Privacy policy

Polyopus.blogspot.com values your privacy and wants to ensure you have a clear understanding of how we use your data.

We use cookies and similar technologies to personalize content and ads, provide social media features, analyze our traffic, and improve our services. Some of these technologies may involve sharing data with third parties, including Google, for advertising and analytics purposes.

By clicking "Accept," you consent to our use of cookies and similar technologies as described in our privacy policy. You may also choose to customize your preferences by clicking on "Settings."

If you have any questions or concerns, please don't hesitate to contact us (tongyoo@gmail.com).

Chemistry of life

 Metabolism  =  the totality of an organism’s chemical processes [Gr. metabole: change]

Catabolism    =  metabolic process release energy by breaking down complex molecules to simpler compounds (down hill reactions)

Anabolism     =  consume energy to build complicated molecules from simpler ones (uphill reactions)

Bioenergetic  =  study of how organisms manage their energy resources

Energy           =  capacity to do work

Kinetic energy    =  energy of motion

Potential energy  =  stored energy (example water behind  dam, food (chemical energy)      Thermodynamics   =  the study of the energy trasformations

System          =   the matter under study

Surroundings =    everything outside the system

Closed system =    isolated from surrounding

Open system    =    energy can be transferred between the system and its surroundings

                               organisms are open systems

Laws of thermodynamics

The first law of thermodynamics is conservation of energy

   = energy can be transferred and transformed, but it can be neither created nor destroyed

The second law of thermodynamics is every energy transfer or transformation increases the entropy of the universe

Entropy = randomness

@ 25% of chemical energy stored in fuel ® the motion of car (75%® heat)

@ the quantity of energy in the universe is constant, but its quality is not

@ organisms take organised forms of matter ® replaces with® less ordered   

    forms, for example  Proteins  ® ate by animals ® CO₂ + H₂O + related molecules   

Free energy available for work is the potion of a system’s energy that can perform work (temperature:T, constant)

   Free energy      =   G

            System’s total energy      =   H

            Its entropy                        =   S                 

                                               G   =   H-TS

                       (T= °C+273: standard for absolute temperature)

              Noted that systems tend to change spontaneously to more stable state.

              Therefore, in any spontaneous process, the free energy of a system decreases 

                     the change in free energy   = DG

                                                        DG  =  G_{final state} – G_{starting state}

                                              or       DG  =  DH- TDS

                              spontaneous process  =  decrease in H

                                                                =  increase in S

                                                                =  DG = negative

                DG is more negative (greater decrease), greater the maximum amount, so spontaneous        

                process can perform

               Chemical equilibrium = chemical reactions are reversible and proceed until the forward and                   backward reactions occur at the same rate

                Metabolic disequlibrium: DG = 0  (this state, a cell is dead)

               Exergonic reaction (energy outward) (downhill)

          ·       release free energy

          ·       DG = negative

          ·       occur spontaneously

           C₆H₁₂O₆ + 6O₂  ® 6CO₂ + 6H₂O

          DG = -686 kcal/mol (-2870 kJ/mol)

           Glucose  ® respiration® free energy = 686 kcal

                         180 g

                 Endergonic reactions (energy inward) (uphill)

                             ·     absorbs free energy from its surroundings

           ·     DG = positive

                ·     nonspontaneous reaction

           ·     DG = energy required to drive the reaction

        

                    Noted that  key strategy in bioenergetics is energy coupling

                                         

                      Noted that ATP is responsible for mediating most energy coupling in cells

  

Three main kinds of cell work

1.    Mechanical work: movement

2.  Transport work

3.  Chemical work  : pushing endergonic reactions to happen

The energy source that powers cellular work is ATP

 ATP = adenosine triphosphate  = adenine + ribose + phosphate groups

                                ATP + H₂O  ® ADP (more stable)+ Pi

                                    DG = - 7.3 kcal/mol (-31 kJ/mol)

                                           (in standard conditions)

                                    DG = -13 kcal/mol (78% greater)

                                          (in the cellular environment)

 Noted that phosphate bonds are unstable ® hydrolysis ® yields ® energy

Noted that it is not phosphate bonds that give energy

Triphosphate bonds are so fragile and charges are crowed together that is a loaded spring

How ATP performs work

_________________________________________________________________

ระบบขับถ่าย (excretory system)

         

ในกระบวนการแคแทบอลิซึมในเซลล์ (catabolism : กระบวนการสลายสารโมเลกุลใหญ่ให้เป็นโมเลกุลที่เล็กเพื่อให้ได้พลังงาน) นอกเหนือจากผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ได้ที่เป็นโมเลกุลขนาดเล็ก (simple molecules) ซึ่งเซลล์จะนำไปใช้ประโยชน์ได้แล้ว  ยังมีสารเคมีในกลุ่ม ไนโตรเจน  ซัลเฟอร์ และฟอสฟอรัส  ซึ่งเป็นสารที่เหลือหรือของเสียจากกระบวนการแคแทบอลิซึม เมื่อของเสียเหล่านี้เพิ่มมากขึ้น จะทำให้ความเข้มข้นของสารระหว่างภายในและภายนอกเซลล์ต่างกัน  ทำให้ของเสียแพร่ (diffuse) ผ่านเมมเบรน (membrane)  ออกนอกเซลล์สู่ภายนอก

          สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวจะมีการแพร่ออกของของเสียออกนอกเซลล์สู่สิ่งแวดล้อมโดยตรง  สิ่งมีชีวิตที่มีหลายเซลล์ (multicellular organism) รวมถึงสัตว์ด้วยจะมีการแพร่ออกของของเสียออกนอกเซลล์ มาอยู่ในช่องว่างระหว่างเซลล์ เรียกว่า ของเหลวในช่องว่างระหว่างเซลล์ (interstitial fluid) และจะมีอวัยวะที่ทำหน้าที่รวบรวมของเสียที่อยู่ในช่องว่างระหว่างเซลล์อีกทีหนึ่ง เพื่อขับออกมาสู่เส้นเลือดฝอย (blood  capillaries)  และสุดท้ายของเสียจะถูกขับมาที่อวัยวะที่ทำหน้าที่รวบรวมของเสียและขับออกนอกร่างกาย

การควบคุมน้ำภายนอกเซลล์

·   ระบบขับถ่าย (excretery systems) มีหน้าที่ควบคุมส่วนประกอบสารเคมีในร่างกาย โดยขับของเสียออกนอกระบบและรักษาสมดุลของน้ำ เกลือแร่  และสารอาหารภายในร่างกาย  ระบบขับถ่ายที่เรารู้จักกันดี เช่น ตับ ไต ปอด ผิวหนัง

·   การขับถ่าย (excretion) คือ การส่งผ่านของเสียจากกระบวนการเมตาบอลิซึมผ่าน  พลาสมาเมมเบรน (plasma membrane)

·   การกำจัด (elimination) เช่น การกำจัดอุจจาระ (feces)

ของเสียประเภทไนโตรเจน (nitrogenous waste)

ของเสียประเภทไนโตรเจนมาจากกระบวนการเมตาบอลิซึมของโปรตีน (protein metabolism) ของเสียที่เกิดจากเมตาบอลิซึมของโปรตีน เป็นกลุ่มอะมิโน (amino groups: NH₂)  กลุ่มอะมิโนจะถูกกำจัดออกจากโปรตีน และจะรวมตัวกับไฮโดรเจน ไอออน (hydrogen  ion : H⁺)  เกิดเป็น แอมโมเนีย (ammonia: NH₃)

                      

NH₂  + H⁺ (hydrogen ion) ® NH₃ (ammonia)

แต่แอมโมเนียนั้นเป็นพิษ (toxic) ต่อเซลล์ ในสัตว์ทะเลกลุ่มอะมิโน (NH₂) จะถูกขับออกมาโดยตรง ในสัตว์บก ซึ่งจำเป็นต้องรักษาน้ำเอาไว้แอมโมเนียจะถูกเปลี่ยนเป็นยูเรีย (urea) ซึ่งร่างกายทนความเข้มข้นของยูเรีย ที่ความเข้มข้นurea สูงๆ ได้

นกและแมลงจะขับของเสียไนโตรเจนในรูปของกรดยูริก (uric acid)  ส่วนสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำแ ละสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมแอมโมเนียจะถูกเปลี่ยนเป็นยูเรียแล้วส่งผ่านมาทางงหลอดเลือด ไปแยกน้ำออกที่ไต และขับออกไปนอกร่างกาย

รูปที่ 1 ของเสียจากกระบวนการเมตาบอลิซึมของโปรตีน ได้แก่ แอมโมเนีย (ammonia: NH₃), ปัสสาวะ (urea) และกรดยูริก (uric acid)

สมดุลของน้ำและเกลือแร่

·   ระบบขับถ่าย (excretory system) ทำหน้าที่ควบคุมสมดุลน้ำในร่างกาย

·   การรักษาสมดุลของสารละลายและน้ำในร่างกาย (osmoregulation) คือ การควบคุมการเข้าออกของน้ำและเกลือแร่ในสัตว์น้ำที่ความเข้มข้นของน้ำโดยรอบน้อยกว่า

·   Osmoconformers เป็นสิ่งมีชีวิตที่มีความเข้มข้นภายในเซลล์กับนอกเซลล์ใกลเคียง

กันเป็น หรือ สารละลายภายนอกเซลล์มีความเข้มข้นเท่ากับภายในเซลล์ (isotonic)  ดังนั้นจึงมีการควบคุมการเข้าออกของน้ำ น้อยมาก

·   Osmoregulators  เป็นสิ่งมีชีวิตที่ต้องควบคุมกระบวนการรักษาสมดุลของสารละลายและน้ำในร่างกาย (osmoregulation)  เช่นในสัตว์ทะเล ซึ่งมีความเข้มข้นของเกลือเพียง  ⅓  ของน้ำทะเล ปัญหาของ  osmoregulators  มี 2 อันดับคือ 1) ต้องป้องกันการสูญเสียน้ำออกจากร่างกาย  และ 2) ป้องกันเกลือที่จะแพร่เข้าสู่ร่างกาย  ดังนั้น การขับน้ำออกของปลาจะขับออกจากเนื้อเยื่อ (tissue)  ไปยังเหงือก (gills)  โดยกระบวนการออสโมซิส (osmosis) (การเคลื่อนที่ของตัวทำละลาย ซึ่งมักจะกล่าวถึงน้ำ ผ่านเยื่อเลือกผ่านจากสารละลายที่เข้มข้นต่ำไปยังสารละลายที่เข้มข้นสูง)   ส่วนการขับเกลือออกไปยังเหงือกจะผ่านกระบวนการแพร่แบบใช้พลังงาน (active transport)

          สัตว์กระดูกอ่อน เช่น ปลาฉลาม  มีความเข้มข้นของเกลือภายในร่างกายมากกว่าน้ำทะเล  ดังนั้นน้ำทะเลจะออสโมซิสเข้าสู่ภายในร่างกายได้ น้ำนี้จะถูกใช้ในการขับของเสียออกนอกร่างกาย  ปลาน้ำจืดต้องป้องกันการเสียเกลือและการรับน้ำมากเกินไป  ปลาน้ำจืดไม่ดื่มน้ำ  แถมยังมีผิวหนังที่ปกคลุมด้วยเมือก (mucus)  บางๆ  น้ำจึงเข้า-ออกผ่านเหงือกเท่านั้น ปัญหาของปลาน้ำจืด ในปัจจุบันพบว่ามี แบคทีเรียที่คอยฉวยโอกาสอาศัยอยู่ที่ผิวหนังที่เป็นเมือก เมื่อภูมิคุ้มกันของปลาลดลงแบคทีเรียจะก่อให้เกิดโรคในปลาน้ำจืดได้

          สัตว์บกมีกระบวนการหลายอย่างในการป้องกันการสูญเสียน้ำ  เช่น  อยู่ในที่ที่  มีความชื้นสูง หรือมีการปกคลุมร่างกาย  หรือการดูดน้ำกลับทำให้ยูรีนมีความเข้มข้นสูงๆ ก่อนขับออกนอกร่างกาย

          คนที่อยู่ที่อุณหภูมิ 37 ^oC (อุณหภูมิร่างกายเรา) จะเสียน้ำ 1 ลิตรต่อชั่วโมง

การทำงานของระบบขับถ่าย

1.      ดูดน้ำกลับและกรองของเหลวในร่างกาย

2.      เคลื่อนย้ายของเสียที่ผ่านการกรองน้ำและดูดน้ำกลับแล้ว และส่งกลับสารที่จำ

เป็นต่อระบบการรักษาสมดุลของร่างกาย (homeostasis)  กลับคืนสู่ของเหลวในร่างกาย

3.      กำจัดของเสียออกจากร่างกาย

อวัยวะขับถ่ายของสัตว์มีกระดูกสันหลัง

          ·   หนอนตัวแบน (flatworms) มีเนฟริเดียม (nephridium)  ซึ่งเป็นอวัยวะขับถ่าย  และที่ปลายท่อ (tubule) ของเนฟริเดียมมีเฟลมเซลล์ที่มีขนยาวๆ (ciliated flame cell)  เมื่อของเหลวไหลผ่านท่อนี้ สารและเกลือแร่ที่จำเป็นต่างๆ จะถูกดูดซึมกลับ (รูปที่ 2)

          ·   ในแมลง เช่น ในมดนั้น ของเหลวในร่างกายจะถูกส่งไปยังท่อมัลพิเกียน  (malpighian tubules)  ด้วยกระบวนการออสโมซีส เนื่องจากว่าในท่อมีความเข้มข้นของ  โปตัสเซียม (potassium) สูง  ของเสียประเภทไนโตรเจนจะเคลื่อนไปสู่ส่วนท้อง (gut)  แล้วน้ำจะถูกดูดซึมกลับ และของเสียจะถูกขับออกไป (รูปที่ 3)

รูปที่ 2 อวัยวะขับถ่ายของหนอนตัวแบน (flatworm) (A) และหนอนตัวกลม (B)

รูปที่ 3 อวัยวะขับถ่ายของมด

ระบบขับถ่ายในคน

          ·   ไต (kidneys) มีหน้าที่หลักคือ รักษาระดับของเหลวในร่างกาย  มีหน้าที่รองคือกำจัดของเสียออกนอกร่างกาย

           ·   ระบบขับถ่ายน้ำปัสสาวะ (urinary system) ประกอบด้วย

      ไต (kidneys) + ท่อไต (ureters) + กระเพาะปัสสาวะ (bladder) + ท่อปัสสาวะ (urethra)

          ·   หน่วยไต (nephron)  เป็นโครงสร้างพื้นฐานและหน่วยทำงานพื้นฐานของไตมี วิวัฒนาการมาจากเนฟริเดียม (nephridium)

          ·   ของเสียจากเลือดจะถูกกรองและเก็บไว้ในรูปของปัสสาวะ หรือ ยูรีน (urine) ที่ไต

          ·   ปัสสาวะจะเคลื่อนย้ายออกจากไตผ่านท่อไต  ไปเก็บไว้ยังกระเพาะปัสสาวะ จนกระทั่งออกไปท่อปัสสาวะและขับถ่ายออกไปในที่สุด (รูปที่ 4)

รูปที่ 4 อวัยวะขับถ่ายของคน  ไต (kidneys)คอยกำจัดของเสียออกนอกร่างกายและมีหน่วยไต (nephron) ทำหน้าที่หลัก

          ·      ภายในหน่วยไตมี แคปซูลรูปร่างคล้ายถ้วยเรียกว่า โกลเมอรูลัส (glomerulus) ซึ่งเป็นกระจุกหลอดเลือดฝอย (capillaries) (glomus = ลูกบอล; Latin) และมีท่อของหน่วยไต (renal tubule) อยู่

          เลือดจะไหลเข้าสู่ไตทั้ง 2 ข้างผ่านทางหลอดเลือดแดงไต (renal artery)  ซึ่งจะแตกแขนงเป็นเส้นเลือดฝอย (capillaries) หุ้มโกลเมอรูลัสอยู่ ความดันจากเส้นเลือดแดงใหญ่จะดันให้น้ำและสารจากเลือดถูกกรองผ่านโกลเมอรูลัส เข้าสู่โบว์แมนแคปซูล (Bowman's capsule)  หลังจากนั้นของเหลวจะไหลผ่านไปยังท่อไตขดส่วนต้น (proximal convoluted  tubule) แล้วไปที่ห่วงเฮนเล (Loop of Henle)  และไปท่อไตขดส่วนท้าย (distal convoluted tubule)  จากท่อไตขดส่วนท้าย ของเหลวจะไหลจะผ่านไปยังท่อรวม (collecting duct)  สารที่จำเป็นต่างๆ จะถูกดูดกลับผ่านเส้นเลือดฝอย (capillaries) ที่อยู่รอบๆ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5 องค์ประกอบของหน่วยไต (nephron) ที่สำคัญ

หน้าที่ของ  nephron (หน่วยไต) 

1. กรอง (filtration) กรองน้ำและสารละลายออกจากเลือดใน โกลเมอรูลัส (glomerulus)

2. ดูดซึมกลับ (reabsorption)  ดูดสารที่เป็นประโยชน์ต่อร่างกายกลับเข้าสู่กระแสเลือด   ซึ่งเกิดขึ้นที่ท่อไต (tubule)  ทุกส่วน  ตั้งแต่ท่อไตขดส่วนต้น (proximal convoluted  tubule) จนถึงท่อรวม (collecting duct) 

3. ขับถ่าย (secretion) ขับไอออนหรือของเสียอื่นๆ รอบเส้นเลือดฝอยและหลอดไตไปสู่  ท่อไตขดส่วนท้าย (distal convoluted tubule) 

   ·    หน่วยไตสามารถกรองของเหลวจากร่างกายเราได้ 125 มิลลิลิตรต่อนาที

          กรองของเหลวในร่างกาย  16  รอบต่อวัน หรือกรองได้  180 ลิตรต่อวัน

          ซึ่งหมายความว่า 178.5  ลิตร จะถูกดูดซึมกลับ

          และ 1.5  ลิตร จะเป็นปัสสาวะ (urine) 

รูปที่ 6 ท่อไตขดส่วนต้น (proximal convoluted tubule) จะดูดกลับเกลือ NaCl, น้ำ, กลูโคส และกรดอะมิโน ออกจากสารละลายที่ผ่านมาในท่อไตส่วนนี้

รูปที่ 7 ห่วงเฮนเล (Loop of Henle) ยอมให้น้ำและสารโมเลกุลเล็กผ่านไปได้

รูปที่ 8 ท่อไตขดส่วนท้าย (distal convoluted tubule) จะดูดกลับเกลือ NaCl ออกจากสารละลายที่ผ่านมาในท่อไตส่วนนี้ด้วย

รูปที่ 9 ท่อรวม (collecting duct) เป็นที่ที่น้ำจะถูกดูดซึมกลับด้วยกระบวนการออสโมซีส (osmosis) ทำให้น้ำปัสสาวะ (urine) ที่ผ่านเข้ามาเข้มข้นขึ้น

รูปที่ 10 หน้าที่ของหน่วยไต (nephron) แยกตามส่วนต่างๆ 1) การกรอง (filtration); 2) การขับถ่ายและการดูดซึมกลับ (secretion and reabsorption; และ 3) การสร้างเป็นน้ำปัสสาวะ (urine processing)  ที่หน่วยไตเลือดที่ไหลผ่านเส้นเลือดฝอย (capillaries) ที่หุ้มโกลโมรูลัส (glomerulus) อยู่จะดันให้น้ำ และสารละลาย จากเลือดกรองผ่าน  โบว์แมนแคปซูล (Bowman's capsule) จนผ่านไปยังท่อรวม (collecting duct)  สารที่จำเป็นต่างๆ จะถูกดูดกลับผ่านเส้นเลือดฝอย (capillaries) ที่อยู่รอบๆ จนสุดท้ายออกมาเป็นปัสสาวะ (urine) เตรียมขับออกนอกร่างกายต่อไป

การสร้างน้ำปัสสาวะ (urine production) ได้จาก

1. การกรองในโกลเมอรูลัสและหลอดไต

2. กระบวนการดูดซึมกลับ (reabsorption) ที่ท่อไตขดส่วนต้น (proximal convoluted tubule)

3. จากการขับของเสียจากห่วงเฮนเล (loop of Henle)

องค์ประกอบของหน่วยไต

กลเมอรูลัส หรือ Glomerulus = กรองเลือด

โบว์แมนแคปซูล หรือ Bowman’s capsule = กรองเลือด

ท่อไตขดส่วนต้น หรือ Proximal convoluted tubule = ดูดซึมกลับ น้ำ (75% ), เกลือ, glocose  และ กรดอะมิโน

ห่วงเฮนเล หรือ Loop of Henle = ทำหน้าที่รักษาระดับความเข้มข้น

ท่อไตขดส่วนท้าย หรือ Distal convoluted tubule = ขับ H ions, potassium และ ยาบางชนิดออก

       ·  นิ่วในไต (kidney’s stones)

                     เกิดจากของเสียที่เข้มข้นมากจนตกตะกอน ทำให้เกิดเป็นก้อนนิ่วในไต ซึ่งสามารถ               ใหญ่ขึ้น ทำให้รบกวนระบบขับถ่ายและการทำงานของไต รักษาได้โดยการผ่าตัด หรือ

              การรักษาด้วยอัลตร้าซาวด์

หน้าที่ของไต

1. รักษาระดับของของเหลวภายนอกเซลล์ (extracellular fluid)

2. รักษาระดับสมดุลของไอออนต่างๆ ของของเหลวภายนอกเซลล์

3. รักษาระดับความเป็นกรด-ด่าง (pH) และความเข้มข้นของของเหลวภายนอกเซลล์

ฮอร์โมนที่ควบคุมน้ำและเกลือ

·   การดูดกลับน้ำควบคุมโดย ฮอร์โมน antidiuretic hormone  (ADH)  เป็น  negative  feedback

· ADH  หลั่งมาจากสมองส่วนต่อมพิทูอิทารี่ (pituitary gland) 

· เมื่อระดับน้ำในร่างกายลดลง ® ร่างกายจะส่งสัญญาณไปที่สมองส่วนไฮโปธาลามัส (hypothalamus) ® ส่งสัญญาณไปที่สมองส่วน pituitary gland ® หลั่งฮอร์โมน ADH สู่กระแสเลือด ® ทำให้ดูดซึมน้ำกลับมากขึ้นในไต ® น้ำกลับเข้าสู่กระแสเลือดมากขึ้น  ®  ทำให้ปัสสาวะเข้มข้น

· เมื่อน้ำในเลือดสูง ® มีเซ็นเซอร์ (sensors) ในหัวใจ ส่งสัญญาณไปยังสมองส่วน hypothalamus เพื่อลดระดับชอง ADH  ในเลือด ทำให้ลดการดูดน้ำกลับ ® ทำให้ปัสสาวะเจือจาง

·   Aldosterone  เป็นฮอร์โมนที่หลั่งจากไต  ควบคุมการดูดซึมจากหน่วยไต (nephron)  ไปยังเลือด  เมื่อระดับของโซเดียมในเลือดลดลง   aldosterone จะถูกหลั่งไปในกระแสเลือด ® ทำให้ดูดซึมโซเดียม (Na) จากหน่วยไตไปยังเลือดมากขึ้น  และยังทำให้เกิดกระบวนการออสโมซิสดูดน้ำกลับเข้าสู่กระแสเลือดอีกด้วย  ฮอร์โมนที่ควบคุมการหลั่งของ aldosterone อีกทีหนึ่งคือ renin

      หมายเหตุ   สารพิษบางอย่าง เช่น ปรอท (mercury)  และ โรคที่เกิดจากพันธุกรรม  จะทำให้เกิดการผิดปกติของไตได้  ผู้ป่วยที่มีปัญหาโรคไตสามารถรักษาด้วยวิธีการถ่ายไต (dialysis)  ซึ่งใช้เครื่องมือกรองสารแทนไต หรือการเปลี่ยนไตเลย

          _______________________________________________________________