คาร์โบไฮเดรต


3.2 คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate) 

        คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate)(มนตรี, 2542) เป็นสารชีวโมเลกุลที่สําคัญที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด คําว่าคาร์โบไฮเดรตมีรากศัพท์มาจากคําว่า คาร์บอน (carbon) และคําว่าไฮเดรต (hydrate) อิ่มตัวไปด้วยนํา ซึ่งรวมกันก็หมายถึงคาร์บอนที่ อิ่มตัวไปด้วยนํา หน่วยที่เล็กทีสุดของคาร์โบไฮเดรตก็คือนํ้าตาลโมเลกุลเดียวหรือเรียกว่า
โมโนแซคคาร์ไรด์  คาร์โบไฮเดรตที่พบทั้วไปในชีวิตประจําวัน ได้แก่ นํ้าตาล แป้ง เซลลูโลส และไกลโคเจน โดยส่วนใหญพบแป้งและเซลลูโลสในพืช ส่วนไกลโคเจนพบในเซลล์เนื่อเยื่อนําไขข้อในสัตว์และผนังเซลล์ คาร์โบไฮเดรตเป็นสารประกอบประเภทแอลดีไฮด์ (aldehyde) หรือ คีโตน(ketone) ที่ มีหมู่ไฮดรอกซีหลายหมู่ซึ่งเราสามารถจําแนกคาร์โบไฮเดรตสามจําพวกใหญ่ๆ ตามจํานวนหน่วยของนํ้าตาลได้ดังนี้
        3.2.1 มอนอแซ็กคาไรด์ (Monosaccharide)
       หรือนํ้าตาลโมเลกุลเดียว นํ้าตาลโมเลกุลเดียวเป็นหน่วยนํ้าตาลที เล็กที่สุดประกอบด้วยคาร์บอน 3 ถึง 8 อะตอม จึงสามารถจําแนกนํ้าตาลประเภทโมเลกุลเดียวตามจํานวนคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบคือ
ตารางแสดงมอนอแซ๊กคาไรด์
ที่มา http://1.bp.blogspot.com/-udQR-l6JbT8/UEN-Cy1zvDI/AAAAAAAAAEM/xmQIjjKMSeE/s1600/22..jpg
            มอนอแซ็กคาไรด์ที พบมากในธรรมชาติส่วนใหญ่เป็นเพนโทสและเฮกโซส เพนโทสที่มากได้แก่ ไรโบสและไรบูโรส และ เฮกโซสที มากได้แก่ กลูโคส ฟรักโทส และกาแลกโทสซึ่งมีโครงสร้างดังนี้

 ที่มา http://2.bp.blogspot.com/-82ozhSt98mA/UEN-Z4Bi9AI/AAAAAAAAAEU/UWIMSsTfjbM/s1600/23..jpg

             และหากจําแนกนํ้าตาลเพนโทสและเฮกโซสตามหมู่ฟังก์ชันสามารถจําแนกได้สองกลุ่ม ได้แก่ กลุ่มของนํ้าตาลที่มีหมู่้อัลดีไฮด์จะเรียกนําตาลเหล่านี้ว่าอัลโดส (Aldose) เช่น ไรโบส กลูโคส กาแลกโทส แอลโทรส แอลโลส เป็นต้น และกลุ่มนํ้าตาลที่มีหมู่ฟังก์ชันเป็นคีโตนจะเรียกนํ้าตาลกลุ่มนี้ว่าคีโตส (Ketose) ตัวอย่างเช่น นํ้าตาลไรบูโรส นํ้าตาฟรักโทส นํ้าตาลซอร์โบส เป็นต้น นํ้าตาลโมเลกุลเดียวเหล่านี้มักมีคาร์บอนที่ไม่สมมาตร (Asymmetric carbon) กล่าวคือ พันธะทั้งสีของอะตอมนี้จับกับหมู่ที่ไม่เหมือนกัน  ซึ่งเมื่อนํ้าตาลโมเลกุลเดียวมีคาร์บอนที่ไม่สมมาตรมากกว่าหนึ่งอะตอมจะมีจํานวนไอโซเมอร์เพิ่มขึ้น โดยจํานวนไอโซเมอร์สามารถคิดได้จาก 2n โดยที  n คือจํานวนคาร์บอนที่ ไม่สมมาตรในโมเลกุล และการกําหนดไอโซเมอร์หน้าชื่อของน้ำตาลว่าเป็น D- หรือ L- ให้ดูตําแหน่งของหมู่ OH บนคาร์บอนที่ไม่สมมาตรที่อยู่ห่างจากหมู่ฟังก์ชันคาร์บอนิลมากที่สุด โดยที หาก OH อยู่ด้านขวามือ จะเป็น D-isomer (R configuration) แต่ถ้า OH อยู่ซ้ายมือจะเป็น L-isomer (S configuration) และถ้านํ้าตาลโมเลกุลเดียวมีหมู่ OH ที่ต่ออยู่กับคาร์บอนที่ไม่สมมาตรต่างกันเพียงตําแหน่งเดียวเรียกว่าเป็น epimer กันดังนั้น D-Glucose กับ D-Galactose จึงเป็นคู่ epimer กัน และหากตําแหน่ง OH ต่างกันมากกว่าหนึ่งตําแหน่ง เรียกว่าเป็นไอโซเมอร์ชนิด diastereomer หรือ diastereoisomer กัน เมื่อพิจารณาโครงสร้างของมอนอแซ็กคาไรด์ทั้ง 5 ชนิดที พบมากที สุด พบว่ามีสูตรทั่วไป RCOH และ RCOHCOR ซึ่งจะมีสมบัติเป็นตัวรีดิวซ์และสามารถรีดิวซ์คอปเปอร์ (II) ไอออนในสารละลายเบเนดิกต์ เกิดเป็นคอปเปอร์ (I) ออกไซด์ซึ่งเป็นตะกอนอิฐสีแดง ดังนั้น ไรโบส กลูโคส กาแลกโทส ไรบูโรสและฟรักโทสแบบโซ่เปิดซึ่งมีหมู่ฟังก์ชันดังกล่าวจึงสามารถทดสอบได้ด้วยสารละลายเบเนดิกต์ 
 ที่มา http://2.bp.blogspot.com/-2by_aTB8BQ8/UEN_MdkzhdI/AAAAAAAAAEc/1CNnIOztDk8/s1600/24..jpg

        3.2.1.1 การเกิดวงในนํ้าตาล
          ในธรรมชาติมอนอแซ็กคาไรด์ส่วนใหญ่มีโครงสร้างที่เป็นวงเนื่องจากเป็นโครงสร้างที่เสถียร กว่าโครงสร้างแบบโซ่เปิด โดยการสร้างโครงสร้างแบบวงเกิดจากการเกิดปฏิกิริยาระหว่าง -C=O กับ –OH ในโมเลกุลเดียวกัน แสดงดังภาพซึ่งการปิดวงของนํ้าตาล DGlucose มีลักษณะคล้ายวง pyran จึงเรียกนํ้าตาลที่มีวงชนิดนี้ว่า Pyranose ส่วนนํ้าตาล Dfructose มีลักษณะวงคล้าย Furan จึงเรียกนํ้าตาลชนิดนี้ว่า Furanose  ในการเกิดวงทําให้นําตาลมีไอโซเมอร์เพิ่มอีกสองรูปคือ อัลฟา (α) และ เบต้า (β) ซึงต่างกันที่ตําแหน่ง OH และ H เมื่อเกิดการปิดวง วง –OH อยู่ด้านล่างของวงจะเรียกว่าโครงสร้างแบบอัลฟา และ –OH อยู่ด้านบนเรียกเบต้า ซึ่งเรียกไอโซเมอร์ชนิดนี้ว่าอะโนเมอร์ (anomer) และคาร์บอนตําแหน่งที่เกิดจะเรียกว่า anomeric carbon การแสดงสูตรโครงสร้างนํ้าตาลสามารถแสดงแบบ Fischer projection Haworth projection หรือ แบบ chair form ดังตัวอย่าง
 ที่มา  http://1.bp.blogspot.com/-ZErlxsMzacI/UEN_wg8nsiI/AAAAAAAAAEk/CvC5o6q8xzg/s1600/25..jpg

 ที่มา http://2.bp.blogspot.com/-hVUq0w4kPVI/UEOAUv9JICI/AAAAAAAAAEs/dNCF1IYj9Xg/s1600/26..jpg
        3.2.2 ปฏิกิริยาของนํ้าตาล
         1) Glycoside formation  เมื่อนํา D-glucose ละลายใน ethanol โดยมีแก๊ส HCl จะเกิด methyl acetals เกิดขึ้น โดย acetal ของ glucose เรียกว่า glucoside, acetal ของ mannose เรียกว่า mannosides, acetal ของ fructose เรียกว่า fructosides เป็นต้น 
        2) Enolization, Tautomerization และ Isomerizationเมื่อนํา monosacharides ละลายในเบสจะเกิด enolization และ keto-enol tautomerization และนําไปสู่การเกิด isomerization ตัวอย่างเช่น ถ้านํา D-glucose ละลายใน calcium hydroxide ทิ้งไว้ประมาณ 2-3 วันจะเกิดผลิตภัณฑ์เป็น D-fructose และ D-mantose เกิดขึ้นในสารละลายด้วย เราเรียกปฏิกิริยาเหล่านี้ว่า Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein transformation 
        3) การเกิดสารประกอบ ethersไฮดรอกซีที่เกาะอยู่บนนํ้าตาลสามารถเกิดสารประกอบอีเทอร์ได้โดยใช้ alkyl halide 
        4) การเกิดสารประกอบ Esterสาหรับ monosaccharide เมื่อทําปฏิกิริยากับ acetic anhydride ในเบสอ่อน จะสามารถเกิดปฏิกิริยากับหมู่ –OH ในวงนํ้าตาลเกิดเป็น ester 
        5) Cyclic acetalsจากปฏิกิริยา 1,2-diol กับ ketone จะเกิดสารประกอบ cyclic acetal ได้  
        6) ปฏิกิริยา Oxidation ของ Monosacharideรีเอเจนท์ที่ใช้ในการระบุหมู่ฟังก์ชันโดยทั่วไปจะใช้ปฏิกิริยา oxidation ช่วยในการระบุหมู่ฟังก์ชันที่มีอยู่บนสายนํ้าตาล ตัวอย่างปฏิกิริยา Oxidation ของนํ้าตาลโมเลกุลเดียวได้แก่ 6A Benedict’s หรือ Tollens’ reagents: Reducing sugarTollens testหรือบางครั้งรู้จักในชื่อ Silver mirror test เป็นปฏิกิริยาที่ใช้ทดสอบนํ้าตาลที่ทําหน้าที่เป็นนํ้าตาลรีดิวซ์ (reducing sugar) ซึ่งจะให้ผล positive กับนํ้าตาล aldoses และ ketose สารละลาย Benedict เป็นสารละลายที่ทําหน้าที่ตรวจสอบนํ้าตาลรีดิวซ์เช่นเดียวกับ Tollens ที่สามารถทําสอบนํ้าตาลรีดิวซ์ได้ ซึ่งนํ้าตาลรีดิวซ์จะเปลี่ยนสารละลาย Benedict จากสีนําเงินเป็นสีแดง โดยปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเกิดจาก Cu2+ไปเป็น Cu+ 
        7) ปฏิกิริยา Reduction ของ MonosacharideAldose และ Ketose สามารถถูกรีดิวซ์โดย NaBH4 เกิดสารประกอบ alditols 
        8) การสังเคราะห์และการสลายพันธะของนํ้าตาล Monosacharide8A) Kiliani-Fischer Synthesis  เป็นวิธีการเติมคาร์บอนลงในสายโซ่ของ monosaccharide  ตัวอย่างเช่นในการสังเคราะห์ D-Erythrose และ D-Threose จาก D-Glyceraldehyde วิธีการสังเคราะห์ขั้นแรกเติม HCN เกิดเป็น Epimeric cyanohydrin 2 epimer จากนั้นติม Ba(OH)2ตามด้วย H3O+จะเกิดผลิตภัณฑ์เป็น Epimeric aldonic acids ต่อจากนั้นเติม Na-Hg/H2O ที  pH 3-5  

        3.2.3 โอลิโกแซ็กคาไรด์ (oligosaccharide)  
        โอลิโกแซ็กคาไรด์ (oligosaccharide) นํ้าตาลจําพวกโอลิโกแซ็กคาไรด์ประกอบด้วยนํ้าตาลโมเลกุลเดียวประมาณ 2-15 หน่วยสร้างพันธะด้วยพันธะไกลโคซิดิก ที่พบมากที สุดของนํ้าตาลชนิดนี้คือนํ้าตาลไดแซ็กคาไรด์ ซึ่งเกิดจากนํ้าตาลโมเลกุลเดี่ยวรวมตัวกัน 2 หน่วยต่อกัน ได้แก่ ซูโครส เป็นนําตาลที ได้จากต้นอ้อย แล็กโตส นํ้าตาลในนํ้านม เป็นต้น

ที่มา http://3.bp.blogspot.com/-0jq1SzdYLm0/UEOC3rYiU0I/AAAAAAAAAE8/86m-ig9Uvl8/s1600/27..jpg
        คุณสมบัติของนํ้าตาลรีดิวซ์ของไดแซ็กคาไรด์จะยังคงมีอยู่ถ้าหากว่าหมู่ –OH ที ต่ออยู่กับanomeric carbon ของมอนอแซ็กคาไรด์ตัวหลังยังเป็นอิสระที่จะทําให้วงแหวนเปิดออกได้ เช่น ในกรณีของแลคโตส มอลโตส ในขณะที นํ้าตาลซูโครสจะหมดคุณสมบัติในการเป็นนํ้าตาลรีดิวซ์ เนื่องจาก anomeric carbon ของฟรักโทสไปเชื่อมต่อกับหมู่ OH ที่  anomeric carbon ของกลูโคส 

        3.2.3 พอลิแซ็กคาไรด์ (polysaccharide)  
        พอลิแซ็กคาไรด์ (polysaccharide) เป็นคาร์โบไฮเดรตโมเลกุลใหญ่ที่ประกอบด้วย มอนอแซ็กคาไรด์หลายๆ โมเลกุลเชื่อมต่อกันพอลิแซ็กคาไรด์ที่สําคัญต่อสิ่งมีชีวิต ได้แก่ แป้ง เซลลูโลส และไกลโคเจน ถ้าเราแบ่งพอลิแซ็กคาไรด์ตามหน้าที่สามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทคือ พอลิแซ็กคาไรด์สะสมและพอลิแซ็กคาไรด์โครงสร้าง
          3.2.3.1 พอลิแซ็กคาไรด์สะสม
          ซึ่งทําหน้าที่ สะสมอาหาร ได้แก่ แป้งในพืชและไกลโคเจนในสัตว์
          1) แป้ง (starch) เป็นสารโมเลกุลใหญ่ที่ประกอบด้วยพอลิแซ็กคาไรด์ 2 ชนิดด้วยกันคือ อะไมโลส ซึ่งเป็นพอลิแซ็กคาไรด์แบบโซ่ตรงและอะไมโลเพกตินซึ่งเป็นพอลิแซ็กคาไรด์แบบโซ่กิ่ง โดยทั่วไปแป้งประกอบด้วยอะไมโลสประมาณร้อยละ 20 และอะไมโลเพกตินประมาณร้อยละ 80 พืชจะสะสมกลูโคสในรูปของแป้งซึ่งพบแป้งมากในข้าว มันฝรั่ง ถั่ว และธัญพืช 
          2) ไกลโคเจน (Glycogen) เป็นพอลิแซ็กคาไรด์ซึ่งพบได้ในตับและกล้ามเนื่อสัตว์ไกลโคเจนมีสูตรโครงสร้างคล้ายอะไมโลเพกติน แต่มีกิ่งมากกว่าและสายโมเลกุลสั้นกว่าละลายนําได้น้อย เกิดจากกลูโคสที่ได้จากการย่อยอาหารสร้างพันธะต่อกัน แหล่งที่พบไกลโคเจนคือ ในกล้ามเนื่อ ในตับ ไกลโคเจนมีความสําคัญต่อการรักษาระดับนํ้าตาลในเลือดให้คงที่
          3.2.3.2 พอลิแซ็กคาไรด์โครงสร้าง
        คือพอลิแซ็กคาไรด์ที่ทําหน้าที่เป็นโครงสร้างของพืชและสัตว์ ได้แก่ เซลลูโลสและไคติน 
        1) เซลลูโลส (cellulose) ประกอบด้วยกลูโคสจํานวนมากเชื่อมต่อกันเป็นพอลิเมอร์เช่นเดียวกับอะไมเลส แต่ลักษณะการเชื่อมต่อของกลูโคสต่างกัน
        2) ไคติน (chitin) พบมากในเปลือกนอกของสัตว์ที่ไม่มีกระดูกสันหลัง หรือผิวที่ห่อหุ้มแมลง เช่นกระดองปู เปลือกกุ้ง ประกอบด้วยอะเซติลกลูโคซามีน (N-acetyl-D-glucosamine)  โดย chitin ประกอบด้วยหน่วยย่อยของ N-acetyl-D-glucosamine ที่เชื่อมพันธะด้วยพันธะ  β(1-->4) Glycosidic linkage
        3.2.4 สมบัติและปฏิกิริยาของคาร์โบไฮเดรต  
        กลูโคส ซูโครสหรือนํ้าตาลทราย แป้ง และเซลลูโลสล้วนเป็นสารประกอบคาร์โบไฮเดรต แต่จะแตกต่างกันที่ขนาดโมเลกุลและมวลโมเลกุล เมื่อนํานํ้าตาลทราย แป้งและเซลลูโลสไปต้มกับกรดซัลฟิวริกจะเกิดปฏิกิริยาไฮโดรลิซิส เกิดผลิตภัณฑ์เป็นมอนอแซ็กคาไรด์สามารถทําปฏิกิริยากับสารละลายเบเนดิกส์ได้ตะกอนสีแดงอิฐ ถ้าพิจาณาการละลายนํา พวกโมเลกุลขนาดใหญ่จะละลายนําได้น้อยแต่ถ้าเป็นพวกมอนอแซ็กคาไรด์ และ ไดแซ็กคาไรด์ซึ่งเป็นโมเลกุลขนาดเล็กจะละลายนําได้ดี
Comments