ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต มีทั้งการสังเคราะห์ชีวโมเลกุลที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต และการสลายสารชีวโมเลกุลที่ได้รับจากการกินอาหาร ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานเคมี และการผลิคพลังงานเคมีของเซลล์

1. พลังงานเคมี

คือพลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาเคมี เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงพันธะเคมีเมื่อเกิดปฏิกิริยา กล่าวคือ ต้องการใช้พลังงานไปสลายพันธะของสารตั้งต้น พันธะเคมีที่สลายก็จะมีพลังงานปล่อยออกมา ซึ่งบางส่วนถูกใช้ไปสร้างพันธะใหม่ของสารผลิตภัณฑ์ สารผลิตภัณฑ์ที่ได้อาจจะมีพลังงานพันธะสูง หรือตํ่ากว่าสารตั้งต้นก็ได้

       1.1 ปฎิกิริยาเคมีดูดพลังงาน (endergornic reaction) คือ ปฏิกิริยาเคมีที่ใส่พลังงานกระตุ้นมากกว่าพลังงานที่ปฏิกิริยาปล่อยออกมา สารผลิตภัณฑ์ที่ได้มีพลังงานพันธะสูงกว่าสารตั้งต้น ตัวอย่างปฏิกิริยาดูดพลังงาน เช่น ปฏิกิริยาการแยกนํ้าด้วยไฟฟ้า ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสง

2H2O + พลังงานไฟฟ้า --> 2H2+ O2 

6CO2+ 12H2O2+ พลังงานแสง --> C6H12O6+ 6H2O + 6O2

       1.2 ปฎิกิริยาเคมีคายพลังงาน (exergornic reaction) คือ ปฏิกิริยาเคมีที่ใส่พลังงานกระตุ้นน้อยกว่าพลังงานที่ปฏิกิริยาปล่อยออกมา สารผลิตภัณฑ์ที่ได้มีพลังงานพันธะตํ่ากว่าสารตั้งต้น ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยารวมตัวของไฮโดรเจนกับออกซิเจนเกิดนํ้า ปฏิกิริยาสลายกลูโคส

2H2O + O2--> 2H2O2+ พลังงาน

C6H12O6 + 6O2 + 6H2O --> CO2O6 + 12H2O + พลังงาน

ปฏิกิริยาคายพลังงานเกิดขึ้นได้เองโดยง่าย หรือต้องการพลังงานกระตุ้นน้อยในการเริ่มต้นเท่านั้น เช่น การรวมตัวของไฮโดรเจนกับออกซิเจนจนเกิดน้ำ ต้องการเปลวไฟหรือประกายไฟเพียงเล็กน้อยกระตุ้น ในขณะที่ปฏิกิริยาดูดพลังงานเกิดขึ้นยาก เพราะต้องการพลังงานกระตุ้นในปริมาณมาก และต้องให้ตลอดเวลาของการเกิดปฏิกิริยา

พลังงานเคมีที่เซลล์สิ่งมีชีวิตนำมาใช้ทำกิจกรรมต่างๆ ในการดำรงชีวิต ได้มาจากปฏิกิริยาสลายอาหารต่างๆ ที่เรียกว่า ปฏิกิริยาการหายใจของเซลล์ ซึ่งเป็นปฏิกิริยาเคมีประเภทคายพลังงานนั่นเอง

2. เมแทบอลิซึม (metabolism)

คือปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่เกิดในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต แบ่งเป็น 2 ประเภท

       2.1 แคแทบอลิซึม (catabolism) เป็นปฏิกิริยาสลายสารชีวโมเลกุล เป็นสารโมเลกุลเล็ก (เช่น กรดแลกติก กรดแอซีติก คาร์บอนไดออกไซด์ แอมโมเนีย ยูเรีย) เป็นผลให้มีการปล่อยพลังงานเคมีที่สะสมในสารโมเลกุลใหญ่ออกมา และถูกนำไปใช้สังเคราะห์สารพลังงานสูง (ATP) ซึ่งเป็นพลังงานเคมีรูปที่เซลล์นำไปใช้ได้

       2.2 แอนาบอลิซึม (anabolism) เป็นปฏิกิริยาสังเคราะห์สารชีวโมเลกุลขึ้นมาจากสารตั้งต้น หรือหน่วยย่อยของสารเหล่านี้ แอนาบอลิซึมต้องใช้พลังงาน ATP ที่ได้จากแคแทบอลิซึม

เมแทบอลิซึมของสารใดสารหนึ่ง จะมีทั้งแคแทบอลิซึมและแอนาบอลิซึมเกิดขึ้นในเซลล์ตลอดเวลา แต่ไม่ใช่ปฏิกิริยาย้อนกลับ และมีการควบคุมแยกจากกัน เพราะการสลายสารและการสังเคราะห์สารชีวโมเลกุลไม่ใช่ปฏิกิริยาเดี่ยว แต่ประกอบด้วยปฏิกิริยาย่อยๆ ที่เปลี่ยนแปลงสารไปทีละขั้น สารที่เกิดขึ้นระหว่างเปลี่ยนแปลงเป็นสารผลิตภัณฑ์ เรียกว่าสารอินเทอร์มีเดียท หรือสารเมทาบอไลต์ (intermediate หรือ metabolite) ทุกปฏิกิริยาในเมแทบอลิซึมเกิดขึ้นได้ต้องมีปัจจัยต่างๆ เหมาะสม และต้องมีเอนไซม์เฉพาะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

3. เอนไซม์ (enzyme)

คือสารชีวโมเลกุลประเภทหนึ่ง ส่วนใหญ่เป็นโปรตีนก้อนกลม มีคุณสมบัติในการเร่งกระบวนการเมตาบอลิซึมต่างๆ ในร่างกาย ทำให้สารตั้งต้น (substrate) กลายเป็นสารผลิตภัณฑ์ (product) ได้เร็วขึ้น เพราะช่วยเร่งปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ด้วยกลไกเฉพาะ เหมือนเป็นทางลัดที่ทำให้เราไปถึงที่หมายได้เร็วยิ่งขึ้น

ปฏิกิริยาเคมีทุกชนิด จะเกี่ยวข้องกับการสร้าง และทำลายพันธะระหว่างอะตอม หรือโมเลกุลสารต่างๆ ในธรรมชาติ จะมีสถานะที่เสถียร (stable state) เหมือนกัน ซึ่งการที่จะทำให้สารเหล่านี้เกิดปฏิกิริยากลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่เราต้องการได้ ก็คือต้องทำให้ไม่เสถียร (unstable state) และเมื่อสารตั้งต้นที่ไม่เสถียรได้รับพลังงานก็จะเกิดปฏิกิริยาต่อไป กลายเป็นสารผลิตภัณฑ์นั่นเอง

เอนไซม์จะประกอบไปด้วย 2 ส่วน คือ

             - ส่วนที่เป็นเอนไซม์ที่ยังไม่ทำหน้าที่ (inactive) โดยเป็นส่วนของโปรตีน เรียกว่า อะโปเอนไซม์ (apoenzyme)

             - ส่วนที่ไม่ใช่โปรตีน แต่อาจเป็นสารอินทรีย์หรืออนินทรีย์อื่นๆ ที่มาจับกับอะโปเอ็นไซม์แล้วทำให้กลายเป็นเอ็นไซม์ที่สมบูรณ์ เรียกว่า โคแฟกเตอร์ (cofactors)

เอนไซม์บางชนิดก็ต้องการโมเลกุลของสารอื่นมาช่วยในการทำงาน ซึ่งโมเลกุลเหล่านี้ก็มีทั้งสารอนินทรีย์ (inorganic) เรียกว่าโคแฟกเตอร์ (cofactors) เช่น ไอออนของสังกะสี เหล็ก หรือทองแดง หรือจะเป็นสารอินทรีย์ (organic) เรียกว่าโคเอนไซม์ (coenzyme) ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นวิตามิน

การทำงานของเอนไซม์สารตั้งต้น (substrate) จะเข้าจับกับเอนไซม์ที่บริเวณจำเพาะของเอนไซม์ เรียกว่า บริเวณเร่ง (active site) โดยบริเวณเร่งของเอนไซม์แต่ละชนิด จะมีลักษณะเฉพาะตัว ทำให้เอนไซม์แต่ละชนิดมีความจำเพาะกับสารตั้งต้น เมื่อสารตั้งต้นและเอนไซม์เกิดการจับกัน จะเกิดเป็นเอนไซม์ซับสเตรต คอมเพล็กซ์ (enzyme-substrate complex) จากนั้นปฏิกิริยาจะเกิดต่อไปจนจบ และได้สารผลิตภัณฑ์

       3.1 ทฤษฎีการจับกันระหว่างสารตั้งต้นและเอนไซม์มีอยู่ 2 แบบด้วยกัน คือ

- ทฤษฎีลูกกุญแจกับแม่กุญแจ (lock and key theory) ในการจับกันระหว่างสารตั้งต้นและเอนไซม์ แบบลูกกุญแจกับแม่กุญแจ บริเวณเร่งของเอนไซม์ และสารตั้งต้น ต้องมีรูปร่างที่พอดีกันจึงจะสามารถเกิดปฏิกิริยาได้ เหมือนลูกกุญแจกับแม่กุญแจที่ต้องมีรูปร่างพอดีกันเท่านั้นถึงจะปลดล็อก

             - ทฤษฎีเหนี่ยวนำให้เหมาะสม (induced fit theory) ในการจับกันระหว่างสารตั้งต้นและเอนไซม์ แบบเหนี่ยวนำให้เหมาะสม บริเวณเร่งของเอนไซม์อาจมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ โดยเมื่อสารตั้งต้นเข้ามาจับกับบริเวณเร่ง สารตั้งต้นจะเหนี่ยวนำให้บริเวณเร่งเปลี่ยนแปลงรูปร่างให้เข้ากับสารตั้งต้นได้พอดี

       3.2 ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์

             - ความเข้มข้นของสารตั้งต้น และการเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น จะทำให้อัตราเร็วเริ่มต้นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นยังน้อยอยู่ แต่จะเพิ่มขึ้นในอัตราที่ช้าลง ในช่วงที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นสูงมาก และในที่สุดอัตราเร็วเริ่มต้นจะสูงคงที่ ไม่แปรผันกับความเข้มข้นของสารตั้งต้นอีกต่อไป

             - ค่า pH เอนไซม์แต่ละตัวจะมีค่า pH ที่ทำงานได้ดีที่สุด ซึ่งส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วงระหว่าง pH 5 ถึง pH 9 ความสามารถของเอนไซม์ในการจับกับสารตั้งต้น และในการเร่งปฏิกิริยา อาจขึ้นอยู่กับความสมดุลของประจุของหมู่ต่างๆ ในบริเวณเร่ง และบริเวณจับของเอนไซม์ รวมทั้งประจุของสารตั้งต้นเองด้วยที่ pH ต่ำ หรือสูงเกินไป มักทำให้ประจุเปลี่ยนไปจนไม่เหมาะสมที่จะทำปฏิกิริยากัน นอกจากนี้ที่ pH สูงมาก หรือต่ำมาก อาจทำให้โครงสร้างของเอนไซม์เสียรูปร่างสามมิติเปลี่ยนไปจนทำงานไม่ได้

             - อุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มมักจะทำให้ปฏิกิริยาเคมีทั่วๆไปมีอัตราเร็วสูงขึ้น เพราะจะทำให้โมเลกุลของสารตั้งต้นมีพลังงานมากขึ้น และเพิ่มโมเลกุลที่มีพลังงานเพียงพอที่จะเข้าสู่สภาพเปลี่ยน แต่สำหรับปฏิกิริยาของเอนไซม์ การเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้อัตราเร็วของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นด้วย  แต่ที่อุณหภูมิสูงเกินไปอาจทำให้เอนไซม์เสียสภาพธรรมชาติ อัตราเร็วจะลดลงทันที

             - ความเข้มข้นของเอนไซม์ เมื่อปฏิกิริยาเกิดที่ความเข้มข้นอิ่มตัวของสารตั้งต้น อัตราความเร็วเริ่มต้นจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณเอ็นไซม์ที่ใช้ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความเข้มข้นของเอนไซม์โดยมีสารตั้งต้นอย่างเพียงพอ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นได้เพียงระยะหนึ่ง หลังจากนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะคงที่ 

             - ตัวยับยั้ง (inhibitor) สารบางชนิดมีผลต่อการทำงาน โดยสารที่ทำให้เอนไซม์ทำงานลดลง แบ่งเป็น ตัวยับยั้งแบบแก่งแย่ง (competitive inhibitor) มีโครงสร้างคล้ายสารตั้งต้น แย่งที่จับกับเอนไซม์ที่แอกทีฟไซต์ ทำให้สารตั้งต้นเอนไซม์ได้ลดลง ปฏิกิริยาจึงลดลง หรือหยุดชะงักไป และตัวยับยั้งแบบแอลโลสเตอริก (allosteric inhibitor) ไม่ได้มีโครงสร้างเหมือนสารตั้งต้นและไม่ได้จับกับเอนไซม์ที่แอกทีฟไซด์ แต่จับเอนไซม์ที่แอลโลสเตอริก ไซท์ (allosteric site) ที่มีอยู่ในเอนไซม์บางชนิด (allosteric enzyme) ซึ่งมีผลให้เอนไซม์มีรูปร่างเปลี่ยนไป และทำงานได้ลดลง

เรียบเรียงโดย : พัดชา วิจิตรวงศ