สารชีวโมเลกุล

สารชีวโมเลกุล

อาหาร คือ สารที่เข้าสู่ร่างกายไปแล้วจะทำให้สิ่งมีชีวิตเจริญเติบโต ให้พลังงานเพื่อความแข็งแรง และซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอ
อาหารประเภทต่างๆ ที่รับประทานในแต่ละวัน จำแนกออกได้เป็นหมู่ใหญ่ๆ คือ

หมู่ที่ 1 เนื้อสัตว์ต่าง ๆ ไข่ ถั่วเมล็ดแห้ง นม
หมู่ที่ 2 ข้าว แป้ง น้ำตาล เผือก มัน และน้ำตาล
หมู่ที่ 3 ผักใบเขียว และพืชผักอื่น ๆ
หมู่ที่ 4 ผลไม้ต่าง ๆ
หมู่ที่ 5 ไขมันจากสัตว์และพืช
สารอาหาร (Nutrient) คือ สารที่เป็นองค์ประกอบของอาหาร แบ่งตามหลักโภชนาการได้แก่ โปรตีน คาร์โบไฮเดรต มัน วิตามิน เกลือแร่ และน้ำ
ปริมาณสารอาหารประเภทต่างๆ ในร่างกายมนุษย์ประกอบด้วย ดังนี้

สารอาหาร

ร้อยละในร่างกาย

น้ำ

65

โปรตีน

20

ไขมัน

10

คาร์โบไฮเดรต

น้อยกว่า 1

เกลือแร่

4

(ที่มา : เสาวนีย์ จักรพิทักษ์, 2532 : 43 )

สารชีวโมเลกุล (Biomolicules) หมายถึง สารประกอบที่ทำหน้าที่ 2 อย่างในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต คือ เป็นโครงสร้างและสารทำหน้าที่ของเซลล์ สารเหล่านี้ได้แก่ น้ำ เกลือแร่ โปรตีน คาร์โบไฮเดรต ลิปิด และกรดนิวคลีอิก อาจรวมถึงก๊าซออกซิเจนและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย



คาร์โบไฮเดตร

คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate) คือ สารอินทรีย์ที่ประกอบด้วยธาตุ C H และ O อัตราส่วนโดยอะตอมของ H : O = 2 :1 เช่น C 3H 6O 3 C 6H 12O 6 (C 6H 10O 5) n โดยมีหมู่คาร์บอกซาลดีไฮด์ (-CHO) และหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) หรือหมู่คาร์บอนิล (-CO) และหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) เป็นหมู่ฟังก์ชัน

ประเภทของคาร์โบไฮเดรต

คาร์โบไฮเดรตสามารถแบงตามโครงสร้างออกเปน 3 ประเภท คือ
1. มอนอแซ็กคาไรด (Monosaccharides) หรือน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว มีสูตรทั่วไปเปน C n H2n O n ซึ่งจะมี 2 ประเภทคือ

- น้ำตาลอัลโดส (aldoses) เปนน้ำตาลที่มีหมูคารบอกซาลดีไฮด ( ) เชน กลูโคส กาแลกโตส และไรโบส เปนตน
- น้ำตาลคีโตส (ketoses) เปนน้ำตาลที่มีหมูคารบอนิล ( ) ไ ดแก ฟรุกโตส เปนตน



2. ไดแซ็กคาไรด (Disaccharides) หรือน้ำตาลโมเลกุลคู่ ได้แก่ แลคโตส มอลโตส และซูโครส ซึ่งเกิดจากการรวมตัวของ Monosacharide 2 โมเลกุล โดยกําจัดน้ำออกไป 1 โมเลกุล เชน ซูโครส (C12H22O11) เกิดจากกลูโคสรวมตัวกับฟรุกโตส ดังภาพ




3 . พอลีแซ็กคาไรด (Polysaccharides) เช่น แป้ง เซลลูโลส ไกลโคเจน (ดังภาพข้างล่าง) เกิดจาก Monosacharide หลายๆ โมเลกุลจำนวนมากมายต่อรวมกันเป็นพอลิเมอร์ ดังสมการ

n C6H12O6 ---------------> ( C6H10O5 )n + n H 2O

Polysacharide แบ่งตามแหล่งที่พบได้ดังนี้

- จากพืช ได้แก่ แปง (Starch) เซลลูโลส (Cellulose) และอะไมโลส (Amylose)
- จากสัตว ได้แก่ ไกลโคเจน (Glycogen)







สมบัติของคาร์โบไฮเดรต

1. มอนอแซ็กคาไรด (Monosaccharides) มีสถานะเป็นของแข็ง ละลายน้ำ มีรสหวาน ทำปฏิกิริยากับสารละลายเบเนดิกต์เกิดตะกอนสีแดงอิฐ (Cu 2O)
2. ไดแซ็กคาไรด (Disaccharides)มีสถานะเป็นของแข็ง ละลายน้ำ มีรสหวาน สามารถเกิดการไฮโดรลิซิสได้ Monosaccharide 2 โมเลกุล และทำปฏิกิริยากับสารละลายเบเนดิกต์เกิดตะกอนสีแดงอิฐ (Cu 2O) ยกเว้นซูโครส
3. พอลีแซ็กคาไรด (Polysaccharides) มี สถานะเป็นของแข็ง ไม่ละลายน้ำ ไม่มีรสหวาน เกิดการไฮโดรลิซิสได้ Monosaccharide ที่เป็นกลูโคสจำนวนมากมาย

การทดสอบคาร์โบไฮเดรต

1. มอนอแซ็กคาไรด์และไดแซ็กคาไรด์ ซึ่งเป็น สารอินทรีย์ที่มีหมู่คาร์บอกซาลดีไฮด์ (-CHO) เมื่อต้มกับสารละลายเบเนดิกต์ (Cu 2+/ OH -)



สารละลายเบเนดิกต์ (Benedict solution) เป็นสารละลายผสมระหว่าง CuSO 4 Na 2CO 3 และโซเดียมซิเตรด เป็น Cu 2+/ OH - มีสีน้ำเงิน

2. พอลีแซ็กคาไรด์
2.1 แปง : เติมสารละลายไอโอดีนจะได้ตะกอนสีน้ำเงิน แตไมใหตะกอนสีแดงกับสารละลายเบเนดิกต




2.2 น้ำตาลโมเลกุลใหญ เช่น แปง และสำลี ( เซลลูโลส) เมื่อนำมาเติมสารละลายเบเนดิกซ จะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลง แตถาเติมกรดแลวนำมาตมจะเกิดปฎิกริยาไฮโดรลิซิส ซึ่งสามารถเกิดตะกอนสีแดงอิฐกับสารละลายเบเนดิกซได

เกร็ดความรู้เพิ่มเติม
เมื่อรับประทานพวกแปงในน้ำลายจะมีเอนไซมอะไมเลส (Amylase) จะเปลี่ยนเปนน้ำตาลที่รางกายนำไปใชไดถามีเหลือจะเก็บสะสมไวที่ตับหรือกลามเนื้อ
การหมัก (Fermentation) คือ กระบวนการเปลี่ยนสารอินทรีย์ในการที่ไม่ใช้ O 2 โดยมีสิ่งมีชีวิต เช่น ยีสต์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ได้สารผลิตภัณฑ์ เช่น แอลกอฮอล์ ดังสมการ






ลิพิด

ลิปิด (Lipid) คือ สารประกอบอินทรีย์ที่ได้จากเนื้อเยื่อพืชและสัตว์ เป็นสารที่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ เป็นโมเลกุลโควาเลนต์ไม่มีขั้ว เช่น เบนซีน เป็นสารที่ไม่ละลายน้ำ ตัวอย่าง ไขมัน น้ำมัน แว็กซ์ ( wax) สเตอรอยด์ เป็นต้น

กรดไขมัน (Fatty acid)
กรดไขมัน เปนกรดที่เกิดในธรรมชาติจากการไฮโดรลิซิสไตรกลีเซอไรด ( เปนปฏิกิริยายอนกลับของปฏิกิริยาเอสเทอริฟเคชัน) กรดไขมันที่พบโดยทั่วไปจะมีจํานวนของคารบอนเปนเลขคู ที่พบมาก คือ 16 หรือ 18 อะตอม และจะ ต่อกันเป็นสายยาวไม่ค่อยพบแตกกิ่งก้านสาขา และขดเป็นวงปิด กรดไขมัน แบงออกเปน 2 ประเภทใหญๆ คือ
1. กรดไขมันอิ่มตัว (saturated fatty acids) หมูแอลคิลจะมีแตพันธะเดี่ยว เชน กรดไมริสติก กรดปาลมิติก กรดสเตียริก
2. กรดไขมันไมอิ่มตัว (unsaturated fatty acids) หมูแอลคิลจะมีแตพันธะคูอยูดวย เชน กรดปาลมิโตเลอิก กรดโอเลอิก กรดลิโนเลอิก กรดลิโนเลนิก



ภาพแสดงความแตกต่างของโครงสร้งระหว่าง กรดไขมันอิ่มตัวกับกรดไขมันไมอิ่มตัว

สมบัติของกรดไขมัน
กรดไขมันส่วนมากมีจำนวน C อะตอม C 12 - C 18 ชนิดที่มีจำนวน C อะตอมน้อยกว่า 12 ได้แก่ กรกบิวทาโนอิก C 3C 7COOH ที่พบในเนย กรดไขมันไม่ละลายน้ำ กรดไขมันจะมีจุดเดือดและจุด หลอมเหลวสูงขึ้นตามจำนวนคาร์บอนอะตอมที่เพิ่มขึ้น และกรดไขมันอิ่มตัวมีจุดเดือดสูงกว่ากรดไขมันไม่อิ่มตัว ที่มีมวลโมเลกุลใกล้เคียงกัน
ไขมันและน้ำมัน
ไขมันและน้ำมัน (Fat and oil) คือ สารอินทรีย์ประเภทลิปิดชนิดหนึ่ง มีหมู่ฟังก์ชันเหมือนเอสเทอร์ จึงจัดเป็นสารประเภทเอสเทอร์ชนิดหนึ่งที่มีโมเลกุลขนาดใหญ พบทั้งในพืชและสัตว ซึ่งมีสูตรทั่วไปดังนี้



การเตรียม
เกิดจากกรดอินทรียที่เรียกว่ากรดไขมันรวมกับอัลกอฮอลทีมี -OH 3 หมู ที่เรียกวา กรีเซอรอล จะไดสารที่เรียกวา กลีเซอไรด์ (Glyceride) หรือกลีเซอริลเอสเทอร (Glyceryl Ester) ดังสมการ



ไขมันเป็นของแข็งที่มักพบในสัตว์ประกอบด้วยกรดไขมันอิ่มตัว มากกว่ากรดไขมันไม่อิ่มตัว เช่น ไขวัว ไขควาย ส่วนน้ำมันเป็นของเหลวที่มักพบในพืชประกอบด้วยกรด ไขมันไม่อิ่มตัวมากกว่ากรดไขมันอิ่มตัว เช่น น้ำมันมะกอก ซึ่งไขมันมีจุดเดือดสูงกว่าน้ำมัน ไม่ละลายน้ำ แต่ละลายได้ดีในตัวทำละลายไม่มีน้ำ เช่น เบนซีน และไขมันและน้ำมันเสียจะเกิดกลิ่นเหม็นหืน ซึ่งเกิดจาก พันธะคูในกรดไขมัน ไขมันหรือน้ำมันที่ไมอิ่มตัวจะถูก ออกซิไดซไดดวยออกซิเจน ในอากาศ หรืออาจเกิด การไฮโดรลิซิสกับน้ำ โดยมีจุลินทรียเปนตัวเรงปฏิกิริยา ทําใหไดกรดไขมันโมเลกุลเล็กที่ระเหยงายมีกลิ่นเหม็น หืน ดังสมการ


การป้องกัน : เติมสารกันเหม็นหืน (Antioxidiant) เช่น วิตามิน E วิตามิน C สาร BHT

ปฏิกิริยาสะปอนนิฟเคชัน (sponification)
เป็นปฏิกิริยาไฮโดรลิซิสไขมันและน้ำมันด้วยเบส เป็นปฏิกิริยาที่เกิดจากไขมันและน้ำมันกับด่าง เกิดเกลือของกรดไขมัน (RCOO -Na +) ซึ่งก็คือ สบู่ กับกลีเซอรอล ดังนี้




การตรวจหาปริมาณกรดไขมันไม่อิ่มตัวในไขมันและน้ำมัน
ไขมันและน้ำมันที่ประกอบด้วยกรดไขมันไม่อิ่มตัว (C = C) ทำปฏิกิริยากับสารละลาย Br 2 หรือ I 2 ได้เกิดปฏิกิริยาการเติมตรงบริเวณ C กับ C ที่จับกันด้วยพันธะคู่ของกรดไขมันไม่อิ่มตัวในไขมันและน้ำมันนั้นถ้าไขมันและน้ำมันชนิดใดสามารถฟอกจางสีของสารละลาย I 2 มาก แสดงว่าไขมันและน้ำมันนั้น ประกอบด้วยกรดไขมันไม่อิ่มตัวปริมาณมาก



สบู่ (Soap)
สบู่ คือ เกลือของกรดไขมัน สูตรทั่วไปคือ



สบู่ละลายน้ำแตกตัวให้ไอออนบวก และไอออนลบส่วนที่เป็นไอออนลบจะเป็นตัวที่ใช้ชำระล้าง สิ่งต่าง ๆ ทั้งหลายได้ สามารถละลายในตัวทำละลายมีขั้วและไม่มีขั้วได้ เพราะไอออนลบของสบู่ประกอบ ด้วยส่วนประกอบ 2 ส่วนย่อยดังนี้



สบู่ที่ดีควรมีจำนวน C อะตอมในหมู่ R พอเหมาะ เป็นสบู่ที่ละลายน้ำได้ดี แต่ถ้ามีจำนวน C อะตอมมากเกินไปละลายน้ำได้ดี



สบู่สามารถใช้ทดสอบความกระด้างของน้ำได้
น้ำกระด้าง : เป็นน้ำที่ประกอบด้วย Fe 2+, Mg 2+ และ Ca 2+ ของ HCO - 3, Cl - และ SO 2- 4




เราไมนิยมใชสบูซักผาเพราะในน้ำกระดางจะมี แคลเซียม และ แมกนีเซียม อยู เมื่อทําปฏิกิริยากับสบูจะเกิดเปนเกลือแคลเซียม ( ไคลสบู) ยอนกลับมาติดเสื้อผาเราได้
เนื่องจากสบู่จะเกิดตะกอนไอออนในน้ำกระด้างทำให้เกิดการสิ้นเปลืองในการใช้สบู่ จึงได้มี การสังเคราะห์สารอื่นใช้ชำระล้างซักฟอกได้เช่นเดียวกับสบู่ สารสังเคราะห์นั้นก็คือ ผงซักฟอก ซึ่งไม่ ตกตะกอนในน้ำกระด้าง

การละลายน้ำและการชำระล้างของสบู่
เมื่อสบู่ละลายน้ำจะแตกเป็นไอออน ไอออนบวกของโลหะจะถูกน้ำล้อมรอบ เกิดแรงดึงดูดระหว่างไอออนกับน้ำ เรียกว่าไฮเดรตชัน ส่วนไอออนลบของสบู่ประกอบด้วยส่วนที่เป็นคาร์บอกซิเลต (- COO -) เป็นส่วนที่มีขั้ว จะยึดกับน้ำโดยมีโมเลกุลน้ำล้อมรอบ และส่วนที่ไม่มีขั้วเป็นกลุ่มไฮโดรคาร์บอนจะหันเข้าหากัน แล้วจับกันเป็นกลุ่มก้อน เรียกว่า ไมเซลล์ (Micell) ดังภาพ



ผงซักฟอก
ผงซักฟอก (detergents) คือ เกลือของกรดซัลโฟนิก มีสมบัติชำระล้างสิ่งสกปรกทั้งหลายได้เช่นเดียวกับสบู่
เปนสารซักลางที่ผลิตขึ้นมาใชแทนสบู ซึ่ งเป็นเกลือโซเดียมซัล-โฟเนตของไฮโดรคารบอน ผงซักฟอกมีขอดีเหนือสบู คือ สามารถทำงานไดดี แม ในน้ำกระดางที่มีไอออน Ca 2+ Fe 2+ Fe 3+ และ Mg 2+ ถาหมูแอลคิลเป็น เสนตรง (LBS : Linear Alkylbenzene Sulfonate) จะถูกยอยดวยจุลินทรียไดดี เกิดมลพิษนอย แตถาหมูแอลคิลเปน โซกิ่ง จุลินทรียจะยอยไดยาก

สูตรทั่วไปของผงซักฟอก เป็นดังนี้



ส่วนประกอบของผงซักฟอก
1. บิลเดอร์ ฟอสเฟต ปนอยู่ประมาณ 30-50% มีประโยชน์และหน้าที่ดังนี้
- ทำให้น้ำมีสภาพเป็นเบส เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการชำระล้างสิ่งสกปรกทั้งหลายได้ดี
- ฟอสเฟตจะรวมตัวกับไอออนของโลหะในน้ำกระด้างเป็นสารเชิงซ้อน ทำให้ไอออนของโลหะในน้ำกระด้างไม่สามารถขัดขวางการกำจัดสิ่งสกปรกของผงซักฟอกได้
2. สารลดแรงตึงผิว เป็นสารที่ใช้ชำระล้างสิ่งสกปรกทั้งหลายได้ ได้แก่ เกลือโซเดียมแอลคิล-ซัลโฟเนต โซเดียมแอลคิลเบนซิลซัลโฟเนต ผสมอยู่ประมาณ 30%



Sodium tripolyphosphate - STPP



ผลเสียที่เกิดจากการใช้ผงซักฟอก ทำให้เกิดมลภาวะของน้ำ
ผลเสียที่เกิดจากการใช้ผงซักฟอก ทำให้เกิดมลภาวะของน้ำ ดังนี้
1. สารพวกฟอสเฟตเป็นปุ๋ยจากผงซักฟอกเมื่อปล่อยลงสู่แหล่งน้ำ จะทำให้พืชน้ำเจริญเติบโต รวดเร็ว ทำให้ขวางทางคมนาคมทางน้ำ ทำลายทัศนียภาพ ทำให้ O 2 ละลายน้ำไม่ได้ สิ่งมีชีวิต ขาด O 2 ตายได้ และพืชน้ำเกิดมากอาจจะตาย เน่า ทำให้น้ำเสีย
2. ผงซักฟอกชนิด C ใน R แตกกิ่งก้านสาขาจุลินทรีย์ในน้ำสลายไม่ได้ ทำให้ตกค้างในน้ำ เมื่อ เข้าสู่ร่างกายของคนจะทำให้เกิดโรคภัยไข้เจ็บได้



โปรตีนและกรดอะมิโน

โปรตีน ( Protien) คือ สารชีวโมเลกุลประเภทสารอินทรีย์ที่ประกอบด้วยธาตุ C H O N เป็นองค์ประกอบสำคัญ นอกจากนั้นยังมีธาตุอื่น ๆ เช่น S P Fe Zn ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของโปรตีน โปรตีน เป็นสารพวกพอลิเมอร์ ประกอบด้วยกรดอะมิโนจำนวนมากมาย
กรดอะมิโน ( Amino Acid) คือ กรดอินทรีย์ชนิดหนึ่งที่มีหมู่คาร์บอกซิลและหมู่อะมิโนเป็นหมู่ฟังก์ชันสูตรทั่วไปดังนี้





ชนิดกรดอะมิโน

กรดอะมิโนที่พบเป็นองค์ประกอบของโปรตีนมี 20 ชนิด จำแนกตามความจำเป็นแก่ร่างกาย คือ
1. กรดอะมิโนที่จำเป็นแก่ร่างกาย (Essential amino acid ) ได้แก่ กรดอะมิโนที่ร่างกายสังเคราะห์ไม่ได้ หรือสังเคราะห์ได้แต่ไม่เพียงพอกับความต้องการของร่างกาย จำเป็นต้องได้รับจากอาหาร กรดอะมิโนเหล่านี้ ได้แก่ อาร์จินีน ( Arginine ) ฮีสทิดีน (Histidine ) ไอโซลิวซีน (Isoleucine ) ลิวซีน (Leucine ) ไลซีน (Lysine ) เมทิโอนีน (Methionine ) เฟนิลอะลานีน (Phenylalanine ) เทรโอนีน (Threonine ) ทริปโทเฟน (Tryptophan ) และวาลีน (Valine ) เด็กต้องการกรดอะมิโนที่จำเป็นแก่ร่างกาย 9 ตัวยกเว้นอาร์จินีน สำหรับผู้ใหญ่ต้องการกรดอะมิโนที่จำเป็นแก่ร่างกาย 8 ชนิด ยกเว้น อาร์จินีน และฮีสทิดีน
2. กรดอะมิโนที่ไม่จำเป็นแก่ร่างกาย ( Nonessential amino acid ) ได้แก่ กรดอะมิโนที่ร่างกายสังเคราะห์ขึ้นได้เพียงพอกับความต้องการของร่างกายไม่จำเป็นต้อง ได้รับจากอาหาร คือ อาจสังเคราะห์ขึ้นจากสารประกอบพวกไนโตรเจน หรือจากกรดอะมิโน ที่จำเป็นแก่ร่างกาย หรือจากไขมันหรือจากคาร์โบไฮเดรต กรดอะมิโนพวกนี้ได้แก่ กรดกลูแทมิก ไกลซีน ซีสทีน ไทโรซีน เป็นต้น ในเรื่องนี้มักมีคนเข้าใจผิดว่ากรดอะมิโนที่ไม่จำเป็นแก่ร่างกาย เป็นกรดอะมิโนที่ร่างกายไม่จำเป็นต้องใช้ ความจริงนั้นร่างกายต้องใช้กรดอะมิโนทั้งสองพวกในการสร้างโปรตีน แต่ที่เราเรียกว่าเป็นกรดอะมิโนที่ไม่จำเป็นนั้นเพราะเราคิดในแง่ที่ว่าร่างกายสร้างเองได้เพียงพอ จากการวิเคราะห์พบว่าโปรตีนในเซลล์ และเนื้อเยื่อของร่างกายมีกรดอะมิโนพวกนี้อยู่ร้อยละ 40

สมบัติของกรดอะมิโน
1. สถานะ ของแข็ง ไม่มีสี
2. การละลายน้ำ ละลายน้ำ เกิดพันธะไฮโดรเจนและแรงแวนเดอร์วาลส์
3. จุดหลอมเหลว สูง อยู่ระหว่าง 150 - 300 0C เพราะเกิดพันธะไฮโดรเจน
4. ความเป็นกรด- เบส Amphoteric substance

การเกิดพันธะเพปไทด์
พันธะเพปไทด์ คือ พันธะโคเวเลนต์ที่เกิดขึ้นระหว่าง C อะตอมในหมู่คาร์บอกซิล ( ) ของกรดอะมิโนโมเลกุลหนึ่งยึดกับ N อะตอม ในหมู่อะมิโน (-NH 2) ของกรดอะมิโนอีกโมเลกุลหนึ่ง ดังภาพสมการ





… สารที่ประกอบด้วยกรดอะมิโน 2 โมเลกุล เรียกว่า ไดเพปไทด์

… สารที่ประกอบด้วยกรดอะมิโน 3 โมเลกุล เรียกว่า ไตรเพปไทด์

… สารที่ประกอบด้วยกรดอะมิโนตั้งแต่ 100 โมเลกุลขึ้นไป เราเรียกพอลิเพปไทด์นี้ว่า โปรตีน

… อนึ่งสารสังเคราะห์บางชนิดก็เกิดพันธะเพปไทด์เหมือนกัน

… พวกเพปไทด์ที่เป็นโมเลกุลเปิดไม่ดูดเป็นวง จะหาจำนวนพันธะเพปไทด์ได้ดังนี้