Energy transformation

1. Energy transformation

2. การเปลี่ยนรูปพลังงานและการหมุนเวียนสารเคมีในระบบนิเวศการเปลี่ยนรูปพลังงานและการหมุนเวียนสารเคมีในระบบนิเวศ • Chloroplast และ mitochondria เป็น organelles ที่เปลี่ยนพลังงานรูปหนึ่งไปอีกรูปหนึ่ง • ในChloroplast เกิดกระบวนการ photosynthesis ซึ่งพลังงานแสงถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานสะสมในคาร์โบไฮเดรต • ที่ mitochondria เกิดกระบวนการ cellular respiration พลังงานที่เก็บไว้ในคาร์โบไฮเดรตจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานในรูป ATP ซึ่งสิ่งมีชีวิตจะนำไปใช้ในเซลล์ต่อไป • มีพลังงานบางส่วนสูญเสียไปกับความร้อน

3. ATP (Adenosine triphosphate) เป็นสารเคมีที่มีพลังงานสูงพร้อมที่จะแตกตัวปล่อยให้พลังงานออกมาใช้ที่ใดที่หนึ่งได้

4. เมื่อ ~Pสลายภายในเซลล์ พลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน และบางส่วนถูกนำไปใช้ทำงาน และเมื่อ ATPถ่ายทอด ~Pให้กับโมเลกุลของสารอื่น โมเลกุลของสารนั้นจะได้พลังงานเพิ่มขึ้นด้วย ทำให้เกิดปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่นต่อไป ดังนั้นพลังงานจาก ATPสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ได้

5. ATPเมื่อถูกใช้แล้วสามารถสร้างกลับมาใหม่ได้ATPเมื่อถูกใช้แล้วสามารถสร้างกลับมาใหม่ได้

6. พลังงานในรูปATP ถูกนำไปใช้ทำงานต่างๆภายในเซลล์

7. ATP สร้างขึ้นอย่างไร • เรียกกระบวนการสร้างATP ว่าPhosphorylation มีวิธีการสร้างหลายแบบ • Oxidative phosphorylation • Substrate phosphorylation • Photophosphorylation

8. Oxidative phosphorylation การสร้างATP จากการถ่ายทอดe-ผ่านสารนำe-เช่นNADH, FADH2ในe- transport chain ที่mitochondria และมีO2เป็นตัวรับe-ตัวสุดท้าย

9. Substrate phosphorylation ATP ถูกสร้างโดยการถ่ายทอด~P จากสารที่มีพันธะเคมีพลังงานสูงกว่ามายังADP โดยตรง โดยมีenzyme กระตุ้น

10. Photophosphorylation แสงทำให้e-จากน้ำ ถูกถ่ายทอดไปตามe- transport chain ใน chloroplast ได้พลังงานในรูปATP

11. E1 E2 E3 E4 A B C D E Metabolic pathway กระบวนการmetabolism เป็นผลของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์ เริ่มต้นจาก ในแต่ละขั้นตอนจะอาศัยenzymes เป็นตัวเร่งให้เกิดปฏิกิริยา

12. Enzymeช่วยเร่งให้เกิดปฏิกิริยาโดยตัวเองไม่เปลี่ยนแปลงเป็นสารอื่น • เร่งปฏิกิริยาเฉพาะ • การทำงานต้องการoptimum factors

13. The induced fit between an enzyme and its substrate

14. The catalytic cycle of an enzyme

15. อัตราการเร่งปฏิกิริยาเคมีโดยenzyme ขึ้นกับ • Temperture • pH • Inhibition (noncompetitive inhibition, Competitive inhibition)

16. Environmental factors affecting enzyme activity Temperature

17. pH

18. Inhibiton of enzyme activity A substrate can normally bind to the active site of an enzyme Competitive inhibitor Noncompetitive inhibitor

19. Cofactor : Helpers of enzymes • enzymes หลายชนิดต้องการcofactor ที่ไม่ใช่โปรตีนช่วยในการทำงาน ตัวอย่างเช่นions ได้แก่Mg ++, K+, Ca ++ • cofactors อื่นๆ เช่นorganic molecules เมื่อรวมกับenzymes แล้วจะเป็นเหมือนcarrier สำหรับchemical group หรือe- • Coenzymes หลายชนิดมีขนาดใหญ่ ร่างกายไม่สามารถสร้างได้ นอกจากการกินvitamine เข้าไป ซึ่งvitamine หลายชนิด เช่นniacin, thamin (vit B1), riboflavin, folate และbiotin เป็นส่วนสำคัญส่วนหนึ่งของcoenzymes ตัวอย่างเช่นNAD+, NADP+, FAD

20. NAD+ = nicotinamide adenine dinucleotide

21. NAD+ • พบในเซลล์ • ทำงานร่วมกับenzyme โดยเป็นตัวรับe-ในปฏิกิริยาoxidation-reduction H Dehydrogenase R C R’ + NAD+ R C R’’ + NADH + H+ OH O Reduction Oxidation NAD+ = oxidized coenzyme NADH = reduced coenzyme

22. Cellular respiration รวมหมายถึง 2 กระบวนการ คือ Aerobic cellular respiration Fermentation

23. Organic compounds (food) + Oxygen CO2 + H2O + energy Aerobic cellular respiration เป็นกระบวนการย่อยสารอาหาร เพื่อให้ได้ ATP และมี O2เป็นตัวรับ e-ตัวสุดท้าย

24. 6C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energy แต่โดยทั่วไป cellular respiration จะอธิบายถึง Oxidation ของ glucose

25. Fermentation • เป็นกระบวนการย่อยสารอาหาร เพื่อให้ได้ATP โดยมีorganic compounds เป็นตัวรับe- • เป็นanaerobic process • เป็นการย่อยสลายglucose เพียงบางส่วน ผลได้lactate (animal cell) หรือCO2 + alcohol (yeast) • ได้ 2 ATP

26. Aerobic cellular respiration ประกอบด้วย • Glycolysis • Krebs cycle • Electron transport chain (ETC) and oxidative phosphorylation

27. Aerobic cellular respiration

28. เมื่อร่างกายของเราเกิดการเผาผลาญglucose ในเซลล์แล้วได้product ร่างกายทำอย่างไร • คนเราหายในO2 เข้าไปในปอดและรับประทานอาหารglucose ซึ่งO2และglucose เข้าไปในกระแสเลือดแล้วเข้าไปในเซลล์ • Glycolysis เกิดขึ้นที่cytoplasm ได้pyruvate • Pyruvate เข้าไปในmitochondriaและถูกเผาผลาญต่อไปจนได้CO2 + H2O + พลังงานในรูปATP • CO2 ,H2O และATP แพร่ออกจากmitochondria ไปยังcytoplasm • ATP ถูกนำไปใช้ประโยชน์ภายในเซลล์ CO2แพร่ออกจากเซลล์เข้าไปในกระแสเลือดและหายใจออกไปส่วนH2O จะถูกนำไปใช้ในเซลล์

29. Glycolysis

30. 2 Pyruvate 2 Acetyl CoA + 2NADH 2C2O ออกจากเซลล์ โปรตีนที่อยู่ที่ผิวของmitochondriaจะขนส่ง pyruvateเข้าไปในmitochondria Net:

31. Krebs cycle เกิดที่mitochondria matrix

32. ใน 2 Krebs cycle / 1 Glucose 2 Acetyl CoA 4CO2 + 6NADH2 +2 FADH2 + 2 ATP (substrate level phosphorylation) e- transport chain

33. The pathway of electron transport • ETC ประกอบด้วยelectron carrier molecules (ตัวรับe-)ที่อยู่ในinner mitochondrial membrane • ตัวรับe-จะรับเฉพาะe- • H+จะถูกปล่อยออกมาและถูกส่งออกไปที่intermembrane space

34. ½ O2 + 2e- + 2H+ H20 • O2 จะเป็นตัวรับe-ตัวสุดท้ายแล้วรวมกับH+กลายเป็นH2O • สรุปว่า • ETC ไม่ทำให้สร้างATP โดยตรงแต่ทำให้เกิดH+ gradient ที่ผนังด้านในของmitochondria ซึ่งทำให้สะสมพลังงานมากพอที่จะทำให้เกิดphosphorylation

35. ATP synthaseเป็นprotein cmplex ทำหน้าที่สังเคราะห์ATP ซึ่งจะทำงานได้โดยการไหลผ่านของH+ • การสร้างATP แบบนี้เรียกว่าChemiosmotic ATP synthesis

36. Electron transport chain and oxidative phosphorylation

37. Review: how each molecules of glucose yields many ATP molecules during cellular respiration

38. Glycolysis Pyruvate Lactate (animal) CO2 + alcohol (yeast) Fermentation (Backup ATP production) หรืออาจจะได้product อื่นๆขึ้นอยู่กับenzyme ในสิ่งมีชีวิตนั้น

39. ผลของfermentation จะได้ 2ATP • NADH ที่ได้จากfermantation จะถูกเปลี่ยนเป็นNAD+ เพื่อใช้ในglycolysis ได้

40. Alcohol fermentation (yeast)

41. Lactic acid fermentation (animal cell)

42. Pyruvate as a key junction in catabolism ผลของGlycolysis คือpyruvate ซึ่งจะถูกเผาผลาญต่อไปด้วยfermentation หรือaerobic cellular respiration แล้วแต่ว่าจะอยู่ในภาวะที่มีO2หรือไม่สำหรับเซลล์ที่สามารถเกิดกระบวนการหายใจได้ทั้ง 2 แบบ

43. ถึงแม้ว่าfermantation จะได้พลังงานน้อยแต่ก็สำคัญเพราะว่าทำให้ได้ATP อย่างรวดเร็วในร่างกายของเราmuscle cell จะเกิดfermentation มากในขณะที่ร่างกายทำงานหนักในระยะเวลาสั้นเช่นวิ่งfermentation เป็นกระบวนการให้เกิดATP และlactate ในmuscle cell ในตอนแรกเมื่อมีจำนวนมากขึ้นทำให้เกิดอาการเมื่อยล้าเนื่องจากมีสภาพเป็นกรดมากเมื่อหยุดวิ่งร่างกายหายใจแรงเป็นการนำเอาO2มาใช้เพิ่มมากขึ้นlactate จะถูกส่งไปที่ตับและถูกเปลี่ยนเป็นpyruvate • ในเซลล์ของยีสถ้ามีglucose จำนวนมากยีสจะหายใจแบบanaerobicได้เป็นalcohol เมื่อมีalcohol เพิ่มจำนวนมากขึ้นจะทำให้ยีสตายได้ • จากการที่ค้นพบกระบวนการfermentation จึงนำมาใช้ประโยชน์ได้มากมาย

44. The catabolism of various food molecules ร่างกายของเราได้พลังงานส่วนใหญ่จากfats, proteins, disaccharides และpolysaccharides ที่กินเข้าไปโมเลกุลเหล่านี้ถูกย่อยให้เป็นโมเลกุลที่เล็กลงด้วยenzymes ซึ่งสามารถจะเข้าไปในกระบวนการglycolysis หรือKrebs cycle ได้

45. The control of cellular respiration • กลไกที่ควบคุมกระบวนการย่อยสารอาหารให้ได้พลังงานหรือการสังเคราะห์ในร่างกายส่วนใหญ่เป็นfeedback inhibition • กระบวนการGlycolysis และKrebs cycle ควบคุมโดยPhosphofructokinase

46. ปริมาณATP, ADP และAMP มีผลต่อการทำงานของPhosphofructokinase • ADP, AMP เป็นallosteric activators ถ้ามีมากจะเร่งการทำงานของenzyme ให้มากมีผลให้Glycolysis และKrebs cycle เกิดมากขึ้นดังนั้นATP จะมีปริมาณมากขึ้น • Citrate และATP เป็นallosteric inhibitors ถ้ามีมากenzyme ตัวนี้จะทำงานน้อยดังนั้นglycolysis เกิดน้อยacetyl Co A จะมีปริมาณน้อยด้วย

47. Photosynthesis • แบ่งออกเป็น 2 ขั้นตอน • Light reactions • Calvin cycle

49. Light reactions: • เกิดขึ้นที่thylakoid membranes • เป็นกระบวนการที่เปลี่ยนพลังงานแสงไปเป็นพลังงานเคมีของATP และNADPH • ให้O2 ออกมาสู่บรรยากาศ

50. Calvin cycle reactions: • เกิดขึ้นที่stroma • เป็นกระบวนการที่ใช้CO2 สร้างเป็นsugur โดยใช้พลังงานที่ได้จากLight reaction (ATP, NADPH) • ให้ADP, Pi, NADP+กลับไปใช้ในlight reaction