ชีวเคมีพื้นฐานและน้ำตาลกลูโคสกับไกลโคไลซิส

          อะตอม (Atom) คือหน่วยพื้นฐานของธาตุ ไม่สามารถแบ่งแยกด้วยวิธีการใดๆ ธาตุทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมจำนวนมาก ซึ่งอะตอมเหล่านี้ประกอบด้วย อนุภาคโปรตอน (Proton) นิวตรอน (Neutron) และอิเล็กตรอน (Electron)

         โครงสร้างของอะตอมภายในประกอบด้วยนิวเคลียสและถูกล้อมรอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ภายในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน (Proton) ที่มีประจุบวกกับนิวตรอน (Neutron) ซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดอยู่กับนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสและจะอาศัยอยู่ในระดับชั้นของพลังงานที่แตกต่างกัน

ภาพอะตอมปกติอิเล็กตรอนจะมีพลังงานอยู่ใน สถานะพื้น (ground  state)  เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากภายนอกที่เหมาะสมจะขึ้นไปอยู่บนวงโคจรใหม่ตามระดับขั้นของพลังงาน เรียกว่า  สถานะกระตุ้น (excited  state)  ทันที    อิเล็กตรอนจะอยู่ในสถานะกระตุ้นไม่ได้และจะกระโดดกลับลงมาที่สถานะพื้น  โดยปล่อยควอนตัมของพลังงานออกมาที่มีความถี่และความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ  กัน
ที่มา: https://socratic.org/questions/1s2-2s2-2p4-3s1-is-the-electronic-configuration-of-1-ground-state-of-neon-2-grou

         การปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนมีตวามสำคัญต่อกระบวนการหายใจเป็นอย่างมากเนื่องจากสิ่งมีชีวิตได้รับพลังงานจากสารอาหารที่ให้พลังงานได้แก่ โปรตีน คาร์โบไฮเดรต และไขมัน ภายในโมเลกุลของสารอาหารเหล่านี้ประกอบด้วยอะตอมของธาตุหลัก (C H O) จับเรียงตัวกันด้วยพันธะโควาเลนต์ (พันธะที่เกิดจาการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันและจัดเป็นพันธะภายในโมเลกุลที่มีพลังงานสูง) เมื่อพันธะเคมีของโมเลกุลเกิดการสลายตัวส่งผลให้เกิด electron ที่มีพลังงานสูงหลุดออกมาและอยู่ในสภาวะถูกกระตุ้น ดังนั้นอิเล็กตรอนเหล่านี้เมื่อมีการคายพลังงานออกมาเพื่อกลับเข้าสู่สภาวะพื้นหรือ Ground state จะคายพลังงานออกมา พลังงานที่อิเล็กตรอนคายและปล่อยออกมาสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่นๆ ได้โดยเฉพาะพลังงานเอทีพี (ATP) ซึ่งจัดเป็น universal energy ของสิ่งมีชีวิต

         เราพบว่าขั้นตอนกระบวนการปล่อยพลังงานของ electron ภายในสิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการรับอิเล็กตรอน (Electron carrier) ได้แก่ NADH และ FADH₂ โดยองค์ประกอบของสารทั้งสองตัวประกอบด้วยวิตามิน B₃ และ B₂ ตามลำดับ  ซึ่งสารทั้งสองจัดเป็นตัวริดิวซ์ (Reducing agent) หรือตัวให้อิเล็กตรอน  NADH และ FADH₂ มีการส่งอิเล็กตรอนผ่านกลุ่มโปรตีนหรือที่เรียกว่า electron transport chain (ETC) ที่อยู่บริเวณเยื่อหุ้มชั้นใน (inner membrane) ของไมโทคอนเดรีย เมื่อ NADH และ FADH₂ เกิดการสูญเสียอิเล็กตรอน ตัวมันเองจะกลายเป็น NAD⁺ และ FAD ซึ่งอยู่ในรูปที่สามารับรับอิเล็กตรอนได้อีกครั้งหรือที่เรียกว่า ตัวรับอิเลกตรอน (Oxidizing agent)

          อิเล็กตรอนที่ผ่านกลุ่มโปรตีน ETC จะมีการส่งอิเล็กตรอนเป็นลำดับชั้นลดหลั่นลงมาตามระดับชั้นพลังงานของโปรตีนจนเมื่ออิเล็กตรอนส่งผ่านพลังงานมาจนถึงโปรตีนตัวสุดท้ายอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานต่ำก็จะถูกส่งให้ออกซิเจนซึ่งเป็น final electron acceptor หรือตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายให้ได้ผลผลิตเป็นน้ำเกิดขึ้น โดยหากอิเลกตรอนถูกส่งให้กับออกซิเจนจะจัดเป็นการหายใจแบบใช้ออกซิเจน (aerobic respiration) ซึ่งกระบวนการดังกล่าวมีข้อดีคือทำให้ได้ผลผลิตเป็น ATP จำนวนมาก แต่หากในสภาวะที่ออกซิเจนไม่เพียงพอ (anaerobic respiration) จำนวน ATP จะเกิดขึ้นได้น้อยแต่จะเกิดขึ้นได้ไวและจำนวนมาก

น้ำตาลกลูโคสกับกระบวนการไกลโคไลซิส (Glycolysis)

        ความสำคัญของกลูโคสกับกระบวนการไกลโคไลซิส

         สาเหตุหลักที่เราศึกษาการสลายน้ำตาลกลูโคสเนื่องจากน้ำตาลกลูโคสเป็นแหล่งพลังงานหลักของสิ่งมีชีวิต พืชสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมีในรูปของน้ำตาลกลูโคสไว้ใช้และเก็บสะสมไว้ในรูปของแป้งเพื่อเป็นพลังงานสำรอง สัตว์นำพลังงานที่พืชเก็บสำรองมาใช้สร้างพลังงานให้กับตัวเองและเก็บสะสมใว้ในรูปของไกลโคเจน (Glycogen) ที่ตับและกล้ามเนื้อ

         สมองของมนุษย์จะใช้พลังงานจากน้ำตาลกลูโคสเป็นแหล่งพลังงานหลักและปลอดภัย หากร่างกายขาดแคลนน้ำตาลกลูโคส สมองจะใช้พลังงานจากการสลายไขมันโดยกระบวนการ β-oxidation โดยกระบวนการดังกล่าวทำให้เกิดสาร Ketone bodies ส่งผลให้เลือดเกิดสภาวะเป็นกรด (Ketoacidosis) ซึ่งทำให้เกิดการเสียชีวิตตามมาได้ เพราะในสภาวะปกติเลือดจะมี pH ประมาณ 7.35-7.45 นอกจากนี้ระดับน้ำตาลกลูโคสเองยังเป็นตัวกำหนดความหิวให้กับร่างกายด้วย โดยในร่างกายมีกลไกควบคุมระดับน้ำตาลกลูโคสให้คงที่ (glucostatic mechanism) โดยบริเวณด้านข้างของไฮโพทาลามัสได้แก่ระบบประสาทส่วนกลางตรง หรือที่ศูนย์หิวมีตัวรับกลูโคส (glucoreceptor) ที่คอยตรวจระดับการเปลี่ยนแปลงของน้ำตาลกลูโคสในเลือด หากระดับของน้ำตาลกลูโคสมีความแตกต่างกันเล็กน้อยในเส้นเลือดแดงและเส้นเลือดดำ จะทำให้เกิดความหิว ดังนั้นเมื่อกินอาหารเข้าสู่ร่างกายโดยเฉพาะแป้ง และเกิดการย่อยสลายได้น้ำตาลกลูโคสซึ่งถูกดูดซึมผ่านเซลล์เยื่อบุผนังลำไส้เล็กเข้าสู่กระแสเลือดจะทำให้ระดับน้ำตาลกลูโคสในเส้นเลือดแดงแตกต่างจากเส้นเลือดดำมาก ซึ่งความแตกต่างทำให้ศูนย์หิวได้รับการกระตุ้นเกิดการอิ่มขึ้นมา ดังนั้นการทราบความสำคัญของกลูโคสจึงมีความสำคัญต่อการดูแลชีวิตให้ปราศจากโรคได้  

ภาพแสดงการเกิดเมทาบอลิซึมของกลูโคสที่เปลี่ยนไปในรูปแบบต่างๆ
ที่มา: https://en.wikipedia.org/wiki/Glucose

ผลผลิตของปฏิกิรยาไกลโคไลซิส

        น้ำตาลกลูโคสมีความสำคัญสำหรับการดำรงชีวิตเนื่องจากเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับร่างกาย ในปฏิกิรยาไกลโคไลซิสพบว่าขั้นตอนการสลายน้ำตาลกลูโคสจากสารที่มีคาร์บอน 6 อะตอม ไปเป็น pyruvic acid หรือไพรูเวตที่มีคาร์บอน 3 อะตอม จะให้ผลผลิตที่สำคัญออกมา 2 ตัวได้แก่

1. ATP โดยการผลิต ATP ในปฏิกิริยาไกลโคไลซิสอาศัยขั้นตอนการสร้าง ATP แบบที่เรียกว่า substrate level phosphorylation ซึ่งการสร้าง ATP วิธีนี้จะเป็นการอาศัยสารตั้งต้นที่มีพลังงานสูงในการสร้าง ATP ดังนั้นเราจะพบขั้นตอนการเปลี่ยนแปลงน้ำตาลกลูโคสให้กลายเป็นโมเลกุลพลังงานสูงโดยผ่านปฏิกิริยาย่อยหลายขั้นตอน
2. NADH ซึ่งจัดเป็นโมเลกุลที่เป็น electron carrier หรือตัวกลางในนำอิเลกตรอนจากสารอาหารไปผ่านขั้นตอนต่างๆภายในไมโตคอนเดรียเพื่อทำให้ได้พลังงานในรูปของ ATP นั้นเอง

ไกลโคไลซิส Glycolysis (From glycose, an older term for glucose and lysis ==> degradation) เป็นปฏิกิริยาเคมีที่พบบริเวณ cytosol ของเซลล์เกิดขึ้นเพื่อสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงานหลักๆจะเป็นการศึกษาการสลายน้ำตาลกลูโคส โดยปฏิกิริยาของ Glycolysis สามารถพบได้ได้ทั้งเซลล์โปรคาริโอต (Prokaryotic cell) และยูคาริโอต (Eukaryotic cell) 

กระบวนการไกลโคไลซิสแบ่งออกเป็น 2 ช่วงเกิดขึ้นโดยมีปฏิกิริยาทั้งสิ้น 10 ขั้นตอน

1. Investment phase หรือ chemical priming phase  ขั้นตอนนี้มีการใช้พลังงาน ATP จำนวน 2 โมเลกุลเพื่อเปลี่ยน glucose ไปเป็นfructose-1,6-bisphosphate (F-1,6-BP)
2. Energy-yielding phase ขั้นตอนที่จะมีการให้พลังงาน ATP จำนวน 4 โมเลกุล จากการเปลี่ยน   F-1,6-BP เป็นpyruvate ในขณะเดียวกันก็จะมีการผลิต NADH เพิ่มขึ้นมาด้วย

 Acetyl CoA, Krebs' cycle

การสร้าง Acetyl CoA

        หลังจากสิ้นสุด กระบวนการ Glycolysis ที่สลาย Glucose ที่มีคาร์บอน 6 อะตอม ใน cytosol ได้ผลลัพธ์สุทธิคือ ATP 2 โมเลกุล NADH 2 โมเลกุล และ Pyruvic acid ที่มีคาร์บอน 3 อะตอม 2 โมเลกุล ซึ่งต่อไป Pyruvic acid ที่ได้จาก Glycolysis 2 โมเลกุลนี้จะเคลื่อนเข้าสู่บริเวณ matrix ซึ่งเป็นของเหลว ใน mitochondria เพื่อเปลี่ยนเป็น Acetyl CoA ที่มีคาร์บอน 2 อะตอม (CoA เป็น coenzyme ชนิดหนึ่งซึ่งมีวิตามิน Pantothenic acid เป็นองค์ประกอบ) และ Acetyl CoA จะเข้าสู่ Krebs Cycle ต่อไป  

        โดยการสร้าง Acetyl CoA เริ่มต้นจาก Pyruvic acid ทั้ง 2 โมเลกุลเคลื่อนที่เข้าสู่ mitochondria เพื่อทำปฏิกิริยากับ CoA แล้วเกิดการ oxidize จน CO₂ หลุดออกมา 1 โมเลกุล ซึ่งเป็นการเสียคาร์บอนในรูปของแก็สคาร์บอนไดออกไซด์ พร้อมกับอิเล็กตรอน 1 ตัว ซึ่งในปฏิกิริยานี้มีตัวรับอิเล็กตรอนคือ NAD⁺ มารับอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา เก็บเอาไว้กลายเป็น NADH                                 

ภาพการสร้าง Acetyl CoA ซึ่งเกิดขึ้นบริเวณ Matrix ของ Mitochondria
ที่มา: https://courses.lumenlearning.com/boundless-biology/chapter/oxidation-of-pyruvate-and-the-citric-acid-cycle/

         ดังนั้น Pyruvic acid ที่เดิมแล้วมีคาร์บอนอยู่ 3 อะตอม ตอนนี้ถูกตัดคาร์บอนไปแล้ว 1 อะตอม จึงเหลือคาร์บอนแค่ 2 อะตอม เรียกสารนี้ว่ากว่า Acetyl CoA ซึ่งเป็นผลลัพธ์จากการทำปฏิกิริยา และผลลัพธ์สุทธิของปฏิกิริยานี้หากตั้งต้นจาก pyruvate 2 โมเลกุลคือ จะได้ Acetyl CoA 2 โมเลกุล และ  NADH 2 โมเลกุล ซึ่ง Acetyl CoA 2 โมเลกุลนี้จะเคลื่อนเข้าสู่ Krebs Cycle ต่อไป 

       ปฏิกิริยาสุทธิของกระบวนการสร้าง Acetyl CoA นี้คือ

       Pyruvic acid + NAD+ + coenzyme A   ->  Acetyl CoA + NADH + CO₂

        *** Oxidation and Reduction  (เทคนิคการจำ) ***

        ตัว Reduce ถูก Oxidize เกิด Oxidation (Reducing agent) ปฏิกิริยาให้อิเล็กตรอน

        ตัว Oxidize ถูก Reduce เกิด Reduction (Oxidizing agent) ปฏิกิริยารับอิเล็กตรอน

       Redox = Oxidation + Reduction เป็นปฏิกิริยาที่มีทั้งการให้และรับอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเดียวกัน

Krebs’ Cycle

            Krebs Cycle เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นที่บริเวณ matrix ใน mitochondria เพื่อสลาย Acetyl CoA ให้เป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ทั้งหมดและทำให้ได้พลังงาน ATP ออกมา โดย Acetyl CoA จะรวมกับ OAA ให้กลายเป็นกรดที่มีคาร์บอน 6 อะตอม แล้วปล่อย CoA ให้เป็นอิสระ ต่อจากนั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงอีกหลายขั้นตอนโดยใช้เอนไซม์หลายชนิดจนได้สารที่มีคาร์บอน 4 อะตอมอีกครั้ง คือ OAA  และพลังงานเคมีจากคาร์บอนอินทรีย์จะถูกเก็บไว้ในรูปของ NADH, FADH₂ และ ATP (เป็นการสร้าง ATP แบบ Substrate – level Phosphorylation เหมือนที่เกิดใน Glycolysis) ก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนต่อไป

          ภาพ Acetyl CoA 1 โมเลกุลเมื่อเข้าสู่ Krebs cycle
ที่มา: https://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/5.13/)

        โดยกระบวนการในวัฏจักรนี้เริ่มต้นโดยการที่ Acetyl CoA ที่มีคาร์บอน 2 อะตอม เข้ารวมตัวกับสารประกอบ Oxaloacetate acid (OAA) ซึ่งเป็นกรดที่มีคาร์ลบอน 4 อะตอม ได้เป็นสารที่มีคาร์บอน 6 อะตอม เรียกว่า Citric acid หรือเรียกว่าขั้น Citrate(C6) ต่อมาเกิดการเปลี่ยนโครงสร้าง แต่ยังมีคาร์บอนอยู่ 6 อะตอมเหมือนเดิม เรียกว่าขั้น Isocitrate (C6) แล้วจะถูก oxidize จน CO₂ หลุดออกมา 1 โมเลกุล     ซึ่งเป็นการสูญเสียคาร์บอน จึงทำให้เหลือคาร์บอน 5 อะตอม และในการเสียคาร์บอนจะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา 1 ตัว ซึ่งมีตัวรับอิเล็กตรอนคือ NAD⁺ มาเก็บไว้จนกลายเป็น NADH กลายเป็นขั้น Alfa – Ketoglutarate (C5) ในขั้นนี้ก็จะถูก oxidize จน CO₂ หลุดออกมา 1 โมเลกุล ซึ่งเป็นการสูญเสียคาร์บอน จึงทำให้เหลือคาร์บอน 4 อะตอม และในการเสียคาร์บอนจะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา 1 ตัว ซึ่งมีตัวรับอิเล็กตรอนคือ NAD⁺ มาเก็บไว้จนกลายเป็น NADH กลายเป็นขั้น Succinyl CoA (C4) ในขั้นนี้คาร์บอนเหลือ 4 อะตอมแล้ว Succinyl CoA จะเปลี่ยนโครงสร้างเป็น Succinate ซึ่งมีคาร์บอน 4 อะตอมเหมือนเดิม แต่ขั้นตอนนี้เป็นขั้นสำคัญคือ จะได้ GTP ออกมา เป็นพลังงาน แต่ไม่เสถียร จึงเปลี่ยนเป็น ATP ที่มีความเสถียรกว่า ต่อไป Succinate (C4) จะเปลี่ยนโครงสร้างเป็นขั้น Fumarate (C4) ซึ่งมีอิเล็กตรอนหลุดออกมาแต่ครั้งนี้ตัวรับอิเล็กตรอนคือ FAD มาเก็บไว้จนกลายเป็น FADH₂ และ Fumarate เปลี่ยนโครงสร้างอีกครั้ง เป็นขั้น Malate (C4) และ Malate เปลี่ยนโครงสร้างครั้งสุดท้ายเป็น OAA (C4) อีกครั้ง โดยมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา 1 ตัว ซึ่งมีตัวรับอิเล็กตรอนคือ NAD⁺ มาเก็บไว้จนกลายเป็น NADH

สรุปเมื่อ Acetyl CoA 1 โมเลกุล เข้า Krebs Cycle

1. Acetyl CoA (C2) + OAA (C4) -> Citrate(C6)
2. Citrate(C6) -> Isocitrate (C6)
3. Isocitrate (C6) / C -> Alfa – Ketoglutarate (C5) + NADH
4. Alfa – Ketoglutarate (C5) / C -> Succinyl CoA (C4) + NADH
5. Succinyl CoA (C4) -> Succinate (C4) + ATP
6. Succinate (C4) -> Fumarate (C4) + FADH2
7. Fumarate (C4) -> Malate (C4)
8. Malate (C4) -> OAA (C4) + NADH

      ดังนั้นหาก Acetyl CoA  2 โมเลกุล (คิดจากกลูโคส 1 โมเลกุล) เมื่อเข้าสู่ Krebs cycle จะได้ผลลัพธ์คือ ATP 2 โมเลกุล NADH 6 โมเลกุล FADH₂ 2 โมเลกุล และ  NADH และ FADH₂  เป็นสารที่ที่จะเข้าสู่กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนต่อไป

 Oxidative phosphorylation

            หลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการ Krebs Cycle ที่สลาย Acetyl CoA แล้ว ได้ผลลัพธ์จากสุทธิคือ ATP 2 โมเลกุล NADH 6 โมเลกุล FADH₂ 2 โมเลกุล ต่อไป NADH และ FADH₂ นี้จะถูกใช้ในกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

            โดยอิเล็กตรอนจาก NADH และ FADH₂ จะถูกส่งต่อให้กับโปรตีนที่เป็นตัวถ่ายทอดอิเล็กตรอน (เรียกว่า Electron transport chain) ซึ่งแทรกอยู่ที่เยื่อหุ้มชั้นในของ mitochondria อิเลกตรอนที่ถูกส่งผ่านโปรตีนต่างๆเมื่อมาถึงสุดท้ายจะมี O₂ เป็นมารับอิเล็กตรอนกลายเป็นน้ำ

ภาพการสร้าง ATP แบบ Oxidative phosphorylation ซึ่งประกอบด้วย 2 ขั้นตอนได้แก่ 1. Electron transport chain และ 2. Chemiosmosis 
ที่มา: https://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/5.13/ 

             ขณะที่รับและส่งอิเล็กตรอนไปตามตัวนำต่างๆ จะมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาทีละน้อยในแต่ละช่วงของการถ่ายทอด จนในที่สุดอิเล็กตรอนที่ส่งให้กับ O₂

             จะมีการปั๊มโปรตอน จาก matrix ให้เข้าไปอยู่ในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ mitochondria (intermembrane space) ส่งผลให้บริเวณนี้มีค่า pH ต่ำ กระบวนการนี้ต้องอาศัยพลังงานจากเซลล์ เพราะเป็นการนำสารจากที่ๆ มีความเข้มข้นน้อยไปที่ๆ มีความเข้มข้นมาก (active transport) หลังจากนั้นโปรตอนก็จะกลับเข้าไปใน matrix โดยผ่านของเอนไซม์ ATP synthase ซึ่งเป็นโปรตีนที่เยื่อหุ้มชั้นในเช่นกัน โดยผ่านในรูปแบบของกระบวนการแพร่ที่ไม่ต้องใช้พลังงานจากเซลล์ (passive transport) และการแพร่ของโปรตอนทำให้ ADP รวมตัวกับ Pi หรือหมู่ฟอสเฟต กลายเป็น ATP ภายใน matrix ในที่สุด ซึ่งรูปแบบดังกล่าวจัดเป็นเป็นการสร้าง ATP แบบ Oxidative Phosphorylation  

แหล่งที่มา

Reece, J. B  and  Campbell, N. A. (2011).  Campbell biology (10^th).  Boston, Benjamin Cummings: Pearson. 

จิรัสย์  เจนพาณิชย์. (2552).  BIOLOGY for high school students (พิมพ์ครั้งที่ 19).  กรุงเทพฯ:
       บูมคัลเลอร์ไลน์.

สมาน  แก้วไวยุทธ. (2551).  100 จุดเน้นชีววิทยา ม.4-5-6 (พิมพ์ครั้งที่ 1). กรุงเทพฯ: 
       ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2558).  หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ ชีววิทยา เล่ม 1 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 – 6 (พิมพ์ครั้งที่ 7).  กรุงเทพฯ:           องค์การค้าของ สกสค.ลาดพร้าว.