Hvad er de fire makromolekyler i livet?

Biologi - eller uformelt selve livet - er kendetegnet ved elegante makromolekyler, der har udviklet sig gennem hundreder af millioner af år til at tjene en række kritiske funktioner. Disse er ofte kategoriseret i fire basistyper: kulhydrater (eller polysaccharider), lipider, proteiner og nukleinsyrer. Hvis du har nogen baggrund inden for ernæring, vil du genkende de første tre af disse som de tre standardmakronæringsstoffer (eller "makroer" i slankekure), der er angivet på ernæringsoplysninger. Den fjerde vedrører to nært beslægtede molekyler, der tjener som basis for lagring og oversættelse af genetisk information i alle levende ting.

Hver af disse fire makromolekyler i livet eller biomolekyler udfører forskellige opgaver; som du måske forventer, er deres forskellige roller udsøgt relateret til deres forskellige fysiske komponenter og arrangementer.

EN makromolekyle er et meget stort molekyle, der normalt består af gentagne underenheder kaldet monomerer, som ikke kan reduceres til enklere bestanddele uden at ofre elementet "byggesten". Mens der ikke er nogen standarddefinition af, hvor stort et molekyle skal være for at tjene "makro" -præfikset, har de som regel mindst tusindvis af atomer. Du har næsten helt sikkert set denne form for konstruktion i den ikke-naturlige verden; F.eks. består mange slags tapet, selvom de er detaljerede i design og fysisk omfattende i det hele taget, af tilstødende underenheder, der ofte er mindre end en kvadratfod eller deromkring i størrelse. Endnu mere åbenlyst kan en kæde betragtes som et makromolekyle, hvor de enkelte led er "monomererne".

Et vigtigt punkt ved biologiske makromolekyler er, med undtagelse af lipider, deres monomerenheder er polære, hvilket betyder at de har en elektrisk ladning, der ikke fordeles symmetrisk. Skematisk har de "hoveder" og "haler" med forskellige fysiske og kemiske egenskaber. Fordi monomererne forbinder hinanden mod hinanden, er makromolekyler i sig selv også polære.

Også alle biomolekyler har store mængder af grundstoffet kulstof. Du har måske hørt den slags liv på Jorden (med andre ord, den eneste slags vi ved med sikkerhed findes overalt) kaldet "kulstofbaseret liv" og med god grund. Men og kvælstof, ilt, brint og fosfor er også uundværlige for levende ting, og en række andre elementer er i blanding i mindre grad.

Det er en næsten sikkerhed, at når du ser eller hører ordet "kulhydrat", er det første, du tænker på, "mad" og måske mere specifikt, "noget i mad, som mange mennesker har til hensigt at at slippe af med. "" Lo-carb "og" no-carb "blev begge buksord til vægttab i den tidlige del af det 21. århundrede, og udtrykket" carbo-loading "har eksisteret i udholdenhedssportssamfundet siden 1970'erne. Men faktisk er kulhydrater langt mere end blot en kilde til energi til levende ting.

Kulhydratmolekyler har alle formlen (CH₂O)_nhvor n er antallet af tilstedeværende carbonatomer. Dette betyder, at forholdet C: H: O er 1: 2: 1. For eksempel har de enkle sukkerarter glucose, fruktose og galactose alle formlen C₆H₁₂O₆ (atomerne i disse tre molekyler er naturligvis arrangeret forskelligt).

Kulhydrater klassificeres som monosaccharider, disaccharider og polysaccharider. Et monosaccharid er monomerenheden af ​​kulhydrater, men nogle kulhydrater består kun af en monomer, såsom glucose, fructose og galactose. Normalt er disse monosaccharider mest stabile i en ringform, som skematisk er afbildet som en sekskant.

Disaccharider er sukkerarter med to monomere enheder eller et par monosaccharider. Disse underenheder kan være de samme (som i maltose, som består af to sammenføjede glukosemolekyler) eller forskellige (som i saccharose eller bordsukker, som består af et glukosemolekyle og en fruktose molekyle. Bindinger mellem monosaccharider kaldes glykosidbindinger.

Polysaccharider indeholder tre eller flere monosaccharider. Jo længere disse kæder er, jo mere sandsynligt er det, at de har grene, det vil sige ikke blot at være en linje af monosaccharider fra ende til anden. Eksempler på polysaccharider indbefatter stivelse, glykogen, cellulose og chitin.

Stivelse har tendens til at danne sig i en helix eller spiralform; dette er almindeligt i biomolekyler med høj molekylvægt generelt. Cellulose er derimod lineær og består af en lang kæde af glukomemonomerer med hydrogenbindinger spaltet mellem carbonatomer med regelmæssige intervaller. Cellulose er en bestanddel af planteceller og giver dem deres stivhed. Mennesker kan ikke fordøje cellulose, og i kosten kaldes det normalt "fiber". Chitin er et andet strukturelt kulhydrat, der findes i de ydre kroppe af leddyr som insekter, edderkopper og krabber. Chitin er et modificeret kulhydrat, da det "forfalskes" med rigelige nitrogenatomer. Glykogen er kroppens opbevaringsform for kulhydrat; aflejringer af glykogen findes i både lever og muskelvæv. Takket være enzymtilpasninger i disse væv er uddannede atleter i stand til at gemme mere glykogen end stillesiddende som et resultat af deres høje energibehov og ernæringsmæssige praksis.

Ligesom kulhydrater er proteiner en del af de fleste menneskers daglige ordforråd på grund af at de tjener som et såkaldt makronæringsstof. Men proteiner er utroligt alsidige, langt mere end kulhydrater. Uden proteiner ville der faktisk ikke være nogen kulhydrater eller lipider, fordi de enzymer, der er nødvendige for at syntetisere (såvel som fordøje) disse molekyler i sig selv er proteiner.

Proteinernes monomerer er aminosyrer. Disse inkluderer en carboxylsyre (-COOH) gruppe og en amino (-NH₂) gruppe. Når aminosyrer forbinder hinanden, er det via en hydrogenbinding mellem carboxylsyregruppen på en af ​​aminosyrerne og aminogruppen i den anden med et molekyle vand (H₂O) frigivet i processen. En voksende kæde af aminosyrer er et polypeptid, og når det er tilstrækkeligt langt og antager dets tredimensionelle form, er det et fuldt udbygget protein. I modsætning til kulhydrater viser proteiner aldrig grene; de er bare en kæde af carboxylgrupper, der er forbundet med aminogrupper. Fordi denne kæde skal have en begyndelse og en ende, har den ene ende en fri aminogruppe og kaldes N-terminalen, mens den anden har en fri aminogruppe og kaldes C-terminalen. Da der er 20 aminosyrer, og disse kan arrangeres i en hvilken som helst rækkefølge, er sammensætningen af ​​proteiner ekstremt varieret, selvom der ikke forekommer forgrening.

Proteiner har det, der kaldes primær, sekundær, tertiær og kvartær struktur. Primær struktur refererer til aminosyresekvensen i proteinet, og den bestemmes genetisk. Sekundær struktur henviser til bøjning eller knæk i kæden, normalt gentagne gange. Nogle konformationer inkluderer en alfa-helix og et beta-foldet ark og skyldes svage hydrogenbindinger mellem sidekæder af forskellige aminosyrer. Tertiær struktur er vridning og krølning af proteinet i et tredimensionelt rum og kan blandt andet involvere disulfidbindinger (svovl til svovl) og hydrogenbindinger. Endelig henviser kvaternær struktur til mere end en polypeptidkæde i det samme makromolekyle. Dette forekommer i kollagen, som består af tre kæder snoet og viklet sammen som et reb.

Proteiner kan tjene som enzymer, som katalyserer biokemiske reaktioner i kroppen; som hormoner, såsom insulin og væksthormon; som strukturelle elementer og som cellemembranbestanddele.

Lipider er et forskelligt sæt makromolekyler, men de deler alle træk ved at være hydrofobe; det vil sige, de opløses ikke i vand. Dette skyldes, at lipider er elektrisk neutrale og derfor ikke-polære, mens vand er et polært molekyle. Lipider inkluderer triglycerider (fedtstoffer og olier), phospholipider, carotenoider, steroider og voks. De er hovedsageligt involveret i dannelse og stabilitet af cellemembranen, danner dele af hormoner og bruges som lagret brændstof. Fedtstoffer, en type lipid, er den tredje type makronæringsstof med kulhydrater og proteiner diskuteret tidligere. Via oxidation af deres såkaldte fedtsyrer leverer de 9 kalorier pr. Gram i modsætning til de 4 kalorier pr. Gram, der leveres af både kulhydrater og fedt.

Lipider er ikke polymerer, så de findes i en række forskellige former. Ligesom kulhydrater består de af kul, brint og ilt. Triglycerider består af tre fedtsyrer, der er forbundet med et molekyle glycerol, en alkohol med tre carbonatomer. Disse fedtsyresidekæder er lange, enkle carbonhydrider. Disse kæder kan have dobbeltbindinger, og hvis de gør det, gør det fedtsyren umættet. Hvis der kun er en sådan dobbeltbinding, er fedtsyren enumættet. Hvis der er to eller flere, er det flerumættet. Disse forskellige typer fedtsyrer har forskellige sundhedsmæssige konsekvenser for forskellige mennesker på grund af deres virkning på væggene i blodkarrene. Mættede fedtstoffer, der ikke har dobbeltbindinger, er faste ved stuetemperatur og er normalt animalsk fedt; disse har tendens til at forårsage arterielle plaques og kan bidrage til hjertesygdomme. Fedtsyrer kan manipuleres kemisk, og umættede fedtstoffer såsom vegetabilske olier kan gøres mættede, så de er faste og bekvemme at bruge ved stuetemperatur, såsom margarine.

Phospholipider, som har et hydrofobt lipid i den ene ende og et hydrofilt phosphat i den anden, er en vigtig komponent i cellemembraner. Disse membraner består af et phospholipid dobbeltlag. De to lipiddele, der er hydrofobe, vender ud mod cellen udvendigt og indvendigt, mens de hydrofile haler af phosphat mødes i midten af ​​dobbeltlaget.

Andre lipider indbefatter steroider, der tjener som hormoner og hormonforløbere (fx cholesterol) og indeholder en række karakteristiske ringstrukturer; og voks, der inkluderer bivoks og lanolin.

Nukleinsyrer inkluderer deoxyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). Disse er meget ens strukturelt, da begge er polymerer, hvori de monomere enheder er nukleotider. Nukleotider består af en pentosesukkergruppe, en phosphatgruppe og en nitrogenholdig basegruppe. I både DNA og RNA kan disse baser være af fire typer; ellers er alle nukleotiderne af DNA identiske, ligesom de er af RNA.

DNA og RNA adskiller sig på tre hovedmåder. Den ene er, at i DNA er pentosesukkeret deoxyribose, og i RNA er det ribose. Disse sukkerarter adskiller sig med nøjagtigt et iltatom. Den anden forskel er, at DNA normalt er dobbeltstrenget og danner den dobbelte helix, der blev opdaget i 1950'erne af Watson og Crick's team, men RNA er enkeltstrenget. Den tredje er, at DNA indeholder de nitrogenholdige baser adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T), men RNA har uracil (U) erstattet af thymin.

DNA lagrer arvelige oplysninger. Længder af nukleotider udgør gener, som indeholder informationen via de nitrogenholdige basesekvenser til fremstilling af specifikke proteiner. Masser af gener udgør kromosomer, og summen af ​​en organisms kromosomer (mennesker har 23 par) er dens genom. DNA bruges i transskriptionsprocessen for at fremstille en form for RNA kaldet messenger RNA (mRNA). Dette lagrer den kodede information på en lidt anden måde og flytter den ud af cellekernen, hvor DNA'et er, og ind i cellecytoplasma eller matrix. Her starter andre typer RNA processen med translation, hvor proteiner fremstilles og afsendes over hele cellen.