Bioenergetics and Regulation of Metabolism PDF

Bioenergetics and regulation of metabolism Atittaya Rocejanasaroj, Ph.D. Biochemistry for Medical Technologist Medical technology department Science and Technology faculty Bansomdejchaopraya Rajabhat University Outline Thermodynamics and bioenergetics...

Bioenergetics and regulation of metabolism Atittaya Rocejanasaroj, Ph.D. Biochemistry for Medical Technologist Medical technology department Science and Technology faculty Bansomdejchaopraya Rajabhat University Outline Thermodynamics and bioenergetics Biological oxidation and reduction Energy in biological system Half-reaction Law of thermodynamics Electron carrier : NADH/FADH2 ATP generation Enthalpy, Entropy and free energy Catabolism-anabolism Physiological condition Electron transport chain The role of ATP Photon-motive force ATP as an energy carrier Oxidative phosphorylation Hydrolysis and coupling Transport of ATP in/out of mitochondria Phosphoryl gr. Transfers Other high energy compounds  What is Thermodynamics? Thermodynamics คือศาสตร์ฟิสิ กส์เคมีทีอธิ บาย เกียวกับการเปลียนแปลงของพลังงานต่างๆ ดังนัน biochemical thermodynamics (หรื ออาจเรี ยกว่า biochemical energetics หรื อ bioenergetics) ก็คือ แขนงของวิชาชีวเคมีทีศึกษาการเปลียนแปลง/ใช้/ ถ่ายโอนพลังงานในเซลล์สิงมีชีวติ  Concept of energy พลังงาน (Energy) คือความความสามารถทีจะกระทํางาน (the capacity to do work) ดดยทัวไป สามารถเขียนเป็ นสมการง่ายๆ ดังนี: Work (งานทีได้) = Force (แรงทีทํา) × Distance (ระยะทาง) พลังงานดํารงอยูใ่ นหลายรู ปแบบ เช่นพลังงานไฟฟ้า พลังงานจลน์ พลังงานเคมี ความร้อน หรื อ แสงสว่าง พลังงานในรู ปแบบทีแตกต่างกันนีสามารถเปลียนแปลงสถานะไปเป็ นพลังงานอีก รู ปแบบได้ Electric fish (Torpedinidae) Phosphorescent bacteria chemical energy chemical energy chemical energy    mechanical energy electrical energy light energy http://www.bbc.co.uk/nature/21011428 http://quotesgram.com/running-horse-quotes/ https://en.wikipedia.org/wiki/Common_torpedo  Thermodynamic principles จากการทดสอบและสังเกตุการเปลียนแปลงพลังงานจากรู ปแบบนึงไปเป็ นอีกรู ปแบบนึงทําให้ สามารถสรุ ปเป็ นกฏหลัก 2 ข้อของ thermodynamics : (a) (b) (c) กฎช่วยให้เราสามารถเข้าใจ: (a) ทิศทางของปฏิกิริยา เช่นจากซ้ายไปขวาหรื อขวาไปซ้าย (b) การดําเนินไปของปฏิกิริยาสําเร็ จไปด้วยดีหรื อไม่ (c) จําเป็ นต้องใช้พลังงานจากภายนอกในการขับเคลือนปฏิกิริยาหรื อไม่ http://www.mikeblaber.org/oldwine/BCH4053/Lecture35/Lecture35.htm Laws of Thermodynamics Apply to Living Organisms ในทางเคมีหรื อฟิ สิ กส์ ขบวนการหรื อปฏิกิริยาสามารถเกิดในสภาวะระบบปิ ด กล่าวคือ ปฏิกิริยา สามารถเกิดขึนได้เองภายในระบบ อาจไม่มีการแลกเปลียนองค์ประกอบหรื อพลังงานกับ สิ งแวดล้อมเลยก็ได้ ในระบบของสิ งมีชีวติ จะแตกต่างออกไป กล่าวคือสิ งมีชีวติ เป็ นระบบเปิ ด (Open systems) หมายความว่า เพือจะดํารงชีวติ ต่อไปได้ สิ งมีชีวติ นันจะต้องสามารถสกัดหรื อดึงพลังงานที สามารถใช้ได้จากสิ งแวดล้อมมาแปรรู ป เพือใช้เกิดปฏิกิริยาต่างๆและปลดปล่อยสสารหรื อ พลังงานทีไม่จาํ เป็ น ไม่มีประโยชน์(heat) ออกมา ในปริมาณทีเท่ ากัน กลับสู่ สิงแวดล้อม ตลอดเวลา หากไม่มีการแลกเปลียนนี สิ งมีชีวติ จะไม่สามารถดํารงอยูไ่ ด้ ระบบทีกล่าวถึงในทีนีอาจจะหมายถึง สิ งมีชีวติ นันๆ หรื อ เซลล์ๆหนึง หรื อเพียงกลุ่มก้อน สารประกอบทีเกิดปฏิกิริยากันก็ได้ เมือรวมระบบกับบริ เวณโดยรอบแล้วก็คือ “the universe” ตามนิยาม thermodynamics นันเอง  The First Law : Principle of Conservation of Energy กฎข้อแรกของ thermodynamics กล่าวไว้ว่าพลังงาน ทังหมดในจักรวาล (i.e., the system + surroundings) มี ค่าคงที ไม่สามารถสู ญหายไปได้ แปลได้ว่าพลังงานไม่ สามารถสร้ า งขึ นใหม่ ห รื อ ทํา ลายหายไปได้ แต่ อ าจ เปลียนรู ปได้ ระบบ (system) คือ สิ งหรื อสสารทีอยูใ่ นขอบเขตหนึงๆ ส่ วนสิ งหรื อสสารในจักรวาลทีอยูน่ อกเหนื อขอบเขตนี จะเรี ยกว่า สิ งแวดล้อม(surroundings) สองส่ วนนี รวมกันเรี ยกว่า จักรวาล ในทาง thermodynamics, ระบบอาจเป็ นระบบเปิ ดหรื อ ระบบปิ ด (ซึ งไม่จาํ เป็ นต้องมีการแลกเปลียนพลังงาน สสารกับสิ งแวดล้อมก็ได้) แต่ในทางชีววิทยาแล้ว การที สิ งมีชีวิตจะมี ชีวิตอยู่ได้ตอ้ งมีการแลกเปลียนพลังงาน สสารกับสิ งแวดล้อม นันคือสิ งมีชีวติ เป็ นระบบเปิ ด https://www.boundless.com/biology/textbooks/  ไม่วา่ พลังงานทีใช้จะใช้ทาํ งานหรื อเปลียนไปอีกรู ปแบบ ปริ มาณพลังงานทังหมดจะคงทีเท่าเดิม สามารถเขียนเป็ นสู ตรเพืออธิบายกฎข้อ 1 ได้ดงั นี : Δ E = EB – EA = Q – W Δ E = ค่าพลังงานทังหมดทีเปลียนแปลงไป Note : กฎข้อ1 จะสนใจเพียง การเปลียนแปลงพลังงาน Δ EA = พลังงานทีใช้ในการเริ มต้นปฏิกิริยา ในระบบจะขึนกับค่าพลังงานเริ มแรกและค่าพลังงานที Δ EB = พลังงานทีคงเหลือเมือปฏิกิริยาสิ นสุ ด คงเหลือเมือปฏิกิริยาสิ นสุดเท่านัน ไม่สนใจว่าพลังงาน Q = ความร้อนทีระบบรับเข้าไป W = งานทีระบบดําเนินการสําเร็ จ จะมีขบวนการเปลียนแปลงอย่างไรหรื อใช้กีขันตอน http://sites.saschina.org/stevepx2016/2014/10/07/ https://scienceunraveled.wordpress.com/category/biology/biochemistry/  Enthalpy (H) ค่าพลังงานทีระบบแลกเปลียนกลับสิ งแวดล้อมนันอาจอยูใ่ นรู ปพลังงานแสง เสี ยง กระแสไฟฟ้า แต่ดดยมากมักอยุใ่ นรู ปพลังงานความร้อน ซึงพลังงานความร้อนทาง thermodynamics จะเรี ยกว่า Enthalpy (ใช้ H เป็ นสัญลักษณ์) ซึ งเป็ นค่าความร้อนทีสะสมอยูใ่ นปฏิกิริยาเคมีทงหมด ั ทัง ความร้อนของสาร reactants หรื อ products ทีเกิดขึน การเปลียนแปลงพลังงานความร้อนระหว่างระบบกับสิ งแวดล้อมจะมี 2 รู ปแบบคือ 1. Exothermic reactions ปลดปล่อยความร้อนออกจากระบบ 2. Endothermic reactions ระบบดูดซึ มความร้อนจากสิ งแวดล้อม http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/chang7/esp/folder_structure/en/m2/s2/index.htm  แต่การจะตรวจวัดค่า enthalpy เฉพาะของระบบหรื อสิ งแวดล้อมตัวใดตัวนึงเป็ นเรื องทียุง่ ยากมาก ดังนันจึงใช้การวัด enthalpy ทีเปลียนแปลงไปแทน ยกตัวอย่ างเช่ น อุณหภูมิทีลดลง หมายความว่าปฏิกิริยาเคมีในระบบมีการปลดปล่อยพลังงาน ความร้อนให้กบั สิ งแวดล้อม (สิ งแวดล้อมสู ญเสี ยความร้อนให้ระบบ) หรื อ อุณหภูมิทีเพิมขึน หมายความว่าปฏิกิริยาเคมีในระบบสู ญเสี ยความร้อนให้สิงแวดล้อม (สิ งแวดล้อมดูดซับพลังงาน ความร้อนจากระบบ) http://www.chemhume.co.uk/ASCHEM/Unit%203/13%20Enthalpy/13%20Enthalpy.htm  The Second Law : randomness or disorder เห็ นได้ว่าจากกฎข้อ 1 thermodynamics สามารถบอกเพียงว่าพลังงานของระบบมี การ เปลียนแปลง จะไม่สามารถพยากรณ์ได้ว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึนได้หรื อไม่ ถึงแม้ว่าค่าพลังงานของ ระบบมีการเปลียนแปลงไปแล้ว (Δ E เป็ นบวก) ยกตัวอย่ างเช่ น แม้จะเกิดขบวนการ/ปฏิกิริยาขึน ระบบมีแลกเปลียนพลังงาน ไม่ว่าจะการดูดซับ หรื อปลดปล่อยความร้อนจากสิ งแวดล้อม กระนันกลับพบว่าค่ารวมพลังงานของระบบและ สิ งแวดล้อมยังคงที แสดงว่าการที จะปฏิ กิริ ยาจะเกิ ดและดําเนิ นต่อ ไปได้ยงั ต้องมี พลังงานอี ก รู ปแบบหนึ งในการควบคุมการเกิดปฏิกิริยานอกเหนื อจากพลังงานความร้อน ซึ งพลังงานนันคือ Entropy (ใช้ S เป็ นสัญญลักษณ์) http://employees.csbsju.edu/cschaller/Reactivity/thermo/TDintro.htm  Entropy (S) Entropy คือ แรงผลักดันให้เกิดสภาวะ randomness หรื อ disorder เป็ นพลังงานทีระบบไม่ สามารถดึงนํามาใช้ (useless energy) ในปฏิกิริยาเคมี, entropy คือพลังงานความร้อนทีปฏิกิริยา เคมีแบบย้อนกลับดูดซับเข้าไป (ตามนิยามใน textbook ทัวไปซึ งจะ งงๆ ) เมือค่า entropy ของระบบเพิมขึน (เช่น Δ S เป็ นบวก) แสดงว่าระบบมีการดําเนินไปในทิศทางที ไร้ระเบียบมากขึนจนค่า Entropy ของระบบหนึงๆ จะมากสุ ดเมือระบบเข้าสู่ จุดสมดุล เมือระบบ เข้าสู่ จุดสมดุล จะไม่มีการเปลียนแปลงใดๆ เกิดขึนอีก จนกว่าจะมีการใส่ พลังงานจากภายนอก เข้าสู่ ระบบ http://www.wiley.com/college/boyer/0470003790/reviews/thermo/thermo_intro.htm https://www.boundless.com/physics/textbooks/boundless-physics-textbook/thermodynamics-14/entropy-119/order-to-disorder-417-6459/3  กฎข้อ 2 อธิ บายไว้ว่าทุกๆการเปลียนแปลงถ่ายโอน พลังงานค่าหนึ ง จะมีส่วนหนึ งของพลังงาน นันอยูใ่ นรู ปทีไม่สามารถส่ งต่อหรื อใช้งานได้อีกเนื องจากพลังงานดังกล่าวได้สูญหายหรื อหลุด ลอดออกจากระบบกระจัดกระจายหายไปกับสิ งแวดล้อมแล้ว (มักเป็ นพลังงานความร้อน) และ ทุกๆขบวกการหรื อปฏิกิริยา ไม่ว่าจะเป็ นทางกายภาพหรื อทางเคมี หากจะดําเนิ นเกิดขึนได้เอง (spontaneous change หรื อ natural change) จําต้องเกิดไปในทิศทางทีพุง่ สู่ ความไม่เป็ นระเบียบ (randomness/disorder) ดังนันตามกฎข้อ 2 ขบวนการ/ปฏิกิริยาใด ๆ จะเกิดขึนได้เมือผลรวมของค่า entropy ของระบบ และสิ งแวดล้อมมีค่าเพิมขึน สามารถเขียนเป็ นสู ตรได้ดงั นี : (ΔSsystem + ΔSsurroundings) > 0 สําหรับการเกิดขบวนการ/ปฏิกิริยาต่างๆ Ordered Disordered Unstable Stable High free energy Low free energy Low Entropy High Entropy https://wikispaces.psu.edu/display/bio110/Energy+I+-+Thermodynamics  Combination of the first and second Laws : free energy ความแตกต่างระหว่างกฎ thermodynamics ข้อหนึ งและข้อสองนันคือ กฎข้อแรกจะเน้นในเรื อง พลังงานทีจะใช้ในปฏิกิริยาใช้เท่าไร ในระบบมีเท่าไร อะไรบ้าง รวมกันแล้วได้เท่าไร ในขณะที กฎข้อ 2 จะเน้นในเรื องที ว่า พลังงานในระบบมี เพียงพอหรื อไม่ ทีจะผลักดัน ให้เกิ ด ขบวนการหรื อปฏิกิริยาหนึง ๆ แต่เนืองจากค่า entropy ทีเปลียนแปลงไปของปฏกิริยาหนึงๆ ไม่ สามารถวัดได้ (ง่ายนัก) ดังนัน entropy จึงไม่สามารถนํามาใช้เป็ นตัวชีในการทดสอบว่าปฏิกิริยา ชีวเคมีหนึง ๆ จะสามารถเกิดขึนได้หรื อไม่ ปั ญหานีแก้ได้โดยกําหนดค่า thermodynamic อีกค่านึงขึนมาเรี ยกว่า พลังงานอิสระ (free energy) ใช้สญั ลักษณ์เป็ นอักษร G H S G H S พลังงานความร้อน พลังงานอืนๆ เป็ นพลังงานหลักของ ทีบอกไม่ ได้ ว่าเป็ นอะไร ปฏิกิริยา ไม่ สามารถวัดได้ พลังงานทังหมดสามารถวัดได้ สามารถวัดได้  Free energy or Gibb free energy ค่าพลังงานอิสระ (free energy) ได้รับการบัญญัติขึนโดย Willard Gibb จึงมักเรี ยกว่า Gibbs free energy คือค่าทีเกิดจากการนํากฎ thermodynamics ทัง 2 ข้อมารวมกัน เป็ นค่าพลังงานทีระบบ ต้องการใช้ในการเกิดขบวนการหรื อปฏิกิริยาหนึ งๆ ภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันหนึ งๆ สามารถเขียนเป็ นสู ตรได้วา่ : ΔG = ΔH – TΔS ∆ เป็ นสัญลักษณ์ทีแสดงถึงการ เปลียนแปลงไป Δ G = (Gproducts– Greactives) = พลังงานอิสระทีเปลียนแปลงไปในการเกิดปฏิกิริยาของระบบนันๆ มีหน่วยเป็ น joules/mole หรื อ calories/mole Δ H = (Hproducts – Hreactives) = พลังงานความร้อนหรื อ enthalpy ทีเปลียนแปลงไปในการ เกิดปฏิกิริยาของระบบนันๆ มีหน่วยเป็ น joules/mole หรื อ calories/mole T = ค่าอุณหภูมิทีขบวนการหรื อปฏิกิริยานันๆ ดําเนินอยู่ Δ S = (Sproducts – Sreactives) = พลังงาน entropy ทีเปลียนแปลงไปในการเกิดปฏิกิริยาของระบบ นันๆ มีหน่วยเป็ น joules/mole. Kelvin ตามสมการΔG = ΔH – TΔS สามารถพิจารณาได้ 3 ส่ วน ส่ วนที 1 : TΔ S เป็ นค่าพลังงานทีแตกออกมาจาก Δ H เป็ นพลังงานทีไม่สามารถนํามาขับเคลือน ปฏิกิริยา ไม่สามารถวัดได้ ส่ วนที 2 : พลังงานความร้อนทีวัดได้จากปฏิกิริยา (ΔH) เป็ นภาพสะท้อนถึงจํานวนและชนิดของ พันธะเคมีของสาร reactants และ products. – (a) เมือมีการเปลียนแปลงพันธะเคมีจนทําให้พลังงานความร้อนทีอยูใ่ นตัว product น้อยกว่า สาร reactants พลังงานส่ วนเกินจะปลดปล่อยพลังงานออกมาสู่ สิงแวดล้อม เรี ยกปฏิกิริยานี ได้วา่ เป็ น exothermic reaction →ΔH จะมีค่าเป็ นลบ (ระบบมีการระบายความร้ อนออก) – (b) ในทางกลับกันหากระบบมีการดูดซับความร้อนจากสิ งแวดล้อมเรี ยกปฏิกิริยานีได้วา่ เป็ น endothermic reaction → ΔH จะมีค่าเป็ นบวก (ระบบรับความร้ อนเข้ า) ΔG = ΔH – TΔS  ΔG = ΔH – TΔS ส่ วนที 3 : ค่า ΔG ตามทฤษฎีบ่งชีว่ามีงานทีมีประโยชน์เกิดขึน (available of useful work) แต่จะ ดีกว่าถ้าเราพิจารณา ΔG ให้เป็ นค่าทีใช้บ่งชีว่าปฏิกิริยาทีเกิดจะเกิดในทิศทางใด จากสู ตรจะเห็น ได้วา่ G มีความเป็ น “อุณหภูมิ” มากกว่าทีจะเป็ นพลังงานเสี ยอีก อุณหภูมิจะเป็ นตัวกําหนดว่า ความร้อนจะไหลไปทางใด (อากาศร้อนไหลไปทีเย็นกว่า ค่า ∆G ก็เช่นเดียวกัน) – (a) เมือปฏิกิริยาดําเนินไปและมีการปลดปล่อยพลังงานอิสระออกมา, ΔG จะมีค่าเป็ นลบ (เกิดเมือ product มีระดับพลังงานตํากว่า reactant) และปฏิกิริยานีเรี ยกได้วา่ เป็ น exergonic reaction ถ้า ΔG ติดลบมากๆ จึงทําให้การเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเป็ นเรื องทีเกิดได้ยากมาก สามารถถือได้วา่ ในปฏิกิริยาทีมี ΔG ติดลบมากๆ เป็ นปฏิกิริยาไม่ยอ้ นกลับ (irreversible) – (b) ในทางกลับกันหากปฏิกิริยาเป็ น endergonic reactions, ΔG จะมีค่าเป็ นบวกนัน หมายความว่าระบบจําเป็ นต้องได้รับพลังงานเพิมจึงจะสามารถดําเนินปฏิกิริยาต่อไปได้ ถ้า ΔG เป็ นบวกมากๆ นันคือต้องใส่ พลังงานจํานวนมากเข้าไปในระบบเพือให้ปฏิกิริยาเกิดขึน ได้ สามารถถือได้วา่ ปฏิกิริยาทีมี ΔG เป็ นบวกมากๆ ปฏิกิริยานีไม่น่าจะเกิดขึนได้ – (c) ถ้าค่า ΔG เท่ากับศูนย์ หมายความว่า ปฏิกิริยาทังหมดในระบบเข้าสู่ จุดสมดุล และจะไม่ มีการเปลียนแปลงเกิดขึนอีก นันคือปฏิกิริยาเคมีไม่มีการดําเนินต่อไปในทิศทางใดๆ ΔG = ΔH – TΔS  G = H – TS ในการเปลียนแปลงค่าพลังงานอิสระ ΔG ดังกล่าวนีมีขอ้ ควรจํา 2 ประการนันคือ : 1.ค่า ΔG ของระบบจะเท่ากับค่าพลังงานอิสระของ products สุ ดท้ายลบค่าพลังงานอิสระของ reactants เริ มต้นเท่านัน ค่า ΔG ของปฏิกิริยาจะไม่ สนใจเส้ นทางหรื อขบวกการเปลียนแปลงจาก reactant ไปเป็ น หรื อกล่ าวได้ ว่ากลไกของปฏิกิริยาไม่ มผี ลต่ อค่ า ΔG. ABCD G = G[D] – G[A] 2. ค่า ΔG ไม่สามารถบ่งบอกความเร็ วปฏิกิริยาได้ ΔG ทีติดลบหมายความว่าปฏิกิริยาสามารถ ดําเนินเกิดขึนได้โดยไม่ตอ้ งอาศัยพลังงานจากภายนอกเพิมเติม (occur spontaneously) แต่มิได้ บอกว่าปฏิกิริยาเกิดในอัตราเร็ วทีสมควร เหมาะสม หรื อไม่ (การจะบอกว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยา เกิดเร็ วเท่าใดต้องใช้เรื อง Kinetic เข้ามาศึกษา : ใครจําไม่ได้กลับไปดูเรื องเอนไซม์นะจ๊ะ)  Application of ∆G to biochemical reactions เราสามารถกล่าวได้วา่ ปฏิกิริยาจะดําเนินไปในทิศทางที “เป็ นการคงไว้ซึงสมดุล” ยกตัวอย่างเช่น หากเราใส่ substrate เพิมเข้าไปในปฏิกิริยาจะมีผลให้ปฏิกิริยาดําเนินไปข้างหน้า (ทางขวาของ สมการ) เปลียนเป็ น product จนปฏิกิริยาเข้าสู่ ภาวะสมดุลอีกครัง การดําเนินปฏิกิริยาจึงหยุดลง แต่ในทางกลับกันหากใส่ product เข้าไปในปฏิกิริยาแทนจะมีผลให้ปฏิกิริยาดําเนินย้อนกลับ (ทางซ้ายของสมการ) ค่า G ของปฏิกิริยานีจึงขึนอยูก่ บั ปัจจัย 2 ประการคือ 1. ความเข้มข้นของสารทีร่ วมปฏิกิริยา เช่น ความเข้มข้น substrates และ products และ 2. ค่าคงทีของตําแหน่งจุดสมดุลของปฏิกริ ิ ยา นันๆ (equilibrium constant) สามารถนํามาเขียนให้อยูใ่ นรู ปสมการได้ดงั นี ΔG°′ = พลังงานอิสระของปฏิกิริยาที For a reaction A + B  C + D เปลียนแปลงไปภายใต้สภาวะมาตราฐาน R = ค่าคงทีแก๊ส =0.0082 kJ/mole [C] [D] G = Go' + RT ln T = อุณหภูมิ [A] [B] [A], [B], [C] และ [D] = ความเข้มข้นในหน่วย Molar Relationship between standard free energy change and equilibrium constant For a reaction A + B  C + D ทราบค่าได้จากการ [C] [D] ทดสอบตรวจจาก G = Go' + RT ln [A] [B] ปฏิกิริยาตรงๆ ดังนัน ∆G จึงเท่ากับค่ าคงที ΔG° ของปฏิกิริยานันๆ บวกกับค่าความเข้มข้นของ substrate และ product ณ สภาวะแวดล้อมอุณหภูมิ ความดัน หนึงๆ ค่า ΔG° หรื อค่าพลังงานอิสระมาตรฐานทีเปลียนไปของระบบ (standard free energy change) เป็ นค่าคงทีค่าหนึงของปฏิกิริยาชนิดหนึงๆ ณ อุณหภูมิหนึงๆ ΔG° เพียงค่าเดียวไม่เพียงพอต่อ การทํานายว่าปฏิกิริยาจะเกิดไปในทิศทางใดในเซลล์สิงมีชีวติ ยกตัวอย่างเช่น ค่า ΔG° ในการ สลาย glycogen กลับเป็ น glucose เพือนําไปใช้เป็ นพลังงานนัน มีค่าเป็ นบวกเล็กๆ ในขณะที อัตราส่ วนระหว่าง phosphate ต่อ glucose-1-phosphate >300 จะเห็นได้วา่ ค่าอัตราส่ วนนีจะเป็ น ส่ วนหลักในการกําหนดทิศทางปฏิกิริยา มิใช่ค่า ΔG°  Standard Free Energy Changes at pH 7.0 or ΔG°′ แต่ค่า ∆G เป็ นค่าของปฏิกิริยาของระบบในสภาวะมาตรฐาน คือกําหนดให้สาร reactants และ products มีค่าเท่ากับ 1 โมล, มีค่าความดันแก๊สที 1 atm และมีอุณหภูมิ 25C มีข้อควรจํา 2 ประการนันคือ : 1. เห็นได้วา่ ค่าดังกล่าวมิใช่ค่าทีเป็ นอยูจ่ ริ งในสิ งมีชีวติ ปฏิกิริยาชีวเคมีเกือบทังหมดจะเกิดที pH = 7.0 หรื อใกล้เคียง ดังนันสภาวะมาตรฐานสําหรับการเกิดปฏิกิริยาชีวเคมีจึงเป็ น pH 7 หรื อ [H+] = 10-7 โมล (ไม่ใช่ 1 โมลซึงจะเท่ากับ pH=0) จึงมีการกําหนดค่าพลังงานอิสระของปฏิกิริยาต่างๆ ทีเปลียนแปลงไปในสภาวะ pH 7.0 ขึนมาใหม่ให้สอดคล้องกับความเป็ นจริ งโดยใช้สญ ั ลักษณ์ ΔG°′ 2. หน่วยของพลังงานจะใช้หน่วย SI (Systéme International) ซึงคือ joule (J). การแปลงหน่วย ระหว่าง calories และ joules : 1.000 cal = 4.184 J  Difference Between ΔG and ΔG°′ อย่างไรก็ตาม การดําเนิ นไปของระบบจะเกิดขึนได้เองหรื อไม่นนั จะต้องพิจารณาจากค่า ∆G ของปฏิกิริยา มิใช่ค่า ΔG°′ ค่าพลังงานอิสระทีเปลียนแปลงไป (ΔG ) ของปฏิกิริยาหนึง ๆ คือ ค่าทีนําเอาสภาวะทีปฏิกิริยา เกิดขึน เช่น ความเข้มข้นสาร, pH และอุณหภูมิ มาเป็ นปั จจัยในการพิจารณาด้วย เราจะสังเกตได้ ว่าค่า ΔG ของปฏิกิริยาหนึง ๆ ทีกําลังดําเนินไปนัน จะมีค่าเป็ นลบเสมอ และค่าดังกล่าวจะติดลบ น้อยลงเรื อย ๆ จนเท่ากับศูนย์เมือปฏิกิริยาสิ นสุ ดเข้าสู่ จุดสมดุล นอกจากนี ค่า ΔG จะลดลงแปร ผันตามเวลา เนื องจากเมือปฏิกิริยาดําเนิ นไปเรื อย ๆ ความเข้มข้นของสาร reactants จะถูกใช้ เปลียนเป็ น product ทําให้ความเข้มข้นลดลงเรื อยๆ ในขณะทีสารผลิตภัณฑ์จะกลับมีความ เข้มข้นเพิมขึนเรื อยๆ ค่าพลังงานอิสระมาตรฐานทีเปลียนไป (ΔG°′) สําหรับปฏิกิริยาเคมีหนึ งๆ จะเป็ นค่าเฉพาะของ ปฏิกิริยานันและไม่แปรผันตามสภาวะของปฏิกิริยา อาจมีค่าเป็ นบวก, ติดลบ หรื อมีค่าเป็ นศูนย์ก็ ได้ ขึนกับค่าสมดุลคงทีของปฏิกิริยานันๆ นันคือ ΔG°′ เป็ นค่าคงทีซึ งสามารถบอกทิศทาง (reaction direction) และความเป็ นไปของปฏิกิริยา (how far reaction will go) ของปฏิกิริยานันๆ ในการดําเนินไปให้ถึงจุดสมดุลภายใต้สภาวะมาตรฐาน  For a reaction A + B  C + D [C] [D] G = Go' + RT ln [A] [B] ในการทํานายทิศทางการดําเนิ นไปของปฏิกิริยาหนึ งๆ ค่า ΔG°′ เป็ นค่าทีต้องทราบเพราะค่านี ถือได้ว่าเป็ นค่า “reference state or situation” ของปฏิกิริยาหนึ งๆ นอกจากนี ΔG° ยังต้อง นํามาใช้ในการคํานวณค่าคงทีสมดุลปฏิกิริยา หรื อ equilibrium constants หรื อค่า Keq ในภาวะสมดุล กล่าวได้ว่าเป็ นจุดทีทุกอย่างหยุดนิ ง ปฏิกิริยาไม่มีการดําเนิ นต่อไปในทิศทางใด นันคือ ความเข้มข้นของสารต่างๆ ในปฏิกิริยา ทัง substrate หรื อ product ไม่มีการเปลียนแปลง อีกแล้ว ค่า Keq ก็คือค่าอัตราส่ วนระหว่างความเข้มข้นของ product ต่อ substrate ในภาวะสมดุล สามารถเขียนสมการแทนได้ดงั นี = product substrate  [C] [D] G = Gº' + RT ln [A] [B] ในปฏิกิริยาหนึง เมือเข้าสู่ สภาวะ [C] [D]  = Gº' + RT ln สมดุล หมายความว่า G = 0 [A] [B] ย้ายข้าง G’ [C] [D] Gº' = - RTln [A] [B] ในสภาวะสมดุล ทุกอย่างหยุดนิง หมายความว่าความเข้มข้นสาร A B [C] [D] C D จะไม่มีการเปลียนแปลงอีก defining K'eq = [A] [B] ดังนันอัตราส่ วนของ [C][D]/[A][B] ณ สภาวะสมดุล จึงถือว่าเป็ นค่าคงที Gº' = - RT ln K'eq (equilibrium constant) ใช้ ดังนันค่า ΔG° จะแปรผันตามค่าคงทีสมดุล สัญลักษณ์ K'eq ปฏิกิริยา (equilibrium constant, Keq) ลองแทนค่าดู จากสมการ ΔG°′ = –RT In K′eq ให้ค่า R = 1.98 × 10–3 kcal*mol–1 degree–1 และ T = 298°K K´eq ∆G˚´ Staring with 1M reactants and products, the kJ/mol Kcal/mol reaction : 104 -22.8 -5.5 Proceed forward (spontaneous) 103 >1.0 -17.1 negative -4.1 Proceed forward (spontaneous) 102 -11.4 -2.7 Proceed forward (spontaneous) 101 -5.7 -1.4 Proceed forward (spontaneous) 100=1 1.0 0.0 zero0.0 Is at equilibrium 10-1 5.7 1.4 Reverses to form “reactants” 10-2 11.4 2.7 Reverses to form “reactants” 10-3 17.4 4.1 Reverses to form “reactants” 0 ตาม ทบ. Thermodynamics จะเห็นว่าปฏิกิริยานีไม่น่าจะดําเนินเกิดขึนได้ภายใต้ สภาวะมาตรฐาน แต่กระนันก็มีความเป็ นไปได้วา่ ค่า G 900 kd) มีรูปร่ าง L-shape ประกอบด้วย 1. หมู่ prosthetic 2 หมู่คือ FMN และ iron–sulfur clusters 2. proton channels 3 channels  electrons จาก NADH จะถูก oxidized ด้วยหมู่ FMN ก่อน จากนัน FMN จะถูก oxidized ด้วย iron–sulfur clusters จนสุดท้ายถูก oxidized ด้วย Ubiquinone หรื อ coenzyme Q ซึงเป็ น oxidizing agent ทีแรงทีสุ ดในบริ เวณนัน (แรงกว่า NAD หรื อ flavin coenzymes) การส่ งต่อ electron ดังกล่าวผ่านโมเลกุล complex I นีจะทําให้ channels เกิดการเปลียนแปลง รู ปร่ างโมเลกุล (conformational change) ปัม proton ผ่าน inner mitochondrial membrane เช่นเดียวกับ FMN และ FAD, ubiquinone สามารถรับ/ส่ ง ได้ครังละ 2 electrons โดยทีการไหล ของ electrons ผ่านจาก NADH ส่ งให้ coenzyme Q ดังกล่าวจะทําให้เกิดการปั ม hydrogen ions เป็ นจํานวนสุทธิ 4 ions จากด้าน matrix ไปสู่ ดา้ น cytoplasmic side ของ mitochondrion  Ubiquinone or Coenzyme Q Ubiquinone หรื อ coenzyme Q (หรื อย่อๆคือ Q) คือ coenzyme ชนิดเดียวในสาย electron transport chain ทีในโมเลกุลไม่ได้มีโปรตีนเป็ นองค์ประกอบ โมเลกุลของ coenzyme Q ประกอบด้วยวงแหวน benzoquinone และมีหมู่เกาะวงแหวน 4 หมู่ซึงหนึงในนันเป็ น hydrophobic chain ทีเรี ยกว่า isoprenoid units ซึงร่ างกายมนุษย์ isoprenoid units ส่ วนนีจะต่อ เรี ยงกัน 10 unit (50 carbons) จึงเรี ยกว่า coenzyme Q10 นันเอง ส่ วน isoprenoid units ของ Q นีเองทีทําให้มีคุณสมบัติละลายในไขมัน ดังนัน Q จึงสามารถแทรก ตัวอยูใ่ น inner mitochondrial membrane ทําหน้าทีเป็ น “mobile” electron carrier ขนส่ ง electrons ระหว่าง complex ต่างๆ  Complex II: Ubiquinol Is the Entry Point for Electrons from FADH2 of Flavoproteins หาก Electron ถูกขนส่ งด้วย FADH2 จะไม่เข้า electron transport-chain ที complex I แต่จะเข้าสู่ ขบวนการนีที succinate-Q reductase complex หรื อ Complex II Complex II จะประกอบด้วย โดยส่ วนหนึงของ complex นีก็คือเอนไซม์ succinate dehydrogenase จากวัฐจักร citric acid cycle นันเอง ดังนัน FADH2 ทีถูกสังเคราะห์ขึนด้วย เอนไซม์ succinate dehydrogenase จึงเสมือนกําเนิดขึนใน complex II เข้าสู่ electron transport- chain ณ จุดนีเลย ข้อสังเกตคือ Succinate-Q reductase complex จะแตกต่างจาก NADH-Q oxidoreductase หรื อ complex อืนๆ ตรงทีไม่มีการ transport protons ผล คือ ATP ทีสังเคราะห์ได้จากการ oxidation ของ FADH2 จะได้นอ้ ยกว่า oxidation ของ NADH http://studydroid.com/index.php?page=viewPack&packId=128877 Complex III: Electrons Flow from Ubiquinol to Cytochrome c Through Q- Cytochrome c Oxidoreductase QH2 จะนํา electron จาก Complex I หรื อ II ผ่านเข้า proton pumps ตัวที 2 ในขบวนการ electron transport-chain ซึงคือ ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase หรื อ cytochrome c reductase หรื อ cytochrome bc1 complex หรื อ Complex III นันเอง โดยสรุ ป เอนไซม์ Q-cytochrome c oxidoreductase จะเร่ งปฏิกิริยา 2 แบบคือ 1. oxidation ubiquinol (QH2) ดึง electron ส่ งเข้าสู่ 2. ปฏิกิริยา reduction สาร mobile electron carrier ตัวที 2 คือ cytochrome c (Cyt c)  Cytochrome c Cytochrome c เป็ นโปรตีนทีละลายนําได้ ทําหน้าทีเป็ นตัวรับ electrons จาก cytochrome c reductase (complex III) ไปส่ งให้ cytochrome c oxidase (complex IV) Cytochrome c เป็ น mobile electron carriers เช่นเดียวกับ Coenzyme Q แต่ต่างกันที cytochrome c จะลอยอยูเ่ หนือไม่ ยึดติดหรื อแทรกตัวอยูใ่ น membrane เนืองจาก cytochrome c สามารถรับ electrons ได้เพียง 1 electron ดังนันจึงต้องใช้ cytochrome c 2 โมเลกุลในการรับ electron ทีส่ งผ่านจาก QH2 โดยทีเช่นเดียวกับ complex I คือ electrons 1 คู่ (2 ตัว) เมือไหลผ่าน complex III จาก QH2 ไป cytochrome c จะทําให้เกิดการปั ม protons 4 proton ข้ามผ่าน mitochondrial membrane สรุ ปคือ complex III จะเร่ งปฏิกิริยา ได้ผลผลิตเป็ น reduced cytochrome c 2 โมเลกุล https://en.wikipedia.org/wiki/Cytochrome_c  Complex IV: Cytochrome c to O2 ขันสุ ดท้ายของสาย electron transport chain ก็คือ Complex IV หรื อcytochrome c oxidase ทํา หน้าทีเร่ งปฏิกิริยา oxidation นํา electrons จาก cytochrome c ไปส่ งให้ O2 ซึ งทําหน้าทีเป็ น ตัวรับ electron ตัวสุ ดท้ายในขบวนการนี เกิดปฏิกิริยา reduction O2 ได้เป็ น H2O โดยทีต้องใช้ electrons จํานวน 4 electrons ในการทําปฏิกิริยากับ O2 1 โมเลกุล เกิดเป็ น H2O 2 โมเลกุล เช่นเดียวกับ proton pump 2 ตัวแรก การส่ งผ่าน electron 1 ตัวจะทําให้เกิดการปั ม proton 2 ตัว ข้าม mitochondrial membrane  Summary of total number of proton pump by 4 Complexes 1. การส่ งผ่าน electron จาก NADH เข้าสู่ ขบวนการ electron transport chain (Complexes I→complex IV) ทําให้เกิดการปัม proton ข้าม membrane จํานวน 10 proton 2. แต่หากการส่ งผ่าน electron เกิดจาก FADH2 แทน electron จะเข้าสู่ ขบวนการ electron transport chain ณ complex II (Complexes II→complex IV) จึงทําให้เกิดการปั ม proton ข้าม membrane เพียง 8 proton น้อยกว่า NADH https://theresagk12.wordpress.com/research/cfclab/my-work-in-lab/q/  A Proton Gradient Powers the Synthesis of ATP ทฤษฎีในการสังเคราะห์ ATP ปั จจุบนั ยอมรับทฤษฎีทีเรี ยกว่า chemiosmotic hypothesis โดยที ทฤษฎีนีเสนอว่าขบวนการ electron transport chain และระบบการสังเคราะห์ ATP เป็ น 2 ขบวนการชีวเคมีทีทําหน้าทีแยกกัน แต่จะทํางานประสานกันโดยมี proton gradient ระหว่าง inner mitochondrial membrane เป็ นเสมือนสายเชือมระหว่างระบบทัง 2 เมือ electron transport chain ทําให้เกิดการปัม protons ข้ามผ่าน inner mitochondrial membrane จากด้าน matrix ไปสู่ ดา้ น cytoplasm จะทําให้ความเข้มข้นของ H+ ด้าน matrix ลดลง เมือ เปรี ยบเทียบกับด้าน cytoplasm แล้วจะพบว่ามีความเป็ นประจุลบมากกว่า ความแตกต่างระหว่างความเข้มข้น (chemical gradient ∆H) และประจุบน electric field (charge gradient ∆) ของ proton นีก่อให้เกิดแรงขับดันทีเรี ยกว่า proton-motive force (∆P)  ATP Synthase Is Composed of a Proton-Conducting Unit and a Catalytic Unit ATP synthase เป็ น complex enzyme ขนาดใหญ่บน inner mitochondrial membrane รู ปร่ าง คล้าย “ball on a stick” โดยทีส่ วน “stick” เรี ยกว่า F0 subunit ฝังตัวแทรกอยูใ่ น inner mitochondrial membrane รับหน้าทีเป็ น proton channel ของ complex (ส่ วนทีเป็ น channel เรี ยกว่า c-ring ประกอบด้วย c subunit 8-10 c เชือมติดกับส่ วน  subunit ของ F1) ส่ วนทีเป็ น “ball” ส่ วนนีมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 85-Å เรี ยกว่า F1 subunit ต่อกับส่ วน F0 ด้าน mitochondrial matrix ซึ งในส่ วน F1 subunit นีทําหน้าทีเป็ น ATPase activity F1 subunit นีประกอบขึนด้วย polypeptide chains 5 ชนิดได้แก่ 3, 3, , , และ  โดย 3 subunits กับ 3 subunits จะมารวมตัวในลักษณะ hexameric ring โดยมี subunit เป็ นแกน  Proton Flow Around the c Ring Powers ATP Synthesis เมือมีการปัม protons จนสะสมมากถึงระดับหนึง ทําให้เกิดproton-motive force ผลักดัน protons ให้เคลือนทีจากด้านทีมีความเข้มข้นมากสู่ ดา้ นทีมีความเข้มข้นน้อย ผ่านทาง proton channel หรื อ c ring ซึงการไหลผ่านของ proton ดังกล่าวนีจะทําให้ c ring เกิดการหมุน จากโมเลกุลพบว่า c- ring เชือมติดกับส่ วน subunit ของ F1 ดังนันการหมุนของ c-ring จึงทําให้  subunit เกิดการ หมุนล้อตามไปด้วย การหมุนของ subunit นีทําให้เกิดการสังเคราะห์ ATP ผ่านกลไกทีเรี ยกว่า binding-change mechanism กลไกนีมีขนตอนอยู ั ่ 3 ขันได้แก่ (1) ATPase จับกับ substrate นันคือ ADP และ Pi (L) (2) เกิดการสังเคราะห์ ATP synthesis (T) (3) ปลดปล่อย ATP และเริ มปฏิกิริยา (1)ใหม่ นันคือการจับกับ ADP และ Pi (O)  Proton Flow Through ATP Synthase Leads to the Release of Tightly Bound ATP ในส่ วนของ F1 ส่ วนทีเป็ น active site ของ ATPase ทีแท้จริ งคือ subunit ดังนันส่ วน F1 จะมี active sites 3 ตําแหน่งโดยที ตัวใดทําหน้าทีใน step ใด (ใน 3 step) นันเกิดอยูก่ บั การหมุน ของ subunit ณ จุดๆ หนึง, 1 subunit จะอยูใ่ นลักษณะจับกับ ADP และ Pi แบบหลวม ๆ เรี ยกว่า loose conformation หรื อ L (step 1) , 2 subunit ทํา การสังเคราะห์ ATP จะอยูใ่ นลักษณะจับกับ ATP ทีเกิดขึนแน่น เรี ยกว่า tight conformation หรื อ T, สุ ดท้าย 3 subunit จะปลดปล่อย ATP ออกและ เปิ ดรับ ADP และ Pi เข้ามาใน active site ใหม่ เรี ยกว่า open form หรื อ O  เมือ subunit หมุนจะทําให้ subunit เปลียนจาก forms หนึงไปเป็ น forms หนึงเช่น L(step 1)→ T(step 2) หรื อ T(step 2) →O (step 3) หรื อ O(step 3) →L (step 1) ดังนันการหมุนของ subunit 1 รอบสามารถทําให้เกิดการสังเคราะห์ ATP ได้ 3 โมเลกุลนันคือ ATP 1 โมเลกุลเกิดจาก proton ไหลผ่าน c-ring = (8-12)/3 = 2.7 ถึง 4 protons อาจสรุ ปง่ายๆ ดังนีต้องใช้ protons จํานวน 3 protons ไหลผ่าน channel กลับสู่ matrix ต่อการการ สังเคราะห์ ATP 1 โมเลกุล NADH 1 โมเลกุล ทําให้เกิดการปัม protons ข้าม membrane จํานวน 10 ions สามารถใช้ในการสังเคราะห์ ATP ประมาณ 2.5 โมเลกุล ในขณะที FADH2 1 โมเลกุล ทําให้เกิดการปัม protons ข้าม membrane จํานวน 6 ions สามารถใช้ในการสังเคราะห์ ATP ประมาณ 1.5 โมเลกุล Electrons from Cytoplasmic NADH Enter Mitochondria by Shuttles หน้าทีประการหนึ งของ respiratory chain ก็คือการ regenerate NAD+ ส่ งกลับเพือใช้ใน ขบวนการ glycolysis แต่เนืองจาก inner mitochondrial membrane มิยนิ ยอมให้ NADH/NAD+ ผ่านเข้าออกได้เลย ดังนันจึงต้องมีระบบขนส่ งหรื อ “redox shuttle” 2 ระบบ จําแนกแยกตาม อวัยวะ 1. malate–aspartate shuttle : พบในเซลล์ตบั และกล้ามเนื อหัวใจ เอนไซม์ malate dehydrogenase ฝัง cytosolic จะรับ electrons จาก NADH ส่ งให้ oxaloacetate เกิดเป็ น malate, malate ทีได้จะถูกนําส่ งต่อเข้าผ่าน inner membrane โดยเอนไซม์ translocase แล้ว “matrix” malate dehydrogenase จะดึง electron จาก malate กลับเป็ น NADH + oxaloacetate ซึ ง oxaloacetate จะมีระบบ amino acid-transport ขนจาก matrix กลับสู่ cytoplasm  2. glycerol 3-phosphate shuttle : พบในเซลล์ทีมีระดับ oxidative phosphorylation สู งๆ เช่น เซลล์กล้ามเนือแมลง NADH จะส่ งผ่าน electron ให้กบั dihydroxyacetone phosphate (DHAP) ได้ เป็ น glycerol 3-phosphate ด้วยเอนไซม์ Glycerol 3-phosphate dehydrogenase ทีอยูบ่ น inner membrane ฝัง cytoplasmic จากนันเอนไซม์ “matrix” Glycerol 3-phosphate dehydrogenase ซึง เป็ น flavoprotein enzyme (FAD-bound คล้าย succinate dehydrogenase) จะดึง electron จาก G3- P ส่ งต่อให้ FAD เกิดเป็ น FADH2 เข้าสู่ electron transport chain ต่อไป สรุ ปได้วา่ 1. หากขนส่ ง electron ด้ วย malate–aspartate shuttle สู่ electron transport chain จะทําให้ มกี ารสร้ างพลังงาน ATP 2.5 moles ต่ อ NADH ทีได้ ในขบวนการ metabolism 1 mole 2. แต่ หากขนส่ ง electron ด้ วย glycerol 3-phosphate shuttle สู่ electron transport chain จะทําให้ มกี ารสร้ างพลังงาน ATP เพียง 1.5 moles ต่ อ NADH ทีได้ ในขบวนการ metabolism 1 mole  The Entry of ADP into Mitochondria Is Coupled to the Exit of ATP ทังนีทังนัน ATP/ADP ก็เช่นเดียวกับสารอืนๆ นันคือแพร่ ผา่ น inner mitochondria membrane ไม่ได้ จําต้องใช้ transport protein ทีเรี ยกว่า ATP-ADP translocase ในการขนส่ ง ATP/ADP โปรตีนชนิดนีมีกระจายอยูท่ วั inner mitochondrial membrane ถ้าคิดปริ มาณอาจมากถึง 15% ของ โปรตีนทังหมด จุดสําคัญคือการขนส่ งด้วย ATP-ADP translocase นีจะขนส่ ง ATP/ADP คู่กนั นันคือ ADP จะเข้า mitochondrial matrix ได้กต็ ่อเมือมีการขน ATP ออก เป็ นต้น แต่ระบบ ATP–ADP exchange นี มิใช่วา่ จะเกิดการแลกเปลียนได้โดยไม่มีการสู ญเสี ยพลังงาน เช่นเดียวกับขบวนการอืนๆ ระบบ ATP–ADP exchange จําใช้พลังงานในการขับเคลือนซึงอาจมากถึงประมาณ ¼ ของพลังงานที สังเคราะห์ได้จาก electron transfer chain Mitochondrial Transporters Allow Metabolite Exchange Between the Cytoplasm and Mitochondria นอกจาก ATP-ADP translocase พบว่ายังมี transporter protein ตัวอืนๆอยูด่ ว้ ย ตัวทีสําคัญคือ phosphate carrier โดยจะขนส่ ง Pi แลกเปลียน H2PO4- กับ OH-. เมือรวมการขนส่ งทัง ATP-ADP translocase และ phosphate carrier ด้วยกันแล้ว สรุ ปได้วา่ เมือ เกิดการแลกเปลียน ADP และ Pi จากด้าน cytoplasmic กับ ATP จากด้าน matrix ทําให้เกิดจาก influx 1 H+ The Rate of Oxidative Phosphorylation Is Determined by the Need for ATP ทังนีขบวนการ Oxidative Phosphorylation จะไม่ได้เกิดขึนตลอดเวลา Electrons จะไม่มีการไหล ผ่าน electron-transport chain ส่ งต่อให้ O2 นอกเสี ยจากว่า ADP ทีมีอยูจ่ ะเกิดปฏิกิริยา phosphorylation ไปเป็ น ATP เมือความเข้มข้นของ ADP ในเซลล์เพิมสู งขึนเช่นในกล้ามเนือที “active” มีการใช้ ATP เป็ น พลังงานอย่างต่อเนื อง กรณี นีอัตราการเกิดปฏิกิริยา oxidative phosphorylation จะเพิมขึนเพือ ผลิตพลังงานให้เพียงพอต่อความต้องการของเซลล์ ในทางกลับกัน เมือความเข้มข้นของ ADP ในเซลล์ลดลงเช่นในกล้ามเนือ “resting” NADH หรื อ FADH2 ทีเกิดจากขบวนการ citric acid cycle จะไปสามารถถูก oxidized กลับเป็ น NAD+ หรื อ FAD ด้วย electron-transport chain ผลคือ ขบวนการ citric acid cycle ถูกหน่วงให้ชา้ ลงเนืองจากไม่มี NAD+ หรื อ FAD มีใช้ในระบบ การควบคุมอัตรา oxidative phosphorylation ด้วยระดับ ADP นีเรี ยกว่า respiratory control หรื อ acceptor control  Oxidative Phosphorylation Can Be Inhibited at Many Stages 1. Inhibition of the electron-transport chain : rotenone ใช้เป็ นสารพิษเบือปลา ฆ่าแมลง ยับยังการทํางาน Complex I, amytal ซึงเป็ นสารในกลุ่ม barbiturate sedative, antimycin A ยา ปฏิชีวนะทีสกัดจาก Streptomyces ใช้เป็ นสารพิษเบือปลายับยังการทํางาน Complex III, cyanide (CN-), azide (N3-), และ carbon monoxide (CO) ยับยังการไหลของ electron เข้าสู่ Complex IV 2. Inhibition of ATP synthase : Oligomycin ยาปฏิชีวนะสําหรับต้านเชือรา และ dicyclohexylcarbodiimide (DCCD) 3. Uncoupling electron transport from ATP synthesis : สารบางประเภทเช่น 2,4- dinitrophenol (DNP) สามารถยับยังไม่ให้ photon ไหลผ่าน ATP synthase ดังนัน photon จําต้อง ไหลผ่าน channel ช่องทางอืนๆ เช่น UCP-1 ได้เป็ นพลังงานความร้อนแทนที ATP 4. Inhibition of ATP export ATP-ADP translocase :ยาปฏิชีวนะเช่น atractyloside หรื อ bongkrekic acid จะยับยังการขนส่ ง ATP ออกนอกไมโตคอนเดรี ย