1

Cell Respiration

O2 CO2 BREATHING

Lungs

CO2 O2 Bloodstream

Muscle cells

carrying out

CELLULAR

RESPIRATION

Sugar + O2 ATP + CO2 + H2O

2

ความหมายของการหายใจระดบเซลล ( cellular respiration ) หมายถง

Time

r

การยอยสลายสารอาหารโดยใชกระบวนการถายทอดอเลกตรอนเพอสราง ATP

การใชสารอนนอกจากออกซเจนมาเปนตวรบอเลกตรอน

การใชออกซเจนเปนตวรบอเลกตรอนตวสดทาย ( final electron acceptor )

การสลายอาหารโดยเรมตนจากกลโคส จนไดสารทมโมเลกลเลกทสด

3

การเปลยนรปพลงงานและการหมนเวยนสารเคมในระบบนเวศ

Chloroplast และ mitochondria เปน organelles

ทเปลยนพลงงานรปหนงไปอกรปหนง

ในChloroplast เกดกระบวนการ photosynthesis ซงพลงงานแสงถกเปลยนเปนพลงงานสะสมในคารโบไฮเดรต

ท mitochondria เกดกระบวนการ cellular respiration

พลงงานทเกบไวในคารโบไฮเดรตจะถกเปลยนเปนพลงงานในรป ATP ซงสงมชวตจะน าไปใชในเซลลตอไป

มพลงงานบางสวนสญเสยไปกบความรอน

Catabolism

Anabolism

4

กระบวนการเมทาบอลซมหมายเลข 1,2 ตามล าดบ คอ 60

1

2

Anabolism, Catabolism

Catabolism, Anabolism

5

สารเคมใดทใหพลงงานกบสงมชวตทกชนด Time

r

Phosphate ATP

ADP Adenine

6

ATP (Adenosine triphosphate)

เปนสารเคมทมพลงงานสงพรอมทจะแตกตวปลอยใหพลงงานออกมาใชทใดทหนงได

7

เมอ ~P สลายภายในเซลล พลงงานบางสวนจะสญเสยไปในรปของความรอน และบางสวนถกน าไปใชท างาน และเมอ ATP ถายทอด ~P ใหกบโมเลกลของสารอน โมเลกลของสารนนจะไดพลงงานเพมขนดวย ท าใหเกดปฏกรยากบโมเลกลอนตอไป ดงนนพลงงานจาก ATP สามารถท าใหเกดปฏกรยาเคมภายในเซลลได

The energy in an ATP molecule

• Lies in the bonds between its phosphate groups

Phosphate

groups

ATP

Energy P P P P P P Hydrolysis

Adenine

Ribose

H2O

Adenosine diphosphate Adenosine Triphosphate

+ +

ADP

Figure 5.4A

9

ATP เมอถกใชแลวสามารถสรางกลบมาใหมได

10

Metyonine

Ribose

Ribosome

Adenine

สวนประกอบของ ATP ประกอบไปดวย คอ

3

4

5

6

<Keypad will appear here based on shape and location of this rectangle.>

60

Phosphate groups

Phosphoenal

1

2

11

พลงงานทสามารถน าไปใชไดอยทโครงสรางใด Time

r

Adenine Phosphate groups

Ribose Adenine, Ribose

12

สงมชวตเกบพลงงานทไดจากการหายใจไวในรปอนทรยสารทมพลงงานสงชนดหนง โดยพลงงานนนอยทพนธะเคมระหวาง

Time

r

หมฟอตเฟตกบ หมน าตาลไรโบส

หมเบสอะดนนกบ หมฟอตเฟต

หมน าตาลไรโบสกบ หมเบสอะดนน

หมฟอสเฟตกบ หมฟอตเฟต

13

พลงงานในรป ATP ถกน าไปใชท างานตางๆภายในเซลล

14

จากแผนภาพขางลางแสดงการใชพลงงานในรปตาง ๆ อยากทราบวา A คออะไร B คออะไร

Time

r

A คอ O2 B คอ CO2

A คอ ATP B คอ ADP

A คอ CO2 B คอ O2

A คอ ADP B คอ ATP

15

ATP สรางขนอยางไร

เรยกกระบวนการสราง ATP วา Phosphorylation มวธการสรางหลายแบบ

1. Oxidative phosphorylation

2. Substrate phosphorylation

3. Photophosphorylation

16

Oxidative phosphorylation

การสราง ATP จากการถายทอด e- ผานสารน า e- เชน NADH,

FADH2 ใน e-

transport chain ท mitochondria และม O2 เปนตวรบ e- ตวสดทาย

17

Substrate phosphorylation

ATP ถกสรางโดยการถายทอด ~P จากสารทมพนธะเคมพลงงานสงกวามายง ADP

โดยตรง โดยม enzyme กระตน

18

Photophosphorylation

แสงท ำให e- จำกน ำ ถกถำยทอดไปตำม

e- transport chain

ใน chloroplast

ไดพลงงำนในรป ATP

19

กระบวนการใดในสงมชวตไมสามารถสราง ATPได Time

r

Oxidative

phosphorylation

Substrate phosphorylation

Photophosphorylation Hydrolysis

20

การสราง ATP จากการถายถอด e ผานสารตวน า คอ Time

r

Oxidative

phosphorylation

Substrate phosphorylation

Photophosphorylation Photosynthesis

21

NAD+ = nicotinamide adenine dinucleotide

22

NAD+

พบในเซลล

ท างานรวมกบ enzyme โดยเปนตวรบ e- ในปฏกรยา oxidation-reduction

Oxidation

R C R’ + NAD+ R C R’’ + NADH + H+

H

OH O

Dehydrogenase

Reduction

NAD+ = oxidized coenzyme

NADH = reduced coenzyme

FAD (flavin adenine dinucleotide) เปนตวน าอเลกตรอน พรอมดวยโปรตรอน FAD 1 โมเลกลรบอเลกตรอนและโปรตรอนจะได FADH2

ดงสมกำร FAD + 2H+ + 2e- -----------> FADH2

FADH2 มสมบตเปนตวใหอเลกตรอน เมอเขาสกระบวนการถายทอดอเลกตรอนพลงงานทสะสมอยจะถกน ามาใชในการสราง ATP

FAD มวตามน B2 (riblfavin) เปนองคประกอบ

NAD (nicltinamide adenine dinucleotide) เปนตวน าอเลกตรอน พรอมดวยโปรตรอนและเนองจากอะตอมของไนโตรเจนทเปนองคประกอบของ NAD มประจบวกจงเขยนวา NAD+ มวตามน B5 คอไนอะซน (niacin) เปนองคประกอบ

รหรอไม

24

ขอใดไมใชสารตวน าในการถายทอด e คอ Time

r

NADH FAD

NAD+ ขอ B และ C

25

Cellular respiration

รวมหมายถง 2 กระบวนการ คอ

- Aerobic cellular respiration

กระบวนกำรหำยใจแบบใชออกซเจน

- Anerobic cellular respiration

(Fermentation)

กระบวนกำรหำยใจแบบไมใชออกซเจน หรอ

กระบวนกำรหมก

26

Aerobic cellular respiration

เปนกระบวนการยอยสารอาหาร เพอใหได ATP และม O2 เปนตวรบ e- ตวสดทาย

C6H12O6 6 O2 6 CO2 6 H2O

Loss of hydrogen atoms

(oxidation)

Gain of hydrogen atoms

(reduction)

Energy

(ATP) Glucose

+ + +

ใหนกเรยนเขยนปฏกรยำกำรหำยใจระดบเซลล เมอใช glucose 2 โมเลกล?

H2O CO2

C6H12O6 O2

ATP

1 2 3 4 5 6 7 8 9

H2O

CO2

C6H12O6 O2

ATP

2

2

2

12

12

12

12

12

12

+ + +

38

38

38

76

76

76

76

76

76

+ + +

28

ปฏกรยานควรเกดขนทใด Time

r

mitochondria cholorplast

nucleus cytoplasm

29

Fermentation

เปนกระบวนการยอยสารอาหาร เพอใหได ATP

โดยม organic compounds เปนตวรบ e-

เปน anaerobic process

เปนการยอยสลาย glucose เพยงบางสวน ผลได lactate (animal cell) หรอ CO2 + alcohol

(yeast)

ได 2 ATP

30

Aerobic cellular respiration ประกอบดวย

Glycolysis

Krebs cycle

Electron transport chain (ETC) and

oxidative phosphorylation

Glycolysis

Kreb’s Cycle (Citric acid cycle)

Electron transport chain(ETC)

34

ETC

จบคต าแหนงการเกดปฏกรยาการหายใจระดบเซลล

Glycolysis

Kreb’s Cycle

Inner membrane mitochondria

Matrix

Cytosol

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Outer membrane mitochondria

35

จำกแผนภำพ A คอ Time

r

การสงเคราะหดวยแสง การสงเคราะหไขมน

การสงเคราะหโปรตน ไกลโคลซส

36

จำกแผนภำพ B และ C คออะไร Time

r

B คอกลโคส C คอกรดไพรวก B คอคารโบไฮเดรต C คอกรดไพรวก

B คอกลโคส C คอกรดแลกตก B คอโปรตน C คอกรดแลกตก

37

เมอรางกายของเราเกดการเผาผลาญ glucose ในเซลลแลว ได product

รางกายท าอยางไร

คนเราหายใน O2 เขาไปในปอด และรบประทานอาหาร glucose ซง O2

และ glucose เขาไปในกระแสเลอด แลวเขาไปในเซลล

Glycolysis เกดขนท cytoplasm ได pyruvate

Pyruvate เขาไปใน mitochondria และถกเผาผลาญตอไป จนได

CO2 + H2O + พลงงานในรป ATP

CO2 , H2O และ ATP แพรออกจาก mitochondria ไปยง cytoplasm

ATP ถกน าไปใชประโยชนภายในเซลล CO2 แพรออกจากเซลล เขาไปในกระแสเลอด และหายใจออกไป สวน H2O จะถกน าไปใชในเซลล

Glycolysis 6C

6C

6C

6C

3C 3C

3C

3C

3C

3C

3C

40

สรป Glycolysis

41

โปรตนทอยทผวของ mitochondria จะขนสง pyruvate

เขาไปใน mitochondria

2 Pyruvate 2 Acetyl CoA + 2NADH

2C2O ออกจากเซลล

Net:

3C

2C

42

เมอสนสดกระบวนการไกลโคลซสแลว จะไดกรด ไพรวกซงเปลยนแปลงตอไป ในการหายใจและใชออกซเจน คอ

Time

r

ท าปฏกรยากบโคเอนไซม เอ เปลยนเปน CO2 หมด

เปลยนเปนกรดซตรก เปลยนเปนกรดแลกตก

43

ผลผลตทไดเมอสนสดกระบวนการไกลโคลซส 1 ครงคอ Time

r

2 กรดไพรวก + 2ATP + 4H

2 แอซตลโคเอนไซม เอ + 2 คารบอนไดออกไซด + 2ATP + 4H

กรดไพรวก + 2ATP + 4H

แอซตลโคเอนไซม เอ + คารบอนไดออกไซด + 2ATP + 4H

44

Krebs cycle เกดท mitochondria matrix

4C

2C

6C

5C

4C

4C

4C

4C

6C

4C

6C

5C

ใหนกเรยนจดเรยงจ ำนวน C อะตอมทเกนขนใน Kreb’s Cycle?

1 2 3 4 5 6 7 8 9

2C 4C 6C 5C

46

ใน 2 Krebs cycle / 1 Glucose

2 Acetyl CoA 4CO2

+ 6NADH2

+2 FADH2

+ 2 ATP (substrate level phosphorylation)

e- transport chain

สรป Kreb’s Cycle

47

ในวฏจกรเครบสจะไมเกดอะไร Time

r

H2 O O2

ATP H+

48

ในวฏจกรเครบสมการเปลยนแปลงจ านวนคารบอนอะตอมดงตอไปน

Time

r

6C 5C 4C

4C 2C 6C 5C

6C 5C 4C 2C

2C 4C 5C 6C

49

ในการหายใจระดบเซลล สารประกอบชนดใดเปนสารตวแรกทเขาสไมโทคอนเดรย

Time

r

ไดไฮดรอกซแอซโตน ฟอสเฟต กรดไพรวก

ฟอสโฟอนอลไพรเวต แอซตลโคเอนไซม เอ

50

The pathway of

electron transport

ETC ประกอบดวย

electron carrier molecules (ตวรบ e-)ทอยใน inner mitochondrial

membrane

ตวรบ e- จะรบเฉพาะ e-

H+ จะถกปลอยออกมาและถกสงออกไปท intermembrane space

51

O2 จะเปนตวรบ e- ตวสดทาย

แลวรวมกบ H+ กลายเปน H2O

½ O2 + 2e- + 2H+ H20

สรปวา

ETC ไมท าใหสราง ATP

โดยตรง แตท าใหเกด H+

gradient ทผนงดานในของ mitochondria ซงท าใหสะสมพลงงานมากพอทจะท าใหเกด

phosphorylation

52

ATP synthase เปน

protein cmplex ท าหนาทสงเคราะห ATP ซงจะท างานไดโดยการไหลผานของ H+

การสราง ATP แบบน เรยกวา Chemiosmotic

ATP synthesis

53

Electron transport chain and oxidative phosphorylation

55

ตวรบไฮโดรเจนในกระบวนการถายทอดอเลกตรอน คอ Time

r

NAD+ O2

FAD ทงขอ ก , ข และ ค

56

ในกระบวนการหายใจระดบเซลล คารบอนไดออกไซดทไดสวนใหญไดมาจากแหลงใด

Time

r

ไกลโคลซส การสรางแอซตลโคเอนไซม เอ

การถายทอดอเลกตรอน วฏจกรเครบส

57

ในการหายใจระดบเซลล ออกซเจนเขาไปเกยวของในชวงใด Time

r

การถายทอดอเลกตรอน วฎจกรเครบส

ไกลโคลซส การสรางแอซตลโคเอนไซม เอ

58

ในการหายใจแบบใชออกซเจน แกสออกซเจนท าหนาทใด Time

r

ตวรบอเลกตรอน เปนตวรบโปรตอน

ตวใหอเลกตรอน ตวรบอเลกตรอนและโปรตอน

59

Review: how each molecules of glucose yields many

ATP molecules during cellular respiration

60

61

ในกระบวนการหายใจระดบเซลล ATP ซงไมไดเกดจากกระบวนการถายทอดอเลกตรอนนน มกโมเลกลหากเรมตนจากกลโคส 1 โมเลกล

Time

r

2 6

4 8

62

การแยกสลายน าตาลกลโคสในสงมชวตชนสง กระบวนการทท าใหเกดพลงงานมากทสด เกดขนทบรเวณ

Time

r

ไรโบโซม ผนงไมโทรคอนเดรยชนใน

ผนงไมโทคอนเดรยชนนอก ชองวางภายในไมโทรคอนเดรย

63

เมอสนสดกระบวนการหายใจแบบใชออกซเจนในเซลล ยคารโอต จากกลโคส 1 โมเลกล จะไดพลงงาน ATP ทงหมดกโมเลกล

Time

r

30 34

32 38

64

เฉพาะในวฏจกรเครบส 1 รอบ จะไดพลงงานเกดขนเทาใด หลงจากผานการถายทอดอเลกตรอนแลว

Time

r

2 ATP 12 ATP

13 ATP 36 ATP

65

การคดพลงงานทไดจากวฏจกรเครบส ถาเรมจากกลโคส 1 โมเลกล จะไดพลงงานเทาใด

Time

r

22 ATP 32 ATP

24 ATP 36 ATP

66

Fermentation

(Backup ATP production)

Glycolysis Pyruvate Lactate (animal)

CO2 + alcohol (yeast)

หรอ อาจจะได product อนๆ ขนอย กบ enzyme ในสงมชวตนน

67

ผลของ fermentation จะได 2ATP

NADH ทไดจาก fermantation จะถกเปลยนเปน NAD+ เพอใชใน glycolysis ได

68

Alcohol fermentation (yeast)

69

ในกระบวนการสลายกลโคสของยสต ถาขาดออกซเจนมารบไฮโดรเจนสงทจะเกดขนตามมา คอ

Time

r

ปฏกรยาจะหยดอยแคการถายทอดอเลกตรอน

จะไดเอทลแอลกอฮอลและคารบอนไดออกไซด

กระบวนการหยดแคกรดไพรวก จะไดกรดแลกตกและคารบอนไดออกไซด

70

การทเราอาจหมกเหลาไวนในขวดฝาปดระบายแกสออกได แตแกสภายนอกเขาไปไมได เพราะ

Time

r

ยสตสามารถสลายอาหารไดโดยไมตองออกซเจน

ยสตสามารถสลายโมเลกลของน าแลวน าเอาออกซเจนมาใช

ออกซเจนทละลายอยมพอแกความตองการของยสต

ยสตสามารถสลายอาหารไดอยางสมบรณโดยไมตองใชออกซเจน

71

กระบวนการหายใจแบบใชออกซเจนทเกดในแบคทเรยบางชนด จากกลโคส 1 โมเลกล ควรไดพลงงานจ านวนเทาใด

Time

r

2 36

8 38

72

Lactic acid fermentation (animal cell)

73

เนอเยอสตวมกระดกสนหลงชนสงทสามารถเกดการหายใจแบบไมใชออกซเจนไดเปนพเศษ คอ

Time

r

กลามเนอหวใจ กลามเนอลาย

กลามเนอเรยบ มาม

74

Pyruvate as a key junction in catabolism

ผลของ Glycolysis

คอ pyruvate ซงจะถกเผาผลาญตอไปดวย

fermentation หรอ

aerobic cellular respiration แลวแตวาจะอยในภาวะทม O2

หรอไม ส าหรบเซลลทสามารถเกดกระบวนการหายใจไดทง 2 แบบ

75

ถงแมวา fermantation จะไดพลงงานนอย แตกส าคญเพราะวาท าใหได ATP อยางรวดเรว ในรางกายของเรา muscle cell จะเกด

fermentation มากในขณะทรางกายท างานหนกในระยะเวลาสน เชน วง fermentation เปนกระบวนการใหเกด ATP และ lactate ใน

muscle cell ในตอนแรก เมอมจ านวนมากขนท าใหเกดอาการเมอยลา เนองจากมสภาพเปนกรดมาก เมอหยดวงรางกายหายใจแรงเปนการน าเอา O2 มาใชเพมมากขน lactate จะถกสงไปทตบ และถกเปลยนเปน

pyruvate

ในเซลลของยส ถาม glucose จ านวนมาก ยสจะหายใจแบบ

anaerobic ไดเปน alcohol เมอม alcohol เพมจ านวนมากขนจะท าใหยสตายได

จากการทคนพบกระบวนการ fermentation จงน ามาใชประโยชนไดมากมาย

76

กระบวนการหายใจแบบใชออกซเจน ใหพลงงานมากกวาการหายใจแบบไมใชออกซเจน เพราะกระบวนการแบบหลง

Time

r

เกดขนเฉพาะในสงมชวตชนต า เชน ยสต และพชซงใชพลงงานนอยกวา

ยอยสลายโมเลกลอนทรยสารไดพลงงานนอยกวากระบวนการแรก

ตองการออกซเจนเปนตวรบไฮโดรเจนอะตอม

เปนกระบวนการเคมทเกดกบสารประกอบคารโบไฮเดรต

77

แกสชวภาพทน ามาใชเปนเชอเพลงแทนถานหรอฟนในการหงตมอาหารตามชนบทนน เกดจาก ปฏกรยาของมลสตวกบ ( 1 ) และแกสทไดคอ ( 2 )

Time

r

( 1 ) แบคทเรยแอโรบก

( 2 ) แกสมเทน ( CH4 )

( 1 ) แบคทเรยแอนาโรบก

( 2 ) แกสมเทน

( 1 ) แบคทเรยแอโรบก

( 2 ) แกสออกซเจน

( 1 ) แบคทเรยแอนาโรบก ( 2 ) แกสออกซเจน

78

The catabolism of

various food molecules

รางกายของเราไดพลงงานสวนใหญจาก fats, proteins,

disaccharides และ polysaccharides ทกนเขาไป โมเลกลเหลานถกยอยใหเปนโมเลกลทเลกลงดวย

enzymes ซงสามารถจะเขาไปในกระบวนการ glycolysis หรอ Krebs

cycle ได

79

หากเรมตนจากกรดอะมโนเขาสกระบวนการหายใจระดบเซลลนน จะตองผานกระบวนการใดมากอน

Time

r

เปลยนกรดอะมโนใหเปนแอซตลโคเอนไซม เอ เสยกอน

ขจดหมคารบอกซลออกไปเสยกอน

เปลยนกรดอะมโนใหเปนกรดไพรวก

ขจดหมอะมโน ( - NH3 ) ออกไปเสยกอน

80

กำรสลำยไขมน

กรดไขมนและกลเซอรอลเมอล าเลยงเขาส เซลลจะเปนสารตงตนในกระบวนการสลายสารอาหาร โดยกลเซอรอลเขาสกระบวนการในชวงไกลโคไลซส สวนกรดไขมนจะมกระบวนการเปลยนแปลงทางเคม โดยการตดสายไฮโดรคารบอนออกทละ 2 คารบอนอะตอม สรางเปน แอซตลโคเอนไซม เอ เขาสวฏจกรเครปสตอไป

81

ในการหายใจระดบเซลลหากเรมจากไขมน จะตองผานกระบวนการใด

Time

r

แตกตวออกเปนกรดไขมนกบกลเซอรอลเสยกอน

ดงน าออกจากไขมน

ดงคารบอนไดออกไซดออกจากไขมน

เขาสวฏจกเครบสไดโดยตรง