Metabolism x Godzilla’s Energy Charge: ถอดรหัสพลังงานระดับเซลล์ผ่านมุมมองก็อตซิล่า | คอร์ส MCAT by Englican

เตรียมสะสมพลังงาน (Metabolism x Godzilla’s Energy Charge)

ลองจินตนาการว่าเซลล์ของเราคือ “ก็อตซิล่า” ที่ต้องการสะสมพลังงานเพื่อปลดปล่อยลำแสง Atomic Breath ซึ่งเปรียบเสมือนพลังงานระดับมหาศาลที่ใช้ขับเคลื่อนกิจกรรมต่าง ๆ ภายในเซลล์ ในทางชีววิทยา กระบวนการสะสมและใช้พลังงานเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาทางเคมีที่เรียกว่า Metabolism ซึ่งแบ่งออกเป็น 2 กระบวนการหลัก คือ:

• Catabolism: การสลายโมเลกุลขนาดใหญ่เพื่อปลดปล่อยพลังงาน เช่นเดียวกับที่ก็อตซิล่าระเบิดพลังงานมหาศาลออกมา

• Anabolism: การสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่จากโมเลกุลเล็ก โดยใช้พลังงานที่สะสมไว้ เช่นเดียวกับที่ก็อตซิล่าชาร์จพลังงานเตรียมยิง Atomic Breath

กระบวนการ Catabolism และ Anabolism นี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องภายในเซลล์ เพื่อรักษาสมดุลของพลังงานและสารเคมีต่าง ๆ ที่จำเป็นต่อการทำงานของเซลล์ เช่น การเจริญเติบโต การซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอ และการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม

ตัวอย่างที่ชัดเจนของ Catabolism คือ Glycolysis ซึ่งเป็นกระบวนการสลายกลูโคส (C6) ให้เป็นไพรูเวท (C3) โดยได้ ATP และ NADH ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของเซลล์ ส่วน Anabolism ก็เช่น การสังเคราะห์โปรตีนจากกรดอะมิโน และการสร้างกรดไขมันจาก Acetyl-CoA

การทำงานของ Metabolism นี้ยังขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น สารอาหาร ออกซิเจน อุณหภูมิ และฮอร์โมนที่ควบคุมกระบวนการต่าง ๆ ในร่างกาย โดยเฉพาะฮอร์โมนอินซูลินและกลูคากอนที่มีบทบาทสำคัญในการควบคุมระดับน้ำตาลในเลือดและพลังงานสำรอง

หากเปรียบเทียบกับก็อตซิล่า การที่เซลล์สะสมพลังงานและปลดปล่อยพลังงานออกมา เหมือนกับการที่ก็อตซิล่าชาร์จพลังงานและปล่อยลำแสง Atomic Breath ซึ่งต้องอาศัยการสะสมพลังงานจากแหล่งพลังงานภายนอก เช่น การดูดซับพลังงานนิวเคลียร์ และการปล่อยพลังงานออกมาอย่างมหาศาลเมื่อถึงเวลาที่ต้องใช้ เช่นเดียวกับที่เซลล์ปลดปล่อยพลังงานจาก ATP เพื่อใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ ของร่างกาย

Metabolism ไม่ได้เป็นเพียงกระบวนการทางเคมีเท่านั้น แต่ยังเป็นกลไกที่สำคัญในการรักษาสมดุลของพลังงานและสารอาหารภายในร่างกาย เพื่อให้เรามีพลังงานในการดำเนินชีวิตทุก ๆ วัน

แนะนำตัวละครหลักในคอนเซปนี้: NAD+ และ FAD+

ในการสะสมและปลดปล่อยพลังงานของเซลล์ มีตัวเก็บพลังงานหลักที่ทำหน้าที่คล้ายกับ “แบตเตอรี่” ของก็อตซิล่า ได้แก่ NAD⁺ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide) และ FAD⁺ (Flavin Adenine Dinucleotide) ซึ่งเป็นตัวพาอิเล็กตรอนที่สำคัญในกระบวนการ Metabolism

 

NAD⁺ + 2H + 2e⁻ → NADH = 3 ATP

FAD⁺ + 2H + 2e⁻ → FADH₂ = 2 ATP

 

NADH และ FADH₂ ทำหน้าที่เป็นตัวพาอิเล็กตรอนที่ถูกสร้างขึ้นจากกระบวนการ Catabolism เช่น Glycolysis และ Krebs Cycle โดย NADH และ FADH₂ จะนำพาอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงเข้าสู่ Electron Transport Chain (ETC) ซึ่งเป็นขั้นตอนสุดท้ายของ Cellular Respiration ที่สร้าง ATP ได้สูงสุดถึง 34 โมเลกุล

ลองนึกภาพว่า NADH และ FADH₂ เป็นเหมือนแหล่งเก็บพลังงานที่อยู่บริเวณแผงหลังของก็อตซิล่า เมื่อถึงเวลาต้องใช้พลังงาน ก็อตซิล่าจะปลดปล่อยลำแสง Atomic Breath ที่ทรงพลัง เช่นเดียวกับที่เซลล์ใช้ NADH และ FADH₂ ในการสร้าง ATP เพื่อขับเคลื่อนกระบวนการชีวภาพต่าง ๆ

ใน Electron Transport Chain (ETC) อิเล็กตรอนจาก NADH และ FADH₂ จะถูกส่งผ่านโปรตีนในเยื่อไมโตคอนเดรีย ทำให้เกิดการสูบโปรตอน (H⁺) ออกไปยังช่องว่างระหว่างเยื่อไมโตคอนเดรีย ซึ่งสร้าง Electrochemical Gradient ที่มีพลังงานสูง

เมื่อโปรตอนไหลกลับผ่าน ATP Synthase ซึ่งทำหน้าที่เหมือนกังหันน้ำที่หมุนด้วยพลังงานโปรตอน จะเกิดการสร้าง ATP จำนวนมาก โดย NADH สามารถสร้างได้ 3 ATP ต่อโมเลกุล และ FADH₂ สามารถสร้างได้ 2 ATP ต่อโมเลกุล

ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการ Krebs Cycle จะสร้าง NADH จำนวน 6 โมเลกุล และ FADH₂ จำนวน 2 โมเลกุล ซึ่งจะถูกนำเข้าสู่ Electron Transport Chain เพื่อสร้าง ATP อย่างมหาศาล

บทบาทของ NAD⁺ และ FAD⁺ ไม่ได้จำกัดอยู่แค่ใน Cellular Respiration เท่านั้น แต่ยังมีบทบาทสำคัญในการ Oxidation-Reduction Reactions ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนในกระบวนการ Metabolism ต่าง ๆ เช่น Beta-Oxidation ของกรดไขมัน และการสังเคราะห์กรดอะมิโน

การทำความเข้าใจบทบาทของ NAD⁺ และ FAD⁺ จะช่วยให้เราเข้าใจกลไกการสร้างพลังงานของเซลล์ได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น และสามารถเชื่อมโยงกับการทำงานของก็อตซิล่าได้อย่างน่าสนใจ

Metabolism: ศาสตร์แห่งพลังงานของสิ่งมีชีวิต

ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่เว้นแม้แต่ก็อตซิล่า การเคลื่อนไหวและกระบวนการภายในเซลล์เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาทางเคมีที่ควบคุมพลังงาน ซึ่งเราเรียกว่า Metabolism หรือ เมแทบอลิซึม การทำความเข้าใจ Metabolism จะช่วยให้เราเข้าใจถึงวิธีที่เซลล์สะสมและใช้พลังงานเพื่อขับเคลื่อนกระบวนการชีวภาพต่าง ๆ ตั้งแต่การเคลื่อนไหว การเจริญเติบโต การซ่อมแซมเซลล์ ไปจนถึงการรักษาสมดุลของร่างกาย

Metabolism แบ่งออกเป็น 2 กระบวนการหลัก

Catabolism (ปฏิกิริยาคายพลังงาน – Exergonic):

Catabolism คือกระบวนการสลายโมเลกุลขนาดใหญ่ให้กลายเป็นโมเลกุลขนาดเล็ก พร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานออกมา เช่นเดียวกับที่ก็อตซิล่าปลดปล่อยลำแสงพลังงาน Atomic Breath อย่างมหาศาล กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน (Exergonic) โดยพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาส่วนหนึ่งจะถูกเก็บในรูปของ ATP (Adenosine Triphosphate) เพื่อใช้ในกระบวนการต่าง ๆ ของเซลล์

ตัวอย่างของ Catabolism ที่สำคัญคือ Glycolysis ซึ่งเป็นกระบวนการสลายกลูโคส (C6) ให้เป็นไพรูเวท (C3) โดยได้ ATP และ NADH ที่เป็นแหล่งพลังงานหลักของเซลล์ และยังมี Krebs Cycle ซึ่งเป็นการสลาย Acetyl-CoA เพื่อสร้าง NADH และ FADH₂ ซึ่งจะถูกนำไปใช้ใน Electron Transport Chain (ETC) เพื่อสร้าง ATP จำนวนมาก

Anabolism (ปฏิกิริยาดูดพลังงาน – Endergonic):

Anabolism เป็นกระบวนการสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่จากโมเลกุลขนาดเล็ก โดยใช้พลังงานจาก ATP เช่นเดียวกับที่ก็อตซิล่าต้องสะสมพลังงานเพื่อเตรียมยิง Atomic Breath กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน (Endergonic) เนื่องจากต้องการพลังงานในการสร้างพันธะเคมีใหม่

ตัวอย่างของ Anabolism ได้แก่ การสังเคราะห์โปรตีน (Protein Synthesis) จากกรดอะมิโน การสังเคราะห์กรดไขมัน (Fatty Acid Synthesis) จาก Acetyl-CoA และ การสังเคราะห์ไกลโคเจน (Glycogenesis) เพื่อสะสมพลังงานในรูปของคาร์โบไฮเดรต

Catabolism และ Anabolism: พลังงานที่สมดุลกัน

กระบวนการ Catabolism และ Anabolism นี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องภายในเซลล์ เพื่อรักษาสมดุลของพลังงานและสารเคมีต่าง ๆ ที่จำเป็นต่อการทำงานของเซลล์ การทำงานของ Metabolism ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น สารอาหาร ออกซิเจน อุณหภูมิ และฮอร์โมนที่ควบคุมกระบวนการต่าง ๆ ในร่างกาย

การทำความเข้าใจ Metabolism จะช่วยให้เรามองเห็นภาพรวมของวิธีที่เซลล์สะสมและใช้พลังงานเพื่อดำรงชีวิต เช่นเดียวกับที่ก็อตซิล่าต้องสะสมพลังงานเพื่อปลดปล่อยลำแสง Atomic Breath ซึ่งต้องอาศัยการชาร์จพลังงานและการปลดปล่อยพลังงานอย่างมหาศาลในช่วงเวลาที่ต้องการใช้งาน

Metabolism จึงไม่ใช่เพียงกระบวนการทางเคมีเท่านั้น แต่เป็นกลไกที่สำคัญในการรักษาสมดุลของพลังงานและสารอาหารภายในร่างกาย เพื่อให้เรามีพลังงานในการดำเนินชีวิตทุก ๆ วัน เช่นเดียวกับที่ก็อตซิล่าต้องสะสมพลังงานเพื่อเอาชนะศัตรูและปกป้องโลก!

ATP คืออะไร? ทำไมมันถึงเป็นพลังงานหลัก?

ATP (Adenosine Triphosphate) เป็นแหล่งพลังงานหลักของเซลล์ ที่ขับเคลื่อนกระบวนการทางชีวภาพต่าง ๆ เช่น การเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อ การลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ การสังเคราะห์โปรตีน และการส่งสัญญาณประสาท เปรียบเสมือน “แบตเตอรี่ของเซลล์” ที่สามารถสะสมและปลดปล่อยพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โครงสร้างของ ATP: กุญแจสู่พลังงาน

ATP ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก:

Adenine: เบสไนโตรเจนที่ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างหลักของโมเลกุล

Ribose: น้ำตาลชนิดหนึ่งที่ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างเชื่อมระหว่าง Adenine และกลุ่มฟอสเฟต

กลุ่ม Phosphate (3 ฟอสเฟต): ซึ่งมีพันธะพลังงานสูง โดยเฉพาะพันธะระหว่างฟอสเฟตตัวที่สองและตัวที่สาม ที่เรียกว่า Phosphoanhydride Bond

พันธะ Phosphoanhydride นี้มีพลังงานสูงมาก (~7.3 kcal/mol) เมื่อพันธะนี้แตกออก จะปลดปล่อยพลังงานจำนวนมาก ซึ่งเซลล์สามารถนำไปใช้ในการทำกิจกรรมต่าง ๆ เช่น การหดตัวของกล้ามเนื้อ การสังเคราะห์โปรตีน และการลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

กระบวนการลดระดับพลังงานของ ATP

ATP สามารถปลดปล่อยพลังงานได้จากการแตกพันธะฟอสเฟต ดังนี้:

ATP + H₂O → ADP + Pi + พลังงาน (7.3 kcal/mol)

การแตกพันธะระหว่างฟอสเฟตตัวที่สามและตัวที่สอง ทำให้เกิด ADP (Adenosine Diphosphate) และ Pi (Inorganic Phosphate) พร้อมกับการปลดปล่อยพลังงาน 7.3 kcal/mol

ADP + H₂O → AMP + Pi + พลังงาน (7.3 kcal/mol)

การแตกพันธะฟอสเฟตตัวที่สอง ทำให้เกิด AMP (Adenosine Monophosphate) พร้อมปลดปล่อยพลังงานอีก 7.3 kcal/mol

AMP + H₂O → Adenosine + Pi + พลังงาน (4.6 kcal/mol)

การแตกพันธะฟอสเฟตตัวสุดท้าย จะได้ Adenosine และ Pi พร้อมกับการปลดปล่อยพลังงาน 4.6 kcal/mol

ATP จึงเป็นแหล่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง เพราะสามารถปลดปล่อยพลังงานได้หลายระดับตามความต้องการของเซลล์

Endergonic vs Exergonic: ปฏิกิริยาทางเคมีใน Metabolism

ก่อนที่ก็อตซิล่าจะปล่อยลำแสงพลังงาน กระบวนการทางเคมีในเซลล์จะเกิดปฏิกิริยา:

• Endergonic Reaction (P > S): การดูดพลังงานเข้า (ΔG > 0) เช่น การสร้าง ATP จาก ADP

• Exergonic Reaction (S > P): การปลดปล่อยพลังงานออก (ΔG < 0) เช่น การสลาย ATP เพื่อปลดปล่อยพลังงาน

Cellular Respiration: การหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจน

การหายใจระดับเซลล์ (Cellular Respiration) เป็นกระบวนการที่เซลล์ใช้ในการสะสมและปลดปล่อยพลังงาน โดยประกอบด้วย 4 ขั้นตอนหลัก:

1. Glycolysis: สลายกลูโคส (C6) เป็นไพรูเวท (C3) ได้ ATP 2 โมเลกุล และ NADH 2 โมเลกุล

2. Acetyl-CoA: ไพรูเวทจะเข้าสู่ไมโตคอนเดรียและถูกแปลงเป็น Acetyl-CoA เพื่อเข้าสู่ Krebs Cycle

3. Krebs Cycle: สร้าง ATP 2 โมเลกุล, NADH 6 โมเลกุล, และ FADH₂ 2 โมเลกุล พร้อมปล่อย CO₂ ออกมา

Electron Transport Chain (ETC): ใช้ NADH และ FADH₂ ในการสร้าง ATP จำนวนมาก (สูงสุดถึง 34 ATP

Glycolysis: จุดเริ่มต้นของการสะสมพลังงาน

Glycolysis (ไกลโคลิซิส) เป็นขั้นตอนแรกของกระบวนการ Cellular Respiration ที่เกิดขึ้นใน ไซโทพลาซึม (Cytoplasm) โดยไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจน (Anaerobic Process) กระบวนการนี้ทำหน้าที่สลาย กลูโคส (Glucose) ซึ่งเป็นโมเลกุลคาร์โบไฮเดรต 6 คาร์บอน (C6) ให้กลายเป็น ไพรูเวท (Pyruvate) จำนวน 2 โมเลกุล (C3) พร้อมกับการสร้าง ATP และ NADH ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของเซลล์

ขั้นตอนของ Glycolysis

Glycolysis แบ่งออกเป็น 2 เฟสหลัก ได้แก่:

1. Energy Investment Phase:

   • เซลล์ใช้ ATP จำนวน 2 โมเลกุล เพื่อเริ่มต้นกระบวนการ โดยกลูโคสจะถูกเปลี่ยนเป็น Fructose-1,6-bisphosphate ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ไม่เสถียรและพร้อมที่จะแตกตัว

   • Fructose-1,6-bisphosphate จะแตกออกเป็น Glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) จำนวน 2 โมเลกุล

2. Energy Payoff Phase:

   • G3P แต่ละโมเลกุลจะถูกเปลี่ยนเป็น Pyruvate พร้อมกับการสร้าง ATP 4 โมเลกุล และ NADH 2 โมเลกุล

   • เมื่อหักลบกับ ATP ที่ใช้ไปในขั้นตอนแรก เซลล์จะได้กำไรเป็น ATP 2 โมเลกุล และ NADH 2 โมเลกุล

สรุปผลิตภัณฑ์ที่ได้จาก Glycolysis

• Pyruvate 2 โมเลกุล

• ATP 2 โมเลกุล (Net Gain)

• NADH 2 โมเลกุล

Pyruvate ที่ได้จะเข้าสู่ Mitochondria และถูกเปลี่ยนเป็น Acetyl-CoA เพื่อเข้าสู่ Krebs Cycle ในขั้นตอนถัดไปของ Cellular Respiration ซึ่งจะช่วยสร้าง NADH และ FADH₂ เพิ่มขึ้น เพื่อใช้ใน Electron Transport Chain (ETC)

Acetyl-CoA: ประตูสู่พลังงานสูงสุดใน Cellular Respiration

Acetyl-CoA (Acetyl Coenzyme A) เป็นโมเลกุลที่มีบทบาทสำคัญในกระบวนการ Cellular Respiration โดยทำหน้าที่เป็นตัวกลางที่เชื่อมต่อระหว่าง Glycolysis และ Krebs Cycle เพื่อสร้างพลังงานในรูปของ ATP ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของเซลล์ การทำความเข้าใจเกี่ยวกับ Acetyl-CoA จะช่วยให้เห็นภาพรวมของกระบวนการสะสมและปลดปล่อยพลังงานในเซลล์ได้อย่างชัดเจน

การสร้าง Acetyl-CoA: จาก Pyruvate สู่พลังงานสูงสุด

Acetyl-CoA ถูกสร้างขึ้นใน ไมโตคอนเดรีย (Mitochondria) โดยกระบวนการ Pyruvate Decarboxylation ซึ่งเป็นขั้นตอนที่เกิดขึ้นหลังจาก Glycolysis โดยมีขั้นตอนดังนี้:

1. Pyruvate (C3) ที่ได้จาก Glycolysis จะถูกลำเลียงเข้าสู่ไมโตคอนเดรีย

2. Pyruvate จะถูก Pyruvate Dehydrogenase Complex ซึ่งเป็นเอนไซม์ขนาดใหญ่ ทำการ Decarboxylation คือ การตัดก๊าซ CO₂ ออกไป 1 โมเลกุล

3. ส่วนที่เหลือของ Pyruvate จะถูกออกซิไดส์และจับกับ Coenzyme A (CoA) ทำให้เกิดเป็น Acetyl-CoA (C2)

4. ในกระบวนการนี้ จะเกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยัง NAD⁺ ทำให้เกิด NADH 1 โมเลกุล ต่อตัว Pyruvate

เมื่อ Glycolysis ให้ Pyruvate 2 โมเลกุล ก็จะได้ Acetyl-CoA 2 โมเลกุล และ NADH 2 โมเลกุล ซึ่ง NADH นี้จะนำไปใช้ใน Electron Transport Chain (ETC) เพื่อสร้าง ATP ต่อไป

Krebs Cycle: จุดระเบิดพลังงานสู่ขั้นสูงสุดของ Cellular Respiration

Krebs Cycle (เครบส์ไซเคิล) หรือที่รู้จักในชื่อ Citric Acid Cycle และ Tricarboxylic Acid Cycle (TCA Cycle) เป็นขั้นตอนที่สองของกระบวนการ Cellular Respiration ซึ่งเกิดขึ้นใน เมทริกซ์ (Matrix) ของไมโตคอนเดรีย ทำหน้าที่สลาย Acetyl-CoA เพื่อสร้างพลังงานในรูปของ NADH, FADH₂, และ ATP โดย Krebs Cycle เป็นกระบวนการที่ปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากและเตรียมพร้อมสู่ขั้นตอนสุดท้ายคือ Electron Transport Chain (ETC)

การหมุนของ Krebs Cycle: 2 รอบต่อ 1 Glucose

สิ่งที่สำคัญมากในการทำความเข้าใจ Krebs Cycle คือ การหมุน 2 รอบต่อ 1 โมเลกุลของกลูโคส เนื่องจากในการสลายกลูโคส 1 โมเลกุล (C6) ในขั้นตอน Glycolysis จะได้ Pyruvate 2 โมเลกุล (C3) ซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็น Acetyl-CoA 2 โมเลกุล (C2) ก่อนเข้าสู่ Krebs Cycle

ดังนั้น Acetyl-CoA 1 โมเลกุล จะเข้าสู่ Krebs Cycle และเกิดการหมุน 1 รอบ แต่เนื่องจากมี Acetyl-CoA 2 โมเลกุล จึงเกิดการหมุน 2 รอบ ใน Krebs Cycle สำหรับกลูโคส 1 โมเลกุล

ขั้นตอนของ Krebs Cycle (ต่อรอบ)

Krebs Cycle ประกอบด้วย 8 ขั้นตอนหลัก โดยมีการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลและการสร้างพลังงาน ดังนี้:

1. Condensation (Citrate Formation):
   • Acetyl-CoA (C2) ทำปฏิกิริยากับ Oxaloacetate (C4) เกิดเป็น Citrate (C6) ซึ่งเป็นโมเลกุล 6 คาร์บอน
2. Isomerization:
   • Citrate เปลี่ยนโครงสร้างเป็น Isocitrate (C6) เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการออกซิไดส์
3. First Oxidation (Decarboxylation):
   • Isocitrate ถูกออกซิไดส์และตัด CO₂ ออก 1 โมเลกุล ได้เป็น α-Ketoglutarate (C5) และสร้าง NADH 1 โมเลกุล
4. Second Oxidation (Decarboxylation):
   • α-Ketoglutarate ถูกออกซิไดส์และตัด CO₂ ออกอีก 1 โมเลกุล ได้เป็น Succinyl-CoA (C4) และสร้าง NADH 1 โมเลกุล
5. Substrate-Level Phosphorylation:
   • Succinyl-CoA เปลี่ยนเป็น Succinate (C4) พร้อมสร้าง ATP 1 โมเลกุล
6. Third Oxidation:
   • Succinate ถูกออกซิไดส์เป็น Fumarate (C4) และสร้าง FADH₂ 1 โมเลกุล
7. Hydration:
   • Fumarate เปลี่ยนเป็น Malate (C4) โดยการเติมน้ำ (H₂O)
8. Fourth Oxidation:
   • Malate ถูกออกซิไดส์กลับเป็น Oxaloacetate (C4) และสร้าง NADH 1 โมเลกุล

เมื่อ Oxaloacetate ถูกสร้างขึ้น จะเข้าสู่รอบใหม่ของ Krebs Cycle โดยหมุนเวียนต่อไปเรื่อย ๆ

สรุปผลิตภัณฑ์ที่ได้จาก Krebs Cycle (ต่อกลูโคส 1 โมเลกุล)

เนื่องจาก Glucose 1 โมเลกุล ให้ Pyruvate 2 โมเลกุล และ Acetyl-CoA 2 โมเลกุล จาก Glycolysis ผลิตภัณฑ์ที่ได้จาก Krebs Cycle หมุน 2 รอบ จึงเป็น:

• NADH 6 โมเลกุล (3 x 2 รอบ)

• FADH₂ 2 โมเลกุล (1 x 2 รอบ)

• ATP 2 โมเลกุล (1 x 2 รอบ)

• CO₂ 4 โมเลกุล (2 x 2 รอบ)

 

Electron Transport Chain (ETC): การปลดปล่อยพลังงานสูงสุดใน Cellular Respiration

Electron Transport Chain (ETC) เป็นขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการ Cellular Respiration ซึ่งเกิดขึ้นที่ เยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย (Inner Mitochondrial Membrane) ทำหน้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนจาก NADH และ FADH₂ ไปตามโปรตีนหลายตัวที่เรียงต่อกันเป็นโซ่ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากและสร้าง ATP ได้สูงสุดถึง 34 โมเลกุลต่อกลูโคส 1 โมเลกุล

แหล่งที่มาของอิเล็กตรอน: NADH และ FADH₂

• NADH ได้จาก Glycolysis, Pyruvate Decarboxylation, และ Krebs Cycle

• FADH₂ ได้จาก Krebs Cycle

NADH และ FADH₂ ทำหน้าที่เป็น Electron Donors โดยถ่ายโอนอิเล็กตรอนพลังงานสูงไปยังโปรตีนที่เรียงตัวเป็นลำดับใน Electron Transport Chain

 

การทำงานของ Electron Transport Chain

1. Complex I (NADH Dehydrogenase):

   • NADH ถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยัง Complex I และถูกออกซิไดส์เป็น NAD⁺

   • พลังงานจากอิเล็กตรอนถูกใช้ในการสูบ โปรตอน (H⁺) จาก Matrix ออกไปยัง Intermembrane Space

2. Complex II (Succinate Dehydrogenase):

   • FADH₂ ถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยัง Complex II และถูกออกซิไดส์เป็น FAD

   • Complex II ไม่ได้สูบโปรตอนออกไปนอกเยื่อ

3. Complex III (Cytochrome bc₁ Complex):

   • อิเล็กตรอนจาก Complex I และ Complex II จะถูกส่งผ่านไปยัง Complex III

   • พลังงานถูกใช้ในการสูบ โปรตอน (H⁺) ออกไปยัง Intermembrane Space

4. Complex IV (Cytochrome c Oxidase):

   • อิเล็กตรอนถูกส่งไปยัง ออกซิเจน (O₂) ซึ่งเป็นตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้าย

   • ออกซิเจนรวมกับโปรตอน (H⁺) และอิเล็กตรอน เกิดเป็น น้ำ (H₂O)

การปลดปล่อยพลังงานสูงสุด

Electron Transport Chain เป็นขั้นตอนสุดท้ายและสำคัญที่สุดของ Cellular Respiration เพราะสามารถสร้าง ATP ได้สูงสุดถึง 34 โมเลกุล โดยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนผ่านโปรตีนหลายตัวในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย และใช้พลังงานจาก Electrochemical Gradient ในการหมุน ATP Synthase

การทำความเข้าใจ Electron Transport Chain จะช่วยให้เห็นภาพรวมของการสะสมและปลดปล่อยพลังงานในเซลล์ได้อย่างชัดเจน และเชื่อมโยงกับการทำงานของก็อตซิล่าที่ต้องสะสมพลังงานเพื่อปลดปล่อยลำแสง Atomic Breath อย่างทรงพลัง

สรุปพลังงานทั้งหมด: ว่าก็อตซิล่าได้พลังงานมหาศาลขนาดไหน?

ในการหายใจระดับเซลล์ (Cellular Respiration) พลังงานจะถูกสร้างขึ้นจากกระบวนการหลายขั้นตอน โดย NADH และ FADH₂ เป็นตัวพาอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง ซึ่งจะถูกนำไปใช้ใน Electron Transport Chain (ETC) เพื่อสร้าง ATP ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของเซลล์ โดย ATP ที่ได้จากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนคือ:

• NADH 1 โมเลกุล ให้ 3 ATP

• FADH₂ 1 โมเลกุล ให้ 2 ATP

การคำนวณ ATP ทั้งหมดจาก Glucose 1 โมเลกุล

• Glycolysis: ได้ 2 NADH = 6 ATP

• Pyruvate Decarboxylation (CoA): ได้ 2 NADH = 6 ATP

• Krebs Cycle:

  • 6 NADH = 18 ATP

  • 2 FADH₂ = 4 ATP

  • 2 ATP (โดยตรง)

เมื่อรวมพลังงานทั้งหมดจะได้:

• NADH = 6 + 6 + 18 = 30 ATP

• FADH₂ = 4 ATP

• ATP โดยตรง = 4 ATP

รวมทั้งหมด = 38 ATP ต่อ Glucose 1 โมเลกุล

สรุปพลังงานที่ได้

กระบวนการ Cellular Respiration สามารถสร้างพลังงานได้มากถึง 38 ATP ต่อกลูโคส 1 โมเลกุล ซึ่งเพียงพอที่จะขับเคลื่อนกิจกรรมต่าง ๆ ของเซลล์และร่างกายได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่นเดียวกับการที่ก็อตซิล่าสะสมพลังงานมหาศาลเพื่อปลดปล่อยลำแสง Atomic Breath อย่างทรงพลัง

Cellular Respiration จึงเป็นกระบวนการที่ทรงพลังในการสร้างพลังงานให้กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด

 

จากการเปรียบเทียบการสะสมพลังงานของก็อตซิล่ากับ Metabolism ของสิ่งมีชีวิต ทำให้เราเข้าใจว่าการสะสมและใช้พลังงานของเซลล์นั้นไม่ต่างจากการชาร์จพลังงานเพื่อปลดปล่อยลำแสง Atomic Breath ของก็อตซิล่า!

หากคุณอยากเข้าใจเรื่อง Metabolism ให้ลึกซึ้งขึ้น และเตรียมตัวสอบ MCAT อย่างมั่นใจ มาร่วมเป็นส่วนหนึ่งกับคอร์ส Englican MCAT Intensive Course

• ครอบคลุมทุกหัวข้อ Metabolism, Cellular Respiration, และ ATP Cycle

• พร้อมเทคนิคการทำข้อสอบและการวิเคราะห์เชิงลึก

พร้อมปลดปล่อยพลังแห่งความรู้หรือยัง? สมัครเรียนกับ Englican วันนี้!