เคมีอินทรีย์ (Organic Chemistry) บทที่ 10 สารชีวโมเลกุล ( Biomolecules )

ดร.ศักดิ์ศรี สุภาษร(Ph.D. Sci. & Tech. Education) Email: ssaksri@sci.ubu.ac.thOffice: SC 1381 เคมีอินทรีย์ (Organic Chemistry) บทที่ 10สารชีวโมเลกุล (Biomolecules) รศ.ดร. โชติ จิตรังษี(Ph.D. Organic Chemistry)Email: jchote@sci.ubu.ac.thOffice: Chem 1208

วัตถุประสงค์ (Learning Objectives) นักศึกษาสามารถ ... • อธิบายลักษณะด้านต่างๆ ของสารชีวโมเลกุล ได้แก่ โครงสร้างทั่วไป หมู่ฟังก์ชัน การเขียนชื่อ การเรียกชื่อของสารชีวโมเลกุลได้ • อธิบายสมบัติทางกายภาพ และสมบัติทางเคมีที่สำคัญ ที่นักศึกษาต้องนำไปใช้ในการเรียนวิชาขั้นสูงต่อไป (เช่น วิชาชีวเคมี เป็นต้น) • อธิบายปฏิกิริยาเคมีที่สำคัญของสารชีวโมเลกุล โดยเฉพาะที่จะต้องใช้ในวิชาที่ต้องเรียนต่อไป (เช่น วิชาชีวเคมี เคมีของสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ เป็นต้น

สารชีวโมเลกุล(Biomolecules) สารชีวโมเลกุล - เป็นสารประเภทใดบ้าง ? - มีความสำคัญอย่างไร ? -มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นอย่างไร? สารชีวโมเลกุล - เป็นสารที่มีหน้าที่หรือบทบาทในการดำรงชีวิตของสิ่งที่มีชีวิตต่างๆ - อาจเป็นสารอาหารที่จำเป็น - เป็น..............................ของร่างกาย - เป็นองค์ประกอบของ................................ และหน้าที่อื่นๆ - สารเหล่านี้สร้างขึ้นในสิ่งที่มีชีวิตต่างๆ เช่น พืช สัตว์ จุลินทรีย์ ฯลฯ

สารชีวโมเลกุลแบ่งงออกเป็น4 ประเภท คือ 1......................................................... ได้แก่ แป้ง น้ำตาล ซึ่งเป็นสารอาหารของสิ่งมีชีวิตต่างๆ และทำหน้าที่อื่นๆอีกมาก 2. ................................................เป็นสารที่เป็นสารโครงสร้าง เช่น ผิวหนัง ขน เล็บ เป็นเอนไซม์ และอื่นๆ 3.................................................................เป็นสารอาหาร ทำหน้าที่สะสมพลังงานในรูปแบบต่างๆ พบในพืช สัตว์ 4. ...................................................... เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตต่างๆ ตั้งแต่พืชและสัตว์ชั้นต่ำ จนถึงสัตว์ชั้นสูง มนุษย์

1. คาร์โบไฮเดรต(Carbohydrates) • คาร์โบไฮเดรตเป็นสารชีวโมเลกุลที่พืชสังเคราะห์ในกระบวนการ..................... ........................................... ที่สำคัญมากและรู้จักกันดีได้แก่ กลูโคส (glucose) ฟรุกโตส (fructose) แลคโตส (lactose) ฯลฯ • มักเรียกคาร์โบไฮเดรตว่า..................................... • แป้งและน้ำตาลนี้ มีโมเลกุลที่มีตั้งแต่โมเลกุลขนาดเล็ก (มีคาร์บอน 3 อะตอม ได้แก่ กลีเซอรัลดีไฮด์ เป็นต้น) จนถึงโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น แป้งชนิดต่างๆ ไกลโคเจน เซลลูโลส ไคติน เป็นต้น • โมเลกุลเหล่านี้จะมีโครงสร้างพื้นฐานเหมือนกัน คือ มีหน่วยย่อยมาต่อกันด้วยพันธะที่เรียกว่า ...................................................................

แบ่งคาร์โบไฮเดรตออกเป็นหลายกลุ่ม ตามลักษณะของจำนวนหน่วยย่อยที่เล็กที่สุด ได้แก่ 1. ........แซคคาไรด์ (………saccharide) มีจำนวนหน่วยย่อย 1 หน่วย เช่น .............. และ ............... เป็นต้น น้ำตาลเหล่าเป็นหน่วยที่ไม่สามารถทำให้เล็กลงได้อีก มันจะสามารถต่อกันเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น 2. …….แซคคาไรด์ (….saccharides)เป็นโมเลกุลที่มีหน่วยมอโนแซคคาไรด์ ต่อกัน 2 หน่วย เช่น …………………………………………… เป็นต้น 3. .......แซคคาไรด์ (……saccharides)เป็นโมเลกุลที่มีหน่วยมอโนแซคคาไรด์ ต่อกัน 3 หน่วย 4. ........แซคคาไรด์ (…….saccharides)เป็นโมเลกุลที่มีหน่วยมอโนแซคคาไรด์ต่อกันจำนวนมาก ได้แก่ ..............................................................

1.1 โครงสร้างของคาร์โบไฮเดรต (หรือแป้งและน้ำตาล) มีโครงสร้างเป็น พอลิไฮดรอกซีแอลดีไฮด์ (polyhydroxyaldehydes) หรือพอลิไฮดรอกซีคีโตน (polyhydroxyketone) เช่น กลูโคสเป็นน้ำตาล............... (………………) เพราะมีจำนวนคาร์บอน 6 อะตอมในโมเลกุล มีหมู่ฟอร์มิลหรือหมู่แอลดีไฮด์ (formyl group; ______) มีหมู่ไฮดรอกซิล (Hydroxyl group; -OH) หลายหมู่ • โครงสร้างแบบนี้เรียกว่า โครงสร้างเปิด (open- chain structure) • นอกจากนี้ยังมีโครงสร้างวง (cyclic หรือ ring structure) ที่เกิดจากการปิดวงของโครงสร้างเปิด

กลูโคสมีโครงสร้างวง ที่มีขนาดของวง 6 อะตอม(เรียกว่า six-membered ring) ซึ่งเกิดจากการปิดวง โดยหมู่ไฮดรอกซิลทำปฏิกิริยากับหมู่คาร์บอนิลของแอลดีไฮด์ ให้อะซิตัล (acetal) ......................ของกลูโคส ........................ของกลูโคส โครงสร้างเปิดและวงของกลูโคส ....................................................

น้ำตาลฟรุกโตส เกิดโครงสร้างที่เป็นวงเช่นเดียวกัน จงสังเกตว่าโครงสร้างของฟรุกโตสแตกต่างจากกลูโคสตรงคาร์บอนที่ …………..(เป็นหมู่คาร์บอนิลทั้งคู่ แต่เป็นหมู่คาร์บอนิลคนละชนิด) โครงสร้างวง (Cyclic structure) โครงสร้างเปิด (Open-chain structure) โครงสร้างเปิดและโครงสร้างวงจะ อยู่ในสมดุล (equilibriumm) กัน

1.2 ปฏิกิริยาเคมีของคาร์โบไฮเดรต • คาร์โบไฮเดรตเกิดปฏิกิริยาผ่านโครงสร้างเปิด เช่น กลูโคสมีสมบัติเป็นตัวรีดิวส์ เพราะมี................................................ในโครงสร้างเปิด จะเกิดปฏิกิริยาต่างๆ เช่น Tollens’ reaction, Fehling’s reaction เป็นต้น • หมู่แอลดีไฮด์อิสระทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์ (ในกรด) ..................... • ปฏิกิริยาระหว่างหมู่คาร์บอนิลของแอลดีไฮด์หรือคีโตนกับแอลกอฮอล์จะ............... พันธะไกลโคซิดิก (Glycosidic linkage)

หมู่ไฮดรอกซิลเกิดปฏิกิริยากับรีเอเจนต์ต่างๆ (เหมือนแอลกอฮอล์ทั่วไป) เช่น ปฏิกิริยาอะเซทิเลชัน ให้ ....................

Mutarotation เป็นปรากฏการณ์ที่โมเลกุลของแป้งหรือน้ำตาลที่มีหมู่แอลดีไฮด์อิสระสามารถเปลี่ยนโครงสร้างหมู่ไฮดรอกซิลของอะซิทัลได้ 2 แบบ ซึ่งอยู่ในสมดุลกันระหว่างโครงสร้างเปิดกับโครงสร้างวง (36 %) (64 %) โครงสร้างเปิดของ D-(+)-glucose

มอโนแซคคาไรด์(monosacharides) ที่สำคัญและใช้มากในชีวิตประจำวันโครงสร้างของสารประกอบแป้งและน้ำตาลบางชนิด D-glucose D-fructose

ไดแซคคาไรด์ (disaccharides) บางชนิด

แป้งเป็นพอลิแซคคาไรด์ มีโครงสร้างที่หลากหลาย ขึ้นกับแหล่งกำเนิด แต่มีโครงสร้างพื้นฐาน 2 ส่วน คือ • (i) หน่วยที่เป็นโครงสร้างเส้นตรง (linear structure) เรียกว่า • .................................................... • (ii) หน่วยที่มีโครงสร้างเป็นแขนง (branch-chain structure) เรียกว่า • ……………………………………..

สูตรโครงสร้างของอะไมโลเพกทินมีลักษณะเป็นแขนงระหว่างสายของกลูโคสสูตรโครงสร้างของอะไมโลเพกทินมีลักษณะเป็นแขนงระหว่างสายของกลูโคส อะไมโลเพกทิน (amylopectin) แป้งจากแหล่งกำเนิดที่แตกต่าง จะมีองค์ประกอบที่เป็นอะไมโลสและอะไมโลเพกทินที่แตกต่างกัน ทำให้..................................................

เซลลูโลส(Cellulose) • เป็นพอลิแซคคาไรด์ที่เป็นส่วนโครงสร้างของพืชชั้นสูง เป็นเนื้อไม้ (มีเซลลูโลสประมาณ 50%) ใยฝ้าย (มีเซลลูโลสประมาณ 90%) • เซลลูโลสจะมี intermolecular hydrogen bonding ทำให้มีสายที่เป็น.................. ................. ในอุตสาหกรรม มีการผลิตเป็นเรยอง (rayon) และเป็นพอลิเมอร์อื่นๆ

ไคติน (chitin) มีโครงสร้างคล้ายเซลลูโลส แต่มีหมู่ N-acetylamino ที่คาร์บอนที่ 2 ของหน่วยกลูโคส พบไคตินเป็นองค์ประกอบของ ....................................................................................

2. กรดอะมิโน (Amino acids) และโปรตีน (Proteins) • กรดอะมิโนเป็นสารประกอบที่สำคัญมาก มันเป็นองค์ประกอบของโปรตีนที่นับว่ามีความสำคัญที่สุดอีกชนิดหนึ่งของสิ่งมีชีวิต • คำว่า โปรตีน ภาษาอังกฤษคือ protein มารากศัพท์มาจากภาษากรีก proteos แปลว่า ...................................... (ซึ่งแสดงถึงความสำคัญของสารกลุ่มนี้)

ในธรรมชาติ จะพบกรดอะมิโนในรูปของพอลิเมอร์ต่างๆ ที่เรียกว่า เพปไทด์ (Peptides) และโปรตีน (Proteins) • แบ่งพอลิเมอร์เหล่านี้ตามจำนวนของหน่วยพื้นฐาน (monomer) ของ • กรดอะมิโน และเรียกชื่อของกลุ่ม ดังนี้ • ….peptides มีกรดอะมิโน 2 หน่วย • …..peptide มีกรดอะมิโน 3 หน่วย • ……….peptide มีกรดอะมิโน 4-10 หน่วย • ……….peptide มีกรดอะมิโนจำนวนมาก • Proteins เป็น............................................. มีกรดอะมิโน 40-400 หน่วย

a 2.1 โครงสร้างทั่วไปของกรดอะมิโนและเพปไทด์ • กรดอะมิโนมีโครงสร้างเป็น a – aminocarboxylic acid • ในธรรมชาติมักพบในรูปของไอออน เรียกว่า ………………….. • กรดอะมิโนจะยึดกันด้วยพันธะเอไมด์ หรือ ....................................................

2.2 โครงสร้างของกรดอะมิโนและการเรียกชื่อ • สิ่งที่มีชีวิต (จุลินทรีย์ พืช และสัตว์) สามารถสังเคราะห์กรดอะมิโนต่างๆ ได้ • แต่สัตว์ชั้นสูงบางชนิดอาจไม่สามารถสร้างกรดอะมิโนบางตัวได้ (เป็นกลุ่มที่เรียกว่า.....................................ซึ่งต้องได้มาจากสารอาหาร) • กรดอะมิโนมีโครงสร้างทั่วไปเป็น L-a-amino acid L-a– Amino acid สูตรโครงสร้างแบบ Fischer Projection Formula สูตรโครงสร้างที่แสดง ทิศทางที่อะตอมหรือหมู่ต่างๆ ต่อที่ C

กรดอะมิโน (amino acid) ประกอบด้วยหมู่aminoและหมู่ carboxyl

มีกรดอะมิโนที่พบมากในธรรมชาติ 20 ชนิด (ยังมีชนิดอื่นๆ แต่จะพบน้อย) • กรดอะมิโนมีลักษณะแตกต่างกันที่........... (ที่ต่อกับ a –carbon) ซึ่งมีโครงสร้างที่หลากหลายและใช้ในการจัดกลุ่มของกรดอะมิโน • มักเรียกชื่อสามัญ (common) ของกรดอะมิโน ซึ่งมักได้จากภาษากรีกที่บอกสมบัติบางอย่างของกรดนั้น เช่น glycine มาจาก glykos แปลว่า .................. tyrosine มาจากคำว่า tyros แปลว่า …………. • มีการใช้สัญลักษณ์แทนชื่อของกรด โดยใช้อักษร 3 ตัวแรก เช่น gly แทน ................. (ยังมีสัญลักษณ์แบบอื่น เช่น ใช้อักษร 1 ตัวแรก)

ตัวอย่างของกรดอะมิโนบางชนิดตัวอย่างของกรดอะมิโนบางชนิด

ตัวอย่างของกรดอะมิโนบางชนิด (ต่อ)

2.3 โครงสร้างแบบต่างๆ ของกรดอะมิโนและโปรตีน • กรดอะมิโนเกิดพันธะไฮโดรเจนได้ เพราะมีหมู่ที่มีขั้ว 2 หมู่ คือ ........................... ............................. • โครงสร้างของกรดอะมิโนที่เป็น L • ลักษณะการเกิดพันธะไฮโดรเจนมีความสำคัญต่อโครงสร้าง 3 มิติของ เพปไทด์และโปรตีน • ทำให้มีโครงสร้างเป็นสายที่เป็น................................ และเป็นสายคู่ที่เรียกว่า ........................... • ซึ่งจะพบในสารพันธุกรรม คือ ดีเอ็นเอ (deoxyribonucleic acids) และ อาร์เอ็นเอ (ribo-nucleic acids) และโปรตีนต่างๆ

กรดอะมิโนจะต่อกันเป็นเพปไทด์หรือโปรตีนในรูปแบบต่างๆกรดอะมิโนจะต่อกันเป็นเพปไทด์หรือโปรตีนในรูปแบบต่างๆ (1) โครงสร้างแผ่นแบน (Flat-sheet structure) มีลักษณะเป็นสายตรง มีพันธะไฮโดรเจนระหว่าหมู่อะมิโนกับหมู่คาร์บอนิลของแต่ละสายที่เรียงตัวขนานกัน แต่จะมีหมู่ขนาดใหญ่ของ …………………. มาเบียดกัน ทำให้........................................... หมู่ขนาดใหญ่ของ sidechain มาเบียดกัน

(2) โครงสร้างแบบพับจีบ(Pleated-sheet structure) เป็นโครงสร้างที่เกิดจากการบิดของพันธะต่างๆ ของสายเพปไทด์หรือโปรตีนเพื่อ............................................................ (ที่ต่อที่สายของโปรตีน) ทำให้ได้ลักษณะเป็นแผ่นที่ทบไปมา สังเกตการเกิดพันธะไฮโดรเจนระหว่างหมู่คาร์บอนิลกับหมู่อะมิโนระหว่างสาย

(3) โครงสร้างแบบเกลียว (Helix structure) เป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นเกลียวเวียนขวา มีพันธะ.........................ยึดสายของเพปไทด์หรือโปรตีนไว้พบในโปรตีนทั่วไป

โครงสร้างของสายโปรตีน โครงสร้างของสายโปรตีน เนื่องจากหน่วยของกรดอะมิโน มี L–configuration จะทำให้โมเลกุลของโปรตีนมีสายเป็น..................................... (มองจากด้านบนของเกลียว) มีพันธะไฮโดรเจนระหว่างหมู่คาร์บอนิลกับหมู่อะมิโนบนสายของโปรตีนเป็นระยะๆ และเกิดเป็น................................ ซึ่งพบใน DNA RNA และโปรตีนอื่นๆ

สายของเคอราทิน (keratin) ซึ่งเป็นโปรตีนของ................. มีทั้งที่เป็นผมหยิกหรือหยักศก (curly hair) และที่เส้นผมตรง (straight hair) • ซึ่งเกิดจากพันธะ…………………………….………. ระหว่างสายของเคอราทิน มีลักษณะการจับที่แตกต่างกัน

โครงสร้างของเอนไซม์ human carbonic anhydrase • มีโครงสร้างหลายแบบในโปรตีนนี้ b -Pleated sheets ได้แก่ ........................ • -helix ได้แก่ ...................

2.4 สมบัติทางเคมี 2.4.1 ความเป็นกรด-เบสของกรดอะมิโน • หมู่ทั้งสองของกรดอะมิโนสามารถอยู่ในโครงสร้างกรด (acidic form) และโครงสร้างเบส (basic form) ได้ ส่วนจะอยู่ในรูปแบบใด จะขึ้นกับ pH ของสารละลาย • ในสารละลายกรดแก่(very acidic solution) ซึ่ง pH เข้าใกล้ 0หมู่อะมิโนและหมู่คาร์บอกซิลจะอยู่ในโครงสร้าง………………… • ในสารละลายที่เป็นกลางpH = 7 หมู่คาร์บอกซิลจะอยู่ในโครงสร้างเบส ส่วนหมู่อะมิโนจะอยู่ในโครงสร้าง.......... เรียกว่าเป็นโครงสร้างแบบ…………………. ………………………. • ในสารละลายเบสแก่(very basic solution) ซึ่ง pH เกือบเท่ากับ 11 หมู่อะมิโนและหมู่คาร์บอกซิลจะอยู่ในโครงสร้าง............

โครงสร้างไอออนขั้วคู่ (Dipolar ion หรือ Zwitterion) • กรดอะมิโนใดๆ จะมีโครงสร้างที่มีประจุแบบใดแบบหนึ่งเสมอ ไม่ว่าจะอยู่ในสารละลายที่มี pH เท่าใดก็ตาม • ในร่างกายของมนุษย์ จะมีค่า physiological pH เท่ากับ 7.3 ดังนั้น กรดอะมิโน ต่างๆ จะมีโครงสร้างเป็น …………………..

2.4.2 Isoelectric Point (pI) ของกรดอะมิโน Isoelectric Point (pI)คือ ค่า pH ที่กรดอะมิโนมีโครงสร้างที่ไม่มีประจุใดๆ สามารถคำนวณได้จากค่า pH ของหมู่อะมิโนและหมู่คาร์บอกซิลของกรดแต่ละชนิด คำนวณค่า pI ได้ : pI = (2.34 + 9.69) / 2 = ………………… = ………… (กรดอะมิโนแต่ละชนิดมีค่า pKaของหมู่อะมิโนและของหมู่คาร์บอกซิลิกไม่เท่ากันทำให้มีค่า pI ไม่เท่ากันด้วย)

3. ไลปิด (Lipids) • ไลปิด หมายถึงสารประกอบอินทรีย์ที่พบในสิ่งที่มีชีวิตต่างๆ ที่มีสมบัติอย่างหนึ่งที่เหมือนกัน คือ ..................................................................(nonpolar organic solvents) • ไลปิดประกอบด้วยสารหลายประเภท จะยกตัวอย่างเพียงประเภทเดียว คือ • ไตรเอซิลกลีเซอรอล (Triacylglycerols) หรือไตรกลีเซอไรด์ (Triglycerides) ซึ่งจะมีสารที่รู้จักกันดี คือ ............................................................ • พบไขมันและน้ำมันได้ในแหล่งต่างๆ ทั้งพืช สัตว์ แมลง และสิ่งที่มีชีวิตอื่นๆ

ตัวอย่างของไลปิด ได้แก่ - ไขมันและน้ำมัน (Fats and Oils) - ขี้ผึ้ง (Waxes) - วิตามินที่ละลายในไขมัน(Fat-soluble vitamins) - ฟอสโฟไลปิด(Phospholipids) - เทอร์พีน (Terpenes) สารประกอบในแต่ละกลุ่มนี้ ต่างทำหน้าที่แตกต่างกัน และมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิต เช่น • ไขมันทำหน้าที่ด้าน.................. • เป็น..............................ในสัตว์ต่างๆ เช่น แมวน้ำ เพนกวิน สิงโตทะเล แม้แต่บนผิวของใบไม้ต่างๆ ฯลฯ

(......................) (.....................................) วิตามิน เอ (............................................) (......................) ตัวอย่างของไลปิดบางชนิด จงสังเกตโครงสร้างที่ค่อนข้างซับซ้อน และมีความแตกต่างกัน

3.1 ไตรกลีเซอไรด์(Triglycerides) • ไตรกลีเซอไรด์เป็นกลุ่มของสารอินทรีย์ที่มีโครงสร้างพื้นฐานเหมือนกัน คือ มีโครงสร้างเป็นเอสเทอร์ระหว่าง............................................................................. ........................................................... • กลีเซอรอลเป็นแอลกอฮอล์ที่มี......................... 3 หมู่ ในไตรกลีเซอไรด์ จะมีหน่วยของกรดไขมัน 3 หน่วยต่ออยู่ • หน่วยของกรดไขมันแต่ละหน่วยอาจไม่เหมือนกันก็ได้ • ไขมันเป็นของแข็ง (ส่วนมากได้จากสัตว์) น้ำมันเป็นของเหลว (ได้จากพืชต่างๆ)

โครงสร้างของกรดไขมันในไตรกลีเซอไรด์โครงสร้างของกรดไขมันในไตรกลีเซอไรด์ • กรดไขมันอาจเป็นกรดไขมัน.................. (saturated fatty acid) • ไม่มี >C=C< ในโครงสร้างโมเลกุล • กรดเหล่านี้จะมีจุดเดือด........ • กรดไขมัน.................... (unsaturated fatty acid) • มี >C=C< ในโครงสร้างโมเลกุล • กรดไขมันที่มีพันธะคู่มากกว่าหนึ่งพันธะ เรียกว่า polyunsaturated fatty acids • กรดเหล่านี้มีจุดเดือด....... • ไตรกลีเซอไรด์ที่มีกรดไขมันอิ่มตัวมาก จะเป็น......................................... ได้แก่ไขมันจากสัตว์ เช่น น้ำมันหมู หรือไขสัตว์ต่างๆ เป็นต้น • ไตรกลีเซอไรด์ที่มีกรดไขมันไม่อิ่มตัวมาก ........................................ เรียกว่าน้ำมัน ได้จากพืชน้ำมันต่างๆ เช่น ข้าวโพด ถั่วลิสง เมล็ดทานตะวัน ฯลฯ

ตัวอย่างกรดไขมันอิ่มตัว (Saturated fatty acids) Stearic acid

ตัวอย่างกรดไขมันไม่อิ่มตัว (Unsaturated fatty acids)

ไขมัน (Fats) โครงสร้างของไตรกลีเซอร์ที่มีกรดไขมันอิ่มตัวจะเรียงตัวกันได้.......................................................................................................... น้ำมัน (Oils) ไตรกลีเซอไรด์ที่มีกรดไขมันไม่อิ่มตัวสูงจะเป็น……………… เรียกว่าน้ำมัน (Oils) ส่วนที่เป็นสายของไฮโดรคาร์บอน.............. ....................................................

เคมีอินทรีย์ (Organic Chemistry) บทที่ 10 สารชีวโมเลกุล ( Biomolecules )