เจาะลึกกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจระดับเซลล์ วิทยาศาสตร์ ม.ต้น สอบเข้า ม.4

1. สมการเคมีของการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis)

กระบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานเคมีในรูปของโมเลกุลน้ำตาลกลูโคส โดยเกิดขึ้นภายในออร์แกเนลล์คลอโรพลาสต์ (Chloroplast):

• ปฏิกิริยาใช้แสง (Light-dependent reaction): เกิดขึ้นที่เยื่อไทลาคอยด์ (Thylakoid membrane) ดูดกลืนพลังงานแสง สลายโมเลกุลของน้ำ (Photolysis) ได้ก๊าซ \(\text{O}_2\) และผลิตสารพลังงานสูง \(\text{ATP}\) และ \(\text{NADPH}\)
• ปฏิกิริยาไม่ใช้แสง / วัฏจักรคัลวิน (Calvin Cycle): เกิดขึ้นที่ของเหลวสโตรมา (Stroma) นำก๊าซ \(\text{CO}_2\) มาตรึงด้วยเอนไซม์ Rubisco โดยใช้พลังงานจาก ATP และ NADPH เพื่อสร้างน้ำตาล PGAL และกลูโคส

2. การหายใจระดับเซลล์ (Cellular Respiration) ในไมโทคอนเดรีย

กระบวนการสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงานในรูปของ \(\text{ATP}\) (Adenosine Triphosphate) ซึ่งเซลล์สิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ใช้ในการดำรงชีวิต:

• 1. ไกลโคไลซิส (Glycolysis): เกิดขึ้นที่ไซโทพลาซึม สลายกลูโคส (6C) ให้เป็นกรดไพรูวิก (3C) 2 โมเลกุล ได้พลังงานสุทธิ 2 ATP โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจน
• 2. วัฏจักรเครบส์ (Krebs Cycle): เกิดขึ้นในเมทริกซ์ของไมโทคอนเดรีย สลายโมเลกุลจนหมด ได้ก๊าซ \(\text{CO}_2\) และตัวพานำอิเล็กตรอน NADH, \(\text{FADH}_2\)
• 3. การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (Electron Transport Chain): เกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มชั้นใน (Cristae) ผลิต ATP ปริมาณมากที่สุด โดยมี \(\text{O}_2\) เป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย กลายเป็นน้ำ \(\text{H}_2\text{O}\)

3. ปัจจัยจำกัดในการสังเคราะห์ด้วยแสง (Limiting Factors)

ข้อสอบเข้า ม.4 นิยมนำกราฟอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงมาให้นักเรียนวิเคราะห์:

• ความเข้มแสง (Light Intensity): ในช่วงแรกอัตราจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามความเข้มแสง จนกระทั่งถึง 'จุดอิ่มตัวแสง' (Light Saturation Point) กราฟจะเริ่มคงที่เนื่องจากคลอโรฟิลล์รับแสงได้เต็มที่
• ความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์: เมื่อก๊าซ \(\text{CO}_2\) เพิ่มขึ้น อัตราจะสูงขึ้นจนถึงจุดอิ่มตัว \(\text{CO}_2\)
• อุณหภูมิ: มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์ อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดคือประมาณ 25–35°C หากอุณหภูมิสูงเกินไป (มากกว่า 45°C) เอนไซม์จะเสียสภาพธรรมชาติ (Denature) ทำให้อัตราลดลงอย่างรวดเร็ว