ชีววิทยา เล่ม 1 PDF

# บทที่ 2 | เคมีที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต ## ชีววิทยา เล่ม 1 ### สิ่งมีชีวิต * **ระบบลำต้น**: ระบบอวัยวะ: ระบบหมุนเวียนเลือด * **ระบบราก**: ระบบอวัยวะ: ระบบราก * **อวัยวะ**: หัวใจ, ใบ * **เนื้อเยื่อ**: เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ, เนื้อเยื่อลำเลียง * **เซลล์**: เซลล์สัตว์, เซลล์พืช * **โมเลกุล**: อะต...

# บทที่ 2 | เคมีที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต ## ชีววิทยา เล่ม 1 ### สิ่งมีชีวิต * **ระบบลำต้น**: ระบบอวัยวะ: ระบบหมุนเวียนเลือด * **ระบบราก**: ระบบอวัยวะ: ระบบราก * **อวัยวะ**: หัวใจ, ใบ * **เนื้อเยื่อ**: เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ, เนื้อเยื่อลำเลียง * **เซลล์**: เซลล์สัตว์, เซลล์พืช * **โมเลกุล**: อะตอม **รูป 2.1 โครงสร้างระดับต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต** ### 2.1 อะตอม ธาตุ และสารประกอบ #### 2.1.1 อะตอม * อะตอม ประกอบด้วย โปรตอน, นิวตรอน อยู่ในนิวเคลียส และอิเล็กตรอน ซึ่งเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส * ตัวเลขแสดงจำนวนโปรตอนในอะตอม เรียกว่า เลขอะตอม * ผลรวมของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเรียกว่า เลขมวล * โปรตอน มีประจุไฟฟ้าบวก ส่วนอิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าลบ ขณะที่นิวตรอนไม่มีประจุ * อะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอนจะเป็นกลางทางไฟฟ้า * โปรตอนและนิวตรอนจัดเรียงตัวอยู่บริเวณกึ่งกลางของอะตอมเป็น นิวเคลียส ส่วนอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในระดับพลังงานต่าง ๆ * อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานนอกสุดเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน **รูป 2.2 ส่วนประกอบของอะตอมและสัญลักษณ์นิวเคลียร์** * **ก.** ส่วนประกอบของอะตอมคาร์บอนและอะตอมไฮโดรเจน * **ข.** สัญลักษณ์นิวเคลียร์ #### 2.1.2 ธาตุและสารประกอบ * พืชประกอบด้วย ธาตุหลัก 3 ชนิด ได้แก่ คาร์บอน, ออกซิเจน, ไฮโดรเจน * ธาตุหลักทั้ง 3 ชนิดได้มาจากน้ำและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ **รูป 2.3 การหมุนเวียนของคาร์บอน** * พืชได้รับคาร์บอนจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่อยู่ในบรรยากาศผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อสร้างอาหาร * สัตว์ได้รับคาร์บอนในรูปของสารอินทรีย์ชนิดต่างๆ จากการกิน * คาร์บอนที่สะสมเป็นเวลานานอาจเกิดเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิลได้แก่ ถ่านหิน น้ำมันดิบ และแก๊สธรรมชาติ **รูป 2.4 ชนิดและปริมาณของธาตุที่พบในพืชทั่วไป** #### เชื่อมโยงกับเคมี * สัญลักษณ์นิวเคลียร์ (nuclear symbol) เป็นสัญลักษณ์ของธาตุที่เขียนแสดงรายละเอียดเกี่ยวกับเลขอะตอมและเลขมวล ### 2.2 น้ำ * ร่างกายมนุษย์มีน้ำประมาณ 65% * น้ำมีบทบาทสำคัญในการรักษาดุลยภาพของร่างกาย * น้ำเป็นองค์ประกอบสำคัญของสิ่งมีชีวิต #### โครงสร้างโมเลกุลของน้ำ * น้ำประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจน * น้ำเป็นโมเลกุลมีขั้ว * โมเลกุลของน้ำยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไฮโดรเจน **รูป 2.9 โครงสร้างและพันธะของน้ำ** * **ก.** โมเลกุลของน้ำ * **ข.** พันธะไฮโดรเจนที่ยึดระหว่างโมเลกุลของน้ำ #### เชื่อมโยงกับเคมี * น้ำเป็นสารมีขั้ว #### น้ำกับการเป็นตัวทำละลาย * โซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออนเป็นสารที่มีประจุ **รูป 2.10 การแตกตัวของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำ** ##### น้ำกับสารที่มีสมบัติไฮโดรฟิลิกและไฮโดรโฟบิก * สารมีขั้วที่ละลายน้ำได้ดีจัดเป็นสารที่มีสมบัติไฮโดรฟิลิก * สารไม่มีขั้วส่วนใหญ่จะละลายน้ำได้น้อยจัดเป็นสารที่มีสมบัติไฮโดรโฟบิก ##### น้ำกับความเป็นกรด-เบส * โมเลกุลของสามารถแตกตัวได้เล็กน้อยให้ไฮโดรเจนไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออน #### น้ำกับการดูดซับพลังงานความร้อน * น้ำมีความจุความร้อนจำเพาะสูง * น้ำดูดซับพลังงานความร้อนได้ดี **รูป 2.11 การลำเรียงน้ำในไซเล็ม โดยอาศัยแรงโคฮีชันและแรงแอดฮีชัน** #### น้ำกับแรงโคฮีชันและแรงแอดฮีชัน * ดึงจากการคายน้ำ * เกิดจากแรงยึดเหนี่ยวด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำ * เกิดจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้ำกับพื้นผิว ### 2.3 สารประกอบคาร์บอนในสิ่งมีชีวิต * สารประกอบคาร์บอนที่พบในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่จัดเป็นสารอินทรีย์ **รูป 2.12 พันธะโคเวเลนต์ระหว่างอะตอมของคาร์บอน** * เกิดเป็นพันธะเดี่ยว พันธะคู่ และพันธะสาม **รูป 2.13 สารประกอบไฮโดรคาร์บอน** #### เชื่อมโยงกับเคมี * หมู่ฟังก์ชัน (functional group) เกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี **ตาราง 2.1 หมู่ฟังก์ชันบางชนิดที่พบในสารประกอบคาร์บอน** * ไฮดรอกซิล * คาร์บอกซิล * คาร์บอนิลกลุ่มคีโตน * คาร์บอนิลกลุ่มอัลดีไฮด์ * แอมิโน * ซัลฟ์ไฮดริล * ฟอสเฟต #### สารประกอบคาร์บอนขนาดใหญ่ส่วนมากเป็นพอลิเมอร์ * เกิดจากหน่วยย่อยเรียกว่า มอโนเมอร์ หลายโมเลกุลเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมี **รูป 2.14 พอลิเมอร์ที่พบในเซลล์สิ่งมีชีวิต** * มอโนเมอร์ * พอลิเมอร์ * ตัวอย่างองค์ประกอบภายในเซลล์ ### 2.3.1 คาร์โบไฮเดรต * เป็นสารอาหารหลักที่ให้พลังงานกับสิ่งมีชีวิต * คาร์โบไฮเดรตแบ่งตามขนาดของโมเลกุลได้เป็น มอโนแซ็กคาไรด์, ไดแซ็กคาไรด์, และ พอลิแซ็กคาไรด์ #### มอโนแซ็กคาไรด์ * เป็นคาร์โบไฮเดรตที่มีขนาดโมเลกุลเล็กที่สุด * มีรสหวาน, ละลายได้ในน้ำ * โมเลกุลของมอโนแซ็กคาไรด์ประกอบด้วยอะตอมของธาตุคาร์บอนตั้งแต่ 3-7 อะตอม * เพนโทส เป็นน้ำตาลที่มีคาร์บอน 5 อะตอม * เฮ็กโซส เป็นน้ำตาลที่มีคาร์บอน 6 อะตอม **รูป 2.15 มอโนแซ็กคาไรด์ที่มีหมู่คาร์บอนิลกลุ่มอัลดีไฮด์ และ มอโนแซ็กคาไรด์ที่มีหมู่คาร์บอนิลกลุ่มคีโตน** * **ก.** มอโนแซ็กคาไรด์ที่มีหมู่คาร์บอนิลกลุ่มอัลดีไฮด์ * **ข.** มอโนแซ็กคาไรด์ที่มีหมู่คาร์บอนิลกลุ่มคีโตน #### เชื่อมโยงกับเคมี * มอโนแซ็กคาไรด์ เมื่อนำไปทดสอบกับสารละลายเบเนดิกต์ จะให้อิเล็กตรอนกับคอปเปอร์(II)ไอออน ในสารละลายเบเนดิกต์ เกิดเป็นคอปเปอร์(I)ออกไซด์ ซึ่งมีลักษณะเป็นตะกอนสีแดงอิฐ #### ไดแซ็กคาไรด์ * ประกอบด้วยมอโนแซ็กคาไรด์ 2 โมเลกุลเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เรียกว่า พันธะไกลโคซิดิก **รูป 2.16 สูตรโครงสร้างของซูโครส และ ตัวอย่างแหล่งที่พบ** * ซูโครส ประกอบด้วย กลูโคส และ ฟรักโทส * มอลโทส ประกอบด้วย กลูโคส 2 โมเลกุล * แล็กโทส ประกอบด้วย กาแล็กโทสรวมตัวกับกลูโคส **รูป 2.17 สูตรโครงสร้างของมอลโทส** **รูป 2.18 สูตรโครงสร้างของแล็กโทส และ ตัวอย่างแหล่งที่พบ** #### พอลิแซ็กคาไรด์ * เป็นคาร์โบไฮเดรตโมเลกุลใหญ่ * เกิดจากมอโนแซ็กคาไรด์หลายโมเลกุลเชื่อมต่อกันเป็นสายยาว **รูป 2.19 พอลิแซ็กคาไรด์** * อะไมโลส * อะไมโลเพกทิน * ไกลโคเจน * เซลลูโลส **รูป 2.20 ตัวอย่างพืชที่พบแป้งสะสม** * ข้าว * สาคู * มันสำปะหลัง ### 2.3.2 โปรตีน * เป็นพอลิเมอร์ของกรดแอมิโน * โครงสร้างของโปรตีนแตกต่างกันขึ้นอยู่กับโครงสร้างพื้นฐานทางเคมี **รูป 2.21 โครงสร้างของกรดแอมิโน** * **ก.** โครงสร้างทั่วไปของกรดแอมิโน * **ข,** กรดแอมิโน 3 ชนิด **ตาราง 2.2 กรดแอมิโน 20 ชนิด** * กรดแอมิโนที่ร่างกายต้องการและสังเคราะห์ขึ้นเองไม่ได้ต้องได้รับจากอาหาร เรียกว่า กรดแอมิโนที่จำเป็น * กรดแอมิโนที่ร่างกายสามารถสังเคราะห์ได้เอง เรียกว่า กรดแอมิโนที่ไม่จำเป็น **รูป 2.22 การเชื่อมต่อกันของกรดแอมิโน** * ไดเพปไทด์ * ไตรเพปไทด์ * พอลิเพปไทด์ #### โครงสร้างของโปรตีน * แบ่งโครงสร้างโปรตีนออกเป็น 4 ระดับ **รูป 2.23 โครงสร้างของโปรตีน 4 ระดับ** * โครงสร้างปฐมภูมิ * โครงสร้างทุติยภูมิ * โครงสร้างตติยภูมิ * โครงสร้างจตุรภูมิ **ตาราง 2.3 ตัวอย่างประเภทโปรตีนที่มีหน้าที่ต่างกัน** * โปรตีนลำเรียง * เอนไซม์ * โปรตีนโครงสร้าง * โปรตีนสะสม * โปรตีนเกี่ยวกับภูมิคุ้มกัน * โปรตีนตัวรับ ### 2.3.3 ลิพิด * เป็นสารที่ละลายได้ดีในตัวทำละลายอินทรีย์ **รูป 2.24 ตัวอย่างโครงสร้างกรดไขมันอิ่มตัวและกรดไขมันไม่อิ่มตัว** * กรดไขมันอิ่มตัว * กรดไขมันไม่อิ่มตัว #### ไตรกลีเซอไรด์ * เป็นลิพิดที่พบมากที่สุดในพืชและสัตว์ **รูป 2.25 การสังเคราะห์ไตรกลีเซอไรด์** **รูป 2.26 โครงสร้างไตรกลีเซอไรด์ที่พบในน้ำมันมะกอก** #### ฟอสโฟลิพิด * โครงสร้างประกอบด้วยกรดไขมัน 2 โมเลกุลเชื่อมต่อกับกลีเซอรอล 1 โมเลกุล และหมู่ฟอสเฟต 1 หมู่ **รูป 2.27 โครงสร้างของฟอสโฟลิพิด** * **ก** ส่วนประกอบของฟอสโฟลิพิด * **ข** ฟอสโฟลิพิด 2 ชั้นที่เป็นองค์ประกอบหลักของเยื่อหุ้มเซลล์ #### สเตอรอยด์ * มีโครงสร้างทั่วไปเป็นวงคาร์บอน 6 อะตอม 3 วง กับวงคาร์บอน 5 อะตอม 1 วง **รูป 2.28 โครงสร้างทั่วไปของ สเตอรอยด์** **รูป 2.29 ตัวอย่างของสเตอรอยด์** * คอเลสเตอรอล * เอสโทรเจน * เทสโทสเตอโรน #### เชื่อมโยงกับเคมี * คอเลสเตอรอล * ไตรกลีเซอไรด์ * HDL * LDL ### 2.3.4 กรดนิวคลิอิก * เป็นสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ ทำหน้าที่ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีน **รูป 2.30 นิวคลีโอไทด์ซึ่งเป็นหน่วยย่อยของ DNA และ RNA** * **ก.** DNA * **ข.** RNA **รูป 2.31 ชนิดของ นิวคลีโอไทด์** * เบสกวานีน * เบสอะดีนีน * เบสไซโทซีน * เบสไทมีน * เบสยูราซิล **รูป 2.32 พอลินิวคลีโอไทด์** **รูป 2.33 โครงสร้างของ DNA** * เบส * น้ำตาลและหมู่ฟอสเฟต * เบสไทมีน, เบสอะดีนีน, เบสกวานีน, เบสไซโทซีน ### 2.4 ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต **รูป 2.34 พลังงานกับการดำเนินกิจกรรมต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต** #### เชื่อมโยงกับฟิสิกส์ * พลังงานในสิ่งมีชีวิตไม่มีการสูญหายไปหรือเกิดขึ้นใหม่ * พลังงานทั้งหมดไม่เปลี่ยนแปลง * ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน #### 2.4.1 พลังงานกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี **รูป 2.35 ตัวอย่างของการเกิดปฏิกิริยาเคมี** * **ก.** การแยกน้ำโดยใช้พลังงานไฟฟ้า * **ข.** การรวมตัวระหว่างแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจน **รูป 2.36 การเปลี่ยนแปลงพลังงานของสารในปฏิกิริยา** * **ก.** ปฏิกิริยาดูดพลังงาน * **ข.** ปฏิกิริยาคายพลังงาน #### 2.4.2 เอนไซม์ * เป็นสารที่สามารถลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาลง **รูป 2.39 พลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมีในขณะที่ไม่มี และมี เอนไซม์** **รูป 2.40 การเร่งปฏิกิริยาสลายซูโครสโดยเอนไซม์ซูเครส** **รูป 2.41 แนวคิดเกี่ยวกับการจับกันระหว่างสารตั้งต้นและเอนไซม์** * **ก.** Lock and key model * **ข.** Induced fit model * **ค.** ตัวอย่างแสดง induced fit model **รูป 2.42 ผลของความเข้มข้นของสารตั้งต้นต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่เร่งด้วยเอนไซม์** **รูป 2.43 ตัวอย่างโคแฟกเตอร์หรือโคเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของเอนไซม์** #### เชื่อมโยงกับเคมี * โคแฟกเตอร์ * โคเอนไซม์ #### การยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ **รูป 2.44 การยับยั้งการทำงานของเอนไซม์** * **ตัวยับยั้งแบบแข่งขัน** * **ตัวยับยั้งแบบไม่แข่งขัน** **รูป 2.45 ผลของอุณหภูมิต่อประสิทธิภาพในการทำงานของเอนไซม์** **รูป 2.46 ตัวอย่างการเสียสภาพของโปรตีนในไข่ขาวเมื่อได้รับความร้อน** #### เอนไซม์กับค่า pH **รูป 2.47 ผลของ pH ต่อประสิทธิภาพในการทำงานของเอนไซม์** #### เชื่อมโยงกับเคมี * การเรียกชื่อเอนไซม์ #### กิจกรรมเสนอแนะ * ตัวอย่างการนำเอนไซม์มาใช้ประโยชน์ #### วิถีเมแทบอลิซึม **รูป 2.49 วิถีเมแทบอลิซึม** #### การยับยั้งการทำงานของเอนไซม์โดยสารผลิตภัณฑ์ **รูป 2.50 การยับยั้งการทำงานของเอนไซม์โดยสารผลิตภัณฑ์** #### กรณีศึกษา * สมมติให้วิถีเมแทบอลิซึมหนึ่งมี 3 ขั้นตอน โดยมีเอนไซม์ E1, E2 และ E3 เกี่ยวข้อง **รูป 2.48 ตัวอย่างการเกิดปฏิกิริยาควบคู่กันระหว่างปฏิกิริยาการเติมหมู่ฟอสเฟตให้กลูโคส และ ปฏิกิริยาการสลาย ATP**