บทที่ 3 พลังงานและชีวิต (Energy and Life)

1. ปฏิกิริยาเคมีภายในสิ่งมีชีวิต

กระบวนการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในสิ่งมีชีวิต เรียกว่า metabolism (มาจากภาษากรีก metabole = change) มี 2 พวก คือ catabolic pathways เป็นกระบวนการย่อยสลาย (degradation) เช่น การหายใจ เป็นการย่อยสลายน้ำตาลกลูโคสให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์กับน้ำ พลังงานที่สะสมอยู่ในสารอินทรีย์จะถูกนำมาใช้ในการมีกิจกรรมต่าง ๆ ของเซลล์ และ Anabolic pathways เป็นกระบวนการใช้พลังงานในการสร้างสารโมเลกุลต่างๆ จากโมเลกุลง่าย ๆ เช่น การสังเคราะห์โปรตีนจากกรดอะมิโน เป็นต้น

ในปฏิกิริยาเคมี จะต้องใช้พลังงานในการสลายพันธะ และเมื่อพันธะเคมีถูกสร้างขึ้น จะมีการปล่อยพลังงานออกมา โมเลกุลของสารทุกชนิดจะมีพลังงานสะสมอยู่เรียกว่า พลังงานพันธะ (bond energy) เช่น พลังงานพันธะของ H-O เท่ากับ 110 กิโลแคลอรี , H-H เท่ากับ 103 กิโลแคลอรี และ O=O เท่ากับ 116 กิโลแคลอรี

จากปฏิกิริยาเคมีแยกสลายน้ำ

โดยการแยก 2 H₂O ต้องการพลังงานเท่ากับ 4(H-O) = 440 กิโลแคลอรี การเกิด 2 H₂ จะปล่อยพลังงานเท่ากับ 2(H-H) = 2 x 103 การเกิด O₂ จะปล่อยพลังงานเท่ากับ (O-O) = 116 กิโลแคลอรี ดังนั้นในปฏิกิริยาการแยกสลายน้ำ จึงต้องการพลังงาน 118 กิโลแคลอรี

440 - (206 + 116)  =  118 กิโลแคลอรี

ในทำนองเดียวกันปฏิกิริยา

จึงปล่อยพลังงานออกมา 118 กิโลแคลอรี

ปฏิกิริยาเคมีที่ 1 จะต้องการพลังงานเข้าไป เรียกว่า ปฏิกิริยาดูดพลังงาน (endergonic reaction) ปฏิกิริยานี้ product มีพลังงานมากกว่า reactant ส่วนปฏิกิริยาที่ 2 จะมีการปล่อยพลังงานออกมา เรียกว่า ปฏิกิริยาคายพลังงาน (exergonic reaction) ซึ่ง product มีพลังงานน้อยกว่า reactant (รูปที่ 1)

ปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิตมีทั้งปฏิกิริยาดูดพลังงาน และคายพลังงาน เช่น การหายใจเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน ส่วนการสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน

การหายใจ

การสังเคราะห์ด้วยแสง

ในปฏิกิริยาเคมี ก่อนที่จะมีการทำลายพันธะของ reactant จะต้องการพลังงานที่เรียกว่า activation energy (E_A) ดังรูปมีผลทำให้พันธะเคมีของ reactant ไม่เสถียร เปราะมาก ง่ายต่อการแตกหัก ซึ่งในสิ่งมีชีวิตสามารถลด activation energy ได้ด้วยเอนไซม์ (enzyme) ซึ่งจัดเป็น catalyst ชนิดหนึ่งโดยจะเรียกว่า catalysis มีผลทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้เร็วขึ้น กระบวนการปฏิกิริยาเคมีที่เร่งโดยเอนไซม์ภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต เรียกว่า metabolism

               (ที่มา ; Campbell et.al , 1999  หน้า 91 - 92)

2. เอนไซม์และการทำงานของเอนไซม์

ปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิต เรียกว่า Biochemical reaction โดยมีเอนไซม์ เร่งปฏิกิริยา (biocatalyst) เอนไซม์ส่วนใหญ่มีโครงสร้างเป็นโปรตีนก้อนกลม (globular protein) โดยมีบริเวณที่จำเพาะกับสารที่เข้าทำปฏิกิริยา (reactant) เรียกบริเวณจำเพาะว่า active site และเรียก reactant ที่เอนไซม์ไปมีผลเพื่อทำให้เปลี่ยนเป็น product ว่า substrate

หลังจากที่มีการจับกันของเอนไซม์กับ substrate แล้วพบว่า เอนไซม์มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเล็กน้อย ทำให้ active site จับกับ substrate ได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งเรียกว่า induced fit มีผลทำให้เอนไซม์เร่งปฏิกิริยาเคมีได้ดี (รูปที่ 2)*

2.1 ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์

การทำงานของเอนไซม์ถูกควบคุมด้วยปัจจัยต่างๆ ดังนี้

1. อุณหภูมิ (temperature) เนื่องจากเอนไซม์เป็นโปรตีน ดังนั้นอุณหภูมิที่สูงขึ้น จะทำให้โครงสร้างโปรตีนเสียสภาพ มีผลทำให้ปฏิกิริยาหยุดชะงักได้ (รูปที่ 3)* เอนไซม์ของมนุษย์ส่วนใหญ่จะมีอุณหภูมิที่เหมาะสมในการทำงาน (optimum temperature) ประมาณ 35 - 40 ⁰C

2. pH : เอนไซม์แต่ละชนิดจะมีค่า pH ที่ทำงานได้ดีที่สุด (optimum pH) ส่วนใหญ่อยู่ระหว่าง pH 5 - 9 แต่เอนไซม์บางตัว อาจจะมีค่าสูงหรือต่ำ เช่น pepsin มีค่า optimum pH เท่ากับ 2 และ trypsin มีค่า pH 8

3. ปริมาณของเอนไซม์ ถ้ามีเพิ่มมากขึ้น ปฏิกิริยาเกิดได้มากขึ้น

4. ความเข้มข้นของ Substrate

5. สารยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ (inhibitor) : มี 2 พวก
5.1 competitive inhibitor คือ สารที่มีรูปร่างหรือโครงสร้างโมเลกุลคล้ายกับ substrate ทำให้สามารถจับกับ active site ของเอนไซม์ ทำให้ substrate ไม่สามารถจับที่ active site ได้ ดังนั้นเอนไซม์จึงไม่สามารถเร่งปฏิกิริยาได้
5.2 non competitive inhibitor คือ สารที่เข้ามาจับเอนไซม์ตรงบริเวณอื่นที่ไม่ใช่ active site มีผลทำให้ active site เปลี่ยนแปลงรูปร่างจน substrate เข้ามาจับไม่ได้ ทำให้ไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้น (รูปที่ 4)*

6. สารกระตุ้นการทำงานของเอนไซม์ (activator)
เอนไซม์บางชนิดประกอบด้วย polypeptide มากกว่า 2 สาย แต่ละสายจะประกอบด้วย active site ของมันเอง นอกจากมี active site แล้วเอนไซม์พวกนี้จะมีตำแหน่งที่เรียกว่า allosteric site ซึ่งเป็นบริเวณที่สารอื่นเข้ามาจับแล้วทำให้เอนไซม์อยู่ในรูป active เรียกสารนี้ว่า activator กรณีที่สารอื่นเข้ามาจับ allosteric site แล้วทำให้เอนไซม์อยู่ในรูป inactive จะเรียกสารนี้ว่า inhibitor (รูปที่ 5)*

2.2 Cofactor

ในการทำงานของเอนไซม์บางตัว อาจต้องการสารอื่นมาช่วยในการทำงาน เรียกสารนี้ว่า Cofactor มี 2 ชนิด
1. ไอออนของโลหะ พวก Zinc , Iron , Copper พวกนี้จะช่วยทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้ดี จึงเรียกว่า เป็น activator
2. coenzyme เป็นโมเลกุลอินทรีย์ โดยมีกำเนิดจากวิตามินที่ละลายน้ำได้ ทำหน้าที่โยกย้ายหมู่เคมีอะตอม หรืออิเล็กตรอน coenzyme ที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน คือ NAD⁺ (nicotinamide adenine dinucleotide) และ FAD (flavin adenine dinucleotide)

3. พลังงานกับสิ่งมีชีวิต

สิ่งมีชีวิตดำรงชีวิตได้โดยอาศัยปฏิกิริยาต่างๆ ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ โดยมีเอนไซม์ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น การหายใจ และการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งทั้งสองปฏิกิริยา เป็นกระบวนการหลักที่เกี่ยวข้องกับการใช้และเก็บพลังงานของสิ่งมีชีวิต

3.1 รูปแบบของพลังงาน (forms of energy) พลังงานแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ

1. พลังงานศักดิ์ (potential energy) เป็นพลังงานที่แฝงหรือเก็บไว้ในสสาร เนื่องจากโครงสร้างของสสารนั้นๆ
2. พลังงานจลน์ (kinetic energy) เป็นพลังงานที่ทำให้เกิดการทำงานหรือการเคลื่อนที่

3.2 การเปลี่ยนรูปพลังงาน (energy transformation)

               พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้ เช่นกระบวนการ สังเคราะห์ด้วยแสง เป็นการเปลี่ยนแปลงรูปพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี หรือปฏิกิริยา oxidation - reduction เป็นการส่งพลังงานเคมีจากสารหนึ่ง ไปยังอีกสารหนึ่ง โดยการถ่ายทอดอิเล็กตรอน เป็นต้น

การถ่ายทอดพลังงานในสิ่งมีชีวิต เริ่มต้นจากดวงอาทิตย์ ซึ่งพืชนำไปใช้ในกระบวนการ สังเคราะห์ด้วยแสง ผลผลิตที่ได้เป็นพลังงานเคมี ในรูปของสารอาหารที่ให้พลังงาน ซึ่งสามารถถ่ายทอดพลังงานไปยังผู้บริโภคเป็นทอดๆ ตามลำดับขั้นของการกินใน food chain หรือ food web ต่อไป

3.3 ATP

การทำงานของเซลล์จำแนกเป็น 3 ชนิด คือ
1. Mechanical work ได้แก่ การโบกของซิเลีย , การหดตัวของกล้ามเนื้อ และการเคลื่อนที่ของโครโมโซมขณะที่แบ่งเซลล์ เป็นต้น
2. Transport work ได้แก่ การขนส่งสารผ่านเยื่อหุ้ม ที่มีทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของสารตามธรรมชาติ เป็นต้น
3. Chemical work ได้แก่ การสร้างสารประกอบ polymer จาก monomer ซึ่งเป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน การทำงานทั้งสามต้องการพลังงานในรูปของ ATP

โครงสร้าง และการไฮโดรไลซิส (hydrolysis) ATP

ATP มาจากคำว่า adenosine triphosphate มีโครงสร้างเป็นนิวคลีโอไทด์ ที่มีเบส adenine จับกับ น้ำตาล และมีหมู่ฟอสเฟต 3 หมู่จับที่น้ำตาลตรงตำแหน่งที่ 5 (นิวคลีโอไทด์ใน RNA มีหมู่ฟอสเฟตเพียงหมู่เดียว) พันธะที่จับระหว่างหมู่ฟอสเฟต จะถูกสลายได้ด้วยกระบวนการไฮโดรไลซิส ทำให้หมู่ฟอสเฟตปลายสุดหลุดออก จะได้เป็น ADP+Pi ปฏิกิริยานี้จะปล่อยพลังงานออกมา 7.3 k.cal / mol.

การสร้าง ATP

ในการสลายกลูโคสจะมีการปล่อยพลังงานออกมาซึ่งจะเก็บไว้ในรูป ATP การสร้าง ATP ในเซลล์มี 2 แบบคือ substrate - level phosphorylation เป็นการสร้าง ATP จากสารอินทรีย์ที่มีพลังงานสูงเช่น PEP

การสร้าง ATP แบบนี้พบน้อยมากในเซลล์ ส่วนใหญ่จะเป็นแบบที่สอง คือ Oxidative phosphorylation ATP ถูกสร้าง โดยเอนไซม์ ATP synthase ที่แทรกอยู่ที่เยื่อหุ้มชั้นในของ mitochondria

การทำงานของ ATP

เมื่อ ATP ถูกไฮโดรไลซิสได้เป็น ADP + หมู่ฟอสเฟต จะปล่อยพลังงานออกมาซึ่งเซลล์นำไปใช้ในปฏิกิริยาดูดพลังงาน โดยจะเกิดควบคู่กับการส่งหมู่ฟอสเฟตที่ได้จากไฮโดรไลซิส ATP ไปให้แก่สารโมเลกุลอื่นด้วย เรียกสารนี้ว่า ถูก phosphorylate ตัวย่างเช่น การสังเคราะห์กลูตามีน (glutamine) จากกรดอมิโนกลูตามิก (glutamic) กับแอมโมเนียโดยอาศัย ATP มีสองขั้นตอนคือ 1 ATP ให้หมู่ฟอสเฟตแก่กลูตามิก มีผลทำให้กรดอมิโนนี้ไม่ค่อยเสถียร 2.แอมโมเนียแทนที่หมู่ฟอสเฟต ทำให้ได้เป็น กลูตามีน (รูปที่ 6)*

พลังงานในเซลล์ได้จากปฏิกิริยาการสลายอาหาร (catabolism) ซึ่งนำไป phosphorylate ADP ได้เป็น ATP

ซึ่งพลังงานที่สะสมอยู่ใน ATP เซลล์จะนำไปใช้ในกิจกรรมต่างๆ เช่น การสร้างสารชีวโมเลกุล (anabolism)

4. การควบคุม metabolism

กระบวนการ metabolism ภายในเซลล์ถูกควบคุมได้โดยการทำงานของเอนไซม์ ซึ่งมีหลายแบบดังนี้

1. Allosteric regulation เอนไซม์นอกจากมี active site ที่จับกับ substrate แล้วยังมี allosteric site สำหรับให้ activator หรือ inhibitor จับมีผลทำให้เอนไซม์ทำงานได้ หรือไม่ได้ รูปแสดง allosteric regulation ในหัวข้อ 2.1 ข้อ 6

2. Feedback inhibition เป็นการยับยั้งกระบวนการ metabolism โดยสารที่เป็นผลผลิตของมัน (end product) เช่น การสังเคราะห์กรดอมิโน isoleucine จากสารเริ่มต้น threonine เมื่อเซลล์สร้าง isoleucine ได้มาก สารตัวนี้จะไปทำหน้าที่เป็น allosteric inhibition กับเอนไซน์ threonine deaminase (enzyme 1) ทำให้ป้องกันไม่ให้เซลล์สร้าง isoleucine มากเกินจำเป็น

3. Cooperativity  สารที่เป็น substrate ทำหน้าที่กระตุ้นการทำงานของเอนไซม์ที่มีหลาย subunit โดย substrate 1 โมเลกุลจับที่เอนไซม์ 1 subunit แล้วทำให้โมเลกุลของเอนไซม์มี subunit ที่เหลือเหมาะสมที่ทำหน้าที่ได้ (รูปที่ 7)

4. ตำแหน่งของเอนไซม์ที่พบในเซลล์จัดเรียงอยู่อย่างเหมาะสม เช่น เอนไซม์ที่ควบคุมหลายขั้นตอนของ metabolism จะอยู่รวมกันเป็น multienzyme complex หรือเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องการหายใจ จะพบใน mitochondria ทำให้กระบวนการต่างๆ เกิดได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ถ้าเอนไซม์เหล่านี้กระจัดกระจายอยู่ในเซลล์ โดยมีปริมาณเท่ากับที่พบใน mitochondria ก็อาจจะทำให้กระบวนการหายใจไม่มีประสิทธิภาพ

5. การหายใจระดับเซลล์ (Cellular Respiration)

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการพลังงานในการทำหน้าที่ต่างๆ เช่นการสร้างสารชีวโมเลกุล การเคลื่อนที่ การสืบพันธุ์ รวมทั้งการขนส่งสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ เป็นต้น พลังงานส่วนหนึ่งที่เซลล์พืชได้รับมาจากดวงอาทิตย์ในกระบวนการ Photosynthesis ทำให้สร้างกลูโคส ซึ่งสิ่งมีชีวิตจะใช้กลูโคส เป็นแหล่งพลังงาน และสะสมในรูปของแป้ง เซลล์ต้องการพลังงานเคมี ในรูปของ ATP โดยการสลายอาหารและปล่อยพลังงานที่สะสมออกมาในกระบวนการ Cellular respiration ซึ่งเป็นกระบวนการสลายกลูโคสโดยใช้ O₂ และได้พลังงาน ATP มาใช้ในกิจกรรมต่างๆ กลูโคส 1 โมเลกุลสลายแล้วจะได้พลังงาน -683 k.cal / mol และปล่อยสาร CO₂ ซึ่งพืชจะนำไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงต่อไป

ระบบนิเวศ

ในสภาพที่ไม่มี O₂ เซลล์จะเกิดกระบวนการ fermentation เป็นการสลายกลูโคสโดยไม่ได้ใช้ O₂ ในการหายใจถ้าไม่มีการใช้ O₂ จะเรียกว่า Anaerobic respiration แต่ถ้ามีการใช้ O₂จะเรียกว่า Aerobic respiration

1. กระบวนการของการหายใจระดับเซลล์

สมการของกระบวนการหายใจแบบใช้ O₂ คือ

               C₆H₁₂ O₆ + 6O₂            6CO₂ + 6H₂O + พลังงาน (ATP + HEAT)

ประกอบด้วย 3 ขั้นตอน คือ (รูปที่ 8)
               1. ไกลโคไลซิส (glycolysis)
               2. วัฏจักรเครบส์ (Krebs cycle)
               3. การถ่ายทอดอิเล็คตรอน (electron transport chain) และ oxidative phosphorylation

1. Glycolysis เป็นขั้นตอนเกิดที่ไซโทพลาสซึมเป็นการสลายกลูโคสแล้วได้เป็นไพรูเวต (pyruvate) 2 โมเลกุล ในขั้นตอนนี้สุดท้ายได้ 2ATP + 2NADH + H⁺

2. Krebs cycle ขั้นตอนนี้เกิดขึ้นที่ matrix ในไมโทคอนเดรีย เริ่มต้นเมื่อไพรูเวต เข้าสู่ไมโทคอนเดรียแล้วจะถูกเปลี่ยนเป็นอะเซทิล โค.เอ. (acetyl co. A.) ก่อน

หลังจากนั้น acetyl Co. A จึงเข้าสู่ Krebs cycle เริ่มต้นวัฏจักรนี้ คือมีคาร์บอน 4 อะตอม ชื่อ oxaloacetate (OAA) ทำปฏิกิริยากับ acetyl Co. A ได้เป็นคาร์บอน 6 อะตอม citrate ปฏิกิริยาในวัฏจักร จะมีการเปลี่ยนแปลงต่อไปจนสุดท้ายได้เป็นคาร์บอน 4 อะตอม คือ OAA โดยวัฏจักรนี้ acetyl Co. A 1 โมเลกุลจะปล่อย 2CO₂ ATP และ 3NADH + H⁺ และ FADH₂ 

ตั้งแต่ glycolysis จนเสร็จสิ้น Krebs cycle จะได้ 8NADH กับ 2 FADH₂ ซึ่งทั้งหมดจะเข้าสู่ขั้นตอนการถ่ายทอดอิเล็คตรอน และ oxidative phosphorylation ต่อไป

3. การถ่ายทอดอิเล็คตรอน และ oxidative phosphorylation เป็นระบบการถ่ายทอดอิเล็คตรอนจาก NADH และ FADH₂ โดยอาศัยตัวพาอิเล็คตรอนต่างๆ ที่อยู่ที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย ซึ่งมีตัวรับอิเลคตรอนตามลำดับ โดยมี O₂ เป็นตัวรับสุดท้ายดังนี้ (รูปที่ 9)*

จากรูป ในการส่งอิเล็คตรอนในรูป NADH จะถูกส่งไปยังตัวรับตัวแรก คือ flavoprotein ซึ่งมี flavin mononucleotide (FMN) เป็นหมู่ prosthetic และส่งอิเล็คตรอนไปยังตัวรับตัวที่สอง คือ iron-sulfur protein (FeS) และส่งไปยังตัวที่สาม คือ ubiquinone (Q) ตัวที่สี่ คือ cytochromes (Cyt.) ซึ่ง cyt. มีหลายชนิด คือ aa₃b c และ c₁ โดย cyt. a₃ จะเป็นตัวรับสุดท้าย ก่อนส่งอิเล็คตรอนให้แก่ O₂ จากการส่งอิเล็คตรอนจาก NADH จนถึง O₂ จะมีการปล่อยพลังงานออกมา ซึ่งนำไปสร้างได้ 3ATP แต่ถ้าส่งอิเล็คตรอนในรูปของ FADH₂ แล้ว เมื่อเสร็จสิ้นจนถึง O₂ จะสร้างได้ 2ATP

จะเห็นว่า ไมโทคอนเดรีย มีการถ่ายทอดอิเล็คตรอน เกิดควบคู่กับการปล่อยพลังงาน เพื่อนำไปสร้าง ATP ได้ ขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็คตรอน จะมีการปั๊ม H⁺ จากด้าน matrix ออกไปที่ intermembrane space (ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นนอกกับใน) มีผลทำให้ H⁺ ด้านช่องว่างมีมากกว่าด้าน matrix เรียกว่าเกิด proton gradient ซึ่งเซลล์ใช้ proton gradient ในการสร้าง ATP ขึ้นจาก ADP + P_i โดยอาศัย เอนไซม์ ATP synthase เรียกกระบวนการสร้าง ATP นี้ว่า oxidative phosphorylation ส่วน ATP ที่สร้างจาก glycolysis และ Krebs cycle จะเป็นวิธี substrate - level phosphorylation คือ enzyme ส่งหมู่ฟอสเฟตจากสารอินทรีย์ ไปรวมกับ ADP

จะเห็นว่าการสร้าง ATP โดยใช้พลังงานของ H⁺ gradient ผ่านเยื่อหุ้มทำให้เกิดปฏิกิริยา phosphorylate ADP กลไกแบบนี้เรียกว่า chemiosmosis พลังงานที่ผ่านขั้นตอน 3 นี้ จะได้ทั้งหมด 34 ATP (รูปที่ 11)  ดังนั้นการสลายกลูโคส 1 โมเลกุลได้ทั้งหมด 38 ATP ดังนี้

Glycolysis		2	ATP
Krebs cycle		2	ATP
การถ่ายทอดอิเล็คตรอน		34	ATP

การส่งอิเล็คตรอน และ H⁺ ในรูปของ NADH จาก glycolysis ที่ไซโทพลาสซึม เพื่อเข้าสู่ไมโทคอนเดรีย ด้วย shuttle system มี 2 ระบบ โดยระบบหนึ่ง เมื่อเข้าสู่ไมโทคอนเดรียแล้ว จะส่งอิเล็คตรอน และ H⁺ ให้กับ NADH ซึ่ง NADH เมื่อเข้าสู่การถ่ายทอดอิเล็คตรอนจะสร้าง 3 ATP ขณะที่อีกระบบหนึ่ง เมื่อเข้าสู่ไมโทคอนเดรียแล้ว จะส่งอิเล็คตรอนให้กับ FAD ซึ่งเมื่อ FADH₂ เข้าสู่ระบบถ่ายทอดอิเล็คตรอนจะได้ 2 ATP ดังนั้นถ้า 2NADH จากไซโทพลาสซึมเข้าสู่ไมโทคอนเดรีย โดยผ่านระบบหนึ่งจะทำให้สร้าง ATP ทั้งหมด 38 ATP ขณะที่ผ่านระบบสอง จะทำให้สร้าง ATP ทั้งหมด 36 ATP

2. Fermentation และ Anaerobic respiration

ในสภาพที่ไม่มี O₂ เมื่อ glycolysis เกิดเสร็จสิ้นเรียบร้อยแล้วได้เป็น pyruvate ในไซโทพลาสซึม เซลล์ยีสต์ pyruvate จะถูกเปลี่ยนเป็น ethyl alcohol กับ CO₂ เรียก alcohol fermentation ส่วนเซลล์กล้ามเนื้อ pyruvate จะเปลี่ยนเป็นกรด lactic เรียก lactic acid fermentation (รูปที่ 12)

เสร็จสิ้นกระบวนการ Fermentation จะได้ 2 ATP ส่วน Anaerobic respiration พบในแบคทีเรียบางชนิด ที่อาศัยอยู่ในดินลึกๆ หรือในสภาพที่ไม่มี O₂ กระบวนการหายใจแบบใช้ O₂ และไม่ใช้ O₂ รวมทั้ง Fermentation มีความแตกต่างกันดังตาราง

ลักษณะ	Respiration		Fermentation
	Aerobic	Anaerobic
สภาพการเจริญ	มี O2	ไม่มี O2	ไม่มี O2
การถ่ายทอดอิเล็คตรอน	มี	มี	ไม่มี
ตัวรับ H+ (e- ) ตัวสุดท้าย	O2	โดยทั่วไปเป็น สาร อนินทรีย์ เช่น NO-3 SO42- หรือ CO32-	สารอินทรีย์ เช่น lactate หรือ elthanol
ชนิดของการ phosphorylation ที่ใช้สร้าง ATP	ส่วนใหญ่ เป็นแบบ Oxidative และพบ substrate level บ้าง	ส่วนใหญ่ เป็นแบบ Oxidative และพบ substrate level บ้าง	Substrate level

(ที่มา ; Campbell , 1994 หน้า 192)

นอกจากร่างกายสามารถมีการสลายอาหารพวกคาร์โบไฮเดรตแล้ว ยังสามารถสลายอาหารพวกโปรตีน และไขมัน ดังรูป โดยมี glycolysis และ Krebs cycle เกี่ยวข้องด้วยในกระบวนการดังกล่าว (รูปที่ 13)

Biosynthesis (Anabolic pathway)

เซลล์สามารถสร้างสารต่างๆ ที่เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของร่างกาย เช่น ในการสลายอาหาร นอกจากได้พลังงานแล้ว จะให้ carbon skeleton ซึ่งเซลล์นำไปใช้สร้างโมเลกุลต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับเซลล์เอง หรือในการย่อยอาหารพวกโปรตีน สุดท้ายจะได้หน่วยย่อย คือ กรดอมิโน ซึ่งเซลล์สามารถนำกรดอมิโน ไปสร้างโปรตีนที่จำเป็นสำหรับร่างกายได้ สารประกอบต่างๆ ที่พบในตัวกลาง (intermediate) ของ glycolysis และ Krebs cycle สามารถถูกดึงนำมาใช้ ในกระบวนการ anabolism ได้ เช่น fatty acid ถูกสร้างจาก Acetyl Co. A. เป็นต้น โดย anabolic นี้ต้องการพลังงานมาใช้ในกระบวนการ

การควบคุมกระบวนการหายใจระดับเซลล์

เมื่อเซลล์มีปริมาณ ATP มากพอเพียงต่อความต้องการแล้วอัตราการหายใจจะค่อยๆ ลดลง การควบคุมกระบวนการหายใจจะเป็นแบบ feedback inhibition คือ เมื่อเซลล์สร้าง ATP มากเกินพอ ATP ที่ได้จะไปยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ phosphofructokinase ดังรูป นอกจากนี้เอนไซม์นี้มีความไวต่อสาร citrate (เป็นตัวกลางใน Krebs cycle) เมื่อสารนี้ออกจากไมโทคอนเดรียไปยังไซโทพลาสซึม ก็จะไปยับยั้งเอนไซม์ phosphofructokinase ได้ (รูปที่ 14)*

การสังเคราะห์ด้วยแสง

เป็นกระบวนการสร้างอาหารโดยอาศัยพลังงานจากแสง สิ่งมีชีวิตที่สามารถสร้างอาหารเองได้ เรียกว่า Autotrophs ได้แก่ พืช สาหร่าย และแบคทีเรียบางชนิด ส่วนสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถสร้างอาหารเองได้ เรียกว่า Heterotrophs ซึ่งต้องกินพืชเป็นอาหาร

1. กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง 

สมการของการสังเคราะห์ด้วยแสง

ประกอบด้วย 2 ขั้นตอน คือ (รูปที่ 15)*

1.1 Light reaction ขั้นตอนนี้จะใช้ H₂O เป็นวัตถุดิบ และให้ผลผลิตคือ ATP, NADPH H⁺, O₂ เกิดขึ้นที่ thylakoid หรือ grana ของคลอโรพลาสต์ เนื่องจากมีระบบรับแสง (photosystem I และ II ) และตัวรับอิเล็คตรอนอื่นๆ อยู่ (โครงสร้างของคลอโรพลาสต์อยู่ในบทที่ 4)

1.2 Dark reaction หรือ Calvin cycle (ค้นพบโดยนาย Calvin) ขั้นตอนนี้มีการตรึง CO₂ จึงเรียกว่า CO₂ fixation ผลผลิตที่ได้ คือ น้ำตาล เกิดขึ้นที่ stroma ของคลอโรพลาสต์ โดยผลผลิตจาก light reaction คือ ATP กับ NADPH + H⁺ จะถูกนำมาใช้ใน Calvin cycle

2. ปฏิกริยาใช้แสง

ขั้นตอนนี้จะเป็นการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นพลังงานเคมี ในรูปของ ATP กับ NADPH

2.1 แสง มีลักษณะเป็นทั้งคลื่น และอนุภาคที่เรียกว่า photon แต่ละ photon จะมีพลังงานผกผันกับความยาวช่วงคลื่น (wavelength) ที่ช่วงคลื่นสั้น จะมีพลังงานมากกว่าที่ช่วงคลื่นยาว แสงที่ตามนุษย์มองเห็นได้ (visible light) มีความยาวช่วงคลื่นอยู่ระหว่าง 380 - 750 nanometer (รูปที่ 16)

เมื่อโมเลกุลที่สามารถดูดรับแสง เช่น คลอโรฟิล เมื่อได้รับแสง อิเล็คตรอนจะถูกกระตุ้นจาก ground state ไปสู่ excited state ที่ระดับนี้อิเล็คตรอนอยู่ไม่นานก็จะกลับมาที่ ground state โดยจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของความร้อน รูปการเปล่งแสง fluorescence หรืออาจมีการถ่ายทอดพลังงานไปยังรงควัตถุอื่นๆ เพื่อจะส่งผ่านไปยังโมเลกุลที่ทำหน้าที่เป็นศูนย์ปฏิกริยาโฟโตเคมิคัล (photochemical reaction) หรือ reaction center ซึ่งเป็นโมเลกุลที่สามารถส่งอิเล็คตรอนของมัน ไปยังตัวรับตัวแรกได้ (primary e^- acceptor)

2.2 หน่วยรับแสง โมเลกุลที่ทำหน้าที่รับแสงจะอยู่เป็นหน่วยหรือเป็นกลุ่มที่เรียกว่า photosystem ซึ่งมี 2 ระบบ คือ PS I และ PS II ทั้งสองระบบประกอบด้วย 200 - 300 โมเลกุลของคลอโรฟิลและคาโรตีนอยด์ ซึ่งเรียกว่า antenna pigment ซึ่งจะทำหน้าที่รับพลังงานแสง และส่งต่อไปยังอีกโมเลกุลหนึ่ง จนกระทั่งถึง reaction center ซึ่งเป็นโมเลกุลของคลอโรฟิลเอ 2 โมเลกุล นอกจากนี้ในระบบแสงยังมีตัวรับอิเล็คตรอนตัวแรกอยู่ด้วย (รูปที่ 17)

PS I จะมี reaction center เป็นโมเลกุลคลอโรฟิล เอ ที่เรียกว่า P700 เนื่องจากดูดแสงที่ความยาวช่วงคลื่น 700 nm. ได้ดีที่สุด ขณะที่ PS II จะเรียกว่า P680 เนื่องจากดูดแสงที่ความยาวช่วงคลื่น 680 nm. ได้ดีที่สุด การที่ P700 แตกต่างกับ P680 เพราะคลอโรฟิล เอ ทั้งสองระบบจับกับโปรตีนที่แตกต่างกัน จึงมีผลทำให้มีการดูดแสงได้ต่างกัน

               คลอโรฟิล เอ จะรับแสงได้ดีที่ช่วงคลื่น 420 , 660 nm.

               คลอโรฟิล บี จะรับแสงได้ดีที่ช่วงคลื่น 435 , 642 nm.

               คาโรตีนอยด์ จะรับแสงได้ดีที่ช่วงคลื่น 425 , 470 nm.

ส่วนความยาวช่วงคลื่นของแสงสีเขียว รงควัตถุเหล่านี้ไม่ดูดแสงสีเขียว ดังนั้นแสงสีเขียว จะสะท้อนกลับเข้าตาเรา จึงทำให้มองเห็นใบไม้มีสีเขียว

2.3 การถ่ายทอดอิเล็คตรอน มี 2 แบบ คือ การถ่ายทอดอิเล็คตรอนเป็นวัฏจักร (cyclic electron flow) และแบบไม่เป็นวัฏจักร (noncyclic eletron flow)
ก. cyclic electron flow : การถ่ายทอดอิเล็คตรอน เกี่ยวข้องเฉพาะ PS I เมื่ออิเล็คตรอนใน P700 หลุดออกมาจะมีตัวมารับอิเล็คตรอน ตามลำดับ ดังรูป สุดท้าย จะกลับมาที่ P700 ตามเดิม ขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็คตรอน พลังงานที่ปล่อยออกมาจะนำไปสร้าง ATP ซึ่งมีขั้นตอนการสร้าง ATP คล้ายกับในไมโทคอนเดรีย ซึ่งจะได้กล่าวต่อไป เสร็จสิ้น cyclic electron flow จะได้เฉพาะ ATP ไม่มีการสร้าง NADPH กับ O₂ (รูปที่ 18)

การสร้าง ATP ในคลอโรพลาสต์ เรียกว่า photophosphorylation เนื่องจากใช้แสง ดังนั้นการสร้าง ATP ใน cyclic eletron flow จึงเรียกว่า cyclic photophosphorylation

ข. noncyclic electron flow : การถ่ายทอดอิเล็คตรอนเกี่ยวข้องทั้ง PS I กับ PS II เริ่มต้นเมื่อได้รับแสงอิเล็คตรอน ใน P680 จะถูกส่งไปยังตัวรับต่างๆ เช่นกัน ตัวรับตัวสุดท้าย คือ NADP⁺ ซึ่งจะรับทั้งอิเล็คตรอน และ H⁺ กลายเป็น NADPH+H⁺ ส่วนอิเล็คตรอนของ P680 ที่สูญเสียไปนั้นจะได้รับจาก H₂O ที่ถูกแยกเป็น 2H⁺+2e^-+O₂ ด้วยเอนไซม์ที่ใช้แยกน้ำซึ่งอยู่ที่ PS II จะเห็นว่าการถ่ายทอดอิเล็คตรอนแบบนี้ไม่มีการย้อนกลับมา การสร้าง ATP แบบนี้เรียกว่า noncyclic photophosphorylation (รูปที่ 19)

2.4 การสร้าง ATP ในคลอโรพลาสต์
กลไกการสร้าง ATP ในคลอโรพลาสต์คล้ายกับในไมโทคอนเดรีย คือ chemiosmosis โดยเยื่อหุ้ม thylakoid นอกจากมี PS I , PS II , ตัวรับอิเล็คตรอน อื่นๆ แล้วยังมีเอนไซม์ที่ใช้ในการสร้าง ATP คือ ATP synthase หลังจากที่ได้รับแสงจะมีการถ่ายทอดอิเล็คตรอนเกิดขึ้น และมีการปั้ม H⁺ จากด้าน stroma เข้าสู่ถุง thylakoid นอกจากนี้มี H⁺ ที่ได้จากการแยกน้ำด้วย ผลทำให้เกิด H⁺ gradient ด้านในถุงมากกว่าด้านนอก ดังนั้น H⁺ จะแพร่ออกสู่ด้านนอก คือ stroma ทางช่องของเอนไซม์ ATP synthase จึงทำให้มีการสร้าง ATP เกิดขึ้น (รูปที่ 20) เปรียบเทียบ chemiosmosis ใน คลอโรพลาสต์กับไมโทคอนเดรีย (รูปที่ 21)

3. ปฏิกิริยาไม่ใช้แสง (Calvin cycle) 

ผลผลิตที่ได้จากปฏิกิริยาไม่ใช้แสง คือ ATP กับ NADPH จะถูกนำมาใช้ในปฏิกริยานี้ ซึ่งจะเปลี่ยน CO₂ ให้เป็นน้ำตาล Calvin cycle หรือ CO₂ fixation มี 3 ขั้นตอน (รูปที่ 22)* คือ

3.1 เริ่มต้น RuBP (C 5อะตอม) รวมกับ CO₂ โดยมีเอนไซม์ RuBP carboxylase เร่งปฏิกิริยาได้ผลผลิตเป็นสารประกอบ C 6 อะตอม ซึ่งไม่เสถียรจึงเปลี่ยนเป็นสารประกอบ C 3 อะตอม ชื่อ phosphoglycerate (PGA) 2 โมเลกุล

3.2 PGA 2 โมเลกุล จะเปลี่ยนเป็น bisphosphoglycerate และ Glyceraldehyde 3 - phosphate (G3P) ตามลำดับ โดยใช้ATP และ NADPH ที่ได้จากปฏิกริยาใช้แสง จึงจัดว่า G3P เป็นน้ำตาล ตัวแรกที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสง
จากรูปจะเห็นว่า G3P จะเป็นน้ำตาลที่มี C-3 อะตอม ซึ่งจะนำไปสร้างขึ้นเป็นกลูโคส และคาร์โบไฮเดรทอื่นๆ ดังนั้น Calvin cycle 3 รอบจึงจะได้น้ำตาลตัวนี้ 1 โมเลกุล จากรูปจึงเป็นการตรึง CO₂ 3 โมเลกุล

3.3 G3P ที่ได้จากการตรึง CO₂ 3 โมเลกุล มีจำนวน 6 โมเลกุล โดย G3P 1 โมเลกุลถูกนำไปสร้างเป็นน้ำตาล ส่วนอีก 5 โมเลกุลที่เหลือจะถูกเปลี่ยนเป็น RuBP 3 โมเลกุล โดยใช้ ATP ด้วย RuBP ที่ได้จะถูกนำไปใช้ใน Calvin cycle ต่อไป
จากรูปจะเห็นว่า ในการสร้าง G3P 1 โมเลกุล เพื่อนำไปใช้ในการสร้างสารประกอบต่างๆ รวมทั้งน้ำตาลนั้นจะต้องมีการตรึง CO₂ 3 โมเลกุล โดยมีการใช้ ATP ทั้งหมด 9 โมเลกุล และ NADPH 6 โมเลกุล

4. พืช C₃  , C₄ และ CAM

จากการตรึง CO₂ ด้วย RuBP ใน Calvin cycle ที่กล่าวมาข้างต้นจะเห็นว่า ผลผลิตที่ได้ คือ PGA ซึ่งเป็นสารประกอบ C 3 อะตอม จึงเรียกพืชที่มีการตรึงแบบนี้ว่า พืช C₃ แต่มีพืชบางชนิดที่สามารถตรึง CO₂ ด้วย phosphoenolpyruvate (PEP เป็น C₃)โดยมีเอนไซม์ PEP carboxylase เร่งปฏิกริยา ได้ผลผลิตเป็น oxaloacelate ซึ่งเป็น C 4 อะตอม จึงเรียกพืชเหล่านี้ว่า พืช C₄ ส่วนพืช CAM เป็นพืชที่มีการตรึง CO₂ แล้วได้ C₄ เหมือนกัน แต่ต่างกับพืช C₄ ตรงที่การตรึง CO₂ ด้วย PEP ในเวลากลางคืน ขณะที่พืช C₄ ตรึง CO₂ด้วย PEP ในเวลากลางวัน

4.1 พืช C₄ พบในพืชหลายชนิด ที่สำคัญได้แก่ อ้อย และข้าวโพด พืชพวกนี้จะมีการตรึง CO₂ 2 ครั้ง ข้อแตกต่างระหว่างพืช C₃ , C₄ มีดังนี้

หัวข้อ	พืช C3	พืช C4
1. การตรึง CO2	1 ครั้ง ด้วย RuBP	2 ครั้งด้วย PEP และ RuBP
2. ผลผลิต จากการตรึง     CO2	----->CO2+RuBP             PGA (C3)	----->ครั้งแรก CO2+PEP              OAA (C4) ครั้งที่สอง คือ Calvin cycle CO2+RuBP ------> PGA(C3)
3. เซลล์ที่มีการตรึง CO2	เซลล์ที่มีการสังเคราะห์แสงได้ ทั่วไปยกเว้น bundle sheath cells จะไม่มีคลอโรพลาสต์ หรือไม่พบเนื้อเยื่อนี้ในพืช C3	ครั้งแรก ตรึงที่ mesophyll ครั้งที่สอง ตรึงที่ bundle sheath cell เพราะมีคลอโรพลาสต์

จาก (รูปที่ 23) เริ่มต้นเมื่อ CO₂ เข้าทางปากใบแล้วที่ mesophyll cells การตรึง CO₂ ครั้งแรกเกิดขึ้นโดย จะมี PEP(C₃) มารวมกับ CO₂ ได้เป็น OAA(C₄) ต่อมา OAA ถูกเปลี่ยนเป็น malate ก่อน หลังจากนั้น malate จึงออกจาก mesophyll เพื่อเข้าสู่ bundle sheath cell ที่นี่ malate จะถูกเปลี่ยนเป็น pyruvate(C₃) กับ CO₂ ซึ่ง CO₂ ที่ได้จะเข้าสู่ Calvin cycle ซึ่งเป็นการตรึง CO₂ ครั้งที่สองส่วน pyruvate จะออกจาก bundle sheath cell ไปยัง mesophll cell เพื่อจะถูกเปลี่ยนเป็น PEP มาใช้ในการตรึง CO₂ ได้อีก ดังนั้น สภาพที่ความเข้มข้นของ CO₂ ในใบที่ลดลง มีความเข้มข้นต่ำ เอนไซม์ PEP carboxylase ก็สามารถตรึง CO₂ ได้ จึงทำให้พืช C₄ มีประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นได้ดีกว่าพืช C₃ จากภาพจะเห็น bundle sheath cells อยู่รอบท่อลำเลียง (vascular tissue) จะมีคลอโรพลาสต์

4.2 พืช CAM พบในพืชวงศ์ Crassulaceae พวกอวบน้ำ กระบองเพชร สับปะรด เป็นต้น พืชพวกนี้พบในสภาวะที่แห้งแล้ง จึงมีการปรับตัวต่อสภาพแวดล้อมเหล่านี้ โดยจะมีปากใบเปิดในตอนกลางคืน และปิดในตอนกลางวัน เพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำ ในเวลากลางคืนเมื่อปากในเปิด CO₂ จะเข้าสู่เซลล์ จะมีการตรึง CO₂ ครั้งแรกด้วย PEP (เหมือนพืช C₄) ได้เป็น C 4 อะตอม การตรึง CO₂ แบบนี้เรียกว่า Crassulacean acid metabolism (CAM) สารประกอบ C 4 อะตอม ที่ได้นี้จะถูกสะสมใน vacuole ตลอดกลางคืน จนถึงเช้า ในเวลากลางวันมีแสงแต่ปากใบปิด เมื่อเกิดปฏิกิริยาใช้แสง เสร็จสิ้นได้ ATP และ NADPH แล้ว จะเกิด Calvin cycle ได้โดยสารประกอบ C 4 อะตอมที่เก็บไว้ใน vacuole นั้นจะปล่อย CO₂ ออกมา เพื่อเข้าสู่ Calvin cycle ต่อไป

จาก (รูปที่ 24) จะเห็นว่า พืช C₄ กับ CAM มีการตรึง CO₂ 2 ครั้ง เหมือนกันแต่เกิดในเวลาที่แตกต่างกัน คือ พืช C₄ เกิดเฉพาะกลางวันขณะที่ CAM เกิดการตรึง CO₂ ครั้งแรกในเวลากลางคืน และตรึงครั้งที่สองในเวลากลางวัน โดยเกิดในเซลล์เดียวกันเพียงแต่คนละเวลา