Biochem_5

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3. สารชีวโมเลกลุ สารชวี โมเลกุลเป็นสารทสี งิ มชี วี ติ ใช้ในการดาํ รงชวี ติ ซึงจําแนกไดเ้ ป็น 4 ประเภทไดแ้ ก่ โปรตนี คารโ์ บไฮเดรต ลปิ ิด และกรดนิวคลอี กิ ซงึ ทงั สปี ระเภทเกยี วขอ้ งกบั การดํารงชวี ติ คอื ช่วยให้ รา่ งกายเจรญิ เติบโต ใหพ้ ลงั งานในการทาํ กจิ กรรมต่างๆ ช่วยใหร้ ่างกายแขง็ แรง และช่วยถ่ายทอด ลกั ษณะทางพนั ธุกรรมอาหารทรี บั ประทานเขา้ ไปมสี ารอาหาร 6 ประเภทคอื ไขมนั คารโ์ บไฮเดรต โปรตีน แร่ธาตุ วติ ามิน และนํา ซึงแร่ธาตุ วติ ามนิ และนําไม่ใช่สารชีวโมเลกุลเนืองจากเป็นสาร อนินทรยี ์ สารชวี โมเลกุลทกี ล่าวไปทงั 4 ประเภททกี ล่าวไปนีมโี ครงสรา้ ง สมบตั ิ การเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า อยา่ งไร จะไดศ้ กึ ษาจากบทนี สารชวี โมเลกุล โปรตนี คารโ์ บไฮเดรต ลปิ ิด กรดนิวคลอี กิ 3.1 โปรตีน (Protein) โปรตีนเป็นสารประเภทพอลเิ พปไทด์ทมี ีโครงสร้างของโมเลกุลทีซบั ซ้อน มธี าตุประกอบ หลกั ซึงประกอบดว้ ย คารบ์ อน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน โปรตนี เป็นสารทพี บมากทสี ุด ในสงิ มชี วี ติ มากกว่าครงึ หนึงของนําหนักแหง้ (dry weight) ของเซลล์ทวั ไป โปรตนี มบี ทบาทสาํ คญั ในกระบวนการทางชวี เคมที ุกชนิด ดงั นันความรูเ้ กยี วกบั โครงสรา้ งและการทํางานของโปรตนี จงึ มี ความสาํ คญั มาก 3.1.1 กรดอะมิโนและพนั ธะเพปไทด์ เมอื สลายโปรตนี ดว้ ยกรดจะไดส้ ารอนิ ทรยี ง์ ่ายๆ เรยี กว่า กรดอะมโิ น (amino acid) ซงึ มี สตู รโครงสรา้ งเป็น NH2-CHR-COOH ในสตู รโครงสรา้ งนีอะตอมคารบ์ อนในตําแหน่งอลั ฟาจะเป็น อะตอมคารบ์ อนไม่สมมาตร (asymmetric carbon atom) ดงั นันกรดอะมโิ นทุกตวั นอกจากไกลซีน จะมสี เตรโิ อไอโซเมอรไ์ ดส้ องชนิด คอื D- และ L- โดยทกี รดอะมโิ นในธรรมชาตสิ ่วนใหญ่เป็นชนิด L-isomer สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า1

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 โปรตนี เกดิ จากกรดอะมโิ นสรา้ งพนั ธะดว้ ยพนั ธะเพปไทด์ เชอื มต่อกนั ระหว่างโมเลกลุ ซงึ มี การจดั เรยี งลําดบั ชนิด และจํานวนทีแตกต่างกนั เกดิ เป็นโครงสรา้ งโมเลกุลขนาดใหญ่ทมี ีมวล โมเลกลุ มาก O O H2N CH C OH H H N CH C OH CH3 CH3 OO H2N CH C H CH C OH + H2O N CH3 CH3 Peptide bond โปรตนี เป็นพอลเิ มอร์ธรรมชาตทิ เี กดิ จากการรวมตวั ของกรดอะมโิ นจํานวนมาก โปรตนี มี หลายชนิด โปรตีนนับหมนื ชนิดในรา่ งกายประกอบดว้ ยกรดอะมโิ น 20 ชนิดเป็นโครงสรา้ งพนื ฐาน กรดอะมิโนบางชนิดร่างกายสงั เคราะห์ขึนเองได้ บางชนิดร่างกายสงั เคราะห์ขนึ เองไม่ได้เรยี ก กรดอะมิโ นทีสังเคราะห์ขึน เองไม่ได้นี ว่า กรดอะมิโ น จําเป็ น ซึง ได้แก่ เ ม ไ ทโอนี น ทรโี อนีน ไลซีน เวลนี ลวิ ซีน ไอโซลวิ ซีน ฟีนิวอะลานีน ทรปิ โตเฟน ฮสี ตดิ นี และอาร์จนี ีน เมือ พจิ ารณากรดอะมโิ นแต่ละชนิดจะมอี งคป์ ระกอบพนื ฐานทเี หมอื นกนั คอื หมคู่ ารบ์ อกซิลกิ และ หมเู่ อ มนี ซงึ หมู่อะมโิ นเหล่านีสามารถแบ่งออกเป็น4 ชนิดหลกั ไดแ้ ก่hydrophobic polar acidic และ basic บทบาทของกรดอะมโิ นแต่ละชนิดในการทํางานของโปรตนี ขนึ อยู่กบั คณุ สมบตั ขิ องโซ่ขา้ ง 4 ประการ ไดแ้ ก่ ลกั ษณะความมขี วั คุณสมบตั กิ ารแตกตวั ความสามารถในการเกดิ พนั ธะไฮโดรเจน และ คณุ สมบตั เิ ฉพาะตวั ของสาร รปู ที 3.1โครงสรา้ งพนื ฐานของกรดอะมโิ น หน้า2 สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน)

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 ตารางที 3.1 โครงสร้างและชนิดของกรดอะมิโนทีมโี ซ่ข้างไม่มขี วั (hydrophobic) (Garrett, 2548) กรดอะมิโน สตู รโครงสรา้ ง pKaR pKaC pKaN pI โซ่ข้าง (side chain) Alanine COOH CH3 - 2.4 9.9 6.15 (Ala, A) H2N C H Valine COOH CH3 - 2.3 9.7 6.00 (Val, V) H2N C CH - 2.3 9.7 6.00 - 2.3 9.8 6.05 Leucine H CH3 - 2.1 9.3 5.70 (Leu, L) COOH H2N C CH2 CH3 H CH Isoleucine COOH CH3 (Ile, I) H2N C CH2CH3 Methionine H CH (Met, M) CH3 Phenyl COOH CH2 - 2.2 9.3 5.75 alanine H2N C - 2.5 9.4 5.95 (Phe, F) CH2 C - 2.0 10.6 6.30 H HC Tryptophan N (Trp, W) COOH H H2N C H Proline (Pro, P) สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า3

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 ตารางที 3.2 โครงสรา้ งและชนิดของกรดอะมิโนทีมีโซ่ข้างมีขวั (Polar, Uncharged) (Garrett, 2548) กรดอะมิโน สตู รโครงสรา้ ง pKaR pKaC pKaN pI โซ่ข้าง (side chain) Tyrosine COOH CH2 OH 10.5 2.2 9.2 5.70 (Tyr, Y) H2N C Cysteine H CH2 SH 8.4 1.9 10.7 5.15 (Cys, C) COOH H2N C Asparagine H O - 2.1 8.7 5.40 (Asn, N) COOH CH2 C H2N C Glutamine H NH2 - 2.2 9.1 5.65 (Gln, Q) COOH O H2N C CH2CH2C Serine H NH2 - 2.2 9.2 5.70 (Ser, S) COOH CH2OH H2N C Threonine H CHCH3 - 2.1 9.1 5.60 (Thr, T) COOH H2N C H OH Glycine COOH H - 2.4 9.8 6.10 (Gly, G) H2N C H สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า4

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 ตารางที 3.3 โครงสร้างและชนิดของกรดอะมิโนทีมโี ซ่ข้างเป็นกรด (Acidic) (Garrett, 2548) กรดอะมิโน สตู รโครงสรา้ ง pKaR pKaC pKaN pI โซ่ข้าง (side chain) Aspartic COOH O acid H2N C CH2 C 3.9 2.0 9.9 2.95 (Asp,D) H OH Glutamic COOH O acid H2N C CH2 CH2 C 4.1 2.1 9.5 3.10 (Glu, E) H OH ตารางที 3.4 โครงสร้างและชนิดของกรดอะมิโนทีมีโซ่ข้างเป็นเบส (basic) (Garrett, 2548) กรดอะมิโน สตู รโครงสรา้ ง pKaR pKaC pKaN pI โซ่ข้าง (side chain) 9.80 10.75 Lysine COOH 10.5CH2CH2CH2CH2NH2 2.2 9.1 7.65 (Lys, K) H2N C H Arginine COOH 12.5CH2CH2CH2NHCH2NH2 1.8 9.0 (Arg, R) H2N C NH H Hitidine COOH CH2 C CH 6.0 1.8 9.3 (His, H) H2N C HN N H C H ในบางครงั จาํ แนกสารตามความแตกต่างกนั ทโี ซ่แขนง หรอื R group ได้ 7 แบบไดแ้ ก่ กลมุ่ aliphatic ไดแ้ ก่ ไกลซนี อะลานีน เวลนี ลซู นี และ ไอโซลซู นี กลมุ่ aromatic ไดแ้ ก่ เฟนิลอะลานีน ทรปิ โตเฟน และ ไทโรซนี กลมุ่ Sulphur ไดแ้ ก่ ซสี เตอนี และ เมไธโอนีน กลมุ่ acidic ไดแ้ ก่ กรดแอสปารต์ คิ และ กรดกลตู ามคิ กลุ่ม basic ไดแ้ ก่ ไลซนี อารจ์ นิ ีน และ ฮสี ตดิ นี กลุ่ม amide ไดแ้ ก่ แอสปาราจนี และ กลตู ามนี กล่มุ Hydroxy ไดแ้ ก่ เซรนี และ ธรโี อนีน และกลมุ่ สดุ ทา้ ยไดแ้ ก่ กลมุ่ Imino ไดแ้ ก่ โปรลนี สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า5

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.1.2 คณุ สมบตั ิของกรดอะมิโน เนืองจากกรดอะมโิ นมหี มอู่ ะมโิ นและหมคู่ ารบ์ อกซลิ กิ เป็นหมฟู่ งั กช์ นั จงึ มสี มบตั ดิ งั นี การละลายนํา กรดอะมิโนเป็นผลึกของแข็งสีขาว ละลายนําได้และละลายในโมเลกุลทีมีขวั จุด หลอมเหลวของกรดอะมโิ นคอ่ นขา้ งสงู เมอื เทยี บกบั สารอนิ ทรยี ์อนื ๆ ทมี มี วลโมลเลกุลใกลเ้ คยี งกนั เนืองจากแรงยดึ เหนียวระหว่างโมเลกุลเป็นพนั ธะไฮโดรเจน ความเป็นกรด-เบสของกรดอะมโิ นมี สมบตั เิ ป็นทงั กรดและเบส เนืองจากมอี งคป์ ระกอบเป็นหมู่ฟงั กช์ นั ของ –COOH ซงึ มสี มบตั เิ ป็นกรด และหมู่ –NH2ซงึ มสี มบตั เิ ป็นเบส กรดอะมโิ นจงึ เป็นสาประเภทแอมโฟเทอรกิ ซงึ แตกตวั เป็นไอออน ในสารละลายไดค้ ล้ายสารประกอบไอออนิก ต่างกนั ทีโมเลกุลของกรดอะมิโนมที งั ประจุบวกและ ประจุลบ จงึ เกดิ เป็นไอออน 2 ขวั ทเี รยี กวา่ zwiiter ion ทาํ ใหผ้ ลรวมของประจุไฟฟ้าในโมเลกลุ เป็น ศนู ย์ ประจุไฟฟ้าในโมเลกลุ ของกรดอะมโิ นเปลยี นแปลงไดเ้ มอื มกี ารเปลยี นสภาพความเป็นกรด- เบสของสารละลายดงั นี ในสารละลายทมี ี pH ตาํ ในสารละลายทมี ี pH สงู กรดอะมโิ นรบั H+ ในสารละลายกรด และให้ H+ ในสารละลายเบส กรดอะมโิ นจงึ สามารถทาํ ปฏกิ ริ ยิ ากบั สารละลายทมี สี มบตั เิ ป็นกรดหรอื เบสได้ เมอื กรดอะมโิ นทาํ ปฏกิ ริ ยิ ากบั สารละลายกรด H HCl H H3C C COOH H3C C COOH NH2 NH3Cl สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า6

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 และเมอื ทาํ ปฏกิ ริ ยิ ากบั เบสจะได้ H NaOH H H2O H3C C COOH H3C C COO-Na+ NH2 NH2 และเมอื พจิ ารณาคา่ pK ของกรดอะมโิ นแต่ละชนิดตวั อย่างเชน่ อะลานีนซงึ มคี า่ pKaCเท่ากบั 2.4 และ pKaNเท่ากบั 9.9 หากนําคา่ pKaC บวกกบั pKaNแลว้ หาร 2 จะไดค้ า่ PKIซงึ เรยี กคา่ นีวา่ Isoelectric point ซงึ เป็นคา่ ทที าํ ใหป้ ระจรุ วมของกรดอะมโิ นมปี ระจรุ วมเป็นศนู ย์ แสดงดงั สมการ และเมอื พจิ ารณากรดอะมโิ นทมี สี มบตั เิ ป็นกรด เช่นกรดแอสปาตคิ พบวา่ มคี า่ pKaCเท่ากบั 2.0pKaN เท่ากบั 9.9 และ pKaRเท่ากบั 3.9 เมอื พจิ ารณาสมการเคมพี บวา่ สามารถหาคา่ pI ไดจ้ าก ผลรวม ของ pKaC กบั pKaR แลว้ หาร 2 ได้ pI เท่ากบั 2.95 3.1.3 การสงั เคราะห์ α-amino acids การสงั เคราะหก์ รดอะมโิ นทาํ ไดห้ ลายวธิ ี วธิ กี ารหนึงทใี ชไ้ ดแ้ กว่ ธิ ี Strecker Synthesis โดย ใช้ ไฮโดรเจนไซยาไนดแ์ ละแอมโมเนียทาํ ปฏกิ ริ ยิ ากบั แอลดไี ฮด์ ดงั สมการ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า7

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 กลไกการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเป็นดงั นี 3.1.4โครงสร้างของโปรตีน สงิ มชี ีวติ ส่วนใหญ่ใช้กรดอะมิโนเป็นสารตงั ต้นในการสงั เคราะห์โปรตีน โดยกรดอะมิโน หลายโมเลกุลยดึ เหนียวกนั ดว้ ยพนั ธะเพปไทด์ ถา้ กรดอะมโิ น 2 โมเลกุลเกดิ ปฏกิ ริ ยิ ารวมตวั กนั จะ ได้สารประกอบทีเรียกว่า ไดเพปไทด์ กรดอะมิโน 3 โมเลกุลทําปฏิกิริยารวมตัวกันจะได้ สารประกอบ ไตรเพปไทด์ และถ้ากรดอะมิโนหลายๆ โมเลกุลทําปฏิกริ ยิ ากนั จนเกดิ เป็นสายยาว เรยี กวา่ พอลเิ พปไทด์ O O H2N CH C OH H2N CH C OH CH3 H OO H2O H H2N CH C N CH C OH CH3 H ในการเขยี นสตู รโครงสรา้ งเปปไทดจ์ ะหนั ดา้ น –NH2ไวด้ า้ นซา้ ยมอื และ –COOH ไวด้ า้ นขวามอื และเรยี กดา้ นทมี ี -NH2วา่ N-terminal และ ดา้ น –COOH วา่ C-terminal สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า8

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.1.5การเรยี กชือโปรตีน การเรยี กชอื โปรตนี ไดเพปไทดแ์ ละไตรเพปไทด์ ใหเ้ รยี กชอื ตามลําดบั ของกรดอะมโิ น โดย เรยี กชอื กรดอะมโิ นลาํ ดบั แรกดว้ ยการลงทา้ ยดว้ ย –yl ตามดว้ ยชอื กรดอะมโิ นตวั สดุ ทา้ ย เชน่ 3.1.6การทดสอบพนั ธะเพปไทด์ การทดสอบพนั ธะเพปไทด์ด้วยสารละลายเจือจาง CuSO4ในสารละลายเบส เรียกว่า ปฏิกริ ยิ า ไบยูเรต ซึงจะให้ผลกบั สารทปี ระกอบด้วยพนั ธะเพปไทด์ตงั แต่ 2 พนั ธะขนึ ไป เป็น ปฏิกริ ิยาทใี ช้ทดสอบสารประเภทโปรตีนได้ทุกชนิด รวมถึงผลิตภณั ฑ์ทีเกิดจากการไฮโดรไลซ์ โปรตนี ทยี งั เป็นโมเลกลุ ขนาดใหญ่ ซงึ ใหผ้ ลการทดสอบเป็นสนี ําเงนิ มว่ ง สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า9

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 รปู ที 3.2การเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าสารเชงิ ซ้อนของโลหะ Cu2+กบั พนั ธะเพปไทด์ (ทมี า http://www.piercenet.com/media/PDetectBiuretF6.gif) 3.1.7 ไฮโดรไลซิสเปปไทด์ เมอื โปรตนี หรอื เปปไทดถ์ ูก reflux กบั กรด HCl ความเขม้ ขน้ 6M พนั ธะเอไมดจ์ ะถูกยอ่ย สลายกลายเป็นกรดอะมโิ นได้ ซงึ เราสามารถทดสอบว่ามกี รดอะมโิ นหรอื ไม่โดยใช้ Ninhydrin โดย Ninhydrin จะทาํ ปฏกิ ริ ยิ ากบั α-amino acids ใหส้ มี ่วงเกดิ ขนึ ซงึ Ninhydrin จะไม่สามารถ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ ากบั proline ไดเ้ นืองจาก proline มตี าํ แหน่ง α-amino acid เป็น secondary amide จงึ ไมเ่ กดิ ปฏกิ ริ ยิ ากบั Ninhydrin OO O +H2O OH - H2O O OH Ind ane -1,2,3-t ri one O nin hydri n O OO N 2 R CO2- RO CO2 O OO H NH3+ (-H3O+) O สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า10

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.1.8โครงสร้างของโปรตีน เนืองจากโปรตนี เป็นโมเลกลุ ขนาดใหญซ่ งึ ประกอบดว้ ยกรดอะมโิ นจาํ นวนมากซึงยดึ เหนียว กนั ดว้ ยพนั ธะเพปไทดแ์ ละพนั ธะชนิดอนื ๆ ทาํ ใหโ้ ปรตนี มโี ครงสรา้ ง 4 ระดบั คอื 3.1.6.1 โครงสร้างปฐมภมู ิ (Primary structure)เป็นโครงสร้างทีแสดงการ จดั ลาํ ดบั ชนิด และ จาํ นวนโมเลกุลของกรดอะมโิ นในสายพอลเิ มอรโ์ ซ่ยาว ซึงโปรตนี แต่ละชนิดจะมี ลาํ ดบั ของชนิดและจํานวนโมเลกุลของกรดอะมโิ นทแี น่นอน การจดั ลําดบั กรดอะมโิ นโครงสรา้ งปฐม ภูมิกําหนดให้ปลายหมู่อะมโิ นอยู่ด้านซ้าย (N-terminal) และ ปลายคาร์บอกซิลิกอยู่ด้านขวา (C-terminal) รปู ที 3.3โครงสรา้ งปฐมภมู ขิ องโปรตนี (ทมี าhttp://www.msu.edu/course/isb/202/ebertmay/drivers/Protein-primary-structure.png) 3.1.6.2 โครงสร้างทุติยภมู ิ (secondary structure)เป็นโครงสรา้ งทเี กดิ จากการ ขดหรอื ม้วนตวั ของโครงสรา้ งปฐมภูมิ ถ้าเกดิ จากการสร้างพนั ธะไฮโดรเจนระหว่าง C=O ของ กรดอะมโิ นหนึงกบั N-H ของกรดอะมโิ นถดั ไปอกี 4 หน่วยในสายพอลเิ พปไทดเ์ ดยี วกนั จะเกดิ โครงสรา้ งในลกั ษณะบดิ เป็นเกลยี วซึงเรยี กโครงสรา้ งทุตยิ ภูมชิ นิดนีว่า เกลยี วแอลฟา และถ้าเกดิ จากการสรา้ งพนั ธะไฮโดรเจนระหว่าง C=O กบั N-H ของกรดอะมโี นระหวา่ งสายพอลเิ พปไทดท์ อี ยู่ คู่กนั จะเกดิ โครงสร้างแบบแผ่น เรยี กว่า แผ่นพลที บีต้า นอกจากจะเกดิ พนั ธะไฮโดรเจนแล้วยงั สามารถเกดิ พนั ธะไดซลั ไฟด์ พนั ธะไอออนิก เป็นตน้ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า11

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.1.6.3 โครงสร้างตติยภมู ิ (tertiary structure)ซึงประกอบดว้ ยโครงสรา้ งทุตยิ ภูมหิ ลายส่วนรวมกนั โดยมแี รงยึดเหนียวอ่อนๆ คล้ายโครงสรา้ งทุตยิ ภูมิ โครงสรา้ งตติยภูมขิ อง โปรตีนแต่ละชนิดมลี กั ษณะจําเพาะขนึ อยู่กบั ลําดบั ของกรดอะมิโนในสายพอลเิ พปไทด์ ทําให้เกดิ โครงสรา้ งทเี หมาะสมในการทาํ หน้าทตี ่างๆ ของโปรตนี รปู ที 3.4โครงสรา้ งทตุ ยิ ภูมิ (ทมี า http://kvhs.nbed.nb.ca/gallant/biology/secondary_structure.jpg) รปู ที 3.5โครงสรา้ งตตยิ ภูมิ (ทมี า http://bioweb.wku.edu/courses/biol22000/3AAprotein/images/F03-08C.GIF) สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า12

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.1.6.4 โครงสร้างจตุรภมู ิ (quaternary structure) เกิดจากการรวมตวั ของ หน่วยย่อยชนิดเดยี วกนั หรอื ต่างชนิดกนั ของโครงสรา้ งตตยิ ภูมิ โดยมแี รงยดึ เหนียวเหมือนกบั ใน โครงสรา้ งทุตยิ ภูมแิ ละตติยภูมลิ กั ษณะโครงสรา้ งใหมข่ นึ อยู่กบั โครงสรา้ งตตยิ ภูมซิ ึงเป็นหน่วยย่อย โดยอาจรวมกนั เป็นลกั ษณะเป็นกอ้ นกลม เชน่ ฮโี มโกลบนิ หรอื เป็นมดั เสน้ ใย เชน่ คอลลาเจน a) คอลลาเจน b) ฮโี มโกลบนิ รปู ที 3.6โครงสรา้ งจตุรภูมิ a) คอลลาเจน และ b) ฮโี มโกลบนิ (ทมี าhttp://kvhs.nbed.nb.ca/gallant/biology/quaternary_structure.jpg) สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า13

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 รปู ที 3.7ขนั ตอนการเกดิ โครงสรา้ งทรี ะดบั ต่างๆ ของโปรตนี (ทมี า http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/prot_struct-4143.JPG) 3.1.7 ชนิ ดและหน้าทีของโปรตีน การจดั จําแนกโปรตนี ตามตามลกั ษณะโครงสรา้ งของสายพอลเิ มอรจ์ ําแนกได2้ ประเภาท ดงั นี โปรตนี เสน้ ใย(fiber protein) เกดิ จากสายพอลเิ พปไทดห์ ลายเสน้ เรยี งขนานกนั และพนั รอบ กนั เองคล้ายเสน้ เชอื ก ละลายนําไดน้ ้อยส่วนใหญ่ทําหน้าทีเป็นโปรตีนโครงสรา้ ง เพราะมีความ แขง็ แรงและยดื หยุ่นสงู ตวั อย่างโปรตนี ชนิดนีไดแ้ ก่ ไฟโบรอนิ ในเสน้ ไหม อลี าสตนิ ในเอน็ คอลลา เจนในเนือเยอื เกยี วพนั เคราตนิ ในผม ขน เลบ็ เป็นตน้ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า14

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 โปรตนี กอ้ นกลม(globular protein) เกดิ จากสายพอลเิ พปไทดม์ ้วนขดพนั กนั เป็นกอ้ นกลม ละลายนําไดด้ ี ส่วนใหญ่ทาํ หน้าทเี กียวกบั เมทาบอลซิ ึมต่างๆ ทเี กดิ ขนึ ภายในเซลล์ ตวั อย่างของ โปรตนี กอ้ นกลม เชน่ เอนไซม์ ฮอรโ์ มนอนิ ซูลนิ ฮโี มโกลบนิ โกลบลู นิ ในพลาสมา เป็นตน้ นอกจากจะแบง่ โปรตนี ตามโครงสรา้ งแลว้ ยงั สามารถแบ่งตามหน้าทไี ดด้ งั ตาราง ตารางที 3.5ชนิด หน้าที และแหล่งทพี บของโปรตนี ชนิ ดของโปรตีน หน้าที ตวั อย่างแหล่งทีพบ โปรตนี ตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ า เรง่ ปฏกิ ริ ยิ าในเซลลส์ งิ มชี วี ติ เอนไซม์ เช่น อะไมเลสใน (Enzyme) นําลาย โปรตนี โครงสรา้ ง ให้ความแข็งแรงและช่วยคง คอลลาเจน ซึงพบในกระดูก รูปร่างโครงสร้างต่างๆ ของ เอน็ เนือเยอื เกยี วพนั รา่ งกาย เคราตนิ พบในผม ขน เลบ็ กบี สตั ว์ ผวิ หนงั โปรตนี ขนสง่ ขนส่งสารไปสสู่ ่วนต่างๆ ของ ฮโี มโกลบินในเซลล์เมด็ เลอื ด รา่ งกาย แดง พาออกซเิ จนไปสเู่ นือเยอื ตา่ งๆ ทรานสเฟอรนิ นําธาตุเหลก็ ใน นําเลอื ดจากบรเิ วณทสี ะสมไป ยงั มา้ ม ตบั และ กระดกู โปรตนี สะสม สะสมธาตุต่างๆ เฟอริทิน สะสมธาตุเหล็กใน โปรตนี ป้องกนั ตบั มา้ ม และไขกระดกู ป้ อ ง กั น ห รื อ กํ า จั ด สิ ง แอนตบิ อดี แ ป ล ก ป ล อ ม ที เ ข้ า ใ น เ ซ ล ล์ เช่น แบคทเี รยี โปรตนี ฮอรโ์ มน ทาํ หน้าทแี ตกตา่ งกนั ตามชนิด โกรทฮอรโ์ มน ของฮอรโ์ มน เชน่ ควบคมุ การ อนิ ซูลนิ กลคู ากอน สรา้ งทตี บั เจรญิ เตบิ โตของรา่ งกาย อ่อน ควบคมุ การเผาผลาญ คารโ์ บไฮเดรต ตวั พษิ โปรตนี ทเี ป็นพษิ ต่อรา่ งกาย พษิ งู พษิ คอตบี พษิ อหวิ าตกโรค สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า15

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.1.8 เอนไซม์ (Enzyme) เอน็ ไซมเ์ ป็นโปรตนี ทที าํ หน้าทเี ป็นตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ าในเซลลส์ งิ มชี วี ติ ความหมายของเอนไซม์ คอื โปรตีนทีมีลกั ษณะกอ้ นกลมทําหน้าทีเร่งปฏิกริ ิยาการเปลียนแปลงของสารอาหารต่างๆ ใน ร่างกาย และมีความจําเพาะต่อปฏกิ ิรยิ าและสารทีช่วยเร่งปฏิกิรยิ าโดยไม่ต้องเพมิ อุณหภูมิหรอื เปลยี นแปลงคา่ pH ซงึ สง่ ผลใหร้ า่ งกายสามารถควบคมุ ปฏกิ ริ ยิ าตา่ งๆ ไดอ้ ยา่ งเหมาะสม การเรยี กชือเอนไซม์ ให้เรยี กชือเหมอื นสบั สเตรททเี กดิ ปฏิกิรยิ ากบั เอนไซม์แลว้ ลงทา้ ย พยางคเ์ ป็น เ-ส เชน่ ซูโครส เป็น ซเู ครส อะไมโลส เป็น อะไมเลส มอลโทส เป็น มอลเทสเป็นตน้ 3.1.8.1 สมบตั ิของเอนไซม์ 1) มคี วามจําเพาะเจาะจง เอนไซม์ชนิดหนึงใช้ได้กบั สบั สเตรตเพยี งชนิดเดยี ว เทา่ นัน 2) เอมไซมท์ าํ หน้าทเี ป็นคะตะเลสทมี ปี ระสทิ ธภิ าพสงู สามารถเร่งปฏกิ ริ ยิ าไดห้ ลาย เท่ามากกวา่ เมอื ไม่ใสเ่ อมไซม์ 3.1.8.2 การทาํ งานของเอนไซม์ เรมิ ต้นดว้ ยสารตงั ต้นทเี รยี กว่า สบั สเตรต จบั กบั โมเลกุลของเอนไซม์ดว้ ยการต่อ กบั ผวิ ของเอนไซมใ์ นสว่ นทเี รยี กวา่ บรเิ วณเร่ง (Active site) ซงึ เป็นบรเิ วณทมี คี วามจาํ เพาะและ สามารถต่อกนั ไดพ้ อดกี บั สบั สเตรทเพยี งชนิดเดยี วเท่านัน จึงเปรยี บไดก้ บั แม่กุญแจกบั ลูกกุญแจ จากนันเอนไซม์กบั สบั สเตรตเกดิ การเปลียนแปลงไปเป็นสารประกอบเชงิ ซ้อน ซึงจะสลายตวั ให้ ผลติ ภณั ฑแ์ ละเอนไซมก์ ลบั คนื มาซงึ เอนไซมเ์ มอื เกดิ สารประกอบเชงิ ซ้อนจะทาํ ใหพ้ ลงั งานกระตุน้ มี คา่ น้อยลงจงึ ทาํ ใหเ้ กดิ ปฏกิ ริ ยิ าไดง้ า่ ยขนึ E+S ES P + E เอนไซมส์ บั สเตรด สารประกอบเชงิ ซอ้ น ผลติ ภณั ฑ์ เอนไซม์ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า16

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 รปู ที 3.8ขนั ตอนการทาํ งานของเอนไซม์ (ทมี า http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255enz/ES_complex.jpg) a) b) รปู ที 3.9ระดบั พลงั ของการดาํ เนินไปของปฏกิ ริ ยิ า a) ไมเ่ กดิ และ b) เกดิ สารประกอบเชงิ ซอ้ น (ทมี า http://www.atom.rmutphysics.com/charud/scibook/chemistry2/kinetics/pictures/graph9st.gif) ต่ อ ม า นั กวิทย า ศา ส ต ร์พ บว่า บริเ ว ณต ัวเ ร่ง ข อ ง เ อ น ไ ซ ม์ส า ม า ร ถ ถู กเ ห นี ย ว นํ า ใ ห้เ ห ม า ะ ส ม กับ สบั สเตรตทเี ขา้ มาจบั หรอื อาจเปลยี นแปลงรปู รา่ งได้ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า17

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.1.8.3 ปัจจยั ทีมีผลต่อการทาํ งานของเอนไซม์ 1) อุณภมู ิ เอนไซมจ์ ะทาํ งานไดด้ จี ะตอ้ งอย่ใู นอุณหภูมทิ เี หมาะสม 2) pHเป็นปจั จยั หนึงทมี ผี ลต่อการทาํ งานของเอนไซม์ทที าํ หน้าทเี ร่งปฏกิ ริ ยิ า หาก pH ไมเ่ หมาะสมจะทาํ ใหเ้ อนไซมท์ าํ หน้าทไี ม่เตม็ ที 3) ความเขม้ ขน้ ของเอนไซม์ หากเพมิ ความเขม้ ขน้ จะช่วยเรง่ ปฏกิ ริ ยิ าใหเ้ กดิ เรว็ ขนึ แต่ถา้ มากเกนิ พออตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าจะมคี า่ คงที 4) ปรมิ าณสารตงั ตน้ มผี ลต่ออตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าของเอนไซม์ เมอื เพมิ สบั สเตรต อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิมขึน แต่เมือยิงเพิมปริมาณของสบั สเตรตมากเกินพอ อัตราการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าจะไมเ่ กดิ เรว็ ขนึ เมอื ระดบั หนึงอตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าจะคงทเี นืองจากไม่ไดเ้ พมิ ปรมิ าณ ของเอนไซม์ 3.1.9 การแปลงสภาพโปรตีน โปรตนี แต่ละชนิดมโี ครงสรา้ งสามมติ ทิ จี าํ เพาะตอ่ การทํางานทแี ตกต่างกนั ถา้ แรงยดึ เหนียว ในโครงสรา้ งสามมติ ขิ องโปรตนี ถูกทําลาย จะทาํ ใหโ้ ครงสรา้ งของโปรตีนเปลยี นแปลงไป โดยการ คลายตวั ออกและไมส่ ามารถทาํ หน้าทที างชวี ภาพได้ เรยี กวา่ การแปลงสภาพโปรตนี ซงึ ปจั จยั ทที าํ ใหโ้ ปรตนี เกดิ เปลยี นสภาพไดแ้ ก่ ความรอ้ น pH เตมิ เอทานอลการเตมิ Pb(NO3)2 ลกั ษณะการแปลง สภาพของโปรตีน ได้แก่ การแข็งตัว ไม่ละลายนํา เกิดตะกอนขุ่นขาว จับตวั เป็นก้อนขุ่นขาว เนืองจากเสยี สภาพทางชวี ภาพและความเป็นระเบยี บของโครงสรา้ ง กลไกการเสยี สภาพโปรตนี ใน สภาวะทเี ป็นกรด-เบส ไดแ้ ก่ โปรตนี จะใหห้ รอื รบั H+ แลว้ เกดิ เป็นไอออน สามารถจบั ไอออนอนื ได้ และไอออนลบทแี ตกตวั ออกจากสารละลายกรดเป็นไอออนขนาดใหญ่ จงึ ทําใหไ้ อออนของโปรตนี รวมตวั กนั เป็นก้อนได้ ในตวั ทําละลายอนิ ทรยี ์สารจะเกดิ พนั ธะไฮโดรเจนกบั โปรตนี ทําให้โปรตีน แขง็ ตวั และละลายนําไดน้ ้อยลง ในสารละลายทมี ไี อออนของโลหะหนัก เชน่ Pb2+ และ Ag+จะเกดิ การจบั ตวั ระหวา่ งไอออนบอกของโลหะหนกั กบั กรดอะมโิ นในโปรตนี ดา้ นคารบ์ อกซิล เกดิ เกลอื คาร์ บอกซเิ ลต ซงึ ละลายนําไดน้ ้อยลง จงึ เกดิ การตกตะกอ้ น สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า18

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.2 คารโ์ บไฮเดรต (Carbohydrate) คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate)(มนตรี, 2542) เป็นสารชีวโมเลกุลทีสําคัญทีเป็น องค์ประกอบของสงิ มชี วี ติ ทุกชนิด คาํ ว่าคาร์โบไฮเดรตมรี ากศพั ท์มาจากคาํ วา่ คารบ์ อน (carbon) และคําว่าไฮเดรต (hydrate) อมิ ตวั ไปด้วยนํา ซึงรวมกนั ก็หมายถงึ คาร์บอนทีอิมตวั ไปดว้ ยนํา เนืองจากสูตรเคมอี ยา่ งง่ายกค็ อื (C•H2O)nซงึ n≥3 หน่วยทเี ลก็ ทสี ดุ ของคาร์โบไฮเดรตกค็ อื นําตาล โมเลกุลเดยี วหรือเรยี กว่าโมโนแซคคาร์ไรด์ คาร์โบไฮเดรตทีพบทวั ไปในชีวติ ประจําวนั ได้แก่ นําตาล แป้ง เซลลโู ลส และไกลโคเจน โดยสว่ นใหญ่พบแป้งและเซลลูโลสในพชื สว่ นไกลโคเจนพบ ในเซลลเ์ นือเยอื นําไขขอ้ ในสตั วแ์ ละผนงั เซลล์ คารโ์ บไฮเดรตเป็นสารประกอบประเภทแอลดไี ฮด์ (aldehyde) หรอื คโี ตน (ketone) ทมี ี หมไู่ ฮดรอกซหี ลายหมซู่ งึ เราสามารถจาํ แนกคารโ์ บไฮเดรตสามจําพวกใหญ่ๆ ตามจาํ นวนหน่วยของ นําตาลไดด้ งั นี 3.2.1 มอนอแซก็ คาไรด์ (Monosaccharide) หรือนําตาลโมเลกลุ เดียว นําตาลโมเลกุลเดยี วเป็นหน่วยนําตาลทเี ลก็ ทสี ุดประกอบดว้ ยคารบ์ อน 3 ถงึ 8 อะตอม จงึ สามารถจาํ แนกนําตาลประเภทโมเลกลุ เดยี วตามจาํ นวนคารบ์ อนทเี ป็นองคป์ ระกอบคอื จาํ นวนคารบ์ อน ชอื 3 ไตรโอส 4 เทโทรส 5 เพนโทส 6 เฮกโซส มอนอแซ็กคาไรด์ทพี บมากในธรรมชาตสิ ่วนใหญ่เป็นเพนโทสและเฮกโซส เพนโทสทพี บ มากไดแ้ ก่ ไรโบสและไรบูโรส และ เฮกโซสทีมากได้แก่ กลูโคส ฟรกั โทส และกาแลกโทสซึงมี โครงสรา้ งดงั นี สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า19

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 รปู ที 3.10โครงสรา้ งของนําตาลโมเลกุลเดยี วทพี บมากในธรรมชาติ และหากจําแนกนําตาลเพนโทสและเฮกโซสตามหมู่ฟงั ก์ชนั สามารถจําแนกได้สองกลุ่ม ไดแ้ ก่ กลุ่มของนําตาลทมี หี มอู่ ลั ดไี ฮดจ์ ะเรยี กนําตาลเหล่านีวา่ อลั โดส (Aldose) เช่น ไรโบส กลโู คส กาแลกโทส แอลโทรส แอลโลส เป็นตน้ และกลมุ่ นําตาลทมี หี มฟู่ งั ก์ชนั เป็นคโี ตนจะเรยี กนําตาลกล่มุ นีวา่ คโี ตส (Ketose) ตวั อย่างเช่น นําตาลไรบูโรสนําตาลฟรกั โทส นําตาลซอร์โบส เป็นต้น นําตาล โมเลกุลเดยี วเหล่านีมกั มคี าร์บอนทไี ม่สมมาตร (Asymmetric carbon) กล่าวคอื พนั ธะทงั สขี อง อะตอมนีจบั กบั หม่ทู ไี มเ่ หมอื นกนั ซึงเมอื นําตาลโมเลกุลเดยี วมคี ารบ์ อนทไี ม่สมมาตรมากกว่าหนึง อะตอมจะมจี ํานวนไอโซเมอร์เพมิ ขนึ โดยจํานวนไอโซเมอรส์ ามารถคดิ ไดจ้ าก 2n โดยที n คอื จํานวนคาร์บอนทไี ม่สมมาตรในโมเลกุล และการกําหนดไอโซเมอร์หน้าชอื ของนําตาลว่าเป็น D- หรอื L- ใหด้ ตู าํ แหน่งของหมู่ OH บนคารบ์ อนทไี ม่สมมาตรทอี ยหู่ ่างจากหม่ฟู งั กช์ นั คารบ์ อนิลมาก ทสี ดุ โดยทหี าก OH อยดู่ า้ นขวามอื จะเป็น D-isomer (R configuration) แต่ถา้ OH อย่ซู ้ายมอื จะ เป็น L-isomer (S configuration) และถ้านําตาลโมเลกุลเดยี วมหี มู่ OH ทตี ่ออยู่กบั คารบ์ อนทไี ม่ สมมาตรต่างกนั เพยี งตาํ แหน่งเดยี วเรยี กว่าเป็น epimer กนั ดงั นัน D-Glucose กบั D-Galactose จงึ เป็นคู่ epimer กนั และหากตาํ แหน่ง OH ต่างกนั มากกวา่ หนึงตําแหน่ง เรยี กวา่ เป็นไอโซเมอรช์ นิด diastereomer หรอื diastereoisomer กนั เมอื พจิ ารณาโครงสรา้ งของมอนอแซก็ คาไรดท์ งั 5 ชนิดทพี บมากทสี ดุ พบวา่ มสี ตู รทวั ไป RCOH และ RCOHCOR ซึงจะมสี มบตั เิ ป็นตวั รดี วิ ซ์และสามารถรดี วิ ซ์คอปเปอร์ (II) ไอออนใน สารละลายเบเนดิกต์ เกิดเป็ นคอปเปอร์ (I) ออกไซด์ซึงเป็ นต ะกอนอิฐสีแดง ดังนัน ไรโบส กลูโคส กาแลกโทส ไรบูโรสและฟรกั โทสแบบโซ่เปิดซึงมหี มู่ฟงั ก์ชนั ดงั กล่าวจึงสามารถ ทดสอบไดด้ ว้ ยสารละลายเบเนดกิ ต์ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า20

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 O OOO CH OO H C OH CH CH H C OH H C OH CH CH2OH O CH CH D-ribose* CH HO C H H C OH HO C H H C OH HO C H H C OH HO C H HO C H H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-Lyxose D-Glyceraldehyde D-Erythrose D-Threose D-Arabinose D-Xylose O O O OO O O O CH CH CH CH CH CH CH CH H C OH HO C H H C OH HO C H H C OH HO C H H C OH HO C H H C OH H C OH HO C H HO C H H C OH H C OH HO C H HO C H H C OH H C OH H C OH H C OH HO C H HO C H HO C H HO C H H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-Allose D -A ltr os e D-Glucose* D-Mannose D-Gulose D-Idose D-Galactose* D-Talose รปู ที 3.11กลมุ่ นําตาลแอลโดส CH 2O H CH2OH CH 2O H CH 2O H CO CO CO CO CH 2O H H C OH CH2OH H C OH HO C H Dihydroxyacetone D-Erythrulose H C OH H C OH CH 2O H CH 2O H D-riburose* D-Xylulose CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CO CO CO CO H C OH HO C H H C OH HO C H H C OH HO C H H C OH H C OH CH2OH H C OH HO C H CH2OH D-Psicose D-Tagatose H C OH H C OH CH2OH CH2OH D-Fructose* D-Sorbose รปู ที 3.12กลมุ่ นําตาลคโี ตส สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า21

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.2.1.1 การเกิดวงในนําตาล ในธรรมชาติมอนอแซ็กคาไรด์ส่วนใหญ่มีโครงสร้างทีเป็นวง เนืองจากเป็น โครงสร้างทีเสถียรกว่าโครงสร้างแบบโซ่เปิด โดยการสร้างโครงสร้างแบบวงเกิดจากการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าระหวา่ ง -C=O กบั –OH ในโมเลกลุ เดยี วกนั แสดงดงั ภาพซงึ การปิดวงของนําตาล D- Glucose มลี กั ษณะคลา้ ยวง pyran จงึ เรยี กนําตาลทมี วี งชนิดนีว่า Pyranose ส่วนนําตาล D- fructose มลี กั ษณะวงคลา้ ย Furan จงึ เรยี กนําตาลชนิดนีวา่ Furanose ในการเกดิ วงทาํ ใหน้ ําตาลมไี อโซเมอรเ์ พมิ อกี สองรปู คอื อลั ฟา (α) และ เบตา้ (β) ซงึ ต่างกนั ทตี าํ แหน่ง OH และ H เมอื เกดิ การปิดวง วง –OH อย่ดู า้ นล่างของวงจะเรยี กวา่ โครงสรา้ ง แบบอลั ฟา และ –OH อยดู่ า้ นบนเรยี กเบตา้ ซงึ เรยี กไอโซเมอรช์ นิดนีว่าอะโนเมอร์ (anomer) และ คารบ์ อนตาํ แหน่งทเี กดิ จะเรยี กวา่ anomeric carbon การแสดงสตู รโครงสรา้ งนําตาลสามารถแสดง แบบ Fischer projection Haworth projection หรอื แบบ chair form ดงั ตวั อยา่ ง รปู ที 13 โครงสรา้ งแบบ Fischer projection Haworth projection และ Chair form สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า22

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 รปู ที 3.14การเกดิ วงของนําตาล D-Glucose สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า23

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 รปู ที 3.15การเกดิ วงของนําตาล D-Fructose 3.2.2 ปฏิกิริยาของนําตาล 1) Glycoside formation เมอื นํา D-glucose ละลายใน ethanol โดยมแี ก๊ส HCl จะเกดิ methyl acetals เกดิ ขนึ โดย acetal ของ glucose เรยี กวา่ glucoside, acetal ของ mannose เรยี กวา่ mannosides, acetal ของ fructose เรยี กวา่ fructosides เป็นตน้ H OH H OH HO CH3OH, HCl H OH HO HO HO HO H OH OH HO H HO OCH3 HO H OH HO H H OCH3 H OH H H สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า24

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 กลไกการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเป็นดงั นี Glycosides เสถยี รในสภาวะทเี ป็นเบสแต่เมอื อยใู่ นสภาวะทเี ป็นกรดจะถูก hydrolysis ได้ นําตาลและแอลกอฮอล์ 2) Enolization, Tautomerization และ Isomerization เมอื นํา monosacharides ละลายในเบสจะเกดิ enolization และ keto-enol tautomerization และนําไปสกู่ ารเกดิ isomerization ตวั อย่างเช่น ถา้ นํา D-glucose ละลายใน calcium hydroxide ทงิ ไวป้ ระมาณ 2-3 วนั จะเกดิ ผลติ ภณั ฑเ์ ป็น D-fructose และ D-mantose เกดิ ขนึ ในสารละลายดว้ ย เราเรยี กปฏกิ ริ ยิ าเหล่านีว่า Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein transformation สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า25

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 CHO CHO H O- CHO C H OH OH- C OH C OH OH H H HO H HO H HO H H2O HO H OH H2O H OH H OH OH- H OH H OH H OH H OH H OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-glucose D-Mannose Enolate ion H2O OH- CH2OH H OH C C O Tautomerization C OH HO H HO H H OH H OH H OH H OH CH2OH CH2OH D-Fructose Enediol 3) การเกิดสารประกอบ ethers ไฮดรอกซที เี กาะอยบู่ นนําตาลสามารถเกดิ สารประกอบอเี ทอรไ์ ดโ้ ดยใช้ alkyl halide เช่น สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า26

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 ซงึ Methyl group ดงั กลา่ วอาจทําหน้าทเี ป็น protecting group ของวงนําตาล หากนํา pentamethyl deirvetive ทาํ ปฏกิ ริ ยิ ากบั กรดจะสามารถทาํ ปฏกิ ริ ยิ ากบั –OCH3 เฉพาะตําแหน่งแอลฟาคารบ์ อน เท่านันดงั สมการเคมี หากใช้ tert-butyldiphenylsilyl (TBDPS) จะสามารถเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเฉพาะ primary hydroxyl group เทา่ นันดงั สมการ และสามารถสลาย deprotect TBDBS โดยใช้ Bu4N+F-ใน THF 4) การเกิดสารประกอบ Ester สาหรบั monosaccharide เมอื ทาํ ปฏกิ ริ ยิ ากบั acetic anhydride ใน เบสออ่ น จะสามารถ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ ากบั หมู่ –OH ในวงนําตาลเกดิ เป็น ester ดงั สมการ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า27

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 5) Cyclic acetals จากปฏกิ ริ ยิ า 1,2-diol กบั ketone จะเกดิ สารประกอบ cyclic acetal ได้ 6) ปฏิกิริยา Oxidation ของ Monosacharide รเี อเจนทท์ ใี ชใ้ นการระบหุ มู่ฟงั กช์ นั โดยทวั ไปจะใชป้ ฏกิ ริ ยิ า oxidation ช่วยในการ ระบุหมฟู่ งั กช์ นั ทมี อี ยบู่ นสายนําตาล ตวั อย่างปฏกิ ริ ยิ า Oxidation ของนําตาลโมเลกุลเดยี วไดแ้ ก่ 6A Benedict’s หรือ Tollens’ reagents: Reducing sugar Tollens testหรอื บางครงั รจู้ กั ในชอื Silver mirror test เป็นปฏกิ ริ ยิ าทใี ชท้ ดสอบนําตาลทที าํ หน้าทเี ป็นนําตาลรดี วิ ซ์ (reducing sugar) ซงึ จะใหผ้ ล positive กบั นําตาล aldoses และ ketose สารละลาย Benedict เป็นสารละลายทที ําหน้าทตี รวจสอบนําตาลรดี วิ ซ์เชน่ เดยี วกบั Tollens ทสี ามารถทาํ สอบนําตาลรดี วิ ซไ์ ด้ ซงึ นําตาลรดี วิ ซ์จะเปลยี นสารละลาย Benedict จากสนี ํา เงนิ เป็นสแี ดง โดยปฏกิ ริ ยิ าทเี กดิ ขนึ เกดิ จาก Cu2+ไปเป็น Cu+ดงั สมการ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า28

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 คารโ์ บไฮเดรตทมี โี ครงสรา้ งเป็น hemiacetal จะสามารถใหผ้ ลเชงิ บวกกบั สารละลายทงั สอง ซงึ จะเรยี กนําตาลกลมุ่ นีดว้ ยว่านําตาลรดี วี ซ์ 6B) Bromine water: การสงั เคราะห์ aldonic acid โบรมนี ในนําเป็นรเี อเจนทท์ ใี ชใ้ นการเกดิ oxidizes –CHO ใหก้ ลาเป็น -CO2H ดงั นันจงึ สามารถเปลยี น aldose ใหก้ ลายเป็น aldonic acid ไดด้ งั สมการ 6C) Nitric Acid Oxidation: Aldaric acid Nitric acid เป็น strong oxidizing agent มากวา่ bromine ในนํา โดยจะ oxidize ทงั –CHO และ –CH2OH ของ aldose ไปเป็น –COOH เกดิ เป็น dicarboxylic acid หรอื เรยี กว่า aldaric acid สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า29

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 6D) Periodate Oxidations: Oxidative Cleavage ของ Polyhydroxy compounds Periodic acid (HIO4) สามารถสลายพนั ธะระหวา่ งคารบ์ อนกบั คารบ์ อนทมี ี hydroxyl group ทอี ยตู่ ดิ กนั ดงั สมการ กลไกการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเป็นดงั นี ตวั อยา่ งการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า periodate oxidations ในกรณตี ่างๆ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า30

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 Periodic acid ไมส่ ามารถสลายพนั ธะทมี ี –CH2- ขนั ระหวา่ ง C-OH กบั C-OH ดงั สมการ 7) ปฏิกิริยา Reduction ของ Monosacharide Aldose และ Ketose สามารถถูกรดี วิ ซ์โดย NaBH4เกดิ สารประกอบ alditols OH NaBH4 CH2OH C H C OH n or H2,Pt H C OH n CH2OH CH2OH Aldose Alditol 8) การสงั เคราะหแ์ ละการสลายพนั ธะของนําตาล Monosacharide 8A) Kiliani-Fischer Synthesis เป็นวธิ กี ารเตมิ คาร์บอนลงในสายโซ่ของ monosaccharide ตวั อย่างเช่นในการสงั เคราะห์ D-Erythrose และ D-Threose จาก D-Glyceraldehyde วธิ กี ารสงั เคราะห์ขนั แรกเตมิ HCN เกดิ เป็น Epimeric cyanohydrin 2 epimer จากนันเติม Ba(OH)2ตามดว้ ย H3O+จะเกดิ ผลติ ภณั ฑเ์ ป็น Epimeric aldonic acids ต่อจากนันเตมิ Na-Hg/H2O ที pH 3-5 ขนั ตอนโดยสรปุ ดงั สมการ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า31

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 HO H OH OH D-Glyceraldehyde HCN CN CN H OH H OH HO H Epimeric cyanohydrins OH OH H OH 1) Ba(OH)2 1) Ba(OH)2 2) H3O+ 2) H3O+ HO O HO O H OH Epimeric aldonic acids HO H H OH H OH OH OH OO OO OH OH OH OH Na-Hg, H2O pH 3-5 Na-Hg, H2O HO pH 3-5 HO H OH H OH HO H H OH OH OH D-erythrose D-threose สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า32

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 8B) The Ruff degradation ปฏกิ ริ ยิ าดงั กล่าวสามารถสลายอะตอมของคารบ์ อนออกจากนําตาลได้ ดงั สมการ 3.2.3โอลิโกแซก็ คาไรด์ (oligosaccharide) โอลโิ กแซ็กคาไรด์ (oligosaccharide) นําตาลจาํ พวกโอลโิ กแซก็ คาไรดป์ ระกอบดว้ ยนําตาล โมเลกลุ เดยี วประมาณ 2-15 หน่วยสรา้ งพนั ธะดว้ ยพนั ธะไกลโคซดิ กิ ทพี บมากทสี ดุ ของนําตาลชนิด นีคอื นําตาลไดแซก็ คาไรด์ ซงึ เกดิ จากนําตาลโมเลกุลเดยี วรวมตวั กนั 2 หน่วยต่อกนั ไดแ้ ก่ ซูโครส เป็นนําตาลทไี ดจ้ ากตน้ ออ้ ย แลก็ โตส นําตาลในนํานม เป็นตน้ CH2OH CH2OH H O H H O H H H OH H H OH OH OH OH OH H OH H OH CH2OH CH2OH H OH H O H H H H OH OH OH H H2O OH O H OH H OH รปู ที 3.16การเกดิ พนั ธะไกโคซดิ กิ คณุ สมบตั ขิ องนําตาลรดี วิ ซ์ของไดแซ็กคาไรด์จะยงั คงมอี ยู่ถา้ หากว่าหมู่ –OH ทตี ่ออยู่กบั anomeric carbon ของมอนอแซก็ คาไรดต์ วั หลงั ยงั เป็นอสิ ระทจี ะทาํ ใหว้ งแหวนเปิดออกได้ เชน่ ใน กรณีของแลคโตส มอลโตส ในขณะทีนําตาลซูโครสจะหมดคุณสมบตั ิในการเป็นนําตาลรีดิวซ์ เนืองจาก anomeric carbon ของฟรกั โทสไปเชอื มตอ่ กบั หมู่ OH ที anomeric carbon ของกลโู คส สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า33

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH H HO H O HH O OH H O OH H H O H H H H H CH2OH OH OH H OH O H OH OH H OH H OH H OH CH2OH Maltose OH (reducing sugar) Sucrose CH2OH H H O OH O OH OH O H H H H H OH OH HH H OH Lactose (reducing sugar) รปู ที 3.17นําตาลโมเลกุลคทู่ พี บมากในธรรมชาติ 3.2.3 พอลิแซก็ คาไรด์ (polysaccharide) พอลแิ ซ็กคาไรด์ (polysaccharide) เป็นคาร์โบไฮเดรตโมเลกุลใหญ่ทีประกอบด้วย มอนอแซ็กคาไรด์หลายๆ โมเลกุลเชือมต่อกนั พอลิแซ็กคาไรด์ทีสําคญั ต่อสงิ มีชีวติ ได้แก่ แป้ ง เซลลโู ลส และไกลโคเจน ถา้ เราแบ่งพอลแิ ซก็ คาไรดต์ ามหน้าทสี ามารถแบ่งออกไดเ้ ป็นสองประเภท คอื พอลแิ ซก็ คาไรดส์ ะสมและพอลแิ ซก็ คาไรดโ์ ครงสรา้ ง 3.2.3.1 พอลิแซ็กคาไรด์สะสม ซึงทําหน้าทีสะสมอาหาร ไดแ้ ก่ แป้งในพชื และ ไกลโคเจนในสตั ว์ 1) แป้ง (starch) เป็นสารโมเลกุลใหญ่ทปี ระกอบดว้ ยพอลแิ ซ็กคาไรด์ 2 ชนิด ดว้ ยกนั คอื อะไมโลส ซึงเป็นพอลแิ ซ็กคาไรดแ์ บบโซ่ตรงและอะไมโลเพกตนิ ซงึ เป็นพอลแิ ซ็กคาไรด์ แบบโซ่กงิ โดยทวั ไปแป้งประกอบดว้ ยอะไมโลสประมาณรอ้ ยละ 20 และอะไมโลเพกตนิ ประมาณ รอ้ ยละ 80 พชื จะสะสมกลโู คสในรปู ของแป้งซงึ พบแป้งมากในขา้ ว มนั ฝรงั ถวั และธญั พชื สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า34

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 α(1 4) Glycosidic linkage C H 2O H C H 2O H H OH H OH H H H H OH OH OO H OH H OH n n>500 รปู ที 3.18โมเลกุลของอะไมโลสและการพนั เกลยี วของโมเลกลุ ดงั กล่าว (ทมี า http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b5/Amylose.png/750px- Amylose.png) สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า35

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 α(1 4) Glycosidic linkage H CH2OH H CH2OH ... O OH OH H H OH H OH H O H OH O H OH α(1 6) Glycosidic linkage H CH2OH H H OH H CH2OH H CH2OH H ... O OH H O O ... OH H OH H O H H OH H OH H OH H OH O O H OH H OH H OH รปู ที 3.19โครงสรา้ งโมเลกลุ ของอะไมโลเพกตนิ 2) ไกลโคเจน (Glycogen) เป็นพอลแิ ซ็กคาไรด์ซงึ พบไดใ้ นตบั และกลา้ มเนือสตั ว์ ไกลโคเจนมสี ตู รโครงสรา้ งคลา้ ยอะไมโลเพกตนิ แต่มกี งิ มากกว่าและสายโมเลกุลสนั กว่าละลายนํา ไดน้ ้อย เกิดจากกลูโคสทีได้จากการย่อยอาหารสร้างพนั ธะต่อกนั แหล่งทีพบไกลโคเจนคอื ใน กลา้ มเนือ ในตบั ไกลโคเจนมคี วามสาํ คญั ต่อการรกั ษาระดบั นําตาลในเลอื ดใหค้ งที รปู ที 3.20โครงสรา้ งโมเลกลุ ของไกลโคเจน (ทมี าhttp://www.chm.bris.ac.uk/motm/glucose/glycogen.gif) 3.2.3.2 พอลิแซก็ คาไรดโ์ ครงสร้าง คอื พอลแิ ซ็กคาไรดท์ ที ําหน้าทเี ป็นโครงสรา้ ง ของพชื และสตั ว์ ไดแ้ ก่ เซลลโู ลสและไคตนิ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า36

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 1) เซลลูโลส (cellulose) ประกอบดว้ ยกลูโคสจาํ นวนมากเชอื มต่อกนั เป็นพอลเิ มอร์ เช่นเดยี วกบั อะไมโลส แตล่ กั ษณะการเชอื มต่อของกลโู คสต่างกนั (1 4) Glycosidic linkage H CH2OH O O CH2OH O H OH H H O H H H OH H OH H n H OH รปู ที 3.21โครงสรา้ งโมเลกลุ ของเซลลโู ลส 2) ไคติน (chitin) พบมากในเปลอื กนอกของสตั ว์ทไี ม่มกี ระดกู สนั หลงั หรอื ผวิ ที หอ่ หมุ้ แมลง เชน่ กระดองปู เปลอื กกงุ้ ประกอบดว้ ยอะเซตลิ กลโู คซามนี (N-acetyl-D-glucosamine) โดย chitin ประกอบด้วยหน่วยย่อยของ N-acetyl-D-glucosamine ทีเชือมพนั ธะด้วยพนั ธะ β(1-->4) Glycosidic linkage (1 4) Glycosidic linkage H CH2OH O O CH2OH O H OH H H O H H H OH H NHCOCH3 H n H NHCOCH3 รปู ที 3.22โครงสรา้ งโมเลกลุ ของไคตนิ 3.2.4 สมบตั ิและปฏิกิริยาของคารโ์ บไฮเดรต กลโู คส ซโู ครสหรอื นําตาลทราย แป้ง และเซลลโู ลสลว้ นเป็นสารประกอบคารโ์ บไฮเดรต แต่ จะแตกต่างกนั ทขี นาดโมเลกลุ และมวลโมเลกลุ เมอื นํา นําตาลทราย แป้งและเซลลโู ลสไปต้มกบั กรด ซลั ฟิวรกิ จะเกิดปฏกิ ริ ยิ าไฮโดรลซิ ิส เกดิ ผลติ ภณั ฑ์เป็นมอนอแซ็กคาไรด์สามารถทําปฏิกริ ยิ ากบั สารละลายเบเนดกิ สไ์ ดต้ ะกอนสแี ดงอฐิ ถ้าพจิ าณาการละลายนํา พวกโมเลกุลขนาดใหญ่จะละลาย นําไดน้ ้อยแตถ่ า้ เป็นพวกมอนอแซก็ คาไรด์ และ ไดแซก็ คาไรดซ์ งึ เป็นโมเลกุลขนาดเลก็ จะละลายนํา ไดด้ ี สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า37

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.3 ลิพิด (Lipid) ลพิ ดิ (Lipid) เป็นสารประกอบทมี อี ย่ใู นเนือเยอื ของพชื และสตั ว์ เป็นสารชวี โมเลกุลทมี ธี าตุ คารบ์ อน ไฮโดรเจน และออกซิเจนเป็นองค์ประกอบหลกั และลพิ ดิ บางชนิดมธี าตุฟอสฟอรสั เป็น องคป์ ระกอบเชน่ ฟอสโฟลฟิ ิดคาํ ว่า lipid มากจากภาษากรกี คาํ วา่ lipos โดยาทวั ไปลปิ ิดจะละลาย ในสตวั ทาํ ลายไมม่ ขี วั เชน่ chloroform และ diethyl ether เป็นตน้ ตวั อยา่ ง ลปิ ิด เชน่ OO OOR CH3 OOR O O R, OH O R, N(CH3)3 O O R'' CH(CH3)2 Triacylglycerol OPO Menthol (terpenoid) O- Lecithin (phosphatide) OH Vitamin A (terpenoid) H HH HO Cholesterol ลพิ ดิ เป็นส่วนสาํ คญั มาก สาํ หรบั สงิ มชี วี ติ ทงั พชื และสตั ว์ เช่นเป็นส่วนทสี ะสมพลงั งานเป็น หน่วยโครงสรา้ งของเซลลเ์ นือเยอื วติ ามนิ และอนื ๆ สารพวกลพิ ดิ มโี ครงสรา้ งต่างกนั เป็นหลายแบบ แบง่ ออกเป็น 2 ดงั นี (ชนิตา, 2547) 1) Complex Lipid เป็นลพิ ดิ ทถี ูกไฮโดรไลซ์ไดง้ ่าย เช่นเอสเทอร์ของกรดไขมนั ขผี ึง ฟอสฟอลฟิ ิด ไกลโคลพิ ดิ 2) Simple Lipid เป็นลพิ ดิ ทไี ม่ถูกไฮโดรไลซ์ดว้ ยกรดหรอื เบส เช่นสเตอรอยด์ พรอสตา แกลนดนิ และเทอรพ์ นี สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า38

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.3.1 ไตรเอซีลกลีเซอรอล (Triacylglycerols)(ชนิตา, 2547) ไตรเอซลี กลเี ซอรอล (Triacylglycerols) หรอื ไตรกลเี ซอไรด์ (Triglycerides) คอื นํามนั และ ไขมนั ทไี ดจ้ ากพชื และสตั ว์ นํามนั คอื ไตรเอซลิ กลเี ซอรอลทเี ป็นของเหลวทอี ณุ หภูมปิ กติ ไดแ้ กน่ ํามนั พชื ชนิดตา่ ง ๆ ไขมนั คอื ไตรเอซลิ กลเี ซอรอลทเี ป็นของแขง็ ทอี ณุ หภูมปิ กติ ไดแ้ ก่ไขมนั สตั ว์ โครงสร้างของนํามนั และไขมนั เป็นไตรเอสเตอร์ของกลีเซอรอลและกรดไขมนั จํานวน คาร์บอนของส่วนไฮโดรเจนทมี าจากกรดไขมนั จะเป็นเลขคู่เสมอ เนืองมาจากปฏกิ ริ ยิ าสงั เคราะห์ ทางชวี ภาพเรมิ จากหน่วยอะซเี ตด (CH3COO-) เท่าทพี บมากจะมจี ํานวนคารบ์ อนเป็น 14, 16 หรอื 18 คารบ์ อน เมอื R1, R2และ R3 คอื สว่ น ไฮโดรคารบ์ อนทมี าจากกรดไขมนั สว่ นไฮโดรคารบ์ อนของนํามนั พชื จะมพี นั ธะคมู่ ากกวา่ ไขมนั สตั ว์ และมคี อนฟิกูเรชนั พนั ธะคู่ จะเป็นแบบซสี ทาํ ใหจ้ ุดหลอมเหลวของนํามนั ตํา เนืองจากโครงสรา้ งไมเ่ ออื อํานวยใหโ้ มเลกลุ เขา้ กนั ไดม้ าก แรงดงึ ดดู ระหวา่ งโมเลกุลจงึ ตาํ ส่วนในกรณีของไขมนั ส่วนไฮโดรคาร์บอนเป็นพนั ธะเดยี วเกอื บทงั หมด ทําให้โมเลกุล สามารถอยใู่ กลก้ นั ไดม้ าก แรงดงึ ดดู ระหวา่ งโมเลกุลจงึ สงู เป็นผลใหจ้ ุดหลอมเหลวของไขมนั สงู กว่า นํามนั ตวั อยา่ งโครงสรา้ งไขมนั สตั ว์ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า39

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 ตวั อยา่ งโครงสรา้ งนํามนั พชื O H2C O C O HC O C O H2C O C 3.3.2 สมบตั ิทางเคมขี องไตรเอซิลกลีเซอรอล 3.3.2.1 เลขไอโอดีน (Iodine Number) เลขไอโอดนี ใชว้ ดั ความไม่อมิ ตวั ของลพิ ดิ ค่าเลขนีคอื จาํ นวนกรมั ของไอโอดนี ทตี ้องใช้ ในการทาํ ปฏกิ ริ ยิ ารวมตวั กบั ส่วนพนั ธะค่ขู องลพิ ดิ ทมี ี นําหนัก 100 กรมั รเี อเจนต์ทใี ชค้ อื ไอโอดนี โบรไมด์ ลพิ ดิ อมิ ตวั จะมเี ลขไอโอดนี เป็น 0 ไขมนั สตั ว์ จะมเี ลขไอโอดนี ตํา แต่นํามนั พชื จะมเี ลขไอโอดนี สงู 3.3.2.2 เลขซาพอนนิ ฟิ เคชนั (Saponification number)คอื ค่าจาํ นวนมลิ ลกิ รมั ของโปแตสเซียมไฮดรอกไซด์ ทตี ้องใชใ้ นการไฮโดรไลซ์ไขมนั หรอื นํามนั หนัก 1 กรมั ค่านีบอก นําหนักโมเลกุลโดยเฉลีย หรือความยาวเฉลียของโซ่คาร์บอนของกรดไขมัน ค่ายิงสูง ยิงมี เปอรเ์ ซน็ ต์ไตรกลเี ซอไรดท์ มี โี ซ่สนั ๆ และนําหนกั โมเลกลุ ตาํ จาํ นวนมาก 3.3.2.3 ปฏิกิริยาไฮโดรลิซีสเมอื เอนไซม์ ในการย่อยอาหาร เอนไซม์ทอี ยใู่ นระบบ ทางเดนิ อาหาร จะทาํ หน้าทเี ป็นตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ า ทาํ ใหเ้ กดิ ปฏกิ ริ ยิ าไฮโดรลซิ สี กลเี ซอรอล กรดไขมนั หน้า40 สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน)

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 โดยทวั ไปกรดไขมนั จะมีโครสร้างแบบไม่มีกิงและพบจํานวนคาร์บอนทีเป็นจํานวนเลขคู่ เมือ พจิ ารณาโครงสรา้ งของกรดไขมนั ยงั พบอกี ว่าหากเป็นกรดไขมนั ชนิดไม่อมิ ตวั จะมโี ครงสรา้ งแบบ cis-form และ จะไมเ่ กดิ พนั ธะคทู่ เี ป็น conjugate โดยทวั ไปเราจะพบพนั ธะค่เู รมิ ที C9 และ C10 จุด หลอมเหลวของกรดไขมนั ทเี ป็นกรดไขมนั อมิ ตวั จะมจี ุดหลอมเหลวสงู กวา่ กรดไขมนั ไมอ่ มิ ตวั ปฏกิ ริ ยิ าทเี กดิ ขนึ กบั สายโซ่ของกรดไขมนั ทเี ป็นหมฟู่ งั กช์ นั ไดแ้ ก่ O 1)LiAlH4 R R 2)H2O OH OH CH3OH, H+ O Br2, P R SOCl2 OCH3 O R OH Br O R Cl 3.3.2.4 ปฎิกิริยาซาปอนนิ ฟิ เคชนั (Saponification) เมอื ไตรเอซลิ กลเี ซอรอลทาํ ปฏกิ ริ ยิ ากบั เบสแกเ่ ช่นโซเดยี มไฮดรอกไซด์ หรอื โปแตสเซยี มไฮดรอกไซด์ จะใหผ้ ลติ ผลเป็นกลเี ซ อรอลและเกลอื ของกรดไขมนั ซึงคอื สบู่นนั เอง กลเี ซอรอล สบู่ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า41

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 สบ่หู รอื เกลอื ของกรดไขมนั นันประกอบดว้ ยสว่ นทมี ขี วั (Hydrophilic) ซงึ เป็นส่วนที ชอบนํา คอื หมู่ –COO-และสว่ นทไี ม่มขี วั ซงึ ไมช่ อบนํา (Hydrophobic) คอื ส่วนของไฮโดรคารบ์ อน โครงสรา้ งเช่นนี เรยี กว่า Amphiphile โดยเมอื ละลายในนําจะรวมตวั กนั โดยหนั ส่วนทชี อบนําไว้ ดา้ นนอก และเกบ็ ส่วนทไี ม่ชอบนําไวด้ า้ นใน ทาํ ให้เกดิ โครงสรา้ งทีเรยี กว่า micelle ซึงทําใหส้ บู่ สามารถละลายนําไดเ้ พราะสบู่มสี ว่ นทมี ขี วั ซงึ สามารถละลายนําได้ และสามารถชําระคราบไขมนั ที ตดิ อยบู่ นภาชนะหรอื เสอื ผา้ ได้ เพราะสบ่จู ะดงึ เอาไขมนั เขา้ มาละลายในสว่ นทไี มม่ ขี วั ซงึ อยดู่ า้ นใน non-polar polar รปู ที 3.23ส่วนประกอบของสบู่ รปู ที 3.24การจบั ตวั แบบ micelle 3.3.2 การละลายนําและการชาํ ระล้างไขมนั หรอื นํามนั ของสบู่ เมอื สบ่ลู ะลายนํา สบ่จู ะหนั สว่ นทไี มม่ ขี วั (สว่ นทไี ม่แตกตวั ) เขา้ หากนั และจบั กนั เป็นกลมุ่ ๆ สว่ นทางดา้ น (-COO-Na+) จะแตกตวั ออกเป็นโซเดยี มไอออน (Na+) และคารบ์ อนออกซเิ ลตไอออน (-COO-) โซเดยี มไอออนทีเกิดขนึ จะถูกโมเลกุลของนําล้อมรอบกลายเป็นไอออนทีถูกไฮเดรต (Na+(aq)) สว่ นทางดา้ นคารบ์ อกซเิ ลตไอออน (-COO-) ซงึ ยงั จบั อยู่กบั สว่ นทไี ม่มขี วั (สายยาวของ ไฮโดรคารบ์ อน) จะชอี อกไปยงั โมเลกลุ ของนําทอี ย่ลู อ้ มรอบ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า42

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 รปู ที 3.25การจดั ตวั ของโมเลกุลสบ่เู มอื ละลายนํา สบู่สามารถกําจดั สงิ สกปรกได้ เพราะว่าสิงสกปรกส่วนใหญ่จะถูกห่อหุ้มด้วยไขมนั หรอื นํามนั ดงั นันการกําจดั สงิ สกปรกจงึ เสมอื นเป็นการกําจดั ก้อนไขมนั หรอื นํามนั นันเอง เนืองจาก ไขมนั และนํามนั ไม่ละลายนํา จงึ ไม่สามารถลา้ งออกดว้ ยนําเปล่า แต่สบู่สามารถชําระลา้ งนํามนั หรอื ไขมนั ไดเ้ พราะสบู่จะหนั ปลายขา้ งทไี ม่มขี วั (สายยาวของไฮโดรคาร์บอน) ไปละลายในนํามนั หรอื ไขมนั ส่วนดา้ นทมี ีขวั คอื ดา้ นคาร์บอกซิเลตไอออนจะละลายในนํา โมเลกุลของสบู่จงึ ล้อมรอบ นํามนั กลายเป็นหยดนํามนั รปู ที 3.26การกาํ จดั คราบนํามนั และสงิ สกปรกของสบู่ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า43

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.3.3ปฏิกิริยาของสบใู่ นนํากระด้าง นํากระดา้ งเป็นนําทปี ระกอบดว้ ย Fe2+, Mg2+และ Ca2+ของ HCO-3, Cl-และ SO2-4 รปู ที 3.27ปฏกิ ริ ยิ าระหวา่ งนําออ่ น นํากระดา้ งกบั สบู่ (ทีมา“ปฏกิ ริ ยิ าระหวา่ งนําอ่อน นํากระดา้ งกบั สบู่” [Online]. Available http://web.ku.ac.th/schoolnet/snet5/topic8/soap.html) ในกรณีนํากระด้างซึงมไี อออนของแคลเซียม แมกนีเซียม หรอื เหลก็ ละลายอยู่ ซึง เกลอื แคลเซียม เกลอื แมกนีเซยี ม และเกลอื เหลก็ ของกรดไขมนั จะไม่รวมตวั เป็น Micelle ในนํา ดงั นัน เมือใช้สบู่ในนํากระดา้ งจึงมกั ตกตะกอนเป็นไคลสขี าวทีเรยี กวา่ ไคลสบู่ เช่น เมือสบู่ละลายในนํา กระดา้ งจะไดเ้ กลอื แคลเซียม หรอื แมกนีเซียมในปรมิ าณสูง ดงั นันจงึ ถอื ไดว้ ่าสามารถใชส้ บู่ในการ ทดสอบนําออ่ น ดงั ทกี ล่าวมาจะเหน็ ไดว้ า่ นํากระดา้ งไดท้ ําใหป้ ระสทิ ธภิ าพการทาํ ความสะอาดของ สบู่จงึ ลดลง และสนิ เปลอื งในการใช้สบู่จงึ ไดม้ กี ารสงั เคราะห์สารซกั ฟอกซึงมสี มบตั เิ หมอื นเช่นสบู่ แต่ดกี ว่าสบู่คอื เมอื ทําปฏกิ ริ ยิ ากบั Ca2+, Mg2+ในนํากระดา้ งกย็ งั ละลายนําไดซ้ ึงมสี ูตรโครงสรา้ ง ดงั นี R SO 3N a คอื เกลอื โซเดยี มของกรดอลั คลิ เบนซลั โฟนิก หรอื R – OS-3 Na+ คอื เกลอื โซเดยี มอลั คลิ ซลั เฟต โครงสรา้ งโมเลกุลของผงซกั ฟอกประกอบไปดว้ ย 2 ส่วนเชน่ เดยี วกบั สบู่ คอื ส่วนทไี ม่ชอบ นํา คอื สว่ นของไฮโดรคารบ์ อน (หมู่ R) ซึงเป็นส่วนทไี ม่ละลายนํา และสว่ นทชี อบนํา คอื ส่วนของ หมู่ -OSO-3Na+, -SO -3Na+ ซงึ เป็นสว่ นทลี ะลายนําได้ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า44

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 ผงซักฟอกทีใช้ในปจั จุบันมีสูตรแตกต่างกันดังนี (สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และ เทคโนโลย,ี 2549) 3.3.3.1 ปฏิกิริยาไฮโดรจีเนชนั (ชนิ ตา, 2547) ถา้ นํามนั พชื มาทําปฏกิ ริ ยิ าไฮโดรไลซสี นํามนั พชื จะกลายเป็นไขมนั คอื จะแขง็ ตวั การเตมิ ไฮโดรเจนจะไม่ทําใหเ้ ลขไอโอดนี เป็นศูนย์ เพราะจะทาํ ใหไ้ ขมนั นันแขง็ เปราะ ปราศจาก รสชาติ เนยเทยี ม ทาํ มาจากนํามนั พชื บรสิ ทุ ธทิ ผี า่ นการเตมิ ไฮโดรเจนแลว้ นํามาเตมิ นมและ สารบางอยา่ งเพอื ใหร้ สชาตเิ นยแท้ 3.3.3.2 การเหมน็ หืน (ชนิ ตา, 2547) ถา้ วางนํามนั หรอื ไขมนั ไวใ้ นทชี นื และอบอุ่นในช่วงระยะเวลาหนึง จะทําให้เกดิ การ เหมน็ หนื ขนึ เกดิ ได้ 2 ปจั จยั คอื 1) ปฏิกริ ยิ าไฮโดรลซิ ีสของเอสเทอร์ ไฮโดรลซิ ีสเกดิ เนืองจากบคั เตรบี างชนิดใน อากาศทาํ หน้าทเี ป็นเอนไซม์ ทาํ ใหเ้ กดิ กรดไขมนั ตา่ ง ๆ ซงึ มกี ลนิ เหมน็ เชน่ กนั 2) ปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชนั ของพนั ธะคู่ แลว้ ทําใหเ้ กดิ แอลดไี ฮด์ และกรดไขมนั ต่างๆ ซงึ มกี ลนิ เหมน็ เชน่ กนั สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า45

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 นํามันพืชเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ยากกว่าไขมันสัตว์ เพราะมีสารพวกแอลฟา- tocopherol ซึงเป็นตวั ขดั ขวางการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชนั (antioxidant) อย่ตู ามธรรมชาติแลว้ นํามนั พชื ทขี ายในทอ้ งตลาดบางชนิดจะเตมิ สารกนั หนื เช่น butylated hydroxytoluene (BHT) หรอื Butylated hydroxyanisole (BHA) CH3 OH CH3 OH CH3 C C CH3 CH3 CH3 C CH3 CH3 CH3 CH3 OCH3 butylated hydroxytoluene (BHT) Butylated hydroxyanisole (BHA) 3.3.4 ขีผึง(ชนิตา, 2547) ขผี งึ เป็นเอสเทอรข์ องกรดไขมนั กบั แอลกอฮอลท์ มี จี ํานวนคาร์บอนสูง พบตามผวิ หนังของ สตั ว์ เป็นตวั เคลอื บใบไมแ้ ละผลไม้ ตวั อย่างขผี งึ คอื ตัวอย่างสมการแสดงการเกิดปฏิกิริยา (สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และ เทคโนโลย,ี 2549) กรดปาลม์ ติ กิ แอลกอฮอล์ ขผี งึ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า46

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 3.3.5 ฟอสฟอลิฟิ ด(ชนิตา, 2547) ฟอสฟอลิฟิด เป็นเอสเทอรขื องกลีเซอรอลกบั กรดไขมนั 2 กลุ่ม ส่วนกลุ่มที 3 เป็นกรด ฟอสฟอรกิ O H2C O C R1 O HC O C R2 Diacylglycerol phosphate O H2C O P OH OH เยือหุ้มเซลล์ ประกอบด้วยฟอสฟอลิพิดและโปรตีน โดยโมเลกุลจะอยู่ในสภาพ 2 ชัน (bilayer) โมเลกุลจะจดั เป็น 2 แถว หนั ดา้ นไฮโดรโฟบกิ เขา้ ดา้ นใน และดา้ นไฮโดรฟิลกิ ออกดา้ น นอก ชนั เยือหุ้มเซลล์นีจะเป็นทางผ่านของอาหาร ของเสยี ฮอร์โมน คาร์โบไฮเดรต กรดอะมโิ น ตลอดจนไอออนตา่ งๆ เช่นโปแทสเซยี มไอออน โซเดยี มไอออน รปู ที 3.28การจดั เรยี งตวั ของลปิ ิดเป็นผนงั เซลลส์ องชนั (ทีมา“ฟอสฟอลฟิ ิด” [Online]. Available http://web.mahidol.ac.th/schoolnet/snet5/topic8/soap.html) 3.3.6 เทอรพ์ ีนและเทอรพ์ ีนอยด์ สารประกอบจําพวกเทอร์พนี และเทอร์พนี อยดส์ ามารถสกดั ไดจ้ ากต้นไม้ซึงสารประกอบ ดงั กล่าวเป็นสารจําพวกไฮโดรคาร์บอนซึงประกอบด้วยหน่วยย่อยทีเป็น isoprene units สารประกอบ terpenes เป็นสารประกอบไฮโดรคารบ์ อน หากสารประกอบดงั กล่าวมอี อกซเิ จนเป็น องค์ประกอบเรยี กว่า terpenoids การแบ่งประเภทของ terpens แบ่งตามจํานวนโครงสรา้ ง พนื ฐานหรอื จาํ นวนคารบ์ อนในโครงสรา้ งพนื ฐานดงั นี สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า47

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 จาํ นวนของคารบ์ อนอะตอม กลมุ่ 10 Monoterpenes 15 Sesquiterpenes 20 30 Diterpenes Triterpenes Isoprene คอื 2-methyl-1,3-butadieneมโี ครงสรา้ งพนื ฐานดงั รปู Monoterprene ประกอบดว้ ย isoprene สองยนู ิต ทเี ชอื มกนั ระหวา่ งหวั กบั หาง (head to tail) สารจําพวกเทอร์พีนหรือเทอร์พีนอยมีโครงสร้างเป็นโซ่ตรงหรือเป็นวงเกิดขึนก็ได้ ตัวอย่าง สารประกอบเป็นดงั ภาพ สารประกอบ carotenes คอื สารประกอบ tetraterpenes ซงึ พบวา่ สารประกอบเหล่านีเกดิ จากการ สรา้ งพนั ธะกนั แบบ tail to tail ดงั ภาพ สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า48

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 -Carotene -Carotene -Carotene 3.3.7สเตอรอยด์ (ชนิตา, 2547) สเตอรอยด์ คอื สารประกอบอะลเิ ฟติกทมี นี ําหนักโมเลกุลสงู โครงสรา้ งของโมเลกุลจะต้อง ประกอบดว้ ยสเตอรอยนิวเคลยี ส โครงสรา้ งหลกั ของเสตียรอยด์ ลพิ ดิ ทเี ยอื เซลล์ชนิดสเตอรอลเป็นลพิ ดิ โครงสรา้ งทเี ยอื เซลล์ของพวกยูแครโิ อตโครงสรา้ ง โดยทวั ไปเป็นวงแหวนไฮโดรคารบ์ อน 4 วง ซงึ เป็นวงคารบ์ อน 6 อะตอมสามวงและวงคารบ์ อน 5 อะตอมอกี หนึงวง สเตอรอลชนิดต่างๆ ถูกสงั เคราะหข์ นึ มาจากโมเลกลุ ของไอโซพรนี (isoprene) เช่นเดยี วกนั กบั วติ ามนิ ต่างๆ ทลี ะลายในไขมนั สเตอรอลชนิดทีพบมากในเยือเซลล์ คือ โคเลสเตอรอล (cholesterol) ซึงในโมเลกุล ประกอบดว้ ยสว่ นทไี มช่ อบนําเป็นวงแหวนไฮโดรคารบ์ อน 4 วงทมี แี ขนงขา้ งเป็นไฮโดรคารบ์ อนสาย สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า49

สารชีวโมเลกลุ 2/2554 ยาวทตี ่ออยู่กบั คารบ์ อนอะตอมที 17 ของวงแหวนส่วนทชี อบนําเป็นหมู่ไฮดรอกซิลทตี ่ออยู่กบั คารบ์ อนอะตอมที 3 ของวงแหวน 3.3.6.1 คอเลสเตอรอล เป็นของแขง็ สขี าว พบในสงิ มชี วี ติ ทุกชนิด ยกเวน้ บคั เตรี โดยในสตั วพ์ บเป็นสว่ นประกอบในเยอื หุม้ เซลล์ และเป็นตวั ตงั ตน้ ในการสรา้ งนําดี ฮอรโ์ มน วติ ามนิ ในคนพบเป็นสว่ นประกอบสาํ คญั ของระบบประสาทสว่ นกลาง 3.3.6.2 ฮอรโ์ มนเพศ แบ่งออกเป็นสามกลุ่ม คอื (1) ฮอรโ์ มนเพศชาย ฮอรโ์ มนเพศชายทสี าํ คญั คอื testosterone (2) ฮอรโ์ มนเพศหญงิ ฮอรโ์ มนเพศหญงิ ทสี าํ คญั คอื estradiol (3) ฮอรโ์ มนทเี กยี วกบั การตงั ครรภ์ ฮอรโ์ มนทสี าํ คญั คอื progesterone 3.4 กรดนิวคลีอิก กรดนิวคลอี ิกถูกค้นพบครงั แรกในนิวเคลยี สของเซลล์ มี 2 ชนิด คอื กรดดีออกซีไรโบ นิวคลอี กิ (deoxyribonucleic acid, DNA) พบ DNA ในโครโมโซม เป็นตวั สาํ คญั ในการถ่ายทอดทาง พนั ธุกรรม กรดนิวคลอี กิ อกี ชนิดหนึง คอื กรดไรโบนิวคลอี กิ (ribonucleic acid, RNA) พบในไรโบ โซมและในไวโตพลาสซึม มหี น้าทเี กยี วขอ้ งกบั การสรา้ งโปรตนี ทงั DNA และ RNA เป็นพอลเิ ม อรธ์ รรมชาติ (ชนิตา, 2547) สาขาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า50