(Enzyme and Bioenergeticspirun.ku.ac.th/~fscijws/Bioenergetics2.pdfJuly’ 2005 424111 Principles of...

July’ 2005 424111 Principles of Biology

ผศผศ..ดรดร.. จินดาจินดาวรรณวรรณ สิรันทวิเนติสิรันทวิเนติภาควิชาภาควิชาสัตวสัตววิทยาวิทยา คณะวิทยาศาสตรคณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตรมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร

เอนไซมเอนไซม && พลังงานในสิ่งมีชีวิตพลังงานในสิ่งมีชีวิต (Enzyme and (Enzyme and BioenergeticsBioenergetics))

หองทํางาน: ชีว. 402A ตึกชีววิทยา หรอื

หองทํางานชั่วคราวชั้น 2 อาคารสโมสรคณะวิทยาศาสตร (ขางตึกชีววิทยา)

E-mail: fscijws@ku.ac.th

http://course.ku.ac.th log in เขาสูรายวิชา 424111

จุดประสงคของหัวขอการเรียนจุดประสงคของหัวขอการเรียน6.6. สามารถอธิบายพลังงานในสิ่งมีชีวิตสามารถอธิบายพลังงานในสิ่งมีชีวิต และพลังงานที่เกี่ยวของในระบบชีวภาพและพลังงานที่เกี่ยวของในระบบชีวภาพ7.7. ทราบความสําคัญของพลังงานในสิ่งมีชีวิตทราบความสําคัญของพลังงานในสิ่งมีชีวิต และและ ATPATP8.8. สามารถอธิบายโครงสรางสามารถอธิบายโครงสราง กระบวนการสังเคราะหกระบวนการสังเคราะห และการแยกสลายและการแยกสลาย A ATPTP9.9. สามารถบอกชนิดของสารที่ใหพลังงานสงูสามารถบอกชนิดของสารที่ใหพลังงานสงู พรอมยกตัวอยางประกอบพรอมยกตัวอยางประกอบ

1.1. สามารถใหความหมายสามารถใหความหมาย หนาที่หนาที่ โครงสรางโครงสราง และคุณสมบัติของเอนไซมและคุณสมบัติของเอนไซม2.2. สามารถอธิบายการทํางานของเอนไซมสามารถอธิบายการทํางานของเอนไซม และการเกิดปฏิกิริยาระหวางเอนไซมและการเกิดปฏิกิริยาระหวางเอนไซม และและ

ซับสเตรตซับสเตรต3.3. ทราบถึงปจจัยทราบถึงปจจัย และผลที่เกิดขึ้นกับอัตราการทํางานของเอนไซมและผลที่เกิดขึ้นกับอัตราการทํางานของเอนไซม4.4. สามารถอธิบายความหมายสามารถอธิบายความหมาย ความสําคัญความสําคัญ โครงสรางและการทํางานของแอลโครงสรางและการทํางานของแอล--โลสเตอโลสเตอ

ริกริก เอนไซมเอนไซม5.5. สามารถจาํแนกประเภทของเอนไซมตามหนาที่สามารถจาํแนกประเภทของเอนไซมตามหนาที่ และรูจักการเรียกชื่อเอนไซมและรูจักการเรียกชื่อเอนไซม

พลังงานในสิ่งมีชวีิต (Bioenergetics)- การศึกษาวาสิ่งมีชีวิตสามารถจัดการแหลงพลังงานของมันไดอยางไร- อุณหพลศาสตรที่เกี่ยวของในระบบชวีภาพ

Bioenergetics is the study of thermodynamics as applied to biological systems.

วัฏจักรของสสารและพลังงานที่สําคัญของชีวิต(http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/summer2004/energy.jpg)

เมแทบอลซิมึเมแทบอลซิมึ พลงังานพลงังาน และชีวิตและชีวิต(Metabolism, Energy, and Life)(Metabolism, Energy, and Life)

ปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดของที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวติ “metabolism”.

Metabolism จัดการแหลงวสัดุ และพลังงานตางๆ ของเซลล.

Credit….http://biology.umt.edu/biol101/lecture.htm#vacation

วิถีแอแนบอลิก (AnabolicPathways)

วิถีแคแทบอลิซึม (CatabolicPathways)

การคูควบ

พลังงาน

( Energ

y coup

ling )

เราตองการ “พลังงาน” ไปทําอะไร ?การสังเคราะห (Synthesis)

งานกล (Mechanical work)ความรอน (การปรับความรอนภายใน)Heat (homeotherms)

etc.

ENERGY คือวิสัยสามารถในการทํางาน (the capacityto do WORK)

เพื่อขับเคลื่อนสสาร ตานตอแรงที่มาในทางตรงขาม

ENERGY มีหลายชนดิ

2 2 ตัวอยางตัวอยาง คือคือ

1.1. พลังงานจลนพลังงานจลน (Kinetic energy)(Kinetic energy)

2.2. พลังงานศักยพลังงานศักย (Potential energy)Potential energy)

SUNจลน (Kinetic) ศักย (Potential)

Gravity

Chemical

ENERGY

Electricity

Sound

Heat Magnetic

POTENTIAL ENERGY

KINETIC ENERGY

Lamody

nลศาส

ตws of am

Ther

ics

กฏของอุณห

พร การศึกษาการแปลงพลังงานที่เกดิขึ้นในสสารการศึกษาการแปลงพลังงานที่เกดิขึ้นในสสาร

กฎ 2 ขอ ของอุณหพลศาสตร

1.1. First Law of ThermodynamicsFirst Law of Thermodynamics

2.2. Second Law of ThermodynamicsSecond Law of Thermodynamics

First Law nam

ic of

Thermody

sPrinciple of conservation of energyPrinciple of conservation of energy

พลังงานไมสามารถถูกสราง หรือทําลายได แต...สามารถแปลงเปลี่ยนเปนรูปแบบอื่นได

ปริมาณพลังงานทั้งหมดในเอกภพ (universe) คงที่

ทุกการแปลงเปลี่ยนพลังงานเปนไปอยางไมมีประสิทธิภาพ เพราะในทุกปฏิกริิยามีผลใหเกดิการเพิ่มขึ้นของ “เอนโทรป” และสูญเสียลังงานที่ใชไปในรูปของความรอน

Second

La namicw o

f

Thermody

s

เอนโทรป (entropy):

ปริมาณความไมเปนระเบียบ (disorder) ในระบบ

Campbell; Fig. 6.5

Free energy (G):Free energy (G): พลังงานในระบบพลังงานในระบบ ที่สามารถทํางานไดที่สามารถทํางานได เมื่อเมื่ออยูในสภาวะที่มีอุณหภูมิแบเดียวกันทั่วทั้งระบบอยูในสภาวะที่มีอุณหภูมิแบเดียวกันทั่วทั้งระบบ ((เชนที่พบในเซลลที่มีชีวิตเชนที่พบในเซลลที่มีชีวิต

-- GG ประกอบดวยประกอบดวย พลังงานทั้งหมดของระบบพลังงานทั้งหมดของระบบ (H)(H) และอุณหภูมิของระบบและอุณหภูมิของระบบ (TS)(TS)

สิ่งมีชีวิตดํารงชีวิตอยูโดยมีการใชพลังงานอิสระ (free energy)

G = H-TSG = พลังงานอิสระ (free energy to do work) H = พลังงานทั้งหมดของระบบT = อุณหภูมิสัมบูรณของระบบ S = เอนโทรป

โดยทั่วไปในปฏิกิริยาทางชีวภาพโดยทั่วไปในปฏิกิริยาทางชีวภาพ หรือทางเคมีหรือทางเคมี มีการถายโอนหรือมีการถายโอนหรือเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้นเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้น ระหวางระหวางตัวทําปฏกิิริยาตัวทําปฏกิิริยา (reactants)(reactants) และและ

ผลิตภัณฑผลิตภัณฑ// ผลิตผลที่ไดผลิตผลที่ได ( (products)products)

ProductsReactants

G = H-T S

G: G: การเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระในระบบจากสถานะเริ่มตนการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระในระบบจากสถานะเริ่มตน ไปยังสถานะสุดทายไปยังสถานะสุดทาย

ProductsReactants

G = G (product) G = G (product) -- G (reactants)G (reactants)

ถาถา G G มีคาเปนมีคาเปนลบลบ จะมีแนวโนมเกิดไดเองจะมีแนวโนมเกิดไดเอง (occur spontaneously) (occur spontaneously) ของปฏิกิริยาขางหนาของปฏิกิริยาขางหนาเปนปฏิกิริยาที่มีการคายพลังงานเปนปฏิกิริยาที่มีการคายพลังงาน ((exergonicexergonic reaction)reaction)

ถาถา G G มีคาเปนมีคาเปนบวกบวก จะมีแนวโนมเกิดไดเองจะมีแนวโนมเกิดไดเอง ของปฏิกิริยายอนกลับของปฏิกิริยายอนกลับเปนปฏิกิริยาที่มีการดูดกลืนพลังงานเปนปฏิกิริยาที่มีการดูดกลืนพลังงาน ((endergonicendergonic reaction)reaction)

ถาถา G G มีคาเปนมีคาเปนศนูยศนูย ทั้งปฏิกิรยิาขางหนาทั้งปฏิกิรยิาขางหนา และปฏิกิริยายอนกลับจะเกิดขึ้นในอัตราที่เทากันและปฏิกิริยายอนกลับจะเกิดขึ้นในอัตราที่เทากัน ;;

ปฏิกิริยาอยูที่สมดุลปฏิกิริยาอยูที่สมดุล ( (equilibrium).equilibrium).

การคูควบพลังงานที่เกดิขึ้นในสิ่งมชีีวิต โดยใช ATP

และงานที่เกดิขึ้นภายในเซลล

http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e19/19a.htm

การเก็บพลงังานที่ไดจากปฏิกริิยาเคมีในเซลล

สารที่สําคัญที่มากที่สุดคือ Adenosine triphophate

โครงสรางของ ATP

Adenosine triphosphate (ATP)สารเคมีพลังงานสูง

-ประกอบดวยองคประกอบ 3 ชนิด คอื

พันธะที่มีพลังงานสูงพันธะที่มีพลังงานสูง ใชสัญลักษณใชสัญลักษณ ~~ แทนแทน ––

http://www.biology.eku.edu/RITCHISO/atp.gif

เบสอะดีนีน (adenine) 1 โมเลกุลน้ําตาลไรโบส (ribose) 1 โมเลกุล

กรดฟอสฟอริกในรปูหมูฟอสเฟต (Pi = inorganic phosphate) 1 โมเลกุล

- ทั้งหมดมีอยูประมาณ 2-15 mM แตกตางกันขึน้อยูกับชนิดของเซลล และ ชนิดของสิ่งมีชีวิต

- ATP จะมีปรมิาณมากที่สุด/ AMP จะมีปริมาณนอยที่สุด

ในเซลลพบปริมาณ ATP > ADP > AMP

*ปริมาณของ ATP ADP และ AMP*

A cartoon and space-filling view of ATP. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition.

กระบวนการแยกสลายและสงัเคราะห ATP

กระบวนการแยกสลายดวยน้ํากระบวนการแยกสลายดวยน้ํา (hydrolysis) (hydrolysis) ของของATPATPATP ATP ++ HH22O O --------> ADP + Pi + energy (approximately 7 kcal/mole) > ADP + Pi + energy (approximately 7 kcal/mole)

–– หมูหมูฟอสเฟตฟอสเฟต-- หมูฟอสเฟตหมูฟอสเฟต มีการเชือ่มตอดวยมีการเชือ่มตอดวย anhydride linkageanhydride linkage

กระบวนการสงัเคราะหกระบวนการสงัเคราะห ATP ATP โดยกระบวนการฟอสฟอรีเลชันโดยกระบวนการฟอสฟอรีเลชัน ((phosphorylationphosphorylation))ADP + Pi + energy ADP + Pi + energy --------> ATP> ATP

Production & hydrolysis of ATP

http://student.ccbc.cc.md.us/biotutorials/energy/adpan.html

กระบวนการที่สารรวมกับหมูฟอสเฟต

เรียกวา “ ฟอสฟอรีเลชนั (phosphorylation) ”

http://courses.washington.edu/conj/protein/proregulate.htm

ปฏิกิริยาการสรางปฏิกิริยาการสราง ATP (ATP (PhosphorylationPhosphorylation) ) เกดิขึ้นไดเกดิขึ้นได 33 แบบแบบ คือคือ

–– การการถายทอดหมูฟอสเฟตจากสารที่มีพันธะเคมีพลังงานสูงกวาใหถายทอดหมูฟอสเฟตจากสารที่มีพันธะเคมีพลังงานสูงกวาให ADP ADP โดยตรงโดยตรง

PhosphoenolPhosphoenol pyruvatepyruvate + + ADP ADP PyruvatePyruvate + ATP+ ATPpyruvatekinase

1. ซับสเตรท ฟอสฟอรีเลชัน (Substrate phosphorylation)

Substrate-Level Phosphorylation

http://student.ccbc.cc.md.us/biotutorials/energy/subphos.html

•2. โฟโตฟอสฟอรีเลชัน (Photophosphorylation)–โดยการใชพลังงานแสงที่ไดรับมา การรวมตัวของ ADP กบัฟอสเฟต–เกิดขึ้นระหวางการถายอิเล็กตรอนของปฏิกิริยาใชแสงในกระบวนการ

สังเคราะหดวยแสงNoncyclic Photophosphorylation

http://www.cat.cc.md.us/courses/bio141/lecguide/unit1/eustruct/phofig2.html

- โดยการรวมตัวของ ADP กับฟอสเฟตในขณะทีม่กีารถายอิเล็กตรอนของกระบวนการหายใจที่เกิดข

3. ออกซิเดตีฟ ฟอสฟอรีเลชัน (Oxidative phosphorylation)

ึ้นภายในไมโทคอนเดรียthe transfer of electrons from NADH, through the electron carriers in the electron transport chain, to molecular oxygen.

the membranes of the mitochondrion.

http://wunmr.wustl.edu/EduDev/LabTutorials/Cytochromes/cytochromes.html

สารที่ใหพลังงานสูงสารที่ใหพลังงานสูง (High energy compound)(High energy compound)

http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e19/19a.htm

แบง “สารที่ใหพลังงานสูงสารที่ใหพลังงานสูง”” เปน 5 ชนดิ ตามพันธะ ดังนี้1. Pyrophosphate bond (P~P) 1. Pyrophosphate bond (P~P)

เชนเชน ในใน ATP ATP, ADP, ADP2. Carboxyl phosphate bond (2. Carboxyl phosphate bond (--COO~P)COO~P)

เชนเชน ในใน 1 1,3,3-- diphosphoglycericdiphosphoglyceric acid (1,3acid (1,3-- diPGAdiPGA))

http://www.columbia.edu/itc/biology/chasin/lecture8/lec8_00.htm

3. Aminephosphate bond (-C-NH~P)

เชนใน Phosphocreatine

http://www.nismat.org/hot/creatine_gen.gif

4. Enolphosphate bond (CH2=CO~P)

COOHเชนใน Phosphoenolpyruvate (PEP)

http://www.bact.wisc.edu/microtextbook/metabolism/images/PEPtoPyr.gif

5. Thioester bond (-CO~S)

เชน ใน acetyl CoA

http://falcon.sbuniv.edu/~ggray.wh.bol/CHE3364/nonpolcatab.gif

การประยุกตใชพลังงานในกระบวนการเมแทบอลิซึมตางๆ

เครือขายพลังงานในสิ่งมีชีวิต (Bioenergetic network)และ

Questions?

Thank you!ผศ.ดร. จินดาวรรณ สิรันทวิเนติหองชีว. 402A ตึกชีววิทยา คณะวิทยาศาสตรหรือที่...หองทํางานชั่วคราวชั้น 2 อาคารสโมสรคณะวิทยาศาสตร (ขางตึกชีววิทยา)

E-mail: fscijws@ku.ac.th

54

สวัสดีคะ

http:// course.ku.ac.th/424111