Download
1 / 172
E N D
สารชีวโมเลกุล (Biological molecules)
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) • โครงสร้างและบทบาทของคาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน และน้ำ
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) • โมเลกุลขนาดเล็กประกอบด้วย ธาตุ C, N, O บางครั้งอาจมีสารอื่นปนมาด้วยเช่น กำมะถัน
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) • นักวิทยาศาสตร์พบว่าอุกกาบาตที่ตกลงมาบนโลกมีสารอินทรีย์ เช่น อุกกาบาตเมอร์ชิสันที่ตกในออสเตรเลียเมื่อปี ค.ศ. 1969 มีส่วนประกอบของกรดอะมิโนหลายชนิด • การสำรวจอวกาศทำให้รู้ว่าอวกาศมีสารชีวโมเลกุล
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) • กรดอะมิโนเป็นหน่วยย่อยพื้นฐานของโปรตีนหรือว่าสารชีวโมเลกุลเริ่มแรกบางชนิด ที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตบนโลกจะมาจากอวกาศ
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) โปรตีน • กรดอะมิโนเป็นหน่วยย่อยพื้นฐานของโปรตีนหรือว่าสารชีวโมเลกุลเริ่มแรกบางชนิด ที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตบนโลก
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) อะตอม (Atom) • สสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอม • นักศึกษาทราบหรือไม่ว่าอะตอมประกอบด้วยอะไร
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) อะตอม (Atom) • อะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานที่แตกต่างกัน 3 ชนิด ได้แก่ • โปรตอน (proton)มีประจุบวก • นิวตรอน (neutron) ไม่มีประจุ • อิเล็กตรอน (electron) มีประจุลบ
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) อะตอม (Atom) • โปรตรอนและนิวตรอนอยู่ในนิวเคลียสที่ศูนย์กลางของอะตอม • ส่วนอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่วนรอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆ ใน ออร์บิทัล หรือ เชลล์ • ถ้าประจุรวมของอะตอมเป็นกลาง เราจะรู้จำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนหรือไม่
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) อะตอม (Atom) • ถ้าอะตอมเป็นกลาง แสดงว่าจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน • อะตอมของธาตุใดธาตุหนึ่งจะมีจำนวนโปรตอนเหมือนเดิมเสมอ เช่น อะตอมของคาร์บอนมี 6 โปรตอน ส่วนอะตอมของออกซิเจนมี 8 โปรตอน
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) อะตอม (Atom) • เลขอะตอม (atomic number) ของธาตุ คือ จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส • เลขมวล (mass number)ของธาตุ คือ จำนวนโปรตอนรวมกับจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) โมเลกุล (Molecule) • อนุภาคที่ประกอบด้วยอะตอม 2 อะตอมขึ้นไป เกิดพันธะเคมีร่วมกัน อาจเป็นอะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน เช่น O2 • 1 โมเลกุล ประกอบด้วยออกซิเจน 2 อะตอม • หรืออะตอมของธาตุต่างชนิดกัน เช่น CO2 1 โมเลกุล ประกอบด้วย คาร์บอน 1 อะตอม และออกซิเจน 2 อะตอม
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) โมเลกุล (Molecule) • โมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมต่างกัน เรียกว่า สารประกอบ (compound) เช่น CO2จึงเป็นสารประกอบ
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) ไอออน (Ion) • อนุภาคที่มีประจุ เกิดขึ้นเมื่ออะตอมได้รับหรือเสียอิเล็กตรอน • อะตอมจะมีประจุอะไร หากได้รับอิเล็กตรอน • อะตอมจะมีประจุอะไร หากสูญเสียอิเล็กตรอน
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) ไอออน (Ion) • เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุลบ ดังนั้น • อะตอมที่ได้รับอิเล็กตรอนจะมีประจุลบ เรียกว่าแอนไอออน (anion) • อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนจะมีประจุบวก เรียกว่าแคตไอออน (cation)
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) ไอออน (Ion) • เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุลบ ดังนั้น • อะตอมที่ได้รับอิเล็กตรอนจะมีประจุลบ เรียกว่า แอนไอออน (anion) • อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนจะมีประจุบวก เรียกว่า แคตไอออน (Cation)
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) ไอออน (Ion) • ไอออนของธาตุเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ของธาตุหรือสารประกอบนั้นกับเครื่องหมายลบหรือบวกเพื่อแสดงประจุของไอออน เช่น อะตอมโซเดียมที่เสียอิเล็กตรอนจะเขียนเป็นโซเดียมไอออน (Na+)
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) ไอโซโทป (Isotope) • อะตอมของธาตุเดียวกันจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน เช่น ในนิวเคลียสของอะตอมคาร์บอนมีโปรตอน 6 ตัวเสมอ แต่จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงได้ เช่น อะตอมของคาร์บอน • มีนิวตรอน 6 ตัว ดังนั้นเลขมวล = 6 โปรตอน + 6 นิวตรอน = 12 แต่อะตอมของคาร์บอนบางชนิดอาจมีนิวตรอน 8 ตัว
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) ไอโซโทป (Isotope) • คุณคิดว่าเลขมวลของอะตอมนี้มีค่าเท่าไร • เลขมวลของคาร์บอนนี้เท่ากับ 14 (6 โปรตอน + 8 นิวตรอน)
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) ไอโซโทป (Isotope) • อะตอมของธาตุเดียวกันที่มีเลขมวลต่างกัน เรียกว่า ไอโซโทป (Isotope) • ไอโซโทปหลายชนิดเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี นักชีววิทยาจึงใช้เป็นสารติดตามเช่น
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) ไอโซโทป (Isotope) • เช่น ไอโซโทปคาร์บอน-14 (14C)เป็นสารกัมมันตรังสี ดังนั้นถ้าให้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่คาร์บอนเป็น 14C แก่พืช จะติดตามการสร้างสารประกอบในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงได้ โดยการติดตามจาก 14C ที่เข้าไปเป็นส่วนประกอบของสารประกอบต่างๆ
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) ไอโซโทป (Isotope) • ไนโตรเจน-15 เป็นไอโซโทปไนโตรเจนหนักและไม่ใช่สารกัมมันตรังสี (ปกติอยู่ในรูป 14N) • จึงใช้ติดฉลากไนโตรเจนใน DNA เพื่อศึกษาว่า DNA ใหม่สร้างขึ้นได้อย่างไร
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) กรดและเบส • ไฮโดรเจนมีเลขอะตอมและเลขมวลเท่ากับ 1 • ซึ่งหมายความว่า อะตอมของไฮโดรเจนมี 1 โปรตอน • และ 1 อิเล็กตรอน แต่ไม่มีนิวตรอน ไฮโดรเจนไอออน (H+) • คืออะตอมที่เสียอิเล็กตรอนไป เหลือแค่โปรตอนเท่านั้น
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) กรดและเบส • ค่าความเป็นกรด-เบส หรือค่า pH ของสารละลาย คือ • ค่าที่ได้จากการวัดความเข้มข้นของ H+ที่มีอยู่ ยิ่งมี H+ มาก • สารละลายยิ่งมีความเป็นกรดสูง • ค่า pH 1 แสดงว่าเป็นกรดแก่ ค่า pH 7 เป็นกลาง และค่า pH 14 เป็นเบสแก่
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) กรดและเบส • ค่ามาตรฐานที่ใช้กำหนดความเป็นกรด-เบสโดยการเพิ่มหรือลดลง 1 หน่วยหมายถึงการเพิ่ม • หรือการลด 10 เท่า ดังนั้นสารละลายที่มีค่า pH 1 จึงมีความเป็นกรดมากกว่าสารละลายที่มีค่า pH 2 ถึง 10 เท่า และสารละลายที่มีค่า pH 2 จะมีความเป็นกรดมากกว่าสารละลายที่มีค่า pH 3 ถึง 10 เท่าเช่นกัน
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) กรดและเบส • ค่ามาตรฐานที่ใช้กำหนดความเป็นกรด-เบสโดยการเพิ่มหรือลดลง 1 หน่วยหมายถึงการเพิ่ม • หรือการลด 10 เท่า ดังนั้นสารละลายที่มีค่า pH 1 จึงมีความเป็นกรดมากกว่าสารละลายที่มีค่า pH 2 ถึง 10 เท่า และสารละลายที่มีค่า pH 2 จะมีความเป็นกรดมากกว่าสารละลายที่มีค่า pH 3 ถึง 10 เท่าเช่นกัน
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) กรดและเบส • ลองคิดซิว่าสารละลายที่มีค่า pH 1 จะมีความเป็นกรดมากกว่าสารละลายที่มีค่า pH 7 กี่เท่า • กรด คือสารที่แตกตัวเป็นไอออนเมื่ออยู่ในสารละลายและปล่อย H+ออกมา เช่น • HCI H++ Cl- • กรดไฮโดรเจนไอออน เบส
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) กรดและเบส • กรดไฮโดรคลอริก (HCl) เป็นกรดแก่เนื่องจากปล่อย H+สู่สารละลายจำนวนมาก • กรดคาร์บอกซิลิก (R-COOH) เช่น กรดเอทาโนอิกเป็นกรดอ่อน และมักจะไม่ปล่อย H+เมื่อกรดแตกตัวจะเสีย H+เหลือแต่เบส หรือสารประกอบที่รวมตัวกับ H+ได้ • คุณคิดว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเบสรับ H+
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) กรดและเบส • NO3- + H+ HNO3 • เบสไฮโดรเจนไอออน กรด
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) บัฟเฟอร์ • สิ่งมีชีวิตจะต้องรักษาสภาพภายในเซลล์ให้มีค่า pH คงที่ เพราะเอนไซม์ต่าง ๆ ที่อยู่ภายในเชลล์จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วง pH แคบ ๆ เท่านั้น สารเคมีบางชนิดในไซโทพลาซึมมีบทบาทดังนี้ • ทำหน้าที่เป็นเบสด้วยการรับ H+เพื่อลดความเป็นกรดของสารละลาย • ทำหน้าที่เป็นกรดด้วยการให้ H+เพื่อเพิ่มความเป็นเบสของสารละลาย
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) บัฟเฟอร์ • สารบางชนิดทำหน้าที่ได้ทั้ง 2 บทบาท สารเคมีที่เป็นได้ทั้งเบสและกรด เรียกว่า บัฟเฟอร์ (buffer)เช่น โปรตีนในพลาสมาทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์เพื่อรักษาระดับ pH ของเลือดให้คงที่ และควบคุมไม่ให้เลือดเป็นกรดหรือด่างมากเกินไปเมื่อกรดและเบสทำปฏิกิริยากันจะเกิดเกลือ ดังนี้ • HCI + NaOH NaCI +H2O • กรด เบส เกลือ
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะเคมี • อะตอมในโมเลกุลยึดกันด้วยพันธะเคมี (chemical bond)ดังนั้นการสร้างหรือทำลายพันธะเคมีจึงต้องใช้พลังงาน
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะไอออนิก • อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสจะจัดเรียงตัวเป็นชั้น ๆ หรือออร์บิทัล ชั้นแรกที่อยู่ถัดจากนิวเคลียสมีอิเล็กตรอน 2 ตัว ชั้นที่ 2 และ 3 มีอิเล็กตรอนชั้นละ 8 ตัว ชั้นถัดไปจะมีอิเล็กตรอนเพิ่มมากขึ้น
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะไอออนิก • อะตอมจะเสถียรเมื่ออิเล็กตรอนในวงนอกสุดเต็ม เช่น อิเล็กตรอนวงนอกสุด • ของอะตอมโซเดียมมีเพียง 1 ตัว (ขาดไป 7 ตัว) ดังนั้น อะตอมจะเสถียรมากขึ้น • ถ้าเสียอิเล็กตรอนตัวนี้ไป และเกิดเป็น Na+ที่มีประจุบวก
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะไอออนิก • อะตอมคลอรีนมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 7 ตัว ดังนั้น ถ้าได้รับอิเล็กตรอน • เพิ่มอีก 1 ตัว จะเป็น Cl-ที่มีประจุลบและเสถียร
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะไอออนิก • จะเกิดอะไรขึ้นกับ Na+ ที่มีประจุบวกและ Cl-ที่มีประลบ ไอออนที่มีประจุต่างกันจะดึงดูดกัน แรงไฟฟ้าสถิตจะดึงไอออนเหล่านี้เข้าหากัน ทำให้เกิดพันธะไอออนิก(Ionic bond)ซึ่งมักจะอยู่ในสารประกอบอนินทรีย์ เช่น โซเดียมคลอไรด์ (NaC)
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะโคเวเลนต์ • อะตอมของธาตุจะเสถียรมากขึ้นหากอิเล็กตรอนวงนอกเต็ม ทำให้บางครั้งเกิดพันธะโคเวเลนต์ เช่น อะตอมไฮโดรเจนซึ่งมีอิเล็กตรอนวงนอก 1 ตัวจะเสถียรมากขึ้นถ้าได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มอีก 1 ตัว
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะโคเวเลนต์ • ไฮโดรเจน 2 อะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกันได้ เกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ • (covalent bond)ซึ่งจะยึดไฮโดรเจน 2 อะตอมไว้ด้วยกันในโมเลกุลไฮโดรเจนอะตอมคาร์บอนมีอิเล็กตรอนวงนอกอยู่ 4 ตัว และอะตอมไฮโดรเจนทุกอะตอมมีอิเล็กตรอนวงนอกอะตอมละ 1 ตัว
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะโคเวเลนต์ • ดังนั้นอะตอมคาร์บอนจะเสถียรมากขึ้นถ้าได้อิเล็กตรอนมาเพิ่มอีก 4 ตัวจากไฮโดรเจนทั้ง 4 อะตอม เช่น มีเทน (CH4)ประกอบด้วยคาร์บอน 1 อะตอมและไฮโดรเจน 4 อะตอม
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะโคเวเลนต์ • มีพันธะโคเวเลนต์ 4 พันธะ ซึ่งอะตอมไฮโดรเจนแต่ละอะตอมจะใช้อิเล็กตรอนร่วมกับอะตอมคาร์บอน ทำให้มีเทนเป็นโมเลกุลที่เสถียร
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะไฮโดรเจน • น้ำ 1 โมเลกุลประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 ะตอมและออกซิเจน 1 อะตอม ออกซิเจนแต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 6 ตัว และไฮโดรเจนแต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอน 1 ตัว
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) พันธะไฮโดรเจน • ดังนั้นไฮโดรเจนทั้ง 2 จะตอมต่างก็ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันกับอะตอมออกชิเจน โดยสร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมอกชิเจน เกิดเป็นโมเลกุลน้ำที่เสถียร แต่อะตอม ออกชิเจนมีโปรตอนในนิวเคลียสมากกว่าอะตอมไฮโดรเจน อนุภาคที่มีประจุบวกเหล่านี้มักจะดึงอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกับไฮโดรเจนในพันธะโคเวเลนต์
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) น้ำ • เป็นสารชีวโมเลกุลที่สำคัญที่สุดเนื่องจาก น้ำปกคลุมพื้นผิวโลก 3 ใน 4 ส่วน • น้ำเป็นที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด ทั้งที่อาศัยอยู่ในน้ำจืดและน้ำเค็ม • เซลล์มนุษย์มีน้ำเป็นส่วนประกอบถึง 70% และเซลล์พืชมีน้ำถึง 95%
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) การรวมตัวของน้ำ • สมบัติสำคัญที่สุดของโมเลกุลน้ำ คือยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไฮโดรเจน • โมเลกุลน้ำไม่มีประจุเป็นกลางทางไฟฟ้า มีโปรตอน 10 ตัว และอิเล็กตรอน 10 ตัว
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) การรวมตัวของน้ำ • แต่นิวเคลียสของอะตอมออกชิเจนพยายามดึงอิเล็กตรอนไปจากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนแต่ละอะตอม ทำให้เกิดโมเลกุลมีขั้ว (polar molecule)
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) การรวมตัวของน้ำ • โมเลกุลมีขั้วยอมให้สร้างพันธะไฮโดรเจนได้ แม้ว่าพันธะไฮโดรเจนจะไม่แข็งแรงแต่เมื่อมีจำนวนมากจึงรวมกันเป็นโครงสร้างที่แข็งแรง การรวมตัวแบบนี้ เรียกว่า การเชื่อมติด (cohesion)ซึ่งทำให้น้ำมีสมบัติพิเศษหลายประการ
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) น้ำเป็นตัวทำละลาย • ปฏิกิริยาทางชีวเคมีหลายอย่างเกิดขึ้นในไซโทพลาซึมของเซลล์ เมื่อสารเคมีละลายน้ำ จะเคลื่อนที่ได้อิสระและทำปฏิกิริยากับสารอื่น และน้ำมีส่วนที่เป็นบวกและลบเล็กน้อย จึงดึงดูดอนุภาคที่มีประจุ เช่น ไอออน และโมเลกุลมีขั้ว เช่น กลูโคส ได้
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) น้ำเป็นตัวทำละลาย • ตัวอย่างเช่น ในสารละลาย โมเลกุลน้ำจะล้อมรอบไอออนบวก เช่น Na+ • และ K+อะตอมออกซิเจนซึ่งมีประจุเป็นลบเล็กน้อยจะถูกดึงดูดเข้าหาไอออน ที่มีประจุบวก เช่นเดียวกับที่ไอออนซึ่งมีประจุลบ เช่น CI-ดึงดูด H+ที่เป็นบวกเล็กน้อยไว้
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) น้ำเป็นตัวทำละลาย • ในทางตรงกันข้าม โมเลกุลไม่มีขั้ว (non-polar molecule) เช่น ไขมันไม่ละลายน้ำ ในกรณีนี้โมเลกุลของน้ำจะดึงดูดซึ่งกันและกัน และมีผลทำให้โมเลกุลไม่มีขั้วถูกแยกออกไปสมบัติของไขมันที่ไม่รวมตัวกับน้ำ เรียกว่า ไฮโดรโฟบิก (hydrophobic) หรือหมายถึง ไม่ชอบน้ำ สำคัญมากต่อการคงตัวของเยื่อหุ้มเซลล์
1. สารชีวโมเลกุล (Biological molecule) น้ำเป็นเมแทบอไลต์(metabolite) และตัวกลางลำเลียง • มีปฏิกิริยาหลายอย่างภายในเซลล์ ทั้งการใช้และการสร้างน้ำ เช่น กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงต้องใช้น้ำ ส่วนกระบวนการหายใจสร้างน้ำ น้ำจะเป็นตัวกลางขนส่งทั้งภายในและภายนอกเซลล์ โดยเลือดและน้ำเหลือง ของสัตว์ก็ลำเลียงสารที่ละลายน้ำได้หลายชนิด ส่วนในพืช น้ำเป็นปัจจัยที่สำคัญมากต่อการทำงานของไซเล็มและโฟลเอ็ม เนื่องจากมีสมบัติเป็นตัวทำละลาย
