บทที่ 2 คาร์โบไฮเดรต¸šทที่ 2.1...บทที่ . 2....
TRANSCRIPT
บทท 2 คารโบไฮเดรต
บทนา
คารโบไฮเดรตเปนชวโมเลกลทมมากทสดในโลก เปนสารประกอบพวกโพลไฮดรอกซอลด
ไฮด หรอโพลไฮดรอกซคโตน ซงประกอบดวยหมคารบอนล (-C=O) และหมไฮดรอกซ (-OH) อยใน
โมเลกลเดยวกน โดยมสตรโมเลกลเปน Cn(H2O)n
หนาทของคารโบไฮเดรต
คารโบไฮเดรตทาหนาทเปนแหลงสะสมพลงงาน ไดแก แปง ในพช และไกลโคเจน ในตบ
คารโบไฮเดรตยงทาหนาทเปนโครงสรางหลกของสงมชวต ไดแก เซลลโลส ในพช และไคตน ใน
สตวมเปลอก ซงเปนโพลเมอรของคารโบไฮเดรตทไมละลายนา นอกจากนนยงพบคารโบไฮเดรต
เปนสวนประกอบของสารตาง ๆ ภายในสงมชวต ไดแก ไกลโคซามโนไกลแคน เปนสวนประกอบ
ของสารทใชในการหลอลนขอตอของกระดกตาง ๆ หรอเปปตโดไกลแคน ซงเปนสวนคารโบไฮเดรต
ทพบในผนงเซลลของแบคทเรย และยงพบคารโบไฮเดรตทาหนาทเปนสวนประกอบหลกของกรด
นวคลอกอกดวย ไดแก นาตาลไรโบส พบใน RNA และนาตาลดออกซไรโบส พบใน DNA
คารโบไฮเดรตเชอมกบโปรตน เรยกวาไกลโคโปรตน คารโบไฮเดรตเชอมกบไลปด เรยกวา
ไกลโคไลปด ดวยพนธะโควาเลนท พวกนทาหนาทเปนตวสญญาณ ในการกาหนดตาแหนง
ภายในเซลล หรอมสวนชวยในการจดจาและการยดเกาะกนของเซลล
ชนดของคารโบไฮเดรต
ชนดของคารโบไฮเดรตแบงออกไดเปน 3 กลมใหญ ๆ ตามลกษณะความซบซอนของ
โครงสราง คอ โมโนแซคคาไรด โอลโกแซคคาไรด และ โพลแซคคาไรด คาวาแซคคาไรด
(saccharide) มาจากภาษากรก (sakcharon) มความหมายวานาตาล
CH2OH
C
C
O
CH2OH
OHH
CH
C
C
OH
C
OHH
CH2OH
H
H OH
O
1. โมโนแซคคาไรด (Monosaccharides) คารโบไฮเดรตทมขนาดเลกทสด มโครงสราง
แบบงาย ๆ ทไมสามารถสลายใหเลกลงตอไปดวยวธไฮโดรไลซส ประกอบดวยหมอลดไฮด หรอค
โตนเพยงหนงหม โมโนแซคคาไรดทพบมากทสดในธรรมชาต ไดแก D-Glucose ซงเปนนาตาลทม
คารบอน 6 อะตอม
2. โอลโกแซคคาไรด (Oligosaccharides) โอลโกแซคคาไรด ประกอบดวยโมโนแซคคา
ไรดหลายหนวยตอกนดวยพนธะไกลโคซดค ทพบมากทสดไดแก ไดแซคคาไรด ซงเปนโมโนแซค
คาไรด 2 หนวยตอกน ในเซลลของสงมชวตจะพบโอลโกแซคคาไรดทประกอบดวยโมโนแซคคาไรด
ตงแต 3 หนวยตอกน แตไมพบอยในรปอสระ มกรวมตวอยกบไลปดหรอโปรตน
3. โพลแซคคาไรด (Polysaccharides) โพลเมอรของโมโนแซคคาไรดทตอกนมากกวา
20 หนวย เรยกวา โพลแซคคาไรด ซงจานวนหนวยทตออาจมมากกวาพนหนวยของนาตาลโมเลกล
เดยว โครงสรางทเกดขนมทงในรปเสนตรง (linear) หรอแยกเปนกง (branch)
โมโนแซคคาไรด
โมโนแซคคาไรดเปนสารไมมส มรสหวาน ละลายในนาไดดแตไมละลายในสารละลายไมม
ข ว เปนนาตาลทมโครงสรางงายทสด ประกอบดวยหมอลดไฮดหรอคโตนเพยงหนงหม และหมไฮ
ดรอกซหลายหม โมโนแซคคาไรดทมคารบอน 6 อะตอม เชน กลโคส หรอฟรกโตส จะมหมไฮดรอก
ซ 5 หม คารบอนอะตอมทมหมไฮดรอกซมาเชอมมกเปนคารบอนทไมสมมาตร ซงทาใหนาตาลม
สเตอรโอไอโซเมอรไดหลายแบบในธรรมชาต สตรโมเลกลของโมโนแซคคาไรดคอ Cn(H2O)n
เมอ n = 3 ขนไป (เมอ n เทากบ 1 จะได formaldehyde ซงเปนกาซพษ และเมอ n เทากบ 2 จะได
กรดอะซตคหรอเมทธลฟอรเมต)
อลโดสและคโตส
โครงสรางหลกของโมโนแซคคาไรดโดยทวไป เปนสายคารบอนเชอมกนเปนเสนตรงดวย
พนธะเดยว โมโนแซคคาไรดหนงโมเลกลในรปของโครงสรางวงทเปด (open chain ring) จะม
คารบอนหนงอะตอมทาปฏกรยากบออกซเจนดวยพนธะคตรงหมคารบอนนล (-C=O) ถาหมคารบอ
นลอยทปลายของสายคารบอนเรยกโมโนแซคคาไรดนนวาอลโดส ถาหมคารบอนลอยทตาแหนงอน
ในสายคารบอน เรยกโมโนแซคคาไรด วาคโตส โมโนแซคคาไรดขนาดเลกทสด คอ ไตรโอส
(triose) ประกอบดวยคารบอน 3 อะตอม ซงมได 2 รปแบบคอ กลเซอรอลดไฮด (glyceraldehyde)
ซงเปนอลโดไตรโอส และไดไฮดรอกซอะซโตน (dihydroxyacetone) ซงเปนคโตไตรโอส ดงรป
โมโนแซคคาไรดทมจานวนคารบอน 4 อะตอม 5 อะตอม 6 อะตอม หรอ 7 อะตอม จะถก
เรยกตามลาดบ ดงน tetroses pentoses hexoses และ heptoses การเรยกชอโมโนแซคคาไรด จะ
บอกถงจานวนของคารบอนอะตอมและหมททาหนาท (หมอลดไฮด หรอหมคโตน) เชน อลโดเพน
โตส (aldopentose) แสดงถงโมโนแซคคาไรดทมจานวนหาคารบอนและมหมททาหนาทคอ อลด
ไฮด หรอ คโตเตตโตรส (ketotetrose) แสดงถงโมโนแซคคาไรดทมจานวนสคารบอนและมหมททา
หนาทคอคโตน
Monosaccharide Classifications
#
Carbons
Category
Name Relevant examples
3 Triose Glyceraldehyde,
Dihydroxyacetone
4 Tetrose Erythrose Threose
5 Pentose Ribose, Ribulose, Xylulose
Arabinose, Xylose, Lyxose
6 Hexose
Glucose, Galactose, Mannose,
Fructose, Allose, Altrose, Gulose,
Idose,
7 Heptose Sedoheptulose
9 Nonose Neuraminic acid
also called sialic acid
โมโนแซคคาไรดทมหมอลดไฮดหรอหมคโตน เชน กลเซอรอลดไฮด หรอไดไฮดรอกซอะซโตน
สามารถเปลยนแปลงรปกลบไปมา เรยกสารทเปลยนแปลงรประหวางอลโดส และคโตสวา
tautomers (ไอโซเมอรทมโครงสรางแตกตางในตาแหนงของไฮโดรเจนและพนธะค)
โมโนแซคคาไรดประกอบดวยคารบอนทไมสมมาตร
โมโนแซคคาไรดทกชนด ยกเวนไดไฮดรอกซอะซโตน ประกอบดวยคารบอนทไมสมมาตร
(asymetric carbon หรอ chiral carbon) อยหนงอะตอมหรอมากกวา ทาใหเกดรปทรงทแตกตางกน
จากการหมนของระนาบแสงโพลาไรส เมอใหแสงโพลาไรสผาน (optical active isomer form)
ตวอยางกลเซอรอลดไฮด ซงเปนนาตาลโมเลกลเลกทสด ประกอบดวยคารบอนหนงอะตอมทไม
สมมาตร ซงเปนคารบอนตาแหนงท 2 ทาใหเกดความแตกตางของไอโซเมอรหรออแนนตโอเมอร
(enantiomers) ไดสองแบบ ไดแก D และ L isomer ดงรป
Triose
D isomer L isomer
การเขยนรปรางของโมเลกลนาตาลในกระดาษ นยมใชสตร Fischer projection
สเตอรโอไอโซเมอรของโมโนแซคคาไรด แบงออกเปนสองกลมใหญ ๆ ตามความแตกตางของ
คารบอนทไมสมมาตรตวทอยหางจากหมคารบอนลมากทสด ในรปของสตร Fischer
projection ซงถาหมไฮดรอกซของคารบอนทไมสมมาตรอยดานขวา นาตาลจะมไอโซเมอรแบบ D
แตถาหมไฮดรอกซของคารบอนทไมสมมาตรอยดานซาย นาตาลจะมไอโซเมอรแบบ L
Tetroses
D-Erythrose D-Threose
Pentoses
D-Ribose D-Arabinose D-Xylose D-Lyxose
Hexoses
Hexoses, molecular formula C6H12O6. German chemist Emil Fischer (1852-1919) identified
the stereoisomers for these aldohexoses in 1894. He received the 1902 Nobel Prize for
chemistry for his work.
D-Allose D-Altrose D-Glucose D-Mannose
D-Gulose D-Idose D-Galactose D-Talose
โมโนแซคคาไรดมโครงสรางแบบวง
เพอความเขาใจงาย โครงสรางของโมโนแซคคาไรดจะถกแสดงในรปของ Fischer projection
แตในธรรมชาต อลโดเตตโตรสและโมโนแซคคาไรดทมคารบอนเทากบหรอมากกวา 5 อะตอมขนไป
จะมโครงสรางเปนวงในสารละลาย วงแหวนจะเกดขนได 2 แบบ ไดแก ไพราโนส (pyranose) ซงม
รปรางเหมอนสารไพราน (pyran) และฟราโนส (furanose) ซงม
รปรางคลายฟราน (furan) อลโดเฮกโซส อยไดในรปไพราโนสและ
ฟราโนส แตการอยในรปไพราโนสนน เสถยรกวาฟราโนส ดงนน
จงพบรปไพราโนสเปนสวนใหญในธรรมชาต ซงอลโดสทมจานวน
คารบอนมากกวาหรอเทากบ 5 อะตอมเทานน ทสามารถเกดไพรา
โนสได
Pyranose
H(HO)CH OH
HO HOHH
HOCH2 HO
CHH OH
HO H
O
OHHHOCH2 H
OH
CHH OH
HO H
O
OHHH OH
CH2OHD-(+)-glucose
O OH
OH
OHHO
OH
HH
H
HH O
OHOH
HOHO
OH
HH
HH
H
O CH2OH
OH
HOCH2
HOH
H HO
H
CH2OH
C
C
C
O
HO H
H OH
CH OH
CH2OH
Furanose
สตรโครงสรางแบบวงแหวนของนาตาลเรยกวา Haworth formular แตเนองจากในธรรมชาต นาตาล
จะอยในรปโครงสรางสามมต โดยไพราโนส มโครงสรางสามมตไดสองแบบ ไดแก รปทรงแบบ chair
ทเสถยรกวารปทรงแบบ boat
Cyclic Fischer Projection of α-D-Glucose Haworth Projection of α-D-Glucose
Chair form of α-D-Glucose
OH
HO
HH
H
OHOH
H
OHHOH
H
HH
HO
H
HO
O
O
OH
OH
HO
HH
H
OHOH
H
OHOH
O
OH
HO
HH
H
OHO
H
H
OHOCH2
H CH2OHH
OHH
HO
OH
O
O
HO
H
HOH
H
H
OHH
ไดแซคคาไรด
ไดแซคคาไรดหรอนาตาลโมเลกลค ไดแก มอลโตส แลกโตส และซโคส ประกอบดวยโมโนแซคคา
ไรด 2 โมเลกลเชอมกนดวยพนธะโควาเลนททเรยกวาพนธะ O-ไกลโคซดค (O-glycosidic bond)
ซงเกดจากการทาปฏกรยาระหวางหมไฮดรอกซของโมโนแซคคาไรดตวทหนงและหมไฮดรอกซของ
โมโนแซคคาไรดตวทสอง
maltose
จากแปง
lactose
ในนม
sucrose
นาตาลทราย
โพลแซคคาไรด
คารโบไฮเดรตสวนใหญทพบในธรรมชาต จะอยในรปของโพลแซคคาไรด หรอเรยกอกอยางวา ไกล
แคน (glycan) หมายถงสายแซคคาไรด ซงจะมความแตกตางกนในชนดของโมโนแซคคาไรดทมา
ประกอบ ความยาวของสาย ชนดของพนธะทใชเชอม และระดบของกงกานสาขา แบงตามลกษณะ
ใหญ ๆ ออกเปนสองประเภท ไดแก โฮโมโพลแซคคาไรด (homopolysaccharide) เปนโพลแซคคา
ไรดทประกอบดวยโมโนแซคคาไรดเพยงชนดเดยว และ เฮเทอโรโพลแซคคาไรด
(heteropolysaccharide) ประกอบดวยโมโนแซคคาไรดทมากกวาหรอเทากบสองชนด
โฮโมโพลแซคคาไรดบางชนดทาหนาทเปนแหลงสะสมพลงงาน เชน แปงหรอไกลโคเจน บางชนด
ทาหนาทเปนโครงสรางในผนงเซลลของพชและเปลอกภายนอกของสตว เชน เซลลโลสและไคตน
เฮเทอโรโพลแซคคาไรด ทาหนาทพยงโครงสรางภายนอกเซลลสาหรบสงมชวต ยกตวอยางเชน ผว
ภายนอกทแขงของเปลอกหมแบคทเรยทเรยกวา เปปตโดไกลแคน (peptidoglycan) ประกอบดวย
สวนของเฮเทอโรโพลแซคคาไรด ทสรางจากโมโนแซคคาไรดสองชนดทแตกตางกน หรอภายใน
เนอเยอของสตว ชองวางระหวางเซลลจะถกเตมดวยเฮเทอโรโพลแซคคาไรด หลายชนด สรางรป
เปนเมตรกซหรอวสดพนฐาน ซงจะยดแตละเซลลเขาดวยกน และทาหนาทปกปอง รกษารปทรง
และพยงเซลล เนอเยอ และอวยวะนน
แปงและไกลโคเจน
โพลแซคคาไรดททาหนาทเปนแหลงสะสมทสาคญไดแก แปงในเซลลพช และไกลโคเจนในเซลล
สตวและ จลนทรย โพลแซคคาไรดทงสองชนดเกดขนภายในเซลล ในรปของกลมกอนหรอแกรนล
ในพชจะพบแปงปรมาณมากเปนพเศษ ในบรเวณเมลด ลาตน และผลไมทยงไมสก
แปง ประกอบดวยสายโพลเมอรของกลโคส
เชอมกนสองชนด ไดแก อะไมโลส (amylose)
และ อะไมโลเพคตน (amylopectin) โพลเมอร
ทงสองชนดนตางกนทชนดของพนธะทใชเชอม
ระหวางสายกลโคส อะไมโลสเปนโพลเมอรสาย
ตรงทเกดจากการเชอมกนของกลโคสดวย
พนธะ α(1→4) สวนอะไมโลเพคตนเปนสาย
โพลเมอรทมแขนง โดยพนธะทใชในการเชอม
กลโคสในอะไมโลเพคตนเปน α(1→4) สวน
ตาแหนงทเปนกงแขนงเชอมกนดวยพนธะ α (1→6) จากโครงสรางของมน ทาใหนาหนกโมเลกล
ของอะไมโลเพคตนจะสงกวาของอะไมโลส
ไกลโคเจน
ไกลโคเจนจะถกสะสมไวทตบ ซงเปนแหลงสะสมพลงงานทสาคญ นอกจากนนยงพบไดในกลามเนอ
อกดวย ไกลโคเจน มพนธะทใชเชอมเหมอนอะไมโลเพคตน แตมการแตกของแขนงมากกวา (จะม
การแตกแขนงทก ๆ 8-12 หนวย) และอดแนนกวาแปง ความยาวของแขนงจะสนกวาในอะไมโล
เพคตน แกรนลเลก ๆ ของไกลโคเจน จะอยรวมกนเปนแกรนลขนาดใหญในเซลลของตบ
ทงแปงและไกลโคเจนจะมปลายดานหนงของสายอะไมโลส และอะไมโลเพคตนเปนนาตาล non-
reducing เมอแปงและไกลโคเจนถกใชเปนแหลงพลงงาน หนวยกลโคสจะถกยอยจากทางดาน
ปลาย non-reducing โดยเอนไซมททาหนาทในการยอยสายกลโคส ซงจะเกดขนพรอม ๆ กนในทก
สายเพอใหเปนนาตาลโมเลกลเดยว
การสะสมนาตาลภายในเซลล จะอยในรปของแปงและไกลโคเจน เนองจากทาใหลดแรงดนออสโม
ตกระหวางเซลลได ถาเซลลสะสมนาตาลในรปของกลโคส จะทาใหมแรงดนออสโมตกในไซโต
ซอลสงมาก ซงสงผลใหมการดงนาเขาเซลลมากขน อาจจะทาใหเซลลแตกได
นาตาลรดวซและนอนรดวซ (Reducing and nonreducing sugars)
โมโนแซคคาไรดและนาตาลไดแซคคาไรดสวนใหญจะมหมคารบอนลซงจะถกออกซไดซได
งาย คารโบไฮเดรทเหลานจดเปนกลมทเรยกวานาตาลรดวซ (reducing sugars) ซงอาจตรวจสอบ
ปรมาณ ไดโดยอาศยคณสมบตของมนทสามารถรดวซโลหะอออน เชน Cu2+ หรอ Ag+ ได
ผลตภณฑทไมละลายนา ตวอยางของนาตาลรดวซเชน กลโคส มอลโตส เซลโลไบโอส และแลคโตส
สวน คารโบไฮเดรททไมสามารถถกออกซไดซไดเนองจาก อะโนเมอรกคารบอนทงคถกจบยดไว
โดยพนธะไกลโคซดก เชน นาตาลซโครส จดวาเปน Nonreducing sugars
http://www.pslc.ws/macrog/kidsmac/toon_glu.htm
คณสมบตในการรดวซโลหะอออนนนนอกจากจะใชเพอตรวจสอบปรมาณแลว ยงสามารถใชใน
การบอกตาแหนง ทศทางของหนวยยอยในคารโบไฮเดรทโพลเมอรได ในโพลแซคคาไรดทเปน สาย
ตรง (linear chain) ในหนงโมเลกลจะมปลาย reducing end 1 หนวย (เปนโมโนแซคคาไรดทม อะ
โนเมอรกคารบอนทอสระ) และปลายทเปน nonreducing end 1 หนวย สวนโพลแซคคาไรดทม
โครงสรางเปนกงกาน (branched) ในหนงโมเลกลจะมปลายทเปน nonreducing end มากมายตาม
จานวนกงกานทม แตจะมปลาย reducing end เพยงตาแหนงเดยวเทานน
เซลลโลส
เซลลโลสมลกษณะเปนเสนใย เหนยว และไมละลายนา พบในผนงเซลลของพช โดยเฉพาะ กงกาน
และลาตนและสวนทเปนไมของพช โครงสรางของเซลลโลส เหมอนกบอะไมโลส โดยประกอบดวย
โมเลกลของ D-กลโคส เชอมกนดวยพนธะ β(1→4) ลกษณะเปนเสนตรง ไมมแขนง ตงแต
10,000 – 15,000 หนวย ขอแตกตางทสาคญระหวาง อะไมโลสและเซลลโลสคอรปทรงของนาตาล
กลโคส โดยในอะไมโลส เปนแบบ α-กลโคไพราโนส ในขณะทเซลลโลสเปนแบบ β-กลโคไพราโนส
ความแตกตางเหลาน ทาใหเซลลโลสและอะไมโลส มโครงสรางสามมตและคณสมบตทางกายภาพท
แตกตางกน
เฮปารน ผลตมาจากเซลล mast ทเรยงตวอยรอบผนงหลอดเลอดแดง ทาหนาทเปนสาร
ปองกนการแขงตวของเลอดตามธรรมชาต เปนโพลเมอรของหนวยไดแซคคาไรด (กรดไอดโรนค
และ N-acetylglucosamine) ทมหมซลเฟตมาเกาะทนาตาลทงสอง ประจลบของเฮปารน จะจบและ
กระตนโปรตน antithrombin III ซงปองกนการแขงตวของเลอด