สารชีวโมเลกุล

สารชีวโมเลกุล (Biomolecules) หมายถึง สารอินทรีย์ที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตทั้งพืช และสัตว์ รวมถึงสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน และไฮโดรเจน เป็นองค์ประกอบหลัก และธาตุอื่นๆ เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และกำมะถัน สารชีวโมเลกุลแต่ละชนิดมีขนาด โครงสร้าง คุณสมบัติ และปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน

ประเภทสารชีวโมเลกุลตามหน้าที่
1. สารชีวโมเลกุลที่ให้พลังงาน ได้แก่ คาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมัน
2. สารชีวโมเลกุลที่ไม่ให้พลังงาน ได้แก่ วิตามิน เกลือแร่ และน้ำ
3. สารชีวโมเลกุลที่เป็นโครงร่าง ได้แก่ ไคติน (chitin)
4. สารชีวโมเลกุลที่เป็นรงควัตถุ ได้แก่ คาโรตินอยด์ (carotenoid), เมลานิน (melanin) และ ไซโตโครม (cytochromes)

ประเภทสารชีวโมเลกุลตามลักษณะโมเลกุลเชิงซ้อน
1. คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrates)
2. โปรตีน (Protein)
3. ไขมัน น้ำมัน หรือไลปิด (Lipid)
4. กรดนิวคลีอิก (Nucleic acid)

คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrates)
คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrates) หรือ แซคคาไรด์ (saccharide) เป็นสารที่พบในพืช และสัตว์เกือบทุกชนิด โดยเฉพาะในพืชที่มีการสะสมแป้ง และน้ำตาล จัดเป็นสารชีวโมเลกุลที่ให้พลังงานแก่ร่างกาย เป็นตัวกลางในระบบเมทาบอลิซึม และเป็นองค์ประกอบของเซลล์ ประกอบด้วยธาตุหลัก คือ คาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน ที่อัตราส่วนไฮโดรเจนต่อออกซิเจน H:O, 2:1 แบ่งชนิดคาร์โบไฮเดรตออกเป็น 3 กลุ่ม คือ

1. น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว
– น้ำตาลกลูโคส (glucose)
– น้ำตาลฟรัคโตส (fructose)
– น้ำตาลแลกโตส (galactose)

2. น้ำตาลโมเลกุลคู่
– น้ำตาลซูโคส (sucrose)
– น้ำตาลมอลโตส (maltose)
– น้ำตาลแลคโตส (lactose)

3. น้ำตาลโมเลกุลใหญ่
– แป้ง (starch)
– ไกลโคเจน (glycogen)
– เซลลูโลส (cellulose)
– ไคติน (lactose)
– ลิกนิน (kitin)
– เฮปาริน (heparin)
– อินนูริน (inulin)
– เพคติน (pactin)

• ไกลโคเจน (Glycogen)
โครงสร้างของไกลโคเจนประกอบด้วย D-glucose ต่อกันเป็นสายโซ่ยาวด้วยพันธะ α (1→4) glycosidic แตกกิ่งก้านทุกๆ 8-12 หน่วย ด้วยพันธะ α (1→6) glycosidic โดยไกลโคเจน 1 โมเลกุลประกอบด้วย glucose  105 หน่วยมาต่อกัน เนื้อเยื่อสัตว์จะมี polysaccharide สะสมในรูปของ glycogen โดยเฉพาะบริเวณตับ และกล้ามเนื้อ ซึ่งหน้าที่ glycogenในเนื้อเยื่อทั้ง 2 ชนิดจะต่างกัน glycogen ไกลโคเจนในกล้ามเนื้อทำหน้าที่เป็นพลังงานสำรองในการหดตัวของกล้ามเนื้อ ส่วนไกลโคเจนในตับทำหน้าที่ให้ glucose แก่เนื้อเยื่อทางกระแสเลือด

• กลูโคส (Glucose)
กลูโคส เป็นคาร์โบไฮเดรตหลักที่ทำหน้าที่ให้พลังงานแก่ร่างกาย

• แลคเตท (Lactate)
แลคเตท เป็นสารอินทรีย์ที่เกิดจากกระบวนการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic respiration) อยู่ในรูป L-lactate และ D-lactate ซึ่งทั้งสองต่างเป็น isomer กัน

• บทบาทสารชีวโมเลกุลคาร์โบไฮเดรต
1. คาร์โบไฮเดรต 1 กรัม สามารถให้พลังงานได้ 4 กิโลแคลอรี่ จัดเป็นสารอาหารที่ให้พลังงานไม่น้อยกว่าร้อยละ 50 ของพลังงานที่ได้รับในแต่ละวัน
2. คาร์โบไฮเดรตถูกนำไปใช้เป็นพลังงานก่อนโปรตีน ทำให้โปรตีนถูกนำไปใช้ในด้านอื่นที่จำเป็นมากที่สุด ส่วนที่เหลือของคารฺโบไฮเดรตสารถเปลี่ยนเป็นไขมันสะสมเป็นพลังงานสำรองได้
3. คาร์โบไฮเดรตช่วยในการรักษาสมดุลการเผาผลาญไขมัน หากร่างกายรับพลังงานไม่เพียงพอจะเกิดการเผาพลาญไขมันมากขึ้น ซึ่งทำให้เกิดสารประกอบคีโตนมากขึ้นตามมา
4. การทำงานของสมองจำเป็นต้องอาศัยน้ำตาลกลูโคสเป็นหลัก
5. การรับประทานแหล่งคาร์โบไฮเดรตจำพวกพืชจะช่วยให้ได้รับสารอาหารอื่นจำพวกโปรตีน วิตามิน เกลือแร่ และไขมันร่วมด้วย

• ปฏิกิริยาของคาร์โบไฮเดรต
– คาร์โบไฮเดรตเมื่อทำปฏิกิริยากับสารละลายเบเนดิกส์ จะทำให้สารละลายเบเนดิกส์เปลี่ยนจากสีฟ้าเป็นสีเขียว และเปลี่ยนต่อเป็นสีเหลือง จนสุดท้ายได้ตะกอนสีส้มแดงอิฐ
– น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวสามารถทำปฏิกิริยากับสารละลายเบเนดิกส์ได้เร็วกว่าน้ำตาลโมเลกุลคู่
– ส่วนน้ำตาลโมเลกุลใหญ่ เมื่อนำมาทดสอบกับสารละลายเบเนดิกส์จะไม่เกิดปฏิกิริยาใดๆ

ไขมัน น้ำมัน หรือไลปิด (Lipid)
ไขมัน น้ำมัน หรือไลปิด (Lipid) เป็นสารชีวโมเลกุลที่เป็นมัน ไม่ละลายน้ำ แต่ละลายในตัวทำละลาย เช่น คลอโรฟอร์ม เอทานอล เมทานอล และคีโตน เป็นต้น ไขมันที่อยู่ในอาหารส่วนใหญ่อยู่ในรูปไตรกลีเซอไรด์ (triglyceride) ที่ประกอบด้วยกลีเซอรอล (glycerol) และกรดไขมัน (fatty acid) โดยกลีเซอรอลทำหน้าที่เป็นแกนให้กรดไขมัน 3 ตัว มาเกาะ

องค์ประกอบของไขมันประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนเป็นหลัก แต่อัตราส่วนไฮโดรเจนกับออกซิเจนจะต่างกับคาร์โบไฮเดรต โดยมีปริมาณออกซิเจนน้อย และอัตราส่วนคาร์บอนกับไฮโดรเจนจะแตกต่างกันตามชนิดของกรดไขมัน

ไขมันเป็นสารชีวโมเลกุลที่เป็นแหล่งพลังงานให้กับเซลล์ เช่นเดียวกับคาร์โบไฮเดรต ไขมันที่เก็บสะสมในร่างกายส่วนใหญ่อยู่ในรูปของ triglyceride เมื่อใดที่ร่างกายต้องการพลังงาน triglyceride จะเกิดการ hydrolyze เป็น glycerol และ free fatty acid

กรดไขมันที่พบในเซลล์มีโครงสร้างแตกต่างกันขึ้นกับความยาวโมเลกุล จำนวนพันธะคู่ และโครงสร้างของโมเลกุล  เช่น กรดไขมันโมเลกุลสายยาว (aliphatic chain) จะมีลักษณะเป็นวง (aromatic ring) และกิ่งก้านสาขา (branch chain) เป็นต้น กรดไขมันที่มีพันธะคู่ในโมเลกุลเพียง 1 พันธะ เรียกว่า monounsaturated fatty acid (MUFA) และ กรดไขมันที่มีพันธะคู่ในโมเลกุลตั้งแต่ 2 พันธะ เรียกว่า polyunsaturated fatty acid (PUFA)

กรดไขมันจะมีสถานะที่อุณหภูมิห้องที่แตกต่างกัน หากเป็นกรดไขมันอิ่มตัวจะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง หากเป็นกรดไขมันไม่อิ่มตัวจะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง โดยกรดไขมันไม่อิ่มตัวจะพบมากในพืช เช่น ถั่วเหลือง ข้าวโพด ทานตะวัน เป็นต้น

• ชนิดกรดไขมัน
1. แบ่งตามความต้องการของร่างกาย 2 ชนิด คือ
– กรดไขมันที่จำเป็นต่อร่างกาย (essensial fatty acid)
– กรดไขมันที่ไม่จำเป็นต่อร่างกาย (non essensial fatty acid)

2. แบ่งตามการอิ่มตัว 2 ชนิด คือ
– กรดไขมันอิ่มตัว (saturate fatty acid)
– กรดไขมันไม่อิ่มตัว (unsaturate fatty acid)

3. แบ่งตามแหล่งไขมัน
– ไขมันจากสัตว์
– ไขมันจากพืช

• ปฏิกิริยาไขมัน
1. ละลายได้ดีในตัวทำละลาย เช่น แอลกอฮอล์ อีเทอร์ ตีโตน เป็นต้น
2. เกิดกลิ่นเหม็นหืนได้ง่ายเมื่อสัมผัสความร้อน หรือมีการย่อยสลายของจุลินทรีย์ โดยเฉพาะกรดไขมันไม่อิ่มตัว และไขมันจากสัตว์จะเกิดกลิ่นเหม็นหืนได้ง่ายกว่าไขมันจากพืช
3. เกิดปฏิกิริยาไฮโดรจีเนชั่น จากการเติมไฮโดรเจนใส่ในกรดไขมันไม่อิ่มตัว จนกลายเป็นกรดไขมันอิ่มตัว ถือเป็นวิธีการสำหรับการผลิตเนยเทียม และครีมเทียม
4. เกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสกับสารละลายด่างทำให้เกิดสบู่ กับกลีเซอรอล เรียกปฏิกิริยานี้ว่า สปอนนิฟิเคชัน

• บทบาท และประโยชน์ของไขมัน
1. อาหาร
– ช่วยให้อาหารมีรส กลิ่น และเนื้อสัมผัสที่ดี
– ช่วยในการละลายวิตามินชนิดที่ละลายในไขมัน

2. ร่างกาย
– ไขมัน 1 กรัม ให้พลังงาน 9 กิโลแคลอรี่
– เป็นส่วนที่ช่วยป้องกันการกระทบกระเทือนต่ออวัยวะร่างกาย
– ช่วยป้องกันการสูญเสียความร้อนของร่างกาย
– ช่วยให้ร่างกายคงรูป เป็นสัดส่วน
– สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานเมื่อขาดแคลนหรือเปลี่ยนเป็นคาร์โบไฮเดรตสะสมในร่างกาย
– เมื่อรับประทานจะทำให้รู้สึกอิ่มนานกว่าอาหารประเภทอื่น
– เป็นแหล่งของกรดไขมันที่จำเป็นต่อร่างกาย

โปรตีน (Protein)
โปรตีนมีความสำคัญต่อการเจริญเติบโตของสัตว์ทุกชนิดเป็นอันดับแรกๆ  และพบมากเป็นองค์ประกอบของสัตว์รองจากน้ำ โปรตีนที่รับประทานเข้าสู่ร่างกายจะถูกย่อยให้มีหน่วยเล็กที่สุดเพื่อร่างกายนำไปใช้ประโยชน์ได้ เรียกว่า กรดอะมิโน (amino acid) แบ่งเป็น 2 กลุ่ม คือ
1. กรดอะมิโนที่จำเป็นต่อร่างกาย
2. กรดอะมิโนที่ไม่จำเป็นต่อร่างกาย

• บทบาท หน้าที่โปรตีน
– โปนตีน 1 กรัม ให้พลังงาน 4 กิโลแคลอรี่
– ช่วยขนส่งออกซิเจน และคาร์โบไฮเดรต
– เป็นสารอาหารที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของร่างกาย
– ช่วยเป็นเนื้อเยื่อห่อหุ้มร่างกาย เสริมสร้างความแข็งแรง
– ทำหน้าที่เป็นเอนไซม์
– ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างของร่างกาย
– ทำหน้าที่สะสมอาหาร
– ช่วยในการเคลื่่อนไหว
– ทำหน้าที่เป็นสารภูมิคุ้มกัน
– ช่วยรักษาสมดุลน้ำในร่างกาย
– ช่วยรักษาความเป็นกรด-ด่างของร่างกาย
– ทำหน้าที่เป็นสารพิษ (พิษงู)

สารชีวโมเลกุลที่เป็นโครงร่าง
ไคติน (chitin) พบมากเป็นสารประกอบโครงร่างของสัตว์ crustacean มีลักษณะแข็ง โดยทั่วไปในส่วน integument ของ crustacean ประกอบด้วย 4 ชั้น คือ epicuticle, exocuticle, endocuticle และ membranous layer ชั้น epicuticle เป็นชั้นที่อยู่ด้านนอกสุด และบางที่สุด ประกอบด้วย lipoprotein ร่วมกับเกลือแคลเซียม และสารอินทรีย์ เป็นชั้นที่ไม่มีไคติน ส่วนชั้น exocuticle และ endocuticle มีองค์ประกอบของไคติน ส่วนชั้น membranous layer เป็นชั้นในสุดประกอบด้วยไคตินเช่นกัน แต่ไม่มีการสะสมของเกลือแคลเซียม

ไคติน เป็นคาร์โบไฮเดรตที่พบอยู่ทั้งชั้น exocuticle และ endocuticle ของสัตว์ crustacean ที่เกิดขึ้นจาก monomer ของ N-acetyl-β-D-glucosamine มาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ β- (1-4)-glycosidic จนเป็นสายของ polymer มีบทบาทเสริมสร้างความแข็งแรง

ไคตินที่พบในสัตว์ crustacean มีผลึกแตกต่าง เป็น 3 ประเภท ตามลักษณะการเรียงตัวของสายโซ่ คือ β-chitin, α-chitin และ γ-chitin สำหรับ β-chitin จะมีการเรียงตัวของสายโซ่ทางเดียวกัน, α-chitin มีการเรียงตัวแบบสวนทิศทางสลับกัน ส่วน γ-chitin จะมี 2 สายที่เรียงขนานกัน ส่วนอีกสายเรียงตัวในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้น ความแตกต่างในการเรียงตัวจึงทำให้ไคตินแต่ละชนิดมีความแข็งแรงแตกต่างกัน ซึ่งพบว่า α-chitin เป็นโครงสร้างที่มีความแข็งแรงที่สุด

สารชีวโมเลกุลที่เป็นรงควัตถุ
รงควัตถุในสิ่งมีชีวิต แบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่ม คือ กลุ่มที่มีหน้าที่ทำให้เกิดสี ได้แก่ carotenoid และ melanin กลุ่มที่มีหน้าที่สำคัญในกระบวนการ metabolism เช่น cytochromes

Carotenoid มีโครงสร้างพื้นฐานจาก isoprenoid 8 โมเลกุลมาเชื่อมต่อกันเป็น acyclic C40H56  แบ่งเป็น 2 กลุ่ม ตามลักษณะโครงสร้างทางเคมี คือ carotene และ xanthophylls

carotene (C40H56 ) ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวด้วยพันธะเดี่ยวสลับ คู่ และที่ปลายข้างหนึ่งหรือทั้งสองปลายจะมีอะตอมคาร์บอนมาเกาะเป็นวงเรียกว่า ionone ring เช่น β-carotene, α-carotene และ γ-carotene

ส่วน xanthophylls เป็นโมเลกุลที่มีการเพิ่มออกซิเจนเข้าไปใน carotene ได้แก่ echinenone, canthaxanthin และastaxanthin เป็นต้น