Cellular respiration การหายใจระดับเซลล์ การสลายสารอาหารระดับเซลล์ หรือ การหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration) เป็นการผลิตพลังงานจากสารอาหารที่เซลล์ได้รับ พลังงานที่ได้จะสะสมอยู่ในรูปของพลังงาน พันธะ เมื่อเซลล์ต้องการใช้พลังงานก็จะสลายพันธะเพื่อปลดปล่อยพลังงานออกมาใช้ในกิจกรรม ต่างๆของเซลล์ เช่น การน าสารบาง ชนิดเข้าสู่เซลล์การเคลื่อนที่ เป็นต้น สารให้พลังงานในกระบวนการหายใจระดับเซลล์สารอินทรีย์ที่สามารถสร้างพันธะเพื่อ สะสม พลังงานได้มีหลายชนิด แต่สารอินทรีย์ที่ส าคัญมากที่สุดที่ใช้ในการสะสมพลังงานใน สิ่งมีชีวิตคือ______________________________________________________________ ATP เป็นสารอินทรีย์พลังงานสูง เป็นอนุพันธ์ของ nucleotide ประกอบตัวด้วยองค์ประกอบ 3 ชนิด คือ 1. เบสอะดีนีน 1 โมเลกุล 2. น าตาลไรโบส (C5H10O5) 1 โมเลกุล 3. กรดฟอสฟอริก (H3PO4) ในรูปหมู่ฟอสเฟต (Pi = inorganic phosphate) 3 หมู่
ATP + H2O ADP + Pi + พลังงาน 7.3 Kcal/mol (1) ADP + H2O AMP + Pi + พลังงาน 7.3 Kcal/mol (2) AMP + H2O Adenosine + Pi + พลังงาน 4.6 Kcal/mol (3) * การแตกตัว 2 ครั งแรกจะให้พลังงาน 7.3 kcal/mol และครั งสุดท้ายให้พลังงาน 4.6 kcal/mol การหายใจระดับเซลล์ ส่วนใหญ่เริ่มต้นจากกลูโคสที่มีคาร์บอน ____ อะตอม ให้หลุด ออกมาทีละอะตอม จนสุดท้ายได้อยู่ในรูป ______ ซึ่งแต่ละปฏิกิริยาจะมีการปลดปล่อย ไฮโดรเจนออกมา จึงต้องมีตัวรับไฮโดรเจนอะตอม ได้แก่ _______________________ NAD+ และ FAD สามารถรับไฮโดรเจนอะตอม(H+ และ e- ) ได้ทีละ 2 อะตอม ดัง สมการ กระบวนการหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration)
การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (aerobic respiration) ให้พลังงาน 36 หรือ 38 ATP/กลูโคส ซึ่งให้พลังงานสูงกว่าแบบไม่ใช้ออกซิเจน 18-19 เท่า โดยจะมี _____ เป็นตัวรับ e- ตัวสุดท้าย และมีปฏิกิริยารวม คือ กลไกทั งหมดที่เกิดขึ น แบ่งเป็น 4 ขั นตอนย่อยดังนี ขั นตอนย่อย สถานที่เกิด ไกลโคไลซิส(Glycolysis) การสร้าง Acetyl Coenzyme A วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) การถ่ายทอดอิเล็กตรอน(Electron transport system/ETS)
1. ไกลโคลิซิส (glycolysis) เกิดที่บริเวณไซโทซอล เป็นกระบวนการสลายกลูโคส 1 โมเลกุล ได้ กรดไพรูวิก 2 โมเลกุล เพื่อจะน ากรดไพรูเวท ไปใช้ในสารตั งต้นในกระบวนการ สร้าง Acetyl Coenzyme A ต่อไป ***น ้ำตำลที่มีคำร์บอน 3 อะตอม ที่เรียกว่ำ กลีเซอรัลดีไฮด์ 3 ฟอสเฟต (Glyceraldehyde-3- Phosphate : G3P) หรือฟอสโฟกลีเซอรัลดีไฮด์ (Phosphoglyceraldehyde : PGAL) สรุปผลการสลายกลูโคสในกระบวนการไกลโคลิซิส 1. ได้กรดไพรูวิก 2 โมเลกุล 2. ใช้พลังงานในกระบวนการ 2 ATP และได้พลังงานจากกระบวนการ 4 ATP พลังงาน สุทธิที่ได้รับ = _____ ATP 3. สามารถสรุปกระบวนการไกลโคลิซิสได้ดังนี Glucose + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH สารตั งต้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้ กลูโคส
2. การสร้างอะซิทิลโคเอนไซม์ เอ (Acetyl Coenzyme A) ไพรูเวทจะถูกขนเข้าสู่ชั นเมทริกซ์ ในไมโทคอนเดรีย เพื่อท าปฏิกิริยากับ Coenzyme A ไพรูเวท(C-3 อะตอม) สลายตัวเป็น Acetyl Coenzyme A(C-2อะตอม) ไพรูเวท 1 โมเลกุล จะถูกออกซิไดซ์และคาย CO2 พร้อมกับ NADH อย่างละ 1 โมเลกุล เพื่อสร้าง Acetyl-CoA 1 โมเลกุล 3. วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) หรือ วัฎจักรของกรดซิตริก (Citric acid cycle) การสลายสารแอซิติลโคเอนไซม์ เอ ให้ได้เป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และเก็บพลังงานไว้ในรูปของ NADH FADH และ ATP เกิดขึ นบริเวณเมทริกซ์ซึ่งเป็นของเหลวในไมโทรคอนเดรีย 4C
Acetyl-CoA เข้ารวมตัวกับ กรด Oxaloacetic (4C) ได้กรดซิตริก (Citric acid 6C) และปล่อยโคเอนไซม์เอเป็นอิสระ กรดซิตริกจะท าการลดจ านวน C ลงเรื่อยๆ เรียกว่า Decarboxylation Oxaloacetic (4C) จะจับกับ Acetyl CoA (2C) ตัวต่อไปจนเกิดวัฎจักรเครบส์อีกครั ง 4. กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport system) เกิดขึ นในเยื่อหุ้มชั นในของไมโทคอนเดรีย แหล่งของอิเล็กตรอนคือ NADH และ FADH2 ท า การถ่ายทอดe- โดยโปรตีนที่ฝังตัวอยู่ในไมโทคอนเดรียจะเป็นตัวรับ e- การส่งต่อ e- ท าให้ พลังงานใน e- ต่ าลง และพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจะเปลี่ยน ADP เป็น ATP เมื่ออิเล็กตรอนถูกออกซิไดซ์จากกลุ่มเอนไซม์ในไมโทคอนเดรีย ส่วนของ H+ ที่เหลือจะถูกคายออก สู่ช่องว่างระหว่างผนังหุ้ม 2 ชั น จนเกิดความแตกต่างระหว่าง H+ ในเมทริกซ์กับช่องว่างระหว่าง ผนังหุ้ม 2 ชั น ท าให้เกิดการ Pump H+ ขึ นเพื่อให้เกิดสมดุล การแพร่กลับของ H+ จะต้องผ่านรูเอนไซม์ ATP Synthase เอนไซม์จะน าพลังงานจากการ Pump H+ ไปสร้าง ATP ขั นสุดท้ายจะมี___________________เป็นตัวรับ e- ตัวสุดท้ายเกิดเป็น_______
ลักษณะและผลลัพธ์ส าคัญของการถ่ายทอดอิเล็กตรอน มีดังนี 1. เป็นกระบวนการเปลี่ยน NADH + H+ และ FADH2 ให้ได้พลังงานในรูป ATP 2. เกิดขึ นเมื่อมี O2 อิสระ โดย O2 จะเป็นตัวรับโปรตอนและอิเล็กตรอนเกิดเป็นน าทั งสิ น 12 โมเลกุล ต่อ 1 โมเลกุลของกลูโคส 3. เป็นกระบวนการที่ให้พลังงานในรูป ATP แก่สิ่งมีชีวิตมากที่สุด ถึง 34 ATP/1 โมเลกุลของกลูโคส ส าหรับในตับ ไต และหัวใจ หรือได้ 32 ATP/1 โมเลกุลของกลูโคส ส าหรับกล้ามเนื อลายและสมอง การเปลี่ยนแปลงพลังงานจากการถ่ายทอด e-
ตารางสรุปการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจน ต่อกลูโคส 1 โมเลกุล ขั นตอนย่อย สารตั งต้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้ ไกลโคไลซิส(Glycolysis) การสร้าง Acetyl Coenzyme A วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle) การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron transport system/ETS) ผลิตภัณฑ์สุทธิจากการเกิดปฏิกิริยา 4 ขั นตอนย่อย CO2 NADH FADH2 ATP
การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน(Anaerobic respiration) ให้พลังงาน _____ ATP/กลูโคส เกิดในภาวะที่ไม่มีออกซิเจน พบกระบวนการนี ในสิ่งมีชีวิตบาง ชนิด เช่น ยีสต์ พยาธิตัวตืด เมล็ดพืช แบคทีเรียบางชนิด หรือในเนื อเยื่อ เช่น กล้ามเนื อลาย โดยใช้สาร อื่นที่ไม่มช่ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย แบ่งเป็น 2 ขั นตอน ดังนี 1. Glycolysis : เหมือนแบบใช้ออกซิเจนทุกประการ ได้ ____ ATP 2. Fermentation (การหมัก) : เกิดใน________________ มี__________________เป็นสารตั งต้น มีการสร้าง NAD+ ขึ นมาใหม่แต่จะไม่มีการสร้าง ATP ดังนั น การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน(Anaerobic respiration) ได้ ATP ทั งหมด _____ATP จากขั นGlycolysis เท่านั น การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน(Anaerobic respiration) มี 2 ประเภท ได้แก่ 1. การหมักแอลกอฮอล์ (Alcoholic fermentation) alcoholic fermentation พบในแบคทีเรียและยีสต์ ในกระบวนการนี กรดไพรูวิกที่ได้จาก กระบวนการไกลโคลิซิสจะถูกเปลี่ยนเป็นอะซิทัลดีไฮด์ (acetaldehyde) และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) จากนั น acetaldehyde ถูกออกซิไดซ์เปลี่ยนเป็นเอธิลแอลกอฮอล์ (Ethyl alcohol)
2. การหมักกรดแลคติก (Lactic acid fermentation) พบในแบคทีเรียบางชนิด ในคนพบในเซลล์กล้ามเนื อในสภาพที่ขาดออกซิเจนหรือมีปริมาณออกซิเจน น้อย เช่นท างานหนักหรือออกก าลังกาย กรดไพรูวิกจะท าหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน เกิดเป็นกรดแลคติก (Lactic acid) ดังภาพกระบวนการหมักแลคติค การสลายสารอาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจนอิเล็กตรอนไม่ได้ผ่านเข้าสู่ขั นตอนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน ดังนั นพลังงาน ATP ที่ได้จึงเกิดน้อยกว่าการสลายสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน พลังงาน ATP ที่เกิดขึ น จะได้มาจากขั นตอนไกลโคลิซิส 2 ATP ส่วนกรดแลคติกที่เกิดขึ นจะถูกล าเลียงออกจากเซลล์กล้ามเนื อไป ยังตับ เพื่อสังเคราะห์กลับเป็นน าตาลกลูโคสซึ่งร่างกายสามารถน าไปใช้ต่อไปได้ สรุปการสลายสารอาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจน 1. อาหารสลายตัวไม่สมบูรณ์ (ปฏิกิริยาการสลายกลูโคสสิ นสุดลงแค่ขั นไกลโคลิซีส) 2. ถ้าเป็นในพืชและยีสต์ผลสุดท้ายจะได้ เอทิลแอลกอฮอล์ + CO2 + 2 ATP ส าหรับในสัตว์ผลสุดท้าย ได้ กรดแลกติก (Lactic acid) 3. ถ้าเป็นในพืชและยีสต์เกิด CO2 ขึ นแต่ถ้าเป็นสัตว์ไม่เกิด CO2 ขึ น 4. ไม่เกิด H2O 5. ได้พลังงานน้อยกว่าการหายใจแบบใช้แก๊สออกซิเจน 18 – 19 เท่าการสลายสารอาหารแบบไม่ใช้ ออกซิเจนนี อาจเกิดขึ นได้ทั งในพืช สัตว์ และจุลินทรีย์ ตัวอย่างเช่น พืชที่อยู่ในภาวะน าท่วมท าให้รากได้รับออกซิเจนไม่เพียงพอ เซลล์ที่รากจึงต้องสลายสารอาหาร แบบไม่ใช้ออกซิเจน เป็นต้น
พลังงานที่ได้จากการสลายสารอื่นที่ไม่ใช่กลูโคส การสลายโมเลกุลกลีเซอรอล กลีเซอรอลเข้าสู่กระบวนการในช่วง____________________ การสลายโมเลกุลกรดไขมัน กรดไขมันมีการตัดสายไฮโดรคาร์บอนออกทีละ 2 อะตอมเพื่อจะเปลี่ยนเป็น Acetyl Co-A และเข้าสู่วัฎจักรเครบส์ต่อไป การสลายโมเลกุลของกรดอะมิโน กรดอะมิโนบางชนิดเปลี่ยนเป็น Acetyl Co-A บางชนิดเปลี่ยนเป็นสารตัวใดตัวหนึ่งในวัฎ จักรเครบส์ แต่ก่อนมีการเปลี่ยนแปลงจะต้องมีการตัดหมู่อะมิโน (-NH2)หรือย้ายหมู่อะมิโนไปอยู่กับ สารประกอบตัวอื่น หมู่อะมิโนที่หลุดออกมาจะเปลี่ยนเป็นแอมโมเนีย(NH3) ซึ่งร่างกายจะเปลี่ยนไปเป็น ยูเรียหรือกรดยูริก และก าจัดออกนอกร่างกายโดยระบบขับถ่าย
แบบทดÿอบ การĀายใจระดับเซลล ม.4 1. ในไกลโคลิซิส และวัฏจักรเครบส์ มีสิ่งที่เหมือนกนคือ ั ก. มีการใช้นํ้ า ค. ได้ ATP ข. สลายตัวให้คาร์บอนไดออกไซด์ ง. มีการใช้ออกซิเจน 2. ในไกลโคลิซิส และวัฏจักรเครบส์ มีสิ่งที่แตกต่างกนคือ ั ก. มีการใช้นํ้ า ค. ส่ง H+ ให้กบั NAD+ ข. สลายตัวให้คาร์บอนไดออกไซด์ ง. ทั้ งข้อ ก และข้อ ข จากแผนภาพข้างล่างนี้ ใช้ตอบคําถามข้อ 58 – 59 3. A คือ ก. การสังเคราะห์ด้วยแสง ค. การสังเคราะห์ไขมัน ข. การสังเคราะห์โปรตีน ง. ไกลโคลิซิส 4. B และ C คืออะไร ก. B คือกลูโคส C คือกรดไพรูวิก ค. B คือคาร์โบไฮเดรต C คือกรดไพรูวิก ข. B คือกลูโคส C คือกรดแลกติก ง. B คือโปรตีน C คือกรดแลกติก 5. จากแผนภาพ A และ B คืออะไร
ก. A คือ Acetadehyde B คือ Pyruvic acid ค. A คือ Acetadehyde B คือ Lactic acid ข. A คือ Pyruvic acid B คือ Acetadehyde ง. A คือ Lactic acid B คือ Acetadehyde 6. จากแผนภาพในข้อ 62 คือ ก. การหายใจของยีสต์ชนิดใช้ออกซิเจน ค. การหายใจของกล้ามเนื้อลายชนิดไม่ใช้ออกซิเจน ข. การหายใจของกล้ามเนื้อลายชนิดใช้ออกซิเจน ง. การหายใจของยีสต์ชนิดไม่ใช้ออกซิเจน 7. ตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน คือข้อใด ก. NAD+ ข. FAD ค. O2 ง. ทั้ งข้อ ก , ข และ ค 8. ในกระบวนการหายใจระดับเซลล์ ATP ซึ่งไม่ได้เกิดจากกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน นั้น มีกี่โมเลกุลหากเริ่มต้นจากกลูโคส 1 โมเลกุล ก. 2 ข. 4 ค. 6 ง. 8 9. จากแผนภาพข้างล่าง A คือ ก. Acetadehyde ค. Ethanol ข. Lactic acid ง. อาจเป็ นได้ทั้ งข้อ ก , ข และค 10. หากเริ่มต้นจากกรดอะมิโนเข้าสู่กระบวนการหายใจระดับเซลล์นั้น จะต้องผาน่ กระบวนการใดมาก่อน ก. เปลี่ยนกรดอะมิโนให้เป็ นแอซิติลโคเอนไซม์ เอ เสียก่อน ข. เปลี่ยนกรดอะมิโนให้เป็ นกรดไพรูวิก ค. ขจัดหมู่คาร์บอกซีลออกไปเสียก่อน ง. ขจัดหมู่อะมิโน ( - NH2 ) ออกไปเสียก่อน 11. ในกระบวนการหายใจระดับเซลล์ คาร์บอนไดออกไซด์ที่ได้ส่วนใหญ่ได้มาจากแหล่งใด ก. ไกลโคลิซิส ค. การสร้างแอซิติลโคเอนไซม์ เอ ข. การถ่ายทอดอิเล็กตรอน ง. วัฏจักรเครบส์
12. ในการหายใจระดับเซลล์ ออกซิเจนเข้าไปเกี่ยวข้องในช่วงใด ก. การถ่ายทอดอิเล็กตรอน ค. วัฎจักรเครบส์ ข. ไกลโคลิซิส ง. การสร้างแอซิติลโคเอนไซม์ เอ 13. ในการหายใจระดับเซลล์หากเริ่มจากไขมัน จะต้องผานกระบวนการใด ่ ก. แตกตัวออกเป็ นกรดไขมันกบกลีเซอรอลเสียก ั ่อน ค. ดึงนํ้ าออกจากไขมัน ข. ดึงคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากไขมัน ง. เข้าสู่วัฏจักเครบส์ได้โดยตรง 14. ในวัฏจักรเครบส์จะไม่ เกิดอะไร ก. H2 O ข. ATP ค. O2 ง. H+ 15. ในวัฏจักรเครบส์มีการเปลี่ยนแปลงจํานวนคาร์บอนอะตอมดังต่อไปนี้ ก. 6C → 5C → 4C ข. 6C → 5C → 4C → 2C ค. 4C → 2C → 6C → 5C ง. 2C → 4C → 5C → 6C 16. สารอาหารเมื่อรวมตัวกบออกซิเจนในเซลล์จะเก ั ิดสิ่งใดขึ้นมากด้วย ก. นํ้ า ข. คาร์บอนไดออกไซด์ค. พลังงาน ง. ทั้ งข้อ ก ข และ ค 17. สารเคมีใดที่ให้พลังงานกบสิ ั่งมีชีวิตทุกชนิด ก. ฮอร์โมน ข. DNA ค. ATP ง. RNA 18. เนื้อเยื่อสัตว์มีกระดูกสันหลังชั้ นสูงที่สามารถเกิดการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนได้เป็ นพิเศษ คือ ก. กล้ามเนื้อหัวใจ ข. กล้ามเนื้อเรียบ ค. กล้ามเนื้อลาย ง. ม้าม 19. ส่วนของไมโทรคอนเดรียที่มีสารประกอบเกี่ยวข้องกบกระบวนการถั ่ายทอดอิเล็กตรอนใน วัฏจักรเครบส์ คือ ก. 1 ข. 2 ค. 3 ง. 4 20. A คือ _________________________ A