บทที่2 เคมีที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต

สารอนินทรีย์

น้ำ  (H2O)

เซลล์มีน้ำเป็นส่วนประกอบอยู่ภายใน 70 – 90%

ความสำคัญของน้ำ

  1. เป็นpolarmolecule จึงเป็นตัวทำละลายที่ดี เช่น เกลือ NaCl ละลายในน้ำได้ เนื่องจากโมเลกุลของน้ำมี O ประจุลบ และ H ประจุบวก ดังนั้น O- จึงจับกับ Na+ ขณะที่ H+ จับกับ Cl- โมเลกุลน้ำที่ล้อมรอบ Na+ หรือ Cl- เรียก hydration shell

สารที่ชอบน้ำ เรียกว่า hydrophilic
ส่วนสารที่ไม่ชอบน้ำ เรียกว่า hydrophobic

  1. เกิดhydrogen bondระหว่างโมเลกุลของน้ำ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำ เรียกว่า cohesionซึ่งจะทำให้น้ำเคลื่อนที่จากรากไปยังส่วนต่างๆ ของพืชได้ขณะที่มีการคายน้ำ (Transpiration) ถ้าน้ำเกิด hydrogen bond กับสารอื่น เช่น ผนังเซลล์พืช เรียกว่า adhesion
  2. มีความร้อนจำเพาะสูง จึงทำให้อุณหภูมิภายในเซลล์สิ่งมีชีวิตเปลี่ยนแปลงไม่มากนัก มีผลทำให้metabolismภายในเซลล์ยังคงปกติ
    4. ความร้อนแฝงกลายเป็นไอสูง เมื่อร่างกายสูญเสียเหงื่อ หรือการที่พืชคายน้ำ จึงช่วยลดความร้อนภายในสิ่งมีชีวิตได้

 

แร่ธาตุ  (mineral)

แร่ธาตุเป็นกลุ่มของสารอนินทรีย์ที่ร่างกายขาดไม่ได้ มีการแบ่งแร่ธาตุที่คนต้องการออกเป็น 2 ประเภท คือ

  1. แร่ธาตุที่คนต้องการในขนาดมากกว่าวันละ 100 มิลลิกรัม ได้แก่ แคลเซียม ฟอสฟอรัส โซเดียม โพแทสเซียม คลอรีน แมกนีเซียม และกำมะถัน
  2. แร่ธาตุที่คนต้องการในขนาดวันละ 2-3 มิลลิกรัม ได้แก่ เหล็ก ทองแดง โคบอลต์ สังกะสี แมงกานีส ไอโอดีน โมลิบดีนัม เซลีเนียม ฟลูออรีนและโครเมียม

หน้าที่ของแร่ธาตุ

  1. เป็นส่วนประกอบของเนื้อเยื่อเช่น แคลเซียม ฟอสฟอรัส และแมกนีเซียม เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของกระดูกและฟัน ทำให้กระดูกและฟันมีลักษณะแข็ง
  2. เป็นส่วนประกอบของโปรตีน ฮอร์โมนและเอนไซม์เช่น เหล็กเป็นส่วนประกอบของโปรตีนชนิดหนึ่ง เรียกว่า เฮโมโกลบิน (hemoglobin) ซึ่งจำเป็นต่อการขนถ่ายออกซิเจนแก่เนื้อเยื่อต่าง ๆ ทองแดงเป็นส่วนประกอบของเอนไซม์ ซึ่งจำเป็นต่อการหายใจของเซลล์ไอโอดีนเป็นส่วนประกอบของฮอร์โมนไธรอกซีน ซึ่งจำเป็นต่อการทำงานของร่างกาย ถ้าหากร่างกายขาดเกลือแร่เหล่านี้ จะมีผลกระทบต่อการทำงานของโปรตีนฮอร์โมนและเอนไซม์ที่มีเกลือแร่เป็นองค์ประกอบ
  3. ควบคุมความเป็นกรด – ด่างของร่างกายโซเดียม โพแทสเซียม คลอรีน และฟอสฟอรัส ทำหน้าที่สำคัญในการควบคุมความเป็นกรด-ด่างของร่างกาย เพื่อให้มีชีวิตอยู่ได้
  4. ควบคุมดุลน้ำโซเดียม และโพแทสเซียมมีส่วนช่วยในการควบคุมความสมดุลของน้ำภายในและภายนอกเซลล์
  5. เร่งปฏิกิริยาปฏิกิริยาหลายชนิดในร่างกายจะดำเนินไปได้ ต้องมีเกลือแร่เป็นตัวเร่ง เช่น แมกนีเซียม เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวกับการเผาผลาญกลูโคสให้เกิดกำลังงาน

 

สารอินทรีย์

  1. สารอินทรีย์เป็นสารที่มีธาตุ C , H , O , N , P , S   เป็นองค์ประกอบ
  2. สารอินทรีย์ที่พบในสิ่งมีชีวิต  เรียกว่า  สารชีวโมเลกุล (biological  molecule)
  3. C + H  =  hydrocarbon
  4. หมู่ฟังก์ชัน(functional  group)  คือ หมู่อะตอมหรือกลุ่มอะตอมของธาตุที่แสดงสมบัติเฉพาะของสารอินทรีย์ชนิดหนึ่ง เช่น CH3OH (เมทานอล) CH3CH2OH(เอทานอล) ซึ่งต้องเป็นสารอินทรีย์พวกแอลกอฮอล์ เพราะสารแต่ละชนิดต่างก็มีหมู่ -OH เป็นองค์ประกอบ แสดงหมู่ -OH เป็นหมู่ฟังก์ชันของแอลกอฮอล์

 

คาร์โบไฮเดรต  (Carbohydrate)

  1. คาร์โบไฮเดรต หมายถึง “คาร์บอนที่อิ่มตัวด้วยน้ำ”
  2. เป็นสารอินทรีย์ที่ประกอบด้วย C , H , O
  3. โดยอัตราส่วนของ C : H : O  =  1 : 2 : 1 (โดยปริมาตร)
  4. เป็นสารอินทรีย์ที่หมู่คาร์บอกซาลดีไฮด์ (-CHO)  และหมู่ไฮดรอกซิล (-OH)  หรือหมู่คาร์บอนิล (-CO)  และหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) เป็นหมู่ฟังก์ชัน

 

ประเภทของคาร์โบไฮเดรต

  1. คาร์โบไฮเดรตจำแนกตามสมบัติทางกายภาพและทางเคมีได้ 2 พวก คือ
    -พวกที่เป็นน้ำตาล

-พวกที่ไม่ใช่น้ำตาล

  1. คาร์โบไฮเดรตจำแนกตามขนาดของโมเลกุล สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท คือ
  2. มอนอแซ็กคาไรด์ (Monosaccharide)
  3. โอลิโกแซ็กคาไรด์ (Oligosaccharide)
  4. พอลิแซ็กคาไรด์ (Polysaccharide)

ตาราง  ชนิดของน้ำตาลตามจำนวนคาร์บอนของ monosaccharide

จำนวนคาร์บอน (C) ชนิด ตัวอย่าง
3 Triose Glyceraldehyde
4 Tetrose Erythrose
5 * Pentose Ribose , deoxyribose
6 * Hexose Glucose , fructose , galactose
7 Heptose Sedoheptulose

Monosaccharide

–  น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว ได้แก่  กลูโคส  ฟรุคโตส  และกาแลคโตส

–  มีสูตรโครงสร้างอย่างง่าย คือ (CH2O) n  เมื่อ  n คือ จำนวนอะตอมของ C ซึ่งอาจ เป็น  3 – 7  (สูตรโครงสร้างเหมือนกัน  แต่สูตรโมเลกุลต่างกัน)

–  ตัวอย่างเช่น กลูโคส มีโครงสร้างเป็นทั้งสายยาว หรือวงแหวน และมี 2 configuration คือ แบบ     หรือ    configuration

–  พันธะที่เชื่อมระหว่างน้ำตาล  2 โมเลกุลเรียก glycosidic เช่น ถ้าเชื่อมระหว่าง    – glucose  2โมเลกุล จะเรียกว่า    1 – 4 linkage  และ

–  เชื่อมระหว่าง    – glucose จะเรียกว่า     – linkage

–  นอกจากนี้น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวที่มีหมู่         อยู่ปลายสาย จะเรียกว่า Aldose และไม่อยู่ปลายสายเรียกว่า ketose และการเป็น isomer กันก็ทำให้เกิดน้ำตาลคนละชนิด เช่น กลูโคส กับ แกแลคโตส ดังนั้น น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวจึงมีความหลากหลายชนิด

disaccharide

  1. ประกอบด้วย2 monosaccharide เชื่อมด้วย glycosidic bond แล้วเสียน้ำ (dehydration) ไป 1 โมเลกุล
  2. มีสูตรโครงสร้าง  คือC12H22O11 เช่น ซูโครส (กลูโคส + ฟรุกโทส) , มอลโทส (กลูโคส + กลูโคส) , แลคโทส (กลูโคส + แกแลคโทส)
  3. ถ้ามีน้ำตาลmonomer ตั้งแต่ 3 – 15 โมเลกุล เรียกว่า oligosaccharide

 

Polysaccharide

  1. ประกอบด้วยmonosaccharide จำนวนมากเป็นหลายพันโมเลกุล ได้แก่ พวกแป้ง (อาหารสะสมในพืช) glycogen (ในสัตว์) และ cellulose (ส่วนประกอบของผนังเซลล์)
  2. แป้ง : ประกอบด้วยglucose ต่อกันเป็นจำนวนมากด้วยพันธะ     1       4 ถ้าต่อกันแบบเป็นสายยาวไม่มีกิ่งก้านเรียก amylose มีประมาณ 20% และถ้าต่อกันเป็นกิ่งก้านเรียก amylopectin มีประมาณ 80%
  3. เซลลูโลส : ประกอบด้วยglucose ที่ต่อกันเป็นสายยาวด้วยพันธะ    1      4 หลังจากนั้นแต่ละเส้นใยเซลลูโลสมาเรียงขนานกันจับกันด้วย H – bond อยู่รวมกันเป็น microfibril ซึ่งหลายmicrofibril จะรวมกันเป็น fibril ร่างกายมนุษย์ไม่

สามารถย่อยเซลลูโลสได้ เพราไม่มี enzyme ที่ทำลายพันธะที่เชื่อมระหว่างโมเลกุลน้ำตาลทั้งสอง (    – linkage) ในวัวสามารถย่อยเซลลูโลสได้เนื่องจากมีแบคทีเรียบางชนิดย่อยสลายเซลลูโลสได้

  1. ไคทิน : พบในแมลง กุ้ง ปู และราคล้ายกับเซลลูโลสแต่มีหมู่N จับอยู่ที่น้ำตาล นั่นคือเป็นpolymer ของ amino sugar

 

หน้าที่ของคาร์โบไฮเดรต

  1. ให้พลังงานความร้อน คาร์โบไฮเดรต 1 กรัม ให้พลังงาน 4 กิโลแคลอรี
    2. ช่วยให้ไขมันเผาไหม้สมบูรณ์
    3. ช่วยสงวนหรือประหยัดการใช้โปรตีนในร่างกาย
    4. สามารถเก็บสะสมไว้และเปลี่ยนเป็นสารอาหารชนิดอื่น เช่น ไขมันและกรดอะมิโนได้

โทษของคาร์โบไฮเดรต
ทำให้เกิดโรคเกี่ยวกับไต ทำให้โลหิตเป็นพิษ

โปรตีน(Protein)

โปรตีน มีหน้าที่หลายอย่าง ดังนี้

  1. เป็นenzymeเร่งปฏิกิริยาเคมี
  2. เป็นโปรตีนโครงสร้าง เช่น พวกcollagen, elastin , keratin
  3. เป็นตัวขนส่ง ทำหน้าที่ขนส่งสาร เช่นhemoglobinหรือ เป็นตัวขนส่ง (transporter) ที่ cellmembrane
  4. เป็นฮอร์โมน เช่นinsulin
  5. เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน เช่น เป็นantibody

               หน่วยย่อย หรือ monomer ของโปรตีน คือ กรดอะมิโน ซึ่งประกอบด้วยหมู่ carboxyl หมู่ NH2 และหมู่ R แบ่งกรดอะมิโนเป็น 5 กลุ่มตามโครงสร้างทางเคมีของหมู่ R
– แต่ละกรดอะมิโนจะมาเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวด้วย peptide bond ซึ่งเรียกว่า polypeptide โดยสายpolypeptide จะมีปลายด้านหนึ่งเป็นหมู่ NH2 และปลายอีกด้านหนึ่งเป็นหมู่ COOH
– กรดอะมิโนมีประมาณ 20 ชนิด ดังนั้นการจัดเรียงตัวของกรดอะมิโนที่แตกต่างกันมาก จึงก่อให้เกิดความหลากหลายของชนิดโปรตีน และทำหน้าที่ที่แตกต่างกัน
– กรดอะมิโนที่ร่างกายไม่สามารถสังเคราะห์ได้เอง จะได้จากอาหารเท่านั้น เรียกว่า กรดอะมิโนที่จำเป็น (essential amino acid) และ
– กรดอะมิโนที่ร่างกายสังเคราะห์เองได้ เรียกว่า กรดอะมิโนที่ไม่จำเป็น (non essential amino acid)

โครงสร้างของโปรตีน มี 4 ระดับ คือ

  1. primarystructure การเรียงลำดับของกรดอะมิโนในสาย polypeptide
  2. secondarystructure มีการสร้าง H-bond ระหว่างกรดอะมิโนทำให้มีการขดเป็น helix หรือพับทบไปทบมาเป็น sheet
  3. tertiarystructure หมายถึงโครงรูปของสาย polypeptide ทั้งสายซึ่งประกอบด้วย secondarystructure หลายสายรวมกัน โดยเกิดพันธะต่าง ๆ ภายในสาย secondary structure ได้แก่ พันธะ ionic ,hydrogen และ hydrophobic เป็นต้น
  4. quaternarystructure แต่ละ polypeptide มาอยู่รวมกันเพื่อทำหน้าที่ เช่น hemoglobin ประกอบด้วยสาย polypeptide ชนิด  a และ b อย่างละ 2 สายมาอยู่รวมกัน

 

ลิพิด  (Lipid)

  1. เป็นสารชีวโมเลกุลกลุ่มเดียวที่ไม่เป็นpolymer
  2. มีคุณลักษณะเฉพาะตัวคือไม่ชอบน้ำ (hydrophobic)เนื่องจากมีคุณสมบัติที่ไม่เป็นขั้ว (น้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว) ดังนั้น lipids จึงไม่สามารถละลายในน้ำได้
  3. แม้ว่าlipids จะไม่เป็น polymer แต่ไขมันเองก็เป็นสารที่มีขนาดใหญ่
  4. Lipidsได้แก่ ไขมัน (fat, oil, wax), phospholipids

 

ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต 
อะตอม(Atom) โมเลกุล (Molecule) ออแกเนลล์ (Organelle) เซลล์ (cell) เนื้อเยื่อ (Tissue) อวัยวะ (Organ) ระบบอวัยวะ (Organ System) ออแกนิซึม (Organism) ประชากร (Population) 
สังคมสิ่งมีชีวิต (Community) ระบบนิเวศ (Ecosystem) โลก (Biosphere) แต่ละอะตอมสามารถรวมกันกลายเป็นโมเลกุลด้วยพันธะทางเคมี ในสิ่งมีชีวิตมีพันธะที่สำคัญได้แก่ 

1.covalent bond เป็นพันธะที่เกิดจากการใช้ electron ร่วมกันของ 2 อะตอม เช่น ก๊าซไฮโดรเจน (H2) ออกซิเจน (O2) 
น้ำ(H2O) และมีเทน (CH4) เป็นต้น 

1.1nonpolar covalent เป็นการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน โดยอิเล็กตรอนวิ่งรอบอะตอมทั้งสองเท่ากัน เช่น H2,O2 และ CH 4 
1.2polar covalent เป็นการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันโดยอะตอมที่มี electronegativity สูงจะดึงอิเล็กตรอนมาใกล้ตัวมากกว่า จึงทำให้มีประจุ เช่น H2O 

2.ionic bond เป็นพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมที่มีประจุต่างกัน เช่น NaCl เกิดจากอะตอมของ Na ให้ electron แก่ Cl กลายเป็น Na+ ขณะที่ Cl กลายเป็น Cl- ผลทำให้ electron วงนอกของอะตอม Na และ Cl ครบ 8 กลายเป็นสารประกอบ NaCl 

3.hydrogen bond เป็นพันธะที่ไม่แข็งแรงนัก เกิดกับ H ที่ต่อด้วย covalent bond 
กับอะตอมของธาตุที่ดึงดูด electron ได้ดี 
เช่น N หรือ O โดย electron ในพันธะ 
นั้น จะดึงดูดไปใกล้ N หรือ O มากจนทำให้ 
H เกิดเป็นประจุ + ทำให้สามารถดึงดูดกับอะตอม 
อื่นที่มี electron มาก เช่น O หรือ N 
O มี electronegativity สูงสามารถดึงอิเล็กตรอนเข้ามาวน รอบตัวเองได้มากกว่า H จึงทำให้ O เป็นลบ H เป็นบวก 

4.Van der Waals interaction เป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลหรือภายในโมเลกุลเดียวกัน มีผลทำให้เกิดรูปร่างของโมเลกุล 
5.hydrophobic interaction แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic) เช่น หยดน้ำมันเล็กๆ ลงในน้ำ หยดน้ำมันเหล่านี้ จะรวมกันเป็นหยดใหญ่เพื่อสัมผัสกับน้ำน้อยที่สุด แรงดึงดูดระหว่างหยดนี้ คือ hydrophobic interaction ระหว่างโมเลกุล 

ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต 

ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต มีทั้งการสังเคราะห์และการสลายสารชีวโมเลกุล ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานเคมีและการผลิตพลังงานเคมีของเซลล์ เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมี สารตั้งต้นเปลี่ยนแปลงเป็นสารผลิตภัณฑ์ 

และจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานควบคู่ไปกับการเปลี่ยนแปลงพันธะเคมีด้วย กล่าวคือ ต้องการใช้พลังงานไปสลายพันธะของสารตั้งต้น พันธะเคมีที่สลายก็จะมีพลังงานปล่อยออกมา ซึ่งบางส่วนถูกใช้ไปสร้างพันธะใหม่ 

ของสารผลิตภัณฑ์ สารผลิตภัณฑ์ที่ได้อาจจะมีพลังงานพันธะสูงหรือตํ่ากว่าสารตั้งต้นก็ได้ 

ปฎิกิริยาเคมีดูดพลังงาน คือ ปฏิกิริยาเคมีที่ใส่พลังงานกระตุ้นมากกว่าพลังงานที่ปฏิกิริยาปล่อยออกมา สารผลิตภัณฑ์ที่ได้มีพลังงานพันธะสูงกว่าสารตั้งต้นตัวอย่างปฏิกิริยาดูดพลังงาน เช่น 

ปฏิกิริยาการแยกนํ้าด้วยไฟฟ้า ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสง 

2H 2 O + พลังงานไฟฟ้า — > 2H 2 + O 2 

6CO 2 + 12H 2 O 2 + พลังงานแสง — > C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2 

ปฎิกิริยาเคมีคายพลังงาน คือ ปฏิกิริยาเคมีที่ใส่พลังงานกระตุ้นน้อยกว่าพลังงานที่ปฏิกิริยาปล่อยออกมา สารผลิตภัณฑ์ที่ได้มีพลังงานพันธะตํ่ากว่าสารตั้งต้น ตัวอย่างเช่น 

ปฏิกิริยารวมตัวของไฮโดรเจนกับออกซิเจนเกิดนํ้า , ปฏิกิริยาสลายกลูโคส 

2H 2 O + O 2 –> 2H 2 O 2 + พลังงาน 

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O –> CO 2 O 6 + 12H 2 O + พลังงาน 

 

-ปฏิกิริยาคายพลังงานเกิดขึ้นได้เองโดยง่าย (ต้องการพลังงานกระตุ้นน้อย) 

-ปฏิกิริยาดูดพลังงานเกิดขึ้นยาก เพราะต้องการพลังงานกระตุ้นในปริมาณมากและต้องให้ตลอดเวลาของการเกิดปฏิกิริยา 

-พลังงานเคมีที่เซลล์สิ่งมีชีวิตนำ มาใช้ทำ กิจกรรมต่าง ๆ ในการดำรงชีวิต ได้มาจากปฏิกิริยาสลายอาหารต่าง ๆ ที่เรียกว่า ปฏิกิริยาการหายใจของเซลล์ ซึ่ง เป็นปฏิกิริยาเคมีประเภทคายพลังงาน 

 

ที่มา  :

http://www.wattana.ac.th/E_learning47/high_01/foods/

http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/carbohydrates.htm

https://sites.google.com/site/folkwtw/home/ptikiriya-khemi-ni-sell-khxng-sing-mi-chiwit

Comments

comments