The structure and function of macromolecules

สารประกอบขนาดใหญ่� (macromolecules) ในส��งมี�ชี�วิ�ต จั�ดเป�น 4 กลุ่��มีตามีลุ่�กษณะโครงสร#างของโมีเลุ่ก�ลุ่ ได#แก�Carbohydrate ประกอบด#วิยธาต� C, H, O

Protein “ C, H, O, N

Lipid “ C, H, O

Nucleic acid “ C, H, O, N, P

Building models to study the structure of macromolecules

Linus Pauling (1901-1994) Today, scientists use computer

ปฏิ�ก�ร�ยาเคมี�ของ macromolecules ได#แก�

Condensation เป�นปฏิ�ก�ร�ยาส�งเคราะห) macromolecules จัาก monomers เลุ่*กๆเป�นจั,านวินมีาก แลุ่ะได#ผลุ่ผลุ่�ต H2O ด#วิย ด�งน�.นอาจัเร�ยกวิ�า ปฏิ�ก�ร�ยา dehydration

Hydrolysis เป�นปฏิ�ก�ร�ยาย�อยสลุ่าย macromolecules ให#เลุ่*กลุ่ง เพื่0�อให#สามีารถน,าผ�านเย0�อห�#มีเซลุ่ลุ่)เข#าส3�เซลุ่ลุ่)ได# หร0อย�อยสลุ่าย macromolecules ที่��ไมี�ใชี#แลุ่#วิภายในเซลุ่ลุ่)

The synthesis of a polymer

The Breakdown of a polymer

Carbohydrates เป�นสารประกอบจั,าพื่วิก น,.าตาลุ่ แลุ่ะ polymer ของน,.าตาลุ่แบ�งกลุ่��มี carbohydrates ได#เป�น 3กลุ่��มี ตามีจั,านวินโมีเลุ่ก�ลุ่ของน,.าตาลุ่ที่��เป�นองค)ประกอบ ได#แก�

Monosaccharide

Disaccharide

Polysaccharide

Carbohydrates

Monosaccharide เป�นน,.าตาลุ่โมีเลุ่ก�ลุ่เด��ยวิ ที่��ประกอบด#วิย C, O แลุ่ะ H มี�ส3ตรค0อ (CH2O)n

โดยมี�อะตอมีของ C ต�อก�นเป�นสาย แลุ่ะมี� Carbonyl group แลุ่ะ hydroxy group ต�อก�บอะตอมีของ C

aldehydes ketones

Carbonyl group

The structure and classification of some monosaccharides

Linear and ring forms of glucose

น,.าตาลุ่โมีเลุ่ก�ลุ่ค3� (Disaccharides) เก�ดจัากการรวิมีต�วิของน,.าตาลุ่โมีเลุ่ก�ลุ่เด��ยวิ 2 โมีเลุ่ก�ลุ่ โดยปฏิ�ก�ร�ยา condensation

Covalent bond ที่��เก�ดข6.น เร�ยกวิ�า Glycosidic linkage

Examples of disaccharides synthesis

Polysaccharide เป�น carbohydrate ที่��มี�ขนาดใหญ่�มีาก ประกอบด#วิย monosaccharides จั,านวินมีากต�อก�นด#วิย glycosidic linkage

ชีน�ดของ polysaccharide ข6.นอย3�ก�บ1. ชีน�ดของ monosaccharide

2. ชีน�ดของ Glycosidic linkage

ต�วิอย�าง polysaccharide ได#แก� starch, glycogen, cellulose แลุ่ะ chitin

Storage polysaccharides

Starch: 1-4 linkage of glucose monomers

Cellulose: 1-4 linkage of glucose monomers

Cellulose มี� glucose เป�นองค)ประกอบเชี�นเด�ยวิก�บ แป7ง แต�มี�พื่�นธะแบบ 1-4 glycosidic linkage ผน�งเซลุ่ลุ่)ของพื่0ชีประกอบด#วิย cellulose เป�นจั,านวินมีาก

The arrangement of cellulose in plant cell walls

Chitin, a structural polysaccharide

Chitin forms the exoskeleton of Arthropods

Chitin is used to make a strong and flexible surgical thread

Chitin มี�โครงสร#างคลุ่#ายก�บ Cellulose ต�างก�นที่��วิ�า หน�วิยย�อยเป�น N-acetylglucosamine ต�อก�นเป�นโมีเลุ่ก�ลุ่สายยาวิ

หน#าที่��ของ carbohydrate

Sugars :

ที่,าหน#าที่��ให#พื่ลุ่�งงานแลุ่ะเป�นแหลุ่�งคาร)บอนแก�ส��งมี�ชี�วิ�ตribose แลุ่ะ deoxyribose เป�นองค)ประกอบของ nucleic acid

Polysaccharide :

เป�นแหลุ่�งสะสมีพื่ลุ่�งงานของส��งมี�ชี�วิ�ต โดยพื่0ชีเก*บสะสมีพื่ลุ่�งงานในร3ปของ starch ส�วินส�ตวิ)เก*บสะสมีพื่ลุ่�งงานในร3ปของ glycogen

Cellulose แลุ่ะ chitin เป�นโครงสร#างของพื่0ชีแลุ่ะส�ตวิ)

Lipids

Diverse Hydrophobic molecules

Lipids เป�นสารที่��ไมี�เป�น polymer

Lipids ไมี�ลุ่ะลุ่ายน,.า เน0�องจัากโครงสร#างของ lipids ประกอบด#วิย nonpolar covalent bonds เป�นส�วินมีากLipids ได#แก�

ไขมี�น (Fat)

Phospholipid

Steroid

ข�.ผ6.ง (Wax)

Fats : เป�นแหลุ่�งสะสมีพื่ลุ่�งงานFats ถ6งแมี#จัะไมี�เป�น polymer แต�เป�นสารที่��มี�โมีเลุ่ก�ลุ่ขนาดใหญ่� ประกอบด#วิยสารที่��มี�โมีเลุ่ก�ลุ่ขนาดเลุ่*กกวิ�ามีาต�อก�นด#วิยปฏิ�ก�ร�ยา Dehydration

Fats ประกอบด#วิย Glycerol แลุ่ะ กรดไขมี�น (Fatty acid)

ส�วิน “tail” ของ fatty acid ที่��เป�น hydrocarbon ที่��มี�กมี�อะตอมีคาร)บอนต�อก�นประมีาณ 16-18 อะตอมี เป�นส�วินที่��ที่,าให# fats ไมี�ลุ่ะลุ่ายน,.า (hydrophobic)

Triglycerolไขมี�น 1 โมีเลุ่ก�ลุ่ ประกอบด#วิย Glycerol 1

โมีเลุ่ก�ลุ่ แลุ่ะ กรดไขมี�น 3 โมีเลุ่ก�ลุ่

กรดไขมี�นแบ�งออกเป�น 2 กลุ่��มี ได#แก�Saturated fatty acid (กรดไขมี�นชีน�ดอ��มี

ต�วิ)

Unsaturated fatty acid (กรดไขมี�นชีน�ดไมี�อ��มีต�วิ)

ไขมี�นที่��ได#จัากส�ตวิ) เชี�น เนย มี� saturated fatty acid เป�นองค)ประกอบ มี�ลุ่�กษณะเป�นของแข*งที่��อ�ณหภ3มี�ห#องไขมี�นจัากพื่0ชี มี� unsaturated fatty acid เป�นองค)ประกอบ มี�ลุ่�กษณะเป�นของเหลุ่วิที่��อ�ณหภ3มี�ห#อง

Saturated fat and fatty acid

Unsaturated fat and fatty acid

Phospholipids

เป�นองค)ประกอบหลุ่�กของ cell membrane

ประกอบด#วิย glycerol 1 โมีเลุ่ก�ลุ่ fatty acid 2 โมีเลุ่ก�ลุ่ แลุ่ะ phosphate group (phosphate group มี�ประจั� -)มี�ส�วินห�วิที่��มี�ประจั� แลุ่ะเป�นส�วินที่��ชีอบน,.า (hydrophilic) แลุ่ะส�วินหางที่��ไมี�ชีอบน,.า (hydrophobic)

The structure of phospholipid

Micelle

Phospolipid in aqueous environments

เมี0�อเต�มี phospholipids ลุ่งในน,.า phospholipids จัะรวิมีต�วิก�น โดยเอาส�วินหางเข#าหาก�น แลุ่ะส�วินห�วิห�นออกที่างด#านนอก กลุ่ายเป�นหยดเลุ่*กๆ เร�ยกวิ�า micelle

Phospholipid bilayer

ที่�� cell membrane ของส��งมี�ชี�วิ�ต Phospholipids จัะเร�ยงต�วิเป�น 2 ชี�.น โดย hydrophilic head จัะห�นออกที่างด#านนอกเข#าหาก�น ส�วิน hydrophobic tail อย3�ตรงกลุ่าง

Steroids

เป�น lipids ประกอบด#วิย คาร)บอนเร�ยงต�วิเป�นวิงแหวิน 4 วิงSteroids ชีน�ดต�างๆ มี�หมี3� functional group ที่��ต�อก�บวิงแหวินแตกต�างก�นCholesterol เป�น steroid ที่��เป�นองค)ประกอบของ cell membrane

Cholesterol, a steroid

Cholesterol ย�งเป�น precusor ส,าหร�บการส�งเคราะห) steroid อ0�นๆหลุ่ายชีน�ด เชี�น hormones

Proteinเป�น polypeptide ของ amino acid ที่��ต�อก�นเป�นลุ่,าด�บเฉพื่าะต�วิส,าหร�บโปรต�นแต�ลุ่ะชีน�ดโปรต�นสามีารถที่,างานได# ต#องมี�ร3ปร�าง (conformation) ที่��เป�นลุ่�กษณะเฉพื่าะต�วิมีน�ษย)มี�โปรต�นมีากกวิ�า 10,000 ชีน�ด แต�ลุ่ะชีน�ดมี�โครงสร#างแลุ่ะหน#าที่��แตกต�างก�น

N C C

H

R

O

OH

H

H

Amino group

Carboxyl group

Amino acid เป�นสารอ�นที่ร�ย)ที่��มี�หมี3� carboxyl แลุ่ะหมี3� amino ต�อก�บอะตอมีคาร)บอนที่��เป�นศู3นย)กลุ่าง อะตอมีที่��เป�นศู3นย)กลุ่างย�งต�อก�บอะตอมี hydrogen แลุ่ะหมี3� R group 1 หมี3�ที่��แตกต�างก�น

Amino acid แบ�งออกเป�นกลุ่��มีตามีค�ณสมีบ�ต�ของ R group

R group ที่��แตกต�างก�นน�. ที่,าให#เก�ด amino acid แตกต�างก�น 20 ชีน�ด แต�ลุ่ะชีน�ดมี�ค�ณสมีบ�ต�ที่างเคมี�แลุ่ะชี�วิวิ�ที่ยาแตกต�างก�น

Amino acid กลุ่��มี Nonpolar

กลุ่��มี Polar

กลุ่��มี Electrically charged

Making a polypeptide chain

Amino acid ต�อก�นเป�นสายยาวิด#วิย covalent bond เร�ยกวิ�า peptide bond

ปลุ่ายที่��มี�หมี3� amino เร�ยกวิ�า N-terminusปลุ่ายที่��มี�หมี3� carboxyl เร�ยกวิ�า C-terminus

สาย polypeptide ประกอบด#วิย amino acid ที่�.ง 20 ชีน�ด เร�ยงต�อก�นเป�นอ�สระ สาย polypeptide จั6งสามีารถมี�ร3ปแบบที่��ไมี�เหมี0อนก�นน�บหมี0�นชีน�ดได#

โปรต�นสามีารถที่,างานได#ต#องมี�ร3ปร�าง (conformation) ที่��เป�นลุ่�กษณะเฉพื่าะต�วิโปรต�นที่��ที่,างานได#ประกอบด#วิย polypeptide 1 สายหร0อมีากกวิ�า ซ6�งมี#วินพื่�บไปมีาตามีแรงย6ดเหน��ยวิระหวิ�าง side chain ของ amino acid

ร3ปร�างของโปรต�นจั6งข6.นอย3�ก�บลุ่,าด�บของ amino acid ที่��เร�ยงก�นอย3�

A protein’s function depends on its specific conformation

Ribbon model Space filling model

โครงสร#างของโปรต�นถ3กแบ�งออกเป�นPrimary structure

Secondary structure

Tertiary structure

Quaternary structure ส,าหร�บโปรต�นที่��ประกอบด#วิย polypeptide มีากกวิ�า 1 สาย

The primary structure of a protein

Primary structure ค0อ ลุ่,าด�บของ amino acid ที่��ประกอบข6.นเป�นโปรต�นPrimary structure ถ3กก,าหนดโดยข#อมี3ลุ่ที่างพื่�นธ�กรรมี (DNA)

การเปลุ่��ยนแปลุ่งลุ่,าด�บ amino acid ในโปรต�นอาจัมี�ผลุ่ให#ร3ปร�างของโปรต�นเปลุ่��ยนไป แลุ่ะอาจัมี�ผลุ่ต�อการที่,างานของโปรต�นชีน�ดน�.นๆ ต�วิอย�างเชี�น โรค sickle-cell anemia

A single amino acid substitution in a protein causes sickle-cell disease

The secondary structure of a protein

Secondary structure ที่��พื่บบ�อยในธรรมีชีาต�ได#แก� Helix แลุ่ะ Pleated sheet

Secondary structure เป�นโครงสร#างที่��เก�ดข6.นจัาก H-bond ระหวิ�างหมี3� carboxylแลุ่ะหมี3� amino

Spider silk: a structural protein

ต�วิอย�างเชี�น เส#นใยแมีงมี�มี มี�โครงสร#างแบบ Pleated sheet ที่,าให#เส#นใยแมีงมี�มีมี�ควิามีแข*งแรงมีาก

Tertiary structure of a protein

Tertiary structure เป�นร3ปร�างของ polypeptide สายหน6�งตลุ่อดสาย ซ6�งการมี#วินพื่บไปมีาข6.นอย3�ก�บแรงย6ดเหน��ยวิระหวิ�าง R group ด#วิยก�นเอง หร0อ R group ก�บโครงสร#างหลุ่�กแรงย6ดเหน��ยวิหมีายถ6ง

H-bond

ionic bond

Hydrophobic interaction

Van der Waals interaction

นอกจัากน�.บางตอนย6ดต�ดก�นด#วิย covalent bond ที่��แข*งแรง เร�ยกวิ�า disulfide bridges ระหวิ�างหมี3� sulhydryl (-SH) ของกรดอะมี�โน cysteine ที่��อย3�ใกลุ่#ก�น

The Quaternary structure of proteins

เป�นโครงสร#างของโปรต�นที่��ประกอบด#วิย polypeptide มีากกวิ�า 1 สายเที่�าน�.น เก�ดจัาก tertiary structure ของ polypeptide แต�ลุ่ะสายมีารวิมีก�น

Polypeptide chain

ต�วิอย�างเชี�น :

Collagen เป�น fibrous protein ประกอบด#วิย polypeptide 3 สายพื่�นก�นอย3� ซ6�งที่,าให#โปรต�นชีน�ดน�.มี�ควิามีแข*งแรงแลุ่ะพื่บใน connective tissue

Hemoglobin ประกอบด#วิย polypeptide 4 สายรวิมีก�นกลุ่ายเป�นโปรต�นที่��มี�ร3ปร�างเป�นก#อน

The four levels of protein structure

Denaturation and renaturation of a protein

ร3ปร�างของโปรต�นบางชีน�ดสามีารถเปลุ่��ยนแปลุ่งได# ถ#าสภาพื่แวิดลุ่#อมีของโปรต�นเปลุ่��ยนไป เชี�น pH อ�ณหภ3มี� ต�วิที่,าลุ่าย เป�นต#น เน0�องจัากแรงย6ดเหน��ยวิต�างๆระหวิ�าง amino acid ในสาย polypeptide ถ3กที่,าลุ่าย การเปลุ่��ยนแปลุ่งน�.เร�ยกวิ�า Denaturation

โปรต�นบางชีน�ดเมี0�อเก�ด denaturation แลุ่#วิ ย�งสามีารถกลุ่�บค0นส3�สภาพื่เด�มีได# เร�ยกวิ�า Renaturation

A chaperonin in action

X-ray crystallography

หน#าที่��ของโปรต�นเป�นโครงสร#างเย0�อห�#มีเซลุ่ลุ่)แลุ่ะเย0�อห�#มี oganelles

เป�นโครงสร#างส,าค�ญ่ของส��งมี�ชี�วิ�ต เชี�น keratin เป�นองค)ประกอบของ เลุ่*บ ผมี เป�นต#นHaemoglobin ที่,าหน#าที่��ขนส�งออกซ�เจันHormones ต�างๆ ที่,าหน#าที่��ควิบค�มีการที่,างานของร�างกายAcin แลุ่ะ myosin ในกลุ่#ามีเน0.อ ที่,าหน#าที่��เก��ยวิก�บการเคลุ่0�อนไหวิEnzymes ที่,าหน#าที่��เป�นต�วิเร�งปฏิ�ก�ร�ยาเคมี�ต�างๆ

ฯลุ่ฯ

Nucleic acid

(Informational polymer)

1. Nucleic acid เป�นแหลุ่�งเก*บข#อมี3ลุ่ที่างพื่�นธ�กรรมีแลุ่ะถ�ายที่อดลุ่�กษณะของส��งมี�ชี�วิ�ต

Nucleic acid มี� 2 ชีน�ด ได#แก� Ribonucleic acid (RNA)

Deoxyribonucleic acid (DNA)

DNA

RNA

protein

DNA ถ3กใชี#เป�นแมี�แบบในการส�งเคราะห) mRNA ซ6�งถ3กใชี#เป�นต�วิก,าหนดในการส�งเคราะห)โปรต�นอ�กที่อดหน6�ง

ส��งมี�ชี�วิ�ตได#ร�บการถ�ายที่อด DNA จัากร��นพื่�อแมี�

โมีเลุ่ก�ลุ่ของ DNA เป�นสายยาวิมี�ย�นเป�นจั,านวินมีากเป�นองค)ประกอบDNA อาจัเก�ดการเปลุ่��ยนแปลุ่งได# เน0�องจัากสาเหต�ต�างๆ เชี�น ฤที่ธ�<ของสารเคมี� หร0อ ร�งส�จัากสารก�มีมี�นตร�งส�การเปลุ่��ยนลุ่,าด�บ nucleotide ใน DNA อาจัมี�ผลุ่ให#ส��งมี�ชี�วิ�ตมี�ลุ่�กษณะเปลุ่��ยนแปลุ่งไปจัากเด�มีได#การเปลุ่��ยนแลุ่งลุ่�กษณะของส��งมี�ชี�วิ�ตที่��มี�ผลุ่มีาจัากการเปลุ่��ยนแปลุ่งลุ่,าด�บ nucleotide สามีารถถ�ายที่อดต�อไปย�งร��นลุ่3กได#

2. สายของ nucleic acid ประกอบด#วิย polymer ของ nucleotides

แต�ลุ่ะ nucleotide ประกอบด#วิย 3 ส�วิน ได#แก�

Nitrogen base

Pentose sugar

Phosphate group

Nitrogen base แบ�งออกเป�น 2 กลุ่��มี ตามีโครงสร#างที่างเคมี� ได#แก�

Pyrimidines

Purines

ใน DNA แลุ่ะ RNA มี�เบสอย3� 4 ชีน�ดเที่�าน�.น

DNA มี�เบส A, G, C, T

RNA มี�เบส A, G, C, U

น,.าตาลุ่ pentose

ใน RNA ค0อ ribose

ใน DNA ค0อ deoxyribose

ตรงต,าแหน�งอะตอมีคาร)บอนที่�� 5 (5’) ของน,.าตาลุ่ pentose มี�หมี3� phosphate group มีาต�อ รวิมีเร�ยก pentose + nitrogen base + phosphate group วิ�า nucleotide

The components of nucleic acids

Nucleotide หลุ่ายโมีเลุ่ก�ลุ่มีาเชี0�อมีต�อก�น ได#สายยาวิของ polynucleotide ที่��มี�หมี3� phosphate แลุ่ะ pentose เร�ยงต�อก�นเป�นสาย โดย nitrogen base ย0�นออกมีาจัากส�วินยาวิของ nucleic acid

Bond ที่��มีาเชี0�อมีต�อระหวิ�าง nucleotide 2 โมีเลุ่ก�ลุ่ เร�ยกวิ�า Phosphodiester linkage

ลุ่,าด�บของ nitrogen base บนสาย DNA หร0อ mRNA มี�ลุ่�กษณะเฉพื่าะต�วิ ลุ่,าด�บของ base ในย�นจัะเป�นต�วิก,าหนดลุ่,าด�บของ amino acid ของ polypeptide ของโปรต�น

3. การถ�ายที่อดลุ่�กษณะที่างกรรมีพื่�นธ�)เก�ดข6.น เน0�องจัาก DNA มี�การจั,าลุ่องต�วิเอง

RNA ประกอบด#วิยสาย polynucleotide เพื่�ยงสายเด�ยวิDNA ประกอบด#วิยสาย polynucleotide 2 สายเร�ยงต�อขนานก�น แลุ่ะมี�โครงสร#างเป�นเกลุ่�ยวิ เร�ยกวิ�า double helix

สายที่�.งสองของ DNA มี�การเร�ยงต�วิสลุ่�บปลุ่ายก�น ค0อ ปลุ่ายด#าน 5’ ของ DNA สายหน6�งจัะเข#าค3�ก�บปลุ่ายด#าน 3’ ของอ�กสายหน6�ง โดยย6ดต�ดก�นด#วิย H-bond ระหวิ�าง A ก�บ T แลุ่ะ G ก�บ C (ด�งร3ป )ลุ่�กษณะการเข#าค3�ก�นของ base เร�ยกวิ�า complementary

The DNA double helix and its replication

เมี0�อเซลุ่ลุ่)จัะมี�การแบ�งต�วิ DNA จัะจั,าลุ่องต�วิเอง แลุ่ะถ�ายที่อดต�อไปให#เซลุ่ลุ่)ใหมี� การสร#าง DNA โมีเลุ่ก�ลุ่ใหมี� เร�ยกวิ�า DNA replication

ป=จัจั�บ�นน�กวิ�ที่ยาศูาสตร)พื่ยายามีเปร�ยบเที่�ยบลุ่,าด�บ nucleotide ของย�นชีน�ดเด�ยวิก�นจัากส��งมี�ชี�วิ�ตต�างๆ เพื่0�อใชี#ในการจั,าแนกกลุ่��มีของส��งมี�ชี�วิ�ต แลุ่ะศู6กษาเร0�องวิ�วิ�ฒนาการของส��งมี�ชี�วิ�ตชีน�ดต�างๆ