ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

                       พลังงานกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี

1.  ปฏิกิริยาคายความร้อน (Exothermic  reaction) เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแล้วระบบจะคายพลังงานให้กับสิ่งแวดล้อม   ตัวอย่างการเกิดปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อน  โดยการทดลองหยดกลีเซอรีนลงบนเกล็ดโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต (ด่างทับทิม) ไว้สักครู่  จะทำให้เกิดปฏิกิริยาคายความร้อนมีเปลวไฟลุกไหม้ขึ้น

2.  ปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic  reaction)  เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแล้ว  ระบบจะดูดพลังงานจากสิ่งแวดล้อมทำให้อุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมเย็นลง  สัมผัสจะรู้สึกเย็น สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องใช้พลังงาน (Energy) ในการทำกิจกรรมต่างๆ ได้แก่ การหายใจ  การเจริญเติบโต การเคลื่อนไหว การขับถ่าย  การลำเลียงสาร พลังงานส่วนใหญ่ที่สิ่งมีชีวิตได้จากการสลายสารอาหารด้วยกระบวนการทางเคมี และพลังงานที่ได้เป็นพลังงานเคมี ซึ่งพลังงานเคมีจะเกิดขึ้นได้จะต้องมาจากปฏิกิริยาเคมี

เอนไซม์

        เอนไซม์มีความสำคัญและจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตเพราะว่าปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ในเซลล์จะเกิดช้ามาก หรือถ้าไม่มีเอนไซม์อาจทำให้ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยากลายเป็นสารเคมีชนิดอื่น ซึ่งถ้าขาดเอนไซม์ระบบการทำงานของเซลล์จะผิดปกติ (malfunction) เช่น

• การผ่าเหล่า (mutation)
• การผลิตมากเกินไป (overproduction)
• ผลิตน้อยเกินไป (underproduction)
• การขาดหายไป (deletion)

ดังนั้นการขาดเอนไซม์ที่สำคัญอาจทำให้เกิดโรคร้ายแรงได้ การผ่าเหล่าอาจจะเกิดขึ้นในโครงสร้างบางส่วนของเอนไซม์ หรืออาจเป็นบางส่วนของโปรตีน

การทำงานของเอนไซม์
  เอนไซม์ส่วนใหญ่เป็นโปรตีน สามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิตได้ ทำให้สารตั้งต้น เกิดปฏิกิริยาได้เรผ้วขึ้น ได้สารผลิตภัณฑ์ โดยสารตั้งต้นจะเข้าจับกับเอนไซม์ที่บริเวณจำเพาะของเอนไซม์ เรียกว่าบริเวณเร่ง


การยังยั้งการทำงานของเอมไซม์
   การทำงานของเอมไซมืบางชนิดอาจถูกยับยั้งได้ด้วยสารเคมี เรียกว่า ตัวยับนั้งเอนไซม์ ซึ่งอาจเกิดจากตัวยับยั้งแย่งจับกับบริเวณเร่งทำให้เอมไซม์ไม่สามารถจับกับสารตั้งต้น จึงไม่สามารถเร่งปฏิกิริยาได้ เรียกตัวยับยั้งแบบนี้ว่า ตัวยับยั้งแบบแข่งขัน นอกจากนี้ตับยับยั้งบางชนิดอาจจับกับเอมไซม์บริเวณอื่นไม่ใช่บริเวณเร่งทำให้เอมไซม์มีรุปร่างเปลี่ยนแปลงไปจึงไม่สามารถจับกับสารตั้งต้นได้ เรียกตัวยับยั้งแบบนี้ว่า ตัวยับยั้งแบบไม่แข่งขัน


ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์
      การทำงานและความจำเพาะของเอนไซม์ต่อสารตั้งต้นขึ้นอยู่กับรุปร่างและโครงสร้างภายในบริเวณเร่งของเอนไซม์ ดังนั้นปัจจัยต่างๆที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงรุปร่างและโครงสร้างภายในบริเวณเร่ง จะส่งผลต่อประสิทธิภาพในการการทำงานของเอนไซม์ ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนไป

เอนไซม์กับอุณหภูมิ
      อุณหภูมิเป็นปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อประสิทธิภาพในการทำงานของเอนไซม์ เอนไซม์แต่ละชนิดทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมแตกต่างกัน ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิที่เหมาะสมเอนไซม์จะทำงานช้าลง เมื่อเพิ่มอุณหภูมิเอนไซม์จะทำงานได้เร็วขึ้น แต่หากเพิ่มจนสูงเกินกว่าอุณหภูมิที่เหมาะสมมากจะทำให้โปรตีนเสียสภาพ เนื่องจากโครงสร้างสามมิติของเอนไซม์เปลี่ยนแปลงไปจนไม่สามารถทำงานได้ ส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง


เอนไซม์กับค่า pH
 เอนไซม์แต่ละชนิดจะทำงานได้ดีในช่วง pH ที่เหมาะสม ในสภาพที่pH ไม่เหมาะสมจะทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของเอนไซม์ลดลงหรือทำงานไม่ได้ เนื่องจาก pH มีผลต่อการมีประจุของหมู R ไปองกรดแอมิโน ดังนั้น pH ที่เปลี่ยนไปจะทำให้ประจุของหมู่  R หรือแรงยึดเหนี่ยวภายในโครงสร้างสามมิติของเอนไซม์เปลี่ยนไปด้วย และทำให้รูปร่างและโครงสร้างภายในบริเวณเร่งเปลี่ยนแปลงไป จึงส่งผลกระทบต่อการทำงานของเอนไซม์
          เอนไซม์ในร่างกายส่วนมากจะทำงานได้ดีที่ค่า pH ประมาณ 7 ยกเว้นเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการย่อยอาหารบางชนิด ตะทำงานได้ดีในสภาวะที่เป็นกรดสูง เช่น เอนไซม์เพปซินพบในกระเพาะอาหารซึ่งมีสภาวะเป็นกรดสูง สามารถเร่งปฏิกิริยาการย่อยโปรตีนได้ดีที่ pH ประมาณ 1.5-2

เมแทบอลิซึม

       เป็นกลุ่มปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์สิ่งมีชีวิตเพื่อค้ำจุนชีวิต วัตถุประสงค์หลักสามประการของเมแทบอลิซึม ได้แก่ การเปลี่ยนอาหารและเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานในการดำเนินกระบวนการของเซลล์ การเปลี่ยนอาหารและเชื้อเพลิงเป็นหน่วยย่อยของโปรตีน ลิพิด กรดนิวคลิอิกและคาร์โบไฮเดรตบางชนิด และการขจัดของเสียไนโตรเจน ปฏิกิริยาเหล่านี้มีเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อให้สิ่งมีชีวิตเติบโตและเจริญพันธุ์ คงไว้ซึ่งโครงสร้างและตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม "เมแทบอลิซึม" ยังสามารถหมายถึง ผลรวมของปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่เกิดในสิ่งมีชีวิต รวมทั้งการย่อยและการขนส่งสสารเข้าสู่เซลล์และระหว่างเซลล์ กลุ่มปฏิกิริยาเหล่านี้เรียกว่า เมแทบอลิซึมสารอินเทอร์มีเดียต(intermediary หรือ intermediate metabolism)

โดยปกติ เมแทบอลิซึมแบ่งได้เป็นสองประเภท คือ แคแทบอลิซึม (catabolism) ที่เป็นการสลายสารโมเลกุลขนาดใหญ่เป็นสารโมเลกุลขนาดเล็ก การสลายสารอินทรีย์ ตัวอย่างเช่น การสลายกลูโคสให้เป็นไพรูเวสเพื่อให้ได้พลังงานในการหายใจระดับเซลลื และแอแนบอลิซึม (anabolism) ที่หมายถึงการสร้างหรือสังเคราะห์สารโมเลกุลขนาดเล็กเป็นสารโมเลกุลขนาดใหญ่ในแมทาบอลิซึม เช่นการสร้างส่วนประกอบของเซลล์  โปรตีนและกรดนิวคลิอิก ทั้งนี้ การเกิดแคแทบอลิซึมส่วนใหญ่มักมีการปลดปล่อยพลังงานออกมา ส่วนการเกิดแอแนบอลิซึมนั้นจะมีการใช้พลังงานเพื่อเกิดปฏิกิริยา