สิ่งมีชีวิตในโลกมีรูปร่างและโครงสร้างแตกต่างกันมากมาย เช่น พืช สัตว์ ทำให้เราสามารถแยกสิ่งมีชีวิตเป็นชนิดต่างๆ ได้ แต่ว่าถึงแม้จะแตกต่างกัน สิ่งมีชีวิตเหล่านั้นก็ล้วนประกอบขึ้นด้วยหน่วยพื้นฐานที่เล็กที่สุดเรียกว่า เซลล์ ภายในเซลล์ทุกชนิดมีโครงสร้าง ที่ประกอบด้วยโมเลกุลของสารเคมีหลายชนิด โมเลกุลของสารเหล่านี้เกิดจากโครสร้างพื้นฐานที่เล็กที่สุด คืออะตอมธาตุที่พบมากได้แก่ คาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน ออกซิเจน ซึ่งมีการรวมกันเป็นโมเลกุล โมเลกุลบางชนิดมีขนาดใหญ่มาก เช่น โปรตีน ลิพิด คาร์โบไฮเดรตและกรดนิวคลีอิก เป็นต้น ประกอบกันเป็นโครงสร้างที่ทำหน้าที่ต่างกัน สารต่างๆ ในร่างกายของเรามีโครงสร้างที่เหมือนกันหรือแตกต่างกันอย่างไร โครงสร้างของสารเหล่านี้มีผลต่อการทำงานของเซลล์หรือไม่ อย่างไร และสารเหล่านี้มีการสลายตัวและมีการรวมตัวกันเป็นสารชนิดใหม่ได้อย่างไร คำถามที่กล่าวมานี้นักเรียนจะได้ศึกษาเพื่อค้นหาคำตอบจากบทเรียนนี้
นักวิทยาศาสตร์มีความสนใจที่จะศึกษาว่าสิ่งมีชีวิตประกอบด้วยสารใดบ้าง มากน้อยแค่ไหน จากการศึกษาพบว่าเซลล์ในร่างกายของคนประกอบด้วยสารหลายชนิด และสารเหล่านี้มีปริมาณที่แตกต่างกันดังภาพที่ 1 ในสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกัน จะมีปริมาณของสารแตกต่างกัน เช่น พืชและสัตว์ก็จะมีปริมาณของสารต่างๆ ไม่เท่ากัน นอกจากนี้ยังพบว่าสารเหล่านี้ บางประเภทมีธาตุไฮโดรเจนและคาร์บอนเป็นองค์ประกอบและบางประเภทไม่มี นักวิทยาศาสตร์จึงได้จำแนกสารออกได้เป็น 2 ประเภท คือ สารอนินทรีย์ (inorganic substance) เช่น แป้ง ไกลโคเจน เซลลูโลส น้ำตาล วิตามิน ลิพิด โปรตีน และกรดนิวคลีอิก เป็นต้น ซึ่งเป็นสารที่มีธาตุคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ สารอนินทรีย์
สารอนินทรีย์ที่เป็นองค์ประกอบของเซลล์ของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด สารบางอย่างมีปริมาณมาก เช่น น้ำบางอย่างมีปริมาณน้อยแต่ล้วนมีความสำคัญต่อการดำรงชีวิตของเซลล์ นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป
สารอินทรีย์ จากที่กล่าวมาแล้วว่า สารอินทรีย์เป็นสารที่มีธาตุคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ นอกจากนี้สารอินทรีย์ส่วนใหญ่ ยังมีธาตุออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ และสารอินทรีย์บางชนิดอาจมีไนโตรเจนฟอสฟอรัส และกำมะถันเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย สารอินทรีย์ที่พบในสิ่งมีชีวิต เรียกว่า สารชีวโมเลกุล (biological molecule) สารอินทรีย์
จากที่กล่าวมาแล้วว่า สารอินทรีย์เป็นสารที่มีธาตุคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ นอกจากนี้สารอินทรีย์ส่วนใหญ่ ยังมีธาตุออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ และสารอินทรีย์บางชนิดอาจมีไนโตรเจนฟอสฟอรัส และกำมะถันเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย สารอินทรีย์ที่พบในสิ่งมีชีวิต เรียกว่า สารชีวโมเลกุล (biological molecule) นักเรียนสงสัยหรือไม่ว่า ธาตุคาร์บอนและไฮโดรเจนรวมตัวกับธาตุอื่นก่อให้เกิดสารอินทรีย์อะไรบ้างอย่างไร คาร์บอนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 4 การรวมกับอะตอมของธาตุอื่น เกิดขึ้นจากการสร้างพันธะโคเวลนท์ โดยการใช้อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ ซึ่งเป็นได้ทั้งพันธะเดี่ยว พันธะคู่ และพันธะสาม เช่น การสร้างพันธะเดี่ยวของอีเทน พันธะคู่ของเอทิลีน และพันธะสามของอะเซทิลีน
คาร์โบไฮเดรต เป็นสารอินทรีย์ที่ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจนและออกซิเจน มีอัตราส่วนของอะตอมไฮโดรเจนต่อ ออกซิเจนเท่ากับ 2 :1 และมีสูตรโมเลกุลทั่วไปเป็น (CH2O)n โดย n มีค่าตั้งแต่ 3 ขึ้นคาร์โบไฮเดรตที่เรารู้จักกันดีคือ น้ำตาลชนิดต่างๆ และแป้ง สามารถแบ่งคาร์โบไฮเดรตตามขนาดของโมเลกุลได้เป็น 3 พวก ใหญ่ๆ คือ มอโนแซ็กคาไรด์ (monosaccharide) โอลิโกแซ็กคาไรด์ (oligosaccharide) และพอลิแซ็กคาไรด์ (polysaccharide)
โปรตีน เป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ประกอบขึ้นจากหน่วยย่อยๆ ที่เรียกว่า กรดอะมิโน (amino acid) ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจนและไนโตรเจน นอกจากนี้ โปรตีนบางชนิดอาจประกอบด้วยอะตอมของธาตุอื่นๆ อีกเช่น ฟอสฟอรัส เหล็กและกำมะถัน เป็นต้น กรดอะมิโน หมายถึง สารอินทรีย์ที่มีหมู่คาร์บอนิล (- COOH) และหมู่อะมิโน (- NH2) รวมอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน กรดอะมิโนส่วนใหญ่จะเป็น - amino acid R อาจจะเป็นไฮโดรเจน , หมู่อัลคิล ทั้งที่เป็นไฮโดรคาร์บอนแบบโซ่ตรงและโซ่กิ่ง ไฮโดรคาร์บอนที่เป็นวงแหวน หรือเป็นสารอินทรีย์ที่มีธาตุอื่น ๆ เช่น S และ P อยู่ด้วยก็ได้ จำนวนหมู่ -COOH และ - NH2 ในกรดอะมิโนจะมีมากกว่า 1 หมู่ก็ได้ กรดอะมิโนประกอบด้วย 2 ส่วน ส่วนในกรอบสี่เหลี่ยมซึ่งเหมือนกันในกรดอะมิโนทุกชนิด ส่วนที่อยู่ในกรอบสี่เหลี่ยมจะประกอบด้วยหมู่อะมิโนและหมู่คาร์บอกซิลส่วนที่อยู่นอกกรอบสี่เหลี่ยมจะเป็นส่วนที่แตกต่างกันระหว่างกรดอะมิโนชนิดต่างๆ ซึ่งปกติจะใช้สัญลักษณ์ R
จากการศึกษากรดอะมิโนในพืชและสัตว์นักวิทยาศาสตร์พบว่า มีกรดอะมิโนอยู่ประมาณ 20 ชนิด ที่เป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของสิ่งมีชีวิตทั่วไป สิ่งมีชีวิตใช้กรดอะมิโนเป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์โปรตีน กรดอะมิโนบางชนิด เช่น ไกลซีน แอสปาราจีน และกรดกลูตามิก เป็นต้น ร่างกายสามารถสังเคราะห์ขึ้นได้เอง แต่มีกรดอะมิโนบางชนิดร่างกายไม่สามารถสังเคราะห์ขึ้นเองได้ ต้องรับจากภายนอกเข้าไป มีทั้งสิ้น 8 ชนิดรวมเรียกว่า “กรดอะมิโนจำเป็น” (essential amino acid) เป็นกรดอะมิโนที่จำเป็นสำหรับมนุษย์ ได้แก่ เมไทโอนีน ,ทรีโอนีน , ไลซีน , เวลีน , ลิวซีน , ไอโซลิวซีน ,เฟนิลอะลานีน และทริปโตเฟน สำหรับเด็กทารกยังต้องการฮิสติดีนเพิ่มขึ้นอีก 1 ชนิด ซึ่งจำเป็นสำหรับการเจริญเติบโต สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีความต้องการกรดอะมิโนไม่เหมือนกัน เช่น แบคทีเรียบางชนิดสามารถสร้างกรดอะมิโนที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตได้เอง ทำให้ไม่ต้องการกรดอะมิโนในรูปของสารอาหาร กรดอะมิโนที่ร่างกายต้องการและสังเคราะห์ขึ้นเองไม่ได้ต้องได้รับจากอาหาร เรียกว่า กรดอะมิโนที่จำเป็น ดังตารางที่ 3 ส่วนกรดอะมิโนที่ร่างกายสามารถสังเคราะห์ได้เอง เรียกว่า กรดอะมิโนที่ไม่จำเป็น แต่ถึงอย่างไรร่างกายของคนเราก็ต้องการกรดอะมิโนทั้งสองชนิด คนเราต้องการกรดอะมิโนที่จำเป็น 8-10 ชนิด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับช่วงอายุ อาร์จีนีนและฮีสทิดีน เป็นกรดอะมิโนที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโต และพัฒนาการในวัยเด็ก กรดอะมิโนแต่ละชนิดสามารถต่อกันได้ด้วยพันธะโคเวเลนที่มีชื่อเฉพาะว่า พันธะเพปไทด์ (peptide bond) โครงสร้างซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโนที่ต่อกันเป็นสายนี้เรียกว่า เพปไทด์
โมเลกุลของฮีโมโกลบิน การที่โปรตีนแต่ละชนิดมีสมบัติแตกต่างกัน เนื่องจากมีลำดับของการเรียงตัวและจำนวนกรดอะมิโนแตกต่างกัน หน้าที่ของโปรตีนภายในเซลล์จึงมีความหลากหลาย บางชนิดทำหน้าที่เป็นโครงสร้างของเซลล์ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ ควบคุมการทำงานของร่างกาย ทำหน้าที่เกี่ยวกับภูมิคุ้มกัน เป็นต้น ในสิ่งมีชีวิตต่างๆ โปรตีนที่มีหน้าที่คล้ายกันจะมีลำดับของกรดอะมิโนบางส่วนคล้ายคลึงกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสิ่งมีชีวิตที่มีบรรพบุรุษร่วมกัน ประเภทของโปรตีน การที่โปรตีนเกิดจากกรดอะมิโนเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเพปไทด์จำนวนมาก กรดอะมิโนเหล่านี้ต่อกันในลักษณะต่าง ๆ ทำให้เกิดโครงสร้างสามมิติ จึงอาจแบ่งโปรตีนออกเป็น 2 ลักษณะคือโปรตีนเส้นใย และโปรตีนก้อนกลม เช่น เคราตินเป็นโปรตีนที่พบในขนสัตว์ เขาสัตว์ เส้นผม และเล็บ เป็นพวกโปรตีนเส้นใย คอลลาเจน ซึ่งเป็นส่วนประกอบในเนื้อเยื่อของสัตว์ที่มีกระดูกสันหลังก็เป็นโปรตีนเส้นใย ส่วนเอมไซม์ แอนติบอดี ฮอร์โมน และฮีโมโกลบิน เป็นโปรตีนก้อนกลม ความสำคัญของโปรตีนต่อร่างกาย โปรตีนเป็นอาหารที่สำคัญและจำเป็นต่อร่างกายเช่นเดียวกับคาร์โบไฮเดรตและไขมัน โปรตีนที่รู้จักกันดี ได้แก่ อัลบูมิน (albumin) และ เจลลาติน (gelatin) เมื่อร่างกายได้รับโปรตีนเข้าไปจะเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส โดยมีเอมไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ได้เป็นกรดอะมิโนซึ่งเป็นโมเลกุลที่เล็กที่สุด และเป็นส่วนประกอบที่ร่างกายสามารถนำไปใช้ได้ โปรตีนนอกจากจะเป็นแหล่งพลังงานและช่วยทำให้ร่างกายเจริญเติบโต ซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอแล้ว ยังพบว่าโปรตีนยังมีหน้าที่สำคัญอื่น ๆ ในร่างกายอีก โดยขึ้นอยู่กับชนิดของโปรตีน เช่น ไมโอซิน (myosin) เป็นส่วนของกล้ามเนื้อ คอลลาเจน (collagen) เป็นส่วนของเอ็นซึ่งช่วยในการเคลื่อนไหว เปปซิน (pepsin) เป็นเอนไซม์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการเกิดไฮโดรลิซิสของโปรตีน ฮีโมโกลบิน (haemoglobin) เป็นส่วนที่ทำหน้าที่นำออกซิเจน จากปอดผ่านเส้นโลหิตไปยังส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย โกลบูลิน (globulin) อยู่ในโลหิตทำหน้าที่เป็นแอนติบอดี (antibody) อินซูลิน (insulin) ทำหน้าที่เป็นฮอร์โมนควบคุมกระบวนการเมตาบอลิซึมในร่างกาย นอกจากนี้โปรตีนยังเป็นส่วนประกอบของผิวหนัง ผม และเล็บ สรุปหน้าที่ของโปรตีน
1. ช่วยในการเจริญเติบโต
2. เป็นเหล่งพลังงาน
3. ทำหน้าที่เอนไซม์เร่งให้เกิดปฏิกิริยาเตมีภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต
4. เป็นโครงสร้างของเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ เป็นองค์ประกอบของโครโมโซม
5. เป็นภูมิคุ้มกันของร่างกาย
ลิพิด เป็นสารประกอบที่ละลายได้น้อยในน้ำ แต่ละลายได้ดีในตัวทำละลายที่เป็นสารอินทรีย์ เช่น อีเทอร์ เบนซีน คลอโรฟอร์มและเอทานอล เป็นต้น ลิพิดประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจนและออกซิเจน แต่มีอัตราส่วนจำนวนอะตอมของไฮโดรเจนต่อออกซิเจนไม่เท่ากับ 2: 1 เหมือนคาร์โบไฮเดรต ลิพิดมีหลายชนิด เช่น ไขมัน (fat) น้ำมัน (oil) ฟอสโฟลิพิด (phospholipid) ไข (wax) และสเตรอยด์ (steroid) ลิพิดมีโครงสร้างพื้นฐานทางเคมีหลายแบบ
ลิพิดให้พลังงานมากกว่าคาร์โบไฮเดรตและโปรตีนที่มีน้ำหนักเท่ากัน และยังป้องกันการสูญเสียน้ำ เป็นฉนวนช่วยควบคุมอุณหภูมิของร่างกาย และป้องกันการกระทบกระแทกของอวัยวะภายใน
ลิพิด แบ่งตามโครงสร้าง ได้เป็น 3 ชนิด คือ ลิพิดเชิงเดี่ยว (simple lipid) ลิพิดเชิงซ้อน (complex lipid) และอนุพันธ์ลิพิด (derived lipid)
กรดนิวคลีอิก (nucleic acid) เป็นสารชีวโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ทำหน้าที่เก็บและถ่ายทอด ข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต จากรุ่นหนึ่งไปยังรุ่นต่อไปให้แสดงลักษณะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ยังทำหน้าที่ควบคุมการเจริญเติบโตและกระบวนการต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตกรดนิงคลีอิกมี 2 ชนิดคือ
DNA (deoxyribonucleic acid) และ RNA (ribonucleic acid) โมเลกุลของกรดนิวคลีอิก ประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์ (nucleotide)
ก. โมเลกุลของนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยส่วนย่อย 3 ส่วน ได้แก่ หมู่ฟอสเฟต น้ำตาลที่มีคาร์บอน 5 อะตอม และเบสที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบนิงคลีโอไทด์มีอยู่ด้วยกัน 5 ชนิด แตกต่างกันตามส่วนประกอบที่เป็นเบส
นอกจากนี้นิวคลีโอไทด์ยังเป็นสารให้พลังงาน เช่น ATP (adenosine triphosphate) นิวคลีโอไทด์จะเรียงตัวต่อกันเป็นสายยาว เรียกว่า พอลินิวคลีโอไทด์ (polynucletide) โมเลกุล DNAประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย เรียงตัวสลับทิศทางกันและมีส่วนของเบสเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน โมเลกุลบิดเป็นเกลียวคล้ายบันไดเวียนส่วน RNA เป็นพอลินิวคลีโอไทด์เพียงสายเดียว DNA และ RNA มีน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบต่างกัน ใน DNA เป็นน้ำตาลดีออกซีไรโบส (deoxyribose sugar) ส่วนใน RNA เป็นน้ำตาลไรโบส (ribose sugar) เบสที่พบใน DNA และ RNA มีบางชนิดที่เหมือนกัน และบางชนิดต่างกัน ซึ่งนักเรียนจะได้ศึกษาในบทเรียนชีววิทยาต่อไป
วิตามิน หมายถึง กลุ่มของสารอินทรีย์ที่จำเป็นต่อการดำงรงชีวิตให้เป็นปกติอยู่ได้ วิตามินร่างกายต้องการเพียงเล็กน้อย แต่เนื่องจากร่างกายสังเคราะห์ไม่ได้จึงต้องได้รับจากอาหาร คำว่า วิตามิน (vitamin) มาจากคำว่า vita แปลว่า ชีวิต และคำว่าเอมีน (amine) ซึ่งพบเป็นสารตัวแรกและเข้าใจว่าวิตามินเป็นสารพวกเอมีน จึงใช้คำว่า vitamine ต่อมามีการค้นพบเพิ่มขึ้นและพบว่าวิตามินไม่ใช่สารเอมีนเสมอไป จึงตัด e ออกเหลือคำว่า vitamin
วิตามินเป็นสารชีวโมเลกุลที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิต มีหน้าที่ควบคุมการทำงานต่างๆ ในร่างกายให้เป็นปกติ ร่างกายต้องการวิตามินในปริมาณที่น้อยมาก แต่ถ้าขาดไปจะทำให้มีอาการผิดปกติ วิตามินเป็นสารที่ไม่ให้พลังงานแก่ร่างกาย และไม่เป็นองค์ประกอบของเนื้อเยื่อร่างกาย แต่เป็นองค์ประกอบที่สำคัญต่อการทำงานของโปรตีน และเอนไซม์ต่างๆ วิตามินจำแนกได้เป็น 2 ประเภท
วิตามินแต่ละประเภทที่พบยังแบ่งออกเป็นชนิดย่อยๆ ได้อีกหลายชนิด ชนิดที่พบมากที่สุด คือ วิตามิน บี (B complex) มีประมาณเกือบ 20 ชนิด แต่ที่ทราบสูตรโครงสร้างแล้วมีประมาณ 10 ชนิด เช่น วิตามิน B1 (thiamine) วิตามิน B2 (riboflavin) กรดโฟลิก (folic acid) ไนอะซิน (niacin) ไบโอทิน (biotin) วิตามิน B12 (conalamin หรือ cyanocobalamin) เป็นต้น สารอาหารเหล่านี้เมื่อเข้าสู่ร่างกายจะถูกลำเลียงไปสู่เซลล์ซึ่งเซลล์นำสารอาหารไปใช้ในกระบวนการต่างๆ ซึ่งเป็นปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ สิ่งที่น่าสงสัยคือ ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นได้อย่างไร วิตามิน เป็นสารอาหารที่ไม่ให้พลังงาน ร่างกายต้องการวิตามินในปริมาณที่น้อยมากเมื่อเทียบกับความต้องการสารอาหารประเภทที่ให้พลังงาน แต่ร่างกายขาดวิตามินไม่ได้ ถ้าร่างกายขาดวิตามินจะทำให้ผิดปกติไปแต่ถ้าได้รับในปริมาณที่มากเกินไปจะเกิดโทษต่อร่างกาย ประโยชน์ของวิตามินที่มีต่อร่างกายมีดังนี้
1. ช่วยในการควบคุมอวัยวะต่าง ๆของร่างกายให้ทำหน้าที่ปกติ
2. ช่วยบำรุงผิวพรรณ ผม เหงือก และตาให้ดูสวยงามและสดชื่น
3. ช่วยสร้างเซลล์ให้เจริญเติบโตและเพิ่มความต้านทานโรคของร่างกาย
วิตามินแบ่งเป็น 2 ชนิดคือ
1. พวกที่ละลายในไขมันได้แก่ วิตามินเอ วิตามิน อี วิตามินดีและวิตามิน เค
2. พวกที่ละลายในน้ำได้แก่ วิตามินบี วิตามินซี
