àÍ¡ÊÒûÃСͺ¡ÒÃàÃÕ¹ ÇÔªÒ ªÕÇÇÔ·ÂÒ àÃ×Íè §
à¤ÁÕ·Õè໚¹¾×¹é °Ò¹¢Í§ÊÔè§ÁÕªÇÕ µÔ
ª×èÍ ....................................................................................................... àÅ¢·Õè .................... ªÑé¹ ................. âçàÃÕ¹ ÇÑ´¹ÇŹôÔÈ
เคมีที่เปนพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
สารอนินทรีย สารอนินทรีย (Inorganic substance) เปนองคประกอบสําคัญของเซลลของสิ่งมีชีวิตมีหลายชนิด สาร บางอยางมีปริมาณมาก บางอยางมีปริมาณนอย แตลวนมีความสําคัญตอการดํารงชีวิตของเซลล
1. น้ํา (Water) น้ําเปนสารประกอบที่พบมากในสิ่งมีชีวิต มีสมบัติเปนตัวทําละลายที่ดี และมีสภาพเปนกลาง ดังนั้นน้ําจึงมี ความสํ าคั ญอย างมาก น้ํ าประกอบดว ยอะตอมของไฮโดรเจน และออกซิเจน มีสูตรเปน H2O โดยอะตอมของ ไฮโดรเจน และออกซิเจนยึดเหนี่ยวกันดวยพันธะโคเวเลนซ (Covalent bond) ซึ่งเกิดจากการใชอิเล็กตรอนวงนอก รวมกัน อิเล็กตรอนวงนอกของอะตอมออกซิเจนยังเหลืออีก 4 อิเล็กตรอน ที่ยังไมไดยึดเหนี่ยวกับอะตอมของธาตุ อื่นๆ จึงทําใหแสดงประจุบวกทําใหโมเลกุลของน้ําเปนโมเลกุลมีขั้ว (Polar)
ก.
ข.
โมเลกุลของน้ํา ก. การรวมตัวของออกซิเจน และไฮโดรเจนเปนโมเลกุลของน้ํา ข. สภาพขั้วของโมเลกุลน้ํา น้ํานอกจากเปนโมเลกุลที่มีขั้วแลว น้ํายังมีสมบัติเปนของเหลวที่อุณหภูมิหองซึ่งเกิดจากการยึดเหนี่ยวดวย พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) ระหวางอะตอมของออกซิเจน และอะตอมของไฮโดรเจนของน้ําอีกโมเลกุล หนึ่ง พันธะไฮโดรเจนเปนพันธะที่ไมแข็งแรงเทาพันธะโคเวเลนซ แตก็เพียงพอที่จะยึดเหนี่ยวโมเลกุลน้ําไวดวยกัน จึงทําใหน้ํามีสภาพเปนของเหลว
ภาพ พันธะไฮโดรเจนที่ยึดระหวางโมเลกุลของน้ํา
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 1
สมบัติการมีขั้วของโมเลกุลน้ํา และการเกิดพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของสารตางๆ ทําใหสารตางๆ ที่มีขั้ว สามารถละลายน้ําไดดี การที่น้ําแสดงทั้งประจุบวกและลบอยูในโมเลกุลเดียวกันน้ําจึงเปนตัวทําละลายที่ดี สําหรับ โมเลกุลที่ละลายน้ําได และแตกตัวเปนไอออน เชน โซเดียมคลอไรด (NaCl) เพราะโซเดียมไอออน (Na+) เกาะกับ อะตอมของออกซิเจนซึ่งเปนขั้วลบ สวนคลอไรดไอออน (Cl-) เกาะกับอะตอมของไฮโดรเจนซึ่งเปนขั้วบวก สารที่มี สมบัติละลายน้ําไดดี เรียกวา ไฮโดรฟลิก (Hydrophilic) ซึ่งหมายถึงชอบน้ํา และเรียกสารที่มีสมบัติไมละลายในน้ํา วา ไฮโดรโฟบิ ก (Hydrophobic) ซึ่ งหมายถึ ง ไมช อบน้ํ า ทั้ งนี้เพราะสารเหลานี้ ไม ส ามารถแตกตั วให ไอออนได เหมือนโซเดียมคลอไรด หรือเปนโมเลกุลที่ไมมีขั้ว จึงไมสามารถยึดติดกับโมเลกุลของน้ําได
ภาพ การแตกตัวของ NaCl เปน Na+ และ Cl- โดยมีโมเลกุลของน้ํามาลอมรอบ สมบัติการเปนตัวทําละลายที่ดีของน้ํา ทําใหสามารถเปนตัวลําเลียงและนําสารตางๆ มาเลี้ยงสวนตางๆ ของรางกายไดตามที่ตองการ สมบัติความเปนกรด – เบส ของน้ําเกิดจากโมเลกุลของน้ําแตกตัวใหไอออนไดเปนไฮโดรเจนไอออน (H+) ซึ่งแสดงความเปนกรด และไฮดรอกไซดไอออน (OH-) ซึ่งแสดงความเปนเบส น้ําเปนสวนประกอบของเซลลและโพรโทพลาสซึม (Protoplasm) ทําใหเกิดการเคลื่อนไหวของสารภายใน เซลล น้ําเปนตัวกลางทําใหสารทําปฏิกิริยาทางเคมี และเปนตัวรวมในปฏิกิริยาดวย เชน ปฏิกิริยาการยอยสลาย (Hydrolysis) ไดแกการยอยอาหารตางๆ น้ําชวยควบคุมอุณหภูมิ โดยน้ํามีความจุความรอนสูง ในการระเหยของเหงื่อออกจากรางกายจะมีการนํา ความรอนที่เกินออกจากรางกาย ทําใหอุณหภูมิของรางกายคงที่อยูได
2. แรธาตุ (Mineral) สิ่งมีชีวิตตองการแรธาตุซึ่งเปนสารอนินทรีย เพื่อนําไปใชเปนสวนประกอบของสารอินทรีย แรธาตุเหลานี้ เปนสิ่งจําเปน เพราะบางชนิดเปนสวนประกอบของเอนไซม และโปรตีนตางๆ ที่จําเปนตอการทํางานของรางกาย และไมมีแรธาตุอื่นทําหนาที่แทนได การขาดแรธาตุกอใหเกิดความผิดปกติของการทํางานได เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 2
แรธาตุที่สิ่งมีชีวิตตองการจะตองอยูในรูปของไอออน เชน โซเดียมไอออน (Na+) โพแทสเซียมไอออน (K+) แคลเซียมไอออน (Ca2+) และไนเตรทไอออน (NO3-) ไอออนเหลานี้สามารถละลายน้ําได ซึ่งพืชสามารถนําเขาสู รากได ในรางกายคนเราส วนใหญ จ ะประกอบด วยธาตุคารบ อน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน ซึ่ งเมื่ อ รวมกันจะมีประมาณถึง 95-96% ของน้ําหนักรางกาย สวนที่เหลือประมาณ 4-5% จะเปนพวกแรธาตุอื่นๆ ของ น้ําหนักตัว ดังนั้น แรธาตุตางๆ ที่จําเปนตอการดํารงชีวิต คือสวนของแรธาตุประมาณ 4-5% ของน้ําหนักรางกายนี้ เอง แบงออกเปน 3 กลุม คือ 1. ธาตุ ที่ มี ป ริ ม าณมาก (Macronutrient elements) คื อ ธาตุ ที่ มี อ ยู ในรา งกายมากกวา 0.01% ของ น้ําหนักรางกาย มี 7 ชนิด คือ แคลเซียม ฟอสฟอรัส โพแทสเซียม กํามะถัน โซเดียม คลอรีน และแมกนีเซียม 2. ธาตุที่มีปริมาณนอย (Micronutrient elements) เปนธาตุที่รางกายตองการเพียงเล็กนอย แตมีความ จําเปน รางกายจึงตองไดรับธาตุเหลานี้ จึงเรียกธาตุเหลานี้วา เปนธาตุที่มีปริมาณนอยแตจําเปน (Essential trace element) คือ เหล็ก สังกะสี แมงกานีส ทองแดง ไอโอดีน โมลิบดีนัม โคบอลต ฟลูออรีน เซลีเนียม 3. ธาตุที่มีอยูนอยมาก และยังไมรูหนาที่ที่แทจริง ไดแก อะลูมิเนียม โบรอน โครเมียม แคดเมียม ซิลิคอน แวนาเดียม หนาที่ของแรธาตุตอรางกาย 1. รักษาสมดุลของรางกาย เชน โซเดียม โพแทสเซียม คลอไรด เปนตน 2. เป น ตั ว เรงปฏิ กิริ ยาโดยทํ าหน าที่เปน ตัวเรงปฏิ กิริย ารวมกับ เอนไซมของรางกาย เชน แมกนีเซีย ม แคลเซียม แมงกานีส เปนตน 3. เปนสวนประกอบของรางกาย และเนื้อเยื่อตางๆ เชน แคลเซียม ฟอสฟอรัส เปนสวนประกอบของ กระดูกและฟน เหล็ก เปนสวนประกอบของฮีโมโกลบินในเลือด 4. ควบคุมสมดุลน้ําในรางกายใหอยูในสภาพที่เหมาะสม 5. ควบคุมการทํางานของเซลลกลามเนื้อ และเซลลประสาท เชน แคลเซียม โซเดียม โพแทสเซียม เปนตน
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 3
สารอินทรีย สารอินทรีย (Organic substance) เปนสารที่มีธาตุคารบอน และไฮโดรเจนเปนองคประกอบหลัก นอกจากนี้สารอินทรียอาจมีธาตุอื่นๆ เชน ออกซิเจน ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และกํามะถันเปนองคประกอบ คารบอนมีเวเลนซอิเล็กตรอนเทากับ 4 จึงสามารถสรางพันธะโคเวเลนตกับอะตอมคารบอนและอะตอม ของธาตุ อื่น ๆ พั น ธะที่ สรางเป น ไดทั้งพั น ธะเดี่ยว พัน ธะคู พัน ธะสาม การสรางพั น ธะโคเวเลนต กับ อะตอมของ คารบอนกกับไฮโดรเจน เรียกวาสารประกอบไฮโดรคารบอน สารอินทรียที่พบในสิ่งมีชีวิตมีหลายชนิดเปนสารชีว โมเลกุล (Biomolecule) เชน คารโบไฮเดรต โปรตีน ลิพิด กรดนิวคลีอิก และวิตามิน เปนตน ในสารอิ น ทรี ย จ ะมี อ ะตอมหรื อกลุ ม อะตอมที่ แ สดงสมบั ติ เฉพาะในโมเลกุ ล ของสารอิ น ทรี ย เรี ย กว า หมูฟงกชัน (Functional group) โดยเปนสวนที่เขาไปเกี่ยวของในปฏิกิริยา ดังตัวอยางของหมูฟงกชันในตาราง ชื่อ
ตารางแสดงหมูฟงกชันในพบในสารอินทรียบางชนิด โครงสราง
R
ไฮดรอกซิล (Hydroxyl) คารบอกซิล (Carboxyl)
O H
O C
R
O
คารบอนิลกลุมอัลดีไฮด (Aldehyde)
R
อะมิโน (Amino)
R
N
R
S H
ซัลฟไฮดริล (Sulfhydryl)
ฟอสเฟต (Phosphate)
R
R
O
น้ําตาล , กลีเซอรอล
H
O C O C
คารบอนิลกลุมคีโตน (Ketone)
แหลงที่พบ
R H H
กรดไขมัน , กรดอะมิโน
น้ําตาล น้ําตาล
กรดอะมิโน , โปรตีน
H
OP OO
กรดอะมิโน , โปรตีน
ฟอสโฟลิพิด,นิวคลีโอไทด , กรดนิวคลีอิก เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 4
คารโบไฮเดรต (Carbohydrate) คาร โบไฮเดรตเป น สารอาหารหลั ก ในการสลายให พ ลั งงานแก สิ่ งมี ชี วิ ต โดยร า งกายได พ ลั งงานจาก คารโบไฮเดรตประมาณ 50% ของทั้งหมด ประกอบดวยธาตุคารบอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน มีโมเลกุลขนาดเล็ก ที่สุด เรียกวา น้ําตาลโมเลกุลเดี่ยว (Monosaccharide) มีสูตรโมเลกุลเปน CnH2nOn โดยที่ n มีคาตั้งแต ขึ้นไป 3 ตัวอยางเชน C6H12O6 , C3H6O3 คารโบไฮเดรต จะแบงออกตามขนาดไดเปน 3 กลุม ไดแก Monosaccharide , Oligosaccharide และ Polysaccharide 1. มอโนแซ็กคาไรด (Monosaccharide) หรือน้ําตาลโมเลกุลเดี่ยว มอโนแซ็ ก คาไรด เ ป น คาร โ บไฮเดรตที่ มี ข นาดเล็ ก ที่ สุ ด มี ร สหวาน ละลายน้ํ า ได โมเลกุ ล ของ มอโนแซ็กคาไรดประกอบดวยอะตอมของธาตุคารบอน ตั้งแต 3 - 7 อะตอม ตารางแสดงชื่อของมอโนแซ็กคาไรดที่มีจํานวนอะตอมของคารบอน 3 - 7 อะตอม จํานวนอะตอมของคารบอน ชื่อเรียก 3 ไตรโอส (Triose) 4 เทโทรส (Tetrose) 5 เพนโทส (Pentose) 6 เฮกโซส (Hexose) 7 เฮพโทส (Heptose) มอโนแซ็กคาไรดที่พบมากในธรรมชาติมักเปนชนิดที่มีอะตอมของคารบอนอะตอม 5 หรือ 6 อะตอม เชน น้ําตาลกลูโคส (Glucose) กาแลกโทส (Galactose) และฟรักโทส (Fructose) มีคารบอน 6 อะตอม น้ําตาลไรโบส (ribose) มีคารบอน 5 อะตอม มอโนแซ็กคาไรดที่รูจักกันดี คือ พวกเฮกโซส (C6H12O6) ไดแก กลูโคส กาแลกโทส และฟรักโทส ซึ่งมีสูตร โมเลกุลเหมือนกัน แตโครงสรางการเรียงตัวของอะตอมในโมเลกุลแตกตางกัน เรียกวา เปนไอโซเมอร (Isomer) ซึ่งกันและกัน น้ําตาล สามารถแบงไดเปน 2 ชนิด ตามหมูฟงกชัน ไดแก 1. ชนิดอัลดีไฮด เรียกวา น้ําตาลอัลโดส (Aldose sugar) 2. ชนิดคีโตน เรียกวา น้ําตาลคีโตส (Ketose sugar)
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 5
ภาพ น้ําตาลโมเลกุลเดี่ยว
ภาพ ไอโซเมอรของน้ําตาลกลูโค ตารางแสดงชนิด องคประกอบ และแหลงที่พบของน้ําตาลโมเลกุลเดี่ยวชนิดตางๆ โมโนแซ็กคาไรด โครงสราง แหลงที่พบ กลูโคส (Glucose)
ขาว ขาวโพด น้ําผึ้ง ผัก
กาแลกโทส (Galactose)
น้ํานม ผลิตภัณฑจากนม สวน ใหญพบในรูปแลกโทส เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 6
โมโนแซ็กคาไรด
โครงสราง
ฟรักโทส (Fructose)
แหลงที่พบ ผลไมตางๆ น้ําเชื่อม
น้ําตาลโมเลกุลเดี่ยว (monosaccharide) ที่สําคัญ ไดแก 1. กลูโคส (glucose) มีสูตรเคมี C6H12O6 พบในผักและผลไมทั่วไป เปนหนวยยอยของแปง ไกลโคเจน น้ําตาลนี้สามารถละลายและถูกลําเลียงผานระบบหมุนเวียนเลือด สามารถนําไปเลี้ยงสวนตางๆ ของรางกายไดทันที สามารถใหพลังงานแกระบบตางๆ ของรางกาย 2. กาแลกโตส (galactose) มีสูตรเคมี C6H12O6 เปนน้ําตาลที่ไมพบในธรรมชาติ สามารถสลายตัวจาก น้ําตาลแลกโตส (lactose) ที่ อยูในน้ํ านม กาแลกโตส เปนสวนประกอบสําคัญ ในไกลโคลิพิด (glycolipid) ของ เนื้อเยื่อประสาท เปนองคประกอบของวุนที่สกัดจากสาหรายสีแดง น้ําตาลนี้มีความหวานนอยกวาน้ําตาลกลูโคส 3. ฟรักโตส (fructose) มี สู ตรเคมี C6H12O6 พบในผลไม น้ําผึ้ง สายรก น้ําอสุจิ เปน น้ําตาลที่มีความ หวานมากกวาน้ําตาลชนิดอื่นๆ ในธรรมชาติ ละลายน้ําไดดี 4. ไรโบส (ribose) มีสูตรเคมี C5H10O5 น้ํ าตาลที่เป นสวนประกอบโครงสรางของ กรดไรโบนิวคลีอิก (ribonucleic acid หรื อ RNA) ซึ่ งมี ความสํ าคัญ ในกระบวนการสังเคราะห โปรตีน เปน สวนประกอบของสาร พ ลั ง ง า น สู ง ATP (adenosine triphosphate) น อ ก จ า ก นี้ ยั ง พ บ ใน NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) และ NADP+ (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) ซึ่งเปนโคเอนไซมทําหนาที่ รับไฮโดรเจนอะตอมในกระบวนการหายใจและการสังเคราะหดวยแสงตามลําดับ 2. โอลิโกแซ็กคาไรด (Oligosaccharide) โอลิโกแซ็กคาไรด เกิดจากการรวมกันของโมโนแซ็กคาไรด 2-10 โมเลกุล จับกันดวยพันธะไกลโคซิดิก (Glycosidic bond) โอลิ โกแซ็ ก คาไรด ที่ ป ระกอบด ว ยโมโนแซ็ ก คาไรด 2 โมเลกุ ล เรี ย กว า ไดแซ็ ก คาไรด (Disaccharide) การรวมตั ว ของมอนอแซ็ ก คาไรด 2 โมเลกุ ล ทํ าให เกิ ด ไดแซ็ กคาไรด 1 โมเลกุ ล และน้ํ า 1 โมเลกุล การเกิดน้ําในลักษณะนี้เรียกวา Dehydration สวนการสลายตัวของไดแซ็กคาไรด 1 โมเลกุล จะใชน้ํา 1 โมเลกุล ไดโมโนแซ็กคาไรด 2 โมเลกุล เรียกสลายดวยน้ําในลักษณะนี้วา Hydrolysis monosaccharide + monosaccharide
𝑑𝑑𝑑𝑑ℎ𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦 ℎ𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦
disaccharide + H2O
เป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : ภาพ การเกิดปฏิกิริยารวมกันของกลูโคส 2 โมเลกุล เปนมอลโทส 1 เคมี โมเลกุ ล
7
ก. ก. โครงสรางของกลูโคส แบบ ∝- glucose และ 𝜷𝜷-glucose ข. พันธะไกลโคซิดิกแบบ ∝ และพันธะไกลโคซิดิกแบบ 𝜷𝜷 ไดแซ็กคาไรด มอลโทส (Maltose)
แลกโทส (Lactose)
ซูโครส (Sucrose)
ข.
ตารางแสดงสวนประกอบ และแหลงที่พบของน้ําตาลไดแซ็กคาไรดชนิดตางๆ เกิดจาก โครงสราง แหลงที่พบและความสําคัญ
กลูโคส + กลูโคส ขาวมอลต
กลูโคส + กาแลกโทส
กลูโคส + ฟรักโทส
น้ํานม ปสสาวะของหญิงมีครรภ หมักกับแลกโตบาซิลัสไดกรดแลก ติกและแอลกอฮอล ใชใน อุตสาหกรรมทําเนยแข็ง น้ําตาลทราย ผลไมตางๆ
3. พอลิแซ็กคาไรด (Polysaccharide) พอลิแซ็กคาไรดเปนคารโบไฮเดรตโมเลกุลขนาดใหญ เกิดจากโมโนแซ็กคาไรดตั้งแต 11 โมเลกุลขึ้นไป เรียงตอกันเปนสายยาวดวยพันธะไกลโคซิดิก (Glycosidic bond) พอลิแซ็กคาไรดแตกตางกันที่ชนิดและจํานวน ของมอโนแซ็กคาไรดที่เปนองคประกอบ บางชนิดเปนสายโซยาวตรง บางชนิดมีการแตกแขนงออกไป 1) เซลลูโลส (Cellulose) เซลลูโลสเปนพอลิแซ็กคาไรดที่ประกอบดวย 𝜷𝜷-glucose มาตอกัน เปนพอลิแซ็กคาไรดสายตรง โดย เซลลูโลสเปนสารอินทรียที่มีมากที่สุดในโลก ทําหนาที่เปนโครงสรางหลักของผนังเซลลพืชและสาหราย เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 8
ภาพ โครงสรางของเซลลูโลส 2) แปง (Starch) แปงเปนพอลิแซ็กคาไรดที่เก็บสะสมในพืช มีโครงสรางแบงเปน 2 รูปแบบ คือ 2.1) อะไมโลส (Amylose) ประกอบดวยกลูโคสเรียงตัวตอกันเปนสายยาว ไมมีการแตกแขนง 2.2) อะไมโลเพกติน (Amylopectin) ประกอบดวยกลูโคสเรียงตัวตอกันเปนสายยาว มีการ แตกกิ่งกานออกไปเปนสายสั้นๆ จํานวนมาก โครงสรางของไกลโคเจนจะคลายอะไมโลเพกติน แตแขนงของไกลโค เจนมีจํานวนมากกวา กลูโคส มอลโทส เดกซทริน แปง
ภาพ โครงสรางของ อะไมโลส อะไมโลเพกทิน และไกลโคเจน
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 9
3) ไกลโคเจน (Glycogen) ไกลโคเจนเปนพอลิแซ็กคาไรดที่เก็บไวในเซลลของสัตว ประกอบดวยกลูโคสที่ตอกันเปนสายยาวมีแขนง แตก กิ่งกานออกไปเปนสายสั้นๆ จํานวนมาก โครงสรางของไกลโคเจนคลายอะไมโลเพกทิน แตแขนงของไกลโค เจนมีจํานวนแขนงมากกวา พอลิแซ็กคาไรดบางชนิด เชน ไคทิน (Chitin) พบในเปลือกกุง ปู และผนังเซลลของเห็ดตางๆ สวนเพกทิน (Pectin) พบในผนังเซลลพืช เชน บริเวณเปลือกผลสมโอที่มีสีขาว เปนตน ภาพ โครงสรางของพอลิแซ็กคาไรด
4) ไคติน (Chitin) เปนพอลิแซ็กคาไรดที่พบในสัตวไมมีกระดูกสันหลัง ไคตินจะเปนสวนประกอบของ เปลือกแข็งหุมสัตว เชน กระดองปู เปลือกกุง เปลือกแมลง เปนตน
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 10
5) เฮปาริน (Haparin) เปนพอลิแซ็กคาไรดที่พบในปอด ตับ มาม ผนังเสนเลือด เฮปารินเปนสารที่ทําให เลือดไมแข็งตัว 6) ลิกนิน (Lignin) เปนพอลิแซ็กคาไรด ที่ทําใหเนื้อเยื่อพืชมีความแข็งแรง โดยสะสมตามผนังเซลลพืช 7) เพกติน (Pectin) เปนพอลิแซ็กคาไรดที่พบในผลไม ลักษณะคลายวุน ประกอบดวยโมเลกุลของกา แลกโทสหลายๆ โมเลกุลมารวมกัน พบในผนังเซลล เปลือกผลไม ราก และใบที่เปนสีเขียวของพืช
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 11
โปรตีน (Protein) โปรตีนเปนสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ ประกอบขึ้นจากหนวยยอยๆ ที่เรียกวา กรดอะมิโน (Amino acid) ซึ่งประกอบด วยอะตอมของธาตุคารบอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน นอกจากนี้ โปรตี นบางชนิ ดอาจ ประกอบดวยธาตุอื่นๆ อีกเชน ฟอสฟอรัส กํามะถัน และเหล็ก เปนตน โครงสรางของกรดอะมิโน จะประกอบดวย 2 สวน โดยมีสวนที่กรดอะมิโนทุกตัวมีเหมือนกัน คือประกอบ หมูอะมิโนและหมูคารบอกซิล สวนที่แตกตางกันคือหมูอัลคิล ใชสัญลักษณ R
ไกลซีน
อะลานีน ภาพ โครงสรางของกรดอะมิโนบางชนิด
ซิสเทอีน
จากการศึ ก ษากรดอะมิ โ นในพื ช และสั ต ว ข องนั ก วิ ท ยาศาสตร พ บว า มี ก รดอะมิ โ น 20 ชนิ ด ที่ เ ป น องคประกอบของสิ่งมีชีวิตทั่วไป สิ่งมีชีวิตแตละชนิดมีความตองการกรดอะมิโนไมเหมือนกัน เชน แบคทีเรียบาง ชนิดไมตองการกรดอะมิโนจากอาหาร เนื่องจากสามารถสังเคราะหกรดอะมิโนที่จําเปนตอการดํารงชีวิตเองได การสังเคราะหกรดอะมิโนของรางกายนั้น สามารใชแบงกรดอะมิโนออกเปน 2 ประเภท คือ 1. กรดอะมิ โนจํ า เป น (Essential amino acid) คือ กรดอะมิโนที่ รางกายตองการ และไมส ามารถ สังเคราะหขึ้นได จึงตองไดรับจากอาหารพวก นม ไข เครื่องในสัตว (ถั่วเหลืองมีกรดอะมิโนจําเปนสูงที่สุด) 2. กรดอะมิโนไมจําเปน (Non-essential amino acid) คือ กรดอะมิโนที่รางกายสามารถสังเคราะห ขึ้นมาได
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 12
ตารางแสดงชนิดและประเภทของกรดอะมิโน 20 ชนิด กรดอะมิโนจําเปน ฮิสทีดีน (Histidine)* ไอโซลิวซีน (Isoleucine) ลิวซีน (Leucine) เมไทโอนีน (Methionine) ฟนิลอะลานีน (Phenylalanine) ทรีโอนีน (Threonine) ทริปโตเฟน (Tryptophan) วาลีน (Valine) ไลซีน (Lysine) ซีรีน (Serine)
กรดอะมิโนไมจําเปน อารจีนีน (Arginine)* อะลานีน (Alanine) แอสพาราจีน (Asparagine) กรดแอสพาติก (Aspartic acid) ซีสเทอีน (Cystein) กรดกลูทามิก (Glutamic acid) กลูทามีน (Glutamine) ไกลซีน (Glycine) โพรลีน Proline) ไทโรซีน (Tyrosine)
* ในเด็ กนั้ น ต อ งการกรดอะมิ โนเพิ่ ม อี ก 2 ชนิ ด คื อ ฮิส ที ดี น และอารจี นี น ซึ่ งสรางไม ได ในเด็ ก เป น กรดอะมิโนที่จําเปนสําหรับการเจริญเติบโต และพัฒนาการในวัยเด็ก เมื่อมีพัฒนาการขึ้นมาถึงวัยรุน จะสามารถ สังเคราะหอารจีนีนได
ภาพ กรดอะมิโน (amino acid)
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 13
กรดอะมิ โนแต ล ะชนิ ด เชื่ อมต อกั น ด วยพั น ธะโคเวเลนซ ระหว างหมู อะมิ โนกับ หมู คาร บ อกซิ ล เรีย กว า พั น ธะเพปไทด (Peptide bond) โครงสร างซึ่ ง ประกอบด ว ยกรดอะมิ โ นที่ ต อ กั น เป น สายนี้ เรี ย กว า เพปไทด (Peptide)
ภาพ เพปไทดซึ่งเกิดจากกรดอะมิโนเชื่อมกันเปนสายดวยพันธะเพปไทด ตารางแสดงความสัมพันธระหวางจํานวนของกรดอะมิโนกับชื่อที่ใชเรียก จํานวนโมเลกุลของกรดอะมิโน 2 3 4 ขึ้นไป
ชื่อเรียก ไดเพปไทด (Dipeptide) ไตรเพปไทด (Tripeptide) พอลิเพปไทด (Polypeptide)
โครงสรางของโปรตีน (Protein structure) โครงสรางของโปรตีนมีดวยกัน 4 ระดับ ไดแก 1. โครงสร างปฐมภูมิ (Primary structure) เป น โครงสรางพื้ น ฐานของโปรตี น คือ การเรี ยงตั วของ กรดอะมิโน เชน การเรียงตัวของกรดอะมิโนในฮอรโมนอินซูลิน ซึ่งประกอบดวยกรดอะมิโน 51 ตัว 2. โครงสรางทุติยภูมิ (Secondary structure) เปนโครงสรางของโปรตีนหรือเพปไทดที่ขดมวนตัวเปน เกลียวหรือแผน เชน เกลียวแอลฟา ( α-helix ) เปนการสรางพันธะไฮโดรเจนภายในสายพอลิเพปไทดเดียวกัน พบในไมโอซิน เคอราติ น ในเส น ผม หรื อแผน พลีท เบตา ( β-pleated sheet ) เป น การสรางพั น ธะไฮโดรเจน ระหวางสายพอลิเพปไทด พบในโปรตีนไฟโบรอินในเสนไหม 3. โครงสรางตติยภูมิ (Tertiary structure) เปนโครงสรางของโปรตีนในลักษณะที่มีโซพอลิเพปไทด ขดมวนแนนในลักษณะกลม โดยคงรูปอยูไดดวยพันธะไดซัลไฟด และพันธะออน ไดแก พันธะไฮโดรเจน พันธะ ไฮโดรโฟบิก (hydrophobic bond) และแรงแวนเดอรวาลส (Vander Waals force) ไดแก เอนไซม ไมโอโกลบิน 4. โครงสรางจตุรภูมิ (Quaternary structure) เปนโครงสรางของโปรตีนในลักษณะที่มีโซพอลิเพปไทด มากกว า หนึ่ งโซ อ ยู ร วมกั น ด ว ยพั น ธะไฮโดรเจน และแรงแวนเดอร ว าลส แต ล ะโซ พ อลิ เพปไทด อาจเรีย กว า หนวยยอย (Subunit) เชน ฮีโมโกลบิน เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 14
ภาพ โครงสรางระดับตางๆ ของโปรตีน การแปลสภาพโปรตีน (Protein Denaturation) คือ การทําใหโปรตีนเกิดการคลายเกลียวของโปรตีน กอนกลม สงผลใหโครงสรางของโปรตีนเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม และไมสามารถทําหนาที่ทางชีวภาพได ปจจัยที่ สงผลใหโปรตีนเสียสภาพ ไดแก การใหความรอน การฉายรังสี การใหสารเคมี ไดแก กรดหรือเบส ตัวทําละลาย อินทรียที่มีพันธะไฮโดรเจน ไอออนของโลหะ
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 15
ลิพิด (Lipid)
ลิพิ ด เป น สารชี ว โมเลกุ ล ที่ ไม ล ะลายน้ํา แตล ะลายไดดีในตั วทํ าละลายที่ เป น สารอิน ทรีย เช น อี เทอร เบนซีน และ เอทานอล เปนตน ลิพิดประกอบดวยธาตุคารบอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน ลิพิดมีหลายชนิด เชน ไขมัน (Fat) น้ํามัน (Oil) ฟอสโฟลิพิด (Phospholipid) ไข (Wax) และสเตอรอยด (Steroid) ลิพิดมีประโยชน ใหพลังงานแกรางกาย ละลายวิตามิน A D E K ปองกันการเสียดสี ปองกันการสูญเสียน้ํา เปนฉนวนชวยควบคุมอุณหภูมิของรางกาย ปองกันการกระทบกระแทกของอวัยวะภายใน เปนองคประกอบของ เยื่อไมอิลินของเสนใยประสาท ชวยทําใหกระแสประสาทเคลื่อนที่ไดเร็วขึ้น ลิพิด แบงตามโครงสราง ไดเปน 3 ชนิด คือ ลิพิดเชิงเดี่ยว (Simple lipid) ลิพิดเชิงซอน (Complex lipid) และลิพิดอนุพันธ (Derived lipid) ลิ พิ ด เชิ ง เดี่ ย ว (Simple lipid) ประกอบด ว ยกรดไขมั น (Fatty acid) และแอลกอฮอล ได แก ไขมั น น้ํามัน และไข โดยที่ไขมันมีสถานะเปนของแข็งที่อุณหภูมิหอง สวนน้ํามันเปนของเหลวที่อุณหภูมิหอง สําหรับไข พบที่ผิวหนัง ใบไม และผลไมบางชนิด โมเลกุ ล ของไขมั น และน้ํ า มั น ประกอบด ว ย กรดไขมั น (Fatty acid) และแอลกอฮอล ที่ เ รี ย กว า กลีเซอรอล(Glycerol) กลีเซอรอลเปนสารเคมีที่สมบัติเปนแอลกอฮอลชนิดหนึ่ง มีสูตรทางเคมี คือ C3H5(OH)3 โดยที่ 1 โมเลกุลของกลีเซอรอล สามารถจับกับกรดไขมันได 1 - 3 โมเลกุล โดยมีชื่อเรียกที่แตกตางกันดังนี้ ตารางแสดงความสัมพันธระหวางโครงสรางของลิพิดเชิงเดี่ยว และชื่อที่ใชเรียก โครงสราง 1 กลีเซอรอล + 1 กรดไขมัน 1 กลีเซอรอล + 2 กรดไขมัน 1 กลีเซอรอล + 3 กรดไขมัน
ชื่อเรียก มอนอกลีเซอไรด (Monoglyceride) ไดกลีเซอไรด (Diglyceride) ไตรกลีเซอไรด (Triglyceride)
ก.
ข. ภาพ ก. แสดงโครงสรางของกลีเซอรอล (glycerol) ข. แสดงโครงสรางของกรดไขมัน (fatty acid) เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 16
กลีเซอรอล
กรดไขมัน
ไตรกลีเซอไรด
ภาพ การรวมกันของกรดไขมัน และกลีเซอรอล ในการรวมกัน ของโมเลกุลของกลีเซอรอลกั บ โมเลกุ ลของกรดไขมั น 1 โมเลกุ ลนั้น จะไดน้ํ า 1 โมเลกุ ล ดังนั้น การเกิด ไตรกลีเซอไรด จะไดน้ํา 3 โมเลกุล กรดไขมัน แบ งออกเป น 2 ชนิ ด คื อ กรดไขมัน อิ่มตัว (Saturated fatty acid) และกรดไขมัน ไมอิ่มตัว (Unsaturated fatty acid) โดยความแตกตางระหวางกรดไขมันอิ่มตัวและกรดไขมันไมอิ่มตัว คือ กรดไขมันอิ่มตัว คารบอนทุกอะตอมจะตอกันอยูดวยพันธะเดี่ยว สวนกรดไขมันไมอิ่มตัวจะมีคารบอนบางอะตอมที่เชื่อมกันดวย พันธะคู
กรดไขมันอิ่มตัว
กรดไขมันไม่อิ่มตัว
ภาพ โครงสรางของกรดไขมันอิ่มตัวและกรดไขมันไมอิ่มตัว จากการศึกษาทางการแพทยพบวา หากรับประทานอาหารที่ประกอบดวยน้ํามัน หรือไขมันที่มีกรดไขมัน อิ่มตัวมากเกินไป มีผลทําใหเกิดโรคหัวใจขาดเลือด และไขมันอุดตันในหลอดเลือดได โดยทั่วไปนั้นกรดไขมันอิ่มตัว นั้นจะไดจากไขมันของสัตว เชน เนย น้ํามันจากสัตว และจากพืชบางชนิด เชน น้ํามันมะพราว น้ํามันปาลม เปนตน สวนกรดไขมัน ไม อิ่มตั วจะได จ ากน้ํ ามั น พื ช เปน สวนใหญ เชน น้ํามัน ขาวโพด น้ํามัน ถั่วเหลือง น้ํามัน จากเมล็ ด ทานตะวัน เปนตน เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 17
ตาราง ชื่อและจํานวนคารบอนของกรดไขมัน
กรดไขมั น ที่ ไม จํ า เป น (Non-essential fatty acid) เช น กรดบิ ว ไทริ ก (Butyric acid) กรดปาล มิ ติ ก (Palmitic acid) จัดเปนกรดไขมันที่รางกายสามารถสังเคราะหได สวนกรดไขมันจําเปน (Essential fatty acid) เช น กรดไลโนเลอิ ก (Linoleic acid) กรดไลโนเลนิ ก (Linolenic acid) และกรดอะแรคไคโดนิ ก (Arachidonic acid) เปนกรดไขมันที่รางกายไมสามารถสังเคราะหได มีความจําเปนตอการเจริญของรางกาย ลิพิดเชิงซอน (Complex lipid) ประกอบดวยกรดไขมัน และแอลกอฮอล ที่มีสารประกอบอื่นเชื่อมตอ • ฟอสโฟลิพิด (Phospholipid) เปนองคประกอบของเยื่อหุมเซลล • ไกลโคลิพิด (Glycolipid) เปนองคประกอบของเยื่อหุมเซลล และทําหนาที่ขนสงไขมันในเลือด • ลิโปโปรตีน (Lipoprotein) เปนองคประกอบของเยื่อหุมเซลล และทําหนาที่ขนสงไขมันในเลือด เมื่อเติม phospholipid ลงในน้ํา phospholipid จะรวมตัวกัน โดยหันสวนหางเขาหากัน แลวหันสวนหัวออกทางดานนอก กลายเปนหยดเล็ก เรียกวา micelle
ภาพ โครงสรางของฟอสโฟลิพิด
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 18
ลิพิดอนุพันธ (Derived lipid) เปนลิพิดที่มีโครงสรางตางจากลิพิดทั่วไป เชน สเตอรอยด มีโครงสราง ทั่วไปเปนวงแหวน 4 วง สเตอรอยดมีหลายชนิดขึ้นอยูกับหมู R ที่มาตอกับวงแหวน เชน คอเลสเตอรอล (Cholesterol) เปนองคประกอบของเยื่อหุมเซลล โพรเจสเทอโรน (Progesterone) และเทสโทสเทอโรน (Testosterone) เปนสเตอรอยดที่เปนฮอรโมนเพศ
ภาพ โครงสรางทั่วๆ ไปของสเตอรอยด
เทสโทสเทอโรน
โพรเจสเทอโรน
คอเลสเทอรอล
ภาพ สูตรโครงสรางของสเตอรอยดบางชนิด
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 19
กรดนิวคลิอิก (Nucleic acid) กรดนิวคลิอิกเปนสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ ทําหนาที่เก็บและถายทอดขอมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต จากรุนหนึ่งไปยังรุนตอไปใหแสดงลักษณะตางๆ ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ยังทําหนาที่ควบคุมการเจริญเติบโตและ กระบวนการต า งๆของสิ่ ง มี ชี วิ ต กรดนิ ว คลี อิ ก มี 2 ชนิ ด คื อ RNA (Ribonucleic acid) และ DNA (Deoxyribonucleic acid) โมเลกุลของกรดนิวคลิอิก ประกอบดวยหนวยยอยที่เรียกวา นิวคลีโอไทด (Nucleotide)
ก.
ข.
ค.
ภาพ ก. นิวคลีโอไทดของ ข. น้ําตาลดีออกซีไรโบสใน DNA ค. น้ําตาลไรโบสใน RNA นิวคลีโอไทดแตละหนวย ประกอบดวยสวนตางๆ ดังนี้ 1. หมูฟอสเฟต (PO42-) ตอกับน้ําตาลเพนโทสที่คารบอนตําแหนงที่ 5 2. น้ําตาลเพนโทส โดยที่ ใน RNA ได แ ก น้ํ าตาลไรโบส มี สู ต รโมเลกุ ล เป น C5H10O5 และใน DNA ได แก น้ํ าตาล ดีออกซีไรโบส มีสูตรโมเลกุลเปน C5H10O4 3. ไนโตรจีนัสเบส (Nitrogenous base) ตอกับน้ําตาลเพนโทสที่คารบอนตําแหนงที่ 1 โดยในสวนของไนโตรจีนัสเบสนี้เองเปนสวนที่ทําใหเกิดความแตกตางของนิวคลีโอไทด โดยสามารถ ออกแบงไดเปน 2 ชนิด • อนุพันธพิวรีน (purine) ซึ่งไดแก อะดีนีน (adenine : A) และ กัวนีน (guanine : G) • อนุพันธไพริมิดีน (pyrimidine) ซึ่งไดแก ไซโตซีน (cytocine : C) ไทมีน (tymine : T) และ ยูราซิล (uracil : U) เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 20
ภาพ ไนโตรจีนัสเบส (Nitrogenous base)
ภาพ ชนิดนิวคลีโอไทด
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 21
โดยโมเลกุลของ DNA ประกอบดวยพอลินิวคลีโอไทด 2 สาย เรียงตัวสลับทิศทาง และมีสวนของเบสยึดกัน ดวยพันธะไฮโดรเจน โดยการยึดกันของเบสนั้น เบส A กับเบส T สรางพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ และเบส C กับ เบ ส G ส ร า งพั น ธะไฮ โด รเจ น 3 พั น ธ ะ DNA บิ ด เก ลี ย ว ค ล าย กั บ บั น ได เวี ย น ข ว า ส วน RNA นั้ น เปนพอลินิวคลีโอไทดสายเดียว
สารใหพลังงานสูงที่สําคัญ ATP (Adenisine triphosphate) ประกอบดวย เบสอะดินีน น้ําตาลไรโบส กรดฟอสฟอริกในรูปหมูฟอสเฟต
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 22
วิตามิน (Vitamin) วิตามินเปนสารอินทรียที่มีโมเลกุลขนาดเล็ก และจําเปนตอสิ่งมีชีวิต มีหนาที่ควบคุมการทํางานตางๆ ใน รางกายใหเปนปกติ รางกายตองการวิตามินในปริมาณที่นอยมาก แตถาขาดไปจะทําใหมีอาการผิดปกติ วิตามินเปน สารที่ไมใหพลังงานแกรางกาย และไมเปนองคประกอบของเนื้อเยื่อรางกาย แตเปนองคประกอบที่สําคัญตอการ ทํางานของโปรตีน และเอนไซมตางๆ วิตามินจําแนกไดเปน 2 ประเภท ไดแก 1. วิตามินที่ละลายในไขมัน ไดแก วิตามิน A, D, E และ K 2. วิตามินที่ละลายในน้ํา ไดแก วิตามิน B และ C วิตามินที่ละลายในไขมัน วิตามินทีละลายในน้ํา A B D C E K วิตามินแตละประเภทที่พบยังแบงออกเปนชนิดยอยๆ ไดอีกหลายชนิด ชนิดที่พบมากที่สุด คือ วิตามิน B ซึ่งมีประมาณ 20 ชนิด แตที่ทราบสูตรโครงสรางแลวมีประมาณ 10 ชนิด เชน วิตามิน B1 (Thiamine) วิตามิน B2 (Riboflavin) วิ ต ามิ น B3 (Niacin) วิ ต ามิ น B5 (Pantothenic acid) วิ ต ามิ น B6 (Pyridoxine) วิ ต ามิ น B7 (Biotin) วิตามิน B9 (Folic acid) และวิตามิน B12 (Cobalamin หรือ Cyanocobalamin) เปนตน
วิตามิน A
วิตามิน B1 วิตามิน B2 วิตามิน B3
สรุปหนาที่ของวิตามิน - เปนสารตานอนุมูลอิสระ - ปองกันโรคตาบอด ชวยในการมองเห็น - บํารุงสายตา - บํารุงผมและเล็บ - บํารุงประสาทแกเหน็บชา - ชวยเผาผลาญคารโบไฮเดรตไปเปนพลังงาน - ถาขาดจะหงุดหงิดงาย - ชวยเผาผลาญคารโบไฮเดรต - ถาขาดจะเปนแผลที่มุมปาก - ถาขาดผิวจะแตกหยาบกระดาง - ชวยเผาผลาญไขมัน และคารโบไฮเดรต - ชวยบํารุงผิวหนังและระยยประสาท เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 23
วิตามิน B6
วิตามิน B12
วิตามิน C
วิตามิน D วิตามิน E วิตามิน K
-
ชวยบรรเทาอาการกอนมีประจําเดือน แกแพทอง บํารุงระบบประสาท ลดอาการไขมันอุดตันในเสนเลือด ชวยเสริมสรางเม็ดเลือดแดง บํารุงประสาท ปองกันอาการออนเพลีย เนื่องจากโรคโลหิตจาง ตานอนุมูลอิสระ สรางคอลลาเจน ชวยควบคุมระดับคลอเรสเตอรอล บํารุงผิวพรรณและกระดูก ปองกันมะเร็ง บํารุงกระดูกและฟน ปองกันโรคกระดูกออนในเด็ก ทําหนาที่ควบคุมการดูดซึมแคลเซียม ตานอนุมูลอิสระ ชวยใหเลือดไหลเวียนดี ปองกันการแข็งตัวของเลือด ชวยใหเลือดแข็งตัว
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 24
พลังงานที่เกี่ยวของกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี ปฏิกิริยาเคมีในเซลลของสิ่งมีชีวิต มีทั้งการสังเคราะหชีวโมเลกุลที่จําเปนตอการดํารงชีวิต และการสลาย สารชีวโมเลกุลที่ไดรับจากการกินอาหาร ซึ่งเกี่ยวของกับการใชพลังงานเคมีและการผลิตพลังงานเคมีของเซลล สารประกอบเกิดจากการรวมตัวของอะตอม ยึดกันดวยพันธะเคมีที่มีพลังงานสะสมอยู ถาพันธะเคมีไดรับ พลังงานมากพอ ก็จะทําใหพันธะเคมีสลายตัวและสรางเปนพันธะเคมีใหม ในการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของพลังงานในระหวางที่เกิดปฏิกิริยาขึ้น พบวา ถาพลังงานของสารตั้งตน เปนจุดเริ่มตนของปฏิกิริยา และพลังงานของสารผลิตภัณฑเปนจุดสิ้นสุดปฏิกิริยา ในชวงที่จะมีการเปลี่ยนแปลง ของสารตั้งตนไปเปนสารผลิตภัณฑนั้น สารตั้งตนจะไดรับพลังงานกระตุน (Activation energy) เพื่อใหมีพลังงาน เพียงพอที่จะสลายพันธะเดิมและเริ่มสรางพันธะใหม เกิดเปนสารอินเทอรมีเดียท (Intermediate substance) ที่มี โครงสรางกึ่งกลางระหวางสารตั้งตน และสารผลิตภัณฑ สารอินเทอรมีเดียทนี้มีความไมอยูตัวสูง สามารถเปลี่ยนไป เปนสารผลิตภัณฑหรือสารตั้งตนอยางเดิมได
ภาพ การสลายพันธะเคมีและสรางพันธะเคมีใหม
กราฟ พลังงานที่เกี่ยวของกับการดําเนินไปของปฏิกิริยาเคมี เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 25
เมื่อเกิดปฏิกิริยาแลว หากพลังงานของสารตั้งตนสูงกวาพลังงานของผลิตภัณฑ จะมีพลังงานสวนเกินที่ ปลอยออกมา เรียกปฏิกิริยานี้วา ปฏิกิริยาคายพลังงาน (Exergonic reaction)
กราฟการเปลี่ยนแปลงแบบคายพลังงาน ถาหากพลังงานของสารตั้งตนต่ํากวาพลังงานของสารผลิตภัณฑ และจําเปนตองใหพลังงานจากภายนอก เขาไปในปฏิกิริยา เพื่อใหปฏิกิริยาดําเนินตอไปได เรียกปฏิกิริยาแบบนี้วา ปฏิกิริยาดูดพลังงาน (Endergonic reaction)
กราฟการเปลี่ยนแปลงแบบดูดพลังงาน
เมแทบอลิซึม (metabolism) หมายถึงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในรางกาย มี 2 ประเภท - Anabolism เปนกระบวนการสรางสารอินทรียขนาดใหญ จากสารโมเลกุลเล็ก - Catabolism เปนกระบวนการสลายสารโมเลกุลใหญใหเปนสารโมเลกุลเล็ก
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 26
เอนไซม (Enzyme) การคนพบเอนไซม ในอดีต นักวิทยาศาสตรเขาใจวา สิ่งมี่ควบคุมกระบวนการตาง ใหดําเนินไปอยางเปนระเบียบ คือ โปรโตพลาซึม จนป ค.ศ. 1878 Wilhelm Kuhne พบวาปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น ในเซลล อาจเกิดขึ้นโดยไมตองมี โปรโตพลาซึมได และเรียกสารที่ทําใหเกิดปฏิกิริยา วา Enzyme ในป ค.ศ. 1897 Buchner ไดพิสูจนความคิดเห็น ของ Kuhne โดยนํายีสตมาบดละเอียด ครั้นกรองเอาน้ําไปใสลงในน้ําตาล น้ําตาลสามารถเปลี่ยนเปนแอลกอฮอล และ คารบอนไดออกไซด แสดงวา สารประกอบภายในเซลลยีสต คือ เอนไซม และสารที่เอนไซมไปเปลี่ยนแปลง จนเปนสารอื่น เรียกวา สารตั้งตน (Substrate) ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล มีทั้งการสลายและการสรางสารอินทรียเกิดขึ้น เรียกปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายใน เซลลทั้งหมดนี้วา เมแทบอลิซึม (metabolism) โดยปฏิกิริยาเหลานี้ตองอาศัยการทํางานของเอนไซม
คุณสมบัติของเอนไซม 1. 2. 3. 4.
organic catalyst คือ ทํางานแลว เอนไซม ยังคงอยู ไมสูญหาย ไมเพิ่มปริมาณ ใชปริมาณเพียงเล็กนอย สามารถทําใหปฏิกิริยาเกิดขึ้นไดดี ความสมดุลของปฏิกิริยาไมเปลี่ยนแปลง แตเอนไซมทําใหถึงจุดสมดุลของปฏิกิริยาเร็วขึ้น เปนสาร คอลลอยด เนื่องจาก เอนไซมเปนสารประกอบจากโปรตีนขนาดเล็กๆ Specificity enzyme เลือกทําปฏิกิริยาเฉพาะกับ substrate บางชนิดเทานั้น Reversibility of enzyme action เอนไซมบางชนิดมีคุณสมบัติในการเรงปฏิกิริยาไปขางหนา แลว ยอนกลับได ซึ่งขึ้นอยูกับสภาพปจจัยภายในเซลล 5. ไวตอความรอนและอุณหภูมิ 6. ทํางานไดดี เมื่อมี pH ที่เหมาะสม ชนิดของเอนไซม ชื่อของเอนไซมโดยทั่วไป มักลงทายดวย –ase โดยเอนไซมสารมารถจําแนกตามลักษณะการทํางานไดดังนี้ 1. Hydrolytic enzyme (Hydrolysing enzyme) เปนเอนไซมที่กระตุนให substrate รวมตัวกับน้ํา แลว ทําใหเกิดสารชนิดใหมขึ้น 2. Oxidation – reduction enzyme เปนเอนไซมที่สลาย substrate ดวยวิธี oxidation หรือ reduction เมื่อเกิดปฏิกิริยานี้มักมีพลังงานมาเกี่ยวของ - Dehydrogenase เปนเอนไซมที่ทําหนาที่ดึงไฮโดรเจนออกจากสารประกอบหนึ่งๆ เรียกปฏิกิริยานี้วา dehydrogenation 𝑑𝑑𝑑𝑑ℎ𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦
AH2 + B �⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯� A + BH2
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 27
- Oxidation เปนเอนไซมที่ทําใหเกิดปฏิกิริยา oxidation โดยใช ออกซิเจนอิสระ เชน Cytochrome oxidase เปลี่ยนสารประกอบพวก cytochrome เปน cytochrome ชนิดอื่นๆ จนผล สุดทายไดน้ําเปนผลิตภัณฑ Polyphenol oxidase มีหนาที่ oxidize สารพวก phenol Tyrosinase ทําหนาที่ oxidize สาร tyrosine ซึ่งเปนกรดอะมิโนที่มีหมู phenol อยู Ascorbic acid oxidase ทําหนาที่ oxidize สาร ascorbic acid หรือ วิตามิน C - Peroxidase เปนตัวเรงปฏิกิริยาในปฏิกิริยา oxidation ของสารพวก peroxide - Catalase ทําหนาที่สลาย hydrogen peroxide อยูในเนื้อเยื่อพืชชั้นสูง เชน หัวผักกาด 3. Carboxylase เปนเอนไซม ที่แยกหมู carboxyl group ออกจาก substrate กลายเปน คารบอนไดออกไซด เรียกปฏิกิริยานี้วา decarboxylation 4. เอนไซมอื่นๆ
เอนไซม (Enzyme) และการทํางานของเอนไซม เอนไซม เปนโปรตีนชนิดหนึ่ง ที่ทําหนาที่เปนตัวเรงปฏิกิริยา (Catalyst) ในปฏิกิริยาของสิ่งมีชีวิต ทําให พันธะเคมีสลายตัวไดงายขึ้น ชวยลดพลังงานกระตุนที่ตองใชในการเปลี่ยนสารตั้งตนไปเปนสารอินเทอรมีเดียท หรือกลาวอีกนัยหนึ่งคือ ทําใหอัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นจากเดิมหรือเกิดไดเร็วขึ้น
กราฟ เปรียบเทียบอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีในกรณีที่มี และไมมีเอนไซม
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 28
ขณะที่เกิดปฏิกิริยาสารตั้งตนจะเขาไปจับกับเอนไซมที่บริเวณจําเพาะของเอนไซม ซึ่งเรียกวา บริเวณเรง (Active site) เนื่ องจากสายของโปรตี น ที่ ป ระกอบขึ้ น เป น เอนไซม แต ล ะชนิ ดจะมี การพั บ ไปมาจนเกิ ด รูป ร าง เฉพาะตัว ทําใหบริเวณเรงมีความจําเพาะกับสารตั้งตน หากบริเวณเรงมีรูปรางที่เขากับสารตั้งตนได สารตั้งตนนั้น จะถู กเปลี่ ยนให เป น ผลิ ตภั ณ ฑ แต ถาหากรูป รางของสารตั้งตน ไมเขากับ บริเวณเรง เอนไซมอาจไม สามารถเร ง ปฏิกิริยาใหเกิดขึ้นได โดยที่หลังจากเกิดปฏิกิริยาเคมีแตละครั้ง เมื่อเกิดสารผลิตภัณฑแลว ผลิตภัณฑกับเอนไซมจะ แยกออกจากกัน เอนไซมก็จะสามารถเรงปฏิกิริยาเคมีของสารตั้งตนโมเลกุลอื่นๆ ตอไปเรื่อยๆ โดยทั่วไปเอนไซม ชนิ ดหนึ่ งๆ จะสามารถเรงปฏิ กิริย าไดเฉพาะอยางเทานั้น แตในเอนไซมบ างชนิดอาจมีบ ริเวณเรงมากกวาหนึ่ง บริเวณ ในอดีต นักวิทยาศาสตรเชื่อวา บริเวณเรงของเอนไซมมีรูปรางเขาจับกับสารตั้งตน โดยกอนจับและหลังจับ กับสารตั้งตน เอนไซมมีรูปรางไมเปลี่ยนแปลง และไมมีการเปลี่ยนแปลงรูปรางของเอนไซม เหมือนกับรูกุญแจที่มี รูปรางเขากับลูกกุญแจพอดี ซึ่งเปนที่มาของทฤษฎีแมกุญแจและลูกกุญแจ (Lock and key theory) แตปจจุบันมี การศึกษารูปรางของเอนไซมกอนและหลังการรวมตัวกับสารตั้งตนพบวา บริเวณเรงอาจมีการเปลี่ยนแปลงรูปรางได เมื่อสารตั้งตนเขามาจับกับบริเวณเรง จะทําใหบริเวณเรงเปลี่ยนรูปรางใหเขากับสารตั้งตนไดพอดี การทํ างานของเอนไซม น อกจากมี ความจําเพาะเจาะจงแล ว เอนไซมบ างชนิดยังมี ส มบั ติเรงปฏิ กิริย า ยอนกลับได กลาวคือ เอนไซมเปลี่ยนสารตั้งตนใหกลายเปนผลิตภัณฑและสามารถเปลี่ยนผลิตภัณฑใหเปนสารตั้ง ตนได
ภาพ การเรงปฏิกิริยาของเอนไซม เอนไซมบางชนิดอาจมีองคประกอบที่ไมใชโปรตีนรวมอยูดวย ไดแก ไอออนตางๆ เชน คลอไรดไอออน (Cl-) ซิงคไอออน (Zn2+) เรียกวา โคแฟกเตอร (Co-factor) หรืออาจเปนสารอินทรียพวกวิตามินตางๆ เชน วิตามิน B1 B2 และ C ก็ได เรียกสารเหลานี้วา โคเอนไซม (Co-enzyme) ซึ่งมีความจําเปนตอการทํางานของเอนไซม ถา ขาดสารเหลานี้ไปจะทําใหเอนไซมไมสามารถทํางานไดปกติ
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 29
ปจจัยที่ผลตอการทํางานของเอนไซม 1) ภาวะความเปนกรด-เบส (pH)
กราฟ การทํางานของเอนไซมที่ pH ตางๆ จากกราฟ จะเห็นวาเอนไซมตางชนิด อาจทํางานไดดีในสภาวะที่แตกตางกัน เอนไซมในรางกายสวนมาก จะทํางานไดดี ในสภาพของความเปน กรด – เบส ประมาณ 7 ยกเวนเอนไซมที่เกี่ยวของกับ การยอยอาหาร จะ ทํางานไดดีในสภาวะความเปนกรด 2) อุณหภูมิ (Temperature)
กราฟ การทํางานของเอนไซมที่อุณหภูมิตางๆ จากกราฟจะเห็นวา อุณหภูมิที่เหมาะสมตอการทํางานของเอนไซมในคนจะอยูในชวง 25 – 40 องศาเซลเซียส แตเอนไซมของแบคทีเรียบางชนิดที่สามารถเจริญไดดีในสภาพแวดลอมที่รอนมาก ดังนั้นอุณหภูมิที่ เอนไซมในตัวแบคทีเรียจะสามารถทํางานไดดีในอุณหภูมิ 65 – 80 องศาเซลเซียส ถาอุณหภูมิต่ําหรือสูงกวา อุณหภูมิที่เหมาะสมจะสงผลใหโปรตีนเสียสภาพ จึงไมสามารถจับกับสารตั้งตนได เอนไซมบางชนิดที่เสียสภาพแลว อาจจะสามารถกลับสูรูปรางเดิมไดอีก เมื่ออุณหภูมิหรือคาความเปน กรด – เบส กลับเขาสูสภาวะปกติ สงผลใหเอนไซมสามารถทํางานได
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 30
3) ความเขมขนของสารตั้งตน (Concentration of substance) การเกิดปฏิกิริยาเคมีในเซลล เกิ ดจากสารตั้งตน จับ กับ เอนไซมที่บ ริเวณเรงทําใหเอนไซมเรงปฏิกิริย าที่ จําเพาะ เมื่อมีการเพิ่มความเขมขนของสารตั้งตนของปฏิกิริยาพบวาไดขอมูลดังกราฟดานลาง
กราฟ การทํางานของเอนไซมเมื่อเพิ่มความเขมขนของสารตั้งตน จากกราฟจะเห็นวา ในปฏิกิริยาเคมีที่มีเอนไซมอยางเพียงพอ ถาเพิ่มความเขมขนของสารตั้งตนอัตราการ เกิดปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้น จนกระทั่งระดับหนึ่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะคงที่ แมวาจะเพิ่มความเขมขนของสารตั้ง ตน เนื่องจากปริมาณของเอนไซมมีเทาเดิม แตปริมาณของสารตั้งตนมีมากขึ้น จึงทําใหปริมาณของเอนไซมเปน ขอจํากัดของปฏิกิริยา ในทางกลับกันเมื่อเราเพิ่มปริมาณของเอนไซมเขาไปในปฏิกิริยา ในปริมาณของสารตั้งตนที่ เท าเดิมจะทํ าให ป ฏิ กิริยาเกิ ดขึ้น ได อย างต อเนื่องจนถึงจุดหนึ่งปฏิกิริยาจะเกิดอยางคงที่ เนื่องจากปริมาณของ สารตั้งตนที่ไมเปลี่ยนแปลง ดังนั้นปริมาณของสารตั้งตนจึงเปนขอจํากัดของปฏิกิริยา 4) ตัวยับยั้งเอนไซม (Enzyme inhibitor) ตัวยับยั้งเอนไซมเปนสารเคมีที่สามารถยับยั้งการทํางานของเอนไซมบางชนิดได โดยที่ตัวยับยั้งเอนไซมนั้น อาจจะไปขัดขวางการทํางานของเอนไซมโดยแยงจับกับบริเวณเรงของเอนไซมเพื่อไมใหเอนไซมจับกับสารตั้งตน เอนไซมจึงไมสามารถเรงปฏิกิริยาการเปลี่ยนแปลงของสารตั้งตนได ตัวยับยั้งเอนไซมพวกนี้มักมีรูปรางบางสวน คลายคลึงกับสารตั้งตน จึงทําใหจับกับบริเวณเรงได และตัวยับยั้งบางตัวนั้นอาจจับกับเอนไซมที่บริเวณอื่นๆ ที่ไมใช บริเวณเรงได ดังนั้นตัวยับยั้งเอนไซมจึงแบงไดเปน 2 ประเภท 4.1 Competitive inhibitor (ตัวยับยั้งแบบแขงขัน) ตัวยับยั้งประเภทนี้มักมีรูปรางคลายกับสารตั้งตน เพื่อใหสามารถจับกับบริเวณเรงของเอนไซมไดจึงทําให ลดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีได 4.2 Non-competitive inhibitor (ตัวยับยั้งแบบแขงขัน) ตัวยั บ ยั้ งประเภทนี้ อาจมี รูป รา งไมคลายกับ สารตั้งตน เพราะวาตัวยับ ยั้งประเภทนี้จะจับ เอนไซมน อก บริเวณเรง ซึ่งมีผลทําใหบริเวณเรงมีการเปลี่ยนรูปราง และทําใหลดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีได เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 31
ภาพ ประเภทของตัวยับยั้งเอนไซม (a) ตัวยับยั้งแบบแขงขัน (b) ตัวยับยั้งแบบไมแขงขัน
ตัวอยางของตัวยับยั้งเอนไซมที่รูจักกันดี เชน สารจําพวกเพนิซิลลิน ซึ่งเปนยาปฏิชีวนะมีฤทธิ์ในการแยงจับ กับบริเวณเรงของเอนไซมที่แบคทีเรียใชในการเรงปฏิกิริยาการสรางผนังเซลล แบคทีเรียจึงไมสามารถสรางผนัง เซลลได เนื่องจากเอนไซมจะทํางานไดคอนขางจําเพาะ นักวิทยาศาสตรจึงมักใชตัวยับยั้งเอนไซมในการศึกษาลําดับ ของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นโดยการเติมตัวยับยั้งเอนไซมไปขัดขวางการทํางานของเอนไซมแลววัดปริมาณสารที่มีการ สะสมเพิ่มขึ้น และสารที่มีปริมาณลดลง ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
เคมีเป็ นพื ้นฐานของสิ่งมีชีวิต : 32