|
Detergent
ในเชิงชีวเคมี
ในฉบับนี้ผมขอนำเสนอเกร็ดความรู้เล็กๆน้อยๆในเรื่องของ
detergents ที่ใช้ในเชิงชีวเคมี หรือชีววิทยามาแนะนำกับน้องๆนะครับ
เนื้อหาที่จะครอบคลุมต่อไปนี้ คงจะช่วยให้น้องๆที่กำลังเรียนวิชา
biochemistry ในมหาวิทยาลัยเข้าใจหน้าที่ของ detergents เพิ่มขึ้นอีกนิด
แต่มันอาจจะยากไปซักหน่อย สำหรับน้องๆที่กำลังเรียนในระดับมัธยม
ยังไงผมจะพยายามเขียนอธิบายให้ดีที่สุดนะครับ
ก่อนอื่นก็ต้องขอแนะนำข้อมูลบางอย่างเพื่อให้น้องๆทุกคนเข้าใจ
และมีพื้นฐานใกล้เคียงกันก่อนนะครับ
Hydrophobic Interactions
น้องๆทุกคนคงทราบนะครับว่าน้ำที่เราเห็น หรือสัมผัสนั้นเป็นเครือข่ายของโมเลกุล
ที่เรียงตัวกันอย่างมีระเบียบ ภายใต้แรงที่เรียกว่า hydrogen
bond (จำได้มั้ยครับ interaction ระหว่าง H และ F, O, หรือ N
เรียกว่า hydrogen bond) ทีนี้เนี่ย ถ้าอะไรจะละลายน้ำได้ ก็จะต้องสามารถสร้าง
hydrogen bond หรือ electrostatic interaction กับน้ำได้ (ในกรณีของ
electrostatic interaction โมเลกุลของน้ำจะทำการเรียงตัวใหม่
โดยจัดให้ H อะตอมหันเข้าหาประจุลบ และ O หันเข้าหาประจุบวกของตัวถูกละลาย)
แล้วถ้าตัวถูกละลาย ไม่สามารถสร้างแรงระหว่างโมเลกุลเหล่านี้
กับน้ำล่ะ จะเกิดอะไรขึ้น???
น้องๆทราบใช่มั้ยครับว่ามีสารอีกมากมายที่เป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว
หรือที่เรียกกันว่า hydrophobic molecules (hydro แปลว่าน้ำ
phobic แปลว่า เกลียดหรือกลัว ดังนั้น hydrophobic จึงแปลว่าพวกที่ไม่ชอบน้ำ)
ถ้าเราเอาสารไม่มีขั้วใส่ลงไปในน้ำ สารพวกนี้อย่างที่บอกข้างต้น
ไม่สามารถสร้างพันธะกับน้ำได้ มันจึงทำให้เกิดช่องโหว่ระหว่างโมเลกุลของน้ำขึ้น
โดยที่น้ำจะเรียงตัวใหม่รอบๆช่องว่างเหล่านั้น การเกิดช่องว่างระหว่างโมเลกุลของน้ำมากๆเช่นนี้นั้น
ทำให้ระบบไม่เสถียร ดังนั้นโมเลกุลของน้ำจึงพยายามลดจำนวนช่องว่างเหล่านั้นลง
โดยการต้อนบังคับให้สารไม่มีขั้วเหล่านี้รวมตัวกัน ในจำนวนที่มากที่สุดในช่องว่างช่องหนึ่ง
(ดูรูปประกอบนะครับ) ปรากฏการณ์เหล่านี้เรียกว่า hydrophobic
effect และแรงดึงดูดระหว่างสารไม่มีขั้ว ภายในช่องว่างระหว่างโมเลกุลของน้ำ
เรียกว่า hydrophobic interactions
เจ้า hydrophobic interactions นี่แหล่ะ คือตัวการสำคัญที่ทำให้โปรตีนต่างๆ
คงรูปร่างตามธรรมชาติของมันไว้ได้ น้องๆจำได้มั้ยครับว่า โปรตีนนั้นประกอบไปด้วยกรดอะมิโนต่างๆ
กรดอะมิโนที่มีตามธรรมชาตินั้นมีอยู่ 20 ตัว บางตัวก็มีขั้ว
บางตัวก็ไม่มีขั้ว บางตัวเป็นกรด บางตัวเป็นด่าง ถ้าเราเอามันมารวมกันเป็นโปรตีน
โปรตีนโมเลกุลนั้นๆก็จะมีทั้งส่วนที่มีขั้ว และส่วนที่ไม่มีขั้วใน
โปรตีนที่ต้องละลายอยู่ในน้ำก็จะมีการเรียงตัวโดยให้ส่วนที่มีขั้ว
หันหน้าออกไปสร้างพันธะกับน้ำ แล้วหันเอาส่วนที่ไม่มีขั้วเข้าหากันไว้ตรงกลาง
สำหรับ membrane protein นั้นการเรียงตัวก็จะตรงกันข้าม โดยส่วนที่ี่ไม่มีขั้วจะหันออกมา
interact กับ membrane lipid และเอาส่วนที่มีขั้วหันเข้าข้างใน
Detergents คืออะไร
Detergents ก็คือสารที่มีลักษณะสองอย่างในตัวเดียวกัน คือมีส่วนที่มีขั้วและส่วนที่ไม่มีขั้วอยู่ในในโมเลกุลเดียวกัน
ส่วนที่มีขั้ว เรียกว่า polar head และส่วนที่ไม่มีขั้วมักจะเป็น
hydrocarbon chain เรียกว่า tail เวลาที่ detergents เหล่านี้อยู่ในน้ำ
มันจะเรียงตัวกันในรูปแบบที่ส่วน polar head จะหันออกไปสร้าง hydrogen
bonds กับโมเลกุลของน้ำ และเอา hydrocarbon tail หันเข้าหากัน
การเรียงตัวของ detergents ในน้ำนี้จะเป็นรูปทรงกลมคล้ายๆลูกบอลเรียกว่า
micelle โดยแต่ละ micelle ประกอบไปด้วยโมเลกุลของ detergents หลายๆตัว
ไม่เหมือนกับโปรตีนที่เป็นโมเลกุลเดียวกัน (ดูรูปประกอบ) การเรียงตัวเช่นนี้ทำให้
detergents นั้นละลายน้ำได้ คุณสมบัติเหล่านี้ของ detergents ทำให้มันสามารถที่จะละลายสารที่ไม่มีขั้วในน้ำได้
นอกจากนี้ detergents ยังมีชื่อเรียกอีกชื่อว่า surfactants เพราะมันสามารถลดแรงตึงผิวของน้ำได้นั่นเอง
Biological Membrane
Biological membrane นั้นประกอบไปด้วยโมเลกุลของ phospholipids
และโปรตีน โดยที่ phospholipid ทำหน้าที่คล้ายๆกับ detergent ตามธรรมชาติ
lipid ที่เป็นส่วนประกอบของ biomembrane มีส่วนที่เป็น hydrocarbon
tail สองอันต่อกับหัว polar head การที่ phospholipid นี้มีส่วนที่เป็น
hydrocarbon tail สองเส้น ทำให้มันสามารถรวมตัวกันเป็น lipid bilayer
(ดูภาพประกอบ)
Membrane proteins นั้นจะแทรกตัวอยู่ใน biomembrane โดยการสร้าง
hydrophobic interaction ระหว่าง hydrocarbon tails ของ membrane
กับส่วนที่ไม่มีขั้วของโปรตีน เนื่องจากการที่ membrane proteins
มีส่วนที่เป็น hydrophobic มากกว่าส่วนที่มีขั้ว โดยปกติมันจึงไม่สามารถละลายน้ำได้
ดังนั้นเมื่อนักชีวเคมีต้องการที่จะศึกษาโปรตีนพวกนี้ จึงจำเป็นต้องหาวิธีที่จะทำให้มันละลายในน้ำได้
และนี่ก็คือจุดที่ detergents เข้ามามีบทบาทสำคัญในการที่จะทำให้
membrane proteins ละลายในน้ำ
Detergents ทำให้ membrane proteins
ละลายในน้ำได้อย่างไร
Detergents สามารถทำให้ membrane proteins ละลายในน้ำได้โดยการที่มันทำตัวเลียนแบบ
biological membrane นั่นเอง น้องๆคงสังเกตได้ว่า โครงสร้างของ
micelle นั้นก็คล้ายๆกับโครงสร้างของ membrane ซึ่งโปรตีนสามารถที่จะแทรกตัวเข้าไปอยู่ระหว่าง
micelle โดยให้ส่วนที่ไม่มีขั้วของโปรตีนสัมผัสกับ hydrocarbon
tail ของ detergent micelle และปล่อยให้ส่วนที่มีขั้วของโปรตีนนั้นก็สัมผัสกับน้ำไป
การละลาย biological membrane ในน้ำโดยใช้ detergents นั้นมีหลายขั้น
(ดูรูปประกอบด้านล่างนะครับ) ในกรณีที่ปริมาณของ detergents
นั้นน้อยมากๆ มันก็จะแทรกตัวมันเองเข้าไปใน biological membrane
โดยทำตัวเสมือนว่ามันคือ phospholipid โมเลกุลนึง ทีนี้ถ้าปริมาณ
detergents ในระบบมีมากเกินที่จะสามารถแทรกตัวอยู่ใน membrane
ได้ต่อไป biological membrane ก็จะแตกตัว และเปลี่ยนเป็นโครงสร้างต่างๆต่อไปนี้
(1) phospholipids และ detergents จำนวนนึง ก็รวมตัวกลายเป็น
micelles ที่ประกอบไปด้วยทั้ง phospholipids และ detergents
(2) ถ้า detergents มีมากกว่าปริมาณ phospholipids มากๆ detergents
ส่วนเกินก็จะรวมตัวกันเป็น detergent micelles
(3) membrane proteins ก็จะถูกแยกออกจาก biological membrane
ที่ไม่เหลืออยู่แล้ว และถูกล้อมรอบด้วย detergents กลายเป็น
protein-detergent complex
รู้สึกว่าจะกินเนื้อที่เกินโควต้าแล้วนะครับ เอาเป็นว่าฉบับนี้ผมขอพักไว้แค่นี้ก่อน
ฉบับหน้าผมจะพูดถึง detergents ประเภทต่างๆและคุณสมบัติการใช้งานนะครับ
|
