ชีวโมเลกุล

1. ชีวโมเลกุล

2. ชีวโมเลกุล คือ โมเลกุลที่มีความสำคัญต่อชีวิต ได้แก่ น้ำ คาร์โบไฮเดรต ไขมัน โปรตีน และกรดนิวคลีอิค 1. น้ำ (H2O) น้ำเป็นชีวโมเลกุลที่เป็นสารประกอบอนินทรีย์ น้ำเป็นชีวโมเลกุลที่มีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะตัวแตกต่างจากสารอื่น ๆ (Unique properties) คุณสมบัติเฉพาะตัวนี้เกิดจาก 1) การมีขั้ว (Polarity) 2) การมีพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond)

3. Unique Properties of Water 1. น้ำมีสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง 2. น้ำมีค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอสูงกว่าสารอื่น 3. น้ำมีค่าความร้อนแฝงของการหลอมเหลว (การละลาย) สูง 4. น้ำมีค่าความร้อนจำเพาะสูง (1 คาลอรี/กรัม/1 องศาเซลเซียส) 5. น้ำมีปริมาตรเพิ่มขึ้นเมื่อแข็งตัว จึงมีความหนาแน่นน้อยลง 6. น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดี (universal solvent)

4. Unique Properties of Water 7. น้ำมีแรงตึงผิวสูง (High surface tension) 8. การดูดรับแสง 9. น้ำแตกตัวเป็นอิออนให้ H+ และ OH- 10.น้ำมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลต่างชนิดกัน (adhesive force) และระหว่างน้ำด้วยกัน (cohesive force)

5. A B H2O : polarity+H-bond ไฮโดรเจนแต่ละอะตอมจะใช้ อิเล็กตรอน 1 คู่ร่วมกับอะตอมออกซิเจนเกิดเป็น covalent bond อะตอมทั้ง 3 ที่รวมกันเป็น H2O ไม่ได้เรียงกันเป็นเส้นตรง แต่ไฮโดรเจน 2 อะตอมจะสร้างพันธะเป็นมุม 105 องศา นิวเคลียสของออกซิเจนมีประจุบวกจึงสามารถดึง อิเล็กตรอน จากไฮโดรเจนมาใกล้มากกว่า ผลคือในโมเลกุลน้ำมีการกระจายของประจุไฟฟ้าแยกกัน ด้าน H มีประจุเป็น + ส่วนทางด้าน O มีประจุเป็น - ทำให้เกิดการมีขั้ว

6. โมเลกุล น้ำหนักโมเลกุล จุดหลอมเหลว(๐ซ) จุดเดือด CH4 16 -184 -161 NH3 17 -78 -33 H2O 18 0 +100 HF 20 -92 +19 ตารางที่ 1 จุดหลอมเหลวและจุดเดือด ของสารบางชนิด

7. ชนิดสาร ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (คาลอรี่/กรัม) เอธิลอัลกอฮอล์ 204 ออกซิเจน 51 น้ำ 540 เมธานอล 263 อะซิโตน 125 แอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ 313 ตารางที่ 2 ค่าของความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (heat of vaporization, calg-1) ของสารบางชนิด

8. ตารางที่ 3 ค่าความร้อนแฝงของการหลอมเหลว (heat of fusion, calg-1) ของสารบางชนิด ชนิดสาร ค่าความร้อนแฝงของการหลอมเหลว เอธิลอัลกอฮอล์ 25.0 ออกซิเจน 3.3 น้ำ 80.0 เมธานอล 22 อะซิโตน 20 แอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ 84

9. ตารางที่ 4 ความร้อนจำเพาะของสารบางชนิด ชนิดสาร ความร้อนจำเพาะ (calg-1.C-1) น้ำ 1.0 น้ำแข็ง 0.50 ไอน้ำ 0.48 เอธิลอัลกอฮอล์ 0.58 ไม้ 0.42 แก้ว 0.20 เหล็กกล้า 0.11

10. Cooling Effect น้ำมีค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอสูงกว่าสารอื่น (539 คาลอรี่/กรัม) น้ำช่วยลดความร้อนในพืชด้วยการคายน้ำ เพราะจะมีการดึงความร้อนจากผิวใบ 539 คาลอรี่/น้ำ 1 กรัมที่ระเหย ทำให้อุณหภูมิของต้นพืชคงที่ได้และทำให้เรารู้สึกเย็นลงเมื่อมีเหงื่อออกมากในวันที่อากาศร้อนและแห้ง

11. น้ำมีค่าความร้อนจำเพาะสูง (1 คาลอรี/กรัม/1 องศาเซลเซียส) น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส ต้องใช้พลังงานความร้อน 1 คาลอรี่ ซึ่งนับว่าใช้พลังงานสูงกว่าน้ำมัน 2 เท่า สูงกว่าเหล็ก 9 เท่า น้ำจึงช่วยให้อุณหภูมิของพืชเพิ่มขึ้นหรือลดลงได้ช้า ใบที่ขาดน้ำ จะดูดความร้อนไว้มากใบจึงไหม้

12. H2O : High surface tension น้ำมีแรงตึงผิวสูง (High surface tension) การมีพันธะไฮโดรเจน ทำให้น้ำมีแรงตึงผิว การที่จิ้งโจ้น้ำและแมลงอื่น ๆ เดินบนผิวน้ำได้เพราะน้ำหนักตัวของแมลงถูกพยุงโดยผิวหน้าของน้ำที่ต่อเนื่องกันเป็นแผ่นเดียวและการมีแรงตึงผิวสูงทำให้หยดน้ำจับตัวกันเป็นหยดกลม

13. น้ำแตกตัวเป็นอิออนให้ H+ และ OH- • การมี Polarity ทำให้น้ำแตกตัวเป็นอิออนได้ ซึ่งมีผลต่อค่า pH • H2O H+ + OH-

14. โครงสร้างของน้ำในสภาพของเหลว (liquid water) มีโมเลกุลของน้ำที่ไม่ สร้างพันธะไฮโดรเจน (non-hydrogen bonded molecule) แทรกตัวอยู่ระหว่าง โมเลกุลของน้ำที่สร้างพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bonded molecules)

15. Hydrogen bond การเรียงตัวของโมเลกุลของน้ำ ในสถานะน้ำแข็ง จะอยู่ในลักษณะ ที่เป็นรูปผลึกที่คงตัวไม่เปลี่ยนแปลง และจะสร้างพันธะไฮโดรเจนกับน้ำ อีก 4 โมเลกุล ICE

16. Sodium ion Water molecules Chloride ion H2O : Universal solvent น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดีสำหรับ electrolyte เพราะน้ำมี polarity ขั้วด้าน + ของน้ำ ยึดเหนี่ยวกับอิออน - ขั้วด้าน - ของน้ำ ยึดเหนี่ยวของอิออน +

17. H2O : Cohesion

18. น้ำมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลต่างชนิดกัน (adhesive force)และระหว่างน้ำด้วยกัน (cohesive force) เนื่องจากน้ำมี Hydrogen-bond และ Polarity ทำให้น้ำสามารถยึดเหนี่ยวกับสารอื่น ๆ ได้ ทำให้สารนั้นเปียกได้ เช่น เซลลูโลส แป้ง โปรตีน อนุภาคดินเหนียว แก้ว และ Hydrogen-bond ทำให้น้ำมีแรงยึดเหนี่ยวกับน้ำด้วยกัน ประโยชน์ : ทำให้น้ำเคลื่อนผ่านช่องว่างเล็ก ๆ ในดิน หรือ ในผนังเซลล์ ซึ่งมีลักษณะเป็น capillary ได้ จึงช่วยในการลำเลียงน้ำจากดินเข้าสู่รากผ่านท่อลำเลียงซึ่งมีขนาดเล็กและแคบไปสู่ยอดสูงๆได้

19. คาร์โบไฮเดรต

20. คาร์โบไฮเดรต เป็นสารประกอบอินทรีย์ (organic compound) เพราะประกอบด้วย C,H,O สูตรโครงสร้างทั่วไป = CnH2mOm เช่น น้ำตาล, แป้ง, เซลลูโลส คาร์โบไฮเดรต แบ่งได้เป็น 3 กลุ่ม ตามจำนวนของ C ดังนี้ 1. น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว (Monosaccharides,monos) 2. น้ำตาลโมเลกุลคู่ (disaccharides) 3. น้ำตาลเชิงซ้อน (polysaccharides,

21. เนื่องจากในโทโนแซคคาไรด์ เป็นอนุพันธ์ของอัลดีไฮด์ หรือ คีโตน ดังนั้น จึงแบ่งได้เป็น 2 ประเภทคือ monosaccharides แบ่งเป็น 2 กลุ่ม  ถ้ามี aldehyde group ( - C=0 ) เป็นพันธะคู่ ที่ปลาย chain เรียกว่า น้ำตาล aldose (ตัวอย่างเช่น ribose, xylose, arabinose)  ถ้ามี ketone group( C=0 ) เป็นพันธะคู่ภายใน chain เรียกว่าน้ำตาล ketose เช่น

22. Carbohydrate Aldoses

23. Ketoses

24. ตัวอย่างของน้ำตาล aldose เช่น น้ำตาล triose, pentose , galactose โดยเฉพาะ glucose เป็นน้ำตางอัลโดส ที่พบมากที่สุดในธรรมชาติ

26. ตัวอย่างของน้ำตาล ketose เช่น น้ำตาล riburose, fructose โดยเฉพาะ fructose เป็นน้ำตาล คีโตส ที่พบมากที่สุดในธรรมชาติ

27. สูตรโครงสร้างของน้ำตาล fructose

28. เมื่อ glucose ละลายน้ำอาจจัดตัวเป็นเส้นตรง หรือวงแหวน (ring form) ซึ่งเปลี่ยนไปมาได้ทั้ง 2 แบบ ถ้า -OH ที่จับกับ C1 อยู่ใต้ระนาบของ ring เรียกว่า อยู่ในตำแหน่ง อัลฟา (เช่น ulfa- glucose) -ถ้า OH อยู่เหนือระนาบของ ring เรียกว่าอยู่ในตำแหน่ง เบตา (เช่น bata-Glucose)

29. ปฏิกิริยา dehydration -synthesis และHydrolysis ในการสังเคราะห์ disaccharides จะมีการสูญเสีย H2O ออกมา 1 โมเลกุล เพื่อจะสร้างพันธะใหม่ระหว่าง manosaccharides 2 โมเลกุล เรียกปฏิกิริยานี้ว่า dehydration -synthesis หรือ condensation Polymer monomer Dehydration synthesis ( condensation)

30. ปฏิกิริยาการย่อย disaccharides เป็นหน่วยย่อยนั้น เกิดขึ้นเมื่อต้องการใช้ disaccharides เป็นพลังงาน จะมีการเพิ่ม H2O เข้าไปใหม่ กระบวนการนี้เรียกว่าhydrolysis Hydrolysis

31. Condensation

33. starch : ประกอบด้วย glucose 600-6000 โมเลกุล เป็นอาหารสะสมในพืช เช่น ข้าวโพด ข้าวสาลี ข้าวโอ๊ต ถั่วเขียว ถั่วเหลือง มัน เผือก แป้งพบได้ใน 2 รูป amylose(straight chain of glucose) amylopectin (branched chain of glucose)

35. Amylose ประกอบด้วยกลูโคส ต่อกันเป็นสายยาว ด้วยพันธะ อัลฟา (1-4)

36. Amylopectin อะไมโลสเป็นลูกโช่ของกลูโคสซึ่งต่อกันด้วยพันธะ อัลฟา (1-4) เช่นกัน แต่จะมีแขนงแยกออกไป ทุก 25-30 หน่วยกลูโคส ตรงจุดที่เกิดแขนงกลูโคสจะ ต่อกันด้วยพันธะ อัลฟา (1-6)

37. Glycogen Starch glycogen : ประกอบด้วย glucose 6000-30000 โมเลกุล การมีโครงสร้างที่เป็น branched structure ทำให้ถูกย่อยได้ง่าย เมื่อร่างกายต้องการ glucose คนและสัตว์เก็บสำรองคาร์โบไฮเดรตในรูปของ glycogen ในตับและกล้ามเนื้อเพื่อเป็นแหล่งพลังงาน

38. โครงสร้างของไกลโคเจน มีลักษณะคล้ายกับ อะไมโลเพคติน คือมีแขนง แต่แขนงของไกลโคเจนจะมี มากกว่าคือ บนโช่ของกลูโคส ซึ่งต่อกันด้วยพันธะ อัลฟา(1-4) ทุกๆ 8-10 หน่วยจะมีการแตกแขนง Amylopectin Glycogen

39. Cellulose ประกอบด้วย Beta-glucose 300-3000 โมเลกุล พบใน cell wall (ผนังเซลล์) ของพืช ร่างกายเราย่อยไม่ได้เพราะขาดเอนไซม์ย่อย Beta glucoex lintage พวกสัตว์กินหญ้า ย่อย cellulose ในพืชได้ เพราะมี bacteria ในกระเพาะช่วยย่อย

40. ประโยชน์ของคาร์โบไฮด์เดรตประโยชน์ของคาร์โบไฮด์เดรต 1. ให้พลังงาน 4 แคลอรี/กรัม 2. สงวนคุณค่าโปรตีน 3. กำจัดสารพิษ 4. เป็นองค์ประกอบของ nucleic acid 5. ช่วยในการขับถ่าย

41. ไขมัน (Fat Molecule)

42. Fat Molecules เป็นสารอินทรีย์ที่ไม่ละลายน้ำแต่ละลายใน nonpolar organic solvent เช่น ether, benzene, chloroform, acetone ประกอบด้วย C, H, O เช่นเดียวกับคาร์โบไฮเดรตแต่ไขมันต่างจากคาร์โบไฮเดรต ตรงที่มี 0 น้อยกว่าทำให้มี polar –OH group น้อยลงจึงไม่ละลายในน้ำ และมี N, P เพิ่มขึ้นมา (C, H, O, N, P)

43. ไขมันแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ลิปิดธรรมดา (Neutral Lipid) phospholipids Steroids ลิปิดธรรมดา (Neutral Lipid)ประกอบด้วย Glycerol (1 โมเลกุล) + fatty acid (1,2 หรือ 3 โมเลกุล) เป็น fatty acid ชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกันก็ได้ ยึดกันด้วย covalent bond แต่ละ bond เกิดโดย dehydration synthesis

45. Saturated & Unsaturated Fatty Acid Fatty Acid : ที่ไม่มี double bond (พันธะคู่) ใน hydrocarbon chain เรียกว่า saturated fatty acid (กรดไขมันอิ่มตัว) เช่น palmitic acid ถ้ามี double bond (พันธะคู่) ใน hydrocarbon chain เรียกว่าunsaturated fatty acid

47. Phospholipids : Lecithin phospholipids เป็นลิปิดที่มี phosphate group อยู่ด้วย ที่พบมากคือ คือ phosphoglycerides ซึ่งประกอบด้วย glycerol เป็นโมเลกุลแกน และมี fatty acid 2 โมเลกุลมาต่อกับ glycerol ตำแหน่งของ fatty acid โมเลกุลที่ 3 ถูกแทนที่ด้วย phosphate group ซึ่งเป็น hydrophillic และจะมีโมเลกุลอื่น ๆ ( R-group) มาเชื่อมต่อกับ phosphate group อีก

48. Steroids Steroids สเตรอยด์ไม่ค่อยละลายน้ำ พบเฉพาะในเซลล์สัตว์ ต่างจากไขมันกลุ่มอื่น ๆ เพราะไม่มี fatty acid มี C-ring 4 อันคล้องกัน (3 ring เป็น 6C, 1 ring เป็น 5C)

49. Steroids เช่น  cortisone : มาจากต่อมหมวกไต  testosterone : มาจาก testis  progesterone : มาจากรังไข่  cholesterol : พบในหลอดเลือด

50. ประโยชน์ของไขมัน 1. ให้พลังงาน 9 แคลอรี่/กรัม 2. เป็นแหล่งของวิตามินที่ละลายในไขมัน (A, D, E, K) 3. เป็นองค์ประกอบเยื่อหุ้มเซลล์และระบบต่าง ๆ ในร่างกาย 4. สามารถเปลี่ยนเป็นคาร์โบไฮเดรตและกรดอะมิโนที่ไม่จำเป็นซึ่งเป็น การสงวนการใช้โปรตีน 5. เป็นฉนวนกันความร้อน