyerhof, Parnas  กระบวนการไกลโคลิซีสเป็นกระบวนการสลายน้ำตาลกลูโคส (C6H12O6)  ซึ่งมีคาร์บอน  6  อะตอมไปเป็นกรดไพรูวิก (C3H4O3)  ซึ่งมีคาร์บอน  3  อะตอม  จำนวน   2  โมเลกุล เกิดที่ไซโทพลาสซึมของเซลล์ที่เรียกว่าไซโทซอล (Cytosol)  มีหลายขั้นตอนแต่ละขั้นตอนมีเอนไซม์ต่างชนิดกันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา 

                เริ่มต้นด้วยการเติมหมู่ฟอสเฟตให้กลูโคส  ทำให้กลูโคสมีค่าพลังงานศักย์สูงขึ้น  ในการฟอสโฟรีเลชันกลูโคส  1  โมเลกุล  ต้องใช้พลังงาน  2   ATP

                ฟอสโฟรีเลชัน  หมายถึง  การรวมตัวของหมู่ฟอสเฟต (Pi) กับสารแล้วทำให้สารนั้นมีค่าพลังงานศักย์สูงขึ้น  เช่น

                                ADP   +  Pi     "      ATP

                                กลูโคส   +  Pi    "      กลูโคส- Pi

                พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการสลายกลูโคสไปเป็นกรดไพรูวิก  สามารถสังเคราะห์  ATP  ได้  4  โมเลกุล  และไฮโดรเจนที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีค่าพลังงานศักย์สูงอีก  4  อะตอม  โดยมี  NAD  มารับโปรตอนและอิเล็กตรอน  เนื่องจากอะตอมของไนโตรเจนมีประจุบวก  จึงเขียน  NAD+ โดย  1  โมเลกุลของ NAD+  รับไฮโดรเจนได้  2  อะตอม  และรับอิเล็กตรอนได้  2  อะตอม

ดังนี้

NAD+    +  2H+   +  2e-     "      NADH  + H+

 

NADH  +  H+ เป็นสารรีดิวซ์  เพราะได้รับอิเล็กตรอน  ถ้าสูญเสียอิเล็กตรอนพร้อมไฮโดรเจน  2  อะตอมจะกลายเป็น  NAD+   

 

 

ภาพเคลื่อนที่ 6.1 แสดงขั้นตอนของไกลโคลิซีส

 

 

               

 

                                                 ภาพที่  6.2    แสดงขั้นตอนการสลายน้ำตาลให้เป็นกรดไพรูวิก

 

สมการรวบยอดในปฏิกิริยาไกลโคลิซีส

C6H12O6  +  2 ADP  +  2Pi  +  2 NAD+   "   2 C3H4O3  + 2ATP  + 2NADH  +  H+  

               

สรุปลักษณะกระบวนการและผลลัพธ์สำคัญของไกลโคลิซีส

1.        ไกลโคลิซีสเป็นกระบวนการสลายกลูโคสให้กลายเป็นกรดไพรูวิก (Pyluvic acid: C3H4O3) หรือไพรูเวต(Pyluvate) ซึ่งมีคาร์บอน  3 อะตอม  2  โมเลกุล

2.     เกิดขึ้นในไซโทพลาสซึมของเซลล์สิ่งมีชีวิตทุกชนิดทุกสภาวะไม่ว่าจะใช้ O2 หรือไม่ใช้ O2 หายใจก็ตาม

3.     ถ้าเริ่มจากกลูโคส ( C6H12O6 )   1  โมเลกุล  จะได้ผลลัพธ์ที่สำคัญ  คือ

        3.1   ได้กรดไพรูวิก  2  โมเลกุล (2 C3H4O3 )  

3.2   เกิด ATP  จากกระบวนการ  4  ATP  ใช้ในการฟอสโฟรีเลชันไป  2 ATP  เพราะฉะนั้นจึงได้พลังงานสุทธิ  2  ATP

3.3   เกิดไฮโดรเจน (H)  4  อะตอม  โดยมี  NAD+ มารับ

2 NAD+   +  4 H+   +  2e-       "      2 NADH  +  H+

 

2.  การสร้างอะซิติลโคเอนไซม์ เอ  หรือการออกซิเดชันกรดไพรูวิก (Pyruvate  oxidation

หรือ  Pyruvate  dehydrogenase  complex  pathway)

                      ขั้นตอนนี้เป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างไกลโคลิซีสกับวัฎจักรเครบส์  มีกรดไพรูวิกเป็นสารตั้งต้นเกิดขึ้นที่

ของเหลวในไมโทคอนเดรีย  โดยกรดไพรูวิกแต่ละโมเลกุลจะทำปฏิกิริยากับโคเอนไซม์ เอ (Co-enzyme  A)ได้เป็น

อะซิติลโคเอนไซม์ เอ (Acetyl Co A) ซึ่งแต่ละโมเลกุลมีคาร์บอน  2 อะตอม และคาร์บอนไดออกไซด์  1โมเลกุล และมีการปล่อยไฮโดรเจน  2  อะตอม  โดยมี NAD+ (ตัวนำอิเล็กตรอน)  มารับและเปลี่ยนไปเป็น NADH  +  H+ แล้วเข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

 

 

ภาพเคลื่อนที่ 6.2 แสดงขั้นตอนของการสร้างอะซิติลโคเอนไซม์ เอ 

 

 

                         ภาพที่  6.3   แสดงขั้นตอนกรดไพรูวิกทำปฏิกิริยากับโคเอนไซม์เอได้เป็นแอซีติลโคเอนไซม์เอ

                         ที่มา  : http://www.micro.siu.edu/micr201/images/PyruvateDhase

 

 

สมการรวบยอดในปฏิกิริยาขั้นตอนนี้

          2 C3H4O3   +  2 NAD+ +2 Coenzyme A  "  2 C2H3O  - S – Co A   +  2NADH  +  H++   2CO2                                                       

                                           

สรุปลักษณะกระบวนการและผลลัพธ์สำคัญในการสร้างอะซิติลโคเอนไซม์  เอ

1.        กรดไพรูวิกแต่ละโมเลกุลจะถูกเปลี่ยนเป็นอะซิติลโคเอนไซม์  เอ  โดยกลุ่มของเอนไซม์  Pyruvate  dehydrogenase  complex

2.        ปฏิกิริยาการเปลี่ยนกรดไพรูวิกแต่ละโมเลกุล  ไปเป็นอะซิติลโคเอนไซม์  เอ  นี้  ได้ผลลัพธ์ที่สำคัญ  คือ

                   2.1  เกิดคาร์บอนไดออกไซด์  1  โมเลกุล  จากแต่ละปฏิกิริยา  กลูโคส  1  โมเลกุล  ทำให้ได้กรดไพรูวิก 

                           2  โมเลกุล  เพราะฉะนั้นจึงได้ผลลัพธ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์รวมทั้งสิ้น  2  โมเลกุล/  1  โมเลกุลของ

                           กลูโคส

    2.2  เกิดไฮโดรเจน  2  อะตอม  จากแต่ละปฏิกิริยา  ซึ่งรวมกับ NAD+   กลายเป็น  NADH +  H+  1  โมเลกุล

            เริ่มต้นจากกลูโคส  1  โมเลกุล  ได้กรดไพรูวิก  2  โมเลกุล เพราะฉะนั้นจึงได้ไฮโดรเจนทั้งสิ้น

           4  อะตอม   หรือ NADH  + H+    2  โมเลกุล

 

3.   วัฏจักรเครบส์ (Krebs  cycle)

         วัฏจักรเครบส์ (Krebs  cycle) ตั้งตามชื่อของเซอร์  ฮันส์  เครบส์  (Sir  Hans  Krebs)

นักเคมีชาวอังกฤษเป็นผู้ค้นพบวัฏจักรนี้ในปี  ค.ศ.  1934  วัฏจักรนี้ยังมีชื่อเรียกอย่างอื่นอีก  เช่น วัฏจักรของกรดซิตริก (Citric  acid  cycle)  หรือวัฏจักรของกรดไทรคาร์บอกซิลิก (Tricarboxylic  acid  cycle  = TCA  cycle)  ปฏิกิริยาในช่วงนี้มีลักษณะเป็นวัฏจักรเกิดขึ้นบริเวณเมทริกซ์ (Matrix) ของไมโทคอนเดรีย   ต้องอาศัยเอนไซม์และโคแฟกเตอร์หลายชนิด  ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างสารพลังงานสูงให้กับเซลล์จำนวนมาก

เริ่มวัฏจักรเครบส์ดังนี้อะซิติลโคเอนไซม์ เอ 1 โมเลกุล ทำปฏิกิริยากับ H2O  แล้วโคเอนไซม์  เอ  จะแยกเป็นอิสระ จะเหลือสารที่มีคาร์บอน  2 อะตอม (C2H4O2) สารที่มีคาร์บอน  2 อะตอม  จะทำปฏิกิริยากับสารที่มีคาร์บอน  4  อะตอม คือกรดออกซาโลอะซิติก (Oxaloacetic  acid)  ซึ่งมีอยู่แล้วภายในเซลล์  ได้เป็น  กรดซิตริก  ซึ่งมีคาร์บอน  6  อะตอม 

 ต่อมากรดซิตริกจะสลายตัวเป็นสารที่มีจำนวนคาร์บอน 5  อะตอมคือกรดแอลฟาคีโตกลูตาริก (α Ketoglultaric  acid  )  โดยให้ CO2 ออกมา  1 โมเลกุล  และให้ไฮโดรเจน  ออกมา  2 อะตอม  โดยสารที่มารับ H+ อะตอม  คือ  NAD+  

NAD+   +  2H+   +  2e-     "    NADH  +  H+                                     

กรดแอลฟาคีโตกลูตาริกทำปฏิกิริยากับน้ำ  แล้วสลายตัวให้สารที่มีคาร์บอน  4  อะตอมคือกรดซักซินิก (Succinic  acid)  โดยให้ CO2 ออกมา  1 โมเลกุล  และให้ไฮโดรเจน  ออกมา  2 อะตอม  โดยมี  NAD+  มารับ  กลายเป็น  NADH  +  H+ มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาสร้าง  GTP  ได้  1  โมเลกุล  (เทียบเท่ากับ  ATP   1  โมเลกุล)

กรดซักซินิก จะเปลี่ยนเป็นกรดฟูมาริก(Fumaric) ให้ไฮโดรเจน  ออกมา  2 อะตอม  โดยมี  FAD  มารับ  กลายเป็น  FADH2  

FAD   +  2H+   +  2e-     "        FADH2

กรดฟูมาริกทำปฏิกิริยากับน้ำ  ได้สารที่มีคาร์บอน  4 อะตอม  คือ  กรดมาลิก(Malic acid)

กรดมาลิกจะเปลี่ยนเป็นกรดออกซาโลอะซิติกโดยปล่อยไฮโดรเจน  ออกมา  2 อะตอม  และมี  NAD+  มารับ  กลายเป็น  NADH  +  H+   ดังวัฏจักรต่อไปนี้

 

 

 

                                ภาพที่  6.4  วัฏจักรเครบส์  หรือวัฏจักรของกรดซิตริกแสดงขั้นตอนการเกิดสารต่าง ๆ

                               ที่มา  : http://www.micro.siu.edu/micr201/images/PyruvateDhase

 

 

ภาพเคลื่อนที่ 6.3 แสดงขั้นตอนของวัฏจักรเครบส์

 

สมการรวบยอดในวัฏจักรเครบส์

 

2CH3COSCoA + 6 NAD++ 2FAD + 2GDP + 2Pi + 6H2O    "       4 CO2 + 6NADH + 6H+  + 2FADH2  + 2GTP + 2CoASH

 

สรุปลักษณะกระบวนการและผลลัพธ์สำคัญของวัฏจักรเครบส์

1.    เกิดขึ้นที่ของเหลว (Matrix) ในไมโทคอนเดรีย 

2.     ผลลัพธ์ที่สำคัญของปฏิกิริยามีดังนี้ (เริ่มต้นจากลูโคส 1โมเลกุลหรืออะซิติลโค  เอ  2 โมเลกุล)

2.1   เกิดพลังงานอิสระเก็บไว้ในรูปของGTP (Guanosine  triphosphate)  2  โมเลกุล เมื่อถูก

         ไฮโดรลิซีสแล้วจะให้พลังงานออกมาเท่ากับ  1 ATP  จึงอาจถือว่าให้พลังงานเท่ากับ  2  ATP  ได้

2.2   เกิดไฮโดรเจน  16  อะตอม  

      โดย  H  12  อะตอม  มี  NAD+   มารับกลายเป็น 6 (NADH  +  H+)

       และ  H   4  อะตอม    มี  FAD  มารับกลายเป็น  2 FADH2                          

       โมเลกุล NADH +  H+ และ FADH2 ที่เกิดขึ้นทั้งหมดจะถูกส่งเข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน  เพื่อออกซิเดชันให้ได้  ATP  ต่อไป

2.3   เกิด  CO2 ทั้งสิ้น  4  โมเลกุล  

 

                            ตารางที่ 6.1  สรุปผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ในแต่ละขั้นตอนของการสลายกลูโคส  1  โมเลกุล

ขั้นตอน

ผลิตภัณฑ์

CO2

ATP

NADH

FADH2

Glycolysis

0

2

2

0

Acetyl  Co  A  synthesis

2

0

2

0

Krebs  cycle

4

2

6

2

สรุปรวมผลิตภัณฑ์ทั้งหมด

6

4

10

2

 

4.        การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron  transport  system หรือ ETS)

การถ่ายทอดอิเล็กตรอน หรือลูกโซ่การหายใจเกิดขึ้นที่เยื่อชั้นในของไมโทคอนเดรียหรือ

คริสตี (Cristae) จะเกิดควบคู่กันไปทุกขั้นตอน  คือถ้ามีไฮโดรเจนเกิดขึ้นในทุกกระบวนการ  ไฮโดรเจนจะถูกส่งเข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนทันที   ในการสังเคราะห์ ATP อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากโมเลกุลของสารอาหารจะมีสารมารับอิเล็กตรอน  เรียกว่า  ตัวนำอิเล็กตรอน (Electron  carrier)  แล้วถ่ายทอดไปยังตัวนำอิเล็กตรอนตัวอื่นขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอน จะมีพลังงานปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอน  พลังงานเหล่านั้นนำไปสังเคราะห์  ATP  กระบวนการนี้จึงเกี่ยวข้องกับสาร  2  ประเภท  คือ

1.  สารที่เป็นตัวนำอิเล็กตรอน

2.  สารที่เป็นตัวรับพลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

สารที่เป็นตัวนำอิเล็กตรอน

                ในการสลายโมเลกุลของสารอาหาร  อิเล็กตรอนจะหลุดออกมาจากโมเลกุลของสารอาหารพร้อมด้วยโปรตอนในรูปอะตอมของไฮโดรเจน  ตัวนำอิเล็กตรอนบางชนิดสามารถรับอิเล็กตรอนพร้อมด้วยโปรตอน  แต่ตัวนำอิเล็กตรอนบางชนิดรับเฉพาะอิเล็กตรอน  ไม่ว่าจะเป็นการรับในรูปของอะตอมไฮโดรเจนหรือรับเฉพาะอิเล็กตรอนก็ตาม  การรับอิเล็กตรอนทำให้ตัวอิเล็กตรอนถูกรีดิวซ์  เช่น  สารที่เป็นตัวนำอิเล็กตรอน  คือ  นิโคตินาไมด์  อะดีนีน  ไดนิวคลีโอไทด์ (NAD+ )สามารถรับได้ทั้งโปรตอนและอิเล็กตรอน   ดังสมการ

NAD+  +  2H+   + 2e-      "      NADH  +  H+

ฟลาวิน  อะดีนีน  ไดนิวคลีโอไทด์ (FAD)  รับได้ทั้งโปรตอนและอิเล็กตรอน  ดังสมการ

FAD   +  2H+   +  2e-     "  FADH2 

                ระบบไซโตโครม (Cytochrome)  ทั้งหมด  รับได้เฉพาะอิเล็กตรอน  โดยเฉพาะออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายแล้วเกิดเป็นน้ำขึ้น

                                2H+  +   2e-   + O2     "       H2O

                ตัวกลางรับและถ่ายทอดอิเล็กตรอนในกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน  เรียงตามลำดับ  คือ

NAD+   "FAD "   Cytochrome b "  Cytochrome c  "  Cytochrome a  "   O2

 

 

 

                                   ภาพที่  6.5  แสดงขั้นตอนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน หรือลูกโซ่การหายใจ

                                  ที่มา  : http://www.classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio2

 

 

สารที่เป็นตัวรับพลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

                สารที่เป็นตัวรับพลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอน คือ  ADP  +Pi   "ATP

                ระบบการถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron  transport  system  :  ETS)  หรือลูกโซ่การหายใจ(Respiration  chain)  NADH  +  H+ และ  FADH2 ในสภาพรีดิวซ์ซึ่งเป็นตัวรับอิเล็กตรอนและไฮโดรเจนจากการสลายกลูโคส  ตั้งแต่ขั้นไกลโคลิซีสถึงวัฏจักรเครบส์  NADH  +  H+ และ  FADH2 จะถ่ายทอดอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนไปยังตัวรับอิเล็กตรอนตัวอื่นๆ คือโคเอนไซม์ Q (Co.Q) ไซโตโครม b ไซโตโครม c ไซโตโครม a - a 3  และแก๊สออกซิเจนตามลำดับ  ในขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะมีการปล่อยพลังงานออกมาด้วย  ซึ่งพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาถ้าหากเกิน  7.3  กิโลแคลอรี/โมล  ก็สามารถสังเคราะห์  ATP  จาก  ADP  และ  Pi  ได้   จากการศึกษาพบว่าการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจาก  NADH  +  H+  " FADH2   จะมีพลังงานออกมา  12.2   กิโลแคลอรี/โมล  จึงสร้าง  ATP  ได้ เช่นเดียวกันการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจาก Cytochrome b "  Cytochrome c  มีการปลดปล่อยพลังงานออกมา  9.9   กิโลแคลอรี/โมล  และจาก Cytochrome a  " Cytochrome a 3 ไปยังแก๊สออกซิเจนมีปล่อยพลังงานออกมาถึง 23.8   กิโลแคลอรี/โมล  ดังนั้นจึงสามารถสังเคราะห์ ATP  จาก  ADP และ  Pi ได้เช่นกัน  พลังงานที่เหลือจากการสังเคราะห์  ATP  ก็จะปลดปล่อยออกมาในรูปของพลังงานความร้อน  ทำให้ร่างกายอบอุ่นอยู่ตลอดเวลา

                การถ่ายทอดอิเล็กตรอนเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน  กล่าวคือมีทั้งการให้และการรับอิเล็กตรอนเกิดขึ้น

                ถ้าNAD+ เป็นสารตัวแรกที่มารับอิเล็กตรอน เมื่อการถ่ายทอดอิเล็กตรอนสิ้นสุดลงจะสังเคราะห์  ATP  ได้  3  โมเลกุล

                ถ้า FAD เป็นสารตัวแรกที่มารับอิเล็กตรอน  เมื่อการถ่ายทอดอิเล็กตรอนสิ้นสุดลงจะสังเคราะห์  ATP  ได้ 2  โมเลกุล

 

 

ภาพเคลื่อนที่ 6.4  แสดงขั้นตอนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

 

สมการรวบยอดในการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

 

24 H  +  6 O2 +  34 ADP + 34Pi   "  12 H2O  +  34  ATP

 

 

ภาพเคลื่อนที่ 6.5  สรุปขั้นตอนการหายใจแบบใช้ออกซิเจน

 

สรุปลักษณะกระบวนการและผลลัพธ์สำคัญของระบบการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

1.  เกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียหรือครีสตี โดยเกิดควบคู่กับปฏิกิริยา  3 ขั้นตอนแรก

2.   O2  จะเป็นตัวรับโปรตอนและอิเล็กตรอนเกิดเป็นน้ำ ทั้งสิ้น  12  โมเลกุล/1โมเลกุล

ของกลูโคส            

                3.  การถ่ายทอดอิเล็กตรอนของตัวนำอิเล็กตรอนไปตามลำดับ  ดังนี้

NADH  +  H+  "  FADH2  "   Cytochrome b "  Cytochrome c  "  Cytochrome a  "   Cytochrome a 3 " O2

4. ขั้นตอนที่มีพลังงานสูงในการสร้าง  ATP  คือ

4.1   NADH  +  H+   " FADH2  

4.2  Cytochrome b " Cytochrome c 

4.3  Cytochrome a3 "   แก๊สออกซิเจน

                5.  จากปฏิกิริยาในขั้นตอนต่าง ๆ จะได้อะตอมของไฮโดรเจนที่ผ่านเข้ามาในกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน  รวมทั้งสิ้น  24  อะตอม

                     5.1   จากไกลโคลิซีส  4  อะตอม

                     5.2   จากการสร้างอะซิทิลโคเอนไซม์  เอ   4  อะตอม

                     5.3   จากวัฏจักรเครบส์  16  อะตอม ( จาก 6 NADH2 และ  2 FAD H2)

                6.  NADH  +  H+  เมื่อผ่านกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะได้พลังงาน =  3  ATP

                     FADH2  เมื่อผ่านกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจะได้พลังงาน =  2  ATP

                7.  เป็นขั้นตอนที่มีพลังงานเกิดขึ้นมากที่สุดในเซลล์

                    7.1  จากไกลโคลิซีส            2 NADH  +  H+           =   2 × 3      =  6  ATP

                    7.2  จากการสร้างอะซิทิลโคเอนไซม์  เอ  2 NADH  +  H+     =    2 ×3    =  6  ATP

                    7.3  จากวัฏจักรเครบส์       6 NADH  +  H+     =    6 × 3    =  18  ATP

                                                                      2 FAD H2            =    2 × 2    =    4  ATP

                                                                รวมทั้งสิ้น                 =    34  ATP

 

รวมสมการการหายใจ (สลาย  1 กลูโคส)  แบบใช้ออกซิเจน

C6H12O6  +  6O 2 +  36 – 38 ADP + 36 – 38 Pi  "   6CO2 +  6H2O  + 36 - 38ATP

 

 

ภาพที่  6.6  แผนภาพสรุปการสลายสารอาหารแบบใช้ออกซิเจนทั้ง  4  ขั้นตอน

ที่มา  : http://people-eku.edu./ritehisong/301notcsi.

 

การหายใจทั้ง  4  ขั้นตอน  เกิดขึ้นที่บริเวณต่าง ๆ ดังนี้

1.        ไกลโคลิซีส  เกิดที่ไซโทพลาสซึมของเซลล์

2.        การสร้างอะซิทิลโคเอนไซม์  เอ  เกิดที่ของเหลวในไมโทคอนเดรีย

3.        วัฏจักรเครบส์  เกิดที่เมทริกซ์ของไมโทคอนเดรีย

4.        การถ่ายทอดอิเล็กตรอน  เกิดที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย(คริสตี)

การสลายไขมันและโปรตีน

การสลายไขมัน  ไขมัน(Fat)เป็นสารอาหารชนิดหนึ่งซึ่งสามารถให้พลังงานได้  ไขมันเมื่อรวมตัวกับน้ำดีแล้วจะถูกย่อยโดยเอนไซม์ลิเพสพร้อมด้วยไฮโดรไลซีสได้เป็นสารที่โมเลกุลเล็กลงคือ กรดไขมัน(Fatty  acid) และกลีเซอรอล (Glycerol) สารทั้งสองนี้จะมีการสลายตัวต่อไปอีก  และเข้าสู่กระบวนการกลูโคสออกซิเดชันคนละทางกัน

                กลีเซอรอลเป็นสารประกอบประเภทแอลกอฮอล์ จะถูกเปลี่ยนแปลงไปเป็นสารตัวกลางในกระบวนการไกลโคลิซีส  กลายเป็นสารฟอสโฟกลีเซอรอลดีไฮด์ (Phosphoglyceraldehyde หรือ PGAL) ซึ่งต้องใช้ ATP  1  โมเลกุล  และปล่อยไฮโดรเจนออกมา  2  อะตอม  โดยมี NAD+   เป็นตัวมารับดังสมการ

                                                NAD+    Ê    NADH  +   H+

                Glycerol                                                                                  Phosphoglyceraldehyde (PGAL)

                                                ATP      Ì      ADP

                PGAL  ที่เกิดขึ้นจะถูกสลายเป็นกรดไพรูวิก  ผ่านเข้าสู่วัฎจักรเครบส์ต่อไป  ส่วน  NADH  +   H+  จะนำอะตอมของไฮโดรเจนเข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน  จนกระทั่งเกิดปฏิกิริยาโดยสมบูรณ์ได้ CO2 และH2O   

                สำหรับกรดไขมัน เพื่อให้ได้พลังงานนั้น  กรดไขมันที่อยู่ในไซโทพลาสซึมจะต้องถูกนำเข้าไปในไมโทคอนเดรียก่อน  โดยกรดไขมันทำปฏิกิริยากับ ATP และ  Coenzyme  A  แล้วเปลี่ยนเป็น Fatty  acid  Co.A  และ Fatty acid  Co.A  ถูกสลายโดยกระบวนการบีตา – ออกซิเดชัน  ต่อไป

Triglycerides ----> Glycerol + Fatty Acids:

  • Glycerol ----> Glyceraldehyde ----> Pyruvic acid ----> Acetyl CoA ----> Kreb's cycle
  • Fatty Acids are converted into molecules of Acetyl CoA in a process called BETA OXIDATION.

 

 

                การสลายโปรตีน  โปรตีนที่นำเข้าสู่ร่างกายในรูปของอาหารจะถูกย่อยภายในกระเพาะอาหารและลำไส้เล็กให้เป็นกรดอะมิโนประมาณ  20  ชนิดก่อน   กรดอะมิโนเหล่านี้เมื่ออยู่ในเซลล์ประมาณ ¾  จะถูกนำไปใช้ในการสลายเพื่อให้ได้พลังงาน

                กรดอะมิโน  อาจถูกเปลี่ยนได้หลายแนวทางด้วยกันตามชนิดของกรดอะมิโน  เช่นบางชนิดเปลี่ยนเป็นกรดไพรูวิก  บางชนิดเปลี่ยนเป็นอะซิทิลโคเอนไซม์  เอ  บางชนิดเปลี่ยนเป็นสารตัวใดตัวหนึ่งในวัฎจักรเครบส์  แต่พบว่าทุกครั้งก่อนที่กรดอะมิโนจะเปลี่ยนเป็นสารประกอบตัวใดก็ตาม  ที่กล่าวมาจะต้องมีการตัดหมู่อะมิโน (-NH2) ออกจากโมเลกุลของกรดอะมิโน  หมู่อะมิโนที่หลุดออกมานี้จะเปลี่ยนเป็นแอมโมเนีย (NH3)จากนั้นตับจะเปลี่ยนให้เป็นยูเรียขับออกทางปัสสาวะ

                จะเห็นได้ว่าทั้งการสลายกลูโคส  กรดไขมัน  และกรดอะมิโนจะให้สารซึ่งเข้าสู่กระบวน การหายใจระดับเซลล์ในขั้นตอนต่าง ๆ ได้  ก็จะมีผลในการสร้างพลังงานให้แก่เซลล์และสิ่งมีชีวิต  ดังนั้นคาร์โบไฮเดรต  ไขมัน  และโปรตีนจึงเป็นสารอาหารที่เป็นแหล่งพลังงานของเซลล์ร่างกายสิ่งมีชีวิตทุกชนิด

 

 

                               ภาพที่  6.7  แผนภาพสรุปการสลายโมเลกุลสารอาหารคาร์โบไฮเดรต โปรตีน  และไขมัน

                               ที่มา : www.elmhurst.edu/.../images/590metabolism.gif

 

 

ภาพเคลื่อนที่ 6.6  แสดงการสลายโมเลกุลสารอาหารคาร์โบไฮเดรต โปรตีน  และไขมัน

 

............................................................................................