Кои са четирите макромолекули на живота?

Биологията - или неформално самият живот - се характеризира с елегантни макромолекули, които са се развили в продължение на стотици милиони години, за да изпълняват редица критични функции. Те често се категоризират в четири основни типа: въглехидрати (или полизахариди), липиди, протеини и нуклеинови киселини. Ако имате някакъв опит в храненето, ще разпознаете първите три от тях като трите стандартни макронутриенти (или „макроси“, на диетичен език), изброени на етикетите за хранителна информация. Четвъртият се отнася до две тясно свързани молекули, които служат като основа за съхранение и транслация на генетична информация във всички живи същества.

Всяка от тези четири макромолекули или биомолекули изпълнява различни задължения; както може да се очаква, различните им роли са изискано свързани с различните им физически компоненти и подредби.

A макромолекула е много голяма молекула, обикновено състояща се от повтарящи се субединици, наречени мономери, които не могат да бъдат сведени до по-прости съставни части, без да се жертва елементът "градивен елемент". Въпреки че няма стандартна дефиниция за това колко голяма трябва да бъде молекулата, за да спечели префикса "макро", те обикновено имат най-малко хиляди атоми. Почти сигурно сте виждали този вид конструкция в неприродния свят; например, много видове тапети, макар и сложни в дизайна и като цяло физически експанзивни, се състоят от съседни субединици, които често са с размер, по-малък от около квадратен фут. Още по-очевидно е, че веригата може да се разглежда като макромолекула, в която отделните звена са "мономерите".

Важен момент за биологичните макромолекули е, че с изключение на липидите, техните мономерните единици са полярни, което означава, че те имат електрически заряд, който не е разпределен симетрично. Схематично те имат "глави" и "опашки" с различни физични и химични свойства. Тъй като мономерите се присъединяват един към друг, макромолекулите също са полярни.

Също така, всички биомолекули имат големи количества от елемента въглерод. Може да сте чували вида живот на Земята (с други думи, единственият вид, който познаваме със сигурност, съществува навсякъде), наричан „живот, основан на въглерод“, и с основателна причина. Но азотът, кислородът, водородът и фосфорът са незаменими и за живите същества, а множество други елементи са в сместа в по-малка степен.

Почти сигурно е, че когато видите или чуете думата „въглехидрати“, първото нещо, за което се сещате, е „храна“ и може би по-конкретно „нещо в храната, на което много хора са насочени да се отървете от тях. "„ Lo-carb "и" no-carb "се превърнаха в модни думи за отслабване в началото на 21-ви век, а терминът" натоварване с въглерод "е сред общността на спортовете за издръжливост от 1970-те. Но всъщност въглехидратите са много повече от просто източник на енергия за живите същества.

Всички молекули въглехидрати имат формулата (СН₂О)_н, където n е броят на присъстващите въглеродни атоми. Това означава, че съотношението C: H: O е 1: 2: 1. Например, обикновените захари глюкоза, фруктоза и галактоза имат формула С₆Н₁₂О₆ (атомите на тези три молекули, разбира се, са подредени по различен начин).

Въглехидратите се класифицират като монозахариди, дизахариди и полизахариди. Монозахаридът е мономерната единица въглехидрати, но някои въглехидрати се състоят само от един мономер, като глюкоза, фруктоза и галактоза. Обикновено тези монозахариди са най-стабилни под формата на пръстен, който е изобразен схематично като шестоъгълник.

Дизахаридите са захари с две мономерни единици или двойка монозахариди. Тези субединици могат да бъдат същите (както при малтозата, която се състои от две съединени молекули глюкоза) или различни (като в захарозата или трапезната захар, която се състои от една молекула глюкоза и една фруктоза молекула. Връзките между монозахаридите се наричат ​​гликозидни връзки.

Полизахаридите съдържат три или повече монозахариди. Колкото по-дълги са тези вериги, толкова по-вероятно е те да имат клонове, тоест да не са просто линия от монозахариди от край до край. Примери за полизахариди включват нишесте, гликоген, целулоза и хитин.

Нишестето има тенденция да се образува под формата на спирала или спирала; това е често срещано в биомолекулите с високо молекулно тегло като цяло. За разлика от това целулозата е линейна, състояща се от дълга верига глюкозни мономери с водородни връзки, разпръснати между въглеродните атоми на равни интервали. Целулозата е компонент на растителните клетки и им придава твърдост. Хората не могат да смилат целулозата и в диетата тя обикновено се нарича „фибри“. Хитинът е друг структурен въглехидрат, открит във външните тела на членестоноги като насекоми, паяци и раци. Хитинът е модифициран въглехидрат, тъй като е "фалшифициран" с достатъчно азотни атоми. Гликогенът е формата за съхранение на въглехидрати в организма; отлагания на гликоген се откриват както в черния дроб, така и в мускулната тъкан. Благодарение на ензимните адаптации в тези тъкани, обучените спортисти са в състояние да съхраняват повече гликоген от заседналите хора в резултат на високите си енергийни нужди и хранителни практики.

Подобно на въглехидратите, протеините са част от ежедневния речник на повечето хора, тъй като служат като така наречения макронутриент. Но протеините са невероятно гъвкави, много повече от въглехидратите. Всъщност без протеини няма да има въглехидрати или липиди, тъй като ензимите, необходими за синтеза (както и за смилането) на тези молекули, самите те са протеини.

Мономерите на протеините са аминокиселини. Те включват група на карбоксилна киселина (-COOH) и амино (-NH₂) група. Когато аминокиселините се присъединят една към друга, това е чрез водородна връзка между групата на карбоксилната киселина на една от аминокиселините и аминогрупата на другата, с молекула вода (Н₂O) освободен в процеса. Нарастващата верига от аминокиселини е полипептид и когато тя е достатъчно дълга и приема своята триизмерна форма, това е пълноценен протеин. За разлика от въглехидратите, протеините никога не показват клони; те са просто верига от карбоксилни групи, присъединени към амино групи. Тъй като тази верига трябва да има начало и край, единият край има свободна амино група и се нарича N-терминал, докато другият има свободна амино група и се нарича С-терминал. Тъй като има 20 аминокиселини и те могат да бъдат подредени във всякакъв ред, съставът на протеините е изключително разнообразен, въпреки че не се получава разклоняване.

Протеините имат така наречената първична, вторична, третична и четвъртична структура. Първичната структура се отнася до последователността на аминокиселините в протеина и е генетично обусловена. Вторичната структура се отнася до огъване или извиване във веригата, обикновено по повтарящ се начин. Някои конформации включват алфа-спирала и бета-плисиран лист и са резултат от слаби водородни връзки между страничните вериги на различни аминокиселини. Третичната структура представлява усукване и навиване на протеина в триизмерното пространство и може да включва дисулфидни връзки (сяра към сяра) и водородни връзки, наред с други. И накрая, кватернерната структура се отнася до повече от една полипептидна верига в една и съща макромолекула. Това се случва в колагена, който се състои от три вериги, усукани и навити заедно като въже.

Протеините могат да служат като ензими, които катализират биохимичните реакции в организма; като хормони, като инсулин и растежен хормон; като структурни елементи; и като клетъчно-мембранни компоненти.

Липидите са разнообразен набор от макромолекули, но всички те споделят чертата на хидрофобност; тоест те не се разтварят във вода. Това е така, защото липидите са електрически неутрални и следователно неполярни, докато водата е полярна молекула. Липидите включват триглицериди (мазнини и масла), фосфолипиди, каротеноиди, стероиди и восъци. Те участват главно в образуването и стабилността на клетъчната мембрана, образуват части от хормони и се използват като складирано гориво. Мазнините, вид липиди, са третият вид макроелементи, с въглехидрати и протеини, обсъдени по-рано. Чрез окисляване на така наречените им мастни киселини, те доставят 9 калории на грам, за разлика от 4 калории на грам, доставяни както от въглехидрати, така и от мазнини.

Липидите не са полимери, така че те се предлагат в най-различни форми. Подобно на въглехидратите, те се състоят от въглерод, водород и кислород. Триглицеридите се състоят от три мастни киселини, свързани към молекула глицерол, тривъглероден алкохол. Тези странични вериги с мастни киселини са дълги, прости въглеводороди. Тези вериги могат да имат двойни връзки и ако имат, това прави мастната киселина ненаситен. Ако има само една такава двойна връзка, мастната киселина е мононенаситени. Ако са две или повече, е така полиненаситени. Тези различни видове мастни киселини имат различни последици за здравето за различните хора поради въздействието им върху стените на кръвоносните съдове. Наситените мазнини, които нямат двойни връзки, са твърди при стайна температура и обикновено са животински мазнини; те са склонни да причиняват артериални плаки и могат да допринесат за сърдечни заболявания. Мастните киселини могат да бъдат химически манипулирани, а ненаситените мазнини като растителните масла могат да бъдат наситени, така че да са твърди и удобни за употреба при стайна температура, като маргарин.

Фосфолипидите, които имат хидрофобен липид в единия край и хидрофилен фосфат в другия, са важен компонент на клетъчните мембрани. Тези мембрани се състоят от фосфолипиден двуслой. Двете липидни части, които са хидрофобни, са обърнати към външната и вътрешната страна на клетката, докато хидрофилните опашки на фосфата се срещат в центъра на бислоя.

Други липиди включват стероиди, които служат като хормони и хормонални предшественици (напр. Холестерол) и съдържат серия отличителни пръстеновидни структури; и восъци, които включват пчелен восък и ланолин.

Нуклеиновите киселини включват дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) и рибонуклеинова киселина (РНК). Те са много сходни структурно, тъй като и двете са полимери, в които са мономерните единици нуклеотиди. Нуклеотидите се състоят от пентозна захарна група, фосфатна група и азотна основна група. И в ДНК, и в РНК тези основи могат да бъдат един от четирите вида; в противен случай всички нуклеотиди на ДНК са идентични, както и тези на РНК.

ДНК и РНК се различават по три основни начина. Единият е, че в ДНК пентозната захар е дезоксирибоза, а в РНК е рибоза. Тези захари се различават точно с един кислороден атом. Втората разлика е, че ДНК обикновено е двуверижна, образувайки двойната спирала, открита през 50-те години от екипа на Уотсън и Крик, но РНК е едноверижна. Третото е, че ДНК съдържа азотните основи аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (Т), но РНК има урацил (U), заместен с тимин.

ДНК съхранява наследствена информация. Дължините на нуклеотидите съставляват гени, които съдържат информацията чрез азотните основни последователности за производството на специфични протеини. Много гени съставляват хромозоми, и общата сума на хромозомите на организма (хората имат 23 двойки) е неговата геном. ДНК се използва в процеса на транскрипция, за да се получи форма на РНК, наречена пратеник РНК (тРНК). Това съхранява кодираната информация по малко по-различен начин и я премества от клетъчното ядро, където е ДНК, и в клетъчната цитоплазма или матрица. Тук други видове РНК инициират процеса на транслация, при който протеините се произвеждат и изпращат из цялата клетка.