สารชีวโมเลกุล

 

สารชีวโมเลกุล

สารชีวโมเลกุล หมายถึง สารอินทรีย์ที่สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ขึ้นเท่านั้น เช่น ไขมัน น้ำมัน โปรตีน คาร์โบไฮเดรต กรดนิวคลีอิก จัดเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของอาหารที่จำเป็นต่อร่างกาย มีโมเลกุลตั้งแต่ขนาดเล็กจนถึงขนาดใหญ่มาก มีธาตุไฮโดรเจนและคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักแต่ละชนิดมีโครงสร้าง สมบัติและปฏิกิริยาที่ต่างกัน ทำให้มีหน้าทีและประโยชน์ต่อร่างกายแตกต่างกันไป

ลักษณะที่สำคัญของสารชีวโมเลกุลเป็นดังนี้

1.ประกอบด้วยธาตุขนาดเล็ก มีมวลโมเลกุลต่ำ เช่น C, H, O, N, S, P ธาตุชนิดอื่นมีพบบ้าง (เช่น Fe, Cu, Zn) แต่จัดว่าน้อยเมื่อเทียบกับน้ำหนักของร่างกาย แต่ก็มีความจำเป็นต่อการดำรงชีวิตด้วย

2.เป็นสารประกอบของคาร์บอน โดยคาร์บอนจะเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์เกิดเป็นโครงร่างคาร์บอน จากนั้นอะตอมอื่นๆจะเติมเข้ามาในโครงร่างคาร์บอนนี้

อะตอมที่เติมเข้ามาเรียกว่าหมู่ฟังก์ชัน (functional group) ซึ่งเป็นตัวกำหนดลักษณะเฉพาะของโมเลกุลนั้นๆ

3.สารชีวโมเลกุลจะมีโครงสร้างสามมิติซึ่งมีบทบาทสำคัญในการทำงาน

สารชีวโมเลกุลส่วนใหญ่อยู่ในรูปอสมมาตร

4.สารชีวโมเลกุลจะเกิดจากหน่วยขนาดเล็ก (monomer) ที่มีโครงสร้างใกล้เคียงกัน จัดเรียงตัวเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น (polymer) การรวมตัวกันนี้ต้องใช้พลังงาน ส่วนการย่อยสลายโพลีเมอร์จะได้พลังงาน

ชีวโมเลกุลขนาดต่างๆ ที่พบในธรรมชาติมีดังนี้:

• คาร์โบไฮเดรต
• โปรตีน
• ไขมัน
• กรดนิวคลีอิก

คาร์โบไฮเดรต

คาร์โบไฮเดรตเป็นสารอาหารหลักซึ่งให้พลังงานเท่ากับ โปรตีน คือ 4 กิโลแคลลอรี่/1 กรัม ประกอบด้วย C คาร์บอน H ไฮโดรเจน และ O ออกซิเจน เป็น  อัตราส่วน m:2n:n คาร์โบไฮเดรต แบ่งออกเป็น 3อย่างคือ

1.monosaccharide(น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว ) ได้แก่ glucose , fructose , galactose

2.disaccharides(น้ำตาลโมเลกุลคู่) ได้แก่ maltose , lactose , sucrose

3.polysaccharides(โพลีแซคคาไรด์ ) ได้แก่ starch , glycogen , cellulose

น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว

น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวเป็นโครงสร้างพื้นฐานของคาร์โบไฮเดรต เป็นคีโตนหรืออัลดีไฮด์ที่มีหมู่ไฮดรอกซิลเกาะอยู่หลายกลุ่ม แบ่งเป็นสองกลุ่มใหญ่คือน้ำตาลอัลโดส มีหมู่อัลดีไฮด์ เช่นน้ำตาลกลูโคส และน้ำตาลคีโตส มีหมู่คีโตน เช่นน้ำตาลฟรุกโตส

น้ำตาลโมเลกุลคู่

น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวจะรวมตัวเป็นน้ำตาลโมเลกุลคู่ด้วยพันธะไกลโคซิดิก ระหว่างหมู่ไฮดรอกซิลของน้ำตาลตัวหนึ่งกับคาร์บอนของน้ำตาลอีกตัวหนึ่ง ตำแหน่งที่เกิด

พันธะไกลโคซิดิกแสดงโดย (1→4) ซึ่งแสดงว่า C1 ของตัวแรกต่อกับ C4 ของน้ำตาลตัวที่สอง

โพลีแซคคาไรด์

เกิดจากการต่อกันของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวจนเป็นสายยาว โพลีแซคคาไรด์แบ่งเป็นสองชนิดคือ โฮโมโพลีแซคคาไรด์ ประกอบด้วยน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวชนิดเดียว กับเฮเทอโรโพลีแซคคาไรด์ ประกอบด้วยน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวหลายชนิด โพลีแซคคาไรด์ที่สำคัญมีหลายชนิด ได้แก่

แป้ง เป็นอาหารสะสมในเซลล์พืช ประกอบด้วยโพลีเมอร์ของกลูโคสสองชนิดคือ อะไมโลส ไม่แตกกิ่ง ต่อด้วย (α1→4)

อะไมโลเพกติน เป็นสายโพลีแซคคาไรค์ที่แตกกิ่ง โดยส่วนที่เป็นเส้นตรงต่อด้วย (α1→4) และส่วนที่แตกกิ่งต่อด้วย (α1→6)

ไกลโคเจน เป็นอาหารสะสมในเซลล์สัตว์ มีโครงสร้างคล้ายอะไมโลเพกตินแต่แตกกิ่งมากกว่า

เซลลูโลส เป็นโครงสร้างของเซลล์พืช ลักษณะเป็นโซ่ตรงของกลูโคส ไม่แตกกิ่ง ต่อกันด้วยพันธะ (β1→4)

โปรตีน

โปรตีน คือ สารชีวโมเลกุลประเภทสารอินทรีย์ที่ประกอบด้วยธาตุ C, H, O, N เป็นองค์ประกอบสำคัญนอกจากนั้นยังมีธาตุอื่น ๆ เช่น S, P, Fe, Zn ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของโปรตีน

องค์ประกอบย่อยของโปรตีนเรียกว่า กรดอะมิโน

โปรตีนและเพปไทด์ ประกอบด้วยกรดอะมิโนเรียงตัวกันเป็นสายยาวโดยมี

พันธะเพปไทด์เป็นพันธะเชื่อมโยง พันธะเพปไทด์ เป็นพันธะเอไมด์ ที่เกิดจากการรวมตัวกันของหมู่คาร์บอกซิลของกรดอะมิโนตัวที่หนึ่งกับหมู่อะมิโนของกรดอะมิโนตัวถัดไปและมีการสูญเสียน้ำหนึ่งโมเลกุล

โครงสร้างของโปรตีน

ลำดับของกรดอะมิโนจะเป็นตัวกำหนดโครงสร้างและการทำงานของโปรตีนนั้นๆ โดยทั่วไป โปรตีนมีโครงสร้างสามมิติสี่ระดับด้วยกันคือ

• โครงสร้างปฐมภูมิ เป็นโครงสร้างที่แสดงพันธะระหว่างกรดอะมิโนแต่ละตัว
• โครงสร้างทุติยภูมิ เป็นโครงสร้างที่แสดงการจัดตัวของกรดอะมิโนที่อยู่ใกล้กัน โปรตีนทุกชนิดจะมีโครงสร้างระดับนี้ โดยทั่วไปมีสองแบบคือ แบบ อัลฟาเฮลิก สายเปบไทด์ขดเป็นเกลียว กับแบบเบตา สายเปบไทด์อยู่ในรูปซิกแซก
• โครงสร้างตติยภูมิ แสดงการจัดตัวของกรดอะมิโนตลอดทั้งสาย พบในโปรตีนที่เป็นก้อน การจับตัวเป็นกลุ่มก้อนของสายโพลีเปบไทด์นั้นขึ้นกับลำดับกรดอะมิโนและสารอื่นๆที่เข้ามาจับ
• โครงสร้างจตุรภูมิ แสดงการจับตัวระหว่างสายโพลีเปบไทด์ พบในโปรตีนที่ประกอบด้วยหน่วยย่อย (subunit) โดยแต่ละหน่วยย่อยคือสายโพลีเปบไทด์หนึ่งเส้น การจัดตัวขึ้นกับลำดับกรดอะมิโนและสารอื่นๆที่เข้ามาจับเช่นเดียวกัน

ลิพิด

ลิพิด คือ สารชีวโมเลกุลที่ประกอบด้วยธาตุ C,H,O เป็นหลัก และอาจจะมี N,P ประกอบอยู่ด้วย

ประเภทของลิพิด

• กรดไขมัน
• ฟอสโฟลิพิด
• ไข
• สเตรอยด์

กรดไขมัน

กรดไขมันเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของไขมันทุกชนิด มีคาร์บอนตั้งแต่ 4 – 36 ตัว ไม่แตกกิ่ง พันธะระหว่างคาร์บอนอาจเป็นพันธะเดี่ยวทั้งหมด ซึ่งเรียกว่ากรดไขมันอิ่มตัว หรือมีพันธะคู่ปนอยู่กับพันธะเดี่ยว ซึ่งเรียกว่ากรดไขมันไม่อิ่มตัว จำนวนของคาร์บอนในกรดไขมันส่วนใหญ่มักเป็นเลขคู่ จุดหลอมเหลวของกรดไขมันขึ้นกับจำนวนคาร์บอนและจำนวนพันธะคู่ เช่นที่อุณหภูมิห้อง กรดไขมันอิ่มตัวที่มีคาร์บอน 12 – 24 ตัวอยู่ในสภาพเป็นไข ในขณะที่กรดไขมันไม่อิ่มตัวที่มีคาร์บอนเท่ากันยังเป็นน้ำมันอยู่ เป็นต้น

ฟอสโฟลิปิด

ฟอสโฟลิปิดหรือ กลีเซอโรฟอสโฟลิพิด เป็นไขมันที่เป็นองค์ประกอบหลักของเยื่อหุ้มต่างๆในสิ่งมีชีวิต โครงสร้างคล้ายไตรกลีเซอไรด์ แต่มีกรดไขมันเพียงสองโมเลกุล โดยอีกตำแหน่งหนึ่งจะมีหมู่ฟอสเฟตมาเกาะและจะมีสารอื่นมาเกาะที่หมู่ฟอสเฟตอีกต่อหนึ่งซึ่งเป็นการกำหนดชนิดของฟอสโฟลิปิด เช่น โคลีน (choline) หรือ เซอรีน (serine) ถูกสร้างบนแกนกลางที่เป็น กลีเซอรอล (glycerol) ซึ่งเชื่อมต่อกับหางสองเส้นที่เป็นอนุพันธ์ของกรดไขมันโดยรูปแบบการเชื่อมต่อที่เป็นเอสเตอร์ (ester) และหนึ่งหัวที่มีรูปแบบการเชื่อมต่อเป็นฟอสเฟตเอสเทอร์

ไข

ไขเป็นเอสเทอร์ของกรดไขมันที่มีโซ่ยาว (C14-C36)และแอลกอฮอล์ที่มีโซ่ยาว (C16-C30)

ตัวอย่างที่พบมากได้แก่ ขี้ผึ้ง ไขที่พบมักเคลือบอยู่ที่ผิวของใบไม้ , ผิวหนัง ,ขนสัตว์ เป็นต้น

สเตรอยด์

สเตรอยด์ เป็นลิพิดที่ไม่มีกลีเซอรอล และกรดไขมัน มีโครงสร้างเป็นวง

มีสมบัติไม่ละลายน้ำ แต่ละลายได้ในไขมันหรือตัวทำละลายอินทรีย์

เช่น คลอเรสเตอรอล เทสโทสเทอโรน โพรเจสเทอโรน กรดโคลิก

                               กรดนิวคลีอิก

กรดนิวคลีอิก ( nucleic acid ) เป็นสารชีวโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ทำหน้าที่เก็บและถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุ์กรรมของสิ่งมีชีวิต จากรุ่นหนึ่งไปยังรุ่นต่อไปให้แสดงลักษณะต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ยังทำหน้าที่ควบคุมการเจริญเติบโตและกระบวนการต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต

กรดนิวคลีอิกมี 2 ชนิดคือ DNA ( deoxyribonucleic acid ) และ RNA ( ribonucleic acid )

โมเลกุลของกรดนิวคลีอิก ประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์ ( nucleotide )

นิวคลีโอไทด์ มีองค์ประกอบ 3 ส่วน คือ

1.น้ำตาลไรโบส ซึ่งเป็นน้ำตาลเพนโทส – RNA-ไรโบส และ
DNA-ดีออกซีไรโบส

2.เบสที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ปะกอบ คือ C , T , A , G , U

3.หมู่ฟอสเฟต

โมเลกุล DNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายเรียงตัวสลับทิศทางกันและมีส่วนของเบสเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจนโมเลกุลบิดเป็นเกลียวคล้ายบันไดเวียน

ส่วนRNA เป็นพอลินิวคลีอิกเพียงสายเดียว DNA และRNA มีน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบต่างกัน

เบสที่พบใน DNA และ RNA มีบางชนิดที่เหมือนกัน และบางชนิดต่างกัน