ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

การแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า

2 H2O + 2 H2 + O2 พลังงาน ปฏิกิริยาดูดพลังงาน

พลังงาน 2 H2 + O2 2 H2 O + ปฏิกิริยาคายพลังงาน

ปฏิกิริยาในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ปฏิกิริยาคายพลังงาน : ปฏิกิริยาที่ดูดพลังงานเข้าไปใช้ในการสลายพันธะ น้อยกว่า พลังงานที่คายออกมาเพื่อสร้างพันธะใหม่

ปฏิกิริยาในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ปฏิกิริยาดูดพลังงาน : ปฏิกิริยาที่ดูดพลังงานเข้าไปใช้ในการสลายพันธะ มากกว่า พลังงานที่คายออกมาเพื่อสร้างพันธะใหม่

ข้อควรจำ 1.อะตอมของธาตุ หรือสารประกอบ รวมอยู่ได้ด้วย พันธะเคมี และมีพลังงานสะสมอยู่ซึ่งเรียกว่า พลังงานพันธะ (bond energy) 2.ปฏิกิริยาที่มีการใช้พลังงานเข้าไปสลายพันธะ มากกว่า พลังงานที่คายออกมาสร้างพันธะใหม่ในโมเลกุลใหม่ เรียกว่า ปฏิกิริยาดูดพลังงาน 3.ปฏิกิริยาที่มีการใช้พลังงานเข้าไปสลายพันธะ น้อยกว่า พลังงานที่คายออกมาสร้างพันธะใหม่ในโมเลกุลใหม่ เรียกว่า ปฏิกิริยาคายพลังงาน 4.สารอินเทอร์มิเดียท คือสารที่เกิดระหว่างสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ เป็นสารที่ไม่อยู่ตัว สามารถเปลี่ยนแปลงไปเป็นสารตั้งต้น หรือสารผลิตภัณฑ์ก็ได้

ใบกิจกรรมที่ 4.1 เรื่อง การดูดและคายพลังงานในปฏิกิริยา ใบกิจกรรมที่ 4.1 เรื่อง การดูดและคายพลังงานในปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยา(Catalyst)

คุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยา(Catalyst) 1. ไม่มีการเปลี่ยนแปลงในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา 2. ช่วยลดพลังงานกระตุ้นในการเปลี่ยนสารตั้งต้นไปเป็นสารผลิตภัณฑ์ 3. ช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา เอนไซม์ จัดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

กระบวนการเมแทบอลิซึม (Metabolism) กระบวนการแอนาบอลิซึม (Anabolism) หมายถึง กระบวนการสังเคราะห์ สารอินทรีย์โมเลกุลใหญ่ที่ซับซ้อน จากสารโมเลกุลเล็กง่าย ๆ เช่น การสังเคราะห์โปรตีนจาก กรดอะมิโน กระบวนการแคแทบอลิซึม (Catabolism) หมายถึง กระบวนการสลายสาร โมเลกุลใหญ่ให้เป็นสารโมเลกุลเล็กลง พร้อมกับได้พลังงานออกมา เช่น การสลายน้ำตาลกลูโคสในเซลล์ จนได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำพร้อมพลังงานที่เก็บสะสมไว้ ในกลูโคสถูกปลดปล่อยออกมา

เอนไซม์และการทำงานของเอนไซม์ ซับสเตรต เอนไซม์ + ซับสเตรต เอนไซม์ ผลิตภัณฑ์   + +

หน้าที่ของเอนไซม์ในการเร่งปฏิกิริยาเคมี คือช่วยลดพลังงานกระตุ้นที่ใช้ในปฏิกิริยาให้น้อยลง

อิมิล ฟิเชอร์ “ทฤษฎีลูกกุญแจ-แม่กุญแจ” อิมิล ฟิเชอร์ “ทฤษฎีลูกกุญแจ-แม่กุญแจ”

เอนไซม์แต่ละชนิดจะทำหน้าที่เฉพาะเจาะจงเฉพาะซับสเตรต

เอนไซม์มีสมบัติเร่งปฏิกิริยาย้อนกลับได้

รูปร่างและส่วนประกอบของเอนไซม์ เอนไซม์เป็นสารประกอบโปรตีนที่ม้วนเป็นก้อน ประกอบด้วยพอลิเพปไทด์สายเดียวหรือหลายสายขดไปขดมา มีไอออนของโลหะหรือโมเลกุลของสารที่ไม่ใช่โปรตีนเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย มีไอออนโลหะหนัก หรือโมเลกุลของสารอินทรีย์(วิตามินต่าง ๆ )

ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานงานของเอนไซม์ การทำงานของเอนไซม์จะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ อุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการทำงานของเอนไซม์ระหว่าง 30-35 องศาเซลเซียส อุณหภูมิสูงหรือต่ำกว่านี้ อัตราการทำงานของเอนไซม์จะ ลดลง และลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิขึ้นไปสูงถึง 40 องศาเซลเซียส

ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานงานของเอนไซม์ เอนไซม์ทำงานได้ดีในระดับกรด-เบสต่างกัน เอนไซม์ทำงานได้ดีในอุณหภูมิต่าง ๆ กัน

ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานงานของเอนไซม์ อัตราการเกิดปฏิกิริยา ความเข้มข้นของสารตั้งต้น ถ้ามีปริมาณซับสเตรตเพิ่มขึ้นมากเรื่อย ๆ โดยปริมาณเอนไซม์ไม่เพิ่ม อัตราของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นจนถึงระดับหนึ่งแล้วอัตราของปฏิกิริยาจะคงที่

ทฤษฎีเหนี่ยวนำให้เหมาะสม(Induce Fit theory) ของแดเนียล คอชแลนด์ รูปร่างของเอนไซม์จะเปลี่ยนไป เมื่อมีซับสเตรตมาจับที่บริเวณเร่ง ซึ่งจะมีความยืดหยุ่น โครงรูปของซับสเตรตจะเหนี่ยวนำโครงรูปของบริเวณเร่งให้เข้ากันได้พอดี เอนไซม์เปลี่ยนรูปร่างไปบ้างเล็กน้อย ทำให้โมเลกุลของสารที่มีรูปร่างคล้ายกัน สามารถจับกับบริเวณเร่งได้

การยับยั้งเอนไซม์

ประโยชน์ของตัวยับยั้งของเอนไซม์ ใช้ในการศึกษาหาขั้นตอนของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ตัวยับยั้งเอนไซม์ ส่วนมากจะทำหน้าที่ยับยั้งเอนไซม์เฉพาะอย่าง แต่ไม่มีผลกับปฏิกิริยาอื่น ซึ่งมีเอนไซม์อื่นเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เว้นแต่เป็นปฏิกิริยาต่อเนื่อง เช่น เอนไซม์ตัวแรกเปลี่ยนสารตั้งต้นให้เป็นผลิตภัณฑ์ และผลิตภัณฑ์ตัวนี้ถูกเอนไซม์ตัวที่สองเปลี่ยนให้เป็นผลิตภัณฑ์ตัวที่สอง เมื่อเอนไซม์ตัวแรกถูกยับยั้ง ผลิตภัณฑ์ตัวแรกจะไม่เกิด เอนไซม์ตัวที่สองจึงไม่ได้จับกับผลิตภัณฑ์ตัวแรก ไม่ใช่ตัวยับยั้งไปยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ทั้งสองตัว

ตัวอย่างการหาลำดับขั้นตอนของปฏิกิริยา 1.สมมติว่าใส่สารชนิดที่ 1 ลงในหลอดทดลองที่เลี้ยงเซลล์ ผลที่ได้พบว่า การ หายใจของเซลล์เหล่านั้นหยุดชะงักลง เมื่อนำมาทดสอบด้วยกระบวนการ ทาง ชีวเคมี เพื่อหาปริมาณสารต่าง ๆ ภายในเซลล์ พบว่า สารที่เคยมีประจำในเซลล์ มีปริมาณต่างกันออกไป 3 พวก คือ สาร A และสาร B ซึ่งมีปริมาณปกติ สาร C ไม่มีเลย ส่วนสาร D มีปริมาณสูงกว่าปกติ จึงสรุปผลการทดลองช่วงนี้ได้ว่า น่าจะเป็นไปได้ 2 กรณี คือ A B D C หรือ B A D C

ต่อไปสมมติว่า ใส่สารชนิดที่ 2 ลงไปในหลอดทดลองที่เลี้ยงเซลล์ไว้อีกหลอดหนึ่ง ผลปรากฏว่าการหายใจของเซลล์จะหยุดชะงักเช่นเดียวกัน แต่คราวนี้สาร B มีปริมาณสูงขึ้นมากผิดปกติ ส่วนสาร A สาร C และสาร D ไม่มีเลย ทำให้สรุปผลการทดลองในช่วงนี้ได้ว่า สารต่าง ๆ ควร มีปฏิกิริยาตามลำดับ คือ B A D C

2.สมมติให้ปฏิกิริยาชีวเคมีอันหนึ่งมีสาร A เป็นสารตั้งต้น เมื่อให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นสักครูหนึ่งพบว่า มีสาร B และ C เกิดขึ้น และมีสาร D เกิดขึ้นในภายหลัง ช่วงนี้อาจสรุปปฏิกิริยาว่า A B และ C D

จากการทดสอบการยับยั้งปฏิกิริยาด้วยตัวยับยั้ง พบว่า ตัวยับยั้งตัวหนึ่งสามารถยับยั้งปฏิกิริยาได้ ถ้าเติมสาร A ในปฏิกิริยา แล้วเติมตัวยับยั้งดังกล่าวลงไป พบว่าปริมาณสาร C เพิ่มขึ้น ในขณะที่ปริมาณ B จะลดลง ช่วงนี้อาจสรุปปฏิกิริยาว่า A C B D ตัวยับยั้ง

สรุปสมบัติของเอนไซม์ เอนไซม์เป็นสารประกอบพวกโปรตีน ประกอบด้วยกรดอะมิโนต่อกันด้วยพันธะเพปไทด์ เอนไซม์แสดงสมบัติของโปรตีนได้ เช่น ละลายน้ำได้ ตกตะกอนในแอลกอฮอล์เข้มข้น เสียสภาพธรรมชาติเมื่อถูกความร้อนสูง เป็นคะตะลิสต์อินทรีย์ (Organic catalyst) มีหน้าที่เร่งปฏิกิริยา โดยช่วยลดพลังงานกระตุ้นให้ต่ำลง ปฏิกิริยาจึงเกิดได้ง่ายและเร็วขึ้น มีความจำเพาะเจาจง (specificity) ต่อสารตั้งต้น โดยสารตั้งต้นสามารถเข้าจับที่บริเวณเร่งของเอนไซม์ได้พอดี หรือ อาจมีการเหนี่ยวนำให้โครงรูปของบริเวณเร่งเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย จึงทำให้สารตั้งต้นจับกับบริเวณเร่งได้พอดี โครงสร้างของเอนไซม์ไม่เปลี่ยนแปลงหลังเกิดปฏิกิริยาแล้ว จึงสามารถทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นตัวใหม่ได้อีก อัตราการทำงานของเอนไซม์จะเร็วหรือช้าขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความเข้มข้นของสารตั้งต้น ความเข้มข้นของเอนไซม์เอง อุณหภูมิ pH การสัมผัสระหว่างเอนไซม์กับสารตั้งต้น