เมตาบอลิ�ซึม (Metabolism)เมตาบอลิ�ซึม (Metabolism) หมายถึงปฏิ�กิ�ริ�ยาเคม�ต�างๆ ที่��เกิ�ดขึ้�นภายในเซึลิลิ

โดยม�เอนไซึม (enzyme ) เป#นต$วเริ�ง เพื่'�อที่��จะน*าเอาพื่ลิ$งงานแลิะสาริปริะกิอบคาริ บอนจากิส��งแวดลิ-อมมาใช้-ส$งเคริาะห ส�วนปริะกิอบต�างๆขึ้องเซึลิลิ เพื่'�อกิ�อให-เกิ�ดกิาริเต�บโต กิาริแบ�งเซึลิลิ ตลิอดจนกิาริเคลิ'�อนไหวแลิะกิาริขึ้$บถึ�ายขึ้องเส�ยออกิจากิเซึลิลิ

บที่ที่�� 2 กิาริสริ-างพื่ลิ$งงาน

ภาพที่�� 1 แสดงแผนผ�งกระบวนเมตาบอลิ�ซึ�มโดยรวมในส��งม�ชี�ว�ต(โปรดขยายเพ"�อด#รายลิะเอ�ยด)

ส��งม�ช้�ว�ตต�างๆ ม�ปฏิ�กิ�ริ�ยาเคม�ในกิริะบวนกิาริเมตาบอลิ�ซึ'มคลิ-ายคลิงกิ$น จะต�างกิ$นกิ/ที่'�แหลิ�งพื่ลิ$งงานแลิะคาริ บอน สามาริถึจ*าแนกิได-ด$งน��

ปริะเภที่ คาริ บอน พื่ลิ$งงาน ต$วอย�างโฟโตลิ�โธโที่ริพื่ CO2 แสงแดด พื่'ช้แลิะแบคที่�เริ�ยส$งเคริาะห แสงโฟโตออริ แกิโนโที่ริพื่ สาริอ�นที่ริ�ย แสงแดด Non-sulfer purple bacteriaเคโมลิ�โธโที่ริพื่ CO2 ออกิซึ�โดริ�ด$กิช้$น แบคที่�เริ�ยที่��ใช้-ไฮโดริเจนกิ*ามะถึ$นแลิะเหลิ/กิเคโมออริ แกิโนโที่ริพื่ สาริอ�นที่ริ�ย ออกิซึ�โดริ�ด$กิช้$น ส$ตว แลิะแบคที่�เริ�ยที่$�วไป

ตาริางที่��1 กิาริแบ�งปริะเภที่ขึ้องส��งม�ช้�ว�ตตามแหลิ�งขึ้องพื่ลิ$งงานแลิะคาริ บอน

คะตาบอลิ�ซึมแลิะอะนาบอลิ�ซึม (Catabolism and Anabolism)

เมตาบอลิ�ซึมอาจแบ�งได-เป#นสองช้น�ด ค'อ

1. คะตาบอลิ�ซึม (catabolism) เป$นกระบวนการเปลิ��ยนแปลิงโมเลิก%ลิใหญ่(ๆ

2 . อะนาบอลิ�ซึม (anabolism) เป$นกระบวนการส�งเคราะห+โมเลิก%ลิที่��ค(อนข,างใหญ่(จากโมเลิก%ลิเลิ.กๆ

ที่�/งสองกระบวนการน�/ประกอบด,วยปฏิ�ก�ร�ยาเคม�ที่��ม�เอนไซึม+หลิายชีน�ดเป$นต�วเร(งต(อเน"�องก�น

แต(ที่�/งสองปฏิ�ก�ร�ยาไม(ได,เก�ดข�/นโดยการที่วนว�ถี�ปฏิ�ก�ร�ยา (reaction path) ก�นแลิะก�น

ภาพื่ที่�� 2 แสดงว$ฎจ$กิริขึ้องกิริะบวนกิาริเมตาบอลิ�ซึมกิาริสลิายโมเลิกิ4ลิใหญ่�โดยกิริะบวนกิาริคะตาบอลิ�ซึมให- เป#นโมเลิกิ4ลิเลิ/กิ น$�นจะกิ�อให-เกิ�ดพื่ลิ$งงาน แลิะริ�ด�วซึ��งอ�คว�วาเลินซึ (reducing equivalence)

ซึ�งจะถึ6กิน*าไปใช้-ในกิาริส$งเคริาะห โมเลิกิ4ลิเลิ/กิๆ โดยกิริะบวนกิาริอะนาบอลิ�ซึม

ว$ฎจ$กิริพื่ลิ$งงาน (Energy Cycle)

ภาพื่ที่�� 3 แสดงโคริงสริ-างขึ้องสาริพื่ลิ$งงาน ATPพื่ลิ$งงานที่��เกิ�ดจากิคะตาบอลิ�ซึมน$�น ส�วนใหญ่�อย6�ในริ6ปขึ้อง พื่ลิ$งงานเคม�ในสาริปริะกิอบ ATP อะด�โนซึ�นไที่ริฟอสเฟต (adenosine tripho

sphate หริ'อ ATP)

ATP ADP+Pi

X + Y X-Y

พลิ�งงาน

ภาพื่ที่�� 4 แสดงกิาริสริ-างพื่$นธะใหม�จากิสาริพื่ลิ$งงาน ATP ATP ที่*าหน-าที่��เป#นต$วกิลิางในกิาริน*าเอาพื่ลิ$งงาน จากิที่��หน�ง ไปใช้-ย$งอ�กิที่��หน�ง พื่ลิ$งงานจากิสาริน��จะถึ6กิน*าไปใช้-สริ-างพื่$นธะใหม�ในกิาริเช้'�อม โมเลิกิ4ลิเลิ/กิๆ สองต$ว เช้�น X แลิะ Y ให-กิลิายเป#นโมเลิกิ4ลิใหญ่� -X Y

ว$ฎจ$กิริริ�ด�วซึ��งอ�คว�วาเลินซึ (Reducing Equivalence Cycle) ปฏิ�ก�ร�ยาหลิายอย(างที่��เก�ดข�/นในเมตาบอลิ�ซึ�มเป$นประเภที่ออกซึ�โดร�ด�กชี�น (oxido-reduction) สารเคม�ที่��ใชี,ก�บปฏิ�ก�ร�ยาเหลิ(าน�/ม�หลิายชีน�ด ส(วนมากเป$นอน%พ�นธุ์%+ของว�ตาม�นที่��ลิะลิายน4/าได,เชี(น NAD+ แลิะ NADP

NADP+ NADPH

คะตาบอลิ�ซึม

อะนาบอลิ�ซึม

ภาพื่ที่�� 5 แสดงว$ฎจ$กิริขึ้อง NADP+ แลิะ NADPH

NAD+ NADHคะตาบอลิ�ซึม

ออกิซึ�เดต�ฟฟอสโฟริ�เลิช้$นATP + H2O ADP+Pi+O2

ในปฏิ�ก�ร�ยาคะตาบอลิ�ซึ�ม NAD+ แลิะ NADP+ จะถี#กร�ด�วซึ+ให,กลิายเป$น NADH แลิะ NADPH ตามลิ4าด�บแลิะจะถี#กออกซึ�ไดซึ+ให,กลิ�บเป$น NADP+ แลิะ NAD+ ในกระบวนการอะนาบอลิ�ซึ�ม

ภาพที่�� 6 แสดงว�ฎจ�กรของ NAD+ แลิะ NADH

ว�ถึ�เมตาบอลิ�ซึม (Metabolic Pathway)

ปฏิ�กิ�ริ�ยาต�างๆ ในกิริะบวนกิาริคะตาบอลิ�ซึมพื่อจะแบ�งได- 3 ตอนใหญ่�ๆ

ตอนที่�� 1 สาริโมเลิกิ4ลิใหญ่�จะถึ6กิที่*าให-กิลิายเป#นโมเลิกิ4ลิหน�วยโคริงสริ-าง (building unit)

ตอนที่�� 2 โมเลิกิ4ลิหน�วยโคริงสริ-างจะกิลิายเป#นโมเลิกิ4ลิเลิ/กิๆ

ตอนที่�� 3 จะให-พื่ลิ$งงาน (ATP) แลิะริ�ด�วซึ��งอ�คว�วาเลินซึ (NADH)

โมเลิกิ4ลิใหญ่� หน�วยโคริงสริ-าง โมเลิกิ4ลิเลิ/กิ ผลิตอนที่��1 ตอนที่��2 ตอนที่��3

โปริต�น เพื่/นโตส oxaloacetate NADH

คาริ โบไฮเดริต เฮ/กิโซึส acetyl CoA ATP

ไขึ้ม$น กิริดอะม�โน alfa-ketoglutarate CO2

กิริดไขึ้ม$น succinate NH3

กิลิ�เซึอริอลิ fumarate Urea

ภาพื่ที่�� 7 แสดง ปฏิ�กิ�ริ�ยาต�างๆ ในกิริะบวนกิาริคะตาบอลิ�ซึม

กิาริควบค4มเมตาบอลิ�ซึม (Metabolism Regulation)

ว�ถี�เมตาบอลิ�ซึ�มประกอบด,วยการส�งเคราะห+ แลิะการที่4าลิาย สารหลิายประเภที่

เพ"�อไม(ให,ม�การส�งเคราะห+สารประเภที่ใดประเภที่หน��งจนเก�น ควรจ�งต,องม�การควบค%มปฏิ�ก�ร�ยา

ซึ��งที่4าได, 2 ว�ธุ์�ค"อ1. กิาริควบค4มอ$ตริาเริ/วขึ้องกิาริเริ�ง (catalytic rate) ด,วยสารควบค%ม (regulator) ว�ธุ์�น�/ เร�ยกว(าการควบค%มระด�บเอนไซึม+ (enzyme control) 2. กิาริควบค4มปริ�มาณขึ้องเอนไซึม น��นค"อการควบค%มการ

สร,างเอนไซึม+จากย�น (gene) ว�ธุ์�น�/เร�ยกว(าการควบค%มระด�บพ�นธุ์%กรรม (genetic control)

ว�ธ�กิาริที่ดลิองในกิาริศึกิษาเมตาบอลิ�ซึม (Experiment in Metabolism Study)

(1 ). กิาริใช้-ไอโซึโที่ริปเป#นต$วตามริอย (isotropic tracer)

2 กิาริใช้-ต$วย$บย$�ง (inhibitor)

(3) . กิาริใช้-ขึ้-อบกิพื่ริ�องที่างพื่$นธ4 กิริริม (genetic defect)

เมตาบอลิ�ซึมขึ้องคาริ โบไฮเดริต (Metabolism of Carbohydrate)

กิริะบวนกิาริเผาผลิาญ่คาริ โบไฮเดริตอาจแบ�งได-สองตอนค'อ

1. กิริะบวนกิาริหายใจ (aerobic respiration)

3. กิริะบวนกิาริหม$กิ (fermentation)

2. กิริะบวนกิาริหายใจแบบไม�ใช้-ออกิซึ�เจน (anaerobic respiration)

ภาพื่ที่�� 7 แสดงว�ถึ� ต�างๆ ในกิริะบวนกิาริคะตาบอลิ�ซึมขึ้องคาริ โบไฮเดริต

กิาริหายใจแบบใช้-ออกิซึ�เจน

เป$นการเปลิ��ยนแปลิงสารอาหารโดยเฉพาะกลิ#โคส ให,เป$นคาร+บอนไดออกไซึด+แลิะน4/า ซึ��งจะให,พลิ�งงานเก�ดข�/นมาก กระบวนการหายใจน�/จะเก�ดข�/น 3 ข�/นตอนด,วยก�น ค"อ

1. ไกิลิโคไลิซึ�ส (( ((((((((( หริ'อ -( ((((((( ((((( ((()

ปฏิ�ก�ร�ยารวมเป$นด�งน�/

C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi - - - - > 2CH3COCOOH + 2 NADH2 + 2ATP

ภาพื่ที่�� 8 แสดงว�ถึ�ไกิลิโคไลิซึ�ส

2. ว$ฏิจ$กิริเคริปส (Krebs cycle หริ'อ ((((((((((((( (((( ((((( หริ'อ (((( (((((()

ปฏิ�ก�ร�ยารวมเป$นด�งน�/

- - - - - 2 2 2pyruvic acid > acetyl CoA + NADH2

2+CO2

- - - - - 2 4acetyl CoA > CO2

6+ NADH2

2+ FADH2

2+ GTP

เป$นปฏิ�ก�ร�ยาที่��เก�ดต(อเน"�องก�นเพ"�อให,ได,พลิ�งงาน ATP, NADH2 แลิะ FADH2 แลิะได,สารต�วกลิาง (intermediate) หลิายชีน�ด ซึ��งปฏิ�ก�ร�ยาจะแบ(งเป$น 2 ตอน

ภาพื่ที่�� 9 แสดงว$ฎจ$กิริกิริดซึ�ตริ�คหริ'อว$ฎจ$กิริเคริบส

3. กิริะบวนกิาริขึ้นส�งอ�เลิ/กิตริอน (Electron transport system, ETS)หริ'อลิ6กิโซึ�กิาริหายใจ (respiratory chain) หริ'อริะบบไซึโตโคริม (cytochrome system)

เป$นปฏิ�ก�ร�ยาออกซึ�เดชี�น-ร�ด�กชี�น ที่��เก�ดข�/นเป$นลิ#กโซึ(อย(างต(อเน"�อง การสร,างพลิ�งงานที่��เก�ดจากปฏิ�ก�ร�ยาออกซึ�เดชี�น-ร�ด�กชี�นน�/นเร�ยกว(า ออกซึ�เดต�ฟฟอสโฟร�เลิชี�น

(oxidative phosphorylation) หร"ออ�เลิ.กตรอนที่รานสปอร+ตฟอสโฟร�เลิชี�น (electron transport phosphorylation)

ภาพื่ที่�� 10 แสดงกิริะบวนกิาริขึ้นส�งอ�เลิ/กิตริอน

กิาริหายใจแบบไม�ใช้-ออกิซึ�เจน

เป$นการเปลิ��ยนแปลิงให,เก�ดพลิ�งงาน โดยใชี,สารอน�นที่ร�ย+อ"�น ๆ เป$นต�วร�บอ�เลิ.กตรอน หร"ออ�เลิ.กตรอนต�วส%ดที่,ายแที่นออกซึ�เจน ได,แก( NO

3

- , NO2

- , SO4

-2 , fumarate เป$นต,น

1. การร�ด�วซึ+ไนเตรต (Nitrate reduction) หร"อด�ไนตร�ฟ9เคชี�น (denitrification)

2. การร�ด�วซึ+ซึ�ลิเฟต (sulfate reduction)

SO42- + 8e- + 8H+ H2S + 2H2O + 2OH-

3 . การร�ด�วซึ+คาร+บอนไดออกไซึด+ (CO2

reduction)

เฮกิโซึสมอโนฟอสเฟตช้$นต (hexose monophosphate shunt)

น4/าตาลิกลิ#โคสนอกจากจะสลิายโดยผ(านกระบวนการไกลิโคลิ�ซึ�สแลิ,ว ย�งอาจสลิายผ(านกระบวนการ เฮกโซึสมอโนฟอสเฟตชี�นต+ (hexose monophosphate shunt)หร"อฟอสโฟกลิ#โคเนตชี�นต+ (phosphogluconate shunt) หร"อเพนโที่สฟอสเฟตแพที่เวย+

(pentose phosphate pathway) ส4าหร�บพลิ�งงานที่��ได,จากการสลิายกลิ#โคสด,วยว�ธุ์�น�/จะได,เป$น NADPH

ภาพื่ที่�� 11 แสดงว�ถึ�เฮกิโซึสมอโนฟอสเฟตช้$นต

กิริะบวนกิาริหม$กิ

แบ�งออกิเป#น 2 แบบ ตามช้น�ดขึ้องผลิผลิ�ตที่��เกิ�ดขึ้�น ค'อ

1. โฮโมเฟอร+เมนเตชี�น (Homofermentation) เป$นการหม�กที่��ได,ผลิผลิ�ตเพ�ยงชีน�ดเด�ยว เป$นส(วนใหญ่( 2. เฮเที่อโรเฟอร+เมนเตชี�น (Heterofermentation) หร"อม�กซึ+แอซึ�ดเฟอร+เมนเตชี�น

(Mixed acid fermentation) เป$นการหม�กที่��ได,ผลิผลิ�ตหลิายชีน�ด

ภาพื่ที่�� 12 แสดงกิริะบวนกิาริหม$กิแบบโฮโมเฟอริ เมนเตช้$น

ภาพื่ที่�� 13 แสดงกิริะบวนกิาริหม$กิแบบเฮเที่อโริเฟอริ เมนเตช้$น

เมตาบอลิ�ซึมขึ้องไขึ้ม$น (Metabolism of Lipid) กรดไขม�น (fatty acid) เป$นพลิ�งงานที่��ส4าค�ญ่ของเซึลิลิ+อ�กชีน�ดหน��ที่��สะสมไว,ในเซึลิลิ+ ม�กอย#(ในร#ปไตรกลิ�เซึอไรด+ (triglyceride) แลิะฟอสโฟกลิ�เซึอไรด+ (phosphogylceride)

คะตาบอลิ�ซึมขึ้องกิริดไขึ้ม$น (Fatty Acid Catabolism)

คะตาบอลิ�ซึ�มของไขม�นจ�งประกอบด,วย

(1) การกระต%,นกรดไขม�น

(2) การน4ากรดไขม�นผ(านเข,าไปในไมโตคอนเดร�ย

(3) การเผาผลิาญ่กรดไขม�นในไมโตคอนเดร�ย

ภาพื่ที่�� 14 แสดงกิริะบวนกิาริกิริะต4-นกิริดไขึ้ม$น

ภาพื่ที่�� 15 แสดงกิริะบวนกิาริน*ากิริดไขึ้ม$นผ�านเขึ้-าส6�ไมโตคอนเดริ�ย

(3) โดยปฏิ�ก�ร�ยาบ�ต,า-ออกซึ�เดชี�น -(beta oxidation)

ภาพื่ที่�� 16 แสดงกิริะบวนกิาริกิาริเผาผลิาญ่กิริดไขึ้ม$นในไมโตคอนเดริ�ยโดยกิาริ เกิ�ดปฏิ�กิ�ริ�ยา บ�ต-า- ออกิซึ�เดช้$น

ภาพื่ที่�� 17 แสดงกิริะบวนเกิาริผาผลิาญ่ไขึ้ม$นโดยกิาริเกิ�ดปฏิ�กิ�ริ�ยา บ�ต-า- ออกิซึ�เดช้$น

ภาพื่ที่�� 18 แสดงกิฏิ�กิ�ริ�ยาในกิาริส$งเคริาะห กิริดไขึ้ม$น

ภาพื่ที่�� 19 แสดงกิริะบวนกิาริส$งเคริาะห กิริดไขึ้ม$น

ภาพื่ที่�� 20 แสดงเมตาบอลิ�ซึมโดยริวมขึ้องกิริดอะม�โน

ภาพื่ที่�� 21 แสดงคะตาบอลิ�ซึมขึ้องกิริดอะม�โน

ปฏิ�กิ�ริ�ยาที่��ใช้-กิ*าจ$ดหม6�อ$ลิฟาอะม�โน จากิกิริดอะม�โนอาจแบ�งได-เป#น 2ส�วนค'อ

1. Transamination ซึ��งเปลิ��ยนเอาหม#(อ�ลิฟาอะม�โนของกรดอะม�โนที่�/ง 20 ต�วมาเป$น หม#(อ�ลิฟาอะม�โนของกลิ#ตาเมที่ (glutamate) อะลิาน�น (alanin) แลิะแอสปาร+เตที่ (aspartate)

Amino acid + enzyme - -alpha keto acid + enzyme NH3

- -alpha ketoglutarate + enzyme NH3

enzyme + glutamate

ภาพื่ที่�� 22 แสดงปฏิ�กิ�ริ�ยาขึ้องเอนไซึม Glutamate dehydrogenase ในกิาริกิ*าจ$กิหม6�อ$ลิฟาอะม�โน

ขึ้องกิลิ6ตาเมที่ให-เป#นแอมโมเน�ย

กิาริกิ*าจ$ดแอมโมเน�ยแอมโมเน�ยที่��เก�ดข�/นจากคะตาบอลิ�ซึ�มของกรดอะม�โนต(างๆ อาจถี#กน4าไปใชี,ในการส�งเคราะห+กรดอะม�โนได,อ�ก โดยใชี,ปฏิ�ก�ร�ยาของ glutamate dehuydrogenase ที่��ม� NAD+ เป$นโคเอนไซึม+แอมโมเน�ยที่��เหลิ"อจะถี#กข�บถี(ายออกมาในร#ปแอมโมเน�ย , ย#เร�ย (urea) หร"อกรดย#ร�ค (uric acid)

ภาพื่ที่�� 23 แสดงโคริงสริ-างขึ้อง แอมโมเน�ย , ย6เริ�ย (urea) แลิะกิริดย6ริ�ค (uric acid)

ภาพื่ที่�� 23 แสดงว$ฎจ$กิริย6เริ�ยส$ตว บกิที่��ม�กิริะด6กิส$นหลิ$งขึ้$บต-องถึ�ายแอมโมเน�ยในริ6ปขึ้องย6เริ�ย

ซึ�งจะม�ว$ฎจ$กิริด$งน��

ภาพื่ที่�� 24 แสดงกิาริส$งเคริาะห กิริดอะม�โนสาริปริะกิอบที่��ใช้-ในกิาริส$งเคริาะห กิริดอะม�โนม$กิเป#นต$วกิลิาง ขึ้องว�ถึ�ไกิลิโคไลิซึ�สแลิะว$ฎจ$กิริเคริบส สาริปริะกิอบเหลิ�าน��ได-แกิ� 3-phosphogylcerate, phosphoenolpyrurate, pyruvate, alpha-ketoglutarat, oxaloacetate แลิะ ribose 5-phosphate