_15.jpg "singleclickstop=[on] header=[นาโนเทคโนโลยีชีวภาพในระบบธรรมชาติ]
body=[โปรตีน - ลิพิด]"){kind=small}
นาโนเทคโนโลยี  หน่วยที่ 3 (ส่วนแรก): นาโนเทคโนโลยีจากระบบธรรมชาติสู่การสังเคราะห์ นาโนเทคโนโลยีชีวภาพในระบบธรรมชาติ (1) |
||
นาโนเทคโนโลยีเป็นสิ่งที่เกิดจริงอย่างสมบูรณ์แล้วในระบบชีวภาพ เซลล์เป็นเสมือนผู้ประกอบทางชีวภาพที่ช่วยสร้างองค์ประกอบระดับโมเลกุลต่างๆ ที่ถูกออกแบบไว้อย่างจำเป็น และยังเป็นผู้สร้างผู้ประกอบทางชีวภาพ (หรือแบ่งตัวเพื่อสร้างตัวเอง) ขึ้นมาใหม่ได้ โดยองค์ประกอบระดับโมเลกุลหลายชนิดที่อยู่ภายในเซลล์ ดำเนินบทบาทเป็นเครื่องจักรกลระดับนาโนเพื่อทำงานในกลไกต่างๆ ภายในร่างกาย นับตั้งแต่โปรตีน กรดนิวคลิอิก เยื่อหุ้มเซลล์ จนไปสู่จักรกลนาโนในการถอดรหัสและแปลรหัสดีเอ็นเอ อีกทั้งยังมีมอเตอร์โมเลกุลชีวภาพต่างๆ ที่ทำงานอย่างจำเพาะเจาะจง |
||
จักรกลนาโนของระบบชีวภาพมีหลากหลายบทบาทและหน้าที่ การเคลื่อนที่ในแนวตรงได้เป็นคุณลักษณะพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ซึ่งเกิดขึ้นได้จากบทบาทการทำงานของมอเตอร์ระดับนาโน โดยมอเตอร์เหล่านี้สามารถที่จะเคลื่อนที่ได้ด้วยตนเองอย่างอิสระ และมอเตอร์เหล่านี้โดยส่วนใหญ่ประกอบขึ้นมาจากโปรตีน ที่ทำหน้าที่เป็นเครื่องจักรกลที่ทำงานอย่างจำเพาะ เช่น มอเตอร์ที่เป็นโปรตีนทำหน้าที่เชิงจักรกลโดยเปลี่ยนพลังงานเคมีไปเป็นพลังงานกล เช่น โปรตีนไมโอซินและโปรตีนไคเนซิน เป็นต้น หรือเป็นมอเตอร์ที่ช่วยเกี่ยวกับความสามารถในการเคลื่อนที่ได้ (หรือว่ายน้ำได้) ของแบคทีเรีย หรือมอเตอร์บางชนิดเป็นโปรตีนซับซ้อน ทำหน้าที่ผลักดันกลไกเกี่ยวกับการไหลเข้าออกของประจุไฟฟ้าข้ามผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ เป็นต้น
|
||
.jpg) |
||
.jpg) |
||
โปรตีนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญอย่างมากในระบบชีวภาพ โปรตีนเป็นโมเลกุลชีวภาพในระบบธรรมชาติที่ถูกใช้ในการสร้างโครงสร้างนาโน (nanostructure) และจักรกลนาโน (nanomachine) ที่มีคุณสมบัติที่หลากหลายมากที่สุด จึงกล่าวได้ว่าโปรตีนเป็นจักรกลแห่งชีวภาพที่สร้างสรรค์สิ่งต่างๆ ภายในโลกนาโนชีวภาพขึ้นมาก็ว่าได้ |
||
โปรตีนเป็นโมเลกุลพื้นฐานที่มีลักษณะเป็นพอลิเมอร์อันซับซ้อน โดยถูกสร้างขึ้นมาจากการรวมตัวของมอนอเมอร์โมเลกุลของ กรดแอลอะมิโน (L-amino) ซึ่งมอนอเมอร์โมเลกุลของกรดแอลอะมิโนแต่ละมอนอเมอร์มีขนาดประมาณ 0.8 นาโนเมตร โดยมอนอเมอร์เหล่านี้ก็จะถูกเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวด้วยพันธะเปปไทด์ และหลังจากนั้นจะเกิดการม้วนตัว (fold) เข้าหากันเป็นโครงสร้างหนึ่งของโปรตีนที่มีความเสถียรได้
|
||
|
||
เมื่อกรดอะมิโน 2 โมเลกุลมาต่อกัน โดยเชื่อมกันผ่านปลายด้านหมู่คาร์บอกซิลิกของกรดอะมิโนตัวหนึ่ง ทำปฏิกิริยากับปลายด้านหมู่อะมิโนของกรดอะมิโนตัวถัดไป และกำจัดน้ำออก 1 โมเลกุล จะได้ผลผลิตเป็นไดเปปไทด์ (dipeptide) โดยพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างกรดอะมิโนที่ยึดติดกันแต่ละโมเลกุลเรียกว่า พันธะเปปไทด์ (peptide bond) และถ้าหากมีกรดอะมิโนหลายๆ โมเลกุลมาทำปฏิกิริยาต่อเนื่องกันจะได้เป็นสายโพลีเปปไทด์ (polypeptide) |
||
|
||
พันธะเปปไทด์ [หรือที่เรียกว่าพันธะเอไมด์ (amide bond)] เป็นพันธะที่แข็ง (rigid) ซึ่งความเสถียรในรูปร่างของหมู่เปปไทด์นี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างจักรกลนาโนในการกำหนด โครงรูป (conformation) ของโปรตีนนั้นๆ โดยหมู่เปปไทด์จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแต่อย่างใด แต่ส่วนอื่นของโมเลกุลนั้นจะสามารถม้วนตัวเองได้ ทำให้สายโพลีเปปไทด์สามารถพับไปพับมาได้หลากหลายแบบ แต่สำหรับโปรตีนจำเพาะตัวหนึ่งๆ นั้น ก็มักจะมีโครงรูปที่เป็นแบบเดียวกันเสมอ |
||
| นอกจากพันธะเปปไทด์จะเป็นพันธะที่แข็งแล้ว ยังเป็นพันธะที่มีการจัดเรียงตัวของอะตอมอยู่ในระนาบเดียวกัน อีกทั้งการจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างหมู่เปปไทด์นี้ก็จะปล่อยโมเลกุลของน้ำออกจากพันธะ ดังนั้นแล้วจึงทำให้สายโพลีเปปไทด์เกิดโครงรูปที่เสถียรมากขึ้นด้วย ซึ่งโครงสร้างที่มีความเสถียรแบบเฉพาะเจาะจงของโปรตีนที่รู้จักกันดี ได้แก่ โครงสร้างแบบเกลียวแอลฟา (alpha helix) และ โครงสร้างแบบแผ่นพลีตบีตา (beta pleated sheet) | ||
|
||
|
||
โปรตีนในธรรมชาติบางชนิดถูกออกแบบมาเป็นรูป โครงสร้างเกือบจะเป็นทรงกลม (globular structure) ที่แข็งแรง (โครงสร้างเกือบจะเป็นทรงกลมนี้มีขนาดประมาณ 4 นาโนเมตร) โดยการม้วนตัวของสายโพลีเปปไทด์ผ่านโครงสร้างหลายๆ แบบ ซึ่งเป็นโครงสร้างอย่างสุ่มจำนวนหนึ่ง อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาการไม่ชอบน้ำ (hydrophobic effect) จากนั้นจึงจะถูกเปลี่ยนลักษณะโครงสร้างให้อยู่ในรูปแบบเกือบจะเป็นทรงกลมอย่างสมบูรณ์มากขึ้น และอาจสะสมตัวเข้าเป็นโครงสร้างที่มีความสมมาตรมากขึ้นได้ด้วย |
||
|
||
|
จากการสร้างโครงสร้างของโปรตีนนั้นจะเห็นได้ว่า โปรตีนมีแนวทางในการสร้างโครงสร้างในระดับอะตอมหรือโมเลกุล (ซึ่งอยู่ในช่วงอาณาจักรระดับนาโนเมตร) โดยเริ่มจากการที่แต่ละมอนอเมอร์โมเลกุลของกรดอะมิโนเชื่อมต่อกันโดยอาศัยพันธะเปปไทด์ ซึ่งเป็นพันธะที่มีความแข็งและมีความเสถียรสูงกว่าพันธะอื่นๆ เนื่องจากแต่ละอะตอมของพันธะเปปไทด์ทำปฏิกิริยาต่อกันแบบโควาเลนต์ (พันธะโควาเลนต์เป็นพันธะที่มีความแข็งแรงมากที่สุด เนื่องจากเป็นพันธะที่มีการแบ่งปันอิเล็กตรอนกัน) ทำให้การเชื่อมต่อแบบพอลิเมอร์ของมอนอเมอร์โมเลกุลกรดอะมิโนได้โครงสร้างที่มีความเสถียรสูง จากนั้นยังมีการจัดตัวเอง โดยการม้วนตัวจากโครงสร้างสายตรงเข้าเป็นโครงรูปที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมมากขึ้น โดยอาศัยพันธะไฮโดรเจนของกลุ่มอะตอมในโครงสร้าง เช่น การม้วนตัวเข้าเป็นโครงสร้างแบบเกลียวแอลฟาและแบบแผ่นพลีทบีต้า หลังจากนั้นก็จะประกอบกันเป็นโครงสร้างเกือบจะเป็นทรงกลม และด้วยความสามารถในการประกอบตัวเองได้ของโปรตีน ยังผลทำให้เกิดเป็นโครงสร้างเสถียรที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยการประกอบตัวเองเข้าเป็นโครงสร้างที่มีความสมมาตรขึ้น ซึ่งหากพิจารณากระบวนการทั้งหลายที่เกิดขึ้นตั้งแต่ต้นจนจบนั้น โปรตีนเปรียบเสมือนผู้ประกอบจักรกลนาโนของธรรมชาติโดยแท้จริง | ||
.jpg) |
||
| น่าอัศจรรย์เป็นอย่างยิ่งว่าโครงสร้างขนาดใหญ่ในระบบชีวภาพหลายชนิด ถูกสร้างขึ้นมาจากกลุ่มเซลล์ที่ไม่ได้ประกอบไปด้วยโมเลกุลขนาดใหญ่อย่างเช่นโปรตีน (น้ำหนักโมเลกุลอยู่ระหว่าง 5,000 ถึง 40,000,000 ดัลตัน) หรือกรดนิวคลีอิกแต่อย่างใด แต่กลับถูกสร้างขึ้นจากการประกอบตัวกันของโมเลกุลขนาดเล็กของลิพิด (lipid) ลิพิดถูกนำมาใช้ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต โดยถูกออกแบบมาเพื่อที่จะสามารถจับกลุ่มรวมตัวกันเข้าเป็นโครงสร้างพื้นฐานที่จำเป็นของสิ่งมีชีวิตได้ เช่น ฟอสโฟลิปิด (phospholipid) หรือสฟิงโกลิปิด (sphingolipid) ที่ถูกใช้เป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งในเซลล์พืชและเซลล์สัตว์ และถูกใช้เป็นส่วนประกอบของเยื่อหุ้มออร์แกเนลต่างๆ ลิพิดเป็นชีวโมเลกุลชนิดเดียวที่ไม่ได้ใช้โครงสร้างทางเคมีของโมเลกุล สำหรับจำแนกออกจากชีวโมเลกุลอื่นๆ (แต่ก็ไม่แตกต่างจากชีวโมเลกุลธรรมดามากนัก) แต่อาศัยสมบัติการละลายน้ำได้แทน ทั้งนี้เพราะสมบัติของลิพิดที่สำคัญคือเกือบไม่ละลายน้ำ แต่ละลายได้ดีในสารทำละลายอินทรีย์ เช่น อีเทอร์ แอลกอฮอร์ เป็นต้น ลิพิดเป็นชีวโมเลกุลที่ประกอบไปด้วยคุณลักษณะทางเคมีที่แตกต่างกัน 2 ชนิด ได้แก่ กลุ่มที่มีขั้วหรือมีประจุไฟฟ้า (ซึ่งมีคุณสมบัติที่สัมพันธ์กันกับน้ำได้เป็นอย่างดี) ซึ่งยึดติดด้วยพันธะโควาเลนต์อยู่กับกลุ่มที่ไม่มีขั้วหรือไม่มีประจุไฟฟ้าที่เป็นสายของ กรดไขมัน (fatty acid) สายหนึ่งหรือสองสาย (ซึ่งมีคุณสมบัติต้านทานการละลายในน้ำได้เป็นอย่างดี) ดังภาพ |
||
|
||
ด้วยคุณสมบัติที่แตกต่างกันทั้งสองแบบนี้ ทำให้ลิพิดประพฤติตัวคล้ายกันกับสายโพลีเปปไทด์เมื่ออยู่ในน้ำ คือสามารถที่จะจัดตัวเองเข้าเป็นโครงสร้างพื้นฐานที่จำเป็นได้ อย่างเช่นโมเลกุลของฟอสโฟลิพิดเมื่อรวมตัวกันเองตามธรรมชาติ ก็สามารถที่จัดตัวเองเข้าเป็นโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์สองชั้น หรือที่เรียกกันว่า ไบเลเยอร์ (bilayers) ได้ ซึ่งจัดตัวเองเป็นแนวยาวออกไปโดยหันด้านที่มีประจุไฟฟ้าหรือมีขั้วทั้งหมดออกด้านนอก ทำหน้าที่เป็นส่วนผนังที่สัมผัสกับโมเลกุลของน้ำ ส่วนที่เป็นหางด้านที่เป็นสายไฮโดรคาร์บอนจะถูกห่อเข้าหากันเองสู่ด้านในของโครงสร้าง (ซึ่งฟอสโฟลิพิดที่สร้างเป็นเยื่อหุ้มเซลล์มีขนาดบางมาก โดยมีความหนาประมาณ 5 - 8 นาโนเมตรเท่านั้น ส่วนผนังเซลล์หนาประมาณ 10 นาโนเมตร) และสามารถที่จะจัดตัวเองเข้าเป็นโครงสร้างทรงกลมของไลโพโซม (liposome) ได้เช่นเดียวกัน ซึ่งเป็นการจัดตัวเองเป็นทรงกลมโดยหันด้านที่มีประจุไฟฟ้าหรือมีขั้วทั้งหมดออกด้านนอก ทำหน้าที่เป็นส่วนผนังที่สัมผัสกับโมเลกุลของน้ำ ส่วนที่เป็นหางด้านที่เป็นสายไฮโดรคาร์บอนจะถูกห่อเข้าหากันเองสู่ด้านในของโครงสร้างเช่นเดียวกัน (โดยทั่วไปส่วนหางจะประกอบไปด้วยอะตอมคาร์บอนที่ขยายยาวออกไป โดยอยู่ระหว่าง 16 ถึง 24 อะตอม) หรืออย่างเช่นลิพิดอีกประเภทหนึ่ง ได้แก่ โมเลกุลของกรดไขมัน ที่สามารถที่จะรวมตัวกันแล้วจัดตัวเองเข้าเป็นโครงสร้างทรงกลมของไมเซลล์ (spherical micelles) ได้ โดยจัดตำแหน่งส่วนหางของกรดไขมันเข้าด้านในไม่ให้อยู่กับส่วนที่น้ำได้อย่างเหมาะสม |
||
|
||
|
||
จากลักษณะของโครงสร้างพื้นฐานต่างๆ ที่เกิดจากการจับตัวกันของโมเลกุลของลิพิดนั้นจะเห็นได้ว่า ลิพิดมีแนวทางสร้างโครงสร้างในระดับนาโนเช่นเดียวกัน แต่มีความแตกต่างกันกับโปรตีนและกรดนิวคลีอิก โดยลิพิดเริ่มจากการการสร้างพันธะโควาเลนต์ระหว่างส่วนที่เป็นกลุ่มที่มีขั้วกับกลุ่มที่ไม่มีขั้ว เพื่อให้สามารถยึดติดกันเป็นโมเลกุลลิพิดซึ่งมีขนาดเล็กได้ และเมื่อลิพิดขนาดเล็กมีการรวมตัวจับกลุ่มกัน ลิพิดเหล่านี้ยังสามารถที่จะจัดตนเองเข้าเป็นโครงสร้างทรงกลมของไลโพโซม หรือของไมเซลล์ รวมทั้งการจัดตนเองให้ขยายตัวออกเป็นแถวสองชั้น เพื่อสร้างเป็นเยื่อหุ้มเซลล์หรือผนังเซลล์ได้ |
.jpg)
.jpg)
.jpg)
_33.jpg "singleclickstop=[on] header=[นาโนเทคโนโลยีชีวภาพในระบบธรรมชาติ]
body=[โปรตีน - ลิพิด]"){kind=small}
