14-15 OCT 2013

Biology M.4

Sci -acces#14

DIGESTIVE SYSTEM &

CELLULAR RESPIRATION BY : PERMKUN PERMSIRIVISARN

[P’ CAN] SCBI#2

Main Contents Digestive System- ระบบย่อยอาหาร

Cellular respiration - การหายใจระดับเซลล์

Course Schedule MON 14 OCT : 8.30-10.10 AM

TUE 15 OCT : 8.30-12.00 AM

For M.4 Sci-access students, Biology class

INTRODUCTION

14 OCT 2013

Biology M.4 Sci -acces#14

DIGESTIVE SYSTEM BY : PERMKUN PERMSIRIVISARN

[P’ CAN] SCBI#2

Food and Nutrient

Digestion

Mechanical Digestion

Chemical Digestion

Process of Digestion in Heterotroph Organisms

Intracellular Digestion

Extracellular Digestion

Digestion of each heterotroph organism

OUTLINE

Human Digestive System

Gastrointestinal Tract Organs

Accessory Organs

Anatomical, Physiological and Biochemical Properties

Digestion, Absorption and Excretion

OUTLINE

Food(อาหาร)

Nutrient (สารอาหาร)

สารอาหารที่ให้พลังงาน

คาร์โบไฮเดรต ลิพิด โปรตีน

สารอาหารที่ไม่ให้พลังงาน

แร่ธาตุ วิตามิน น้้า

FOOD AND NUTRIENT

Digestion : การนําสารอาหารเข้าสู่ เซลล์ เพื่อให้เซลล์สามารถนําไปใช้ในกระบวนการ Metabolism ต่างๆได้ Mechanical Digestion

(การย่อยเชิงกล)

Chemical Digestion (การย่อยเชิงเคมี)

DIGESTION

Mechanical Digestion (การย่อยอาหารเชิงกล)

การเพิ่มพื้นที่ผิวของอาหาร ทําให้อาหารมีขนาดเล็กลง การบดเคี้ยวของฟัน (Mastication)

การทํางานของน้ําดี (Bile)

MECHANICAL DIGESTION

Chemical Digestion (การย่อยอาหารเชิงเคมี ) การเกิดปฏิกิริยาเคมี ที่ทําให้โมเลกุลของอาหารเล็กลง โดยอาศัยการทํางานของ

enzyme

CHEMICAL DIGESTION

“HYDROLYSIS”

Heterotroph (สิ่งมีชีวิตที่สร้างอาหารเองไม่ได้ )

อาศัยการย่อยอาหารเพื่อนําสารอาหารเข้าสู่เซลล์

Consumer (ผู้บริโภค)

Decomposer (ผู้ย่อยสลาย)

การย่อยอาหารแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ตามบริเวณที่ เกิดการย่อยเชิง เคมี

Intracellular Digestion (การย่อยอาหารภายในเซลล์ )

Extracellular Digestion (การย่อยอาหารภายนอกเซลล์ )

PROCESS OF DIGESTION

สร้าง food vacuole

อาศัย enzyme จาก lysosome

Protozoa

Paramecium

Amoeba

Porifera (ฟองน้ํา)

Hydra (ไฮดรา)

INTRACELLULAR DIGESTION

PROTOZOA

Paramecium Amoeba

SPONGE-PORIFERA

Ostia

การหลั่งน้ําย่อยที่มี enzyme เพื่อย่อยโมเลกุลอาหารขนาดใหญ่ เป็นโมเลกุลขนาดเล็ก แล้วดูดซึมเพื่อให้เซลล์นําไปใช้ ส่วนที่ไม่สามารถย่อยได้จะไม่ถูกดูดซึม

Fungi (เห็ด รา ยีสต์)

Animal (เว้น ฟองน้้า และ พยาธิตัวตืด-ไม่มีทางเดินอาหาร )

EXTRACELLULAR DIGESTION

Fungi เป็นสิ่งมีชีวิตกลุ่ม Saprophyte โดยการหลั่ง enzyme ออกมาย่อยแล้วดูดซึมสารอาหารเข้าสู่ เซลล์ ผ่าน Hypha

FUNGAL DIGESTIVE SYSTEM

ในสัตว์ (เว้น ฟองน้ํา) จะมีทางผ่านของอาหารในร่างกาย เรียกว่า Digestive Tract แบ่งเป็น 2 ประเภท Incomplete Digestive Tract (ทางเดินอาหารไม่สมบูรณ์ )

: มีเฉพาะปาก อาหารและกากเข้า-ออกทางเดียวกัน พบใน Cnidarian (ไฮดรา) และ Flatworm (พลานาเรีย)

***พยาธิตัวตืด เป็น หนอนตัวแบนที่ไม่มีทางเดินอาหาร Complete Digestive Tract (ทางเดินอาหารสมบูรณ์)

: มีปากและทวารหนักแยกออกจากกัน พบในสัตว์วิวัฒนาการตั้งแต่ หนอนตัวกลม ขึ้นไป

ANIMAL DIGESTIVE SYSTEM

ANIMAL DIGESTIVE SYSTEM

HYDRA-CNIDARIA

HYDRA-CNIDARIA

PLANARIA-PLATHYHELMINTHES

EARTHWORM-ANNELIDA

INSECT-ARTHOPODA

VERTEBRATE-CHORDATA

VERTEBRATE-CHORDATA

VERTEBRATE-CHORDATA

VERTEBRATE-CHORDATA

Short Digestive

tract

Long Digestive

tract

VERTEBRATE-CHORDATA

HUMAN DIGESTIVE SYSTEM

Gastrointestinal Tract Organs Oral Cavity (ช่องปาก= ฟัน ลิ้น)

Pharynx (คอหอย)

Esophagus (หลอดอาหาร)

Stomach (กระเพาะอาหาร)

Small Intestine (ลําไส้เล็ก)

Large Intestine (ลําไส้ใหญ่)

Rectum (ไส้ตรง)

Anus (ทวารหนัก)

DIGESTIVE ORGANS

Accessory Organs Salivary Gland (ต่อมน้ําลาย)

Liver (ตับ)

Gall Bladder (ถุงน้ําดี)

Pancreas (ตับอ่อน)

DIGESTIVE ORGANS

Teeth (ฟัน) : บดอาหาร

Deciduous Teeth (ฟันน้ํานม)

Permanent Teeth (ฟันแท้) Incisors (ฟันตัด)

Canines (ฟันเขี้ยว)

Premolars (ฟันกราม)

Molars (ฟันกรามหลัง)

ORAL CAVITY

ORAL CAVITY

Tongue (ลิ้น) : คลุกเคล้า รับรส ออกเสียง การกลืน

ORAL CAVITY

Salivary Glands (ต่อมน้้าลาย) : สร้างน้ําลาย มี 3 คู่ Parotid Glands (ต่อมข้างกกหู)

Submandibular Glands (ต่อมใต้ขากรรไกร : ผลิตน้ําลายมากที่สุด)

Sublingual Glands (ต่อมใต้ลิ้น)

ORAL CAVITY

Saliva (น้้าลาย)

Amylase : enzyme ย่อยแป้ง Mucin (เมือก)

Buffers (pH 6.0-7.0) Anti-bacterial chemicals

ORAL CAVITY

Mechanical Digestion ฟันบดอาหาร ลิ้นช่วยคลุกเคล้า

Chemical Digestion การทํางานของ α-amylase

ORAL CAVITY

PHARYNX

Soft Palate (เพดานอ่อน) : ที่ปิดรูเปิดของช่องจมูกทั้ง 2

Epiglottis (ฝาปิดกล่องเสียง) : ปิดทางเข้าหลอดลม

Medulla Oblongata : ศูนย์ควบคุมการกลืน ผ่าน CN X

PHARYNX

Esophagus (หลอดอาหาร) : ลําเลียงก้อนอาหาร (Bolus)

ESOPHAGUS

PERISTALSIS

STOMACH

STOMACH

Mucous Epithelial Cell ทําหน้าที่สร้างน้ําเมือกที่มีฤทธิ์เป็นเบส

ฉาบผิวของกระเพาะอาหารไม่ให้เป็นอันตราย

Parietal Cell ทําหน้าที่สร้าง HCl เพื่อช่วยในการย่อย

อาหาร และ Intrinsic Factor (IF) ควบคุมการดูดซึมวิตามินบี12

Chief Cell ทําหน้าที่สร้าง pepsinogen และ

prorennin ซึ่งเป็น Proenzyme และมี lipase ด้วย

STOMACH

Pepsinogen เป็น Inactivated Enzyme ต้องได้รับการกระตุ้นจาก HCl เป็น Pepsin ซึ่งเป็น Activated Enzyme

STOMACH

Pyloric Sphincter (หูรูดกระเพาะอาหารกับล้าไส้เล็ก ) ในกระเพาะจะมีลักษณะเหลวๆเรียกว่า Chyme ในกระเพาะอาหารอาจพบการ

ดูดซึมสารจําพวก แอลกอฮอล์และยาบางชนิด สารอาหารที่ไม่ถูกดูดซึมจะส่งต่อให้ลําไส้เล็กผ่านหูรูดข้างต้น

Cardiac Sphincter (หูรูดกระเพาะอาหารกับหลอดอาหาร ) Gastrin เป็นฮอร์โมนที่สร้างจากเซลล์ในกระเพาะอาหาร ทําหน้าที่กระตุ้นให้

Parirtal Cell หลั่ง HCl ออกมาซึ่งจะหลั่งเมื่อมีการนึกถึงอาหาร ได้รับกลิ่น หรือ เมื่ออาหารผ่านหูรูดข้างต้น

STOMACH

Mechanical Digestion การบีบตัวของกระเพาะอาหาร

Chemical Digestion การทํางานของ pepsin

STOMACH

Small Intestine (ล้าไส้เล็ก) โครงสร้างภายนอกแบ่งเป็น 3 ส่วน คือ

Duodenum: เป็นบริเวณที่มีสารเคมีหลายชนิด เช่น - Pancreatic Juice จากตับอ่อน - Bile (น้้าดี) สร้างจากตับ หลั่งออกมาจากถุงน้ําดี - Intestinal Juice จากผนังดูโอดีนัม

Jejunum: ส่วนที่มีการดูดซึมอาหารมากที่สุด

Ileum: ปลายสุดของ Ileum ต่อกับลําไส้ใหญ่มีขนาดเล็กและยาวที่สุด

SMALL INTESTINE

SMALL INTESTINE

Liver (ตับ) : สร้าง Bile (น้้าดี)

Bile (น้้าดี) Bile Salt (เกลือน้ําดี: มีองค์ประกอบ

ของ Cholesterol)

Bilirubin (รงควัตถุจากการแตกตัวของRBC ทําให้อุจจาระมีสีเขียวปนเหลือง)

LIVER

PANCREAS

Pancreas (ตับอ่อน) โดยการหลั่งสารได้แก่ น้ํา

HCO3- (ช่วยลดความเป็นกรดของ Chyme จากกระเพาะอาหาร)

Amylase

Lipase

Proenzyme ที่ในการย่อย protein คือ Trypsinogen

Chymotrypsinogen

Procarboxypeptidase

Small Intestine : ที่ผนัง duodenum สร้างสาร ได้แก่

Aminopeptidase (ย่อยโปรตีนจากฝั่ง N-terminal)

Lipase (ย่อยลิพิด)

Disaccharase (ย่อยน้ําตาลโมเลกุลคู่)

Enterokinase (กระตุ้นการทํางานของ trypsin)

SMALL INTESTINE

SMALL INTESTINE

SMALL INTESTINE

Mechanical Digestion

Peristalsis

Segmentation

การทํางานของน้ําดี

SMALL INTESTINE

SMALL INTESTINE

Chemical Digestion การทํางานของ enzyme ต่างๆ ดังนี้

Substrate Enzyme Secreted From Organs Product

Starch amylase Pancreas Maltose, Oligosaccharide

Glycogen amylase Pancreas Maltose, Oligosaccharide

Maltose maltase Small Intestine 2 Glucose

Sucrose sucrase Small Intestine Glucose + Fructose

Lactose lactase Small Intestine Glucose + Galactose

enzyme ที่ในการย่อย Carbohydrate อวัยวะที่สร้างและผลที่เกิดขึ้น

SMALL INTESTINE

Substrate Enzyme Secreted From Organs Product

Polypeptide trypsin Pancreas Peptide

chymotrypsin Pancreas Peptide

carboxypeptidase Pancreas Amino acid

(ย่อยจาก C-terminal)

aminopeptidase Small Intestine Amino acid

(ย่อยจาก N-terminal)

Tripeptide Tripeptidase Small Intestine Dipeptide + Amino acid

Dipeptide Dipeptidase Small Intestine 2 Aminoacid

enzyme ที่ในการย่อย Protein อวัยวะที่สร้างและผลที่เกิดขึ้น

SMALL INTESTINE

Substrate Enzyme Secreted From Organs Product

Triglycerid Lipase Pancreas and

Small Intestine

Glycerol + 3 Fatty Acid

enzyme ที่ในการย่อย Lipid อวัยวะที่สร้างและผลที่เกิดขึ้น

SMALL INTESTINE

LARGE INTESTINE

Large Intestine (ล้าไส้ใหญ่) : มีหน้าที่

ดูดน้ํา

ดูดเกลือน้ําดีและแร่ธาตุกลับเข้าสู่ร่างกาย

ดูดซึมสารอาหารที่หลงเหลือ

เป็นที่อยู่ของจุลินทรีย์แบคทีเรียที่ช่วยสังเคราะห์

vitamin B12,

vitamin K

folate

biotin

LARGE INTESTINE

ANUS

ANUS

ปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อการทํางานของ enzyme?

Enzyme ที่ เกี่ยวข้องกับการย่อยสารใด ที่มักสร้างในรูปของ proenzymeก่อน และเหตุใดจึงต้องสร้างในรูปดังกล่าว ?

จากที่ เรียนมา จงแยกแยะว่าสิ่งมีชีวิตต่อไปนี้ จัดเป็นสิ่งมีชีวิตพวกใด ? A : มี Branched Incomplete Digestive Tract

B : เป็นสัตว์ที่ไม่มีทางเดินอาหาร

C : สัตว์ที่มีกึ๋น

QUIZ

15 OCT 2013

Biology M.4 Sci -acces#14

CELLULAR RESPIRATION BY : PERMKUN PERMSIRIVISARN

[P’ CAN] SCBI#2

Energy and Cell Stabilization

ATP (Adenosine triphosphate)

Phosphorylation: Production of ATP

Mitochondria: The Power House of Cell

Cellular Respiration

Aerobic Cellular Respiration

Anaerobic Cellular Respiration

Fat and Protein Catabolic Pathway

OUTLINE

ENERGY AND CELL STABILIZATION

ATP

ATP

Substrate-level Phosphorylation : ปฎิกิริยาเกิดด้วยพลังงานของสารตั้งต้น Oxidative Phosphorylation : ปฏิกิริยาเกิดควบคู่กับการถ่ายทอด e- Photophosphorylation : ปฏิกิริยาเกิดขึ้นโดยการกระตุ้นจากแสง *****ในการหายใจระดับเซลล์กระบวนการ Phosphorylation จะพบในประเภทที่1 และ 2

PHOSPHORYLATION

PHOSPHORYLATION

Substrate-level Phosphorylation

THE POWERHOUSE OF CELL

การสลายพันธะโควาเลนท์ ของโมเลกุลกลูโคส จะทําให้เกิด e - อิสระในปฏิกิริยา ซึ่ง e - เหล่านี้มีพลังงานสูง จะถูกรับด้วย Oxidizing Agent คือ NAD+ และ FAD กลายเป็น Reducing Agent ที่มีพลังงานสูงคือ NADH และ FADH2 ตามลําดับ

AEROBICS RESPIRATION

AEROBICS RESPIRATION

NAD+ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide)

: มี niacin (B3) เป็นองค์ประกอบ

NAD+ + 2e - + H+ --------> NADH

NAD+/NADH

FAD (Flavin Adenine Dinucleotide)

: มี riboflavin (B2) เป็นองค์ประกอบ FAD + 2e - + 2H+ --------> FADH2

FAD/FADH2

Aerobics Respiration แบ่งเป็น 4 ขั้นตอน

Glycolysis

Acetyl CoA Production

Krebs Cycle

Electrons Transport System

AEROBICS RESPIRATION

AEROBICS RESPIRATION

เกิดขึ้นที่ Cytosol

จาก 1 Glucose จะได้ 2 pyruvic acid

2 NADH

2 ATP

GLYCOLYSIS

GLYCOLYSIS

ACETYL COA PRODUCTION

เกิดขึ้นที่ Matrix

จาก 1 Glucose จะได้ 2 acetyl CoA

2 NADH

2 CO2

ACETYL COA PRODUCTION

Citric Acid Cycle Tricarboxylic Acid Cycle (TCA cycle)

เกิดขึ้นที่ Matrix

จาก 1 Glucose จะได้

2 ATP 6 NADH 2 FADH2 4 CO2

KREBS CYCLE

KREBS CYCLE

KREBS CYCLE

เกิดขึ้นที่ Inner membrane of mitochondria

จาก 1 Glucose จะได้ 32-34 ATP

12 H2O

ETS

Oxidizing Agent (NAD+ และ FAD)

: ตัวรับอิเล็กตรอน พร้อมโปรตอน

Reducing Agent (NADH และ FADH2)

: ตัวพาอิเล็กตรอน พร้อมโปรตอน NADH ถ่ายทอด e- ให้ 3 ATP

FADH2 ถ่ายทอด e- ให้ 2 ATP

Protein Complex

: โปรตีนที่เยื่อหุ้มชั้นใน mitochondria รับเฉพาะอิเล็กตรอน ไม่รับโปรตอน

เช่น Cytochrome

ETS

http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio 231/etc.html

ETS

ATP สุทธิที่ ได้จากการสลาย glucose 1 โมเลกุล ความแตกต่างของ ATP ที่เกิดขึ้น (36 หรือ 38 ATP) สืบเนื่องมาจาก 2 NADH ที่ เกิดขึ้นระหว่าง glycolysis ไม่สามารถผ่าน mitochondrial membrane ได้ จึงส่งผ่านe - ผ่านระบบลําเลียงที่ต่างกันตามอวัยวะ กล่าวคือ

ในเซลล์หัวใจ ตับ ไต จะส่ง e- ให้2 NADH ใน mitochondria ได้เป็น 6 ATP แต่

ในอวัยวะอื่นเช่น สมอง และกล้ามเนื้อลายจะมี FADH2 มารับe- ได้เป็น 4 ATP

จึงเป็นที่มาของความแตกต่างในปริมาณ ATP ที่สังเคราห์ได้

ATP OUTCOME

CONCLUSION OF CHO METABOLISM

s

GLYCOLYSIS

ACTYL COA PRODUCTION

& KREBS CYCLE

1 glucose = 2 pyruvate

s

ELECTRON TRANSPORT SYSTEM

SUMMARY

Reaction Substrate-level

Phosphorylation

Oxidative Phosphorylation CO2 Production

Reducing Agent ATP

Glycolysis 2 ATP 2 NADH 6 ATP (ตับ,ไต,หัวใจ)

- 4 ATP (สมอง, กล้าม)

Acety CoA

Production - 2 NADH 6 ATP 2 CO2

Krebs Cycle 2 ATP 6 NADH 18 ATP

4 CO2 2 FADH2 4 ATP

Total 36 or 38 ATP 6 CO2

ใน Prokaryotes การถ่ายทอด e - เกิดขึ้นที่ mesosome ใน Prokaryotes หลายชนิดใช้ตัวรับ e - ที่ไม่ใช่ O2 เช่น NO3 - SO42- เป็นต้น เรียกสิ่งมีชีวิตพวกนี้ว่า Anaerobes

สิ่งมีชีวิตทั้ง Prokaryotes และ Eukaryotes ที่หายใจแบบใช้ O2 ในภาวะที่ O2 ไม่เพียงพอ การถ่ายทอด e - จะชะงักลลง แต่เซลล์ยังคงต้องการพลังงานอยู่ จึงเกิดกระบวนกานที่ เรียกว่า Fermentation (การหมัก)

ANAEROBIC RESPIRATION

พบในแบคทีเรีย ยีสต์ เมล็ดพืช pyruvic acid (C-3) ที่ได้จะเปลี่ยนเป็น acetaldehyde (C-2) และปลดปล่อย CO2 ออกมา เกิดการหมักโดย acetaldehyde รับ e - และ H+ จาก NADH กลายเป็น ethanol(C-2) เพื่อนํา NAD+ ไป recycle ใช้ในglycolysis ต่อไป

ALCOHOL FERMENTATION

พบในแบคทีเรีย พยาธิตัวตืด กล้ามเนื้อลาย pyruvic acid (C-3) รับ e - และ H+ จาก NADH กลายเป็น lactic acid (C-3:C3H6O3) เพื่อนํา NAD+ ไป recycle ใช้ในglycolysis ต่อไป ในร่างกายคนเรา lactic acid ที่สะสมทําให้เมื่อยล้า เป็นตะคริว ทั้งนี้ตับจะทํางานเปลี่ยน lactic acid เพื่อนํามาย่อยสลายแบบใช้ออกซิเจน

LACTIC ACID FERMENTATION

Fatty Acid : ตัดโซ่คาร์บอนที่ละ 2 atom เรียกกระบวนการนี้ว่า β-oxidation สารเหล่านี้จะรวมตัวกับโคเอ็นไซม์ A กลายเป็น acetyl CoA

Glycerol จะเปลี่ยนเป็นสารตัวใดตัวหนึ่งใน glycolysis

FAT CATABOLIC PATHWAYS

Amino acid

: จะถูกเปลี่ยนเป็น pyruvic acid เป็น acetyl CoA หรือเปลี่ยนเป็นสารตัวใดตัวหนึ่งในวัฎจักรเครปส์

**จะต้องมีการแยกหรือดึงหมู่อะมิโน(NH2-)ออกจากโมเลกุลของกรดอะมิโนก่อนเสมอ! Deamination

Transamination

หมู่กรดอะมิโนที่หลุดออกมานี้จะกลายเป็นแอมโมเนีย (NH3-) ร่างกายจะขับออกในปัสสาวะในรูปของ Urea

PROTEIN CATABOLIC PATHWAYS

CATABOLIC PATHWAY

ในการสลาย glucose ให้ได้มาซึ่งพลังงานในรูปของ ATP เกิดผ่าน substrate-level phosphorylation และ oxidative phosphorylation ในอัตราส่วนต่อกันเท่าใด?

ความสําคัญของการหมัก Fermentation คืออะไร?

ร่างกายคนเราเลือกที่จะสลายสารอาหารกลุ่มใด ตามลําดับ?

QUIZ

THANK YOU