ถ้าเราจะยึดการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระมาทำนายการเกิดได้เองของปฏิกิริยา เป็นที่น่าสังเกตว่าปฏิกิริยาทางชีวเคมีส่วนมากเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองไม่ได้ (มีค่า DG > 0) ทั้งๆ ที่ปฏิกิริยาเหล่านี้มีความสำคัญต่อการดำรงชีวิตก็ตาม นักเรียนสงสัยไหมว่า ทำไมปฏิกิริยาเหล่านั้นจึงสามารถเกิดขึ้นได้ และมันมีหลักการเป็นอย่างไร?

          ในระบบของสิ่งมีชีวิต ปฏิกิริยาที่สำคัญๆ จำเป็นต้องมีกระบวนการที่เกิดขึ้นได้เองดำเนินควบคู่กันไป เพื่อผลักดันให้ปฏิกิริยานั้นๆ สามารถเกิดขึ้นได้ (มีค่า DG < 0) ซึ่งเราเรียกปฏิกิริยาที่เกิดควบคู่กันนี้ว่า ปฏิกิริยาควบคู่ (coupled reaction)

          หลักการอย่างง่ายของปฏิกิริยาควบคู่ ก็คือ การใช้ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้เองในทางเทอร์โมไดนามิกส์ (thermodynamically favorable reaction) ในการผลักดันให้ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองไม่ได้ (non-favorable reaction) สามารถที่จะเกิดขึ้นได้ (favorable reaction)

หมายเหตุ :

ในความเป็นจริงแล้ว ปฏิกิริยาควบคู่ที่เกิดขึ้นจะมีกลไกที่ซับซ้อนและยุ่งยากมาก ดังนั้น การอธิบายกลไกการเกิดปฏิกิริยาอย่างแน่นอนอาจจะยังเป็นเรื่องที่ค่อนข้างยาก ในที่นี้จะขออธิบายโดยใช้หลักการง่ายจากการรวมสมการเข้าด้วยกันเพื่อดูผลลัพธ์ของพลังงานอิสระเท่านั้น

          พิจารณากระบวนการสกัดสังกะสี (Zn) จากแร่ sphalerite (ZnS) ในอุตสาหกรรม การใช้กระบวนการข้างล่างนี้อาจใช้ไม่ได้ผล เพราะว่าเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นไม่ได้เอง

          ในทางตรงกันข้าม กระบวนการเผาไหม้ของกำมะถันแล้วได้เป็นซัลเฟอร์ไดออกไซด์เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นได้เอง เพราะมี DG < 0

         ถ้าเรารวมปฏิกิริยาทั้งสองเข้าด้วยกัน ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของกำมะถันจะช่วยให้เราสามารถแยก Zn จาก ZnS ได้ ในทางปฏิบัติ หมายความว่าเราจะต้องให้ความร้อนแก่ ZnS ในอากาศ เพื่อให้ S เกิดการเผาไหม้เป็นได้ SO₂ และช่วยเร่งการสลายตัวของ ZnS:

     

หมายเหตุ :

ในความเป็นจริงแล้ว ปฏิกิริยาควบคู่ที่เกิดขึ้นจะมีกลไกที่ซับซ้อนและยุ่งยากมาก ดังนั้น การอธิบายกลไกการเกิดปฏิกิริยาอย่างแน่นอนอาจจะยังเป็นเรื่องที่ค่อนข้างยาก ในที่นี้จะขออธิบายโดยใช้หลักการง่ายจากการรวมสมการเข้าด้วยกันเพื่อดูผลลัพธ์ของพลังงานอิสระเท่านั้น

ปฏิกิริยาควบคู่ในกระบวนการสกัดสังกะสี

 

เดี๋ยวเรามาดูกันต่อเลยนะครับว่า ปฏิกิริยาควบคู่มีอิทธิพลมากแค่ไหนต่อการดำรงชีวิต

         ปฏิกิริยาควบคู่ (coupled reaction) มีบทบาทสำคัญมากต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์เรา ในระบบของสิ่งมีชีวิต มีเอนไซม์ช่วยเร่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นไม่ได้เองหลายๆ ปฏิกิริยาให้เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้ เช่น ในร่างกายของมนุษย์เรามีกระบวนการเมแทบอลิซึม (metabolism) ในการเปลี่ยนกลูโคส (C₆H₁₂O₆) เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และน้ำ (H₂O) พร้อมกับปล่อยพลังงานอิสระออกมาจำนวนมาก

หมายเหตุ :

ในความเป็นจริงแล้ว ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจริงนั้น กลูโคสไม่ได้ทำปฏิกิริยากับ O2 โดยตรง (สมการที่แสดงก็เป็นเพียงสมการรวมเท่านั้น) โดย C ที่อยู่ใน CO2 นั้นมาจากโมเลกุลของกลูโคส แต่ O ที่อยู่ใน H2O ไม่จำเป็นต้องมาจาก O2 ทั้งหมด ซึ่งอาจจะมาจากโมเลกุลของกลูโคสด้วยก็ได้

 

          ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ปฏิกิริยาจะไม่ได้เกิดขึ้นเพียงขั้นตอนเดียว (ไม่เหมือนกับการเผากลูโคส) แต่โมเลกุลของกลูโคสจะถูกย่อยด้วยการทำงานของเอนไซด์เป็นลำดับขั้นตอน และพลังงานอิสระส่วนใหญ่จะถูกปล่อยออกมาในขั้นการสังเคราะห์ ATP (Adenosine triphosphate) จาก ADP (adenosine diphosphate) และกรดฟอสฟอริก (phosphoric acid)

ปฏิกิริยาควบคู่ในกระบวนการสลายกลูโคสและการเกิด ATP

หมายเหตุ :

ในความเป็นจริงแล้ว ปฏิกิริยาควบคู่ที่เกิดขึ้นจะมีกลไกที่ซับซ้อนและยุ่งยากมาก ดังนั้น การอธิบายกลไกการเกิดปฏิกิริยาอย่างแน่นอนอาจจะยังเป็นเรื่องที่ค่อนข้างยาก ในที่นี้จะขออธิบายโดยใช้หลักการง่ายจากการรวมสมการเข้าด้วยกันเพื่อดูผลลัพธ์ของพลังงานอิสระเท่านั้น

 

นักเรียนคิดว่า ปฏิกิริยาที่จะผลักดันให้กระบวนการสังเคราะห์โปรตีนในร่างกายของเรา (ซึ่งไม่สามารถเกิดขึ้นได้เอง) สามารถที่จะเกิดขึ้นได้ น่าจะเป็นปฏิกิริยาใด ?

          หมู่ฟังก์ชัน (functional group) ของ ATP ทำหน้าที่เก็บพลังงานเอาไว้ใช้เมื่อเซลล์ต้องการ ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ATP จะถูกไฮโดรไลซ์ (hydrolyzed) ไปเป็น ADP และกรดฟอสฟอริก พร้อมกับปล่อยพลังงานอิสระออกมา 31 kJ เพื่อที่จะใช้ในการขับดันให้กระบวนการที่เกิดขึ้นไม่ได้เองให้สามารถเกิดขึ้นได้ เช่น การสังเคราะห์โปรตีน เป็นต้น          โปรตีนเป็นพอลิเมอร์ที่มีมอนอเมอร์เป็นกรดอะมิโน (amino acid) ในการสังเคราะห์โปรตีนจะเกี่ยวข้องกับการเชื่อมกรดอะมิโนเข้าด้วยกัน พิจารณาการเกิดไดเพปไทด์อะลานิลไกลซีน (alanylglycine dipeptide) จากอะลานีน (alanine) และไกลซีน (glycine) ซึ่งปฏิกิริยานี้เป็นขั้นตอนแรกในการสังเคราะห์โมเลกุลของโปรตีน

         จะเห็นได้ว่า ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองไม่ได้ แสดงว่า ที่สมดุลอาจมีไดเพปไทด์เกิดขึ้นเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม จากการทำงานของเอนไซม์ และปฏิกิริยาเกิดควบคู่กับปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของ ATP ทำให้ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นได้ เพราะมี DG เป็น - 2 kJ ( -31 kJ + 29 kJ = - 2 kJ) และมีโมเลกุลของอะลานิลไกลซีนจำนวนมากเกิดขึ้นภายใต้สภาวะนี้

ปฏิกิริยาควบคู่ในกระบวนการเกิดไดเพปไทด์อะลานิลไกลซีน

หมายเหตุ :

ในความเป็นจริงแล้ว ปฏิกิริยาควบคู่ที่เกิดขึ้นจะมีกลไกที่ซับซ้อนและยุ่งยากมาก ดังนั้น การอธิบายกลไกการเกิดปฏิกิริยาอย่างแน่นอนอาจจะยังเป็นเรื่องที่ค่อนข้างยาก ในที่นี้จะขออธิบายโดยใช้หลักการง่ายจากการรวมสมการเข้าด้วยกันเพื่อดูผลลัพธ์ของพลังงานอิสระเท่านั้น

 

        ภาพข้างล่างนี้ แสดง การเปลี่ยนแปลงระหว่าง ATP - ADP ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเก็บพลังงานจากกระบวนการเมตาบอลิสมและพลังงานอิสระจากการปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของ ATP ไว้ใช้ในการขับดันให้เกิดปฏิกิริยาที่จำเป็นต่อไป

การสังเคราะห์ ATP และปฏิกิริยาคู่ควบในระบบของสิ่งมีชีวิต

         การเปลี่ยนจากกลูโคสไปเป็น CO₂ กับ H₂O ในกระบวนการเมตาบอลิสม จะมีการปล่อยพลังงานอิสระออกมาและใช้พลังงานนี้ในการสังเคราะห์ ATP จาก ADP หลังจากนั้น ATP ก็จะถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานในการขับดันปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นไม่ได้เองเพื่อให้เกิดขึ้นได้ เช่น การสังเคราะห์โปรตีนจากกรดอะมิโน เป็นต้น