- ประเภทของปฏิกิริยาการเผาผลาญ
- แหล่งพลังงานจากการเผาผลาญ
- กระบวนการเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานเมตาบอลิซึม
- ออกซิเดชัน
- กำลังสแตนด์บาย
- อ้างอิง
การเผาผลาญพลังงานเป็นพลังงานที่สิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่ได้รับจากพลังงานเคมีที่มีอยู่ในอาหาร (หรือสารอาหาร) โดยพื้นฐานแล้วพลังงานนี้จะเหมือนกันสำหรับทุกเซลล์ อย่างไรก็ตามวิธีการได้มานั้นมีความหลากหลายมาก
อาหารประกอบด้วยชุดของชีวโมเลกุลหลายประเภทซึ่งมีพลังงานเคมีเก็บไว้ในพันธะ ด้วยวิธีนี้สิ่งมีชีวิตสามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานที่เก็บไว้ในอาหารแล้วนำพลังงานนี้ไปใช้ในกระบวนการเผาผลาญอื่น ๆ
สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการพลังงานในการเจริญเติบโตและสืบพันธุ์รักษาโครงสร้างและตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม การเผาผลาญครอบคลุมกระบวนการทางเคมีที่ดำรงชีวิตและช่วยให้สิ่งมีชีวิตเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานที่มีประโยชน์สำหรับเซลล์
ในสัตว์การเผาผลาญอาหารจะสลายคาร์โบไฮเดรตไขมันโปรตีนและกรดนิวคลีอิกเพื่อให้เป็นพลังงานเคมี พืชเปลี่ยนพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมีเพื่อสังเคราะห์โมเลกุลอื่น ๆ ในส่วนของพืช พวกเขาทำเช่นนี้ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
ประเภทของปฏิกิริยาการเผาผลาญ
การเผาผลาญประกอบด้วยปฏิกิริยาหลายประเภทซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทกว้าง ๆ ได้แก่ ปฏิกิริยาการย่อยสลายของโมเลกุลอินทรีย์และปฏิกิริยาการสังเคราะห์ของสารชีวโมเลกุลอื่น ๆ
ปฏิกิริยาการย่อยสลายของเมตาบอลิกเป็นการเร่งปฏิกิริยาของเซลล์ (หรือปฏิกิริยาแคตาบอลิก) สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการเกิดออกซิเดชั่นของโมเลกุลที่มีพลังงานสูงเช่นกลูโคสและน้ำตาลอื่น ๆ (คาร์โบไฮเดรต) เนื่องจากปฏิกิริยาเหล่านี้ปล่อยพลังงานออกมาจึงเรียกว่า exergonic
ในทางตรงกันข้ามปฏิกิริยาการสังเคราะห์จะสร้าง anabolism ของเซลล์ (หรือปฏิกิริยา anabolic) กระบวนการเหล่านี้ดำเนินการลดโมเลกุลเพื่อสร้างพลังงานที่เก็บไว้เช่นไกลโคเจน เนื่องจากปฏิกิริยาเหล่านี้ใช้พลังงานจึงเรียกว่า endergonic
แหล่งพลังงานจากการเผาผลาญ
แหล่งพลังงานหลักของการเผาผลาญคือโมเลกุลของกลูโคสและกรดไขมัน สิ่งเหล่านี้เป็นกลุ่มของสารชีวโมเลกุลที่สามารถออกซิไดซ์เป็นพลังงานได้อย่างรวดเร็ว
โมเลกุลของกลูโคสส่วนใหญ่มาจากคาร์โบไฮเดรตที่กินเข้าไปในอาหารเช่นข้าวขนมปังพาสต้าและอนุพันธ์อื่น ๆ ของผักที่อุดมไปด้วยแป้ง เมื่อมีน้ำตาลกลูโคสในเลือดเพียงเล็กน้อยก็สามารถได้รับจากโมเลกุลของไกลโคเจนที่เก็บไว้ในตับ
ในระหว่างการอดอาหารเป็นเวลานานหรือในกระบวนการที่ต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้นจำเป็นต้องได้รับพลังงานนี้จากกรดไขมันที่ระดมจากเนื้อเยื่อไขมัน
กรดไขมันเหล่านี้ผ่านปฏิกิริยาการเผาผลาญที่กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาและอนุญาตให้ขนส่งไปยังภายในไมโทคอนเดรียซึ่งจะถูกออกซิไดซ์ กระบวนการนี้เรียกว่าβ-oxidation ของกรดไขมันและให้พลังงานเพิ่มเติมได้ถึง 80% ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้
โปรตีนและไขมันเป็นแหล่งสำรองสุดท้ายในการสังเคราะห์โมเลกุลกลูโคสใหม่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ต้องอดอาหารมาก ปฏิกิริยานี้อยู่ในประเภท anabolic และเรียกว่า gluconeogenesis
กระบวนการเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานเมตาบอลิซึม
โมเลกุลของอาหารที่ซับซ้อนเช่นน้ำตาลไขมันและโปรตีนเป็นแหล่งพลังงานที่สมบูรณ์สำหรับเซลล์เนื่องจากพลังงานส่วนใหญ่ที่ใช้ในการสร้างโมเลกุลเหล่านี้จะถูกเก็บไว้ภายในพันธะเคมีที่ยึดไว้ด้วยกัน
นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในอาหารโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าบอมบ์แคลอริมิเตอร์ ด้วยเทคนิคนี้อาหารจะถูกวางไว้ในเครื่องวัดความร้อนและอุ่นจนไหม้ ความร้อนส่วนเกินที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณพลังงานที่มีอยู่ในอาหาร
ความจริงก็คือเซลล์ไม่ได้ทำหน้าที่เป็นเครื่องวัดความร้อน แทนที่จะเผาผลาญพลังงานในปฏิกิริยาใหญ่ ๆ เซลล์จะปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ในโมเลกุลของอาหารช้าๆผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชั่นหลายชุด
ออกซิเดชัน
ออกซิเดชันอธิบายถึงปฏิกิริยาเคมีประเภทหนึ่งที่อิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนจากโมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่งโดยเปลี่ยนองค์ประกอบและปริมาณพลังงานของโมเลกุลของผู้บริจาคและตัวรับ โมเลกุลในอาหารทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอน
ในระหว่างปฏิกิริยาออกซิเดชั่นแต่ละครั้งที่เกี่ยวข้องกับการสลายตัวของอาหารผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาจะมีปริมาณพลังงานต่ำกว่าโมเลกุลของผู้บริจาคที่นำหน้าบนเส้นทาง
ในขณะเดียวกันโมเลกุลของตัวรับอิเล็กตรอนจะจับพลังงานบางส่วนที่สูญเสียไปจากโมเลกุลของอาหารระหว่างปฏิกิริยาออกซิเดชั่นแต่ละครั้งและเก็บไว้เพื่อใช้ในภายหลัง
ในที่สุดเมื่ออะตอมของคาร์บอนในโมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อนถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ (ที่ส่วนท้ายของห่วงโซ่ปฏิกิริยา) สารเหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
เซลล์ไม่ใช้พลังงานจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่นทันทีที่ปล่อยออกมา สิ่งที่เกิดขึ้นคือพวกมันเปลี่ยนเป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่อุดมด้วยพลังงานเช่น ATP และ NADH ซึ่งสามารถใช้ได้ทั่วทั้งเซลล์เพื่อเพิ่มการเผาผลาญและสร้างส่วนประกอบของเซลล์ใหม่
กำลังสแตนด์บาย
เมื่อพลังงานมีมากเซลล์ยูคาริโอตจะสร้างโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นและอุดมด้วยพลังงานเพื่อกักเก็บพลังงานส่วนเกินนี้
น้ำตาลและไขมันที่เกิดขึ้นจะถูกกักไว้ในคราบสกปรกภายในเซลล์ซึ่งบางส่วนมีขนาดใหญ่พอที่จะมองเห็นได้บนบอร์ดอิเล็กตรอน
เซลล์สัตว์ยังสามารถสังเคราะห์พอลิเมอร์ของกลูโคส (ไกลโคเจน) แบบแยกแขนงซึ่งจะรวมตัวกันเป็นอนุภาคที่สามารถสังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน เซลล์สามารถเคลื่อนย้ายอนุภาคเหล่านี้ได้อย่างรวดเร็วเมื่อใดก็ตามที่ต้องการพลังงานอย่างรวดเร็ว
อย่างไรก็ตามภายใต้สถานการณ์ปกติมนุษย์เก็บสะสมไกลโคเจนไว้เพียงพอที่จะให้พลังงานที่คุ้มค่าในแต่ละวัน เซลล์พืชไม่สร้างไกลโคเจน แต่สร้างโพลีเมอร์กลูโคสที่แตกต่างกันที่เรียกว่าสตาร์ชซึ่งเก็บไว้ในแกรนูล
นอกจากนี้ทั้งเซลล์พืชและสัตว์ยังช่วยประหยัดพลังงานโดยการเปลี่ยนน้ำตาลกลูโคสในเส้นทางการสังเคราะห์ไขมัน ไขมันหนึ่งกรัมมีพลังงานเกือบหกเท่าของไกลโคเจนในปริมาณเท่ากัน แต่พลังงานจากไขมันมีให้เลือกน้อยกว่าไกลโคเจน
กลไกการจัดเก็บแต่ละอย่างมีความสำคัญเนื่องจากเซลล์ต้องการแหล่งเก็บพลังงานทั้งในระยะสั้นและระยะยาว
ไขมันจะถูกเก็บไว้ในหยดในไซโทพลาสซึมของเซลล์ โดยทั่วไปแล้วมนุษย์จะกักเก็บไขมันไว้เพียงพอที่จะให้พลังงานแก่เซลล์เป็นเวลาหลายสัปดาห์
อ้างอิง
- Alberts, B. , Johnson, A. , Lewis, J. , Morgan, D. , Raff, M. , Roberts, K. & Walter, P. (2014). อณูชีววิทยาของเซลล์ (6th ed.). การ์แลนด์วิทยาศาสตร์.
- Berg, J. , Tymoczko, J. , Gatto, G. & Strayer, L. (2015). ชีวเคมี (ฉบับที่ 8) WH Freeman และ บริษัท
- Campbell, N. & Reece, J. (2005). ชีววิทยา (2nd ed.) Pearson Education.
- Lodish, H. , Berk, A. , Kaiser, C. , Krieger, M. , Bretscher, A. , Ploegh, H. , Amon, A. & Martin, K. (2016) ชีววิทยาระดับโมเลกุล (ฉบับที่ 8). WH Freeman และ บริษัท
- Purves, W. , Sadava, D. , Orians, G. & Heller, H. (2004). ชีวิต: วิทยาศาสตร์ชีววิทยา (7th ed.) Sinauer Associates และ WH Freeman
- Solomon, E. , Berg, L. & Martin, D. (2004). ชีววิทยา (7th ed.) Cengage Learning.
- Voet, D. , Voet, J. & Pratt, C. (2016). พื้นฐานชีวเคมี: ชีวิตในระดับโมเลกุล (ฉบับที่ 5) ไวลีย์