โมเลกุลชีวภาพ (Biological molecules)

สิ่งมีชีวิตสร้างขึ้นจากโมเลกุลขนาดใหญ่หลักสี่ชนิด: คาร์โบไฮเดรต, ไลพิด, โปรตีน และ กรดนิวเคลียม คุณสามารถใช้การทดสอบทางเคมีพื้นฐานเพื่อตรวจสอบว่ามีชนิดใดอยู่ในตัวอย่าง

*การทดสอบ Benedict's: สีฟ้าเปลี่ยนเป็นเขียว ส้ม แล้วแดงอิฐ เมื่อมีน้ำตาลรีดิวซ์เพิ่มขึ้น

การทดสอบ Benedict's แบบกึ่งปริมาณ

การทดสอบ Benedict's ปกติบอกแค่ "ใช่หรือไม่" การทดสอบแบบ กึ่งปริมาณ จะบอกปริมาณคร่าวๆ ก่อนอื่นคุณต้อง มาตรฐาน การทดสอบ: ทำกับสารละลายที่มีความ เข้มข้น ที่ทราบค่าแล้วบันทึกผลสำหรับแต่ละระดับ จากนั้นคุณสามารถประมาณค่าที่ไม่ทราบได้โดยวิธีใดวิธีหนึ่ง:

• เวลาที่ใช้จนเห็นการเปลี่ยนสีครั้งแรก (น้ำตาล越多 เปลี่ยนสีเร็ว越), หรือ
• เปรียบเทียบสีสุดท้ายกับชุดมาตรฐานสีของคุณ.

การทดสอบน้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์

น้ำตาลบางชนิด เช่น ซูโครส เป็น น้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์: ทำให้ผลการทดสอบ Benedict's เป็นลบ เพื่อตรวจจับพวกมัน:

1. ทำการทดสอบ Benedict's ปกติก่อน ถ้ายังสีฟ้าอยู่ (ไม่มีน้ำตาลรีดิวซ์)
2. นำตัวอย่างใหม่มาเพิ่ม กรดไฮโดรคลอริก เจือจาง แล้วให้ความร้อน这一步 การไฮโดไลซิสด้วยกรด จะย่อยน้ำตาลให้กลายเป็นน้ำตาลรีดิวซ์ขนาดเล็กกว่า
3. ปล่อยให้เย็นลง แล้ว ทำให้เป็นกลาง ด้วยโซเดียมไฮโดรเจนคาร์บอเนต
4. ทำการทดสอบ Benedict's อีกครั้ง หากเกิดสีแดงอิฐ แสดงว่าเดิมมีน้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์อยู่

ตัวอย่างฝึกฝน. สารละลายหนึ่งให้ผลการทดสอบ Benedict's เป็น ลบ จากนั้นต้มกับกรดไฮโดรคลอริกเจือจาง ทำให้เป็นกลางด้วยโซเดียมไฮโดรเจนคาร์บอเนต และทดสอบอีกครั้งด้วย Benedict's — ตอนนี้เปลี่ยนเป็นสีแดงอิฐ มีอะไรอยู่บ้าง และทำไมแต่ละขั้นถึงจำเป็น? ผลลบครั้งแรกตัดความเป็นไปได้ของ น้ำตาลรีดิวซ์ การต้มกับกรดช่วย ไฮโดไลซิส พันธะไกลโคไซด์ แยกน้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์ เช่น ซูโครส ออกเป็นมอนোসาคาไรด์รีดิวซ์ ขั้นทำให้เป็นกลางสำคัญมากเพราะ Benedict's ทำงานได้ในสภาพเบสเท่านั้น — ถ้าข้ามขั้นนี้การทดสอบจะล้มเหลวแม้จะมีน้ำตาลอยู่ ผลบวกในการทดสอบครั้งที่สองจึงยืนยันว่ามี น้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์ อยู่เสมอ ให้ citing การทดสอบครั้งแรกที่เป็นลบ เป็นส่วนหนึ่งของคำตอบ: โดยไม่มีขั้นนี้ สีแดงสุดท้ายไม่สามารถแยกแยะน้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์ออกจากน้ำตาลรีดิวซ์ได้

มอนูเมอร์ โพลิเมอร์ และมาครโมเลกุล

• มอนูเมอร์ คือโมเลกุลขนาดเล็กที่เป็นหน่วยเดียว
• โพลิเมอร์ คือโมเลกุลยาวที่ประกอบขึ้นจากมอนูเมอร์จำนวนมากเชื่อมต่อกัน
• มาครโมเลกุล คือโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่มากใดๆ

น้ำตาลแบ่งออกเป็นสามขนาด:

• มอนোসาคาไรด์ เป็นหน่วยน้ำตาลเดี่ยว เช่น กลูโคส และฟรุกโตส
• ไดแซกคาไรด์ คือสองหน่วยเชื่อมต่อกัน เช่น มอลโตสและซูโครส
• โพลีแซกคาไรด์ คือหลายหน่วยเชื่อมต่อกันเป็นโพลิเมอร์

กลูโคส ฟรุกโตส และ มอลโตส เป็นน้ำตาลลดทอน ซูโครส เป็นน้ำตาลไม่ลดทอน

รูปแบบวงแหวนสองแบบของกลูโคส

กลูโคสมีคาร์บอนหกอะตอมและสร้างเป็นวงแหวน มีรูปแบบวงแหวนสองแบบ แตกต่างกันที่คาร์บอน 1 เท่านั้น:

• ใน α-กลูโคส กลุ่ม –OH ที่คาร์บอน 1 ชี้ลง ด้านล่าง ใต้วงแหวน
• ใน β-กลูโคส, กลุ่ม –OH ที่คาร์บอน 1 ชี้ไปทาง บน, ข้างเหนือวงแหวน

ความแตกต่างเล็กน้อยนี้决定性ว่ากลูโคสจะสร้างโพลีแซคคาไรด์ชนิดใด

การเชื่อมต่อกับการแตกสลายของน้ำตาล

โมโนเมอร์ถูกเชื่อมต่อกันด้วย พันธะโคเวเลนต์ ที่แข็งแรง เมื่อมีน้ำตาลสองโมเลกุลมาเชื่อมต่อกันจะเกิด พันธะไกลโคไซด์ ระหว่างกัน กระบวนการนี้เรียกว่า คอนเดนเซชัน: โดยมีการกำจัดโมเลกุลน้ำออกทุกครั้งที่เกิดพันธะใหม่

ปฏิกิริยาในทางกลับนี้คือ ไฮโดรไลซิส: โดยการเพิ่มโมเลกุลน้ำเข้าไปเพื่อทำลายพันธะไกลโคไซด์ นี่คือเหตุผลที่การทดสอบน้ำตาลที่ไม่ลดทอนต้องใช้กรดและความร้อน — เพื่อทำให้(element) sukrose แตกตัวเป็นกลูโคสและฟรุกโตส

โพลิแซคคาไรด์สำหรับจัดเก็บ: ส্টาร์ชและไกลโคเจน

สตาร์ช เป็นแหล่งสะสมพลังงานในพืช ประกอบด้วยโพลิเมอร์ของ α-กลูโคสสองชนิด:

• แอมิโลส — โซ่ยาวไม่มีกิ่งก้าน ซึ่งม้วนตัวเป็นเกลียว
• แอมิโลเพกติน — โซ่ที่มีกิ่งก้านย่อยจำนวนมาก

ไกลโคเจน เป็นแหล่งสะสมพลังงานในสัตว์ มีลักษณะคล้ายแอมิโลเพกตินแต่มีกิ่งก้านมากกว่ามาก ทำให้สามารถแตกตัวได้รวดเร็วเมื่อต้องการพลังงาน

แหล่งสะสมเหล่านี้เหมาะกับการทำงานของตนดี: มีความหนาแน่น (compact), ไม่ละลายน้ำ (insoluble) จึงไม่หลุดออกจากเซลล์, และไม่เปลี่ยน ศักย์น้ำ ของเซลล์ (ดังนั้นจึงไม่ดูดน้ำเข้าผ่าน ออสโมซิส) กิ่งก้านจำนวนมากให้ปลายโซ่หลายจุด ทำให้สามารถเพิ่มหรือถอดกลูโคสได้เร็ว

*เมล็ดแป้งจริงภายในมันฝรั่ง被ไอโอดีนย้อมสี แต่ละเม็ดเป็นแพ็คเกจหนาแน่นที่ไม่ละลายน้ำของแอมิลโลสและแอมิลโลเพกติน — ระวังสเกล: เม็ดที่ใหญ่ที่สุดมีขนาดเพียงประมาณ 0.1 มม. เท่านั้น

เซลลูโลส

เซลลูโลส สร้างมาจาก β-กลูโคس เนื่องจากเป็นรูป β กลูโคสแต่ละโมเลกุลจึงคว่ำไปมาทุกคู่ ทำให้โซ่มีความยาวและตรง许多เส้นตรงเรียงข้างกันและยึดติดกันด้วย พันธะไฮโดรเจน เป็นมัดที่แข็งแรงเรียกว่า ไมโครไฟบริล สิ่งนี้ให้ความแข็งแก่ ผนังเซลล์ ของพืชและป้องกันไม่ให้เซลล์ระเบิด

ไตรกลีเซอไรด์

ไตรกลีเซอไรด์ เป็นไขมันหรือน้ำมันหลัก มีคุณสมบัติ ไม่เกิดขั้ว และ ไม่ละลายน้ำ (ไม่ผสมกับน้ำ) สร้างจากโมเลกุล กลีเซอรอล หนึ่งโมเลกุลเชื่อมต่อกับ กรดไขมัน สามโมเลกุลด้วย พันธะเอสเตอร์ พันธะเอสเตอร์แต่ละพันธะเกิดจากการสังเคราะห์แบบควบแน่น ทำให้มีการกำจัดน้ำออกไปสามโมเลกุล

กรดไขมันแบ่งเป็นสองชนิด:

• อิ่มตัว — ไม่มี พันธะคู่ ระหว่างคาร์บอน–คาร์บอน; ไขมันเหล่านี้มักจะเป็นของแข็ง
• ไม่อิ่มตัว — มีพันธะคู่หนึ่งหรือมากกว่า; น้ำมันเหล่านี้มักจะเป็นของเหลว

ไตรกลีเซอไรด์เหมาะสำหรับการจัดเก็บพลังงานระยะยาว: ปล่อยพลังงานประมาณสองเท่าต่อกรัมเมื่อเทียบกับคาร์โบไฮเดรต ไม่ละลายน้ำ และจัดเก็บมวลน้อยเพราะไม่กักเก็บน้ำใต้ผิวหนังยังช่วย ฉนวนกันความร้อน และปกป้องอวัยวะด้วย

ฟอสโฟลิพิด

ฟอสโฟลิพิด คล้ายกับไตรกลีเซอไรด์ แต่มีกรดไขมันหนึ่งโมเลกุลถูกแทนที่ด้วยกลุ่ม ฟอสเฟต สิ่งนี้ทำให้โมเลกุลมีปลายสองด้านที่มีพฤติกรรมต่างกัน:

• หัว ฟอสเฟต ที่มีขั้ว (hydrophilic หรือ "ชอบน้ำ")
• หางกรดไขมันสองหาง (hydrophobic หรือ "กลัวน้ำ")

ลักษณะเฉพาะนี้จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้ฟอสโฟลิพิดสร้างเยื่อหุ้มเซลล์ได้

กรดอะมิโนและพันธะเปปไทด์

โปรตีนเป็นโพลิเมอร์ของ กรดอะมิโน ทุกกรดอะมิโนมีโครงสร้างพื้นฐานเดียวกันรอบๆ อะตอมคาร์บอนกลาง: กลุ่ม อะมิโน (–NH₂), กลุ่ม คาร์บอกซิล (–COOH), อะตอมไฮโดรเจน และ 侧链แปรผัน (R group) R group แตกต่างกันไปในแต่ละกรดอะมิโน

กรดอะมิโนสองโมเลกุลเชื่อมต่อกันโดยปฏิกิริยาการสังเคราะห์ (condensation) พันธะที่เกิดขึ้นระหว่างหมู่เอมีนของโมเลกุลหนึ่งกับหมู่คาร์บอกซิลของโมเลกุลถัดไปคือ พันธะเพปไทด์ และมีการกำจัดน้ำออกไป เมื่อกรดอะมิโนจำนวนมากมาเชื่อมต่อกันด้วยวิธีนี้จะเกิดเป็น โพลีเพปไทด์ การเติมน้ำเข้าไป (ไฮโดรไลซิส) จะทำให้พันธะเพปไทด์แตกสลาย

ระดับของโครงสร้างโปรตีนทั้งสี่

*ระดับทั้งสี่: โครงสร้างปฐมภูมิ → ทุติยภูมิ → ตติยภูมิ → จตุรถุ

รูปร่างที่พับเข้าหากันนี้ถูกยึดไว้ด้วยการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกลุ่ม R ทั้งสี่ชนิด:

• การมีปฏิสัมพันธ์แบบไฮโดรโฟบิก (กลุ่ม R แบบไม่ขั้วรวมตัวกันเพื่อหลีกเลี่ยงน้ำ).
• พันธะไฮโดรเจน.
• พันธะไอออนิก (ระหว่างกลุ่ม R ที่มีประจุ).
• พันธะโคเวเลนต์ รวมถึง พันธะไดซัลไฟด์ ที่แข็งแรงมาก.

โปรตีนทรงกลมและโปรตีนเส้นใย

• โปรตีนทรงกลม (globular proteins) พับเข้าเป็นรูปทรงกลม โดยมักจะเป็น สารละลายได้ และมีหน้าที่ในร่างกาย (เช่น เอนไซม์และฮีโมโกลบิน).
• โปรตีนเส้นใย (fibrous proteins) สร้างเป็นเส้นใยยาวๆ โดยมักจะเป็น สารละลายไม่ได้ และให้โครงสร้างและการสนับสนุน (เช่น คอลลาเจน).

ฮีโมโกลบิน — โปรตีนทรงกลม

ฮีโมโกลบิน ขนส่ง ออกซิเจน ในเม็ดเลือดแดง มีโครงสร้างระดับจตุรถุที่ประกอบด้วยสายโพลีเปปไทด์สี่เส้น: สองสายอัลฟา (α-globin) และสองสายเบตา (β-globin) แต่ละสายมี หมู่ฮีม อยู่ภายใน ตรงกลางของแต่ละหมู่ฮีมจะมีอะตอมของ เหล็ก ซึ่งเป็นจุดที่โมเลกุลออกซิเจนหนึ่งตัวจับอยู่ สี่สายทำให้หนึ่งโมเลกุลของฮีโมโกลบินสามารถขนส่งออกซิเจนได้สี่โมเลกุล

*โมเลกุลของฮีโมโกลบินจริงที่วิเคราะห์จากข้อมูลรังสีเอกซ์ นับดูสิ: สองสายอัลฟา (สีแดง), สองสายเบตา (สีฟ้า), และมีหมู่ฮีมสีเขียวอยู่ในแต่ละสาย — รวมแล้ว有四氧分子

คอลลาเจน — โปรตีนเส้นใย

คอลลาเจน ให้ความแข็งแรงแก่ผิวหนัง เอ็น, กระดูก และผนังหลอดเลือด โมเลกุลของคอลลาเจนหนึ่งโมเลกุลประกอบด้วยสายโพลีเปปไทด์สามเส้นพันกันแน่นหนาเป็นเกลียวสามเส้น ซึ่งยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจน โมเลกุลเหล่านี้จำนวนมากเรียงอยู่ข้างกันเล็กน้อยสลับกัน และถูกเชื่อมต่อกันเป็น เส้นใย ที่หนาแน่น การเรียงตัวแบบสลับและเชื่อมต่อกันนี้ทำให้คอลลาเจนมีความแข็งแรงมากเมื่อถูกดึง

น้ำเป็นโมเลกุลขนาดเล็ก แต่พันธะ O–H ทั้งสองเป็น ขั้ว: ฝั่งออกซิเจนมีประจุลบเล็กน้อย และฝั่งไฮโดรเจนมีประจุบวกเล็กน้อย ดังนั้นโมเลกุลของน้ำหนึ่งตัวจึงดึงดูดโมเลกุลเพื่อนบ้าน ทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจนอ่อนๆ ระหว่างกัน พันธะไฮโดรเจนเหล่านี้คือเหตุผลที่ทำให้น้ำมีคุณสมบัติที่มีประโยชน์ดังนี้:

• ความเป็นตัวทำละลาย — น้ำเป็น ตัวทำละลาย ที่ดี ทำให้สารต่างๆ หลายชนิดละลายได้ สิ่งนี้ช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้และช่วยให้สารต่างๆ ถูกขนย้ายในร่างกาย
• ความร้อนจำเพาะสูง — น้ำต้องใช้พลังงานมากในการ升高อุณหภูมิ ทำให้อุณหภูมิตนเองคงที่ สิ่งนี้ช่วยปกป้องสิ่งมีชีวิตจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว
• ความร้อนแฝงของการระเหย — น้ำต้องใช้พลังงานมากในการ ระเหย ดังนั้นเมื่อ水汽ระเหย (เช่น เมื่อเหงื่อแห้ง) มันจะพาความร้อนออกไปมากมายและทำให้ร่างกายเย็นลง

*น้ำมีขั้ว (O δ−, H δ+) ดังนั้นโมเลกุลของมันจึงดึงดูดกันด้วยพันธะไฮโดรเจน — ซึ่งเป็นเหตุผลของทุกคุณสมบัติที่กล่าวมาข้างต้น

• เรียนรู้ การทดสอบอาหาร แต่ละชนิดในฐานะสารตั้งต้น + ผลลัพธ์ทางบวก + การเปลี่ยนสี (Benedict's → แดงอิฐ; ไอโอดีน → น้ำเงินดำ; บิยูเรต → ม่วง; เอมัลชัน → ขาว).
• Benedict's ใช้ตรวจหา น้ำตาลรีดิวซ์; สำหรับ น้ำตาลที่ไม่ใช่รีดิวซ์ คุณต้อง ย่อยด้วยกรดก่อน แล้วจึงทดสอบใหม่
• ชื่อพันธะให้ถูกต้อง: ไกลโคไซด์ (คาร์โบไฮเดรต), เอสเตอร์ (ลิพิด), เปปไทด์ (โปรตีน) — ทั้งหมดสร้างขึ้นโดย การควบแน่น (มีการนำน้ำออก).
• เชื่อมโยงโครงสร้างกับหน้าที่: เซลลูโลส (สายตรง, พันธะ H → แข็งแรง), ไกโคเจน/แป้ง (กิ่งก้าน/ม้วน → เก็บสะสมอย่างกะทัดรัด).
• สำหรับโปรตีน ให้ชื่อพันธะในระดับต่างๆ: ปฐมภูมิ (เปปไทด์), ทุติยภูมิ (ไฮโดรเจน), ตติยภูมิ (การมีปฏิสัมพันธ์ของกลุ่ม R), จตุรถุ.