เมื่อกล่าวถึงเมแทบอลิซึม (metabolism) ทุกคนก็คงจะทราบว่า “เมแทบอลิซึม คือ ปฏิกิริยาเคมีที่เร่งโดยเอนไซม์เพื่อเปลี่ยนพลังงานและสสารที่ร่างกายรับมาจากสิ่งแวดล้อมมาใช้ในการดำรงชีพ” แต่บางคนก็คงจะกำลังสงสัยว่าเมแทบอลิซึมกับไฟฟ้าเคมี (electrochemistry) สัมพันธ์กันอย่างไร

         ในความเป็นจริงแล้วปฏิกิริยาเคมีสำคัญๆ ที่เกิดในกระบวนการเมแทบอลิซึมนั้น ส่วนใหญ่จะเป็นปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการให้และการรับอิเล็กตรอน หรือออกซิเดชัน-รีดักชัน (oxidation-reduction reaction) ซึ่งเป็นหลักการที่สำคัญในไฟฟ้าเคมี มาถึงขั้นนี้หลายๆ คนอาจจะพอมองออกแล้วว่า ไฟฟ้าเคมีกับเมแทบอลิซึมสัมพันธ์กันอย่างไร ซึ่งเราจะได้ศึกษาในรายละเอียดกันต่อไป

 

         หลักการของเมแทบอลิซึม คือ การนำเอาสารอาหารและพลังงานแสงมาเปลี่ยนให้เป็นปัจจัยที่สำคัญ ซึ่งมี 3 อย่าง ได้แก่

         1. พลังงานชีวเคมี (biochemical energy) สารชีวเคมีที่สำคัญที่สุด ในกระบวนเมแทบอลิซึม ก็คือ adenosine 5^'-triphosphate หรือ ATP เมื่อแตกสลายเป็น adenosine 5^'diphosphate (ADP) และฟอสเฟต (P_i) แล้วจะให้พลังงานจำนวนมาก ซึ่งพลังงานนี้จะถูกใช้ในการผลักดันให้ปฏิกิริยาที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เอง สามารถเกิดขึ้นได้ เช่น ปฏิกิริยาการรวมตัวเพื่อสร้างโมเลกุล เป็นต้น

         2. อิเล็กตรอน (electrons) สารชีวเคมีที่สามารถรับและถ่ายอิเล็กตรอนได้ในเมแทบอลิซึม คือ

                nicotinamide adenine dinucleotide หรือ NAD⁺ เมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะอยู่ในสภาพรีดิวซ์ (NADH) เมื่อถ่ายอิเล็กตรอนแล้ว ก็จะกลับไปอยู่ในสภาพออกซิไดซ์ (NAD⁺) ได้เหมือนเดิม

                nicotinamide adenine dinucleotide phosphate หรือ NADP⁺ เมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะอยู่ในสภาพรีดิวซ์ (NADPH) เมื่อถ่ายอิเล็กตรอนแล้ว ก็จะกลับไปอยู่ในสภาพออกซิไดซ์ (NADP⁺) ได้เหมือนเดิม

                flavin adenine dinucleotide หรือ FAD เมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะอยู่ในสภาพรีดิวซ์ (FADH₂) เมื่อถ่ายอิเล็กตรอนแล้ว ก็จะกลับไปอยู่ในสภาพออกซิไดซ์ (FAD) ได้เหมือนเดิม

          ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการรับและถ่ายโอนอิเล็กตรอน เราเรียกว่าเป็นปฏิกิริยา oxido – reduction หรือปฏิกิริยารีดอกซ์ (redox reaction) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่สำคัญในไฟฟ้าเคมี ซึ่งสารนำอิเล็กตรอนเหล่านี้มีประโยชน์ต่อเมแทบอลิซึมมาก เพราะ

                ปฏิกิริยาจำนวนมากในเมแทบอลิซึมเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชัน – รีดักชัน
                ปฏิกิริยาออกซิเดชัน – รีดักชันบางชนิดให้พลังงานชีวเคมีเพื่อสร้างสาร ATP ได้

           3. สารต้นตอสำหรับกระบวนการชีวสังเคราะห์สังเคราะห์ (biosynthetic precursor) ได้แก่สารที่มีโครงสร้างง่ายๆ นับตั้งแต่คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) แอมโมเนีย (NH₃) อะซิเตต (CH₃COO^-) รวมไปถึงกลูโคสและกรดอะมิโนที่ร่างกายได้จากการย่อยสลายอาหาร