Mitkä ovat elämän neljä makromolekyyliä?

Biologialle - tai epävirallisesti itse elämälle - on ominaista tyylikäs makromolekyyli, joka on kehittynyt satojen miljoonien vuosien ajan palvellakseen useita kriittisiä toimintoja. Nämä luokitellaan usein neljään perustyyppiin: hiilihydraatit (tai polysakkaridit), lipidit, proteiinit ja nukleiinihapot. Jos sinulla on taustaa ravitsemuksessa, tunnistat kolme ensimmäistä näistä ravintotietotarroissa luetelluista kolmesta vakiomakro-ravintoaineesta (tai "ruokavalion kielellä" makrot "). Neljäs koskee kahta läheisesti sukua olevaa molekyyliä, jotka ovat perusta geneettisen tiedon tallentamiselle ja kääntämiselle kaikessa elävässä.

Kukin näistä neljästä elämän makromolekyylistä eli biomolekyyli suorittaa erilaisia ​​tehtäviä; kuten voit odottaa, heidän erilaiset roolinsa liittyvät erinomaisesti heidän erilaisiin fyysisiin osiinsa ja järjestelyihinsä.

A makromolekyyli on erittäin suuri molekyyli, joka yleensä koostuu toistetuista alayksiköistä, joita kutsutaan monomeerit, jota ei voida pelkistää yksinkertaisemmiksi ainesosiksi uhraamatta "rakennuspalikka" -elementtiä. Vaikka ei ole olemassa vakiomääritelmää siitä, kuinka suuren molekyylin on oltava, jotta ansaittaisiin "makro" -etuliite, niillä on yleensä vähintään tuhansia atomeja. Olet melkein varmasti nähnyt tällaisen rakentamisen ei-luonnollisessa maailmassa; Esimerkiksi monenlaiset tapetit, vaikka ne ovatkin muotoilultaan yksityiskohtaisia ​​ja fyysisesti laajoja, koostuvat vierekkäisistä alayksiköistä, jotka ovat usein kooltaan alle neliöjalkaa. Vielä ilmeisemmin ketjua voidaan pitää makromolekyylinä, jossa yksittäiset linkit ovat "monomeerejä".

Tärkeä näkökohta biologisissa makromolekyyleissä on se, että lipidejä lukuun ottamatta monomeeriyksiköt ovat polaarisia, mikä tarkoittaa, että niillä on sähkövaraus, jota ei ole jaettu symmetrisesti. Kaaviollisesti niillä on "päät" ja "hännät", joilla on erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Koska monomeerit yhdistyvät toisiaan vasten, makromolekyylit ovat myös napaisia.

Kaikissa biomolekyyleissä on myös suuria määriä alkuainehiiltä. Olet ehkä kuullut sellaista elämää maapallolla (toisin sanoen ainoa sellainen, jonka tiedämme varmasti olevan olemassa missä tahansa), johon viitataan "hiilipohjaiseen elämään", ja syystä. Mutta typpi, happi, vety ja fosfori ovat välttämättömiä myös eläville olennoille, ja joukko muita alkuaineita on sekoitettu vähemmässä määrin.

On melkein varmaa, että kun näet tai kuulet sanan "hiilihydraatti", ajattelet ensin "ruoka" ja ehkä tarkemmin sanottuna "jotain ruokaa, johon monet ihmiset aikovat "Lo-carb" ja "no-carb" tuli molemmista painonpudotussanomiksi 2000-luvun alkupuolella, ja termi "carbo-load" on ollut kestävyysurheilun yhteisössä jo 1970-luku. Itse asiassa hiilihydraatit ovat paljon enemmän kuin vain energian lähde eläville olennoille.

Kaikilla hiilihydraattimolekyyleillä on kaava (CH₂O)_n, jossa n on läsnä olevien hiiliatomien lukumäärä. Tämä tarkoittaa, että C: H: O-suhde on 1: 2: 1. Esimerkiksi yksinkertaisilla sokereilla, glukoosilla, fruktoosilla ja galaktoosilla on kaikilla kaava C₆H₁₂O₆ (näiden kolmen molekyylin atomit ovat tietysti järjestetty eri tavalla).

Hiilihydraatit luokitellaan monosakkarideiksi, disakkarideiksi ja polysakkarideiksi. Monosakkaridi on hiilihydraattien monomeeriyksikkö, mutta jotkut hiilihydraatit koostuvat vain yhdestä monomeeristä, kuten glukoosista, fruktoosista ja galaktoosista. Yleensä nämä monosakkaridit ovat vakaimpia renkaan muodossa, joka on kaavamaisesti esitetty kuusikulmiona.

Disakkaridit ovat sokereita, joissa on kaksi monomeeristä yksikköä, tai monosakkaridipari. Nämä alayksiköt voivat olla samat (kuten maltoosissa, joka koostuu kahdesta liittyneestä glukoosimolekyylistä) tai erilaiset (kuten sakkaroosissa tai pöytäsokerissa, joka koostuu yhdestä glukoosimolekyylistä ja yhdestä fruktoosista molekyyli. Monosakkaridien välisiä sidoksia kutsutaan glykosidisidoksiksi.

Polysakkaridit sisältävät kolme tai useampia monosakkarideja. Mitä pidempään nämä ketjut ovat, sitä todennäköisemmin niillä on haaroja, toisin sanoen, että ne eivät yksinkertaisesti ole monosakkaridien rivi päästä päähän. Esimerkkejä polysakkarideista ovat tärkkelys, glykogeeni, selluloosa ja kitiini.

Tärkkelys pyrkii muodostumaan kierteen tai spiraalin muodossa; tämä on yleistä suurmolekyylipainoisissa biomolekyyleissä yleensä. Selluloosa on sitä vastoin lineaarinen, koostuen pitkästä glukoosimonomeeriketjusta, jossa vetysidoksia on säännöllisesti välein hiiliatomien välissä. Selluloosa on kasvisolujen komponentti ja antaa niille jäykkyyden. Ihmiset eivät pysty sulattamaan selluloosaa, ja ruokavaliossa sitä kutsutaan yleensä "kuiduksi". Kitiini on toinen rakenteellinen hiilihydraatti, joka löytyy niveljalkaisten ulkokehistä, kuten hyönteiset, hämähäkit ja rapuja. Kitiini on modifioitu hiilihydraatti, koska se on "väärennetty" runsaalla typpiatomilla. Glykogeeni on kehon hiilihydraattivarasto; glykogeenikerrostumia löytyy sekä maksasta että lihaskudoksesta. Näissä kudoksissa tapahtuvien entsyymisopeutusten ansiosta koulutetut urheilijat pystyvät varastoimaan enemmän glykogeeniä kuin istuvat ihmiset heidän korkean energiantarpeensa ja ravitsemuskäytäntöjensä vuoksi.

Hiilihydraattien tapaan proteiinit ovat osa useimpien ihmisten jokapäiväistä sanastoa, koska ne toimivat ns. Makroravintona. Mutta proteiinit ovat uskomattoman monipuolisia, paljon enemmän kuin hiilihydraatit. Itse asiassa ilman proteiineja ei olisi hiilihydraatteja tai lipidejä, koska entsyymit, joita tarvitaan näiden molekyylien syntetisoimiseksi (sekä sulattamiseksi), ovat itse proteiineja.

Proteiinien monomeerit ovat aminohappoja. Näihin kuuluvat karboksyylihapporyhmä (-COOH) ja amino (-NH₂) ryhmä. Kun aminohapot liittyvät toisiinsa, se tapahtuu vetysidoksen kautta toisen aminohapon karboksyylihapporyhmän ja toisen aminoryhmän välillä vesimolekyylin (H₂O) vapautuu prosessin aikana. Kasvava aminohappoketju on polypeptidi, ja kun se on riittävän pitkä ja saa kolmiulotteisen muodon, se on täysimittainen proteiini. Toisin kuin hiilihydraatit, proteiinit eivät koskaan näytä haaroja; ne ovat vain aminoryhmiin liittyneitä karboksyyliryhmiä. Koska tällä ketjulla on oltava alku ja loppu, toisessa päässä on vapaa aminoryhmä ja sitä kutsutaan N-terminaaliksi, kun taas toisessa on vapaa aminoryhmä ja sitä kutsutaan C-terminaaliksi. Koska aminohappoja on 20 ja ne voidaan järjestää missä tahansa järjestyksessä, proteiinien koostumus on erittäin vaihteleva, vaikka haarautumista ei tapahdu.

Proteiineilla on ns. Primaarinen, sekundaarinen, tertiäärinen ja nelikulmainen rakenne. Ensisijainen rakenne viittaa aminohapposekvenssiin proteiinissa, ja se on geneettisesti määritetty. Toissijainen rakenne viittaa ketjun taipumiseen tai taipumiseen, yleensä toistuvasti. Jotkut konformaatiot sisältävät alfa-heliksin ja beeta-laskostetun levyn, ja ne johtuvat heikoista vetysidoksista eri aminohappojen sivuketjujen välillä. Tertiäärinen rakenne on proteiinin kiertyminen ja käpristyminen kolmiulotteisessa tilassa, ja siihen voi sisältyä muun muassa disulfidisidoksia (rikki-rikki) ja vety-sidoksia. Lopuksi kvaternaarinen rakenne viittaa useampaan kuin yhteen polypeptidiketjuun samassa makromolekyylissä. Tämä tapahtuu kollageenissa, joka koostuu kolmesta ketjusta, jotka on kierretty ja kierretty yhteen köyden tavoin.

Proteiinit voivat toimia entsyymeinä, jotka katalysoivat biokemiallisia reaktioita kehossa; hormoneina, kuten insuliini ja kasvuhormoni; rakenneosina; ja solukalvon komponentteina.

Lipidit ovat monipuolinen joukko makromolekyylejä, mutta niillä kaikilla on yhteinen ominaisuus olla hydrofobisia; eli ne eivät liukene veteen. Tämä johtuu siitä, että lipidit ovat sähköisesti neutraaleja ja siten polaarittomia, kun taas vesi on polaarinen molekyyli. Lipidejä ovat triglyseridit (rasvat ja öljyt), fosfolipidit, karotenoidit, steroidit ja vahat. Ne osallistuvat pääasiassa solukalvon muodostumiseen ja vakauteen, muodostavat osia hormoneista ja niitä käytetään varastoituna polttoaineena. Rasvat, eräänlainen lipidi, ovat kolmas makroravintotyyppi, ja hiilihydraatteja ja proteiineja on käsitelty aiemmin. Hapettamalla ns. Rasvahappoja ne tuottavat 9 kaloria grammaa kohden, toisin kuin hiilihydraatit ja rasvat toimittavat 4 kaloria grammaa kohden.

Lipidit eivät ole polymeerejä, joten niitä on monenlaisia. Kuten hiilihydraatit, ne koostuvat hiilestä, vedystä ja hapesta. Triglyseridit koostuvat kolmesta rasvahaposta, jotka on liitetty glyserolimolekyyliin, kolmen hiilen alkoholiin. Nämä rasvahapposivuketjut ovat pitkiä, yksinkertaisia ​​hiilivetyjä. Näillä ketjuilla voi olla kaksoissidoksia, ja jos on, se muodostaa rasvahapon tyydyttymätön. Jos tällaisia ​​kaksoissidoksia on vain yksi, rasvahappo on yksityydyttymätön. Jos niitä on kaksi tai enemmän, niin on monityydyttymätön. Näillä erityyppisillä rasvahapoilla on erilaiset terveysvaikutukset eri ihmisille johtuen niiden vaikutuksista verisuonten seinämiin. Tyydyttyneet rasvat, joissa ei ole kaksoissidoksia, ovat kiinteitä huoneenlämpötilassa ja ovat yleensä eläinrasvoja; nämä yleensä aiheuttavat valtimoiden plakkia ja voivat vaikuttaa sydänsairauksiin. Rasvahappoja voidaan käsitellä kemiallisesti, ja tyydyttymättömiä rasvoja, kuten kasviöljyjä, voidaan tehdä tyydyttyneiksi siten, että ne ovat kiinteitä ja käteviä käyttää huoneenlämmössä, kuten margariini.

Fosfolipidit, joiden toisessa päässä on hydrofobinen lipidi ja toisessa hydrofiilinen fosfaatti, ovat tärkeä solukalvojen komponentti. Nämä kalvot koostuvat fosfolipidikaksoiskerroksesta. Kaksi lipidiosaa, jotka ovat hydrofobisia, ovat solun ulkopuolelle ja sisäpuolelle, kun taas fosfaatin hydrofiiliset pyrstöt kohtaavat kaksikerroksisen keskellä.

Muita lipidejä ovat steroidit, jotka toimivat hormoneina ja hormonien esiasteina (esim. Kolesteroli) ja sisältävät sarjan erottuvia rengasrakenteita; ja vahat, jotka sisältävät mehiläisvahaa ja lanoliinia.

Nukleiinihappoihin kuuluvat deoksiribonukleiinihappo (DNA) ja ribonukleiinihappo (RNA). Nämä ovat rakenteellisesti hyvin samankaltaisia, koska molemmat ovat polymeerejä, joissa monomeeriset yksiköt ovat nukleotidit. Nukleotidit koostuvat pentoosisokeriryhmästä, fosfaattiryhmästä ja typpipitoisesta emäsryhmästä. Sekä DNA: ssa että RNA: ssa nämä emäkset voivat olla yksi neljästä tyypistä; muuten kaikki DNA: n nukleotidit ovat identtiset, samoin kuin RNA: n.

DNA ja RNA eroavat kolmella päätavalla. Yksi on se, että DNA: ssa pentoosisokeri on deoksiriboosi ja RNA: ssa riboosi. Nämä sokerit eroavat tarkalleen yhdellä happiatomilla. Toinen ero on se, että DNA on yleensä kaksijuosteinen, muodostaen Watsonin ja Crickin tiimin 1950-luvulla löytämän kaksoiskierteen, mutta RNA on yksijuosteinen. Kolmas on se, että DNA sisältää typpipitoisia emäksiä adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T), mutta RNA: ssa on urasiili (U) korvattu tymiinillä.

DNA tallentaa perinnölliset tiedot. Nukleotidien pituudet muodostavat geenit, jotka sisältävät informaation typpipitoisten emässekvenssien kautta spesifisten proteiinien valmistamiseksi. Paljon geenejä muodostavat kromosomit, ja organismin kromosomien summa (ihmisillä on 23 paria) on sen perimä. DNA: ta käytetään transkriptioprosessissa muodostamaan RNA-muoto, jota kutsutaan messenger-RNA: ksi (mRNA). Tämä tallentaa koodatun informaation hieman eri tavalla ja siirtää sen pois solun tumasta, jossa DNA on, ja solun sytoplasmaan tai matriisiin. Täällä muun tyyppiset RNA: t aloittavat translaatioprosessin, jossa proteiineja valmistetaan ja lähetetään ympäri solua.