1

ชท Biochemistry II (01402313) สาหรบวนท 6-8 พ.ย. 56

อ.พทธพร สองศร

ภาพรวมเมแทบอลซม

คาวา metabolism มาจากภาษากรกแปลวา การเปลยนแปลง

เมแทบอลซมหมายถง การเปลยนแปลงทางเคมทเปลยนสารอาหารใหกลายเปนพลงงานและเปนสารประกอบทม

ความซบซอน เมแทบอลซมประกอบดวยปฏกรยาทตองการเอนไซม และมลาดบขนตอนการทางานเปน pathway

สารทอยระหวางทางใน pathway เรยกวา intermediate

• เมแทบอลซมเหมอนกนหรอไมในสงมชวตแตละชนด

สงมชวตตางชนดกน แตมลกษณะของเมแทบอลซมคลายคลงกน อาจแสดงวาววฒนาการมาจาก

บรรพบรษรวมกน glycolysis ซงเปน pathway ทมการปลอยพลงงานออกมาจาก glucose แลวเกบไวในรปของ

ATP ในสภาวะทไมใชออกซเจนนน พบไดในสงมชวตแทบทกชนด จงเชอกนวาเปน pathway ทเกาแกทสด มมา

กอนทบรรยากาศโลกจะมออกซเจนมากแบบในปจจบน

สงมชวตมความหลากหลายทางเมแทบอลซม

แมจะม pathway ทคลาย ๆ กน แตสงมชวตแตละประเภทหรอแตละเซลลกมความแตกตางกนทางดาน

เมแทบอลซม ถาแบงตามวธการใชคารบอนกแบงออกไดเปน autotrophs ซงหมายถงสงมชวตทใช

คารบอนไดออกไซดเปนแหลงคารบอนเพยงชนดเดยว กบ heterothrops ซงตองการคารบอนอนทรย เชน กลโคส

เพอใชในการสงเคราะหสารประกอบคารบอนอน ๆ ทจาเปนตอไป

ถาแบงตามแหลงพลงงานกแบงเปน 2 พวกคอ phototrophs ซงเปนสงมชวตทสงเคราะหแสง ใชแสง

เปนแหลงพลงงาน กบ chemotrophs ซงใชสารประกอบอนทรยเชน กลโคส หรอบางกรณกเปนสารอนนทรยทถก

ออกซไดซไดเชน Fe2+, NO2-, NH4

+ หรอกามะถนเปนแหลงพลงงาน โดยทวไปแลวพลงงานจะไดมาโดยปฏกรยา

ออกซเดชน-รดกชน

ถายดตามเกณฑทกลาวมาน กแบงสงมชวตออกไดเปน 4 ประเภทดวยกนดงตารางท 1

ออกซเจนจาเปนสาหรบสงมชวตพวก aerobes

สามารถจาแนกสงมชวตตามความแตกตางในการใชออกซเจนเปนตวรบอเลกตรอนได พวก aerobes คอ

พวกทใชออกซเจน ถาขาดออกซเจนไมไดเลย เรยกวา obligate aerobes ซงรวมทงมนษยดวย สาหรบบางพวกเชน

Escherichia coli นนไมใชออกซเจนกได เรยกวา facultative anaerobes สวนพวกทไมใชออกซเจนเลย หรอบาง

ทโดนออกซเจนไมได เปนพษ เรยกวา obligate anaerobes เชน Clostridium botulinum

การไหลของพลงงานในไบโอสเฟยรและวฏจกรของคารบอนกบออกซเจนมความสมพนธกน

แหลงพลงงานเบองตนของสงมชวตคอดวงอาทตย พวก photoautotrophs ใชพลงงานแสงเพอขบเคลอน

การสงเคราะหสารประกอบอนทรย เชน คารโบไฮเดรต จาก

CO2 ในบรรยากาศและนา (ดงภาพขวามอ) จากนนเซลลชนด

heterotrophic กใชผลตภณฑอนทรยนในรปของ “เชอเพลง”

และในรปของสารตงตนเพอการสงเคราะหสารชวโมเลกลของ

ตวเองตอไป ทายทสด CO2 กจะเปน end product ของเม

แทบอลซมของคารบอนแบบ heterotrophic และ CO2 นก

จะกลบคนสบรรยากาศสาหรบใหพวก photoautotrophs ใช

2

ตอไป ผลทไดกคอ พลงงานแสงอาทตยถกเปลยนใหเปนพลงงานเคมในรปของโมเลกลอนทรยโดยพวก

photoautotrophs จากนนพวก heterotrophs กเอาพลงงานนไปใช จงสรปไดวาการไหลของพลงงานในไบโอส

เฟยรนเกดขนในวฏจกรของคารบอน และขบเคลอนวฏจกรดวยพลงงานแสง

ตารางท 1 การจาแนกสงมชวตตามลกษณะเมแทบอลซม โดยดจากความตองการคารบอนและพลงงาน

ประเภท แหลง

คารบอน แหลงพลงงาน ตวใหอเลกตรอน ตวอยาง

Photoautotrophs CO2 แสง นา, H2S, S หรอ

สารประกอบอนน-

ทรยอน ๆ

พช, สาหราย,

ไซยาโนแบคทเรย,

แบคทเรย-

สงเคราะหแสง,

Photoheterotrophs สารประกอบ

อนทรย

แสง สารประกอบ

อนทรย

Nonsulfur

purple bacteria Chemoautotrophs CO2 ปฏกรยาออกซเดชน-

รดกชน

สารประกอบอนนท

รย เชน H2, H2S,

NH4+, NO2

-, Fe2+,

Mn2+

Nitrifying

bacteria;

hydrogen,

sulfur, iron

bacteria Chemoheterotrophs สารประกอบ

อนทรย

ปฏกรยาออกซเดชน-

รดกชน

สารประกอบ

อนทรย (เชน

กลโคส)

สตวทกชนด,

จลนทรยสวนใหญ,

เนอเยอพชทไม

สงเคราะหแสง

เชน ราก หรอ

เซลลสงเคราะห

แสงทอยในทมด

• กระบวนการ anabolic และ catabolic

เมแทบอลซมมวตถประสงคหลก 2 ประการ คอ การสรางพลงงานเพอขบเคลอนงานทจาเปนตอการ

ดารงชวตและการสงเคราะหโมเลกลชวภาพ เมแทบอลซมจงแบงออกเปน 2 ดานททางานตรงขามกน คอ

catabolism กบ anabolism

catabolism เกยวของกบการยอยสลายสารอาหารโมเลกลใหญ (คารโบไฮเดรต ลพดและโปรตน) ทได

จากสงแวดลอมหรอจากทสะสมไวในเซลล ยอยแลวกจะไดสารโมเลกลเลก เชน กรดแลกตก เอทานอล

คารบอนไดออกไซด ยเรยหรอแอมโนเนย ปฏกรยาแคตาบอลกมกจะใหพลงงานออกมา เรยกวาเปนปฏกรยาชนด

exergonic และดกจบพลงงานนใหอยในรปของ ATP

เนองจากปฏกรยา catabolism นเปนปฏกรยา oxidative (ใหอเลกตรอน) พลงงานบางสวนจงเกบไวใน

3

รปอเลกตรอนพลงงานสง แลวสงตอใหโคเอนไซม NAD+ และ NADP+ ซงใชงานตางกน โดย NAD+ มบทบาทใน

กระบวนการ catabolism สวน NADP+ ใชในกระบวนการสงเคราะหสารทเรยกวา anabolism

Anabolism คอ Biosynthesis

Anabolism คอ กระบวนการสงเคราะหสารชวโมเลกลทมความหลากหลายและซบซอน (โปรตน กรด

นวคลอก โพลแซคคาไรดและลพด) โดยใชสารตงตน (precursors) ทเลกกวา การสงเคราะหเชนนตองมการสราง

พนธะโควาเลนตขนใหม ซงเปนปฏกรยาทตองใชพลงงาน (endergonic)

พลงงานไดจาก ATP ทมาจากกระบวนการ catabolism นอกจากน NADPH กเปนตวใหอเลกตรอน

พลงงานสงสาหรบใชในกระบวนการรดกชนของ anabolism ดงภาพขางลางน

Anabolism กบ catabolism เกยวของสมพนธกน แตอาจอยคนละท

Anabolism กบ catabolism เกดขนพรอม ๆ กนไปภายในเซลล ดงนนเซลลตองมวธจดการไมได

กระบวนการสองกระบวนการนทางานสบสนหรอขดแยงกน ซงม 2 วธคอ หนง เซลลตองรกษาและควบคม

กระบวนการทงสองอยางนอยางรดกม เปนไปตามความตองการของเซลล และ สอง กระบวนการเมแทบอลซมท

แขงขนกนนมกจะอยกนคนละทในเซลล เชน อาจจะอยคนละออรแกเนลล เพอไมใหรบกวนซงกนและกน

ตวอยางเชน ปฏกรยาการออกซเดชนของกรดไขมน อยในไมโตคอนเดรย แตปฏกรยาการสงเคราะหกรดไขมน

เกดขนในไซโตซอล

Pathway ของกระบวนการ catabolism จะ “ลเขา”หาผลตภณฑสดทายไมกชนด

ถาลองสารวจกระบวนการ catabolism ของสารอาหารหลกทใหพลงงาน (คารโบไฮเดรต ลพดและ

โปรตน) ในเซลล heterotrophic ทว ๆ ไป จะพบวากระบวนการยอยสลายสารเหลานตองใชเอนไซมเปนตวเรง

ปฏกรยา ในกระบวนการทใชออกซเจน (aerobic catabolism) โมเลกลเหลานจะถกยอยจนสดทายไดเปน

คารบอนไดออกไซด นาและแอมโนเนย กระบวนการ aerobic catabolism ประกอบดวย 3 ระยะคอ

ระยะท 1 สารอาหารโมเลกลใหญจะถกยอยลงกลายเปนหนวยองคประกอบ (building blocks) แมจะม

สารโมเลกลใหญหลากชนดเพยงใด แตสดทายแลวหนวยองคประกอบกจะมอยไมกชนด โปรตนหลากหลายชนด

4

แตกตางกนมากมาย แตกประกอบดวยกรดอะมโนเพยง 20 ชนด โพลแซกคาไรดทเปนองคประกอบของ

คารโบไฮเดรต พอยอยแลวกไดกลโคส ลพดพอยอยแลวกเปนกลเซอรอลกบกรดไขมน ดงภาพ

ในระยะท 2 หนวยองคประกอบทไดจากระยะท 1 จะถกยอยสลายตอไปทาใหไดสารตวกลางของเมแทบอ

ลซมทมโมเลกลเลกและมความหลากหลายนอยลงไปอก การ deamination (เอาหมอะมโนออก) ของกรดอะมโนทา

ใหเหลอโครงคารบอนในรป α-keto acid

α-keto acid หลาย ๆ ชนดเปนสารตวกลางในวฏจกรกรดซตรก และจะถกปอนโดยตรงเขาระยะท 3

ผานวฏจกรน สวนสารชนดอน ๆ จะถกเปลยนเปน α-keto acid ชนด 3 คารบอนทชอวา pyruvate หรอเปนหม

acetyl ของ acetyl-coenzyme A (acetyl CoA)

กลโคสและกลเซอรอลจากลพดทาใหเกดไพรเวท ขณะทกรดไขมนจะถกยอยจนกลายเปนหนวยสอง

คารบอน คอ อะซตลโคเอ แตเนองจากไพรเวทกทาใหเกดอะซตลโคเอดวย เราจงเหนวาการยอยสารอาหารโมเลกล

ใหญสดทายแลวก “ลเขา”หาผลตภณฑรวมอยางเดยวกนคอ acetyl-CoA

5

การเผาผลาญหมอะซตลของอะซตลโคเอโดยวฏจกรกรดซตรกและ oxidative phosphorylation ทาให

เกด CO2 กบ H2O ในระยะท 3 ของ catabolism

ผลตภณฑสดทายของวฏจกรกรดซตรกคอ CO2 กบ H2O จะเปนของเสยในกระบวนการ catabolism

แบบใชออกซเจน การออกซเดชนของอะซตลโคเอระหวางระยะท 3 นถอเปนระยะทสรางพลงงานใหกบเซลลมาก

ทสด

Pathway ชนด anabolic จะ “บานออก” สามารถสงเคราะหสารชวโมเลกลทหลากหลายจากหนวย

องคประกอบทมอยจากดไมกชนด

แมโมเลกลของสารตงตนจะมอยจากดไมกชนด แตกเพยงพอทจะใชสาหรบการสงเคราะหองคประกอบ

ของเซลลใด ๆ กได ไมวาจะเปนโปรตน กรดนวคลอก ลพดหรอโพลแซกคาไรด สารตาง ๆ เหลานถกสรางขนจาก

หนวยองคประกอบทเหมาะสม ผานทาง pathways ของ anabolism

ในทางกลบกน หนวยองคประกอบ (กรดอะมโน นวคลโอไทด นาตาลและกรดไขมน) สามารถสรางขนจาก

metabolites ในเซลล ตวอยางเชน กรดอะมโนสามารถสรางไดดวยวธเตมหมอะมโน (amination) เขาไปยงโครง

คารบอนของกรดอลฟาคโต (α-keto acid) และไพรเวทสามารถเปลยนเปนนาตาลเฮกโซสเพอใชในกระบวนการ

สงเคราะหโพลแซกคาไรดได

สารตวกลางชนด amphibolic มสองบทบาท

Pathways ของเมแทบอลซมหลกบาง pathway เชน วฏจกรกรดซตรก ตลอดจนสาร metabolite

หลาย ๆ ชนดของ pathway อน ๆ มบทบาทหนาทสองประการ กลาวคอทาหนาททง catabolism และ

anabolism ไปพรอม ๆ กน ซงเราจะเรยก pathway แบบนวาเปน amphibolic แทนทจะเรยกวา catabolic

หรอ anabolic อยางใดอยางหนง

Pathway ของ catabolism กบ anabolism แตกตางกนในเสนทางทสาคญ

Pathway แบบ anabolic สาหรบสงเคราะหสารผลตภณฑทกาหนดมกจะไมเหมอนกบ pathway ทใช

สาหรบกระบวนการ catabolism ของสารชนดเดยวกน สารตวกลางบางชนดอาจจะมเหมอนกนในขนตอนของทง

สอง pathway แตในขนตอนอน ๆ อาจจะใชเอนไซมและปฏกรยาทเปนของแตละ pathway โดยเฉพาะ

ตวอยางทเหนไดชด เชน กรณการเปรยบเทยบกระบวนการ catabolism ของกลโคส ยอยสลายเปนไพร

เวท ดวยกระบวนการ glycolysis กบ กระบวนการสงเคราะหกลโคสจากไพรเวทดวยกระบวนการ

gluconeogenesis

Pathway ของ glycolysis จากกลโคสเปนไพรเวทประกอบดวยเอนไซม 10 ชนด ถงแมวาจะดม

ประสทธภาพดถาสงเคราะหกลโคสจากไพรเวทโดยการกลบทศของกระบวนการทง 10 ขนตอน แตกระบวนการ

gluconeogenesis ใชวธกลบทศการทางานของเอนไซมจาก glycolysis เพยงแค 7 ชนด ทเหลอใชเอนไซมอก 4

ชนดทจาเพาะกบกระบวนการสงเคราะหกลโคส

ในทานองเดยวกน pathway ทใชสาหรบการยอยโปรตนเปนกรดอะมโนกแตกตางจากระบบการ

สงเคราะหโปรตน และการยอยกรดไขมนแบบ oxidative เปน acetyl-CoA กไมไดดาเนนไปทางเดยวกนกบ

ปฏกรยาการสงเคราะหกรดไขมนจาก acetyl-CoA

ATP ทาหนาทในวฏจกรพลงงานของเซลล

ATP เปนแหลงพลงงานของเซลล ในพวก phototrophs นน ATP เปนผลตภณฑเบองตนทมพลงงานสง

1 ใน 2 ชนดทเปนผลมาจากการเปลยนรปพลงงานแสงเปนพลงงานเคม (อกชนดคอ NADPH) ในพวก

heterotrophs ใช pathway แบบ catabolism เปนหลกในการจบพลงงานใหอยในรปของ ATP

6

ในทางกลบกน ATP กใหพลงงานสาหรบขบเคลอนกจกรรมตาง ๆ ในเซลลสงมชวต เชน การสงเคราะห

สารชวโมเลกลทซบซอน งานออสโมตกทเกยวของกบการขนสงสารเขาสเซลล งานทเกยวของกบการเคลอนทของ

เซลล และงานทเกยวของกบการหดตวของกลามเนอ กจกรรมหลากหลายเหลานทงหมดไดพลงงานมาจากการ

hydrolysis ของ ATP เปน ADP กบ Pi

ดงนนจงเกดวฏจกรของพลงงานในเซลล ซง ATP ทาหนาทเปน “พาหนะ” นาพลงงานจากการสงเคราะห

แสงหรอจากการ catabolism ไปใชในกระบวนการทตองการพลงงานตาง ๆ ในเซลลสงมชวต

NAD+ จบอเลกตรอนทปลอยออกมาจากกระบวนการ catabolism

สารตงตนของกระบวนการ catabolism ไดแก โปรตน คารโบไฮเดรตและลพด เปนแหลงทดของพลงงาน

เคม เพราะวาอะตอมคารบอนในโมเลกลเหลานอยในสถานะถกรดวซ ดงภาพ

ในปฏกรยา catabolism ซงเปนแบบ oxidative นน reducing equivalents จะถกปลอยออกมาจาก

สารตงตน โดยมกจะอยในรปของ hydride ions (โปรตอนทมอเลกตรอนจบอย H:- ) hydride ions จะถกขนสงใน

ปฏกรยาของเอนไซม dehydrogenase จากสารตงตนไปยงโมเลกลของ NAD+ และรดวซกลายเปน NADH

NADPH ใหพลงงานในการรดวซสาหรบกระบวนการ anabolic

ขณะท catabolism เปนกระบวนการ oxidative นน ในทางตรงกนขาม anabolism เปนปฏกรยา

reductive เชน การสงเคราะหกลโคสจากคารบอนไดออกไซดในกระบวนการสงเคราะหแสงของพช พลงงานทใชใน

การรดวซกมาจาก NADPH โดยพลงงานแสงอาทตยถกใชในการดงอเลกตรอนจากนาแลวสงให NADP+ และได O2

เปนผลพลอยไดในกระบวนการ

7

ชท Biochemistry II (01402313) สาหรบวนท 11-13 พ.ย. 56

อ.พทธพร สองศร

โคเอนไซมและวตามนทาใหเกดปฏกรยาทจาเพาะและเปนสารอาหารทจาเปนสาหรบ pathways

นอกเหนอจาก NAD+ และ NADPH แลว ยงมโมเลกลขนาดเลกอกมากมายหลายชนดทจาเปนสาหรบเม

แทบอลซม เชนพวกวตามน ซงจดวาเปนสารอาหารทจาเปน (ตงชอ vitamin โดย Kazimierz Funk ซงเปนผคน

พบวา thiamine สามารถรกษาโรคเหนบชาไดในป 1912 แลวตงชอวา “vital amine” ตอมากเสนอวาโรคอน ๆ

กอาจจะรกษาไดดวย “vitamins”

วตามนตองไดมาจากอาหาร แตตองการในปรมาณเพยงเลกนอย สวนมากแลวสงมชวตพวกนไมสามารถ

สงเคราะหวตามนไดเอง ความตองการวตามนใด ๆ ขนอยกบชนดของสงมชวตนน ๆ และไมจาเปนวาวตามน

ทงหมดจะจาเปนสาหรบสงมชวตทกชนด สาหรบวตามนทจาเปนสาหรบมนษยนนใหดในตารางตอไปน

วตามน รปโคเอนไซม หนาท

วตามนทละลายนา

Thiamine (B1)

Thiamine

pyrophosphate

Decarboxylation of α-keto acids และสรางหรอ

ตด α-hydroxyketones

Niacin (nicotinic

acid)

Nicotinamide adenine

dinucleotide (NAD+)

Nicotinamide adenine

dinucleotide (NADP+)

Hydride transfer (ยายหม H)

Hydride transfer (ยายหม H)

Riboflavin (B2) Flavin adenine

dinucleotide (FAD)

Flavin mononucleotide

(FMN)

ยายอเลกตรอน 1 หรอ 2 อเลกตรอน

ยายอเลกตรอน 1 หรอ 2 อเลกตรอน

Pantothenic acid Coenzyme A ทาใหหม acyl อยในรปแอคทฟ เกดปฏกรยาได

Pyridoxal,

pyridoxine,

pyridoxamine (B6)

Pyridoxal phosphate เปนแหลงของอเลกตรอนเพอทาใหสารตวกลางใน

ปฏกรยาเกดความเสถยร

Cobalamin (B12) 5’-Deoxyadenosyl-

cobalamin

รดวซไรโบนวคลโอไทดใหเปนดออกซไรโบนวคลโอไทด

และยายหมเมทล

Biotin Biotin-lysine

complexes (biocytin)

นาหมคารบอกซลเขาสปฏกรยา carboxylation

Lipoic acid Lipoyl-lysine

complexes (lipoamide)

ควบคปฏกรยาการยายหมเอซลกบการยายอเลกตรอน

ระหวางการออกซเดชนและ decarboxylation ของ

α-keto acids

Folic acid Tetrahydrofolate เปนตวใหและตวรบ 1-C สาหรบปฏกรยาออกซเดชน

ของคารบอนทกระดบ ยกเวน CO2

8

วตามน รปโคเอนไซม หนาท

วตามนทละลายในไขมน

Retinol (วตามน A)

Retinal (วตามน A)

Retinoic acid (วตามน

A)

Ergocalciferol (D2)

Cholecalciferol (D3)

α-Tocopherol (E)

Menaquinone (K)

-

-

ยกเวนวตามน C (ascorbic acid) วตามนทละลายนาทกชนดเปนองคประกอบหรอเปนสารตงตนในการ

สงเคราะหโคเอนไซม ซงเปนโมเลกลขนาดเลกททาหนาทในปฏกรยาทจาเพาะรวมกบเอนไซม

โคเอนไซมยงทาหนาทเปน “ตวพา” หรอ carriers ของหมฟงกชนทจาเพาะ เชน หมเมทลและหมเอซล

วตามนทละลายในไขมนไมไดเกยวของกบโคเอนไซมโดยตรง แตทาหนาททจาเปนในกระบวนการทาง

ชวภาพหลาย ๆ กระบวนการ เชน การมองเหน การบารงรกษาโครงสรางของกระดก และการแขงตวของเลอด

กลไกการทางานของวตามนทละลายในไขมนยงไมคอยเขาใจกนเทาวตามนทละลายในนา ตองรองานวจยสมยใหม

ตอไป

• สารอาหารกบโภชนาการพนฐานของมนษย

โภชนาการ (nutrition) หมายถง การใชอาหารโดยสงมชวต ความสามารถของสงมชวตทจะใช

สารอาหารใด ๆ นนขนอยกบองคประกอบทางเคมของอาหารนนและขนอยกบ pathway ของเมแทบอลซมทมอย

ในสงมชวต นอกเหนอจากเสนใยทจาเปน อาหารยงประกอบดวย macronutrient คอ โปรตน คารโบไฮเดรตและ

ลพด กบ micronutrient คอ วตามนและเกลอแร

มนษยตองการโปรตน

มนษยจะตองบรโภคโปรตนเพอสรางโปรตนใหม โปรตนในอาหารเปนแหลงทอดมไปดวยไนโตรเจนและ

กรดอะมโนบางชนด ทเรยกวา กรดอะมโนทจาเปน (essential amino acids) ซงมนษย (และสตวสวนใหญ)

สงเคราะหไมได ตองไดจากอาหารเทานน ถามการบรโภคโปรตนมากเกนกวาทตองการในการสงเคราะหโปรตนท

จาเปน โปรตนในอาหารกจะนาไปใชเปนแหลงพลงงาน

กรดอะมโนบางชนด เรยกวา glucogenic สามารถเปลยนเปนกลโคสได ขณะทกลม ketogenic

สามารถเปลยนเปนกรดไขมนและ/หรอ กรดคโต ถาไขมนและคารโบไฮเดรตมปรมาณเพยงพอสาหรบความ

ตองการพลงงานของแตละคนอยแลว กรดอะมโนทงสองประเภทจะถกเปลยนเปนไตรเอซลกลเซอรอลและเกบไว

ในเนอเยออะดโพส

โปรตนของแตละคนจะผานกระบวนการยอยสลายและสงเคราะหใหมดวยอตราคงท ทาใหเกดสมดล

ไนโตรเจน โดยสมดลไนโตรเจนเชงบวกจะเกดขนเมอมการเพมขนสทธของปรมาณโปรตนในรางกาย เชน ระหวาง

การเจรญเตบโต สมดลไนโตรเจนเชงลบเกดขนเมออาหารมไนโตรเจนไมเพยงพอตอความตองการในการ

สงเคราะหโปรตนใหม

9

คารโบไฮเดรตใหพลงงานสาหรบเมแทบอลซม

วตถประสงคหลกของคารโบไฮเดรตในอาหารกเพอสรางพลงงานสาหรบเมแทบอลซม นาตาลอยางงาย

จะถกเผาผลาญใน glycolytic pathway สวนคารโบไฮเดรตเชงซอนจะถกยอยเปนนาตาลอยางงายกอนจงจะเขา

ส glycolytic pathway

คารโบไฮเดรตยงเปนองคประกอบทจาเปนสาหรบนวคลโอไทด กรดนวคลอก ไกลโคโปรตนและไกลโค

ลพด เมแทบอลซมของมนษยสามารถปรบตวใหเขากบชวงกวางของระดบคารโบไฮเดรตในอาหารได แตสมอง

ตองการกลโคสเปนแหลงพลงงาน เมอบรโภคคารโบไฮเดรตเกนกวาความตองการพลงงานของรางกาย จะถก

เปลยนเปนไตรเอซลกลเซอรอลและไกลโคเจนเพอสะสมเปนแหลงพลงงานระยะยาว ในทางตรงกนขาม เมอการ

บรโภคคารโบไฮเดรตตา จะสราง ketone bodies จากหนวยอะซเตตเพอใชเปนแหลงพลงงานสาหรบสมองและ

อวยวะอน ๆ

ลพดจาเปน แตปรมาณตองพอด

กรดไขมนและไตรเอซลกลเซอรอลสามารถใชเปนแหลงพลงงานไดในเนอเยอหลายสวนของรางกาย

มนษย ฟอสโฟลพดเปนองคประกอบทจาเปนสาหรบเมมเบรนทางชวภาพทกชนด แมวารางกายมนษยจะทนตอ

การบรโภคไขมนไดในระดบทกวาง แตถามากหรอนอยเกนไปกไมมประโยชน ไขมนในอาหารทมากเกนไปจะสะสม

เปนไตรเอซลกลเซอรอลในเนอเยออะดโพส แตไขมนระดบสงสามารถเพมความเสยงตอโรคหลอดเลอดแขง

(atherosclerosis) และโรคหวใจ นอกจากนยงพบความสมพนธระหวางระดบไขมนในอาหารทสงกบการเพม

ความเสยงโรคมะเรงลาไส เตานมและตอมลกหมาก

เมอไขมนในอาหารตา กมความเสยงทจะขาดกรดไขมนทจาเปน รางกายมนษยไมสามารถสงเคราะห

กรด linoleic และ linolenic ได ตองไดจากอาหาร อกประการหนง กรด arachidonic สามารถสงเคราะหใน

มนษยไดจากกรด linoleic เทานน ดงนนจงจดวาเปนกรดไขมนทจาเปนดวย กรดไขมนทจาเปนนบเปน

องคประกอบสาคญของเมมเบรนทางชวภาพ และกรด arachidonic เปนสารตงตนของ prostaglandins ท

จาเปนในกระบวนตาง ๆ ภายในรางกาย

เสนใยมทงแบบละลายนาและไมละลายนา

องคประกอบของอาหารทไมสามารถยอยไดดวยเอนไซมในระบบยอยอาหารของมนษยคอ เสนใย

อาหาร (dietary fiber) ซงมหลายชนด แตละชนดกมสมบตทางเคมและชวภาพเปนของตวเอง

เซลลโลสกบเฮมเซลลโลสเปนเสนใยทไมละลายนา และกระตนการทางานของลาไสใหญใหเปนปกต

ชวยลดความเสยงของมะเรงลาไสใหญ ลกนน เปนเสนใยทไมละลายนาอกกลม ชวยดดซบโมเลกลอนทรยในระบบ

ทางเดนอาหาร ลกนนจะจบกบคอเลสเตอรอลและขบออกจากระบบยอยอาหาร ลดความเสยงของโรคหวใจ

เพกตนและกม เปนเสนใยละลายนาไดทาใหเกดสารแขวนลอยเหนยวคลายเจลในระบบทางเดนอาหาร ลดอตรา

การดดซมสารอาหารหลายชนด รวมทงคารโบไฮเดรตและลดคอเลสเตอรอลในซรม เสนใยทไมละลายนาพบได

มากในผก เมลดพช เสนใยละลายนาไดเปนองคประกอบของผลไม ถวและขาวโอต

10

• เอนไซม

ปฏกรยาเคมนบพน ๆ ปฏกรยาในสงชวตดาเนนไปไดรวดเรว เพราะมเอนไซมเปนตวเรงปฏกรยา

สารเคมทเกดการเปลยนแปลงดวยการเรงปฏกรยาของเอนไซมนมกจะเปนสารอนทรยทไมมแนวโนมวาจะเกดการ

เปลยนแปลงไดเลยถาอยนอกเซลลสงมชวต ตวอยางทดกไดแกกลโคส ซงเปนนาตาลทสามารถเกบไวบนชนได

ตลอดไปโดยไมมการเสอมสภาพเลย แตเซลลสวนใหญจะออกซไดซกลโคสอยางรวดเรว ไดคารบอนไดออกไซดกบ

นาและปลอยพลงงานออกมาปรมาณมาก

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + พลงงาน 2870 kJ

( - 2870 /mol คอ การเปลยนแปลงพลงงานอสระทสภาวะมาตรฐาน [ΔGo’] สาหรบการออกซไดซกลโคส

ในทางเคม 2870 kJ เปนปรมาณพลงงานทมาก และสามารถมองกลโคสเปนสารประกอบพลงงานสง แมวาท

อณหภมปกต ไมสามารถทาปฏกรยากบออกซเจนนอกเซลลได หรอจะพดอกอยางวา กลโคสแสดง “ศกยภาพทาง

เทอรโมไดนามกส” ถาทาปฏกรยากบออกซเจนแลวจะปลอยพลงงานออกมามาก (exergonic) แตไมเกด

เหตการณนในสภาพปกต ในทางตรงกนขาม เอนไซมสามารถเรงปฏกรยาทมแนวโนมเกดขนไดทางเทอรโม

ไดนามกสแบบนได ทาใหปฏกรยาดาเนนไปไดดวยอตราเรวสงมาก

กระบวนการออกซไดซกลโคสและกระบวนการอน ๆ อกนบไมถวน เอนไซมทาใหเซลลมความสามารถท

จะแสดงศกยภาพออกมาได นนคอระบบสงมชวตใชเอนไซมเพอเรงและควบคมอตราของปฏกรยาชวเคมทสาคญ

ตอการดารงชวต

11

หนาทของเอนไซมในเมแทบอลซม

เอนไซมทางานตามลาดบกอนหลง ทาใหเกด pathway ของเมแทบอลซมทโมเลกลของสารอาหารถก

ยอย ปลอยพลงงานออกมาและเปลยนไปอยในรปทมประโยชนสาหรบเมแทบอลซม กอใหเกดสารตงตน

(precursors) และเปลยนรปไปเปนสารชวโมเลกลมากมาย

ลกษณะของเอนไซม

เอนไซมมลกษณะ 3 ประการททาใหเรง

ปฏกรยาทางชวเคมไดอยางเหมาะสม คอ

(1) มพลงในการเรงปฏกรยา

(2) มความจาเพาะตอปฏกรยา

(3) ควบคมได

พลงในการเรงปฏกรยา นยามไดเปนสดสวนของ

อตราเรวทเรงโดยเอนไซมในปฏกรยาตออตราเรว

ทไมมตวเรง

เอนไซมมพลงอยางมากในการเรงปฏกรยา

อาจจะสามารถเรงปฏกรยาใหเรวขนไดถง 1021 เทา

เมอเทยบกบระดบทไมไดเรงปฏกรยา ซงสงกวา

ตวเรงใด ๆ ทสงเคราะหขนมา และเอนไซมสามารถ

ทางานไดในสารละลายทเจอจางภายใตสภาวะ

อณหภมและ pH ทไมรนแรง ตวอยางเชน เอนไซม

urease จากถวพรา (jack bean) เรงปฏกรยายอยย

เรย

ท 20O C คาคงทอตราสาหรบปฏกรยาท

เรงดวยเอนไซมคอ 3 x 104 /วนาท คาคงทอตรา

สาหรบการยอยยเรยทไมมตวเรงปฏกรยาคอ 3 x

10-10 /วนาท ดงนน 1014 คอสดสวนของอตราเรวท

มการเรงตออตราเรวทไมมการเรง สดสวนนคอ catalytic power ของเอนไซม นนคอ catalytic power ของยร

เอสเทากบ 1014

ความจาเพาะ (specificity) เปนคาศพททใชนยามความสามารถในการเลอก substrate ของเอนไซม

เอนไซมมความจาเพาะเจาะจงสงมาก ทงในแงของสารทจะเขาทาปฏกรยาและในแงปฏกรยาทจะเรง

สารทเอนไซมจะเขาทาปฏกรยาเรยกวา substrate ในปฏกรยาทเรงโดยเอนไซม จะไมม substrate ถกพาไปเขา

ปฏกรยาขางเคยงทไมใหผลผลต ดงนนจงไมเกด by-products ทสญเปลา

ทเปนเชนนกเพราะ เอนไซมม active site ซงเปนบรเวณทเขากนไดกบ substrate

การควบคมกจกรรมของเอนไซม เพอใหมนใจวาอตราของเมแทบอลซมจะเหมาะสมกบความตองการของ

เซลล

12

การควบคม (regulation) กจกรรมของเอนไซมมความจาเปนตอการควบคมเมแทบอลซม ซงอาจทาได

หลายวธ เชน ควบคมปรมาณการสงเคราะหโปรตนของเอนไซม หรอควบคมอตราปฏกรยาโดยใชตวยบยงหรอ

ตวกระตนเมแทบอลซม

การตงชอเอนไซมทาใหเกดวธทเปนระบบในการตงชอปฏกรยาของเมแทบอลซม

โดยทวไปแลว จะตงชอเอนไซมโดยการเตม suffix –ase ทายชอของ substrate ทเอนไซมเขาทา

ปฏกรยา เชน urease สาหรบเอนไซมทยอยยเรย หรอ phosphatase สาหรบเอนไซมทยอยหม phosphoryl

ออกจากสารประกอบฟอสเฟตอนทรย

ชอเอนไซมบางชนดอาจจะทาใหสบสนหรอหาทมาของกจกรรมของเอนไซมไมได เชน catalase หรอ

trypsin และ pepsin ดงนนคณะกรรมาธการเอนไซมนานาชาต (International Commission on Enzymes)

จงไดสรางระบบในการตงชอเอนไซมขน แมวาชอ common name สาหรบเอนไซมหลาย ๆ ชนดกยงใชอย

แบงเอนไซมออกเปน 6 class แตละ class กจะม subclass และแตละ subclass กจะม sub-

subclass และเอนไซมแตละชนดจะมตวเลขทงหมด 4 ชด ตวอยางเชน เอนไซมทเรงปฏกรยาน

ATP + D-glucose → ADP + D-glucose-6-phosphate

หมฟอสเฟตถกยายจาก ATP ไปยงหม C-6-OH ของกลโคส ดงนนเอนไซมจงเปน transferase

(class 2) สวน subclass 7 ของ transferase คอ เอนไซมททาหนาทยายหมทมฟอสฟอรสเปนองคประกอบ และ

sub-subclass 1 จะครอบคลม phosphotransferase ทมหมแอลกอฮอลเปนตวรบ เอนไซมตวท 2 ใน sub-

subclass นคอ ATP:D-glucose-6-phosphotransferase และใชชอตามระบบวา E.C.2.7.1.2

เนองจากชอตามระบบนยงยากในการใชงานทวไปและจดจา ในชวตประจาวนจงยงนยมใชชอสามญ

(trivial name) กนอย จะใชชอ E.C. ในกรณทตองการจดหมวดหมเอนไซมตามกจกรรมเทานน

13

ชท Biochemistry II (01402313) สาหรบวนท 15-18 พ.ย. 56

อ.พทธพร สองศร

ดงนนการเรยกชอเอนไซม E.C.2.7.1.2 จงยงนยมเรยกวา glucokinase ซงเปนชอ trivial name และ

อกชนดทเปนเอนไซมททางานคลาย ๆ กน แตไมจาเพาะกบกลโคส สามารถเรงปฏกรยากบเฮกโซสชนดอนได ก

นยมเรยกวา hexokinase มากกวา E.C.2.7.1.1

kinase เปน trivial name สาหรบเอนไซมทเปน ATP-dependent phosphotransferases

โคเอนไซมและโคแฟกเตอรเปนองคประกอบทไมใชโปรตน ทมความจาเปนสาหรบกจกรรมของ

เอนไซม

เอนไซมหลายชนดสามารถทางานเปนตวเรงปฏกรยาไดโดยอาศยเพยงแคโครงสรางทเปนโปรตน แตม

เอนไซมอกหลายชนดเชนกนทตองการองคประกอบทไมใชโปรตนในการทางาน เรยกองคประกอบนวา โคแฟก

เตอร (ดตาราง)

โคแฟกเตอรอาจจะเปนไอออนโลหะหรอโมเลกลอนทรย (โคเอนไซม) โคเอนไซมและโคแฟกเตอรชวยให

โปรตนสามารถทางานบางอยางทสายโซกรดอะมโนไมสามารถทางานได โคเอนไซมหลายชนดเปนวตามนหรอม

องคประกอบบางสวนเปนวตามน

โคเอนไซมมกจะยดเกาะตดกบเอนไซมอยางเหนยวแนน บางครงกเปนพนธะโควาเลนต ทาใหยากทจะ

แยกสวนของโคเอนไซมออกจากสวนของโปรตน กรณนจะเรยกสวนของโคเอนไซมวา prosthetic groups

(พรอสเทตก กรป) ของเอนไซม

สารเชงซอนทมโปรตนและหมพรอสเทตกอยครบ ทางานได เรยกวา holoenzymes สวนโปรตนทขาด

หมพรอสเทตกไป เรยกวา apoenzymes ซงเรงปฏกรยาไมได

โคแฟกเตอรทควรรจก

ไอออนโลหะ เอนไซม

Fe2+ หรอ Fe3+ Cytochrome oxidase, Catalase, Peroxidase

Cu2+ Cytochrome oxidase

Zn2+ DNA polymerase, Carbonic anhydrase, Alcohol dehydrogenase

Mg2+ Hexokinase, Glucose-6-phosphatase

Mn2+ Arginase

K+ Pyruvate kinase (ตองการ Mg2+ ดวย)

Ni2+ Urease

Mo Nitrate reductase

Se Glutathione peroxidase

การทดลองอะไรบางทใชพสจน metabolic pathways

เมแทบอลซม ประกอบดวย pathway ทมปฏกรยาตาง ๆ เรยงกนตามลาดบ เทคนคทใชในการหา

ลาดบของ pathway นพฒนามาเรอย ๆ ตงแตยคศตวรรษท 19 โดย Eduard Buchner ไดแสดงใหเหนวาการ

14

หมกกลโคสซงทาใหไดเอทานอลกบคารบอนไดออกไซดนนสามารถเกดขนไดในสารจากเซลลยสตทแตกแลว กอน

หนานเชอกนวาเมแทบอลซมเปนสมบตทพบในเซลลทยงมชวตอยเทานน

หลงจากการคนพบของ Buchner นกชวเคมกไดคนหาสารตวกลางทอยระหวางทางในการเปลยน

กลโคส และคนพบวาฟอสเฟตอนนทรย (Pi) มความจาเปนในการยอยกลโคส การสงเกตครงนไดนาไปสการคนพบ

สารประกอบอนทรยทอยในรป phosphorylated (มหมฟอสเฟตเตมอย) อกมากมายหลายชนดททาหนาทเปน

สารตวกลางระหวาง pathway ของการหมก

เครองมอทสาคญทใชในการหาขนตอนตาง ๆ ของ pathway คอการใชสารยบยงเมแทบอลซม

(metabolic inhibitors) การเตมสารยบยงเอนไซมลงไปในสารสกดทไมมเซลล (cell-free extract) ทาใหเกดการ

สะสมของสารตวกลางใน pathway กอนหนาจดทยบยง (ดภาพ) สารยบยงแตละชนดกจาเพาะกบจดตาง ๆ ใน

ลาดบของเมแทบอลซม

Mutations ทาใหเกดการขดขวางเมแทบอลซมทตาแหนงจาเพาะ

พนธศาสตรชวยใหการคนหาขนตอนของเมแทบอลซมทาไดงายขนในทานองเดยวกบการใชสารยบยง

การกลายพนธทยนของเอนไซมชนดหนง กจะสงผลใหไมสามารถสงเคราะหเอนไซมในรปแอคทฟได ทาใหเกดการ

ขดขวาง pathway ทจดทเอนไซมชนดนนตองเขาเรงปฏกรยา และทาใหสบสเตรตของเอนไซมนนเกดการสะสม

ความบกพรองทางพนธกรรมอาจทาใหตายไดถาผลตภณฑสดทายของ pathway นนจาเปนหรอถาสารตวกลางท

สะสมมพษ

อยางไรกตาม ในจลนทรย สามารถเตรยมอาหารเลยงเชอใหมสารผลตภณฑสดทายทจาเปน และ

สามารถสงเกต ศกษาผลทางชวเคมของการกลายพนธได การศกษาการกลายพนธของยนในเชอรา Neurospora

crassa ทาให G.W.Beadle และ E.L.Tatum สรางสมมตฐานในป 1941 (พ.ศ. 2484) วายนเปนหนวยพนธกรรม

ทถอดรหสไดเปนเอนไซม (one gene-one enzyme hypothesis)

สารไอโซโทปสามารถใชตรวจสอบเมแทบอลซมได

อกวธทนยมใชกนอยางกวางขวางเพอหาลาดบของเมแทบอลซมคอการ “เลยง” เซลลดวยสบสเตรตหรอ

สารตวกลางในเมแทบอลซมท “ตดฉลาก” ดวยรปไอโซโทปของธาตทสามารถตดตามได มไอโซโทปสองประเภทท

มประโยชนในการใชงาน คอ ไอโซโทปกมมนตรงส เชน 14C และไอโซโทป “หนก” ทเสถยร เชน 18O หรอ 15N

เนองจากพฤตกรรมทางเคมของสารประกอบทตดฉลากดวยไอโซโทปไมคอยตางจากสารทไมตดฉลาก

ดงนนไอโซโทปจงเปน “ปาย = tag” ทเชอถอไดสาหรบสงเกตการเปลยนแปลงทางเมแทบอลซม ดงตวอยางการ

ทดลองใช CO2 ทตดฉลากดวย 14C กบเซลลของสาหรายสเขยว Chlorella แลวนาสารไปแยกดวยโครมาโตกราฟ

แบบกระดาษชนด 2 มต

15

Heavy Isotopes

ไอโซโทปหนกทาใหสารประกอบมมวลมากกวาเดมเลกนอย สารประกอบทไดจะสามารถแยกไดโดยใช

mass spectrometry (หรอใชวธ density gradient centrifugation ในกรณทเปนสารโมเลกลใหญ)

ตวอยางเชน ใช 18O ในการทดลองตรวจสอบวาอะตอมออกซเจนในนาและคารบอนไดออกไซดมวถทางอยางไร

ออกซเจนในบรรยากาศทสรางขนระหวางกระบวนการสงเคราะหแสงมาจากไหน จาก H2O, CO2 หรอทงสอง

CO2 + H2O → (CH2O) + O2

ถาให CO2 ทตดฉลากดวย 18O แกพชทสงเคราะหแสง ปรากฏวาไมพบ 18O ใน O2 เลย แตนาแปลกใจท

ไปอยในรปของ H218O

ในทางตรงกนขาม เมอพชทกาลงตรง CO2 อย มการให H218O เขาไป จะได 18O2 ออกมา ซงทาใหได

สมการของการสงเคราะหแสงเปนดงน

C16O2 + 2 H218O → (CH2

16O) + 18O2 + H216O

นนคอ ในกระบวนการสงเคราะหแสง อะตอมออกซเจนสองอะตอมใน O2 มาจากโมเลกล H2O สอง

โมเลกล และม O อะตอมหนงหลดมาจาก CO2 ไปปรากฏอยในโมเลกลของ H2O สวนอก O หนงของ CO2 อยใน

ผลตภณฑคารโบไฮเดรต สองในสของอะตอม H เขาไปอยใน (CH2O) และอกสอง H ไปรดวซ O ทหลดมาจาก

CO2 เปน H2O

NMR spectroscopy เปนตวตรวจสอบเมแทบอลซมโดยไมทาลายเซลล

เทคโนโลยทมรปแบบเดยวกนกบการตามรอยโดยใชไอโซโทปคอ nuclear magnetic resonance

(NMR) spectroscopy โดยนวเคลยสของอะตอมของไอโซโทปบางชนด เชน ไอโซโทปของฟอสฟอรสทพบใน

ธรรมชาต 31P มโมเมนตแมเหลก ความถเรโซแนนซของโมเมนตแมเหลกจะไดรบอทธพลจากสงแวดลอมทางเคม

บรเวณนน ๆ กลาวคอ สญญาณ NMR ของนวเคลยสจะไดรบอทธพลในรปแบบทตรวจสอบได โดยธรรมชาตทาง

เคมของอะตอมทอยบรเวณขางเคยงในสารประกอบ ในปจจบนโรงพยาบาลไดใชวธนในการตรวจสอบเมแทบอล

ซมของรางกาย

16

วธ NMR spectroscopy ทาใหสามารถสงเกตเมแทบอลซมของสงมชวตไดแบบเรยลไทม จากภาพ

ขางลางนจะเหนสเปกตรม NMR ทแสดงใหเหนการเปลยนแปลงระดบของ ATP, creatine-P

(phosphocreatine) และ Pi ในกลามเนอแขนของมนษยทออกกาลงกายไป 19 นาท โปรดสงเกตวาอะตอมของ

P 3 อะตอมใน ATP (α, β และ γ ) ม chemical shifts แตกตางกน ซงเปนผลมาจากสงแวดลอมทางเคมท

แตกตางกน

Metabolic pathways มการแยกสวนกนทาหนาทภายในเซลล

แมวาภายในเซลล prokaryote จะไมมการแบงสวนโดยเมมเบรน แตเซลลกยงแสดงใหเหนวามการ

กระจายของเมแทบอลซมไมเหมอนกน ใน pathways บาง pathways เชน การสงเคราะหฟอสโฟลพดและออกซ

เดทฟ ฟอสโฟรเลชน จะอยภายในพลาสมาเมมเบรน สวนการสงเคราะหโปรตนจะเกดขนในไรโบโซม

ในทางตรงกนขาม เซลล eukaryote จะมการแบงสวนอยางชดเจนโดย endomembrane เซลลแตละ

เซลลจะมนวเคลยสทแทจรงหมดวยเมมเบรนสองชน เรยกวา nuclear envelope

Nuclear envelope จะเชอมตอไปยงระบบ endomembrane ซงประกอบดวยบรเวณตาง ๆ เชน

endoplasmic reticulum, Golgi complex, lysosome, vacuole และไปถง plasma membrane

เซลล eukaryote ยงมไมโตคอนเดรย และคลอโรพลาสตดวยถาเปนเซลลสงเคราะหแสง

การทาใหเซลลแตกและแยกสวนตาง ๆ (fractionation) ขององคประกอบเซลลชวยในการวเคราะห

หนาทการทางานของแตละสวน ทาใหทราบวาสารตาง ๆ ตลอดจนเอนไซมในเมแทบอลซมของ pathway ใดอยท

ไหน ตวอยางเชน เอนไซม 10 ชนดของไกลโคไลซสจะพบอยใน cytosol แต pyruvate ซงเปนผลตภณฑของไกล

โคไลซสจะถกปอนเขาสไมโตคอนเดรย ซงเปนออรแกเนลลทมเอนไซมใน citric acid cycle และจะออกซไดซไพร

เวตไปเปน CO2

พลงงานทปลดปลอยออกมาจานวนมากจะถกดกจบโดยกระบวนการ oxidative phosphorylation ใน

เมมเบรนของไมโตคอนเดรย และใชในการสราง ATP

17

ภาพแสดงขนตอนการแยกสารภายในเซลลดวยวธปนแยก (differential centrifugation) โดยอาศย

หลกทวาออรแกเนลลและอนภาคตาง ๆ ภายในเซลลมขนาดรปรางและความหนาแนนแตกตางกน ทาใหมอตรา

การตกตะกอนไมเทากน นวเคลยสมกจะตกตะกอนไดงาย ไมโตคอนเดรยตองใชแรงเหวยงทมากขน แตถาจะ

ตกตะกอนไรโบโซมหรอชนสวนของระบบ endomembrane กตองใชแรงเหวยงสงมาก

18

ภาพแสดงบรเวณทเกดไกลโคไลซส citric acid cycle และ oxidative phosphorylation

Metabolome บอกอะไรเราไดเกยวกบระบบชวภาพ

ความกาวหนาอยางรวดเรวในการวเคราะหทางเคมทาใหเปนไปไดทจะศกษาทาความเขาใจสาร

metabolites ตาง ๆ ในสงมชวต

metabolome คอ ชดทสมบรณของโมเลกลทมนาหนกโมเลกลตาทพบในสงมชวตหรอขบออกมาจาก

สงมชวตภายใตสภาวะทางสรรวทยาทกาหนด

metabolomics คอ การวนจฉย พสจน วเคราะหเชงปรมาณของสาร metabolites ทงหมดใน

สงมชวตหรอตวอยางทกาหนด

การศกษาชวเคมจงเปนพนฐานทจะนาไปสวชา “ชววทยาระบบ” (systems biology)

ชววทยาระบบ (Systems biology) เปนศาสตรทอาศยความรทางชวสารสนเทศศาสตร คณตศาสตร

ชนสง วทยาการคอมพวเตอร และ ชวเคม เพอทาแบบจาลองของปรากฏการณภายในเซลล หรอในสงมชวต บน

คอมพวเตอร โดยอาศยการคานวณ จดมงหมายกเพอทานายปรากฏการณของชวตในเรองตาง ๆ อาท การ

ตอบสนองของเซลลตอยา หรอ ตอสภาวะตางๆ เปนตน กอนการทาการทดลองจรงในหองปฏบตการ (wet lab)

The Human Metabolomics Database มฐานขอมลของ metabolites มากกวา 2,500 ชนดทพบ

ในเซลลของมนษย ตลอดจนของเหลวภายในรางกายมนษย (เลอด ปสสาวะ ฯลฯ) สามารถเขาใชงานไดท

www.hmdb.ca

การวดและวเคราะหเชงปรมาณสาร metabolite นน ตองมการประยกตหลาย ๆ เทคนคเขาดวยกน

เชน mass spectrometry (MS) และ NMR ตลอดจนโครมาโตกราฟ เพอความรวดเรวและลดคาใชจาย

19

ชท Biochemistry II (01402313) สาหรบวนท 20-22 พ.ย. 56

อ.พทธพร สองศร

การสรางพลงงานในสงมชวต (Bioenergetics)

หลงจากนไป นสตจะไดเรยนเกยวกบเมแทบอลซมทสรางและใชพลงงาน ซงในสงมชวตนน ปฏกรยา

endergonic (เกดขนเองไมไดทางเทอรโมไดนามก = unfavorable) จะสามารถ “ไปขางหนา” ได ถาไปควบคกบ

ปฏกรยาทเปน exergonic (thermodynamically favorable)

พลงงานทใชในการขบเคลอนปฏกรยาการสงเคราะหทางชวภาพนน สวนมากจะไดมาจากการออกซเดชน

ของสารอนทรย ออกซเจนเปนตวรบอเลกตรอนตวสดทายสาหรบสงมชวตชนดแอโรบก ออกซเจนเปนตวออกซไดซ

ทแรง มแนวโนมทจะดงดดอเลกตรอนเขาหาตวเอง และถกรดวซในกระบวนการ โลกของเรามออกซเจนเปนปรมาณ

มาก จงไมนาแปลกใจทระบบสงมชวตตองมความสามารถในการไดพลงงานจากการออกซไดซสารอนทรย

การออกซไดซทางชวภาพ ปลดปลอยพลงงานออกมาทละนอย

เมอมองในมมของเทอรโมไดนามกส การออกซไดซทางชวภาพของสารอนทรยกเปรยบไดกบการออกซไดซ

ทไมใชชวภาพ เชน การเผาไหมของไม พลงงานอสระทออกมากเทากน ไมวาเราจะพดถงการออกซไดซโพลเมอรของ

กลโคสทอยในเซลลโลสของไมฟน การเผาผลาญกลโคสในแคลอรมเตอร หรอการออกซไดซกลโคสในเมแทบอลซมก

ตาม

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 +6H2O ΔG°′ = -2870 kJ/mol

สมการนแสดงใหเหน stoichiometry (ปรมาณสมพนธ) ทเปนแบบอนรกษและเปนปรมาณสมพนธของ

ปฏกรยาอยางงายในการเผาผลาญกลโคส แตการออกซไดซทางชวภาพ ตองผานกระบวนการทสลบซบซอนกวาการ

เผาไหมมาก เมอไมถกเผา พลงงานทงหมดถกปลอยออกมาในรปความรอน (heat) ไมเกดงาน (work) ทเปน

ประโยชน ยกเวนวาจะเอาไปผานเครองจกรเชน เครองจกรไอนา ในการออกซไดซทางชวภาพจะเกดขนโดยไมมการ

เพมอณหภมมากและมการดกจบพลงงานอสระบางสวนไวในรปของพลงงานเคม ในรปของ ATP และการยอยสลาย

ATP จะไปควบคกบกระบวนการตาง ๆ มากมากเพอเปนตวใหพลงงานสาหรบงานทางชวภาพ

ในกระบวนการ catabolism ของกลโคส ประมาณ 40% ของพลงงานทปลอยออกมาจะถกใชไปในการ

ขบเคลอนการสงเคราะห ATP จาก ADP และ Pi

ไมเหมอนกบการออกซไดซกลโคสโดยใชออกซเจนในสมการกอนหนาน การออกซไดซทางชวภาพจะไม

เกยวกบการถายโอนอเลกตรอนโดยตรง จากสบสเตรตทอยในรปรดวซไปยงออกซเจน แตจะมชดของปฏกรยา

ออกซเดชน-รดกชนทเกดขนเปนลาดบ โดยอเลกตรอนจะผานตวกลางขนสงอเลกตรอน เชน NAD+ และ FAD และ

ทายทสดกไปยงออกซเจน

ดงนน กระบวนการออกซไดซกลโคสทางชวภาพอาจจะแสดงใหละเอยดมากขน และถกตองมากขนดวย

กระบวนการควบคตอไปน

C6H12O6 + 10NAD+ + 2FAD + 6H2O → 6CO2 + 10NADH + 10H+ + 2FADH2

10NADH + 10H+ + 2FADH2 + 6O2 → 10NAD+ + 2FAD + 12H2O

----------------------------------------------------------------------------------------------------

Net: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

ปฏกรยาสทธของกระบวนการออกซไดซทางชวภาพน เหมอนกนกบการเผาไหมโดยตรง การออกซไดซ

กลโคสอยางสมบรณตองการการถายโอนอเลกตรอน 12 คจากกลโคสไปยงออกซเจนโมเลกล ไมวาจะเปน

กระบวนการโดยตรงอยางในการเผาไหม หรอผานตวกลางขนสงอเลกตรอน (NAD+ และ FAD)

20

การถายโอนอเลกตรอนจากตวกลางขนสงอเลกตรอนนไปยงออกซเจนจะถกเรงดวยสายโซการขนสง

อเลกตรอน (electron transport chain) หรอการหายใจ respiratory chain และเรยกออกซเจนวา ตวรบ

อเลกตรอนปลายสด (terminal electron acceptor)

เนองจากพลงงานศกยทเกบอยในสารอนทรยจะถกปลอยออกมาทละนอย จงงายทจะควบคมการ

ออกซไดซและการดกจบพลงงานขณะทปลอยออกมา กลาวคอการถายโอนพลงงานทละนอยจะมการสญเสย

พลงงานนอยกวาการถายโอนทละมาก ๆ

ไมใชวาพลงงานจากเมแทบอลซมจะมาจากการออกซไดซกลโคสเสมอไป สารอน ๆ นอกจากออกซเจนก

เปนตวรบอเลกตรอนปลายสดได จลนทรยหลายชนดสามารถดารงชวต(หรอจะตองดารงชวต) แบบ anaerobic (ไม

มออกซเจน) ตวอยางเชน Desulfovibrio มการหายใจแบบแอนแอโรบกโดยใชซลเฟตเปนตวรบอเลกตรอนปลายสด

SO42- + 8e- + 8H+ → S2- + 4H2O

อยางไรกด จลนทรยแอนแอโรบกสวนมากจะไดพลงงานมาจากกระบวนการหมก (fermentation) ซง

เปน catabolic pathway ทใหพลงงานโดยไมมการเปลยนแปลงสทธของสถานะออกซเดชนของผลตภณฑเมอเทยบ

กบของสารตงตน ตวอยางทดคอการผลตเอทานอลและ CO2 จากกลโคส

pathway แบบแอนแอโรบกทใหพลงงานนอกเหนอจากนกเชนแบคทเรยทอาศยอยในปลองไฮโดรเทอร

มอลใตทะเลลก (รอยแยกบนเปลอกผวโลกทมนารอนไหลออกมา) ซงรดวซซลเฟอรเปนซลไฟดในปฏกรยาถายโอน

อเลกตรอนขนสดทาย และในแบคทเรยทรดวซไนไตรทเปนแอมโมเนย

การคานวณพลงงานทได (Energy yields)

ถาพลงงานในเมแทบอลซมเรมตนมาจากปฏกรยาออกซเดชน กหมายความวายงสบสเตรตมสภาพรดวซ

มาก กยงมศกยภาพมากในการใหพลงงานทางชวภาพ เราสามารถใชแคลอรมเตอรวดความรอน (enthalpy) ท

ออกมาจากการออกซไดซไขมน คารโบไฮเดรตหรอโปรตน การเผาไหมไขมนทาใหไดความรอนมากกวาคารโบโฮ

เดรตทมวลเทากน หรอกลาวไดวา ไขมนมปรมาณแคลอรมากกวาคารโบไฮเดรต เพอใหเหนภาพชด จะเปรยบเทยบ

การออกซไดซกลโคสกบการออกซไดซกรดไขมนอมตวทพบบอย คอ กรดปาลมมตก

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O ΔG°′ = -3.74 kcal/g

C16H32O2 + 23O2 → 16CO2 + 16H2O ΔG°′ = -9.30 kcal/g

เปลยนแคลอร (หนวยทางโภชนาการ) เปนจล (หนวยปจจบนของเทอรโมไดนามกส) เรากจะพบวาการ

ออกซไดซกลโคส ได 15.64 kJ/g และการออกซไดซกรดปาลมมตกได 38.90 kJ/g

คารบอนในไขมนโดยทวไปอยในรปรดวซมากกวาคารโบไฮเดรต ดงนนไขมนจงมโปรตอนและอเลกตรอน

มากกวานาตาล ในการทจะรวมกบออกซเจนในระหวางทางทจะไปเปน CO2 โดยดจากการนบอะตอมออกซเจนกได

กลโคสมออกซเจนตอคารบอนมากกวากรดปาลมมตก แตละคารบอนในกลโคสกเชอมตอกบอะตอมออกซเจนอยาง

นอยหนงอะตอม

เราสามารถบอกไดดวยวา กลโคสเปนสารทอยในรปออกซไดซสงกวา เพราะวาการออกซไดซกลโคสทาให

ไดจานวนโมลของ CO2 ตอจานวนโมลของ O2 มากกวา อตราสวนนเรยกวา RQ (respiratory quotient)

จากสมการขางตน คานวณไดคา RQ ของกลโคส คอ 1.0 (6CO2/6O2) ขณะทของกรดปาลมมตกได 0.70

(16CO2/23O2) โดยทวไปแลว ยงสบสเตรตมคา RQ ตา ยงตองใชออกซเจนมาก(ตอคารบอนทถกออกซไดซ) และยง

เปนสบสเตรตทมศกยภาพตอโมลมากในการสราง ATP

21

ATP ทาหนาทเปน Free energy currency

หมายความวา ATP ทาหนาทเปน “เงนตรา” สาหรบแลกเปลยนพลงงานอสระ ธนบตร 100 บาท

สามารถนาไปใชแลกสนคาหรอบรการตาง ๆ ได ในทานองเดยวกน เซลลแลกเปลยนพลงงานทปลอยออกมาจากการ

ยอย ATP เพอทาหนาทตาง ๆ ทจาเปน โดยมกจะเปลยนพลงงานเคมทปลอยออกมาจากการยอย ATP ไปเปน

พลงงานรปแบบอน คอ พลงงานกล ตวอยางเชน การหดตวของกลามเนอ หรอพลงงานไฟฟาในการสอกระแส

ประสาท หรอพลงงานออสโมซสในการขนสงสารผานเมมเบรนตานความตางของความเขมขน ดงนน ATP จงเปน

ตวกลางทใหพลงงานอสระ โดยจะมการสรางและใช ATP อยอยางตอเนองตลอดเวลา

ประมาณกนวามนษยทพกผอนอยจะเปลยนรป ATP มากถง 65 kg ในเวลา 24 ชวโมง พอ ๆ กบนาหนก

ตว ! (25% ของ ATP ทใชไปน สาหรบ Na+/K+ -ATPase) ยงถามการออกกาลงกายหนก ๆ จะใช ATP ไปถง 0.5

kg/นาท

การสราง ATP จะควบคกบกระบวนการ fermentative หรอ oxidative

การออกซไดซ 1 โมลของกลโคสระหวางการหายใจ จะควบคกบการ phosphorylation ของ ADP

ประมาณ 32 โมล ดงสมการ

C6H12O6 + 6O2 + 32ADP + 32Pi → 6CO2 + 38H2O + 32ATP

22

สารประกอบฟอสเฟตพลงงานสงอน ๆ

ATP สามารถใชขบเคลอนการสงเคราะหสารประกอบทมพลงงานสงกวา เชน creatine phosphate

ซงทาหนาทเปนตวกลางในการขนสงพลงงานของพนธะฟอสเฟตจาก ATP ในไมโตคอนเดรยไปยงไมโอไฟบรล ซง

จะกลายเปนพลงงานกลในการหดตวของกลามเนอ

creatine phosphate (phosphocreatine) สรางจาก creatine โดยใชเอนไซม creatine kinase

เซลลของสตวเลยงลกดวยนมม creatine kinase isozymes หลายชนดตาง ๆ กน มชนดหนงอยท

intermembrane space ของไมโตคอนเดรย (MtCK)

แมดจากตารางขางบน ปฏกรยาการสราง creatine phosphate จะเปน endergonic ทสภาวะ

มาตรฐาน (ΔG°′ = +12.5 kJ/mol) แตเนองจากระดบของ ATP ในไมโตคอนเดรยสง และระดบ creatine

phosphate ในไมโตคอนเดรยตา ปฏกรยาจงเปน exergonic ไปขางหนาได

จากนน creatine phosphate จงแพรจากไมโตคอนเดรยไปยงไมโอไฟบรล เพอใหพลงงานในการหดตว

ของกลามเนอ อยางไรกตาม แหลงพลงงานโดยตรงสาหรบการหดตวของกลามเนอกเปนการยอย ATP อกครง

23

การหดตวของกลามเนอ (muscle contraction)

Phosphocreatine (PCr) circuit showing the rephosphorylation of creatine (Cr) in

mitochondria using ATP derived from oxidative phosphorylation (oxid phos) and subsequent use

of mitochondrial PCr by cytosolic creatine kinase (CK) to resupply ATP for muscle activity

24

กรณศกษา: การใชหงหอยเปนตวรายงานปรมาณของ ATP