Was sind die vier Makromoleküle des Lebens?

Die Biologie – oder informell das Leben selbst – zeichnet sich durch elegante Makromoleküle aus, die sich über Hunderte von Millionen Jahren entwickelt haben, um eine Reihe wichtiger Funktionen zu erfüllen. Diese werden oft in vier Grundtypen eingeteilt: Kohlenhydrate (oder Polysaccharide), Lipide, Proteine ​​und Nukleinsäuren. Wenn Sie einen Hintergrund in der Ernährung haben, werden Sie die ersten drei als die drei Standard-Makronährstoffe (oder "Makros" in der Diätsprache) erkennen, die auf den Nährwertangaben aufgeführt sind. Der vierte betrifft zwei eng verwandte Moleküle, die als Grundlage für die Speicherung und Übersetzung genetischer Informationen in allen Lebewesen dienen.

Jedes dieser vier Makromoleküle des Lebens oder Biomoleküle erfüllt eine Vielzahl von Aufgaben; Wie Sie vielleicht erwarten, sind ihre unterschiedlichen Rollen exquisit mit ihren verschiedenen physischen Komponenten und Arrangements verbunden.

EIN Makromolekül ist ein sehr großes Molekül, das normalerweise aus wiederholten Untereinheiten besteht, genannt

Ein wichtiger Punkt bei biologischen Makromolekülen ist, dass mit Ausnahme von Lipiden ihre Monomereinheiten sind polar, d. h. sie haben eine nicht verteilte elektrische Ladung symmetrisch. Schematisch haben sie "Köpfe" und "Schwänze" mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Da die Monomere Kopf-an-Schwanz miteinander verbunden sind, sind auch Makromoleküle selbst polar.

Außerdem weisen alle Biomoleküle hohe Mengen des Elements Kohlenstoff auf. Sie haben vielleicht gehört, dass die Art von Leben auf der Erde (mit anderen Worten, die einzige Art, von der wir mit Sicherheit wissen, dass sie irgendwo existiert) als "kohlenstoffbasiertes Leben" bezeichnet wird, und das aus gutem Grund. Aber auch Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Phosphor sind für Lebewesen unverzichtbar, und eine Vielzahl anderer Elemente sind in geringerem Maße in der Mischung enthalten.

Es ist fast sicher, dass, wenn Sie das Wort „Kohlenhydrate“ sehen oder hören, das erste, woran Sie denken, an „Essen“ und vielleicht genauer gesagt an „etwas im Essen, auf das viele Leute konzentriert sind“. loswerden." "Lo-Carb" und "No-Carb" wurden beide zu Beginn des 21. 1970er Jahre. Tatsächlich sind Kohlenhydrate jedoch weit mehr als nur eine Energiequelle für Lebewesen.

Kohlenhydratmoleküle haben alle die Formel (CH₂Ö)_nein, wobei n die Anzahl der vorhandenen Kohlenstoffatome ist. Dies bedeutet, dass das C: H:O-Verhältnis 1:2:1 beträgt. Zum Beispiel haben die Einfachzucker Glucose, Fructose und Galaktose alle die Formel C₆H₁₂Ö₆ (Die Atome dieser drei Moleküle sind natürlich anders angeordnet).

Kohlenhydrate werden in Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide eingeteilt. Ein Monosaccharid ist die Monomereinheit von Kohlenhydraten, aber einige Kohlenhydrate bestehen nur aus einem Monomer, wie Glukose, Fruktose und Galaktose. Normalerweise sind diese Monosaccharide in Ringform am stabilsten, die schematisch als Sechseck dargestellt ist.

Disaccharide sind Zucker mit zwei monomeren Einheiten oder einem Paar von Monosacchariden. Diese Untereinheiten können die gleichen sein (wie bei Maltose, die aus zwei verbundenen Glucosemolekülen besteht) oder unterschiedlich (wie bei Saccharose oder Haushaltszucker, der aus einem Glukosemolekül und einer Fruktose besteht Molekül. Bindungen zwischen Monosacchariden werden als glykosidische Bindungen bezeichnet.

Polysaccharide enthalten drei oder mehr Monosaccharide. Je länger diese Ketten sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie Verzweigungen haben, dh nicht einfach eine Reihe von Monosacchariden von einem Ende zum anderen sind. Beispiele für Polysaccharide umfassen Stärke, Glykogen, Cellulose und Chitin.

Stärke neigt dazu, sich in einer Helix- oder Spiralform zu bilden; dies ist bei hochmolekularen Biomolekülen im Allgemeinen üblich. Im Gegensatz dazu ist Cellulose linear und besteht aus einer langen Kette von Glucosemonomeren mit Wasserstoffbrückenbindungen, die in regelmäßigen Abständen zwischen den Kohlenstoffatomen eingestreut sind. Cellulose ist Bestandteil von Pflanzenzellen und verleiht ihnen deren Steifigkeit. Der Mensch kann Zellulose nicht verdauen und wird in der Nahrung normalerweise als "Faser" bezeichnet. Chitin ist ein weiteres strukturelles Kohlenhydrat, das in den äußeren Körpern von Arthropoden wie Insekten, Spinnen und Krabben. Chitin ist ein modifiziertes Kohlenhydrat, da es mit reichlich Stickstoffatomen "verfälscht" ist. Glykogen ist die Speicherform des Körpers für Kohlenhydrate; Glykogenablagerungen finden sich sowohl in der Leber als auch im Muskelgewebe. Dank der Enzymanpassungen in diesen Geweben können trainierte Sportler aufgrund ihres hohen Energiebedarfs und ihrer Ernährungsgewohnheiten mehr Glykogen speichern als sesshafte Menschen.

Proteine ​​gehören ebenso wie Kohlenhydrate zum alltäglichen Vokabular der meisten Menschen, da sie als sogenannter Makronährstoff dienen. Aber Proteine ​​sind unglaublich vielseitig, weit mehr als Kohlenhydrate. Tatsächlich gäbe es ohne Proteine ​​keine Kohlenhydrate oder Lipide, da die Enzyme, die zur Synthese (sowie zum Verdauen) dieser Moleküle benötigt werden, selbst Proteine ​​sind.

Die Monomere von Proteinen sind Aminosäuren. Dazu gehören eine Carbonsäure (-COOH)-Gruppe und eine Amino (-NH₂) Gruppe. Wenn Aminosäuren miteinander verbunden sind, geschieht dies über eine Wasserstoffbrücke zwischen der Carbonsäuregruppe einer der Aminosäuren und der Aminogruppe der anderen mit einem Wassermolekül (H₂O) dabei freigesetzt. Eine wachsende Aminosäurekette ist ein Polypeptid, und wenn sie ausreichend lang ist und ihre dreidimensionale Form annimmt, ist sie ein vollwertiges Protein. Im Gegensatz zu Kohlenhydraten zeigen Proteine ​​nie Verzweigungen; sie sind nur eine Kette von Carboxylgruppen, die mit Aminogruppen verbunden sind. Da diese Kette einen Anfang und ein Ende haben muss, hat ein Ende eine freie Aminogruppe und wird als N-Terminus bezeichnet, während das andere eine freie Aminogruppe hat und als C-Terminus bezeichnet wird. Da es 20 Aminosäuren gibt und diese in beliebiger Reihenfolge angeordnet werden können, ist die Zusammensetzung der Proteine ​​extrem unterschiedlich, obwohl keine Verzweigung stattfindet.

Proteine ​​haben eine sogenannte Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur. Die Primärstruktur bezieht sich auf die Sequenz der Aminosäuren im Protein und ist genetisch festgelegt. Sekundärstruktur bezieht sich auf das Biegen oder Knicken der Kette, normalerweise in wiederholter Weise. Einige Konformationen umfassen eine Alpha-Helix und ein Beta-Faltblatt und resultieren aus schwachen Wasserstoffbrücken zwischen Seitenketten verschiedener Aminosäuren. Tertiärstruktur ist die Verdrillung und Krümmung des Proteins im dreidimensionalen Raum und kann unter anderem Disulfidbrücken (Schwefel zu Schwefel) und Wasserstoffbrücken beinhalten. Schließlich bezieht sich Quartärstruktur auf mehr als eine Polypeptidkette in demselben Makromolekül. Dies geschieht in Kollagen, das aus drei Ketten besteht, die wie ein Seil verdreht und zusammengerollt sind.

Proteine ​​können als Enzyme dienen, die biochemische Reaktionen im Körper katalysieren; als Hormone, wie Insulin und Wachstumshormon; als Strukturelemente; und als Zellmembrankomponenten.

Lipide sind eine vielfältige Gruppe von Makromolekülen, aber sie alle teilen die Eigenschaft, hydrophob zu sein; das heißt, sie lösen sich nicht in Wasser auf. Dies liegt daran, dass Lipide elektrisch neutral und daher unpolar sind, während Wasser ein polares Molekül ist. Lipide umfassen Triglyceride (Fette und Öle), Phospholipide, Carotinoide, Steroide und Wachse. Sie sind vor allem an der Zellmembranbildung und -stabilität beteiligt, bilden Anteile von Hormonen und dienen als gespeicherter Brennstoff. Fette, eine Art von Lipid, sind die dritte Art von Makronährstoffen, mit Kohlenhydraten und Proteinen, die zuvor diskutiert wurden. Durch die Oxidation ihrer sogenannten Fettsäuren liefern sie 9 Kalorien pro Gramm im Gegensatz zu den 4 Kalorien pro Gramm, die sowohl Kohlenhydrate als auch Fette liefern.

Lipide sind keine Polymere, daher gibt es eine Vielzahl von Formen. Sie bestehen wie Kohlenhydrate aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Triglyceride bestehen aus drei Fettsäuren, die mit einem Molekül Glycerin, einem Drei-Kohlenstoff-Alkohol, verbunden sind. Diese Fettsäureseitenketten sind lange, einfache Kohlenwasserstoffe. Diese Ketten können Doppelbindungen haben, und wenn ja, macht das die Fettsäure ungesättigt. Wenn nur eine solche Doppelbindung vorhanden ist, ist die Fettsäure einfach ungesättigt. Wenn es zwei oder mehr sind, ist es mehrfach ungesättigt. Diese verschiedenen Arten von Fettsäuren haben aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Wände der Blutgefäße unterschiedliche gesundheitliche Auswirkungen für verschiedene Menschen. Gesättigte Fette, die keine Doppelbindungen aufweisen, sind bei Raumtemperatur fest und in der Regel tierische Fette; diese neigen dazu, arterielle Plaques zu verursachen und können zu Herzerkrankungen beitragen. Fettsäuren können chemisch manipuliert werden, und ungesättigte Fette wie Pflanzenöle können gesättigt werden, so dass sie fest und bei Raumtemperatur bequem zu verwenden sind, wie Margarine.

Phospholipide, die an einem Ende ein hydrophobes Lipid und am anderen ein hydrophiles Phosphat aufweisen, sind ein wichtiger Bestandteil von Zellmembranen. Diese Membranen bestehen aus einer Phospholipid-Doppelschicht. Die beiden hydrophoben Lipidanteile sind der Außenseite und dem Inneren der Zelle zugewandt, während sich die hydrophilen Phosphatschweife in der Mitte der Doppelschicht treffen.

Andere Lipide umfassen Steroide, die als Hormone und Hormonvorläufer (z. B. Cholesterin) dienen und eine Reihe von charakteristischen Ringstrukturen enthalten; und Wachse, die Bienenwachs und Lanolin umfassen.

Nukleinsäuren umfassen Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Diese sind strukturell sehr ähnlich, da es sich bei beiden um Polymere handelt, bei denen die monomeren Einheiten Nukleotide. Nukleotide bestehen aus einer Pentose-Zuckergruppe, einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Basengruppe. Sowohl in DNA als auch in RNA können diese Basen einer von vier Typen sein; ansonsten sind alle Nukleotide der DNA identisch, ebenso wie die der RNA.

DNA und RNA unterscheiden sich hauptsächlich in drei Punkten. Einer ist, dass der Pentosezucker in der DNA Desoxyribose und in der RNA Ribose ist. Diese Zucker unterscheiden sich durch genau ein Sauerstoffatom. Der zweite Unterschied besteht darin, dass DNA normalerweise doppelsträngig ist und die in den 1950er Jahren von Watson und Cricks Team entdeckte Doppelhelix bildet, aber RNA ist einzelsträngig. Die dritte ist, dass DNA die stickstoffhaltigen Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) enthält, aber die RNA hat Thymin durch Uracil (U) ersetzt.

DNA speichert Erbinformationen. Nukleotidlängen bilden Gene, die über die stickstoffhaltigen Basensequenzen die Informationen enthalten, um spezifische Proteine ​​herzustellen. Viele Gene machen aus Chromosomen, und die Summe der Chromosomen eines Organismus (der Mensch hat 23 Paare) ist seine Genom. DNA wird bei der Transkription verwendet, um eine Form von RNA herzustellen, die als Messenger-RNA (mRNA) bezeichnet wird. Dies speichert die codierten Informationen auf eine etwas andere Weise und bewegt sie aus dem Zellkern, in dem sich die DNA befindet, in das Zellzytoplasma oder die Matrix. Hier initiieren andere RNA-Typen den Translationsprozess, bei dem Proteine ​​hergestellt und durch die Zelle verteilt werden.