เมตาบอลิซึม ( Metabolism )

1. บทที่ 2 การสร้างพลังงาน เมตาบอลิซึม(Metabolism) เมตาบอลิซึม (Metabolism) หมายถึงปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ โดยมีเอนไซม์ (enzyme) เป็นตัวเร่ง เพื่อที่จะนำเอาพลังงานและสารประกอบคาร์บอน จากสิ่งแวดล้อมมาใช้สังเคราะห์ส่วนประกอบต่างๆของเซลล์ เพื่อก่อให้เกิดการเติบโต การแบ่งเซลล์ ตลอดจนการเคลื่อนไหวและการขับถ่ายของเสียออกจากเซลล์

2. ภาพที่ 1 แสดงแผนผังกระบวนเมตาบอลิซึมโดยรวมในสิ่งมีชีวิต(โปรดขยายเพื่อดูรายละเอียด)

3. สิ่งมีชีวิตต่างๆ มีปฏิกิริยาเคมีในกระบวนการเมตาบอลิซืมคล้ายคลึงกัน จะต่างกันก็ทื่แหล่งพลังงานและคาร์บอน สามารถจำแนกได้ดังนี้ ตารางที่1 การแบ่งประเภทของสิ่งมีชีวิตตามแหล่งของพลังงานและคาร์บอน

4. คะตาบอลิซึมและอะนาบอลิซึม (Catabolism and Anabolism) เมตาบอลิซึมอาจแบ่งได้เป็นสองชนิด คือ 1. คะตาบอลิซึม (catabolism) เป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลใหญ่ๆ 2. อะนาบอลิซึม (anabolism) เป็นกระบวนการสังเคราะห์โมเลกุลที่ค่อนข้างใหญ่จากโมเลกุลเล็กๆ ทั้งสองกระบวนการนี้ประกอบด้วยปฏิกิริยาเคมีที่มีเอนไซม์หลายชนิดเป็นตัวเร่งต่อเนื่องกัน แต่ทั้งสองปฏิกิริยาไม่ได้เกิดขึ้นโดยการทวนวิถีปฏิกิริยา (reaction path) กันและกัน

5. ภาพที่ 2 แสดงวัฎจักรของกระบวนการเมตาบอลิซึมการสลายโมเลกุลใหญ่โดยกระบวนการคะตาบอลิซึมให้ เป็นโมเลกุลเล็ก นั้นจะก่อให้เกิดพลังงาน และรีดิวซิ่งอีควิวาเลนซ์ (reducing equivalence) ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการสังเคราะห์โมเลกุลเล็กๆ โดยกระบวนการอะนาบอลิซึม

6. วัฎจักรพลังงาน (Energy Cycle) ภาพที่ 3 แสดงโครงสร้างของสารพลังงาน ATPพลังงานที่เกิดจากคะตาบอลิซึมนั้น ส่วนใหญ่อยู่ในรูปของ พลังงานเคมีในสารประกอบ ATP อะดีโนซีนไทรฟอสเฟต (adenosine triphosphate หรือ ATP)

7. ATP ADP+Pi พลังงาน X-Y X + Y ภาพที่ 4 แสดงการสร้างพันธะใหม่จากสารพลังงาน ATP ATP ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการนำเอาพลังงาน จากที่หนึ่ง ไปใช้ยังอีกที่หนึ่ง พลังงานจากสารนี้จะถูกนำไปใช้สร้างพันธะใหม่ในการเชื่อม โมเลกุลเล็กๆ สองตัว เช่น X และ Y ให้กลายเป็นโมเลกุลใหญ่ X-Y

8. วัฎจักรรีดิวซิ่งอีควิวาเลนซ์ (Reducing Equivalence Cycle) ปฏิกิริยาหลายอย่างที่เกิดขึ้นในเมตาบอลิซึมเป็นประเภทออกซิโดรีดักชัน (oxido-reduction) สารเคมีที่ใช้กับปฏิกิริยาเหล่านี้มีหลายชนิด ส่วนมากเป็นอนุพันธุ์ของวิตามินที่ละลายน้ำได้เช่น NAD+ และ NADP คะตาบอลิซึม NADPH NADP+ อะนาบอลิซึม ภาพที่ 5 แสดงวัฎจักรของ NADP+และ NADPH

9. ในปฏิกิริยาคะตาบอลิซึม NAD+และ NADP+จะถูกรีดิวซ์ให้กลายเป็น NADH และ NADPH ตามลำดับและจะถูกออกซิไดซ์ให้กลับเป็น NADP+ และ NAD+ในกระบวนการอะนาบอลิซึม คะตาบอลิซึม NADH NAD+ ออกซิเดตีฟฟอสโฟริเลชัน ATP + H2O ADP+Pi+O2 ภาพที่ 6 แสดงวัฎจักรของ NAD+และ NADH

10. วิถีเมตาบอลิซึม (Metabolic Pathway) ปฏิกิริยาต่างๆ ในกระบวนการคะตาบอลิซึมพอจะแบ่งได้ 3 ตอนใหญ่ๆ ตอนที่ 1 สารโมเลกุลใหญ่จะถูกทำให้กลายเป็นโมเลกุลหน่วยโครงสร้าง (building unit) ตอนที่ 2 โมเลกุลหน่วยโครงสร้างจะกลายเป็นโมเลกุลเล็กๆ ตอนที่ 3 จะให้พลังงาน (ATP) และรีดิวซิ่งอีควิวาเลนซ์ (NADH)

11. หน่วยโครงสร้าง ผล โมเลกุลใหญ่ โมเลกุลเล็ก ตอนที่1 ตอนที่2 ตอนที่3 คาร์โบไฮเดรต เฮ็กโซส acetyl CoAATP โปรตีน เพ็นโตส oxaloacetateNADH ไขมัน กรดอะมิโน alfa-ketoglutarateCO2 กรดไขมัน succinateNH3 กลีเซอรอล fumarateUrea ภาพที่ 7 แสดง ปฏิกิริยาต่างๆ ในกระบวนการคะตาบอลิซึม

12. การควบคุมเมตาบอลิซึม (Metabolism Regulation) วิถีเมตาบอลิซึมประกอบด้วยการสังเคราะห์ และการทำลายสารหลายประเภท เพื่อไม่ให้มีการสังเคราะห์สารประเภทใดประเภทหนึ่งจนเกินควรจึงต้องมีการควบคุมปฏิกิริยา ซึ่งทำได้ 2 วิธีคือ 1. การควบคุมอัตราเร็วของการเร่ง (catalytic rate)ด้วยสารควบคุม (regulator) วิธีนี้ เรียกว่าการควบคุมระดับเอนไซม์ (enzyme control) 2. การควบคุมปริมาณของเอนไซม์ นั่นคือการควบคุมการสร้างเอนไซม์จากยีน (gene) วิธีนี้เรียกว่าการควบคุมระดับพันธุกรรม (genetic control)

13. วิธีการทดลองในการศึกษาเมตาบอลิซึม (Experiment in Metabolism Study) (1). การใช้ไอโซโทรปเป็นตัวตามรอย (isotropic tracer) (2). การใช้ตัวยับยั้ง (inhibitor) (3). การใช้ข้อบกพร่องทางพันธุ์กรรม (genetic defect)

14. เมตาบอลิซึมของคาร์โบไฮเดรต (Metabolism of Carbohydrate) กระบวนการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรตอาจแบ่งได้สองตอนคือ 1. กระบวนการหายใจ (aerobic respiration) 2. กระบวนการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic respiration) 3. กระบวนการหมัก (fermentation)

15. ภาพที่ 7 แสดงวิถีต่างๆ ในกระบวนการคะตาบอลิซึมของคาร์โบไฮเดรต

16. การหายใจแบบใช้ออกซิเจน การหายใจแบบใช้ออกซิเจน เป็นการเปลี่ยนแปลงสารอาหารโดยเฉพาะกลูโคส ให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ซึ่งจะให้พลังงานเกิดขึ้นมาก กระบวนการหายใจนี้จะเกิดขึ้น 3 ขั้นตอนด้วยกัน คือ 1. ไกลโคไลซีส (Glycolysis หรือ Embden-Meyerhof pathway) ปฏิกิริยารวมเป็นดังนี้ C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi - - - - > 2CH3COCOOH + 2 NADH2 + 2ATP

17. ภาพที่ 8 แสดงวิถีไกลโคไลซีส

18. 2. วัฏจักรเครปส์ (Krebs cycle หรือ Tricarboxylic acid cycle หรือ Citric acid cycle) เป็นปฏิกิริยาที่เกิดต่อเนื่องกันเพื่อให้ได้พลังงาน ATP, NADH2 และ FADH2 และได้สารตัวกลาง (intermediate) หลายชนิด ซึ่งปฏิกิริยาจะแบ่งเป็น 2 ตอน ปฏิกิริยารวมเป็นดังนี้ 2 pyruvic acid - - - - - > 2 acetyl CoA + 2 NADH2 + 2 CO2 2 acetyl CoA - - - - - > 4 CO2 + 6 NADH2 + 2 FADH2 + 2 GTP

19. ภาพที่ 9 แสดงวัฎจักรกรดซิตริคหรือวัฎจักรเครบส์

20. 3. กระบวนการขนส่งอิเล็กตรอน (Electron transport system, ETS) หรือลูกโซ่การหายใจ (respiratory chain) หรือระบบไซโตโครม (cytochrome system) เป็นปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน ที่เกิดขึ้นเป็นลูกโซ่อย่างต่อเนื่อง การสร้างพลังงาน ที่เกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันนั้นเรียกว่า ออกซิเดตีฟฟอสโฟรีเลชัน (oxidative phosphorylation) หรืออิเล็กตรอนทรานสปอร์ตฟอสโฟรีเลชัน (electron transport phosphorylation) ภาพที่ 10 แสดงกระบวนการขนส่งอิเล็กตรอน

21. การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน เป็นการเปลี่ยนแปลงให้เกิดพลังงาน โดยใช้สารอนินทรีย์อื่น ๆ เป็นตัวรับอิเล็กตรอน หรืออิเล็กตรอนตัวสุดท้ายแทนออกซิเจน ได้แก่ NO3-, NO2-, SO42-, fumarate เป็นต้น 1. การรีดิวซ์ไนเตรต (Nitrate reduction) หรือดีไนตริฟิเคชัน (denitrification) 2. การรีดิวซ์ซัลเฟต (sulfate reduction) SO42- + 8e- + 8H+ H2S + 2H2O + 2OH- 3. การรีดิวซ์คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 reduction)

22. เฮกโซสมอโนฟอสเฟตชันต์ (hexose monophosphate shunt) น้ำตาลกลูโคสนอกจากจะสลายโดยผ่านกระบวนการไกลโคลิซิสแล้ว ยังอาจสลายผ่าน กระบวนการ เฮกโซสมอโนฟอสเฟตชันต์ (hexose monophosphate shunt) หรือฟอสโฟกลูโคเนตชันต์ (phosphogluconate shunt) หรือเพนโทสฟอสเฟตแพทเวย์ (pentose phosphate pathway) สำหรับพลังงานที่ได้จากการสลายกลูโคสด้วยวิธีนี้จะได้เป็น NADPH

23. ภาพที่ 11 แสดงวิถีเฮกโซสมอโนฟอสเฟตชันต์

24. กระบวนการหมัก แบ่งออกเป็น 2 แบบ ตามชนิดของผลผลิตที่เกิดขึ้น คือ 1. โฮโมเฟอร์เมนเตชัน (Homofermentation) เป็นการหมักที่ได้ผลผลิตเพียงชนิดเดียว เป็นส่วนใหญ่ 2. เฮเทอโรเฟอร์เมนเตชัน (Heterofermentation) หรือมิกซ์แอซิดเฟอร์เมนเตชัน (Mixed acid fermentation) เป็นการหมักที่ได้ผลผลิตหลายชนิด

25. ภาพที่ 12 แสดงกระบวนการหมักแบบโฮโมเฟอร์เมนเตชัน

26. ภาพที่ 13 แสดงกระบวนการหมักแบบเฮเทอโรเฟอร์เมนเตชัน

27. เมตาบอลิซึมของไขมัน (Metabolism of Lipid) กรดไขมัน (fatty acid) เป็นพลังงานที่สำคัญของเซลล์อีกชนิดหนึ่ที่สะสมไว้ในเซลล์ มักอยู่ในรูปไตรกลีเซอไรด์ (triglyceride) และฟอสโฟกลีเซอไรด์ (phosphogylceride) คะตาบอลิซึมของกรดไขมัน (Fatty Acid Catabolism) คะตาบอลิซึมของไขมันจึงประกอบด้วย (1) การกระตุ้นกรดไขมัน (2) การนำกรดไขมันผ่านเข้าไปในไมโตคอนเดรีย (3) การเผาผลาญกรดไขมันในไมโตคอนเดรีย

28. ภาพที่ 14 แสดงกระบวนการกระตุ้นกรดไขมัน

29. ภาพที่ 15 แสดงกระบวนการนำกรดไขมันผ่านเข้าสู่ไมโตคอนเดรีย

30. (3) โดยปฏิกิริยาบีต้า-ออกซิเดชัน (beta-oxidation) ภาพที่ 16 แสดงกระบวนการการเผาผลาญกรดไขมันในไมโตคอนเดรียโดยการเกิดปฏิกิริยา บีต้า- ออกซิเดชัน

31. ภาพที่ 17 แสดงกระบวนเการผาผลาญไขมันโดยการเกิดปฏิกิริยา บีต้า- ออกซิเดชัน

32. ภาพที่ 18 แสดงกฏิกิริยาในการสังเคราะห์กรดไขมัน

33. ภาพที่ 19 แสดงกระบวนการสังเคราะห์กรดไขมัน

34. ภาพที่ 20 แสดงเมตาบอลิซึมโดยรวมของกรดอะมิโน

35. ภาพที่ 21 แสดงคะตาบอลิซึมของกรดอะมิโน

36. ปฏิกิริยาที่ใช้กำจัดหมู่อัลฟาอะมิโน จากกรดอะมิโนอาจแบ่งได้เป็น 2ส่วนคือ 1. Transamination ซึ่งเปลี่ยนเอาหมู่อัลฟาอะมิโนของกรดอะมิโนทั้ง 20 ตัวมาเป็น หมู่อัลฟาอะมิโนของกลูตาเมท (glutamate) อะลานีน (alanin) และแอสปาร์เตท (aspartate) Amino acid + enzyme alpha-keto acid + enzyme-NH3 alpha-ketoglutarate + enzyme-NH3 enzyme + glutamate

37. ภาพที่ 22 แสดงปฏิกิริยาของเอนไซม์ Glutamate dehydrogenase ในการกำจักหมู่อัลฟาอะมิโน ของกลูตาเมทให้เป็นแอมโมเนีย

38. การกำจัดแอมโมเนีย แอมโมเนียที่เกิดขึ้นจากคะตาบอลิซึมของกรดอะมิโนต่างๆ อาจถูกนำไปใช้ในการสังเคราะห์กรดอะมิโนได้อีก โดยใช้ปฏิกิริยาของ glutamate dehuydrogenase ที่มี NAD+เป็นโคเอนไซม์แอมโมเนียที่เหลือจะถูกขับถ่ายออกมาในรูปแอมโมเนีย , ยูเรีย (urea) หรือกรดยูริค (uric acid) ภาพที่ 23 แสดงโครงสร้างของ แอมโมเนีย , ยูเรีย (urea) และกรดยูริค (uric acid)

39. ภาพที่ 23 แสดงวัฎจักรยูเรียสัตว์บกที่มีกระดูกสันหลังขับต้องถ่ายแอมโมเนียในรูปของยูเรีย ซึ่งจะมีวัฎจักรดังนี้

40. ภาพที่ 24 แสดงการสังเคราะห์กรดอะมิโนสารประกอบที่ใช้ในการสังเคราะห์กรดอะมิโนมักเป็นตัวกลาง ของวิถีไกลโคไลซีสและวัฎจักรเครบส์ สารประกอบเหล่านี้ได้แก่ 3-phosphogylcerate, phosphoenolpyrurate, pyruvate, alpha-ketoglutarat, oxaloacetate และ ribose 5-phosphate