พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 1

ใบความรูเรื่อง..พลังงานในสิ่งมีชีวิต ยุทธนา ศิริคํา

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีความตองการปจจัยพื้นฐานในการดํารงชีวิต เชน อาหาร การหายใจ การขับถาย มีการเคลื่อนไหว มีการเจริญเติบโต มีการสืบพันธุ จึงจําเปนตองมีกระบวนการหรือกิจกรรมตางๆ เพ่ือใหไดมาซึ่งปจจัยดังกลาว กระบวนการและกิจกรรมทั้งหลายเหลานี้จําเปนตองอาศัยพลังงานทั้งสิ้น ดังนั้นเซลลใดขาดพลังงาน เซลลนั้นก็ดํารงชีวิตอยูไมได นักชีววิทยาพบวา พลังงานที่เซลลของสิ่งมีชีวิตสามารถนําใชในกระบวนการและกิจกรรมตางๆ มีเพียงรูปแบบเดียวคือ พลังงานเคมี ( Chemical energy ) พลังงานเคมีที่สิ่งมีชีวิตนํามาใชจะมีกระบวนการเปลี่ยนแปลงรูปแบบ โดยการเปลี่ยนแปลงโครงสราง หรืออะตอมที่เปนองคประกอบของโมเลกุล ทําใหมีการเปลี่ยนรูปพลังงานเคมีจากสารประกอบอินทรียชนิดหนึ่ง ไปเปนพลังงานเคมีในสารอีกชนิดหนึ่ง ในขณะเกิดปฏิกิริยาเคมี เชน การถายทอดพลังงานเคมีจากสารอาหารที่ใหพลังงานมาเก็บสะสมไวในโมเลุกลของสารที่ทําหนาที่เก็บพลังงานหมุนเวียนชื่อ Adenosine triphosphate (ATP) ปฏิกิริยาเคมีในเซลลของส่ิงมีชีวิต

ปฏิกิริยาเคมี ( Reaction ) ทฤษฎีการชนของโมเลกุล ( Collision Theory ) อธิบายการเกิดปฏิกิริยาเคมีไวดังนี้

1. มีการชนกัน (Collision) ของอนุภาคสารตั้งตน (Substrate) 2. อนุภาคของสารตองชนกันในตําแหนงและทิศทางที่เหมาะสม

3. อนุภาคที่ชนกันตองมีพลังงานมากพอที่จะทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลง (ตองมีคาสูงพอที่จะทําลายพันธะเคมีเกา แลวสรางพันธะเคมีใหมของผลิตภัณฑ (Product))

4. มีพลังงานกระตุนมาชวยเพ่ิมพลังงานใหกับอนุภาคของสารตั้งตน เพ่ือใหสารตั้งตนอยูในสภาพที่สามารถทําปฏิกิริยาได Activated state) มีพลังงานสูงพอจนสามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีได

พลังงานกระตุน ( Activation energy ) พลังงานนอยที่สุด ที่สามารถทําใหสารตั้งตน เกิดปฏิกิริยาเคมีได

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 2

ปฏิกิริยาเคมี ไมวาจะเกิดภายในหรือภายนอกรางกายของสิ่งมีชีวิต จะดําเนินไปตามกฎ เทอรโม

ไดนามิกส ซึ่งวาดวยการเปลี่ยนแปลงของสารและการเปลี่ยนรูปพลังงาน การเปลี่ยนแปลงนี้ตองใช

พลังงานสูงเพื่อใหเกิดปฏิกิริยาเคมี และผลจากปฏิกิริยาจะไดพลังงานสูงเชนเดียวกัน ลักษณะเชนนี้เปน

อันตรายตอเซลลของสิ่งมีชีวิต

ปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิต( Metabolism) จึงตองมีกลไกที่จะหลีกเลี่ยงภาวะที่ไมเหมาะสมนี้ โดย

1. มีกลไกลดระดับพลังงานกระตุน ปฏิกิริยาเคมีที่พบในเซลลของสิ่งมีชีวิต จะมีสารบาง

ชนิดมาทําหนาที่เปนตัวเรงปฏิกิริยา (Enzyme) เพื่อลดระดับพลังงานกระตุน

2. มีกลไกปลอยพลังงานออกมาทีละขั้น เพื่อไมใหพลังงานทั้งหมดถูกปลอยออกมาอยางรวดเร็ว

ซึ่งเปนอันตรายตอเซลล

นอกจากนั้นยังมีการเก็บสะสมพลังงานที่ถูกปลอยออกมาสวนหนึ่งในรูปของ

พลังงานเคมีในสารประกอบ ATP และพลังงานที่สะสมนี้จะอยูในสภาพพรอมที่จะนําไปใชในการดําเนิน

กระบวนการและกิจกรรมตางๆ ของเซลลได

ปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิต (Metabolism) แบงออกไดเปน 2 ประเภท คือ

1. ปฏิกิริยาสังเคราะหสารอินทรีย (Anabolism) เปนปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น โดยใชพลังงานในการ

สรางหรือสังเคราะหสาร เชน ปฏิกิริยาการสังเคราะหดวยแสง, การสังเคราะหโปรตีนจาก

กรดอะมิโน

2. ปฏิกิริยาการสลายสารอินทรีย (Catabolism) เปนปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น โดยมีการสลายสาร

เพื่อสรางพลังงาน เชน กระบวนการเผาผลาญอาหาร

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 3

เอนไซม (Enzyme)

เอนไซมเปนตัวเรงปฏิกิริยาทางชีวภาพ (Biocatalyst) เปนสารจําพวกโปรตีนโมเลกุลเปนกอน (Globular protein) ประกอบดวยสายโพลีเปปไทดสายเดียว หรือหลายสาย มวนตัวเปนกอน และมักจะมีไอออนของโลหะหนัก หรือโมเลกุลที่ไมใชโปรตีนเปนองคประกอบอยูดวย เอนไซมมีมวลโมเลกุลตั้งแต 10,000 ถึงมากกวา 1 ลาน มีสมบัติเปนตัวเรงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล แตมีหลายชนิดที่สามารถทํางานนอกเซลลที่มีสภาพใกลเคียงกับภายในเซลลได โคแฟกเตอร (Cofactor) เอนไซมบางชนิดตองการโมเลกุลของสารอื่นเปนตัวรวมในการทํางาน เรียกสารเหลานี้วา โคแฟกเตอรของเอนไซม ดังนั้นเอนไซมประเภทนี้จะประกอบดวย 2 สวน คือสวนที่เปนโปรตีน(Apoenzyme) และสวนที่เปนโคแฟกเตอร(Cofactor)ถาสองสวนนี้แยกกันจะทํางานไมได แตเม่ือรวมกัน(Holoenzyme)จะทํางานไดดี

Holoenzyme = Apoenzyme + Cofactor

โคแฟกเตอรของเอนไซม แบงออกเปน 2 ชนิด 1. ไออนของโลหะ ไออนของโลหะอาจทําปฏิกิริยากับซับสเตรตเองได หรือเกาะอยูกับเอนไซม ทําใหโครงสรางของเอนไซมเหมาะสม หรือมีสวนรวมในการจับทั้งเอนไซมและซับสเตรตใหอยูรวมกัน เชน Zn2+, Fe2+, Mg2+, Na+ 2. โคเอนไซม ( Coenzyme) สวนใหญเปนสารพวกวิตามิน เชน

NAD+ เปลี่ยนแปลงมาจากวิตามินบีหา ทําหนาที่เปนตัวรับอิเล็กตรอนในกระบวนการหายใจ

FAD เปลี่ยนแปลงมาจากวิตามินบีสอง ทําหนาที่เปนตัวรับอิเล็กตรอนในกระบวนการหายใจเชนเดียวกับ NAD+

โมเลกุลของเอนไซมมีการจัดเรียงตัวอยางซับซอน และจะมีสวนที่สําคัญในการเขารวมกับซับสเตรต เรียกวา บริเวณเรง (Active site) มีลักษณะเปนรอง (Cleft) ซึ่งจะมีรูปรางที่ทําใหสามารถรวมตัวกับซับสเตรตไดพอดี ตามปกติแอกทีฟไซดของเอนไซมจะมีโมเลกุลกรดอะมิโนเพียง 2-3 โมเลกุลเทานั้นที่ยึดกับซับสเตรต กรดอะมิโนนี้จะทําหนาที่เรงปฏิกิริยา สวนกรดอะมิโนที่เหลือของ แอกทีฟไซดจะทําหนาที่โอบลอมในการยึดซับสเตรตเทานั้น

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 4

สมบัติของเอนไซม 1. เปนสารชีวโมเลกุล (Biomolecule) ประเภทโปรตีนที่เซลลสรางขึ้น 2. เปนตัวเรงปฏิกิริยาที่มีความเฉพาะเจาะจง( Specificity) กับซับสเตรต 3. ไมมีการเปลี่ยนแปลงทั้งปริมาณและโครงสราง ภายหลังเกิดปฏิกิริยาเคมีแลว 4. ทําใหเกิดปฏิกิริยาไดแมมีปริมาณเพียงเล็กนอย 5. ลดระดับความตองการพลังงานกระตุนของปฏิกิริยา ทําใหปฏิกิริยาเกิดไดที่อุณหภูมิรางกาย 6. มีประสิทธิภาพในการทํางานสูงมาก สามารถเรงปฏิกิริยาใหเกิดไดนับลานเทา 7. สามารถเรงปฏิกิริยายอนกลับได ( S+E P+E ) 8. ควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาใหเหมาะสมกับความตองการของเซลล 9. ทํางานไดดีที่อุณหภูมิและ pH ที่จํากัด

- Optimum temperature 25-40oC - Optimum pH 6 – 7.5

การเรียกชื่อเอนไซม

1. เรียกชื่อตามซับสเตรต (Substrate) ของปฏิกิริยาที่มีเอนไซมนั้นๆ เปนตัวเรง โดยเติม เอส (-ase) ลงขางทายซับสเตรตนั้น เชน มอลเตส (Maltase) เรงการสลายน้ําตาลมอลโตส (Maltose) 2. เรียกชื่อตามปฏิกิริยาที่เรง โดยเติม เอส (-ase) หลังชื่อปฏิกิริยา เชน ดีคารบอกซีเลส (Decarboxylase) เปนเอนไซมในปฏิกิริยา ดีคารบอกซิเลชัน (Decarboxylation) ดึง CO2 ออกจากสาร 3. เอนไซมบางชนิดมีชื่อเฉพาะ เชน เปปซิน ( Pepsin) ทริปซิน (Trypsin) การทํางานของเอนไซม

Ξ การทํางานของเอนไซม เกิดที่ผิวของเอนไซม โดยเอนไซม(E) จะรวมตัวกับซับสเตรต

(S) ตรงบริเวณแอกทีฟไซดไดพอดี มีผลทําใหซับสเตรตแปรสภาพเปนสารเชิงซอน(Enzyme-substrate complex; ES) ซึ่งเปนสารไมอยูตัว ทําใหสลายตัวไดงายกลายเปนสารผลิตภัณฑ (P)

E + S ES 2P + E E + 2S ES P + E

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 5

Ξ Emil Fisher ไดเสนอแนวคิดแบบจําลองแมกุญแจกับลูกกุญแจ (Lock and key theory) เพ่ืออธิบายการทํางานของเอนไซม โดยเปรียบเทียบวา ซับสเตรตเปรียบเสมือนแม

กุญแจที่ล็อกไว เอนไซมเปรียบเสมือนลูกกุญแจที่สามารถสวมเขากันไดพอดี ดังนั้นแมกุญแจ

ที่ไขแลวเปรียบเสมือนผลิตภัณฑที่ได สําหรับลูกกุญแจไมเปลี่ยนแปลง

Ξ Koshland เสนอแนวคิดทฤษฎีการชักนําใหเหมาะสม ( Induced fit theory ) เนื่องจากพบวา

เอนไซมบางชนิด แอกทีฟไซดไมคงรูปตลอดเวลา สามารถถูกชักนําโดยซับสเตรตใหเปลี่ยนไป

ใหพอดีกับรูปรางของซับสเตรตได

Ξ เอนไซมบางชนิดสามารถเรงปฏิกิริยาของซับสเตรตไดหลายชนิด แตซับสเตรตเหลานั้นตอง

เปนสารประกอบประเภทเดียวกัน เชน ทริปซิน และไคโมทริปซิน เปนเอนไซมสลายพันธะเปป

ไทดของสารอาหารประเภทโปรตีน

Ξ โดยทริปซินจะไฮโดรไลซพันธะเปปไทดของกรดอะมิโนที่เปนดาง คือไลซีนหรืออารจีนีน

Ξ สวนไคโมทริปซินจะไฮโดรไลซพันธะเปปไทดของกรดอะมิโนไทโรซีน เฟนิลอะลานีน และ

ทริปโตเฟนไดดี และยังสามารถสลายพันธะเปปไทดเมไธโอนีน กรดแอสปารติก ฮีสติดีน

ลิวซีน แอสปาราจีน และกลูตามีนไดดวย

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 6

ปจจัยที่เกี่ยวของกับการทํางานของเอนไซม

1. อุณหภูมิ โดยปกติอุณหภูมิที่เหมาะสมกับการทํางานของเอนไซม (Optimum temperature)

อยูระหวาง 25 – 40 OC ถาสูงหรือตํ่ากวานี้ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะลดลง เนื่องจากอุณหภูมิไปมีผลตอ

การเปลี่ยนแปลงรูปรางของเอนไซม เนื่องจากเปนโปรตีน

2. ความเปนกรด-เบส ( pH ) สภาพความเปนกรด-เบส มีผลตอการทํางานของเอนไซม

เชนเดียวกับอุณหภูมิ เอนไซมสวนใหญทํางานไดดีในชวง pH ระหวาง 6 – 7.5 (Optimum pH) แตเอนไซม

แตละชนิดยังมีความแตกตางกันเชน

เปปซิน ทํางานไดดีในชวง pH 1.5 – 2.5

ลิเปส ทํางานไดดีในชวง pH 7

ซูเครส ทํางานไดดีในชวง pH 6.2

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 7

3. ปริมาณของซับสเตรต เมื่อปริมาณซับสเตรตเพิ่มมากขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเกิดไดเร็ว

ข้ึน แตถามีปริมาณซับสเตรตมากเกินไป ก็ไมมีผลทําใหปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น เนื่องจากไมมีปริมาณเอนไซม

เพียงพอที่จะทําปฏิกิริยากับซับสเตรตที่มากเกินพอนั้น

4. ปริมาณเอนไซม เมื่อปริมาณของเอนไซมเพิ่มมากขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเกิดเร็วขึ้น แต

ถามีปริมาณเอนไซมมากเกินพอในปฏิกิริยา ก็ไมมีผลทําใหอัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น เพราะไมมี

ซับสเตรตเหลือพอที่จะเขาทําปฏิกิริยา แตถาใหเวลามากขึ้นจนกระทั่งเอนไซมหลุดแยกออกจากผลิตภัณฑ

และสามารถเรงปฏิกิริยาของซับสเตรตโมเลกุลอ่ืน ก็จะทําใหอัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มข้ึนได

5. สารบางชนิดที่มีผลตอการทํางานของเอนไซม

5.1 แอกติเวเตอร ( Activator ) เปนสารที่ทําใหปฏิกิริยาที่มีเอนไซมเปนตัวเรงเกิดไดดีข้ึน

และมีเอนไซมบางชนิดจะทํางานไมได ถาไมมีแอกติเวเตอร เชน

- ทริปซิโนเจน (Trypsinogen) จากตับออน จะทํางานไดเมื่อไดรับการกระตุนจาก สาร เอนเทอโร-

ไคเนส (Enterokinase) ที่สรางจากลําไสเล็ก

- เปปซิโนเจน (Pepsinogen) ในกระเพาะอาหาร ตองไดรับการกระตุนจาก HCl

5.2 อินฮิบิเตอร (Inhibitor) หรือตัวยับยั้งเอนไซม เปนสารท่ําใหปฏิกิริยาที่มีเอนไซมเปน

ตัวเรงปฏิกิริยาหยุดชะงักลง

ทั้งแอกติเวเตอรและอินฮิบิเตอร เปนสารจําเพาะที่มีผลตอเอนไซมชนิดใดชนิดหนึ่งเทานั้น

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 8

ตัวยับยั้งเอนไซม

ตัวยับยั้งเอนไซมมีผลทําใหปฏิกิริยาเคมีหยุดชะงักลง เนื่องจากไปรวมกับเอนไซม ทําใหเอนไซมไม

สามารถเขารวมกับซับสเตรตได แบงออกเปน 2 ประเภท

1. ตัวยับยั้งเอนไซมแบบทวนกลับ (Reversible inhibitor) ตัวยับยั้งเอนไซมประเภทนี้จะเขารวม

กับเอนไซมแบบไมถาวร แบงออกเปน 2 ชนิด

1.1 ตัวยับยั้งแบบแขงขัน (Competitive inhibitor) ตัวยับยั้งเอนไซมประเภทนี้จะมีรูปราง

คลายซับสเตรตมาก และยังสามารถเขาจับกับแอกทีฟไซดของเอนไซมไดดีกวา ทําใหเอนไซมเขาจับกับ

ซับสเตรตไมได หรือไดนอยลง ทําใหปฏิกิริยาเคมีลดลงหรือหยุดชะงัก

1.2 ตัวยับยั้งแบบไมแขงขัน (Non-competitive inhibitor) ตัวยับยั้งเอนไซมแบบนี้จะมี

โครงสรางตางจากโมเลกุลของซับสเตรต โดยที่ตัวยับยั้งเอนไซมจะเขาไปจับกับตําแหนงอื่นของเอนไซมที่ไม

ใชแอกทีฟไซต ทําใหโมเลกุลของเอนไซมมีรูปรางเปลี่ยนไป ไมสามารถจับกับซับสเตรตได

2. ตัวยับยั้งเอนไซมแบบไมทวนกลับ (Irreversible inhibitor) ตัวยับยั้งเอนไซมประเภทนี้จะจับ

เอนไซมอยางถาวรดวยพันธะโคเวเลนต (Covalent bond) ทําใหเอนไซมไมสามารถเรงปฏิกิริยาไดอีก และ

ไมสามารถคืนสูปกติได ทําใหสูญเสียสภาพการเปนเอนไซมไป

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 9

จากการศึกษาพบวา ตัวยับยั้งเอนไซมสวนใหญจะยับยั้งการทํางานของเอนไซมเฉพาะ

อยาง โดยยับยั้งเอนไซมตัวหนึ่งจะทําใหปฏิกิริยาอยางหนึ่งหยุดชะงัก แตจะไมมีผลไปกระทบตอปฏิกิริยา

อ่ืนๆ ที่เอนไซมชนิดอื่นเปนตัวเรงปฏิกิริยา

สําหรับปฏิกิริยาที่เปนปฏิกิริยาตอเนื่อง ในแตละขั้นตอนจะมีเอนไซมตางชนิดกันเปน

ตัวเรงปฏิกิริยา ซับสเตรตจะถูกเปลี่ยนไปเปนผลิตภัณฑ(A)โดยเอนไซมชนิดหนึ่ง แลวตอมาผลิตภัณฑNจะ

ถูกเปลี่ยนเปนสารชนิดอื่น(B)โดยเอนไซมอีกชนิดหนึ่ง ถาเอนไซมตัวแรกถูกยับยั้งไมสามารถทํางานได ก็

ยอมมีผลตอการเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ(B)ดวย แตไมไดหมายความวาตัวยับยั้งเอนไซมชนิดแรกยับยั้งการ

ทํางานของเอนไซมชนิดหลังดวย

จากคุณสมบัติดังกลาว จึงมีการใชตัวยับยั้งเอนไซม ในการศึกษาลําดับข้ันตอนการ

เกิดปฏิกิริยาตางๆ มากมายที่เกิดในส่ิงมีชีวิต

พลังงานเคมี พลังงานที่เซลลของสิ่งมีชีวิตนํามาใชในกิจกรรมตางๆ ไดมาจากพลังงานเคมีซึ่งเกิดจาก

ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล ในการเกิดปฏิกิริยาหนึ่งๆ ภายในระบบ จําเปนตองมีการใชพลังงานจํานวนหนึ่ง

ในการสลายพันธะของสารตั้งตน จากนั้นเมื่อมีการรวมตัวกันใหมเพื่อเปนผลิตภัณฑก็จะมีพลังงานจํานวน

หนึ่งคายออกมา ดังนั้นจึงมีการแบงปฏิกิริยาเคมีเมื่อคํานึงถึงพลังงาน เปน 2 ประเภท คือ

1. ปฏิกิริยาดดูพลังงาน (Endergonic reaction)หมายถึงปฏิกิริยาเคมีที่มีการถายเทพลังงานจาก

ส่ิงแวดลอมเขาสูระบบ ดังนั้นในปฏิกิริยาดูดพลังงาน ผลิตภัณฑจะมีระดับพลังงานสูงกวาสารตั้งตน

เชน 6CO2 + 12H2O ---------------------- C6H12O6 + 6H2O + 6O2พลังงานแสง

คลอโรฟลล

2. ปฏิกิริยาคายพลังงาน (Exergonic reaction) เปนปฏิกิริยาเคมีที่มีการถายเทพลังงานจากระบบ

สูส่ิงแวดลอม ดังนั้นในปฏิกิริยคายพลังงานสารตั้งตนจะมีพลังงานสูงกวาสารผลิตภัณฑ

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 10

เชน C6H12O6 + 6O2 ------------------------- 6CO2 + 6H2O + พลังงาน

สารใดมีระดับพลังงานต่ํา ----------------- เสถียรสูง

สารใดมีระดับพลังงานสูง ----------------- เสถียรต่ํา

บทบาทของอิเล็กตรอน อะตอมของธาตุแตละชนิดประกอบดวยอนุภาค (Particle) ที่มีขนาดเล็กไดแก โปรตอน

นิวตรอน (รวมกันเปนนิวเคลียส) และอิเล็กตรอน ซึ่งมีบทบาทสําคัญในการเกิดปฏิกิริยาเคมี ธาตุแตละ

ชนิดจะมีจํานวนโปรตอนไมเทากัน จํานวนโปรตอนของธาตุเรียกวา เลขอะตอม(Atomic number) ถานํา

จํานวนโปรตอนและนิวตรอนมารวมกันเรียกวา เลขมวล (mass number) หรือมวลอะตอม ( Atomic

mass) เลขอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะเทากันเสมอ แตจํานวนนิวตรอนอาจไมเทากันเสมอไป ดังนั้น

อะตอมที่มีเลขอะตอมเดียวกันแตมีหลายเลขมวล เรียกวาเปนไอโซโทป ( Isotope)

อิเล็กตรอนเปนสวนที่อยูนอกนิวเคลียส ระยะหางของอิเล็กตรอนจากนิวเคลียสจะขึ้นอยู

กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ถาหากมีพลังงานต่ําจะอยูใกลนิวเคลียส ถายิ่งมีพลังงานสูงจะอยูหาง

นิวเคลียสมากขึ้น ดังนั้นอิเล็กตรอนอยูระดับใดจึงขึ้นอยูกับพลังงาน แตถาไดรับพลังงานมากขึ้น ก็จะเลื่อน

ระดับไปอยูในระดับพลังงานที่สูงขึ้น เมื่อคายพลังงานสวนที่ไดรับไปออกมาก็จะเคลื่อนกลับมาอยูที่ระดับ

เดิม ภาวะที่อิเล็กตรอนอยูในระดับพลังงานที่ต่ําสุดเรียกวา ภาวะพื้น (Ground state) ภาวะพื้นอาจมี

อิเล็กตรอนไดหลายตัว และภาวะพื้นของอิเล็กตรอนแตละตัวจะตางกัน ทั้งนี้เพราะธาตุที่มีเลขอะตอม

มากๆ จะมีอิเล็กตรอนมากดวย ทําใหจัดภาวะพื้นของอิเล็กตรอนไดหลายระดับ แตละระดับมีอิเล็กตรอนได

หลายตัว ถาอิเล็กตรอนใดไดรับพลังงานเพิ่มข้ึนอยางเพียงพอ ก็สามารถเลื่อนไปอยูในระดับพลังงานที่

สูงขึ้นได ภาวะนี้เรียกวา ภาวะถูกกระตุน (Excited state)

อิเล็กตรอนเมื่อไดรับพลังงานเพิ่มมากขึ้น ปกติจะคายพลังงานออกมาแลวกลับลงสูระดับ

พลังงานเดิม หรืออาจมีตัวรับอิเล็กตรอนมารับอิเล็กตรอนไป

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 11

พันธะเคมี บทบาทที่สําคัญของอิเล็กตรอนอีกอยางหนึ่งคือ การทําใหเกิดพันธะเคมี พันธะเคมีที่สําคัญไดแก

1. พันธะโคเวเลนต หมายถึง พันธะที่เกิดจากการอะตอมของธาตุใชอิเล็กตรอนรวมกัน

เปนคูๆ เพื่อใหอิเล็กตรอนวงนอกหรือเวเลนตอิเล็กตรอน (Valent electron) ครบ 8 ตามกฎออกเตด (Octet

rule)นั้นเอง (ยกเวนไฮโดรเจนและฮีเลียมครบ 2) สวนโมเลกุลของสารประกอบที่ไดเรียกวา โมเลกุลโคเว

เลนต และเรียกสารประกอบนี้วา สารประกอบโคเวเลนต

2. พันธะไอออนิก หมายถึงแรงดึงดูทางไฟฟาระหวางไอออนบวก กับไอออนลบ ซึ่งเกิดขึ้น

เนื่องจากอะตอมของธาตุโลหะรวมตัวกับอะตอมของธาตุอโลหะ แลวมีการใหและรับอิเล็กตรอน โดยโลหะ

เปนผูใหและอโลหะเปนผูรับ ทั้งนี้เพื่อใหอิเล็กตรอนวงนอกครบ 8 อะตอมที่ใหอิเล็กตรอนก็จะกลายเปน

ไอออนบวก อะตอมที่รับอิเล็กตรอนเปนไอออนลบ ไอออนทั้งสองมีประจุตางกัน จึงเกิดแรงดึงดูดทางไฟฟา

ยึดเหนียวอะตอมทั้งสองหรือมากกวาสองเขาดวยกัน เกิดเปนสารประกอบเรียกวา สารประกอบไอออนิก

( Ionic compound)

3. พันธะไฮโดรเจน หมายถึงพันธะที่เกิดขึ้นเนื่องจากไฮโดรเจนอะตอมมีพันธะโคเวเลนต

กับอะตอมของธาตุที่มีเวเลนตอิเล็กตรอนมากๆ และมีขนาดเล็ก เชน F, O, N ทําใหเกิดพันธะมีข้ัวและ

โมเลกุลมีข้ัว โดยไฮโดรเจนมีประจุไฟฟาเปนบวก สวนอะตอมของอีกธาตุหนึ่งมีประจุไฟฟาเปนลบ อะตอม

ไฮโดรเจนซึ่งมีประจุไฟฟาบวกก็จะเกิดแรงดึงดูดทางไฟฟากับอะตอมซึ่งมีประจุไฟฟาลบ และมีอิเล็กตรอน

คูโดดเดี่ยวฝนอีกโมเลกุลหนึ่ง

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 12

ออกซิเดชัน-รีดักชัน (Oxidation Reduction;Redox)

ในการเกิดปฏิกิริยา ปฏิกิริยาใดที่มีการสูญเสียอิเล็กตรอนไป เรียกวา ออกซิเดชัน

(Oxidation) และปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอนมาเรียกวา รีดักชัน (Reduction) ทั้งสองปฏิกิริยานี้จะเกิด

ควบคูกันเสมอ

ปฏิกิริยา ออกซิเดชัน-รีดักชันในทางชีววิทยา มักมีการสูญเสียในรูปอะตอมของไฮโดรเจน

เนื่องจากการสูญเสียอิเล็กตรอนมักเกิดควบคูกับการสูญเสียโปรตอนดวย

ออกซิเดชัน รีดักชัน

1. ปลอยอิเล็กตรอน

2. ปลอยไฮโดรเจน

3. นําออกซิเจนเขา

4. คายพลังงาน

1. นําอิเล็กตรอนเขา

2. นําไฮโดรเจนเขา

3. ปลอยออกซิเจนออก

4. ดูดพลังงาน

สารเก็บพลังงานหมุนเวียน

ในการสลายสารอาหารของกระบวนหายใจ จะมีการคายพลังงานอิสระออกมาเปน

จํานวนมาก พลังงานเหลานี้เปนผลมาจากการเคลื่อนยายอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของสารอาหารไปยัง

โมเลกุลของสารอื่นอีกหลายชนิด โดยการรับและการใหอิเล็กตรอน จนถึงตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดทาย คือ

กาซออกซิเจน โดยมีการเก็บพลังงานไวในโมเลกุลของสารเคมีที่ชื่อ Adenosine triphosphate (ATP)

โครงสรางของ ATP

1. เบส (base) เปนเบสที่มีธาตุไนโตรเจนเปนองคประกอบอยูดวย จึงเรียกวา

Nitrogenous base หรือ Adenine

2. น้ําตาลไรโบส (Ribose) เปนน้ําตาลที่มี 5 คารบอนอะตอม

3. ฟอสเฟต (Phosphate) ประกอบดวยหมูฟอสเฟต 3 หมู พันธะระหวางหมูฟอสเฟต

เปนพันธะที่มีพลังงานสูง High rich energy bond

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 13

พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาคะตาบอลิซึม (Catabolism) สวนใหญจะถูกเก็บไวในรูปของ

พลังงานเคมี ในสารประกอบ ATP เซลลจะนําพลังงานจากสารนี้ไปใชในกิจกรรมตางๆ ของเซลล

วัฏจักรของ ATP

เมื่อ ATP ทําปฏิกิริยากับน้ํา (Hydrolysis) พันธะพลังงานสูงระหวางหมูฟอสเฟตจะ

แยกสลายและใหพลังงานออกมาเปนจํานวนมากกวางพันธะเคมีทั่วไป คือ มีการปลดปลอยพลังงาน

ออกมา 7.3 kcal/mol ดังสมการ

ATP + H2O ---------------------- ADP + Pi + พลังงาน 7.3 kcal/mol Atp-ase

เมื่อ ATP สูญเสียหมูฟอสเฟต (Pi) ไป 1 หมู จะกลายเปน Adenosine diphosphate

(ADP) สวนฟอสเฟตที่หลุดออกมาจะรวมกับอินทรียสาร ทําใหสารที่ไดรับหมูฟอสเฟตจาก ATP มีพลังงาน

สูงขึ้น

สําหรับ ADP จะกลับไปเปน ATP ไดอีกเมื่อไดรับพลังงานเพียงพอ (ไมมีนอยกวา 7.3

kcal/mol) ทําใหการเปลี่ยนแปลงของ ATP และ ADP จะเกิดวนเวียนเปนวัฏจักร

การสังเคราะห ATP การสังเคราะห ATP เปนการสรางพันธะเคมีที่มีพลังงานสูงของ ATP ซึ่งเรียกกระบวนการนี้วา

ฟอสโฟรีเลชัน (Phosphorylation)

การสังเคราะห ATP มีวิธีการสรางหลายแบบ ไดแก

1. การสังเคราะห ATP จากพลังงานแสง เปนการสราง ATP ในสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะหดวยแสงได

โดยการใชพลังงานแสงที่ไดรับมาทําใหเกิดการรวมตัวของ ADP กับหมูฟอสเฟต

ADP + Pi --------------------------------- ATP พลังงานแสง

พลังงานในสิ่งมีชีวิต หนา 14

2. การสังเคราะห ATP จากการสลายโดยกระบวนการหายใจ (Oxidative Phosphorylation) เปน

การสราง ATP โดยการรวมตัวของ ADP กับหมูฟอสเฟต ในขณะที่มีการถายทอดอิเล็กตรอน

ADP + Pi ----------------------------------------- ATP พลังงานอิสระจากการหายใจ

เชน NADH2 + ½ O2 + 3ADP + 3Pi -------------- NAD+ + H2O + 3 ATP

3. การสังเคราะห ATP จากสารที่มีพลังงานสูงกวา เปนการรวมตัวของ ADP กับหมูฟอสเฟต จาก

การถายทอดพลังงานที่ไดจากการสลายสารที่มีพันธะเคมีพลังงานสูงกวา

ADP + Pi ----------------------------------------- ATP พลังงานอิสระจากสารที่มีพลังงาน

เชน phosphoenol pyruvate + ADP -------------------------------- pyruvate + ATP pyruvatekinase