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: [email protected]
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: [email protected]
54
สวัสดีคะ
http:// course.ku.ac.th/424111