Jaké jsou čtyři makromolekuly života?

Biologie - nebo neformálně, samotný život - je charakterizována elegantními makromolekulami, které se během stovek milionů let vyvinuly, aby sloužily řadě kritických funkcí. Ty jsou často rozděleny do čtyř základních typů: sacharidy (nebo polysacharidy), lipidy, proteiny a nukleové kyseliny. Pokud máte nějaké znalosti ve výživě, poznáte první tři z nich jako tři standardní makronutrienty (nebo „makra“ ve výživovém překladu) uvedené na štítcích s nutričními informacemi. Čtvrtý se týká dvou úzce souvisejících molekul, které slouží jako základ pro ukládání a překlad genetické informace ve všech živých věcech.

Každá z těchto čtyř makromolekul života nebo biomolekul vykonává řadu povinností; jak můžete očekávat, jejich různé role nádherně souvisí s jejich různými fyzickými komponentami a uspořádáními.

A makromolekula je velmi velká molekula, obvykle sestávající z tzv. opakovaných podjednotek monomery, které nelze redukovat na jednodušší složky bez obětování prvku „stavebního bloku“. I když neexistuje standardní definice toho, jak velká musí být molekula, aby získala předponu „makra“, obecně mají minimálně tisíce atomů. Téměř jistě jste viděli tento druh stavby v nepřirozeném světě; například mnoho druhů tapet, i když je designově propracovaných a celkově fyzicky rozsáhlých, sestává z přilehlých podjednotek, které jsou často menší než čtvereční stopa. Ještě zřejmější je řetěz, který lze považovat za makromolekulu, ve které jsou jednotlivé články „monomery“.

Důležitým bodem biologických makromolekul je to, že s výjimkou lipidů jejich monomerní jednotky jsou polární, což znamená, že mají elektrický náboj, který není distribuován symetricky. Schematicky mají „hlavy“ a „ocasy“ s různými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Vzhledem k tomu, že se monomery navzájem spojují, makromolekuly samotné jsou také polární.

Všechny biomolekuly mají také vysoké množství uhlíku prvku. Možná jste slyšeli druh života na Zemi (jinými slovy, jediný druh, o kterém víme jistě, že existuje kdekoli) označovaný jako „uhlíkatý život“, a to z dobrého důvodu. Ale a dusík, kyslík, vodík a fosfor jsou nepostradatelné také pro živé bytosti a v mixu je v menší míře celá řada dalších prvků.

Je téměř jisté, že když uvidíte nebo uslyšíte slovo „uhlohydráty“, první věc, na kterou si vzpomenete, je „jídlo“, a možná konkrétněji, „něco v jídle, na které se mnoho lidí zaměřuje zbavit se. “„ Lo-carb “a„ no-carb “se na počátku 21. století stala módními slovy pro hubnutí a termín„ karbo-nakládání “se od vytrvalostního sportu vyskytuje již od Sedmdesátá léta. Ale ve skutečnosti jsou sacharidy mnohem víc než jen zdroj energie pro živé věci.

Všechny molekuly sacharidů mají vzorec (CH₂Ó)_n, kde n je počet přítomných atomů uhlíku. To znamená, že poměr C: H: O je 1: 2: 1. Například jednoduché cukry glukóza, fruktóza a galaktóza mají vzorec C.₆H₁₂Ó₆ (atomy těchto tří molekul jsou samozřejmě uspořádány odlišně).

Sacharidy jsou klasifikovány jako monosacharidy, disacharidy a polysacharidy. Monosacharid je monomerní jednotka sacharidů, ale některé sacharidy se skládají pouze z jednoho monomeru, jako je glukóza, fruktóza a galaktóza. Obvykle jsou tyto monosacharidy nejstabilnější ve formě kruhu, který je schematicky zobrazen jako šestiúhelník.

Disacharidy jsou cukry se dvěma monomerními jednotkami nebo párem monosacharidů. Tyto podjednotky mohou být stejné (jako u maltózy, která se skládá ze dvou spojených molekul glukózy) nebo různé (jako v sacharóze nebo stolním cukru, který se skládá z jedné molekuly glukózy a jedné fruktózy molekula. Vazby mezi monosacharidy se nazývají glykosidické vazby.

Polysacharidy obsahují tři nebo více monosacharidů. Čím delší jsou tyto řetězce, tím je pravděpodobnější, že budou mít větve, to znamená, že to nebude jen řada monosacharidů od začátku do konce. Příklady polysacharidů zahrnují škrob, glykogen, celulózu a chitin.

Škrob má tendenci se tvořit ve tvaru spirály nebo spirály; toto je běžné u biomolekul s vysokou molekulovou hmotností obecně. Celulóza je naproti tomu lineární, skládající se z dlouhého řetězce monomerů glukózy s vodíkovými vazbami rozptýlenými mezi atomy uhlíku v pravidelných intervalech. Celulóza je složkou rostlinných buněk a dodává jim tuhost. Lidé nemohou strávit celulózu a ve stravě se jí obvykle říká „vláknina“. Chitin je další strukturní uhlohydrát, který se nachází ve vnějších tělech členovců, jako je hmyz, pavouci a kraby. Chitin je modifikovaný sacharid, protože je „znehodnocen“ dostatkem atomů dusíku. Glykogen je zásobní forma sacharidů v těle; usazeniny glykogenu se nacházejí jak v játrech, tak ve svalové tkáni. Díky adaptaci enzymů v těchto tkáních jsou vyškolení sportovci schopni ukládat více glykogenu než sedaví lidé díky své vysoké energetické potřebě a výživovým praktikám.

Stejně jako sacharidy jsou i proteiny součástí každodenního slovníku většiny lidí, protože slouží jako takzvaná makronutrient. Ale bílkoviny jsou neuvěřitelně všestranné, mnohem více než sacharidy. Ve skutečnosti by bez bílkovin neexistovaly žádné sacharidy nebo lipidy, protože enzymy potřebné k syntéze (stejně jako k trávení) těchto molekul jsou samy o sobě bílkoviny.

Monomery bílkovin jsou aminokyseliny. Mezi ně patří skupina karboxylové kyseliny (-COOH) a amino (-NH)₂) skupina. Když se aminokyseliny navzájem spojí, je to vodíkovou vazbou mezi skupinou karboxylové kyseliny na jedné z aminokyselin a amino skupinou druhé, s molekulou vody (H₂O) uvolněno v procesu. Rostoucí řetězec aminokyselin je polypeptid, a když je dostatečně dlouhý a předpokládá svůj trojrozměrný tvar, je to plnohodnotný protein. Na rozdíl od sacharidů proteiny nikdy nevykazují větve; jsou jen řetězcem karboxylových skupin spojených s aminoskupinami. Protože tento řetězec musí mít začátek a konec, jeden konec má volnou aminoskupinu a nazývá se N-terminál, zatímco druhý má volnou aminoskupinu a nazývá se C-terminál. Protože existuje 20 aminokyselin, které mohou být uspořádány v libovolném pořadí, je složení proteinů extrémně rozmanité, i když nedochází k větvení.

Proteiny mají takzvanou primární, sekundární, terciární a kvartérní strukturu. Primární struktura označuje sekvenci aminokyselin v proteinu a je geneticky dána. Sekundární struktura označuje ohýbání nebo zauzlování řetězu, obvykle opakujícím se způsobem. Některé konformace zahrnují alfa-šroubovici a beta skládaný list a jsou výsledkem slabých vodíkových vazeb mezi postranními řetězci různých aminokyselin. Terciární struktura je zkroucení a zvlnění proteinu v trojrozměrném prostoru a může mimo jiné zahrnovat disulfidové vazby (síra na síru) a vodíkové vazby. Nakonec se kvartérní struktura týká více než jednoho polypeptidového řetězce ve stejné makromolekule. K tomu dochází v kolagenu, který se skládá ze tří řetězců zkroucených a stočených dohromady jako lano.

Proteiny mohou sloužit jako enzymy, které katalyzují biochemické reakce v těle; jako hormony, jako je inzulín a růstový hormon; jako konstrukční prvky; a jako komponenty buněčné membrány.

Lipidy jsou různorodá sada makromolekul, ale všechny mají společnou vlastnost být hydrofobní; to znamená, že se nerozpouštějí ve vodě. Je to proto, že lipidy jsou elektricky neutrální, a proto nepolární, zatímco voda je polární molekula. Lipidy zahrnují triglyceridy (tuky a oleje), fosfolipidy, karotenoidy, steroidy a vosky. Podílejí se hlavně na tvorbě a stabilitě buněčné membrány, tvoří části hormonů a používají se jako skladované palivo. Tuky, typ lipidů, jsou třetím typem makronutrientů, s dříve diskutovanými sacharidy a bílkovinami. Oxidací jejich takzvaných mastných kyselin dodávají 9 kalorií na gram na rozdíl od 4 kalorií na gram dodávaných jak sacharidy, tak tuky.

Lipidy nejsou polymery, takže přicházejí v různých formách. Stejně jako sacharidy se skládají z uhlíku, vodíku a kyslíku. Triglyceridy se skládají ze tří mastných kyselin spojených s molekulou glycerolu, tří uhlíkového alkoholu. Tyto vedlejší řetězce mastných kyselin jsou dlouhé, jednoduché uhlovodíky. Tyto řetězce mohou mít dvojné vazby, a pokud ano, tvoří mastnou kyselinu nenasycené. Pokud existuje pouze jedna taková dvojná vazba, pak je to mastná kyselina mononenasycené. Pokud jsou dva nebo více, je polynenasycené. Tyto různé typy mastných kyselin mají různé zdravotní důsledky pro různé lidi kvůli jejich účinkům na stěny cév. Nasycené tuky, které nemají dvojné vazby, jsou pevné při teplotě místnosti a jsou to obvykle živočišné tuky; tyto mají tendenci způsobovat arteriální plaky a mohou přispívat k onemocnění srdce. S mastnými kyselinami lze manipulovat chemicky a nenasycené tuky, jako jsou rostlinné oleje, lze nasytit tak, aby byly pevné a vhodné pro použití při pokojové teplotě, jako je margarín.

Fosfolipidy, které mají na jednom konci hydrofobní lipid a na druhém hydrofilní fosfát, jsou důležitou složkou buněčných membrán. Tyto membrány sestávají z fosfolipidové dvojvrstvy. Dvě lipidové části, které jsou hydrofobní, směřují ven a dovnitř buňky, zatímco hydrofilní konce fosfátu se setkávají ve středu dvojvrstvy.

Mezi další lipidy patří steroidy, které slouží jako hormony a prekurzory hormonů (např. Cholesterol) a obsahují řadu charakteristických kruhových struktur; a vosky, které zahrnují včelí vosk a lanolin.

Nukleové kyseliny zahrnují deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) a ribonukleovou kyselinu (RNA). Jsou strukturně velmi podobné, protože oba jsou polymery, ve kterých jsou monomerní jednotky nukleotidy. Nukleotidy sestávají z pentózové cukrové skupiny, fosfátové skupiny a dusíkaté bazické skupiny. V DNA i RNA mohou být tyto báze jedním ze čtyř typů; jinak jsou všechny nukleotidy DNA identické, stejně jako RNA.

DNA a RNA se liší třemi hlavními způsoby. Jedním z nich je, že v DNA je pentózovým cukrem deoxyribóza a v RNA ribóza. Tyto cukry se liší přesně o jeden atom kyslíku. Druhým rozdílem je, že DNA je obvykle dvouvláknová, tvořící dvojitou spirálu objevenou v padesátých letech týmem Watsona a Cricka, ale RNA je jednořetězcová. Třetí je, že DNA obsahuje dusíkaté báze adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a thymin (T), ale RNA má za tymin substituovaný uracil (U).

DNA uchovává dědičné informace. Délky nukleotidů tvoří geny, které obsahují informace prostřednictvím sekvencí dusíkatých bází k výrobě specifických proteinů. Spousta genů tvoří chromozomy, a součet chromozomů organismu (lidé mají 23 párů) je jeho genom. DNA se používá v procesu transkripce k vytvoření formy RNA zvané messenger RNA (mRNA). To uloží kódovanou informaci trochu jiným způsobem a přesune ji z buněčného jádra, kde je DNA, a do buněčné cytoplazmy nebo matrice. Zde další typy RNA iniciují proces translace, při kterém se vytvářejí a odesílají proteiny po celé buňce.