The structure and function of macromolecules

1. The structure and function of macromolecules

2. สารประกอบขนาดใหญ่ (macromolecules)ในสิ่งมีชีวิต จัดเป็น 4 กลุ่มตามลักษณะโครงสร้างของโมเลกุล ได้แก่ Carbohydrateประกอบด้วยธาตุ C, H, O Protein “ C, H, O, N Lipid “ C, H, O Nucleic acid “ C, H, O, N, P

3. Building models to study the structure of macromolecules Today, scientists use computer Linus Pauling (1901-1994)

4. ปฏิกิริยาเคมีของ macromoleculesได้แก่ Condensationเป็นปฏิกิริยาสังเคราะห์ macromoleculesจาก monomersเล็กๆเป็นจำนวนมาก และได้ผลผลิต H2Oด้วย ดังนั้นอาจเรียกว่า ปฏิกิริยา dehydration Hydrolysisเป็นปฏิกิริยาย่อยสลาย macromoleculesให้เล็กลง เพื่อให้สามารถนำผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าสู่เซลล์ได้ หรือย่อยสลาย macromoleculesที่ไม่ใช้แล้วภายในเซลล์

5. The synthesis of a polymer

6. The Breakdown of a polymer

7. Carbohydrates • Carbohydratesเป็นสารประกอบจำพวกน้ำตาล และ polymerของน้ำตาล • แบ่งกลุ่ม carbohydratesได้เป็น 3 กลุ่ม ตามจำนวนโมเลกุลของน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบ ได้แก่ • Monosaccharide • Disaccharide • Polysaccharide

8. aldehydes ketones Monosaccharide เป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว ที่ประกอบด้วยC, O และH มีสูตรคือ(CH2O)n โดยมีอะตอมของC ต่อกันเป็นสาย และมีCarbonyl group และhydroxy group ต่อกับอะตอมของC Carbonyl group

9. The structure and classification of some monosaccharides

10. Linear and ring forms of glucose

11. น้ำตาลโมเลกุลคู่ (Disaccharides) เกิดจากการรวมตัวของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว 2 โมเลกุลโดยปฏิกิริยา condensation Covalent bondที่เกิดขึ้น เรียกว่า Glycosidic linkage

12. Examples of disaccharides synthesis

13. Polysaccharideเป็น carbohydrate ที่มีขนาดใหญ่มาก ประกอบด้วยmonosaccharides จำนวนมากต่อกันด้วยglycosidic linkage • ชนิดของpolysaccharide ขึ้นอยู่กับ • 1. ชนิดของmonosaccharide • 2. ชนิดของGlycosidic linkage • ตัวอย่างpolysaccharide ได้แก่starch, glycogen, cellulose และ chitin

14. Storage polysaccharides

15. Starch: 1-4 linkage of  glucose monomers Cellulose: 1-4 linkage of  glucose monomers

16. Celluloseมีglucose เป็นองค์ประกอบเช่นเดียวกับ แป้ง แต่มีพันธะแบบ1-4 glycosidic linkageผนังเซลล์ของพืชประกอบด้วยcellulose เป็นจำนวนมาก

17. The arrangement of cellulose in plant cell walls

18. Chitin, a structural polysaccharide Chitin forms the exoskeleton of Arthropods Chitin is used to make a strong and flexible surgical thread

19. Chitinมีโครงสร้างคล้ายกับCellulose ต่างกันที่ว่า หน่วยย่อยเป็นN-acetylglucosamine ต่อกันเป็นโมเลกุลสายยาว

20. หน้าที่ของcarbohydrate Sugars : • ทำหน้าที่ให้พลังงานและเป็นแหล่งคาร์บอนแก่สิ่งมีชีวิต • ribose และdeoxyribose เป็นองค์ประกอบของnucleic acid • Polysaccharide : • เป็นแหล่งสะสมพลังงานของสิ่งมีชีวิต โดยพืชเก็บสะสมพลังงานในรูปของstarch ส่วนสัตว์เก็บสะสมพลังงานในรูปของglycogen • Cellulose และchitin เป็นโครงสร้างของพืชและสัตว์

21. Lipids Diverse Hydrophobic molecules

22. Lipids เป็นสารที่ไม่เป็นpolymer • Lipids ไม่ละลายน้ำ เนื่องจากโครงสร้างของlipids ประกอบด้วย nonpolar covalent bonds เป็นส่วนมาก • Lipids ได้แก่ • ไขมัน(Fat) • Phospholipid • Steroid • ขี้ผึ้ง(Wax)

23. Fats : เป็นแหล่งสะสมพลังงาน • Fats ถึงแม้จะไม่เป็นpolymer แต่เป็นสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้วยสารที่มีโมเลกุลขนาดเล็กกว่ามาต่อกันด้วยปฏิกิริยาDehydration • Fats ประกอบด้วยGlycerol และ กรดไขมัน(Fatty acid)

24. ส่วน“tail” ของfatty acid ที่เป็นhydrocarbon ที่มักมีอะตอมคาร์บอนต่อกันประมาณ 16-18 อะตอม เป็นส่วนที่ทำให้fats ไม่ละลายน้ำ(hydrophobic)

25. Triglycerol ไขมัน 1 โมเลกุล ประกอบด้วยGlycerol 1 โมเลกุล และ กรดไขมัน 3 โมเลกุล

26. กรดไขมันแบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม ได้แก่ • Saturated fatty acid(กรดไขมันชนิดอิ่มตัว) • Unsaturated fatty acid(กรดไขมันชนิดไม่อิ่มตัว) • ไขมันที่ได้จากสัตว์ เช่น เนย มี saturated fatty acidเป็นองค์ประกอบ มีลักษณะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง • ไขมันจากพืช มี unsaturated fatty acidเป็นองค์ประกอบ มีลักษณะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง

27. Saturated fat and fatty acid Unsaturated fat and fatty acid

28. Phospholipids • เป็นองค์ประกอบหลักของcell membrane • ประกอบด้วยglycerol 1โมเลกุลfatty acid 2 โมเลกุล และphosphate group (phosphate group มีประจุ -) • มีส่วนหัวที่มีประจุ และเป็นส่วนที่ชอบน้ำ(hydrophilic) และส่วนหางที่ไม่ชอบน้ำ(hydrophobic)

29. The structure of phospholipid

30. Phospolipid in aqueous environments เมื่อเติมphospholipids ลงในน้ำphospholipids จะรวมตัวกัน โดยเอาส่วนหางเข้าหากัน และส่วนหัวหันออกทางด้านนอก กลายเป็นหยดเล็กๆ เรียกว่า micelle Micelle

31. ที่cell membrane ของสิ่งมีชีวิตPhospholipids จะเรียงตัวเป็น 2 ชั้น โดยhydrophilic head จะหันออกทางด้านนอกเข้าหากัน ส่วนhydrophobic tail อยู่ตรงกลาง Phospholipid bilayer

32. Steroids • เป็นlipids ประกอบด้วย คาร์บอนเรียงตัวเป็นวงแหวน 4 วง • Steroids ชนิดต่างๆ มีหมู่functional group ที่ต่อกับวงแหวนแตกต่างกัน • Cholesterol เป็นsteroid ที่เป็นองค์ประกอบของcell membrane

33. Cholesterol, a steroid Cholesterol ยังเป็นprecusor สำหรับการสังเคราะห์steroid อื่นๆหลายชนิด เช่นhormones

34. Protein • เป็น polypeptide ของamino acid ที่ต่อกันเป็นลำดับเฉพาะตัวสำหรับโปรตีนแต่ละชนิด • โปรตีนสามารถทำงานได้ ต้องมีรูปร่าง(conformation) ที่เป็นลักษณะเฉพาะตัว • มนุษย์มีโปรตีนมากกว่า 10,000 ชนิด แต่ละชนิดมีโครงสร้างและหน้าที่แตกต่างกัน

35. H O H N C C OH H R Carboxyl group Amino group Amino acid เป็นสารอินทรีย์ที่มีหมู่carboxyl และหมู่amino ต่อกับอะตอมคาร์บอนที่เป็นศูนย์กลาง อะตอมที่เป็นศูนย์กลางยังต่อกับอะตอมhydrogen และหมู่ R group 1 หมู่ที่แตกต่างกัน

36. Amino acid แบ่งออกเป็นกลุ่มตามคุณสมบัติของR group • R group ที่แตกต่างกันนี้ ทำให้เกิดamino acid แตกต่างกัน 20 ชนิด แต่ละชนิดมีคุณสมบัติทางเคมีและชีววิทยาแตกต่างกัน

37. Amino acid กลุ่ม Nonpolar

38. กลุ่มPolar

39. กลุ่ม Electrically charged

40. Making a polypeptide chain Amino acid ต่อกันเป็นสายยาวด้วยcovalent bond เรียกว่าpeptide bond

41. ปลายที่มีหมู่amino เรียกว่าN-terminus • ปลายที่มีหมู่carboxyl เรียกว่าC-terminus

42. สาย polypeptide ประกอบด้วยamino acid ทั้ง 20 ชนิด เรียงต่อกันเป็นอิสระ สายpolypeptideจึงสามารถมีรูปแบบที่ไม่เหมือนกันนับหมื่นชนิดได้

43. โปรตีนสามารถทำงานได้ต้องมีรูปร่าง (conformation)ที่เป็นลักษณะเฉพาะตัว • โปรตีนที่ทำงานได้ประกอบด้วย polypeptide 1 สายหรือมากกว่า ซึ่งม้วนพับไปมาตามแรงยึดเหนี่ยวระหว่าง side chainของ amino acid • รูปร่างของโปรตีนจึงขึ้นอยู่กับลำดับของ amino acidที่เรียงกันอยู่

44. A protein’s function depends on its specific conformation Ribbon model Space filling model

45. โครงสร้างของโปรตีนถูกแบ่งออกเป็นโครงสร้างของโปรตีนถูกแบ่งออกเป็น Primary structure Secondary structure Tertiary structure Quaternary structure สำหรับโปรตีนที่ประกอบด้วย polypeptide มากกว่า 1 สาย

46. The primary structure of a protein • Primary structure คือ ลำดับของamino acid ที่ประกอบขึ้นเป็นโปรตีน • Primary structure ถูกกำหนดโดยข้อมูลทางพันธุกรรม(DNA)

47. การเปลี่ยนแปลงลำดับamino acid ในโปรตีนอาจมีผลให้รูปร่างของโปรตีนเปลี่ยนไป และอาจมีผลต่อการทำงานของโปรตีนชนิดนั้นๆ ตัวอย่างเช่น โรคsickle-cell anemia

48. A single amino acid substitution in a protein causes sickle-cell disease

49. The secondary structure of a protein • Secondary structure เป็นโครงสร้างที่เกิดขึ้นจากH-bond ระหว่างหมู่carboxylและหมู่amino • Secondary structure ที่พบบ่อยในธรรมชาติได้แก่Helix และ  Pleated sheet

50. ตัวอย่างเช่น เส้นใยแมงมุม มีโครงสร้างแบบ Pleated sheetทำให้เส้นใยแมงมุมมีความแข็งแรงมาก Spider silk: a structural protein