พลังงาน เอนไซม์ และกระบวนการเมแทบอลิซึม ( Energy and Metabolism)

1. พลังงาน เอนไซม์ และกระบวนการเมแทบอลิซึม (Energy and Metabolism) ปฏิกิริยาชีวเคมีในสิ่งมีชีวิตเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดว่า ปฏิกิริยานั้นจะเกิดขึ้นได้อย่างไร ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตควบคุมโดยเอนไซม์ เอนไซม์เป็นตัวควบคุมเพื่อ ทำให้กระบวนการเมแทบอลิซึมเกิดขึ้นเป็นขั้นตอนตามลำดับอย่างมีระเบียบ

2. พลังงาน คือ ความสามารถที่จะทำงานได้ พลังงานมีอยู่ในสสารทุกชนิด สสารสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ ตามทฤษฎีสัมพันธภาพของไอน์สไตน์ (Einstein’s theory of relativity)

3. 1.1 รูปของพลังงาน • พลังงานจลน์ (Kinetic Energy) หมายถึง พลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุ ถ้าวัตถุมีมวลมากจะมีพลังงานจลน์มาก • พลังงานศักย์ (Potential Energy) หมายถึง พลังงานที่เกิดจากตำแหน่งของวัตถุ เช่น วัตถุที่อยู่ในตำแหน่งสูงจากพื้นโลกมากจะมีพลังงานศักย์มากกว่า เช่นถ้ามนุษย์กระโดดจากดตึกสูงๆจะมีพลังงานศักย์มากจึงทำให้มนุษย์กระแทกพื้นอย่างแรงจนเสียชีวิต พลังงานทั้งสองประเภท อยู่ในรูปพลังงานต่างๆ ดังนี้

4. พลังงานเคมี (chemical energy)เป็นพลังงานศักย์ที่แฝงอยู่ ในโครงสร้างของสสาร • พลังงานไฟฟ้า (electrical energy)เป็นพลังงานที่เกิดจาก การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน • พลังงานกล (mechanical energy)เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้อง กับการเคลื่อนที่โดยตรง • พลังงานรังสี (radiant energy)เป็นพลังงานที่มาในรูปของ คลื่น • พลังงานปรมาณู (atomic energy)เป็นพลังงานที่ถูกปล่อยออกจากสารกัมมันตภาพรังสี ที่มีอยู่ในธรรมชาติหรือที่เกิดในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูหรือระเบิดปรมาณู

5. 1.2 การเปลี่ยนแปลงรูปของพลังงานและกฎอุณหพลวัต (thermodynamic) พลังงานมีการเปลี่ยนรูปจากรูปหนึ่งเป็นอีกรูปหนึ่งได้โดยที่พลังงานไม่สูญหายไปและไม่เพิ่มขึ้นหรือที่เรียกว่า กฎอุณหพลวัตหรือกฎการคงอยู่ของพลังงาน (law of conservation of energy) การเปลี่ยนรูปพลังงานในสิ่งมีชีวิตมี 4 แบบ ดังนี้

6. โฟโตเคมิคัล (photochemical)เป็นการเปลี่ยนรูปพลังงานรังสีมาเป็นพลังงานเคมี เช่น เกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง • อิเล็กทรอเคมิคัล (electrochemical)เป็นการถ่ายพลังงานเคมีจากสารชนิดหนึ่งไปให้สารอีกชนิดหนึ่ง โดยการถ่ายอิเล็กตรอน • เคมิคัล (chemical)เป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมี โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของอะตอมในโมเลกุลขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมี • เมคานิคัล (mechamical)คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานกล เช่น การเคลื่อนไหวของพืชและสัตว์ การหดตัวของกล้ามเนื้อ

7. 1.3 ทฤษฎีพลังงานจลน์ของสสาร • คือ ในสภาวะของอุณหภูมิที่สูงกว่าจุดศูนย์สัมบูรณ์ (absolute zero หรือ - 273.16 องศาเซลเซียส) สสารจะมีพลังงานจลน์ประจำโมเลกุลอยู่จำนวนหนึ่งเสมอ โมเลกุลของสสารไม่อยู่นิ่งในสภาวะปกติ เช่น การได้กลิ่นน้ำหอมจากขวดที่เปิดวางไว้บนโต๊ะในห้องที่ลมสงบ และการหยดหมึกดำลงบนสไลด์ แล้วนำไปส่องดูโดยใช้กล้องจุลทรรศน์จะเห็นว่าอนุภาคของคาร์บอนหรือถ่านที่แขวนลอยอยู่ในหมึกดำ จะมีการเคลื่อนไหวแบบไม่มีทิศทางที่แน่นอนอยู่ตลอดเวลา ปรากฎการณ์เช่นนี้เรียกว่า บราวเนียนมูฟเมนต์ (brownion movement)

8. 1.4 การเปลี่ยนแปลงของพลังงานและปฏิกิริยาเคมี • สิ่งมีชีวิตต้องมีการเจริญ มีการสร้างโมเลกุล และส่วนประกอบโครงสร้างใหม่ๆอยู่ตลอดเวลา ซึ่งจำเป็นต้องใช้พลังงาน ที่มาจากการสลายอาหารโดยใช้กระบวนการทางเคมี ทุกครั้งที่เกิดปฏิกิริยาเคมีจะต้องมีการแลกเปลี่ยนพลังงาน • ถ้าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นมีการใช้พลังงานภายนอก ปฏิกิริยาเคมีแบบนี้เรียกว่า เอนเดอร์โกนิก (endergonic) • ถ้ามีการปล่อยพลังงานออกไป ในขณะที่เกิดปฏิกิริยาเคมี เรียกปฏิกิริยานี้ว่า เอกเซอร์โกนิก (exergonic)

9. พลังงานที่อยู่ในสารเคมีที่ทำให้เกิดงาน เรียกว่า พลังงานอิสระของกิบส์ (Gibb’s free energy หรือ G) • ปฏิกิริยาเอกเซอร์โกนิก มีพลังงานอิสระเหลือน้อย จะให้ค่าของพลังงานอิสระที่เปลี่ยนไปจากเดิมมีค่าเป็นลบ (-G) ปฏิกิริยาเอกเซอร์โกนิก เช่น การรวมตัวของ H2 กับ O2 ได้น้ำ (H2O) และปฏิกิริยาการใช้น้ำตาลกูลโคสในการหายใจแบบใช้ออกซิเจนของสิ่งมีชีวิต • ปฏิกิริยาเอนเดอร์โกนิก มีพลังงานอิสระที่เกิดขึ้นมากกว่าพลังงานอิสระเริ่มต้น หรือพลังงานอิสระที่เปลี่ยนไปจากเดิม มีค่าเป็นบวก (+G) ปฏิกิริยาแบบเอนเดอร์โกนิก เช่น ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสง โดยเปลี่ยน CO2 กับ H2O ให้เป็น C6H12O6 โดยอาศัยพลังงานแสงสว่างจากดวงอาทิตย์ • พลังงานจลน์ต่ำสุดที่ใช้กระตุ้นสารให้อยู่ในสภาพที่สามารถทำปฏิกิริยาได้ (activated state) เรียกว่า พลังงานกระตุ้น (activated energy)

10.  1.5 หน่วยของพลังงาน ใช้หน่วยของความร้อน หน่วยที่นิยมใช้1.5.1 แคลอรี หมายถึง ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส1.5.2 บี.ที.ยู หมายถึง ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์

11. 1.6 ความต้องการพลังงานของร่างกาย 1.6.1 การทำงานของอวัยวะภายในร่างกาย รวมทั้งการรักษาระดับความร้อนภายในร่างกาย หรืออุณหภูมิของร่างกายให้คงที่ 1.6.2 การใช้จ่ายสารอาหารในร่างกาย (specific dynamic action of food หรือ S.D.A.) อาหารแต่ละอย่างให้ S.D.A. ต่างกัน ถ้ากินอาหารโปรตีนล้วน ร่างกายจะผลิตความร้อน หรือ ต้องการพลังงานสูงกว่าเดิมร้อยละ 30 ถ้าเป็นคาร์โบไฮเดรตล้วนเพิ่มขึ้น ร้อยละ 8-10 ถ้าเป็นไขมันล้วนเพิ่มขึ้น ร้อยละ 4-6ความร้อนที่เกิดจาก S.D.A. นี้ ถ้าในเมืองหนาวจะมีประโยชน์ คือช่วยให้ร่างกายอบอุ่น แต่ในเมืองร้อนกลับไม่ช่วยอะไร นอกจากทำให้รู้สึกร้อน เหงื่อออก หรืออึดอัดหลังอาหาร 1.6.3 สภาพของร่างกาย เช่น เด็ก หญิงมีครรภ์ และหญิงแม่ลูกอ่อนจะต้องการพลังงานสูงกว่าคนปกติ 1.6.4 การออกกำลังกาย หรือการทำกิจกรรม

12. 1.7 สมดุลพลังงาน • ร่างกายมีกลไกที่จะควบคุมให้พลังงานสมดุลกัน โดยจะควบคุมปริมาณอาหารที่รับประทาน (food intake) เพื่อให้แคลอรีที่ได้รับ (caloric intake) เท่ากับพลังงานที่ใช้ไป (energy output) ตามกฎ law of conservation of energy energy intake = energy output + stored energy • พลังงานที่ได้รับ มาจากอาหารโปรตีน ไขมัน และคาร์โบไฮเดรต • พลังงานที่ใช้ในรูปพลังทำงานเป็นส่วนน้อย ส่วนใหญ่จะสลายไปในรูปของความร้อน • พลังงานที่เก็บสะสม คือพลังงานที่เหลือใช้ ร่างกายเก็บไว้ในรูปของไขมัน ไกลโคเจน และโปรตีนที่เนื้อเยื่อรวมทั้ง เอทีพี และ ครีอาทิน ฟอสเฟต

13. 1.8 กลไกควบคุมปริมาณอาหารที่รับประทาน • เพื่อรักษาดุลพลังงาน คือ การที่จะให้ปริมาณอาหารที่รับประทานอาหารสมดุลกับพลังงานที่ใช้ จะมีการควบคุมจากระบบประสาท โดยจะมีศูนย์ควบคุมอยู่ใน ไฮโพทาลามัส (hypothalamus) 2 ศูนย์ คือ 1.9.1 ศูนย์หิว (feeding center)อยู่ที่ด้านข้างของไฮโพทาลามัส จะทำหน้าที่เป็นตำแหน่งรวมของกิริยาสนอง (reflex) ต่างๆที่มาทางลิ้น หู ตา กลิ่นที่มาเกี่ยวข้องกับการรับประทานอาหาร รวมทั้งการเสาะแสวงหาอาหารด้วย 1.9.2 ศูนย์อิ่ม (satiety center)อยู่ที่ด้านล่างของไฮโพทาลามัส จะทำหน้าที่รับสัญญาณอิ่ม คือ สัญญาณที่ทำให้หยุดรับประทาน

14. 1.9 ATP สารที่มีพันธะเคมีพลังงานสูง • อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (adenosine triphosphate หรือ ATP) ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการ นำเอาพลังงานจากที่หนึ่งไปใช้อีกที่หนึ่ง เช่น การสังเคราะห์ด้วยแสง เปลี่ยนพลังงานรังสีมาเป็นพลังงานเคมี • ATP เป็น nucleotide ที่ประกอบด้วย nitrogen ที่มี adenine น้ำตาลไรโบส (คาร์บอน 5 อะตอม) และหมู่ฟอสเฟตเกาะอยู่ 3 หมู่ และพันธะโควาเลนซ์ที่จับกับหมู่ฟอตเฟต เมื่อพันธะถูกทำลาย โดยทำปฏิกิริยากับน้ำจะปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมาก เป็นพันธะที่มีพลังงานสูง

15. กระบวนการสังเคราะห์พันธะเคมีที่มีพลังงานสูงของ ATP เรียกว่า ฟอสโฟริเลชัน (phosphorylation) เกิดขึ้นได้ 3 แบบก. โดยการถ่ายทอดกลุ่มฟอสเฟตจากสารที่มีพันธะเคมีพลังงานสูงกว่ามาให้ ADP โดยตรง เรียกว่า ซับสเตรตฟอสโฟริเลชัน (substrate phosphorylation) ข. โดยได้รับพลังงานรังสีมาทำให้เกิดการรวมตัวของ ADP กับฟอสเฟตกลายเป็น ATP เช่น ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง เรียกว่า โฟโตฟอสโฟริเลชัน ( photophosphorylation )ค. โดยการรวมตัวของ ADP กับฟอสเฟต ในขณะที่เกิดการถ่ายทอดอิเล็กตรอนไปให้ออกซิเจนในกระบวนการหายใจ ซึ่งเกิดในไมโทคอนเดรีย เรียกว่า ออกซิเดทีฟฟอสโฟริเลชัน (oxidative phosphorylation)

16. ในเซลล์มีเอทีพีอยู่ไม่มาก เพราะถูกใช้และถูกสร้างขึ้นใหม่ตลอดเวลา เสียฟอสเฟตไป 1 ตัว เสียฟอสเฟต 2 ตัว ATP--------------------------------ADP--------------------------------AMP • การเปลี่ยน AMP หรือ ADP กลับมาเป็น ATP ต้องได้รับ กลุ่มฟอสเฟตและต้องใช้พลังงาน • ในเซลล์มีสารประกอบหลายตัวที่มีกลุ่มฟอสเฟต และมีพลังงานสูงกว่า ATP เช่น ฟอสโฟอีนอลไพรูเวต (phosphoenolpyruvate), 1,3- ไดฟอสโฟกลีเซอเรต (1,3-diphoglycerate) สารประกอบพวกนี้สามารถถ่ายทอดกลุ่มฟอสเฟตให้ ADP พร้อมกับพลังงานทำให้ได้ ATP กลับคืนมาโดยมีเอนไซม์เป็นตัวเร่ง

17. ศูนย์สัมบูรณ์ (absolute zero) • หมายถึง อุณหภูมิที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นั่นคือ -273 องศาเซลเซียส -459 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ 0 เคลวิน เป็นอุณหภูมิที่โมเลกุลของสสารไม่มีพลังงานจลน์ • ในทางปฏิบัติยังไม่สามารถสร้างสภาพศูนย์สัมบูรณ์ขึ้นมาได้จริง ปัจจุบันได้นิยามศูนย์สัมบูรณ์ไว้ว่า เป็นอุณหภูมิที่อนุภาคทุกชนิดหยุดการเคลื่อนไหวอย่างสิ้นเชิงตามหลักกลศาสตร์ควอนตัม ดังนั้นศูนย์สัมบูรณ์จึงน่าจะเป็นอุณหภูมิที่โมเลกุลของสสารสั่นน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

18. มาตรฐานวัดหลัก ได้แก่ โดยมีสูตรการแปลงหน่วยดังนี้ • °C = (°F-32) × (5/9) • °F = (9/5) × °C + 32 • K = °C + 273.15 • °R = 4/5 × °C

20. 2. เอนไซม์ 1.  คุณสมบัติทั่วไป -เป็นโปรตีนชนิดละลายน้ำได้ -ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกริยา (catalyst) -มีซับสเตรทเฉพาะตัว -เอนไซม์บางตัวมีโลหะเป็นองค์ประกอบ เรียกว่า metalloenzyme -เอนไซม์บางตัวมีสารอินทรีย์อื่นเป็นองค์ประกอบ เรียกว่า โคเอนไซม์

21. แหล่งพบเอนไซม์ • ในช่องทางเดินอาหารตั้งแต่ปากจนถึงลำไส้ใหญ่มีชื่อเอนไซม์ที่รู้จักทั่วไป เช่นไทยาลิน (ptyalin) เป็น salivaryamylase เปปซิน (pepsin)  เป็น protease เรนนิน (rennin)เป็นmilk coagulation ทริพซิน (trypsin) เป็น endopeptidase ไคโมทริพซิน (chymotrypsin) เป็น endopeptidase • ภายในออร์กาเนลล์ต่างๆของเซลล์พืชและสัตว์เช่น - ในไมโตคอนเดรีย เกี่ยวกับการออกซิไดซ์ กรดไขมัน กรดอะมิโน - ในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม เกี่ยวกับการสังเคราะห์โปรตีน, สเตอรอยด์ เป็นต้น - ในนิวเคลียส เกี่ยวกับ การสังเคราะห์ดีเอนเอ และอาร์เอนเอ - ในไลโซโซม เกี่ยวกับการสลายของดีเอนเอ,อาร์เอนเอ,โปรตีนโปลีแซคคาไรด์ และไขมัน - ในไซโตซอลเกี่ยวกับการสังเคราะห์กรดไขมันการสลายกลัยโคเจน การเปลี่ยนน้ำตาลกลูโคสเป็นไพรูเวท เป็นต้น • พบได้ในเชื้อแบคทีเรีย เชื้อรา (fungi) และไวรัส

22. การเรียกชื่อเอนไซม์เรียกตามซับสเตรตที่ถูกแยกสลาย หรือเรียกตามกฏิกิริยาที่เร่ง โดยการเติม ase เข้าไป  ข้างท้าย เช่น • ลิเปส (Lipase) เป็นเอนไซม์ที่ย่อยไขมันที่ใช้กับซับสเตรตไขมัน (Lipid) • เฮกโซคิเนส (Hexokinase) เป็นเอนไซม์ที่ย่อยน้ำตาลที่ใช้กับซับสเตรตเฮกโซส (Hexose) • ดีคาร์บอนซิเลส (Decarboxylase) เป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาดีคาร์บอนซิเดชัน (Decarboxydation) • อะไมเลส (Amylase) เป็นเอนไซม์ของปฏิกิริยาที่แป้งถูกไฮโดรไลซ์เป็นมอสโทส (Maltose) • ซักซินิก ดีโอโดรจีเนส (Succinic dehydrogenase) เป็นเอนไซม์เร่งปฏิกิริยาการดึงไฮโดรเจนออกจากซับสเตรตกรดซักซินิก (Succinicacid) แต่เอนไซม์บางชนิดการเรียกชื่อไม่ได้เป็นไปตามเกณฑ์ดังกล่าว เช่น • ปาเปน (Papain) ในยางมะละกอเป็นเอนไซม์เร่งปฏิกิริยาการย่อยโปรตีน • เปปซิน (Pepsin) ในน้ำย่อยเป็นเอนไซม์ที่ย่อยโปรตีนให้มีขนาดโมเลกุลเล็กลง

24. จำแนกชนิดของเอนไซม์ 1. ออกซิโด – รีดักเตส (Oxido – reductase) เป็นเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาออกซิเดชัน รีดักชัน  ได้แก่ เอนไซม์ดีไฮโรจีเนส (Dehydrogenase) และออกซิเดส (Oxidase) 2. ทรานสเฟอเรส (Transferase) เป็นเอนไซม์ที่ทำปฏิกิริยาโดยโยกย้ายส่วนหนึ่งของซับสเตรตอีกตัวหนึ่ง เช่น   ทรานสคีโตเลส (Transketolase) และเมทิลทรานสเฟอเรส (Methyltransferase) 3. ไฮโดรเลส (Hydrolase) เป็นเอนไซม์ที่ทำปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (Hydrolysis) เช่น ฟอสเฟเตส (Phosphatase) ไล- เปส (Lipase) 4. ไลเอส (Lyase) เป็นเอนไซม์ดีคาร์บอกซิเลส (Decarboxylase) ฟูมาเรดไฮเดรเตส (Fumaratehydratase) ฯลฯ

25. 5. ไอโซเมอเรส (Isomerase) เป็นเอนไซม์ที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนไอโซเมอร์ (Isomer) เช่น เอนไซม์ฟอสโฟกลีเซอโรมิวเตส (Phosphoglyceromutase) จะเปลี่ยน 3 – ฟอสโฟกลีเซอเรต (3-Phosphoglycerate) เป็น 2 – ฟอสโฟกลี  เซอเรต (2-Phosphoglycerate) 6. ซินเทเตส (Synthetase)หรือไลเกส (Ligase) เป็นเอนไซม์ที่เกี่ยวกับการสร้างพันธะเคมีโดยใช้พลังงาน (ATP = Adenosinetriphosphate) เช่น ไพลูเวต คาร์บอกซิเลส (Pyruvatecarboxylase) เปลี่ยนกรดไพรูวิก (Pyruvicacid) ให้เป็นกรดออกซาโลอะซิติก (Oxaloacetic acid)

26. โคแฟคเตอร์ (Cofactor)และโคเอนไซม์  (Coenzyme)  หมายถึง โลหะอิออนที่เป็นส่วนประกอบในโมเลกุลของเอนไซม์และอิออนอิสระของโลหะที่ช่วยเร่งการทำงานของเอนไซม์ เช่น เอนไซม์ acetyl - Co A  synthase  มีอิออนของแมกนีเซียม (Mg2+) และโปแตสเซียม (K+) เป็นโคแฟคเตอร์แต่ถ้าเติมโซเดียมอิออน (Na+) ลงไปการทำงานของเอนไซม์จะถูกยับยั้งทันที • โคแฟคเตอร์มักจะทนต่อความร้อนได้ ในขณะที่เอนไซม์จะหมดสภาพเมื่อได้รับความร้อน • เอนไซม์ที่มีโคแฟคเตอร์เป็นอิออนของโลหะนั้นอาจจะเรียกว่า เมทัลโลเอนไซม์ (Metalloenzyme) 

27. โคเอนไซม์  (Coenzyme) เป็นสารอินทรีย์ที่ช่วยในการทำงานของเอนไซม์โดยทั่วไปโคเอนไซม์เป็นอนุพันธ์ของวิตามินที่ละลายน้ำได้ • โคเอนไซม์ทำหน้าที่ในปฏิกิริยาที่มีการโยกย้ายของหมู่เคมีอะตอม หรืออิเลคตรอนโดยทำปฏิกิริยากับสับสเตรท • ถ้าโคเอนไซม์ติดอยู่กับเอนไซม์แน่นมากจะเรียกว่า กลุ่มพรอสธีติค โดยจะเกาะอยู่กับเอนไซม์แบบแขนโควาเลนท์ (Covalent bond)

28. ไอโซเอนไซม์ (Isoenzymes) หรือไอโซไซม์ คือ กลุ่มเอ็นไซม์ที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาเดียวกัน แต่ตัวเอ็นไซม์มีคุณสมบัติทางฟิสิกซ์และเคมีแตกต่างกัน • เป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาเดียวกัน มีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากัน มีการเรียงตัวของกรดอะมิโนคล้ายคลึงกัน • แต่ มีการเรียงตัวของกรดอะมิโนต่างกันนี้ทำให้เมื่อแยกเอนไซม์โดยวิธีทาง อีเลคโตรโฟรีซิส (Electrophoresis)แล้วจะทำให้ไอโซ-ไซม์แยกออกจากกัน • อีเลคโตรโฟรีซิสสามารถแยกโปรตีนหรือโมเลกุลอื่นที่มีประจุในสนามไฟฟ้า โดยใช้ส่วนผสมของเอนไซม์หลายชนิดไว้ในตัวกลางที่เฉื่อย

29. กลไกในการทำงานของเอนไซม์กลไกในการทำงานของเอนไซม์ • สารเริ่มต้นต้องเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ ซึ่งการเปลี่ยนนี้จะต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่งเรียกว่า Energy of Activation • การเพิ่มอุณหภูมิจะเพิ่มจำนวนโมเลกุลที่มีพลังงานสูงขึ้น ทำให้โมเลกุลอยู่ในสภาพที่เรียกว่า Transition state • อัตราเร่งปฏิกิริยาทางเคมีจะเพิ่มขึ้นได้สองทาง   ได้แก่   การเพิ่มอุณหภูมิ และ การเพิ่มอัตราเร่งของปฏิกิริยา

30. ลักษณะการทำงานของเอนไซม์ลักษณะการทำงานของเอนไซม์

31. การเสื่อมสภาพของเอนไซม์ (Denaturation) • เมื่อโครงสร้างของเอนไซม์เปลี่ยนไปสารเริ่มต้นรวมกับเอนไซม์ที่ Active Site ไม่ได้ ทำให้คุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์หมดไป • กรณีที่เอนไซม์เกิดการเสื่อมสภาพไปแล้ว ไม่สามารถจะกลับคืนมาสู่สภาพที่ทำงานได้อีก คือ ได้รับอุณหภูมิสูง ดังนั้น ในการสกัดเอนไซม์ออกจากพืช หรือการทำให้เอนไซม์บริสุทธิ์ ทำในที่มีอุณหภูมิต่ำ • ออกซิเจน และสารที่เป็นสารออกซิไดซ์สามารถทำให้เอนไซม์หลายชนิดเสื่อมสภาพได้ • ในสภาพที่แห้ง เอนไซม์จะมีความคงทนต่ออุณหภูมิสูงดีกว่าในสภาพที่มีน้ำมาก

32. ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์ • ความเข้มข้นของเอนไซม์และสารเริ่มต้น • ความเป็นกรดด่าง (pH) • อุณหภูมิ เอนไซม์ทำงานได้ที่ T 30-50 องศาฯ และจะมีอุณหภูมิเหมาะสมที่สุดเรียก "Optimum temperature" • ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น (Reaction product)  

33. สารระงับการทำงานของเอนไซม์ (Inhibitors) - Competitive Inhibitor  สามารถรวมตัวกับโมเลกุลของเอ็นไซม์ตรงตำแหน่ง active  site โดยการแย่งที่สับสเตรท - Non competitive Inhibitor  เป็นสารยับยั้งที่รวมกับเอ็นไซม์หรือ ES-complex ก็ได้ จะได้เป็น EI และ ESI เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของสับสเตรทให้มากขึ้นก็ไม่มีผลต่อปฏิกิริยา - Uncompetitive  Inhibitor  เป็นสารยับยั้งที่จะไม่รวมกับโมเลกุลของเอ็นไซม์หรือไปแย่งที่ active site ของสับสเตรท แต่จะไปรวมกับ  ES-complex  เป็น ESI ทำให้ปฏิกิริยาไม่สามารถดำเนินต่อไปเป็นผลิตภัณฑ์ได้

34. Competitive Inhibitor http://www.juliantrubin.com/encyclopedia/biochemistry/enzyme_files/400px-Comp_inhib.png

35. Non competitive Inhibitor http://content.answers.com/main/content/wp/en/thumb/3/34/400px-Non-competitive_inhibition.jpg

36. Uncompetitive  Inhibitor http://www.chm.davidson.edu/erstevens/Lineweaver/scheme_4.gif

37. 3. กระบวนการเมแทบอลิซึม (Metabolism) • เมแทบอลิซึม เป็นกิจกรรมทางเคมีที่เกิดขึ้นเฉพาะสิ่งมีชีวิตเท่านั้นเช่น การสร้างพลังงาน การเจริญเติบโต การซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอ การคิด การรู้สึก รวมทั้งการกำจัดของเสียขบวนการเมแทบอลิซึมแบ่งออกได้เป็น 2 ขั้น ดังนี้ • Catabolism หมายถึง ปฏิกิริยาที่ย่อยสลายสารประกอบขนาดใหญ่ให้เป็นสารโมเลกุลขนาดเล็ก และปล่อยพลังงานเคมีที่อยู่ในพันธะโมเลกุลนั้นๆ เรียกว่า Exergonic เช่น การย่อยแป้ง น้ำตาล กลูโคส

38. 2. Aanabolismหมายถึง ปฏิกิริยาที่สร้าง หรือรวมตัวเอาโมเลกุลขนาดเล็กให้เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ ซึ่งต้องการพลังงาน เรียกว่า Endergonic เช่น เกิดการรวมตัวของกลูโคสหลายโมเลกุล เกิดเป็นแป้ง , ไกลโคเจน นอกจากการเสียหรือรับพลังงานแล้ว ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตจะมีการถ่ายทอดอิเลคตรอน เรียกว่า ปฏิกิริยา oxidation และ reduction oxidation คือ ปฏิกิริยาที่โมเลกุลเกิดการสูญเสียอิเลคตรอน reduction คือ ปฏิกิริยาที่โมเลกุลได้รับอิเลคตรอน

39. การสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชสีเขียว เป็นปฏิกิริยาขั้นแอนาบอลิซึม โดยพืชสังเคราะห์กลูโคส จากคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำโดยมีคลอโรฟิลล์ เป็นสารที่จับพลังงานแสงสว่าง จากดวงอาทิตย์ มาใช้ในปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสง ดังสมการ (แสงสว่าง) 6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O + พลังงาน (คลอโรฟิลล์) • การหายใจของพืชสีเขียว และสัตว์ที่ต้องการออกซิเจน จัดเป็นปฏิกิริยาขั้นแคทาบอลิซึม ดังสมการ C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + พลังงาน

40. 6  CO2  +  6 H2OC6H12O6  +  6 O2 คลอโรฟิลล์ 4. การสังเคราะห์ด้วยแสง • การสังเคราะห์ด้วยแสง คือ การใช้พลังงานรังสีเปลี่ยนคาร์บอนได ออกไซด์ และไฮโดรเจนที่มาจากน้ำหรือจากแหล่งให้ไฮโดรเจนอื่นๆ ให้เป็นสารประกอบคาร์โบไฮเดรต โดยเซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่มีรงควัตถุที่สามารถดูดพลังงานจากแสงได้ เช่น พืชสีเขียว แบคทีเรียบางชนิด

41. รงควัตถุที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงรงควัตถุที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสง • คลอโรฟิลล์ • ต้นกำเนิดของคลอโรฟิลล์ คือ โพรโทคลอโรฟิลล์ (protochlorophyll) เป็นสารที่ไม่มีสี พบในพืชที่อยู่ในที่มืด เมื่อถูกแสงสว่าง จะถูกรีดิวซ์และเปลี่ยนเป็นคลอโรฟิลล์ ทำหน้าที่ดูดพลังงานของแสงอาทิตย์ • คลอโรฟิลล์จำแนกออกได้ 4 ชนิด คือคือ คลอโรฟิลล์เอ คลอโรฟิลล์บี คลอโรฟิลล์ซี และคลอโรฟิลล์ดี • คลอโรฟิลล์ชนิดต่างๆ ดูดแสงในช่วงคลื่นแถบสีน้ำเงินและสีแดงได้ดีกว่าช่วงความยาวคลื่นอื่นๆ ช่วงคลื่นสีเขียว คลอโรฟิลล์ดูดได้น้อยที่สุด จึงทำให้เรามองเห็นสีคลอโรฟิลล์เป็นสีเขียว คลอโรฟิลล์เอจะมีสีเขียวปนน้ำเงิน ส่วนคลอโรฟิลล์บีมีสีเขียวอมเหลือง

42. แคโรทีนอยด์ • แคโรทีนอยด์ เป็นสารประกอบจำพวกไขมัน ประกอบด้วย แคโรทีน เป็นรงควัตถุสีแดง และสีส้ม อีกชนิดหนึ่งคือ แซนโทฟิลล์ เป็นรงควัตถุสีเหลืองหรือสีน้ำตาล • ไฟโคบิลิน • ไฟโคบิลิน เป็นรงควัตถุที่มีอยู่เฉพาะสาหร่ายสีแดงและสี เขียวแกมน้ำเงินประกอบด้วยรงควัตถุ 2 ชนิดคือ • - ไฟโคอีรีทริน (Phycoerythrin) เป็นรงควัตถุสีแดง • - ไฟโคไซยานิน (Phycocyanin) เป็นรงควัตถุสีน้ำเงิน

46. กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง มี 2 ปฏิกิริยา คือ • ปฏิกิริยาที่ใช้แสง (light reaction)เป็นปฏิกิริยาที่จะเกิดขึ้นได้ต้องมีแสงจากดวงอาทิตย์ หรือแสงประดิษฐ์ก็ได้ รงควัตถุที่ทำหน้าที่สังเคราะห์ด้วยแสงรวมเป็นหน่วยย่อย เรียกว่า หน่วยสังเคราะห์ด้วยแสง (photosynthetic unit) หรือควอนทาโซม (quantasome) บนไทลาคอยด์ (thylakoid) รวมกันประมาณ 400-600 โมเลกุล และมีคลอโรฟิลล์เอรูปพิเศษ เป็นศูนย์กลางรับพลังงานจากรงควัตถุอื่น แล้วทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีรังสี หน่วยสังเคราะห์ด้วยแสงแต่ละหน่วยประกอบด้วย photosystem 2 ระบบ คือ photosystem I หรือ P700 ซึ่งมี pigment system I เป็นตัวรับแสง และ photosystem II หรือ P680 ซึ่งมี pigment system II เป็นตัวรับแสง แต่ละระบบจะมี คลอโรฟิลล์ประมาณ 200-300 โมเลกุล

47. การถ่ายทอดอิเล็กตรอน ใน PS I และ PS II เกิดได้เป็น 2 แบบดังนี้ ก. การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบเป็นวัฏจักร (cyclic electron transfer)การถ่ายทอดแบบนี้จะเกี่ยวข้องเฉพาะ PS I เท่านั้นโดยอิเล็กตรอนที่ออกมาจากคลอโรฟิลล์ P 700 จะมีตัวมารับและถ่ายทอดไปเป็นทอดๆ แล้วจะกลับมาสู่คลอโรฟิลล์ P 700 เดิม ในระหว่างที่ถ่ายทอดไปนั้น พลังงานจากอิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาซึ่งเซลล์จะนำไปสร้างสารประกอบ ATP จากสารประกอบ ADPอิเล็กตรอนจากคลอโรฟิลล์ P 700 ใน PS I ที่มีพลังงานสูงขึ้นจะมี Z ซึ่งเป็นสารที่ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าเป็นชนิดใดแน่ แต่มีผู้ให้ความเห็นว่าเป็น เฟร์ริดอกซิน รีดิวซิง ซับสแตนซ์ ( ferredoxin-reducing substrance ) มารับการถ่ายทอดต่อไปให้เฟร์ริดอกซินไซโทโครม พลาสโทไซแอนินและกลับมาสู่คลอโรฟิลล์ P 700 และได้พลังงานจากการถ่ายทอดแบบนี้ 1 ATP ต่ออิเล็กตรอน 1 คู่

48. ข. การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบไม่เป็นวัฏจักร (non-cyclic electron transfer) การถ่ายทอดแบบนี้จะเกี่ยวข้องทั้ง PS I และ PS II และมีน้ำมาเกี่ยวข้องด้วย โดยพลังงานรังสีที่คลอโรฟิลล์ดูดไว้จะถูกนำมาใช้แยกน้ำด้วยกระบวนการโฟโตลิซิส (photolysis) โรบิน ฮิลล์ (Robin Hill) เป็นผู้ค้นพบกระบวนการนี้ ค.ศ. 1937 จึงมีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า ปฏิกิริยาฮิลล์ (Hill’s reaction) การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบนี้ นอกจากจะสร้าง ATP แล้ว ยังจะสร้าง NADPH + H+ จาก NADP+ การถ่ายทอดอิเล็กตรอนทั้งสองแบบนี้จะเกิดขึ้นได้ตลอดเวลาเมื่อมีแสง ซึ่งพืชจะสามารถนำพลังงานแสงมาสร้างเป็น ATP และ NADPH + H+ ในปฏิกิริยาที่ใช้แสงนี้ และถูกนำไปใช้ในปฏิกิริยาที่ไม่ใช้แสงต่อไป

49. 2. ปฏิกิริยาที่ไม่ใช้แสง (dark reaction) • ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องมีแสง เป็นกระบวนการต่อเนื่องจากปฏิกิริยาที่ใช้แสงในการที่จะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ โดยใช้ผลผลิตที่ได้จากปฏิกิริยาที่ใช้แสง คือ NADPH + H+ และ ATP ให้ไปเป็นสารประกอบคาร์โบไฮเดรต ปฏิกิริยานี้ยังมีชื่อเรียกอีก 2 ชื่อ คือ คาร์บอนไดออกไซด์ ฟิกเซชัน (carbondioxide fixatio ) และวัฏจักรเคลวิน-เบนสัน (Calvin-Benson cycle) เคลวินและเบนสัน (ค้นพบในปี ค.ศ. 1949) พบว่าสารที่มาเป็นตัวรับ CO2 คือ RDP (ribulose diphosphate) และ PGA (phosphoglyceric acid) เป็นสารชนิดแรกที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาไม่ใช้แสง ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในวัฏจักรนี้แสดงไว้จะเกิดขึ้น 3 ครั้ง สังเกตเลข 3 ที่อยู่หน้า CO2 และ RDP

50. ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสงปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง • ความเข้มแสง - ถ้าความเข้มของแสงมาก อัตราการสังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้น • ความเข้มของ CO2 - อัตราการสังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้นตามความเข้ม CO2 จนถึงระดับหนึ่ง แม้ความเข้ม CO2 จะเพิ่มขึ้นแต่ อัตราการสังเคราะห์แสงจะลดต่ำลง • อุณหภูมิ – อัตราการสังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ถ้าอุณหภูมิสูงเกิน 40 oC เอนไซม์จะเสื่อมสภาพ การทำงานเอนไซม์ชะงักลงอัตราการสังเคราะห์แสงจะลดลงตามระยะเวลาที่เพิ่มขึ้น • ออกซิเจน - ปริมาณออกซิเจนลดลงอัตราการสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้น • น้ำ - ช่วยกระตุ้นการทำงานของเอนไซม์ • เกลือแร่ - ถ้าพืชขาดธาตุแมกนีเซียมและไนโตรเจน เหล็ก พืชก็จะขาดคลอโรฟิลล์ การสังเคราะห์แสงก็จะลดลง