บทที่ 3 เคมีที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต

1. บทที่ 3เคมีที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต Biology (ว 40241)

2. บทที่ 3 เคมีที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต3.1 สารอนินทรีย์ 3.1.1 น้ำ 3.1.2 แร่ธาตุ3.2 สารอินทรีย์ 3.2.1 คาร์โบไฮเดรต3.2.2 โปรตีน 3.2.3 ลิพิด 3.2.4 กรดนิวคลีอิก 3.2.5 วิตามิน3.3 ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

3. จุดประสงค์การเรียนรู้จุดประสงค์การเรียนรู้ • 1. สืบค้น วิเคราะห์และอภิปรายเกี่ยวกับโครงสร้าง และหน้าที่ของสาร อนินทรีย์ที่เป็นองค์ประกอบของเซลล์สิ่งมีชีวิต • 2. อธิบายสูตรโครงสร้างของสารอินทรีย์ชนิดต่าง ๆ และบอกหน้าที่ของสารอินทรีย์แต่ละชนิด

4. 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)¯

5. http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/introscience.htm#The%20Organization%20of%20Lifehttp://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/introscience.htm#The%20Organization%20of%20Life

7. Chemical Bonds; The "Glue" That Holds Molecules Together. • แต่ละอะตอมสามารถรวมกันกลายเป็นโมเลกุลด้วยพันธะทางเคมี ในสิ่งมีชีวิตมีพันธะที่สำคัญได้แก่ • covalent bond เป็นพันธะที่เกิดจากการใช้ electron ร่วมกันของ 2 อะตอม เช่น  ก๊าซไฮโดรเจน (H2) ออกซิเจน (O2) น้ำ (H2O) และมีเทน (CH4) เป็นต้น

8. http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/introchemistry.htmhttp://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/introchemistry.htm

9. 1.1  nonpolar covalent  เป็นการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน โดยอิเล็กตรอนวิ่งรอบอะตอมทั้งสองเท่ากัน เช่น H2 , O2 และ CH41.2  polar covalent  เป็นการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันโดยอะตอมที่มี electronegativity สูง จะดึงอิเล็กตรอนมาใกล้ตัวมากกว่า จึงทำให้มีประจุ เช่น H2O O มี electronegativity สูงสามารถดึงอิเล็กตรอนเข้ามาวน รอบตัวเองได้มากกว่า H จึงทำให้ O เป็นลบ H เป็นบวก

10. Polar Covalent Bonds http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/introchemistry.htm

11. 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

12. Ionic Bonds http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/introchemistry.htm

13. 3. hydrogen bond  เป็นพันธะที่ไม่แข็งแรงนัก เกิดกับ H ที่ต่อด้วย covalent bond กับอะตอมของธาตุที่ดึงดูด electron ได้ดี เช่น N หรือ O โดย electron ในพันธะนั้น จะดึงดูดไปใกล้ N หรือ O มากจนทำให้ H เกิดเป็นประจุ + ทำให้สามารถดึงดูดกับอะตอมอื่นที่มี electron มาก เช่น O หรือ N

14. 4. Van der Waals interaction เป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลหรือภายในโมเลกุลเดียวกัน มีผลทำให้เกิดรูปร่างของโมเลกุล5. hydrophobic interaction แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic) เช่น หยดน้ำมันเล็กๆ ลงในน้ำ หยดน้ำมันเหล่านี้ จะรวมกันเป็นหยดใหญ่เพื่อสัมผัสกับน้ำน้อยที่สุด แรงดึงดูดระหว่างหยดนี้ คือ hydrophobic interaction ระหว่างโมเลกุล

15. Human chemistryonly a few elements are important. Here, the most abundant elements in biological systems are shown in red, lesser elements in blue, and 'trace' elements in green http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html

16. สารอนินทรีย์

17. น้ำ (H2O) • เซลล์มีน้ำเป็นส่วนประกอบอยู่ภายใน 70 – 90% ความสำคัญของน้ำ • 1. เป็น polar molecule จึงเป็นตัวทำละลายที่ดีเช่น เกลือ NaCl ละลายในน้ำได้ เนื่องจากโมเลกุลของน้ำมี O ประจุลบ และ H ประจุบวก • ดังนั้น O- จึงจับกับ Na+ ขณะที่ H+ จับกับ Cl-

18. โมเลกุลน้ำที่ล้อมรอบ Na+ หรือ Cl- เรียก hydration shellสารที่ชอบน้ำ เรียกว่า hydrophilicส่วนสารที่ไม่ชอบน้ำ เรียกว่า hydrophobic

19. 2.เกิด hydrogen bond ระหว่างโมเลกุลของน้ำ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำ เรียกว่า cohesion ซึ่งจะทำให้น้ำเคลื่อนที่จากรากไปยังส่วนต่างๆ ของพืชได้ขณะที่มีการคายน้ำ (Transpiration) ถ้าน้ำเกิด hydrogen bond กับสารอื่น เช่น ผนังเซลล์พืช เรียกว่า adhesion

20. 3. มีความร้อนจำเพาะสูง จึงทำให้อุณหภูมิภายในเซลล์สิ่งมีชีวิตเปลี่ยนแปลงไม่มากนัก มีผลทำให้ metabolism ภายในเซลล์ยังคงปกติ 4. ความร้อนแฝงกลายเป็นไอสูง เมื่อร่างกายสูญเสียเหงื่อ หรือการที่พืชคายน้ำ จึงช่วยลดความร้อนภายในสิ่งมีชีวิตได้

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

22. 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

23. หน้าที่ของแร่ธาตุ • เป็นส่วนประกอบของเนื้อเยื่อ เช่น แคลเซียม ฟอสฟอรัส และแมกนีเซียม เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของกระดูกและฟัน ทำให้กระดูกและฟันมีลักษณะแข็ง • เป็นส่วนประกอบของโปรตีน ฮอร์โมนและเอนไซม์เช่น เหล็กเป็นส่วนประกอบของโปรตีนชนิดหนึ่ง เรียกว่า เฮโมโกลบิน (hemoglobin) ซึ่งจำเป็นต่อการขนถ่ายออกซิเจนแก่เนื้อเยื่อต่าง ๆ ทองแดงเป็นส่วนประกอบของเอนไซม์ ซึ่งจำเป็นต่อการหายใจของเซลล์ไอโอดีนเป็นส่วนประกอบของฮอร์โมนไธรอกซีน ซึ่งจำเป็นต่อการทำงานของร่างกาย ถ้าหากร่างกายขาดเกลือแร่เหล่านี้ จะมีผลกระทบต่อการทำงานของโปรตีนฮอร์โมนและเอนไซม์ที่มีเกลือแร่เป็นองค์ประกอบ

24. หน้าที่ของแร่ธาตุ • ควบคุมความเป็นกรด - ด่างของร่างกาย โซเดียม โพแทสเซียม คลอรีน และฟอสฟอรัส ทำหน้าที่สำคัญในการควบคุมความเป็นกรด-ด่างของร่างกาย เพื่อให้มีชีวิตอยู่ได้ • ควบคุมดุลน้ำ โซเดียม และโพแทสเซียมมีส่วนช่วยในการควบคุมความสมดุลของน้ำภายในและภายนอกเซลล์ • เร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาหลายชนิดในร่างกายจะดำเนินไปได้ ต้องมีเกลือแร่เป็นตัวเร่ง เช่น แมกนีเซียม เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวกับการเผาผลาญกลูโคสให้เกิดกำลังงาน

25. สารอินทรีย์

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

27. ตารางหมู่ฟังก์ชันบางชนิดและสารประกอบที่มีหมู่ฟังก์ชันเป็นองค์ประกอบตารางหมู่ฟังก์ชันบางชนิดและสารประกอบที่มีหมู่ฟังก์ชันเป็นองค์ประกอบ

28. คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate)

29. คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate) • คาร์โบไฮเดรต หมายถึง "คาร์บอนที่อิ่มตัวด้วยน้ำ" • เป็นสารอินทรีย์ที่ประกอบด้วย C , H , O • โดยอัตราส่วนของ H : O = 2 : 1 (โดยปริมาตร) • เป็นสารอินทรีย์ที่หมู่คาร์บอกซาลดีไฮด์ (-CHO) และหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) หรือหมู่คาร์บอนิล (-CO) และหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) เป็นหมู่ฟังก์ชัน

30. ประเภทของคาร์โบไฮเดรตประเภทของคาร์โบไฮเดรต • คาร์โบไฮเดรตจำแนกตามสมบัติทางกายภาพและทางเคมี ได้ 2 พวก คือ 1. พวกที่เป็นน้ำตาล 2.พวกที่ไม่ใช่น้ำตาล • คาร์โบไฮเดรตจำแนกตามขนาดของโมเลกุล สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท คือ 1. มอนอแซ็กคาไรด์ (Monosaccharide) 2. โอลิโกแซ็กคาไรด์ (Oligosaccharide) 3. พอลิแซ็กคาไรด์ (Polysaccharide) 

31. ตาราง ชนิดของน้ำตาลตามจำนวนคาร์บอนของ monosaccharide

32. 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  2 โมเลกุล จะเรียกว่า  1 - 4 linkage  และ • เชื่อมระหว่าง - glucose จะเรียกว่า   - linkage  • นอกจากนี้น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวที่มีหมู่ อยู่ปลายสาย จะเรียกว่า Aldose และไม่อยู่ปลายสายเรียกว่า ketose และการเป็น isomer กันก็ทำให้เกิดน้ำตาลคนละชนิด เช่น กลูโคส กับ แกแลคโตส ดังนั้น น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวจึงมีความหลากหลายชนิด

33. รูปแสดงโครงสร้างกลูโคสแบบ หรือ

34. 1) Monosaccharides (simple sugars)These molecules consist of open-chain or ring forms of 3 to 8 carbon atoms. The most common type of monosaccharide is the simple sugar "glucose". http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/carbohydrates.htm

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

37. Glucose is an important energy source in metabolically active cells.- Fructose is a common sugar in fruit), and - Galactose is the sugar found in milk- Sugars with 6 carbons are called "hexoses". 5 carbon sugars are "pentoses". Whereas 7 carbon sugars are called "heptoses".- Two very important "pentoses" (5 carbons) are, Ribose found in Ribonucleic Acid, RNA, and Deoxyribose found in Deoxyribonucleic Acid, DNA.

40. disaccharide • ประกอบด้วย 2 monosaccharide เชื่อมด้วย glycosidic bond แล้วเสียน้ำ (dehydration) ไป 1 โมเลกุล • จึงมีสูตรโครงสร้าง คือ C12H22O11 • เช่น ซูโครส (กลูโคส + ฟรุกโทส) , มอลโทส (กลูโคส + กลูโคส) , แลคโทส (กลูโคส + แกแลคโทส) • ถ้ามีน้ำตาล monomer ตั้งแต่ 3 - 15 โมเลกุล เรียกว่า oligosaccharide

41. รูปแสดง disaccharides

42. Disaccharides When two monosaccharides are joined together they form a "disaccharide". This linking of two sugars involves the removal of a molecule of H2O (water) and is therefore called a "dehydration linkage". The reaction is called "dehydration synthesis".e.g. Glucose + Glucose = Maltose Glucose + Fructose = Sucrose Glucose + Galactose = Lactose

43. This forms a bond between the #1 carbon of one glucose and the #4 carbon of the other, therefore it is called an 1-4 linkage, (or Glycosidic Linkage). http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/carbohydrates.htm

46. polysaccharide • ประกอบด้วย monosaccharide จำนวนมากเป็นหลายพันโมเลกุล ได้แก่ พวกแป้ง (อาหารสะสมในพืช) glycogen (ในสัตว์) และ cellulose (ส่วนประกอบของผนังเซลล์) • แป้ง : ประกอบด้วย glucose ต่อกันเป็นจำนวนมากด้วยพันธะ 1   4 ถ้าต่อกันแบบเป็นสายยาวไม่มีกิ่งก้านเรียก amylose มีประมาณ 20% และถ้าต่อกันเป็นกิ่งก้านเรียก amylopectin มีประมาณ 80% • เซลลูโลส : ประกอบด้วย glucose ที่ต่อกันเป็นสายยาวด้วยพันธะ 1   4 หลังจากนั้นแต่ละเส้นใยเซลลูโลสมาเรียงขนานกันจับกันด้วย H - bond อยู่รวมกันเป็น microfibril ซึ่งหลาย microfibril จะรวมกันเป็น fibril ร่างกายมนุษย์ไม่สามารถย่อยเซลลูโลสได้ เพราไม่มี enzyme ที่ทำลายพันธะที่เชื่อมระหว่างโมเลกุลน้ำตาลทั้งสอง ( - linkage) ในวัวสามารถย่อยเซลลูโลสได้เนื่องจากมีแบคทีเรียบางชนิดย่อยสลายเซลลูโลสได้ • ไคทิน : พบในแมลง กุ้ง ปู และราคล้ายกับเซลลูโลสแต่มีหมู่ N จับอยู่ที่น้ำตาล นั่นคือเป็น polymer ของ amino sugar

47. Polysaccharides These are long chains of monosaccharides linked together by dehydration linkages. http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/carbohydrates.htm

48. รูปแสดง polysaccharides

49. The simplest polysaccharide is a long chain (polymer) of glucose, called "starch". http://io.uwinnipeg.ca/~simmons/1115/cm1503/carbohydrates.htm

50. There are 3 types of starch :(1) Amylose : a non-branching straight chain of glucose - used to store glucose in plants.(2) Amylopectin : a branched chain, also used to store glucose in plants.(3) Glycogen : another branched chain molecule used to store glucose in animals. Polysaccharides can also form very important structural components in plants and animals. Cellulose: is the principal constituent in plant cell walls.