โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต PDF

1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 1 โครงสรางและคุณสมบัติของคารโบไฮเดรต (Structure and properties of carbohydrates)...

1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 1 โครงสรางและคุณสมบัติของคารโบไฮเดรต (Structure and properties of carbohydrates) ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ คณะเภสัชศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี วัตถุประสงคการเรียนรู 1. ระบุความหมาย และจำแนกโมเลกุลคาร์โบไฮเดรตกับสารชีวโมเลกุลอื่นได้ 2. รู้หน้าที่และความสำคัญของคาร์โบไฮเดรต 3. ระบุชื่อตามโครงสร้างน้ำตาลแต่ละชนิดได้ 4. อธิบายปฏิกิริยาเคมีของน้ำตาลได้ 5. ยกตัวอย่างการใช้คาร์โบไฮเดรตทางการแพทย์ได้ ขอบเขตการศึกษา 1. โครงสร้างของน้ำตาล 2. คุณสมบัติตของน้ำตาลและการเกิดปฏิกริ ิยา 3. โครงสร้างของน้ำตาลโมเลกุลคู่ และน้ำตาลหลายโมเลกุล 4. ตัวอย่างของน้ำตาลและอนุพันธ์ของน้ำตาลเภสัชภัณฑ์ การวัดผลการเรียน ทดสอบกลางภาค ข้อสอบปรนัย 5 ตัวเลือกจำนวน 10 ข้อ 10 คะแนน บทนำ คาร์โบไฮเดรต เป็นสารประกอบสำคัญที่พบได้ทั้งในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ทั้งในเซลล์พืชและเซลล์สัตว์ โมเลกุล ของคาร์โบไฮเดรตเริ่มต้น จากพืชสังเคราะห์แสงโดยใช้สารประกอบของ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และพลังงาน แสงอาทิตย์ หน้าที่ของโมเลกุลคาร์โบไฮเดรตมีได้หลากหลายตามลักษณะโครงการและการนำไปใช้ในเซลล์ ได้แก่ เป็นแหล่งพลังงานหลักของสิ่งมีชีวิต เช่น กลูโคส ฟรุกโตส แป้ง ไกลโคเจน เป็นส่วนประกอบของโครงสร้างค้ำจุน ในเนื ้ อ เยื่ อ เช่ น ไคติ น เซลลู โ ลส เป็ น ส่ ว นประกอบร่ ว มกั บ สารชี ว โมเลกุ ล อื ่น เช่ น ดี เ อ็ น เอ อาร์ เ อ็นเอ phosphoinositol (สารนำส่งสัญญานภายในเซลล์) เป็นสารประกอบบนผิวเซลล์ซึ่งมีผลต่อระบบภูมิคุ้มกัน ในการ จำแนกกรุ๊ปเลือด เป็นต้น คาร์โบไฮเดรต (carbohydrates) ประกอบด้วย กลุ่มของหมู่ไฮดรอกซี ลและคีโ ตน polyhydroxy ketone หรือ หมู่ไฮดรอกซี ลและแอลดีไฮด์ polyhydroxy aldehyde หรือในนิยามว่าเป็น สารประกอบคาร์บอนที่มี โมเลกุลของน้ำ (hydrate of carbon) โดยส่วนใหญ่จะมีสูตร (CH2O)n อย่างไรก็ตามอนุพันธ์ของคาร์โบไฮเดรต อาจมีสูตรได้แตกต่างจากนี้ การจำแนกชนิดของคาร์โบไฮเดรต อาจแบ่งตามจำนวนโมเลกุลที่ประกอบ คือ กลุ่ม น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว (monosaccharide) กลุ่มน้ำตาลโมเลกุลคู่ (disaccharide) และ กลุ่มของน้ำตาลที่ประกอบ กันมากกว่าสองโมเลกุลขึ้นไป (oligosaccharides มีน้ำตาลตั้งแต่ 2-10 โมเลกุล polysaccharides มีน้ำตาลมา โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 2 กว่า 10 โมเลกุลประกอบกัน) นอกจากนี้ยังมีน้ำตาลที่รวมกับสารชีวโมเลกุลอื่น (glyco-conjugated) เช่น กลุ่ม ของน้ำตาลที่รวมกับโปรตีน (glycoprotein) กลุ่มของน้ำตาลที่รวมกับไขมัน (glycolipid) เป็นต้น 1. น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว (monosaccharide) จะถูกเรียกตามจำนวนคาร์บอน (C) และชนิดของหมู่คาร์บอนิล (C=O เป็น แอลดีไฮด์หรือคีโตน) ในโมเลกุล โดยมีวิธี เรียกชื่อ คือ ตามชนิดของหมู่คาร์บอนิล หรือ ตามจำนวน คาร์บอน แล้วต่อด้วยคำว่า “-ose” เช่น หากเป็นแอลดีไฮด์ เรียก aldose หากเป็น คีโตน เรียก ketose หากเรียก น้ำตาลตามจำนวนคาร์บอนในโมเลกุล เรียก triose, tetrose, pentose, hexose หรือ heptose หมายถึง น้ำตาล ที่มีคาร์บอนเท่ากับ 3,4,5,6, และ 7 ตัวตามลำดับ เป็นต้น (แนวทางการเรียกชื่อ ดังตารางที่ 1) นอกจากน้ำตาลจะ ถูกเรียกชื่อตามสูตรโมเลกุลที่ต่างกัน (จำนวนคาร์บอนและพันธะที่ต่างกัน) ดังที่ได้กล่าวมาแล้วนั้น การเรียกชื่อ น้ำตาลชนิดเดียวกันยังสามารถจำแนกย่อยตามโครงสร้าง D และ L โดยขึ้นอยู่ก ับการจัดเรียงอะตอมไครัล คาร์บ อนต่างกัน (stereoisomer) ตามการจัดเรียงโครงสร้างก้างปลา Fischer projection (หลัก การจำแนก น้ำตาล D และ L isomers แสดงดัง ภาพที่ 1 เป็นตัวอย่างการจำแนกน้ำตาลกลูโ คส) นอกจากนี้น้ำตาลยัง เกิดปฏิกิริยาระหว่างหมู่แอลกอฮอล์และคาร์บอนิลในโครงสร้างเดียวกันเกิดเป็นวงแหวนขึ้น โดยสามารถพบน้ำตาล วงแหวนแบบ 5 เหลี่ยม (pyranose) 6 เหลี่ยม (furanose) ได้ในธรรมชาติ และการเกิดวงแหวนยังทำให้เกิด โครงสร้างที่แตกต่างอีกชนิดหนึ่ง คือ α-anomer และ β-anomer โดยเรียกน้ำตาลตามการจัดเรียงพันธะของ คาร์บอนที่เคยเป็นหมู่คาร์บอนิลซึ่งจะเรียกคาร์บอนตำแหน่งดังกล่าวว่า anomeric carbon ดังภาพที่ 3 ตารางที่ 1 ตัวอยางแสดงโครงสรางและการเรียกชื่อน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว โครงสราง จำนวนคารบอน ชนิดของหมูคารบอนิล ชื่อเรียก 3 =“tri” CH=O = aldehyde Aldotriose (หรือ glyceraldehyde) 3 =“tri” C=O = ketone Ketotriose (หรือ dihydroxyacetone) 5 = “penta” C=O = ketone Ketopentose 6 = “hexa” CH=O = aldehyde Aldohexose โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 3 ภา พที ่ 1 ขั ้ น ต อ น ก า ร จ ำ แน ก น ้ ำ ต า ล ต า ม โ คร ง ส ร  า ง D แ ล ะ L isomer (ด ั ด แ ป ล ง ภา พ จ า ก : www.organicchemistrytutor.com) ภาพที่ 2 แสดงการเกิดโครงสรางวงแหวนของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว (กลูโคส) เปนการทำปฏิกิริยาระหวางหมูแอลกอฮอล (C-OH) กับหมูคารบอนิล(C=O) ภายในโมเลกุลของน้ำตาล การเกิดวงแหวนหาเหลีย่ ม (furan ring) หรือหกเหลีย่ ม (pyran ring) ขึ้นกับตำแหนงของแอลกอฮอล (C-OH) ที่ทำ ปฏิกิริยา จากภาพการเกิด pyranose เปนการทำปฏิกิริยาระหวาง C5 และ C1 ในขณะที่การเกิด furanose เปน การทำปฏิกิริยาระหวาง C4 และ C1 (ดัดแปลงภาพจาก: Lopes JF, 2008) โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 4 ภาพที่ 3 การจำแนกชนิดวงแหวนของน้ำตาล α และ β anomer โดยดูจากคาร์บอนที่มีหมู่ไฮดรอกซิล (วงกลม รอบ -OH) ที่ติดกับ anomeric carbon และคาร์บอนตัวสุดท้ายของน้ำตาล (–CH2OH) หากอยู่ในทิศเดียวกันกับ ระนาบ วงแหวนจะเป็น β- anomer ในขณะที่อยู่ต่างระนาบวงแหวน จะเป็น α-anomer ภาพที่ 4 กระบวนการเปลี่ยนโครงสรางวงแหวนของน้ำตาลโมเลกุล เดี ่ ย ว (กลู โ คส) น้ ำ ตาลเมื่ อ ถู ก ทำใหล ะลายจะสามารถเปลี่ยน โครงสรางไดเปน 2 แบบ คือ สายเดี่ยว และแบบวงแหวน ซึ่งแยก เปน แบบ α-anomer และ β-anomer นอกจากนี้โ ครงสรางวง แหวนยัง สามารถเปลี่ยนสลับ ไปมาจนถึง จุดสมดุล ได โดยอาศั ย ปฏิกิริยาเรียกวา mutarotation (แหล่งที่มาภาพ: David L Nelson, 2006) อนุพันธของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว (monosaccharide derivatives) เนื่องดวยน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวมีหมูค ารบอ นิลทั้งแอลดีไฮดหรือคีโตน น้ำตาลจึงสามารถเกิดปฏิกิริยาไดหลายแบบและเกิดอนุพันธหลากหลายชนิด เชน กรดน้ำตาล (acidic sugar) เปนการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (oxidation reaction) ของน้ำตาลอัลโดส หรือคีโตส ที่ตำแหนงหมูคารบอนิล ทำใหเปลี่ยนเปนหมู คารบอกซิลิก (-COOH) ตัวอยางเชน กรดกลูโค นิก (gluconic acid) กรดกลูคิวโรนิก (glucuronic acid) โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 5 น้ำตาลแอลกอฮอล (sugar alcohol) เปนการเกิดปฏิกิริยา รีดักชัน (reduction reaction) ของน้ำตาลอัล โดสหรือคีโตส ที่ตำแหนงหมูคารบอนิล ทำใหเปลี่ยนไปเปนหมูไฮดรอกซิล ตัวอยางเชน ซอลบิทอล (sorbitol) กลีเซอรอล (glycerol) และ ไซลิทอล (xylitol) น้ำตาลอะมิโน (amino sugar) คือน้ำตาลที่หมูไฮตรอกซิล (-OH) ถูกแทนที่ดวยหมูอะมิโน (-NH2) อยาง นอยหนึ่งหมู ตัวอยางเชน galactosamine, glucosamine, mannosamine ตัวอยางของสารประกอบ หรือ ยาที่มีน้ำตาลอะมิโน เชน hyaluronic acid, kanamycin เปนตน ภาพที่ 5 แสดงโครงสรางของน้ำตาลอะมิโน galactosamine (A.), hyaluronic acid (B.) ซึง่ ประกอบดวยน้ำตาล กรดชื่อ glucuronic acid และน้ำตาลอะมิโน ชื่อ glucosamine (C.) โครงสรางของยา kanamycin (แหลงที่มาภาพ: Victor W. Rodwell, 2018 และ PubChem) น้ำตาลดีออกซี (deoxy sugar) เปนอนุพันธที่หมูไฮดรอกซิลของน้ำตาล (-OH) ถูกแทนที่ดวยไฮโดรเจน (- H) สารชีวโมเลกุลทีม่ ีสวนของ deoxy sugar ไดแก น้ำตาล 2-Deoxy-D-ribose (โมเลกุล a.) เปนสวนหนึ่ง ของโครงสรางสารพันธุกรรมไดแก deoxynulceotide (dNTP) ซึง่ ประกอบดวย หมูฟ อสเฟต น้ำตาล และ ไนโตรจีนสั เบส (โมเลกุล b.) โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 6 Glycoside เปนสารประกอบที่เกิดจากน้ำตาลไปสรางพันธะ glycosidic กับหมูอื่น หรือโครงสรางอื่น โดย กระบวนการเชื่อมน้ำตาล glycosylation สวนใหญ glycoside ที่มีฤทธิ์ทางเภสัชวิทยาจะไดจากพืช สารประกอบ glycoside แบงเปน 2 สวนตามลักษณะโครงสราง คือ สวนน้ำตาลเรียกวา glycone และ สวนที่ไมใชน้ำตาลเรียกวา aglycone ภาพที่ 6 ตัวอยางโครงสรางของยา digoxin เปนยาในกลุม Cardiac Glycoside (กลุม ยาที่ เกี่ยวของกับการหดบีบตัวของกลามเนือ้ หัวใจ) (ดัดแปลงภาพจาก: Jorgensen PL, 2004) 2. น้ำตาลโมเลกุลคู (disaccharide) คือ การรวมตัวของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว (หนวยยอย) 2 โมเลกุล ดวยพันธะ ไกลโคไซด (glycosidic bond) โดยใชหมู (-OH) ที่ตำแหนง anomeric carbon ทำปฏิกริ ิยากับ หมู (-OH) ที่ ตำแหนงอื่นของน้ำตาล โดยพันธะไกลโคไซดสามารถถูกสลายดวยกระบวนการ hydrolysis จะใหน้ำตาลโมเลกุล เดี่ยว 2 โมเลกุล น้ำตาลโมเลกุลคูทพี่ บมากในธรรมชาติ ไดแก น้ำตาลซูโครส (sucrose) น้ำตาลมอลโทส (maltose) น้ำตาลแล็กโทส (lactose) Reducing sugar เปนน้ำตาลทีม่ ีคุณสมบัติเปนตัวรีดิวซ (สารที่ใหอเิ ล็กตรอนกับโมเลกุลอื่น) เปนน้ำตาลที่ มีตโครงสรางหมูแอลดีไฮด (aldehyde) หรือคีโทน (ketone) อิสระอยูในโมเลกุล จึงถูกออกซิไดสไดงาย ดวยตัวออกซิไดส (oxidizing agent) อยางออน น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวทุกตัวเปน reducing sugar เพราะมี หมูแอลดีไฮด (aldehyde) หรือคีโทน (ketone) อิสระ แตน้ำตาลโมเลกุลคู หรือ น้ำตาลหลายโมเลกุล (polysaccharide) เกิดการรวมตัวของน้ำตาลที่ตำแหนงหมู (-OH) ที่ตำแหนง anomeric carbon (เมือ่ เปลี่ยนเปนน้ำตาลเสนตรงจะเปนหมู แอลดีไฮดหรือคีโทน) ทำใหน้ำตาลหนวยนั้นขาดคุณสมบัตเิ ปน reducing sugar ในสวนของน้ำตาลที่ใชหมู (-OH) ตำแหนงที่ไมใช anomeric carbon จะยังมีคุณสมบัติ เปน reducing sugar ได ภาพที่ 7 แสดงตำแหนงทีเ่ ปน reducing sugar โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 7 การเรียกชื่อพันธะ glycosidic bond ในน้ำตาลโมเลกุลคู่ มีลำดับดังนี้ 1. เริ่มเรียกน้ำตาลจากตำแหน่ง non-reducing end และตามด้วย reducing end 2. เรียกการเรียงตัวแบบสามมิติของน้ำตาลทีเ่ กิดวง ว่าเป็น α หรือ β anomer ในน้ำตาลตัวแรก 3. เรียกชื่อของน้ำตาลพร้อมทั้งระบุว่าเป็นวงห้าเหลี่ยม (furanosyl) หรือหกเหลี่ยม (pyranosyl) ของน้ำตาลตัวแรก 4. เรียกตำแหน่ง carbon ที่ทำพันธะ glycosidic ระหว่างน้ำตาลตัวแรกและตัวทีส่ อง โดยใช้ลูกศร แทนพันธะคั่นระหว่างกลาง 5. เรียกการเรียงตัวแบบสามมิติของน้ำตาลทีเ่ กิดวง ว่าเป็น α หรือ β anomer ในน้ำตาลตัวทีส่ อง 6. เรียกชื่อของน้ำตาลพร้อมทั้งระบุว่าเป็นวงห้าเหลี่ยม (furanose) หรือหกเหลี่ยม (pyranose) ของ น้ำตาลตัวที่สอง ตารางที่ 2 แสดงตัวอย่างการเรียกชื่อน้ำตาลโมเลกุลคู่ (ดัดแปลงภาพจาก: John Tymoczko, 2019) จากรูป เป็นน้ำตาลแลกโตส ประกอบด้วย galactose (ซ้าย) และ glucose (ขวา) พิจารณาตำแหน่ง non-reducing end พบว่าเป็น น้ำตาล galactose และด้วย reducing end คือน้ำตาล glucose ดังนั้นเรียก galactose เป็นลำดับแรก galactose เป็นน้ำตาลวง ) เหลี่ยม 6pyranose( การเกิดวงเกิดจาก การทำปฏิกริ ริ ยาระหว่างหมู่ –OH ของคาร์บอนตำแหน่งที่ และ 5 และหมู่คาร์บอนิลของคาร์บอนตำแหน่งที่1 หมู่ CH2OH และ –OH ของ anomer อยู่ระนาบเดียวกับวงน้ำตาลจึง เป็น β anomer glucose เป็นน้ำตาลวง ) เหลี่ยม 6pyranose( การเกิดวงเกิดจาก การทำปฏิกริ ริ ยาระหว่างหมู่ –OH ของคาร์บอนตำแหน่งที่ และ 5 และหมู่คาร์บอนิลของคาร์บอนตำแหน่งที่1 หมู่ CH2OH และ –OH ของ anomer อยูร่ ะนาบเดียวกับวงน้ำตาลจึงเป็น α anomer เมื่อพิจารณาพันธะ glycosidic ระหว่างน้ำตาลโมเลกุลคู่ พบว่าเกิด จาก คาร์บอนตำแหน่งที่ จึง 4 สร้างพันธะกับ คาร์บอนตำแหน่งที่ 1 1→4 เป็น ดังนั้นการน้ำตาลชนิดนี้ เรียกว่า β-galactopyrnaosyl-(1→4) -α-glucopyranose โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 8 น้ำตาลโมเลกุลคู่และเภสัชภัณฑ์ที่ได้จากน้ำตาลโมเลกุลคู่ o น้ำตาลซูโครส เป็นน้ำตาลที่พบได้มาก ให้ความหวานและพลังงาน (น้ำตาลทราย) ประกอบด้วย น้ำตาลกลูโคสและฟรุกโตสเชื่อมกันด้วยพันธะ α1→β2 ซึ่งเกิดจากการทำปฏิกิริยาระหว่าง anomeric carbon ทั้งสองโมเลกุล ทำให้น้ำตาลชนิดนี้เป็น non-reducing sugar พบได้ใน อ้อย หัวบีท (beet root) ตัวอย่างยาที่มีน้ำตาลซูโครสเป็นส่วนประกอบ คือ ยา sucralfate (ซูคราล เฟต) ใช้เป็นยารักษาโรคแผลในกระเพาะอาหาร ตัวยาจะเข้าไปจับกับแผลป้องกันแผลจากกรด น้ำย่อยและน้ำดี ภาพที่ 8 โครงสร้างน้ำตาลซูโครส และยา sucralfate มีโครงสร้างของ น้ำตาล (แหล่งที่มาภาพ: Biochemistry: John Tymoczko, 2019 และwww.mims.com) o น้ำตาลแลคโตส (lactose) ประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสและกาแลคโตส เชื่อมกันด้วยพันธะ β1→ β4 เป็นน้ำตาลที่พบได้ในนมประมาณ 2-8% ตามน้ำหนัก การดูดซึมน้ำตาลแลคโตสเข้า ร่างกายจำเป็นต้องย่อยให้เป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวโดยใช้เอนไซม์ แลคเทส (lactase) ในเด็กหรือ ผู้ใหญ่ที่ขาดเอนไซม์ชนิดนี้ ไม่สามารถย่อย lactose ทำให้น้ำตาลผ่านไปถึงลำไส้ใหญ่ เกิดการดึง น้ำออกจากลำไส้ นอกจากนี้แบคทีเรียในลำไส้ยอ่ ยน้ำตาลกลายเป็นก๊าซและกรด ผูป้ ่วยจะเกิด อาการท้องเสียมีลม ไม่สบายท้อง หลังรับประทานนมหรืออาหารทีม่ าจากนม เรียกว่า lactose intolerance ภาพที่ 9 แสดงกลไกการเกิดการแพน้ำตาลแลคโตส (lactose intolerance) (แหลงที่มาภาพ: Rana SV, 2014) โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 9 o น้ำตาลแลคตูโลส (lactulose) ประกอบด้วยน้ำตาลฟรุกโตสและกาแลคโตส เชื่อมกันด้วยพันธะ β1→ β4 ในมนุษย์ไม่มีเอนไซม์ย่อยน้ำตาลชนิดนี้ lactulose จึงนำมาใช้เป็นยาระบาย เนื่องจากไม่ถูกดูดซึม ทำให้น้ำตาลดูดน้ำจากทางเดินลำไส้ทำให้อุจจาระมีมวลมากขึ้น นอกจากนี้ แบคทีเรียในลำไส้ย่อยน้ำตาลกลายเป็นก๊าซและกรด (กรดแลคติด ฟอร์มิก และกรดอะซีติก) ทำให้ สภาวะของลำไส้ใหญ่เป็นกรดลดการดูดกลับของแอมโมเนียในลำไส้ใหญ่ได้ จึงนิยมใช้ lactulose รักษาผูป้ ่วยที่มีปญ ั หาที่ตับแล้วเกิดภาวะแอมโมเนียเกินซึ่งส่งผลต่อสมองได้ (hepatic encephalopathy) o น้ำตาลมอลโตส (maltose) ประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสสองโมเลกุลต่อกัน เชื่อมกันด้วยพันธะ α1→ α4 (α1→4) พบได้ในข้าวมอล์ต บาร์เลต์ หรือระหว่างการงอกของธัญพืช นอกจากนี้ ยังได้จากการย่อยแป้ง (starch) ด้วยเอนไซม์ในน้ำลาย amylase ในระหว่างทานอาหาร 3. โมเลกุลคาร์โบไฮเดรตสายยาว (polysaccharide) ประกอบด้วยหน่วยย่อยของน้ำตาลมากกว่า 10 หน่วย เชื่อมต่อกันด้วยพันธะ glycosidic ทำหน้าทีหลากหลาย เช่น เป็นสารให้พลังงานที่เซลล์เก็บสะสมไว้ โครงสร้างของ สิ่งมีชีวิต ส่วนประกอบของเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน เมื่อพิจารณาตามชนิดของหน่วยย่อยสามารถแบ่งได้เป็น 2 ชนิด คือ โครงสร้างที่มีหน่วยย่อยที่เหมือนกันเรียงต่อกัน (homopolysaccharide) หรือหน่วยย่อยต่างชนิดกันเรียงต่อกัน (heteropolysaccharide) คาร์โบไฮเดรตสายยาวกลุ่ม homopolysaccharide ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นสารให้พลังงานที่เซลล์เก็บ สะสมไว้ หรือ โครงสร้างของสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างและหน้าที่ของ homopolysaccharide ที่พบมาก ได้แก่ o แป้ ง (starch) ประกอบด้ ว ยน้ ำ ตาลกลู โ คสเรี ย งต่ อ กั น ด้ ว ยพั น ธะ α1→4 หากสาย คาร์โบไฮเดรตเรียงต่อกันยาวไม่มีแขนงแยก เรียกว่า amylose พบได้ 20-30% ของปริมาณแป้ง ในพืช หากสายคาร์โบไฮเดรตเรียงต่อกันยาวมีแยกแขนงในทุก ๆ 24-30 หน่วยของสาย ถูกต่อ แขนงด้วยน้ำตาลกลูโคสพันธะ α1→6 จะเรียกว่า amylopectin พบได้ 70-80% ของปริมาณ แป้งในพืช ภาพที่ 10 การเปรียบเทียบ glycosidic bond ระหว่าง amylose (a.) และ amylopectin (b.) (แหล่งที่มาภาพ: Drakoularakou A, 2011) โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 10 o ไกลโคเจน (glycogen) ประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสเรียงต่อกันประมาณ 60,000 หน่วย และมี แขนงแตกย่อยทุก ๆ 8-12 หน่วย โครงสร้างคล้าย amylopectin เชื่อมหน่วยย่อยด้วย ด้วยพันธะ สายตรง α1→4 และแขนง α1→6 ทำหน้าที่เป็นสารเก็บสะสมพลังงานในเซลล์สัตว์ ส่วนใหญ่ จะอยู่ทกี่ ล้ามเนื้อและตับ o เซลลูโลส (cellulose) ประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสเรียงต่อเป็นสายไม่แตกแขนง ด้วยพันธะ β1→4 จากโครงสร้างพันธะดังกล่าวทำให้เกิดพันธะ hydrogen bond ระหว่างโมเลกุลน้ำตาล และระหว่างเส้นใยเซลลูโลส ทำให้เส้นใยมีความแข็งแรง ไม่ละลายน้ำพบมากเป็นโครงสร้างที่ผนัง เซลล์ของพืช ภาพที่ 11 แสดงโครงสร้าง เซลลูโลสและ glycosidic bond และ hydrogen bond (แหล่งที่มาภาพ: Tayeb AH, 2018) o ไคติน (chitin) ประกอบด้วยอนุพันธุ์ของน้ำตาลกลูโคส (น้ำตาลอะมิโน) N-acetyl-D- glucosamine เรียงต่อกันด้วยพันธะ β1→4 พบในโครงสร้างภายนอกของสัตว์กลุม่ สัตว์ขาปล้อง (Arthropoda) ภาพที่ 12 โครงสร้างของไคติน (แหล่งที่มาภาพ: Daraghmeh NH, 2011) o อินูลิน (inulin) เป็นเส้นใยอาหารจากพืชสายสั้น ๆ ประกอบด้วยน้ำตาลฟรุกโตสเรียงต่อกันด้วย พันธะ β1→2 ปิดท้ายด้วยน้ำตาลกลูโคส ร่างกายไม่สามารถย่อยได้จึงช่วยในการระบาย นอกจากนี้ inulin ยังเป็นอาหารของแบคทีเรียในลำไส้ (prebiotic) ป้องกันการเจริญของเชื้อ แบคทีเรียก่อโรค โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 11 ภาพที่ 13 โครงสร้างของอินลู ิน (ดัดแปลงภาพจาก: Drakoularakou A, 2011) คาร์โบไฮเดรตสายยาวกลุ่ม heteropolysaccharide ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็น โครงสร้างของสิ่งมีชีวิต เส้นใยค้ำจุนโครงสร้าง ใช้จำแนกหรือไว้จดจำลักษณะของเซลล์หรือ ช่วยการทำงานของโมลกุลอื่น เมื่อ แบ่ง ตามโครงสร้างองค์ป ระกอบของคาร์โ บไฮเดรตและสารชีวโมเลกุล ร่วมอื่น (glycoconjugated) สามารถแบ่งได้ 4 ชนิด คือ 1. Proteoglycans โครงสร้างที่มีคาร์โบไฮเดรตเป็นองค์ประกอบมาสร้างพันธะกับโปรตีน ส่วน ใหญ่พบในเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน ค้ำจุนเซลล์ 2. Peptidoglycans โครงสร้างที่มีคาร์โบไฮเดรตเป็นองค์ประกอบหลักมาสร้างพันธะกับเปปไทด์ สายสั้น ๆ ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างในเซลล์แบคทีเรีย 3. Glycoprotein โครงสร้างหลักเป็นโปรตีนมาสร้างพันธะกับคาร์โบไฮเดรต ทำให้เกิดการแยก ลักษณะชองโมเลกุลสำหรับการทำงานหรือ ใช้เพื่อการกำจัด 4. Glycolipid โครงสร้างหลักเป็นไขมันสร้างพันธะกับคาร์โบไฮเดรต ทำให้เกิดการแยกลักษณะ ชองโมเลกุลสำหรับการทำงานหรือ ใช้เพื่อการกำจัด ตัวอย่างและหน้าที่ของของคาร์โบไฮเดรตสายยาวกลุ่ม heteropolysaccharide o Proteoglycans สารชี ว โมเลกุ ล ที ่ พ บส่ ว นใหญ่ จ ะเป็ น กลุ ่ ม glycosaminoglycan หรื อ mucopolysaccharides ทำหน้าที่ค้ำจุนเนื้อเยื่อและเซลล์ในร่างกายบริเวณเนื้อเยื่อเกี ่ยวพัน (intracellular tissue) ช่วยให้เซลล์เกาะกัน (cell adhesion) เป็นสารต้านการแข็งตัวของเลือด (anticoagulation) โดยส่วนมากจะประกอบด้วยหน่วยย่อย คือ น้ำตาลกรด (acidic sugar) ชนิด uronic acid และน้ำตาลอะมิโน (amino sugar) เรียงซ้ำ ๆ กัน จากองค์ประกอบดังกล่าวทำให้ โครงสร้างเป็นเส้น มีประจุลบ มีลักษณะอุ้มน้ำ หนืด ตัวอย่างสารได้แก่ ▪ Hyaluronic acid ประกอบด้วย glucuronic acid และ N-acetyl-glucosamines ▪ Chondroitin sulfate ประกอบด้วย glucuronic acid และ N-acetyl-galactosamine- 6-slufate ▪ Heparan sulfate ป ร ะ ก อ บ ด ้ วย iduronic acid แ ล ะ N-sulfo-glucosamine-6- sulfate โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 12 ▪ Dermatan sulfate ประกอบด้วย iduronic acid และ N-acetyl-galactosamine-4- sulfate ▪ Keratan sulfate ประกอบด้วยน้ำตาลกาแลคโทส และ N- acetyl galactosamine ภาพที่ 14 แสดงโครงสร้างหน่วยย่อยของสารชีวโมเลกุลกลุม่ glycosaminoglycan (a.) และการจัดเรียง ตัวของ glycosaminoglycan (GAG) กลุ่มต่าง ๆ ในเนื้อเยื่อเกี่ยวพันโดย GAG จะต่อกับโปรตีนที่กรดอะมิ โน serine (แหล่งทีม่ าภาพ: Victor W. Rodwell, 2018 และ Gandhi NS, 2008.) o Peptidoglycan เป็นคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนสายตรงเชื่อมกับโปรตีนสายสั้น สานเป็นร่างแห่ พบ ผนังของเซลล์แบคทีเรีย ประกอบด้วย น้ำตาลหน่วยย่อย 2 ชนิดเรียงซ้ำกัน คือ N- acetylglucosamine (NAG) และ N-acetylmuramic acid (NAM) ด้วยพันธะ β1→4 (ภาพที่ 15a.) โดยตำแหน่งกรด –COOH ของ (NAM) จะสร้างพันธะ peptide กับ alanine ของสาย peptide ทำให้เกิดเป็นร่างแห่ (b.) แบคทีเรียสามารถแบ่งเป็น 2 ชนิด ตามโครงสร้างของผนัง เซลล์และขนาดของชั้น peptidoglycan ได้จากการย้อมสี gram stain ได้แก่ แบคทีเรียแกรมบวก ย้อมได้สีม่วง เนื่องจากมีชั้น peptidoglycan หนาทำให้ล้างสี crystal violet ไม่ออก ส่วน แบคทีเรียแกรมลบมีชั้น peptidoglycan น้อยทำให้ชะสี crystal violet ออกหมดเมื่อย้อมต่อด้วย สีแดงของ safranin ทำให้ติดสีแดง (c.) โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 13 ภาพที่ 15 แสดงโครงสร้าง peptidoglycan (ดัดแปลงภาพจาก: David L Nelson, 2006, Goyal AK, 2017 และ ) o Glycoprotein เป็นโมเลกุลที่เชื่อมกันระหว่างโปรตีนเป็นหลักและคาร์โบไฮเดรตด้วยพันธะโควา เลนส์ ได้แก่ N-glycosidic bond เชื่อมกับกรดอะมิโน asparagine และ O-glycosidic bond เชื่อมกับกรดอะมิโน serine, threonine, hydroxylysine และ hydroxyproline เมื่อเปรียบ เที่ยบกับ peptidoglycan พบว่า glycoprotein จะมีโครงสร้างการจัดเรียงตัวของน้ำตาลได้ หลากหลายไม่เป็นชุดซ้ำ ทัง้ ชนิดของน้ำตาลที่ต่างกัน และตำแหน่งของ carbon ในโมเลกุลน้ำตาล ที่ใช้สร้างพันธะ ทำให้พบหน้าทีห่ ลากหลายกว่าเป็นโครงสร้างของเซลล์ ทัง้ เป็นส่วนประกอบใน เอนไซม์ โครงสร้างคอลลาเจน สารหล่อลื่น ควบคุมการทำงานของฮอร์โมน ตัวรับที่ผิวเซลล์ เป็น ต้น การสร้าง glycoprotein จะเริม่ สร้างสายโปรตีนก่อนที่บริเวณ rough endoplasmic reticulum (RER) จากนั้นจะทำการเติมคาร์โบไฮเดรตที่ endoplasmic reticulum และ Golgi apparatus ด้วยเอนไซม์ glycosyltransferase หรือ บางกรณี glycoprotein เกิดได้เองโดยไม่ ผ่านการทำงานของเอนไซม์ ส่วนใหญ่จะเกิดกับน้ำตาลกลูโคส เช่น การเติมน้ำตาลที่ hemoglobin A ในเม็ดเลือดแดง เรียกว่า HbA1c เป็นกระบวนการทีบ่ อกว่าร่างกายมีระดับ น้ำตาลในเลือดมากหรือน้อยในช่วงนั้น ในคนปกติจะมีระดับ HbA1c ในเลือดไม่เกิน 6.0 mg% ภาพที่ 16 แสดงพันธะ N-glycosidic bond ระหว่างน้ำตาลและกรดอะมิโ น serine (a) และ พั น ธะ O-glycosidic bond ระหว่างน้ำตาลและกรดอะมิโ น asparagine (b) (แหล่ ง ที ่ ม าภาพ: David L Nelson, 2006) โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 14 o Glycolipid เป็นโมเลกุลที่เชื่อมกันระหว่างไขมันและคาร์โบไฮเดรต โดยส่วนใหญ่ไขมันจะพบ มากในเยื่อหุ้มเซลล์ ภาพที่ 17 มีส่วนประกอบทั้งไขมัน โปรตีนและ คาร์โบไฮเดรต (ซึ่งจะต่อรวม กับไขมันและโปรตีน) เมื่อดูที่องค์ประกอบหลักของไขมันที่มีในเยื่อหุ้มเซลล์ จะพบไขมันกลุ่ม glycerophospholipids (ประกอบด้ ว ย glycerol กรดไขมั น 2 โมเลกุ ล และ ส่ ว นมี ข ั ้ ว ที่ ประกอบด้วย phosphate), sphingolipids (ประกอบด้วย sphingosine กรดไขมัน 1 โมเลกุล และ ส่ ว นมี ข ั ้ ว ที ่ ป ระกอบด้ ว ย phosphate) และ cholesterol (โครงสร้ า งเป็ น วงแหวน hydrocarbon เรียงต่อกัน 4 วง มีความเป็นขั้วต่ำ ส่วนใหญ่จะเรียงตัวอยู่ในส่วนไม่มีขั้วที่ห มู่ alkyl chain ของกรดไขมัน) โมเลกุลของน้ำตาลส่วนใหญ่มักเชื่อมต่อกับ sphingolipid เรียกว่า glycosphingolipids (glycolipid) ซึ่ ง ประกอบด้วย sphingosine กรดไขมัน 1 โมเลกุล และ ส่วนที่คือ carbohydrate ตัวอย่างของ glycolipid ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานหรือการเกิดโรคเช่น โรค Gaucher's disease เป็นโรคทางพันธุก รรมพบในคนที่ม ีเ อนไซม์ glucocerebrosidase ผิ ด ปกติ ทำให้ glucocerebroside (ประกอบด้ว ย กลู โ คส กรดไขมั นและ sphingosine) มี ลัก ษณะเฉพาะคือมีการสะสมของ glucocerebroside ในเซลล์แมคโครฟาจ และจะสะสมไข กระดูก ตับ ม้าม ปอด ทำให้เกิด ภาวะซีด เกล็ดเลือดต่ำ ตับมามโต อาการปวดกระดูก หาก เป็ น มากผู ้ ป ่ ว ยจะมี อ าการทางประสาทร่ ว มด้ ว ย glycolipid ชนิ ด glalactocerebroside (ประกอบด้วย กาแลคโตส กรดไขมันและ sphingosine) พบมากใน myelin ในเซลล์ประสาท หรือการที่ร่างกายใช้ความแตกต่างของ glycolipid ในการจดจำเซลล์ เช่นการแบ่งชนิดเลือ ด (blood typing) การเติมชนิดของน้ำตาลต่างชนิดกันทำให้เซลล์มีการจดจำและจำแนก antigen ที่ผิวเม็ดเลือดต่างกัน มีผลต่อการให้เลือด เป็นต้น ภาพที่ 17 แสดงชนิดของไขมันที่พบได้ในเยื่อหุ้มเซลล์ แยกได้เป็น กลุม่ phospholipid (glycerol กรดได้มัน และหมู่ phosphate ในโมแลกุล) ซึ่งมีหลายชนิดขึ้นกับสารชีวโมเลกุลที่ เชื่อมต่อกับหมู่ phosphate กลุ่ม sphingolipids โครงสร้างโมเลกุลคล้ายกันแต่เปลี่ยนจาก glycerol เป็น sphingosine แทน โดยหากหมู่ทมี่ ีขั้วเปลี่ยนจาก phosphate เป็นน้ำตาลจะ เรียกว่าเป็นกลุ่ม glycolipid (แหล่งทีม่ าภาพ: David L Nelson, 2006) โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 15 ภาพที่ 18 แสดงโครงสร้าง glycolipid ซึ่งเป็น antigen ทีผ่ วิ เซลล์เม็ดเลือดใช้ในการจำแนกชนิด ของเลือด จากภาพ oligosaccharides ทีเ่ ป็นโครงสร้างหลักคือ น้ำตาลกลูโคส กาแลคโตส น้ำตาลอะมิโน N-Acetylgalactosamine กาแลคโตส และ ฟรุกโตส (เป็น O antigen คือหมู่ เลือด O) หากมี N-Acetylgalactosamine เติมจะเป็น A antigen คือหมูเ่ ลือด A หรือ หากมี กา แลคโตส เติมจะเป็น B antigen คือหมู่เลือด B (แหล่งที่มาภาพ: David L Nelson, 2006) เอกสารอางอิง 1. Daraghmeh NH, Chowdhry BZ, Leharne SA, Al Omari MM, Badwan AA. Chitin. Profiles Drug Subst Excip Relat Methodol. 2011;36:35-102. 2. David L Nelson, Michael M Cox, Aaron A Hoskins. Lehninger Principle of Biochemistry. 4th ed. New York: W. H. Freeman and Company; 2006. 3. Drakoularakou A, Rastall R, Gibson G. 19 - Functional foods for the gut: probiotics, prebiotics and synbiotics. In: Saarela M, editor. Functional Foods (Second Edition): Woodhead Publishing; 2011. p. 449-70. 4. Gandhi NS, Mancera RL. The structure of glycosaminoglycans and their interactions with proteins. Chem Biol Drug Des. 2008;72(6):455-82. 5. Goyal AK, Bhat M, Sharma M, Garg M, Khairwa A, Garg R. Effect of green tea mouth rinse on Streptococcus mutans in plaque and saliva in children: An in vivo study. J Indian Soc Pedod Prev Dent. 2017;35(1):41-6. 6. John Tymoczko; Jeremy M. Berg; Gregory J. Gatto Jr.; Lubert Stryer. Biochemistry: A Short Course. 4th ed. New York: W. H. Freeman and Company; 2019. 7. Jorgensen PL, Karlish SJ, Maunsbach AB. [Status report on the research of Na,K-ATPase, Ca-ATPase and other P-type cation pumps]. Ugeskr Laeger. 2004;166(20):1886-8. 8. Lopes JF, Gaspar EM. Simultaneous chromatographic separation of enantiomers, anomers and structural isomers of some biologically relevant monosaccharides. J Chromatogr A. 2008;1188(1):34-42. โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์ 1502 203 ชีวเคมีและพันธุศาสตร์สำหรับนักศึกษาเภสัชศาสตร์ 16 9. MIM Thailand. Generic Medicine Info (Sucralfate) [Internet]. 2022 [cited 20 Feb 2022] Available from: https://www.mims.com/thailand/drug/info/sucralfate?mtype=generic 10. N. V. Bhagavan, Chung-Eun Ha. Essential of Medical Biochemistry. 2nd ed. Massachusetts: Academic Press; 2015 11. PubChem [Internet]. Bethesda (MD): National Library of Medicine (US), National Center for Biotechnology Information; 2004-. PubChem Compound Summary for CID 6032, Kanamycin; [cited 2022 Feb. 22]. Available from: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Kanamycin 12. Rana SV, Malik A. Breath tests and irritable bowel syndrome. World J Gastroenterol. 2014;20(24):7587-601. 13. Tayeb AH, Amini E, Ghasemi S, Tajvidi M. Cellulose Nanomaterials-Binding Properties and Applications: A Review. Molecules. 2018;23(10). 14. Victor W. Rodwell, David A. Bender, Kathleen M. Botham, Peter J. Kennelly, P. Anthony Weil. Harper's Illustrated Biochemistry. 31st ed. New York: McGraw-Hill Education; 2018 โครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์โบไฮเดรต ไพจิตร ศรีธนานุวัฒน์