นาโนเทคโนโลยี  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
 
 
 
 
          โปรตีนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญอย่างมากในระบบชีวภาพ โปรตีนเป็นโมเลกุลชีวภาพในระบบธรรมชาติที่ถูกใช้ในการสร้างโครงสร้างนาโน (nanostructure) และจักรกลนาโน (nanomachine) ที่มีคุณสมบัติที่หลากหลายมากที่สุด จึงกล่าวได้ว่าโปรตีนเป็นจักรกลแห่งชีวภาพที่สร้างสรรค์สิ่งต่างๆ ภายในโลกนาโนชีวภาพขึ้นมาก็ว่าได้
 
          โปรตีนเป็นโมเลกุลพื้นฐานที่มีลักษณะเป็นพอลิเมอร์อันซับซ้อน โดยถูกสร้างขึ้นมาจากการรวมตัวของมอนอเมอร์โมเลกุลของ กรดแอลอะมิโน (L-amino) ซึ่งมอนอเมอร์โมเลกุลของกรดแอลอะมิโนแต่ละมอนอเมอร์มีขนาดประมาณ 0.8 นาโนเมตร โดยมอนอเมอร์เหล่านี้ก็จะถูกเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวด้วยพันธะเปปไทด์ และหลังจากนั้นจะเกิดการม้วนตัว (fold) เข้าหากันเป็นโครงสร้างหนึ่งของโปรตีนที่มีความเสถียรได้
 

โมเลกุลของกรดแอลอะมิโน

 
          เมื่อกรดอะมิโน 2 โมเลกุลมาต่อกัน โดยเชื่อมกันผ่านปลายด้านหมู่คาร์บอกซิลิกของกรดอะมิโนตัวหนึ่ง ทำปฏิกิริยากับปลายด้านหมู่อะมิโนของกรดอะมิโนตัวถัดไป และกำจัดน้ำออก 1 โมเลกุล จะได้ผลผลิตเป็นไดเปปไทด์ (dipeptide) โดยพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างกรดอะมิโนที่ยึดติดกันแต่ละโมเลกุลเรียกว่า พันธะเปปไทด์ (peptide bond) และถ้าหากมีกรดอะมิโนหลายๆ โมเลกุลมาทำปฏิกิริยาต่อเนื่องกันจะได้เป็นสายโพลีเปปไทด์ (polypeptide)
 
ไดเปปไทด์ของกรดอะมิโนเซียรีน (serine : SER)   และเวลีน (valine : VAL)
 
          พันธะเปปไทด์ (หรือที่เรียกว่าพันธะเอไมด์ (amide bond)) เป็นพันธะที่แข็ง (rigid)   ซึ่งความเสถียรในรูปร่างของหมู่เปปไทด์นี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างจักรกลนาโนในการกำหนด โครงรูป (conformation) ของโปรตีนนั้นๆ  โดยหมู่เปปไทด์จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแต่อย่างใด  แต่ส่วนอื่นของโมเลกุลนั้นจะสามารถม้วนตัวเองได้  ทำให้สายโพลีเปปไทด์สามารถพับไปพับมาได้หลากหลายแบบ  แต่สำหรับโปรตีนจำเพาะตัวหนึ่งๆ นั้น ก็มักจะมีโครงรูปที่เป็นแบบเดียวกันเสมอ
 
          นอกจากพันธะเปปไทด์จะเป็นพันธะที่แข็งแล้ว  ยังเป็นพันธะที่มีการจัดเรียงตัวของอะตอมอยู่ในระนาบเดียวกัน  อีกทั้งการจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างหมู่เปปไทด์นี้ก็จะปล่อยโมเลกุลของน้ำออกจากพันธะ  ดังนั้นแล้วจึงทำให้สายโพลีเปปไทด์เกิดโครงรูปที่เสถียรมากขึ้นด้วย ซึ่งโครงสร้างที่มีความเสถียรแบบเฉพาะเจาะจงของโปรตีนที่รู้จักกันดี ได้แก่ โครงสร้างแบบเกลียวแอลฟา (œ – helix) และ โครงสร้างแบบแผ่นพลีตบีตา (ß – pleated sheet)
 
การสร้างโครงสร้างแบบเกลียวแอลฟาของโปรตีน
 
การสร้างโครงสร้างแบบแผ่นพลีทบีตาของโปรตีน
 
          โปรตีนในธรรมชาติบางชนิดถูกออกแบบมาเป็นรูป โครงสร้างเกือบจะเป็นทรงกลม (globular structure) ที่แข็งแรง (โครงสร้างเกือบจะเป็นทรงกลมนี้มีขนาดประมาณ 4 นาโนเมตร) โดยการม้วนตัวของสายโพลีเปปไทด์ผ่านโครงสร้างหลายๆ แบบ  ซึ่งเป็นโครงสร้างอย่างสุ่มจำนวนหนึ่ง อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาการไม่ชอบน้ำ (hydrophobic effect) จากนั้นจึงจะถูกเปลี่ยนลักษณะโครงสร้างให้อยู่ในรูปแบบเกือบจะเป็นทรงกลมอย่างสมบูรณ์มากขึ้น และอาจสะสมตัวเข้าเป็นโครงสร้างที่มีความสมมาตรมากขึ้นได้ด้วย
 
ลักณะกระบวนการสร้างโครงสร้างของโปรตีนที่เกิดขึ้นอย่างสุ่ม  จนกระทั่งอาจได้เป็นโครงสร้างโปรตีนที่เกือบจะเป็นทรงกลม
 

          จากการสร้างโครงสร้างของโปรตีนนั้นจะเห็นได้ว่า โปรตีนมีแนวทางในการสร้างโครงสร้างในระดับอะตอมหรือโมเลกุล (ซึ่งอยู่ในช่วงอาณาจักรระดับนาโนเมตร) โดยเริ่มจากการที่แต่ละมอนอเมอร์โมเลกุลของกรดอะมิโนเชื่อมต่อกันโดยอาศัยพันธะเปปไทด์ ซึ่งเป็นพันธะที่มีความแข็งและมีความเสถียรสูงกว่าพันธะอื่นๆ เนื่องจากแต่ละอะตอมของพันธะเปปไทด์ทำปฏิกิริยาต่อกันแบบโควาเลนต์ (พันธะโควาเลนต์เป็นพันธะที่มีความแข็งแรงมากที่สุด เนื่องจากเป็นพันธะที่มีการแบ่งปันอิเล็กตรอนกัน) ทำให้การเชื่อมต่อแบบพอลิเมอร์ของมอนอเมอร์โมเลกุลกรดอะมิโนได้โครงสร้างที่มีความเสถียรสูง จากนั้นยังมีการจัดตัวเอง  โดยการม้วนตัวจากโครงสร้างสายตรงเข้าเป็นโครงรูปที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมมากขึ้น โดยอาศัยพันธะไฮโดรเจนของกลุ่มอะตอมในโครงสร้าง เช่น การม้วนตัวเข้าเป็นโครงสร้างแบบเกลียวแอลฟาและแบบแผ่นพลีทบีต้า หลังจากนั้นก็จะประกอบกันเป็นโครงสร้างเกือบจะเป็นทรงกลม และด้วยความสามารถในการประกอบตัวเองได้ของโปรตีน ยังผลทำให้เกิดเป็นโครงสร้างเสถียรที่ซับซ้อนมากขึ้น  โดยการประกอบตัวเองเข้าเป็นโครงสร้างที่มีความสมมาตรขึ้น ซึ่งหากพิจารณากระบวนการทั้งหลายที่เกิดขึ้นตั้งแต่ต้นจนจบนั้น โปรตีนเปรียบเสมือนผู้ประกอบจักรกลนาโนของธรรมชาติโดยแท้จริง

 
 
 
 
          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
 
โมเลกุลของฟอสโฟลิพิดเกิดจากหมู่ไฮดรอกซิล 2 หมู่ของกลีเซอรอลจับกับกรดไขมันด้วยพันธะเอสเทอร์ และที่เหลืออีกหมู่หนึ่งจับกับหมู่ฟอสเฟต โดยที่หมู่ฟอสเฟตจับอยู่กับหมู่อื่นที่มีขั้ว  ซึ่งมักเป็นจำพวกแอลกอฮอร์
 

          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 

 
ลิพิดที่ประกอบกันเป็นโครงสร้างของไมเซลล์ (micelle) และไลโพโซม (liposome)
 
ลิพิดถูกใช้ในการสร้างเป็นเยื่อที่ต้านการผ่านเข้าออกของโมเลกุลขนาดใหญ่  และไอออนต่างๆ เยื้อหุ้มเซลล์ผนัง 2 ชั้น (lipid bilayer) ประกอบไปด้วยฟอสโฟลิพิด (phopholipids) จัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ
 

          จากลักษณะของโครงสร้างพื้นฐานต่างๆ ที่เกิดจากการจับตัวกันของโมเลกุลของลิพิดนั้นจะเห็นได้ว่า ลิพิดมีแนวทางสร้างโครงสร้างในระดับนาโนเช่นเดียวกัน แต่มีความแตกต่างกันกับโปรตีนและกรดนิวคลีอิก โดยลิพิดเริ่มจากการการสร้างพันธะโควาเลนต์ระหว่างส่วนที่เป็นกลุ่มที่มีขั้วกับกลุ่มที่ไม่มีขั้ว เพื่อให้สามารถยึดติดกันเป็นโมเลกุลลิพิดซึ่งมีขนาดเล็กได้ และเมื่อลิพิดขนาดเล็กมีการรวมตัวจับกลุ่มกัน ลิพิดเหล่านี้ยังสามารถที่จะจัดตนเองเข้าเป็นโครงสร้างทรงกลมของไลโพโซม  หรือของไมเซลล์  รวมทั้งการจัดตนเองให้ขยายตัวออกเป็นแถวสองชั้น  เพื่อสร้างเป็นเยื่อหุ้มเซลล์หรือผนังเซลล์ได้

คำศัพท์คณิตศาสตร์ที่น่าสนใจ

หมวด : | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

    ศัพท์เคมี    ศัพท์คณิตศาสตร์   ศัพท์ฟิสิกส์   

  บทความวิทยาศาสตร์      ศัพท์ชีววิทยา      สื่อการสอนฟิสิกส์      ศัพท์วิทยาศาสตร์

พจนานุกรมเสียง 1   แมว    วัว 1    วัว 2    วัว 3   

เหมียว   แกะ     พจนานุกรมภาพการ์ตูน

พจนานุกรมภาพเคลื่อนไหว   ดนตรี  Bullets แบบ JEWEL 

พจนานุกรมภาพต่างๆ  ภาพเคลื่อนไหวของสัตว์ต่างๆ  โลกและอวกาศ

อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ

 

การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

 

 1. ไฟฟ้าสถิต   2.  สนามไฟฟ้า   3. ความกว้างของสายฟ้า 

4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า   6. กระแสไฟฟ้า  7. สนามแม่เหล็ก   8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ   10. ทรานซิสเตอร์  11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตร์ควอนตัม   

15. โครงสร้างของอะตอม   16. นิวเคลียร์   

17. การสอนไฟฟ้าแม่เหล็กของมหาวิทยาลัยรังสิต

กลับหน้าสารบัญ

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

หนังสืออิเล็กทรอนิกส์