ชีวโมเลกุล
ชีวโมเลกุล (biomolecule) เป็นสารประกอบเคมีที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในสิ่งมีชีวิต ชีวโมเลกุลประกอบด้วยธาตุเคมีพื้นฐานที่สำคัญ คือ คาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน ออกซิเจน ฟอสฟอรัส และกำมะถัน นอกจากนี้อาจมีธาตุอื่นร่วมด้วยแต่น้อยมาก
ชีวโมเลกุลมีความจำเป็นสำหรับการดำรงอยู่ของชีวิต ตัวอย่างเช่นมนุษย์ มีผิวหนังและขน ส่วนประกอบหลักของขนคือเคอราติน (keratin) ที่เกิดจากการจับกลุ่มกันเป็นก้อนของโปรตีน ซึ่งตัวมันเองก็เป็นพอลิเมอร์ที่ถูกสร้างจากกรดอะมิโน โดยกรดอะมิโนนั้นเปรียบเสมือนก้อนอิฐที่สำคัญในธรรมชาติที่จะประกอบกันเป็นโมเลกุลใหญ่ รูปแบบของก้อนอิฐอีกตัวหนึ่งคือ นิวคลีโอไทด์ (nucleotide) ซึ่งมีส่วนประกอบที่สำคัญ 3 ส่วนคือ
- พูรีน (purine) หรือ ไพริมิดีน (pyrimidine) ซึ่งเป็นด่าง
- น้ำตาล เพนโตส
- ฟอสเฟตกรุป
นิวคลีโอไทด์เหล่านี้มีหน้าที่สร้าง กรดนิวคลีอิก (nucleic acid)
นอกจากชีวโมเลกุลขนาดใหญ่แล้ว ในสิ่งมีชีวิตก็ยังมีการสร้างโมเลกุลอินทรีย์ที่มีประโยชน์ทางยาและสำคัญต่อการดำรงชีวิต
นิวคลีโอไซด์ และ นิวคลีโอไทด์
นิวคลีโอไซด์ และ นิวคลีโอไทด์
นิวคลีโอไซด์ เป็นโมเลกุลที่เกิดจากการเชื่อมต่อกันระหว่าง นิวคลีโอเบส (nucleobase) กับวงแหวน ไรโบส (ribose) ตัวอย่างเช่น
- ไซติดีน (cytidine)
- ยูริดีน (uridine)
- อะดีโนซีน (adenosine)
- กัวโนซีน (guanosine)
- ไทมิดีน (thymidine)
- อินอซีน (inosine)
นิวคลีโอไซด์สามารถจะถูก ฟอสฟอริเลต โดยเอนไซม์ ไคเนส ใน เซลล์ และได้เป็น นิวคลีโอไทด์ ซึ่งจะเป็นโมเลกุลบิลดิ่งบล็อกของ DNA (deoxyribonucleic acid) และ RNA (ribonucleic acid).
ฮอร์โมน (Hormones)
ฮอร์โมน ถูกผลิตใน ต่อมไร้ท่อ และถูกปลดปล่อยออกมาสู่กระแสเลือด มันมีหน้าที่หลากหลายในหลายอวัยวะประกอบด้วยการควบคุม เส้นทางการเผาผลาญ (metabolic pathway) และควบคุมกระบวนการขนส่งผ่านเมมเบรน
ฮอร์โมน อาจแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มโครงสร้างดังนี้:
- สเตอรอยด์ (steroid) เป็นประเภทหนึ่งของฮอร์โมนที่มีหลายหน้าที่ และสเตอรอยด์ทุกตัวจะถูกผลิตจาก คอเลสเตอรอล
- อะมีนธรรมดา หรือ กรดอะมิโน
- เปปไทด์ หรือ โปรตีน
ที่มา : ชีวโมเลกุล biomolecule สสวท.
บทบาทของชีวโมเลกุลของเชลล์
บทบาทของชีวโมเลกุลของเชลล์
การทำงานต่างๆ ของเซลล์เกิดขึ้นได้จากการที่สารอนินทรีย์และสารอินทรีย์ทั้งหลายในเซลล์เกิดการดึงดูดกัน ชนกัน หรือเข้าทำปฏิกิริยาเคมีกัน โดยอาศัยการช่วยเหลือจากชีวโมเลกุลบางตัว รวมทั้งปัจจัยแวดล้อมอื่นๆ ในร่างกาย ได้แก่ อุณหภูมิ ความเข้มข้นของสารละลาย และ pH ในการทำหน้าที่เป็นกลไกควบคุมการเกิดปฏิกิริยาเคมีเหล่านั้นให้เกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะของร่างกาย ซึ่งปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นนั้นไม่จำเป็นต้องใช้กรดด่างหรืออุณหภูมิที่สูงเกินไปดังเช่นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในหลอดทดลอง
ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์แต่ละเซลล์ของร่างกายมีจำนวนนับร้อยนับพัน กระบวนการควบคุมที่แม่นยำและเชื่อมโยงกันอย่างเป็นระบบระเบียบเท่านั้นที่จะทำให้ปฏิกิริยาเคมีทั้งหลายในเซลล์สิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ นั่นคือ เกิดประโยชน์สูงสุดและโดยที่ใช้พลังงานอย่างคุ้มค่าที่สุด
ในการทำงานของเซลล์นอกจากจะขึ้นอยู่กับการเข้าทำปฏิกิริยาของหมู่ฟังก์ชันของชีวโมเลกุลแล้ว การเปลี่ยนแปลงรูปร่าง 3 มิติ (conformational change) ของชีวโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ก็ยังเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้การทำงานในเซลล์เกิดขึ้นได้ โดยไม่ต้องการการเปลี่ยนแปลงหมู่ฟังก์ชันเลย
ชีวโมเลกุลในร่างกายสิ่งมีชีวิตมักรวมตัวอยู่กับโมเลกุลอื่นๆ เช่น เยื่อเซลล์มีโปรตีนแทรกตัวอยู่ในผืนลิพิดเป็นระยะๆ โปรตีนบางชนิดที่เยื่อเซลล์ยังมีคาร์โบไฮเดรตสายสั้นๆ เชื่อมต่ออยู่ด้วย ในโครโมโซมมีดีเอ็นเอรวมตัวกับโปรตีนฮิสโตนในสัดส่วนพอๆ กันและยังมีอาร์เอ็นเออยู่ด้วยในปริมาณเล็กน้อย ในกระดูกอ่อน เอ็น ผิวหนัง มีโปรตีนคอลลาเจนและอีลาสตินฝังตัวอยู่ในของเหลวข้นหนืดที่มีองค์ประกอบหลักเป็นคาร์โบไฮเดรต
ในการดูลักษณะชีวโมเลกุลที่มีการรวมตัวกันเป็นโมเลกุลเชิงซ้อนที่มีขนาดใหญ่นั้น เราอาจเรียนรู้ได้โดยการใช้กล้องจุลทรรศน์หรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนดูภาพหลังจากการย้อมสีหรือการแช่ให้แข็ง
แต่ในการศึกษาหน้าที่การทำงานของชีวโมเลกุลหรือการศึกษาปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ในสิ่งมีชีวิต เราจำเป็นต้องเรียนรู้จากโมเลกุลที่แยกออกมาเป็นอิสระและโดยที่ต้องอยู่สภาวะธรรมชาติด้วย
แต่เนื่องจากโครงสร้างของชีวโมเลกุลย่อมมีการเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อม ในการศึกษาโครงสร้างของโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์จึงต้องกำหนดสิ่งแวดล้อมให้ชัดเจนเลียนแบบสภาพความมีชีวิต เช่น กำหนด pH ความเข้มข้นของสารละลาย หรืออุณหภูมิที่แน่นอน ชีวโมเลกุลที่แยกออกมาเป็นอิสระจึงจะมีความสามารถในการทำงานใกล้เคียงกับชีวโมเลกุลที่อยู่ในสิ่งมีชีวิต
ประเภทของชีวโมเลกุล
ชีวโมเลกุลขนาดต่างๆ ที่พบในธรรมชาติมีดังนี้:
- โมเลกุลขนาดเล็ก:
- ไลปิด, ฟอสโฟไลปิด, ไกลโคไลปิด, สเตอรอล
- ไวตามิน
- ฮอร์โมน, นิวโรทรานสมิตเตอร์
- คาร์โบไฮเดรต, น้ำตาล
- ไดแซคคาไรด์
- โมโนเมอร์:
- กรดอะมิโน
- นิวคลีโอไทด์
- ฟอสเฟต
- โมโนแซคคาไรด์
- พอลิเมอร์:
- เปปไทด์, โอลิโกเปปไทด์, พอลิเปปไทด์, โปรตีน
- กรดนิวคลีอิก, ได้แก่ DNA, RNA
- โอลิโกแซคคาไรด์, พอลิแซคคาไรด์
- แมคโครโมเลกุล:
- พรีออน (Prion)
- เอนไซม์
แซคคาไรด์ (Saccharides)
โมโนแซคคาไรด์ เป็นคาร์โบไฮเดรตในรูปน้ำตาลธรรมดาที่สุด (simple sugars) ไดแซคคาไรด์ เกิดจากการรวมตัวกันของ โมโนแซคคาไรด์ 2 โมเลกุล โมโนแซคคาไรด์ และ ไดแซคคาไรด์ เป็นผลึกที่มีรสหวานและละลายน้ำได้ดี
- ตัวอย่างของ โมโนแซคคาไรด์ คือ
- เฮกโซส (hexose) ได้แก่
- กลูโคส (glucose)
- ฟรุกโตส (fructose)
- แกแลคโตส (galactose)
- เพนโตส (pentose) ได้แก่
- ไรโบส (ribose)
- ดีออกซิไรโบส (deoxyribose)
- ตัวอย่างของ ไดแซคคาไรด์ คือ
- ซูโครส (sucrose)
- มอลโตส (maltose)
- แลคโตส (lactose)
พอลิแซคคาไรด์ เป็นการเชื่อมต่อกันของโมเลกุล โมโนแซคคาไรด์ เป็นสารประกอบซับซ้อนคาร์โบไฮเดรตที่ไม่มีรสหวาน เป็นโมเลกุล ขนาดใหญ่ที่มีกิ่งก้านสาขาเชื่อมต่อ ไม่ละลายน้ำ ไม่เป็นผลึก
- ตัวอย่างของ พอลิแซคคาไรด์ คือ
- แป้ง (starch)
- เซลลูโลส (cellulose)
- ไกลโคเจน (glycogen)
พอลิแซคคาไรด์ สั้นที่มี 2-15 โมเลกุลเชื่อมต่อกันเรียกว่า โอลิโกแซคคาไรด์ (oligosaccharide)
ไลปิด (Lipids)
ไลปิด โดยหลักๆ แล้วคือ กรดไขมัน เอสเตอร์ และเป็นบิลดิ่งบล็อกพื้นฐานของ เซลล์เมมเบรนหน้าที่ทางชีววิทยาอื่นๆคือ เป็นที่เก็บพลังงาน (เช่น, ไตรกลีเซอไรด์) ไลปิดส่วนใหญ่ประกอบด้วย หัวโพลาร์ หรือ ไฮโดรฟิลิก และ 1-3 หางของกรดไขมันที่เป็น นอน-โพลาร์ หรือ ไฮโดรโฟบิกและดังนั้นมันจึงเป็น แอมฟิฟิลิก (amphiphilic) กรดไขมัน ประกอบด้วยโซ่ของคาร์บอนอะตอมที่ไม่มีสาขาที่เชื่อมต่อกันโดนพันธะเดี่ยว (single bonds) เท่านั้น (กรดไขมันชนิด อิ่มตัว(saturated)) หรือ ทั้งพันธะเดี่ยวและ พันธะคู่ (double bond) (กรดไขมันชนิด ไม่อิ่มตัว (unsaturated)) โซ่นี้จะมีคาร์บอนกรุปประมาณ 14-24
สำหรับไลปิดที่มีอยู่ในเมมเบรนทางชีวภาพ หัวไฮโดรฟิลิกจะเป็น หนึ่งในสามกลุ่มข้างล่างนี้:
- ไกลโคไลปิด (Glycolipid), หัวของมันจะประกอบไปด้วย โอลิโกแซคคาไรด์ (oligosaccharide)
ซึ่งมีส่วนที่เป็นแซคคาไรด์อยู่ประมาณ 1-15 หน่วย
- ฟอสโฟไลปิด (Phospholipid), หัวของมันจะมีกลุ่มประจุบวกที่เชื่อมต่อกับหางที่เป็นประจลบของฟอสเฟตกรุป
- สเตอรอล (Sterol) ซึ่งส่วนหัวของมันจะมีวงแหวนพลานาร์สเตอรอยด์ (planar steroid ring) ตัวอย่างเช่นคอเลสเตอรอล
