สารชีวโมเลกุล เรื่อง คาร์โบไฮเดรต

คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate)
คาร์โบไฮเดรตเป็นสารชีวโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยธาตุหลัก 3 ชนิด ธาตุคาร์บอน (C) ไฮโดรเจน (H) และออกซิเจน (O) มีบทบาทเป็นสารที่เป็นแหล่งพลังงานสำคัญในการประกอบกิจกรรมต่าง ๆ ของชีวิต และมีบทบาทในองค์ประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์ในสิ่งมีชีวิต ผลังเซลล์ในพืช เปลือกและกระดองของสัตว์บางชนิด เช่น หอยทาก ปู กุ้ง เป็นต้น
สารชีวโมเลกุลในกลุ่มคาร์โบไฮเดรตจะมีลักษณะเป็นสารประกอบอินทรีย์ (Organic compound) ซึ่งมีธาตุหลัก ๆ อยู่ 3 ชนิด คือธาตุคาร์บอน (C) ไฮโดรเจน (H) และออกซิเจน (O) ในธรรมชาติเราสามารถพบสารจำพวกคาร์โบไฮเดรตได้หลายชนิด ซึ่งแต่ละชนิดก็มีจำนวนธาตุที่เป็นองค์ประกอบแตกต่างกัน
โดยปกติสารที่เป็นคาร์โบไฮเดรตจะมีอัตราส่วนจำนวนอะตอมของไฮโดรเจนต่อออกซิเจนเป็น 2 : 1 ดังนั้นสารคาร์โบไฮเดรตส่วนใหญ่จึงมีสูตรโมเลกุลเป็น (CH₂O)_n หรือ C_n(H₂O)_m เมื่อ n และ m เป็นเลขจำนวนเต็มลงตัว ตัวอย่างเช่น C₅H₁₀O₅, C₆H₁₂O₆, C₁₂H₂₂O₆ , C₁₈H₃₂O₁₆ เป็นต้น อาจมีสารคาร์โบไฮเดรตบางชนิดเท่านั้นที่มีอัตรส่วนจำนวนธาตุหรือสูตรโมเลกุลไม่เป็นตามที่กล่าวมา ตัวอย่างเช่น น้ำตามแรมโนส (Rhamnose) ซึ่งมีสูตรโมเลกุลเป็น C₆H₁₂O₅ เป็นต้น
คาร์โบไฮเดรตสามารถพบได้ทั่วไปตามส่วนต่าง ๆ ของพืช หรือผลิตภัณฑ์จากพืชซึ่งประกอบด้วยแป้งและน้ำตาล เช่น หัวเผือก หัวมัน น้ำตาลทราบ น้ำตาลปี๊บ น้ำผึ้ง ผัก ผลไม้ที่มีรสหวาน และข้าว เป็นต้น
โดยคาร์โบไฮเดรตสามารถจำแนกตามจำนวนโมเลกุลของน้ำตาลที่เชื่อมโยงกันได้เป็น 3 กลุ่ม คือ มอนอแซ็กคาไรด์ ไดแซ็กคาไรด์ และโพลิแซ็กคาไรด์
1) มอนอแซ็กคาไรด์ (Monosaccharide) หรือน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว มีลักษณะเป็นโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยธาตุคาร์บอน 3-8 อะตอม สามารถละลายน้ำได้ดีและมีรสหวาน เป็นน้ำตาลที่มีขนาดโมเลกุลเล็กที่สุดไม่สามารถถูกย่อยให้เล็กลงกว่านี้ได้ ร่างกายสามารถดูดซึมนำไปใช้ได้ทันที น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวสามารถแบ่งได้เป็นหลายชนิด ซึ่งแต่ละชนิดอาจมีสุตรโมเลกุลเหมือนกัน แต่มีสูตรโครงสร้างที่แตกต่างกันได้ เช่น ไรโบส ไลโซส ไซโลส และอะราบิโนส ซึ่งต่างก็มีสูตรโมเลกุลเป็น C₅H₁₀O₅ เหมือนกัน แต่มีสูตรโครงสร้างที่แตกต่างกัน
กาแลกโทส (galactose) ฟรักโทส (fructose) และกลูโคส (glucose) เป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวที่พบได้มากในกระแสเลือด มีสูตรโมเลกุลเป็น C₆H₁₂O₆ เป็นน้ำตาลกลุ่มที่มีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตมาก
น้ำตาลแลกโทส เป็นน้ำตาลที่มีความหวานน้อย ไม่พบในธรรมชาติ แต่ได้จากการย่อยสลายน้ำตาลแลกโทสในน้ำนม เป็นสารองค์ประกอบของระบบสมองและเนื้อเยื่อประสาท
น้ำตาลฟรักโทส เป็นน้ำตาลที่มีความหวานมากที่สุด พบมากในน้ำผึ้ง ผัก และผลไม้ที่มีรสหวานต่าง ๆ โดยมักพบอยู่ร่วมกับซูโครสและกลูโคส เป็นน้ำตาลที่มีบทบาทที่สำคัญในกระบวนการเผาผลาญอาหารของสิ่งมีชีวิต
น้ำตาลกลูโคส เป็นน้ำตาลที่พบมากที่สุดในธรรมชาติ เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยพืชสีเขียว จากนั้นจึงถูกเปลี่ยนเป็นน้ำตาลรูปอื่น ๆ หรือคาร์โบไฮเดรตที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อเก็บสะสมไว้ในส่วนต่าง ๆ ของพืชต่อไป พบได้ในผลไม้ที่มีรสหวาน น้ำผึ้ง และในกระแสเลือด น้ำตาลกลูโคสมีบทบาทสำคัญ คือ ช่วยให้กล้ามเนื้อมีการยืดหดตัว ควบคุมการเต้นของหัวใจ ช่วยให้การทำงานของระบบต่าง ๆ มีประสิทธิภาพมากขึ้น และยังเป็นแหล่งพลังงานของร่างกายด้วย โดยร่างกายจะสามารถเผาผลาญกลูโคสได้โดยอาศัยกลูโคสและแก๊สออกซิเจนเป็นสารตั้งต้น ได้ผลิตภัณฑ์คือพลังงานแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ ดังสมการ
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ -------------> พลังงาน + 6CO₂ + 6H₂O
เราสามารถทดสอบหาน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวได้ โดยใช้สารละลายเบเนดิกต์ซึ่งมีสีฟ้า เมื่อสารละลายเบเนดิกต์ทำปฏิกิริยากับน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวจะเกิดเป็นผลิตภัณฑ์ซึ่งมีลักษณะเป็นตะกอบสีแดงอิฐของคอปเปอร์ (I) ออกไซด์ (Cu₂O) โดยความเข้มของสีแดงอิฐที่สังเกตได้จะมีความสัมพันธ์กับปริมาณของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวที่อยู่ในสารที่นำมาทดสอบ
2) ไดแซ็กคาไรต์ (Disaccharide) หรือน้ำตาลโมเลกุลคู่ ไดแซ็กคาไรด์หรือน้ำตาลโมเลกุลคู่ เป็นน้ำตาลที่เกิดจากน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวสองโมเลกุลมาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมี สามารถละลายน้ำได้ แต่เมื่อสิ่งมีชีวิตรับประทานเข้าไป ร่างกายจะไม่สามารถเป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวก่อน โดยน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวได้ 2 โมเลกุล น้ำตาลโมเลกุลคู่ที่สำคัญมีดังนี้
น้ำตาลซูโครส (sucrose) หรือน้ำตาลทราย หรือน้ำตาลอ้อยพบได้มากในอ้อย ตาล มะพร้าว ผลไม้ที่มีรสหวานทุกชนิด เมื่อถูกย่อยสลายจะได้น้ำตาลกลูโคสและน้ำตาลฟลุกโทส อย่างละ 1 โมเลกุล
น้ำตาลมอลโทส (moltose) พบได้มากในข้าวมอลต์ เมล็ดข้าวที่กำลังงอก น้ำนมข้าว และข้าวโพด เมื่อถูกย่อยสลายจะได้น้ำตาลกลูโคส 2 โมเลกุล
น้ำตาลแลกโทส (lactose) เป็นน้ำตาลซึ่งมีรสหวานน้อย ย่อยสลายได้ยากกว่าน้ำตาลโมเลกุลคู่อื่น ๆ พบมากในน้ำนม เมื่อย่อยสลายจะได้น้ำตาลกาแลกโทส และน้ำตาลกลูโคส อย่างละ 1 โมเลกุล
น้ำตาลซูโครสเป็นน้ำตาลที่นิยมใช้ในการผลิตไวน์ โดยเมื่อนำน้ำผลไม้และน้ำตาลซูโครสมาหมักด้วยยีสต์ จะทำให้เกิดการย่อยสลายกลายเป็นน้ำตาลกลูโคสและน้ำตาลฟรัสโทสก่อน จากนั้นจึงจะเข้าสู่กระบวนการหมักต่อไป จนกระทั่งเปลี่ยนไปเป็นเอทิลแอลกอฮอล์ และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์
3) พอลิแซ็กคาไรด์ (Polysaccharide) เป็นคาร์โบไฮเดรตที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่มาก ประกอบด้วยน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวจำนวนหลายโมเลกุลมาเชื่อมต่อกัน พอลิแซ็กคาไรด์เป็นกลุ่มคาร์โบไฮเดรตที่ไม่มีรสหวาน ละลายน้ำได้ยากหรือไม่ละลายเลย แบ่งออกเป็น 3 ชนิด ได้แก่ แป้ง เซลลูโลส และไกลโคเจน
3.1) แป้ง (Starch) เป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่เกิดจากกลูโคสหลายพันโมเลกุลเชื่อมต่อกัน ละลายน้ำได้เล็กน้อย มีสูตรโมเลกุลเป็น (C₆H₁₀O₅)_n มีโครงสร้างทั้งที่เป็นแบบสายตรงยาว และเป็นแบบกิ่งก้านสาขา แป้งเป็นรูปแบบของคาร์โบไฮเดรตที่พืชใช้ในการเก็บสะสมอาหาร โดยพืชจะมีการเปลี่ยนน้ำตาลกลูโคสที่ได้จากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงให้มาอยู่ในรูปของแป้งแล้วเก็บไว้ตามส่วนต่าง ๆ โดยเฉพาะในเมล็ด และหัวในดิน
แป้งเป็นโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ ร่างกายจึงไม่สามารถดูดซึมได้ทันที ต้องมีการย่อยสลายให้กลายเป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวก่อนจึงจะสามารถดูดซึมได้ โดยในร่างกายของเราจะสามารถย่อยสลายแป้งให้กลายเป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวได้โดยอาศัยเอนไซม์อะไมเลส
3.2) ไกลโคเจน (Glycogen) เป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่กว่าแป้งมาก ประกอบด้วยโมเลกุลของกลูโคสหลายแสนหรืออาจถึงล้านโมเลกุลขึ้นไปมาเชื่อมต่อกันในลักษณะเป็นสายยาวมีกิ่งก้านสาขา ไกลโครเจนเป็นรูปแบบการเก็บสะสมอาหารที่พบในมนุษย์และสัตว์เท่านั้น โดยร่างกายจะเปลี่ยนกลูโคสที่มีอยู่มากในกระแสเลือดให้เป็นไกลโคเจนเก็บไว้ในบริเวณกล้ามเนื้อและตับ และจะสามารถเปลี่ยนให้กลับมาเป็นกลูโคสได้ในภาวะที่ปริมาณน้ำตาลในเลือดลดต่ำลงหรือภาวะที่ร่างกายขาดสารอาหาร
3.3) เซลลูโลส (Cellulose) เป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่เกิดจากการรวมตัวกันของกลูโคสหลายหมื่นโมเลกุล การที่กลูโคสจำนวนมากมาต่อกันเป็นสายยาวจึงทำให้เซลลูโลสมีลักษณะเป็นเส้นใยยาวที่ไม่ละลายน้ำ เซลลูโลสมีบทบาทหน้าที่แตกต่างไปจากแป้งและไกลโคเจน คือ ไม่ได้เป็นรูปแบบการเก็บสะสมอาหารของสิ่งมีชีวิต แต่เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของผนังเซลล์ของพืช ช่วยทำหน้าที่เพิ่มความแข็งแรงให้แก่ผนังเซลล์ของพืช
เซลลูโลสเป็นโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่มาก ร่างกายของมนุษย์เราไม่สามารถย่อยสลายได้ แต่สามารถถูกย่อยสลายได้ในกระเพาะของสัตว์ที่กินพืชเป็นอาหาร เนื่องจากในกระเพาะของสัตว์ที่กินพืชจะมีแบคทีเรียที่สามารถย่อยสลายเซลลูโลสให้เป็นกลูโคสได้
แม้ว่าร่างกายมนุษย์จะย่อยสลายเซลลูโลสไม่ได้ แต่เราก็ควรจะบริโภคเซลลูโลสอยู่เสมอ เนื่องจากการที่เซลลูโลสมีลักษณะเป็นเส้นใย ซึ่งช่วยกระตุ้นลำไส้ทำให้ขับถ่ายได้สะดวก ช่วยลดสารพิษที่ตกค้างอยู่ในลำไส้ จึงช่วยลดการเกิดโรคริดสีดวงทวารและโรคมะเร็งในลำไส้ได้ โดยเซลลูโลสจะมีอยู่มากในอาหารประเภทพืช ผัก และผลไม้ เราจึงควรรับประทานอาหารเหล่านี้อยู่เสมอ