โมเลกุลชีวภาพ หรือ ชีวโมเลกุล (อังกฤษ: biomolecule) หมายถึง โมเลกุลใด ๆ ที่สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ขึ้น รวมทั้ง มหโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น โปรตีน พอลิแซคคาไรด์ ลิพิด และกรดนิวคลีอิก และโมเลกุลขนาดเล็ก เช่น เมทาบอไลต์ (metabolite) จัดเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของอาหารที่จำเป็นต่อร่างกาย มีโมเลกุลตั้งแต่ขนาดเล็กจนถึงขนาดใหญ่มาก มีธาตุไฮโดรเจนและคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักแต่ละชนิดมีโครงสร้าง สมบัติและปฏิกิริยาที่ต่างกัน ทำให้มีหน้าทีและประโยชน์ต่อร่างกายแตกต่างกันไป
ประเภทของโมเลกุลชีวภาพ
โมเลกุลชีวภาพต่าง ๆ มีดังนี้
- โมเลกุลเล็ก:
- มอนอเมอร์, โอลิโกเมอร์ และพอลิเมอร์:
| มอนอเมอร์ชีวภาพ | พอลิเมอร์ชีวภาพ | กระบวนการพอลิเมอไรเซชัน | ชื่อพันธะโควาเลนต์ระหว่างสมาชิก |
|---|---|---|---|
| กรดอะมิโน | พอลิเพปไทด์, โปรตีน | พอลิเมอไรเซชันแบบควบแน่น | พันธะเพปไทด์ |
| มอโนแซ็กคาไรด์ | พอลีแซ็กคาไรด์ | พอลิเมอไรเซชันแบบควบแน่น | พันธะไกลโคซิดิก |
| ไอโซพรีน | พอลีเทอพรีน: ซิส-1,4-พอลิไอโซพรีน ยางธรรมชาติ และ ทรานส์-1,4-พอลิไอโซพรีน กัตตา-เปอร์ชา | พอลิเมอไรเซชันแบบเติม | |
| นิวคลีโอไทด์ | พอลินิวคลีโอไทด์, กรดนิวคลีอิก (ดีเอ็นเอ, อาร์เอ็นเอ) | พันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ |
ลักษณะสำคัญ
ลักษณะที่สำคัญของโมเลกุลชีวภาพเป็นดังนี้
- ประกอบด้วยธาตุขนาดเล็ก มีมวลโมเลกุลต่ำ เช่น C, H, O, N, S, P ธาตุชนิดอื่นมีพบบ้าง (เช่น Fe, Cu, Zn) แม้จัดว่าน้อยเมื่อเทียบกับน้ำหนักของร่างกาย แต่ก็มีความจำเป็นต่อการดำรงชีวิตด้วย
- เป็นสารประกอบของคาร์บอน โดยคาร์บอนจะเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์เกิดเป็นโครงร่างคาร์บอน จากนั้นอะตอมอื่นๆจะเติมเข้ามาในโครงร่างคาร์บอนนี้
- อะตอมที่เติมเข้ามา เรียกว่า หมู่ฟังก์ชัน (functional group) ซึ่งเป็นตัวกำหนดลักษณะเฉพาะของโมเลกุลนั้นๆ
- โมเลกุลชีวภาพมีโครงสร้างสามมิติซึ่งมีบทบาทสำคัญในการทำงาน
- โมเลกุลชีวภาพส่วนใหญ่อยู่ในรูปอสมมาตร
- โมเลกุลชีวภาพเกิดจากโมเลกุลขนาดเล็ก เรียกว่า มอนอเมอร์ (monomer) ที่มีโครงสร้างใกล้เคียงกัน จัดเรียงตัวเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น เรียกว่า พอลิเมอร์ (polymer) การรวมตัวกันนี้ต้องใช้พลังงาน ส่วนการย่อยสลายโพลีเมอร์จะได้พลังงาน
แซ็กคาไรด์
มอโนแซ็กคาไรด์เป็นรูปอย่างง่ายที่สุดของคาร์โบไฮเดรตโดยมีน้ำตาลเพียงหนึ่งโมเลกุล โดยพื้นฐาน มอโนแซ็กคาไรด์มีหมู่อัลดีไฮด์หรือคีโตนในโครงสร้าง การมีหมู่อัลดีไฮด์ในมอโนแซ็กคาไรด์ชี้ได้จากคำอุปสรรค์ อัลโด- ส่วนหมู่คีโตน จะมีคำอุปสรรคว่า คีโต- ตัวอย่างของมอโนแซ็กคาไรด์ ได้แก่ น้ำตาลเฮกโซส กลูโคส ฟรักโทส และกาแล็กโทส และน้ำตาลเพนโทส ไรโบสและดีออกซีไรโบส ฟรักโทสและกลูโคสที่ถูกบริโภคมีอัตราส่งออกจากกระเพาะ (gastric emptying) ต่างกัน ร่างกายดูดซึมและมีเมแทบอลิซึมต่างกัน ทำให้มีหลายโอกาสที่แซ็กคาไรด์ 2 ชนิดที่ต่างกันมีผลต่อการรับประทานอาหาร แซ็กคาไรด์ส่วนมากให้พลังงานแก่การหายใจระดับเซลล์
ไดแซ็กคาไรด์เกิดขึ้นจากมอโนแซ็กคาไรด์ 2 ชนิดสร้างพันธะระหว่างกัน แล้วหลุดน้ำออกมา ไดแซ็กคาไรด์สามารถถูกไฮโดรไลซ์โดยต้มกับกรดเจือจางหรือทำปฏิกิริยากับเอนไซม์ที่เหมาะสม ตัวอย่างไดแซ็กคาไรด์ เช่น ซูโครส มอลโทสและแลคโทส
พอลิแซ็กคาไรด์เป็นคาร์โบไฮเดรตที่เกิดจากมอโนแซ็กคาไรด์ทำปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันกัน ประกอบด้วยน้ำตาลเดี่ยวจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น แป้ง เซลลูโลสและไกลโคเจน มักมีขนาดใหญ่และแตกกิ่งซับซ้อน เพราะขนาดของมัน ทำให้พอลิแซ็กคาไรด์ไม่ละลายน้ำ แต่หมู่ไฮดรอกซีจำนวนมากของมันรวมกับน้ำ (hydrate) แยกจากกันเมื่อสัมผัสน้ำ และพอลิแซ็กคาไรด์บางตัวมีการแพร่กระจายของคอลลอยด์ (colloidal dispersion) ที่หนาเมื่อให้ความร้อนในน้ำ พอลิแซ็กคาไรด์สายสั้น คือ มีมอนอเมอร์ระหว่าง 3-10 ตัว เรียกว่า โอลิโกแซ็กคาไรด์
ลิพิด
ลิพิดส่วนมากเป็นสารเอสเทอร์ของกรดไขมัน และเป็นส่วนประกอบของโครงสร้างเยื่อชีวภาพ (biological membrane) อีกบทบาทหนึ่ง คือ การเก็บสะสมพลังงาน (นั่นคือ ไตรกลีเซอไรด์) ลิพิดส่วนใหญ่ประกอบด้วยหัวที่มีขั้วหรือชอบน้ำ (ตามปกติคือ กลีเซอรอล) และหางกรดไขมันที่ไม่มีขั้วหรือไม่ชอบน้ำจำนวนหนึ่งถึงสามสาย ลิพิดจึงเป็นแอมฟิฟิลิก (amphiphilic) กรดไขมันประกอบด้วยสายของอะตอมคาร์บอนไม่แตกกิ่งที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะเดี่ยวอย่างเดียว (กรดไขมันอิ่มตัว) หรือทั้งพันธะเดี่ยวและพันธะคู่ (กรดไขมันไม่อิ่มตัว) สายนี้โดยปกติยาว 14-24 หมู่คาร์บอน แต่จำนวนหมู่นี้เป็นจำนวนคู่เสมอ
สำหรับลิพิดที่พบในเยื่อชีวภาพ หัวที่ชอบน้ำจัดเป็นหนึ่งในสามประเภทด้านล่างนี้
- ไกลโคลิพิด ซึ่งหัวมีโอลิโกแซ็กคาไรด์ที่มีแซ็กคาไรด์ 1-15 ตัวอยู่ด้วย
- ฟอสโฟลิพิด ซึ่งหัวมีหมู่ประจุบวกที่เชื่อมต่อกับหางโดยหมู่ฟอสเฟตที่มีประจุลบ
- สเตอรอล ซึ่งหัวมีวงแหวนสเตอรอยด์ระนาบ ตัวอย่างเช่น คอเลสเตอรอล
ลิพิดอื่น ๆ มีโปรสตาแกลนดิน (prostaglandin) และลิวโคไตรอีน (leukotriene) ซึ่งมีหน่วยแอซิลไขมัน 20 คาร์บอน ที่ถูกสังเคราะห์จากกรดอะราคิโดนิก (arachidonic acid) ทั้งคู่
ฮอร์โมน
ฮอร์โมน ถูกผลิตใน ต่อมไร้ท่อ และถูกปลดปล่อยออกมาสู่กระแสเลือด มันมีหน้าที่หลากหลายในหลายอวัยวะประกอบด้วยการควบคุม เส้นทางการเผาผลาญ (metabolic pathway) และควบคุมกระบวนการขนส่งผ่านเมมเบรน ฮอร์โมน อาจแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มโครงสร้างดังนี้:
- สเตอรอยด์ (steroid) เป็นประเภทหนึ่งของฮอร์โมนที่มีหลายหน้าที่ และสเตอรอยด์ทุกตัวจะถูกผลิตจาก คอเลสเตอรอล
- อะมีนธรรมดา หรือ กรดอะมิโน
- เพปไทด์ หรือ โปรตีน
โปรตีน
โปรตีน คือ สารชีวโมเลกุลประเภทสารอินทรีย์ที่ประกอบด้วยธาตุ C, H, O, N เป็นองค์ประกอบสำคัญนอกจากนั้นยังมีธาตุอื่น ๆ เช่น S, P, Fe, Zn ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของโปรตีน
องค์ประกอบย่อยของโปรตีนเรียกว่ากรดอะมิโน โปรตีนและเพปไทด์ ประกอบด้วยกรดอะมิโนเรียงตัวกันเป็นสายยาวโดยมีพันธะเพปไทด์เป็นพันธะเชื่อมโยง พันธะเพปไทด์ เป็นพันธะเอไมด์ ที่เกิดจากการรวมตัวกันของหมู่คาร์บอกซิลของกรดอะมิโนตัวที่หนึ่งกับหมู่อะมิโนของกรดอะมิโนตัวถัดไปและมีการสูญเสียน้ำหนึ่งโมเลกุล
เอนไซม์
เอนไซม์เป็นโปรตีนชนิดหนึ่ง แต่เป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่เชิงชีวภาพเฉพาะ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
นิวคลีโอไทด์
นิวคลีโอไทด์แต่ละตัวประกอบขึ้นจากไนโตรจินัสเบส น้ำตาลเพนโทสและหมู่ฟอสเฟตหนึ่งถึงสามหมู่ ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน ไฮโดรเจน และฟอสฟอรัส เป็นแหล่งพลังงานเคมี (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟตและกวาโนซีนไตรฟอสเฟต) มีส่วนในการสื่อสารของเซลล์ (ไซคลิกกวาโนซีนมอโนฟอสเฟตและไซคลิกอะดีโนซีนมอโนฟอสเฟต) และเป็นโคแฟกเตอร์ที่สำคัญในปฏิกิริยาที่ใช้เอนไซม์ (โคเอนไซม์เอ, ฟลาวินอะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์, ฟลาวินมอนอนิวคลีโอไทด์ และนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ฟอสเฟต)
นิวคลีโอไซด์เป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยนิวคลีโอเบสต่อกับวงแหวนไรโบส สามารถถูกเติมหมู่ฟอสเฟต (phosphorylate) โดยเอนไซม์ไคเนสที่เจาะจงในเซลล์ แล้วสังเราะห์นิวคลีโอไทด์ได้ ทั้งดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอเป็นพอลิเมอร์ ประกอบด้วยโมเลกุลเส้นตรงสายยาว นิวคลีโอไทด์เป็นหน่วยมอนอเมอร์ของกรดนิวคลีอิก