Koje su četiri makromolekule života?

Biologiju - ili neformalno, sam život - karakteriziraju elegantne makromolekule koje su evoluirale tijekom stotina milijuna godina kako bi služile nizu kritičnih funkcija. Često se svrstavaju u četiri osnovne vrste: ugljikohidrati (ili polisaharidi), lipidi, proteini i nukleinske kiseline. Ako imate bilo kakve pozadine u prehrani, prva tri od njih prepoznat ćete kao tri standardna makronutrijenta (ili "makronaredbe", na dijetalnom jeziku) navedena na naljepnicama s informacijama o prehrani. Četvrta se odnosi na dvije usko povezane molekule koje služe kao osnova za pohranu i prijevod genetskih informacija u svim živim bićima.

Svaka od ove četiri makromolekule života ili biomolekule obavlja razne dužnosti; kao što ste mogli očekivati, njihove su različite uloge izvrsno povezane s njihovim različitim fizičkim komponentama i uređenjem.

A makromolekula je vrlo velika molekula, koja se obično sastoji od ponovljenih podjedinica tzv monomera, koji se ne mogu svesti na jednostavnije sastojke bez žrtvovanja elementa "gradivni blok". Iako ne postoji standardna definicija koliko velika molekula mora biti da bi zaradila prefiks "makro", oni obično imaju najmanje tisuće atoma. Gotovo ste sigurno vidjeli ovu vrstu gradnje u svijetu koji nije prirodan; na primjer, mnoge vrste tapeta, iako su složene u dizajnu i fizički prostrane u cjelini, sastoje se od susjednih podjedinica koje su često manje od četvornog metra. Još očitije, lanac se može smatrati makromolekulom u kojoj su pojedinačne karike "monomeri".

Važna stvar u vezi s biološkim makromolekulama je ta da, osim lipida, i njihovi monomerne jedinice su polarne, što znači da imaju električni naboj koji nije raspodijeljen simetrično. Shematski imaju "glave" i "repove" s različitim fizikalnim i kemijskim svojstvima. Budući da se monomeri međusobno spajaju od glave do repa, same makromolekule također su polarne.

Također, sve biomolekule imaju velike količine elementa ugljika. Možda ste čuli za život na Zemlji (drugim riječima, jedina vrsta koju zasigurno znamo da postoji bilo gdje) koja se naziva "život temeljen na ugljiku", i to s dobrim razlogom. Ali i dušik, kisik, vodik i fosfor neophodni su i živim bićima, a mnoštvo drugih elemenata u mješavini je u manjem stupnju.

Gotovo je sigurno da kada vidite ili čujete riječ "ugljikohidrati", prvo na što pomislite je "hrana", a možda i konkretnije, "nešto u hrani na što su namijenjeni mnogi ljudi rješavanja. "" Lo-carb "i" no-carb "postale su modne riječi za mršavljenje u ranom dijelu 21. stoljeća, a pojam" karbo-utovar "postoji u zajednici izdržljivosti i sporta od 1970-te. Ali zapravo su ugljikohidrati mnogo više od pukog izvora energije za živa bića.

Sve molekule ugljikohidrata imaju formulu (CH₂O)_n, gdje je n broj prisutnih atoma ugljika. To znači da je omjer C: H: O 1: 2: 1. Na primjer, jednostavni šećeri glukoza, fruktoza i galaktoza imaju formulu C₆H₁₂O₆ (atomi ove tri molekule su, naravno, drugačije raspoređeni).

Ugljikohidrati su klasificirani kao monosaharidi, disaharidi i polisaharidi. Monosaharid je monomerna jedinica ugljikohidrata, ali neki se ugljikohidrati sastoje od samo jednog monomera, poput glukoze, fruktoze i galaktoze. Ti su monosaharidi obično najstabilniji u obliku prstena, koji je shematski prikazan kao šesterokut.

Dihaharidi su šećeri s dvije monomerne jedinice ili parom monosaharida. Te podjedinice mogu biti iste (kao u maltozi koja se sastoji od dvije spojene molekule glukoze) ili različiti (kao u saharozi ili stolnom šećeru, koji se sastoji od jedne molekule glukoze i jedne fruktoze molekula. Veze između monosaharida nazivaju se glikozidne veze.

Polisaharidi sadrže tri ili više monosaharida. Što su ovi lanci duži, to je vjerojatnije da će imati grane, odnosno da ne budu jednostavno linija monosaharida od kraja do kraja. Primjeri polisaharida uključuju škrob, glikogen, celulozu i hitin.

Škrob nastoji nastati u zavojnici ili spiralnom obliku; to je uobičajeno u biomolekulama velike molekulske težine općenito. Za razliku od toga, celuloza je linearna, sastoji se od dugog lanca monomera glukoze s vodikovim vezama prošaranim između atoma ugljika u redovitim intervalima. Celuloza je sastojak biljnih stanica i daje im njihovu krutost. Ljudi ne mogu probaviti celulozu, a u prehrani se obično naziva "vlaknima". Hitin je još jedan strukturni ugljikohidrat, koji se nalazi u vanjskim tijelima člankonožaca poput insekata, pauka i rakovi. Hitin je modificirani ugljikohidrat, jer je "pretvoren" s dovoljno atoma dušika. Glikogen je tjelesni oblik skladištenja ugljikohidrata; naslage glikogena nalaze se i u jetri i u mišićnom tkivu. Zahvaljujući enzimskim adaptacijama u tim tkivima, trenirani sportaši mogu pohraniti više glikogena nego neaktivni ljudi kao rezultat njihovih visokih energetskih potreba i prehrambenih praksi.

Poput ugljikohidrata, bjelančevine su dio svakodnevnog rječnika većine ljudi jer služe kao takozvani makronutrijenti. Ali proteini su nevjerojatno svestrani, mnogo više od ugljikohidrata. U stvari, bez proteina ne bi bilo ugljikohidrata ili lipida jer su enzimi potrebni za sintezu (kao i za probavu) tih molekula sami po sebi proteini.

Monomeri proteina su aminokiseline. Tu spadaju skupina karboksilne kiseline (-COOH) i amino (-NH₂) grupa. Kad se aminokiseline međusobno spoje, to je preko vodikove veze između skupine karboksilne kiseline na jednoj aminokiselini i amino skupine na drugoj, s molekulom vode (H₂O) pušten u procesu. Rastući lanac aminokiselina je polipeptid, a kada je dovoljno dug i poprimi svoj trodimenzionalni oblik, to je punopravni protein. Za razliku od ugljikohidrata, bjelančevine nikad ne pokazuju grane; oni su samo lanac karboksilnih skupina pridruženih amino skupinama. Budući da ovaj lanac mora imati početak i kraj, jedan kraj ima slobodnu amino skupinu i naziva se N-terminal, dok drugi ima slobodnu amino skupinu i naziva se C-terminal. Budući da postoji 20 aminokiselina, a one se mogu rasporediti bilo kojim redoslijedom, sastav proteina je izuzetno različit iako nema razgranavanja.

Proteini imaju takozvanu primarnu, sekundarnu, tercijarnu i kvartarnu strukturu. Primarna struktura odnosi se na slijed aminokiselina u proteinu i on je genetski određen. Sekundarna struktura odnosi se na savijanje ili savijanje u lancu, obično na ponavljajući način. Neke konformacije uključuju alfa-zavojnicu i beta-naborani sloj, a rezultat su slabih vodikovih veza između bočnih lanaca različitih aminokiselina. Tercijarna struktura je uvijanje i uvijanje proteina u trodimenzionalnom prostoru i može uključivati, među ostalim, disulfidne veze (sumpor do sumpora) i vodikove veze. Konačno, kvaternarna struktura odnosi se na više od jednog polipeptidnog lanca u istoj makromolekuli. To se događa u kolagenu, koji se sastoji od tri lanca uvijena i smotana poput užeta.

Proteini mogu poslužiti kao enzimi, koji kataliziraju biokemijske reakcije u tijelu; kao hormoni, poput inzulina i hormona rasta; kao strukturni elementi; i kao komponente stanične membrane.

Lipidi su raznolik skup makromolekula, ali svi dijele osobinu hidrofobnosti; odnosno ne otapaju se u vodi. To je zato što su lipidi električki neutralni i stoga nepolarni, dok je voda polarna molekula. Lipidi uključuju trigliceride (masti i ulja), fosfolipide, karotenoide, steroide i voskove. Oni su uglavnom uključeni u stvaranje i stabilnost stanične membrane, tvore dijelove hormona i koriste se kao uskladišteno gorivo. Masti, vrsta lipida, treća su vrsta makronutrijenata, s ugljikohidratima i proteinima o kojima smo ranije govorili. Oksidacijom njihovih takozvanih masnih kiselina daju 9 kalorija po gramu, za razliku od 4 kalorije po gramu koje daju ugljikohidrati i masti.

Lipidi nisu polimeri, pa dolaze u raznim oblicima. Poput ugljikohidrata, sastoje se od ugljika, vodika i kisika. Trigliceridi se sastoje od tri masne kiseline spojene s molekulom glicerola, alkohola s tri ugljika. Ti bočni lanci masnih kiselina dugi su, jednostavni ugljikovodici. Ti lanci mogu imati dvostruke veze, a ako imaju, to stvara masnu kiselinu nezasićen. Ako postoji samo jedna takva dvostruka veza, masna kiselina je mononezasićeni. Ako su dvije ili više, jest polinezasićene. Te različite vrste masnih kiselina imaju različite zdravstvene implikacije na različite ljude zbog svojih učinaka na stijenke krvnih žila. Zasićene masti, koje nemaju dvostruke veze, su čvrste na sobnoj temperaturi i obično su životinjske masti; oni obično uzrokuju arterijske plakove i mogu pridonijeti bolesti srca. Masnim kiselinama se može kemijski manipulirati, a nezasićenim masnoćama poput biljnih ulja mogu se učiniti zasićenima tako da budu čvrste i prikladne za upotrebu na sobnoj temperaturi, poput margarina.

Fosfolipidi, koji na jednom kraju imaju hidrofobni lipid, a na drugom hidrofilni fosfat, važna su sastavnica staničnih membrana. Te se membrane sastoje od fosfolipidnog dvosloja. Dva lipidna dijela, koja su hidrofobna, okrenuta su prema van i prema unutrašnjosti stanice, dok se hidrofilni repovi fosfata susreću u središtu dvosloja.

Ostali lipidi uključuju steroide koji služe kao hormoni i prethodnici hormona (npr. Kolesterol) i sadrže niz prepoznatljivih prstenastih struktura; i voskovi, koji uključuju pčelinji vosak i lanolin.

Nukleinske kiseline uključuju deoksiribonukleinsku kiselinu (DNA) i ribonukleinsku kiselinu (RNA). To su strukturno vrlo slični jer su oba polimeri u kojima su monomerne jedinice nukleotidi. Nukleotidi se sastoje od pentozne šećerne skupine, fosfatne skupine i dušične bazne skupine. I u DNA i u RNA te baze mogu biti jedna od četiri vrste; inače su svi nukleotidi DNA identični, kao i oni RNA.

DNA i RNA razlikuju se na tri glavna načina. Jedno je da je u DNA pentozni šećer deoksiriboza, a u RNA riboza. Ti se šećeri razlikuju po točno jednom atomu kisika. Druga je razlika u tome što je DNA obično dvolančana, tvoreći dvostruku zavojnicu koju su 1950-ih otkrili Watson i Crick-ov tim, ali RNA je jednolančana. Treće je da DNA sadrži dušične baze adenin (A), citozin (C), gvanin (G) i timin (T), ali RNA ima uracil (U) supstituiran za timin.

DNA pohranjuje nasljedne podatke. Duljine nukleotida čine geni, koji sadrže informacije putem dušikovih baznih sekvenci za proizvodnju specifičnih proteina. Mnogo gena čini kromosomi, a ukupni zbroj kromosoma organizma (ljudi imaju 23 para) je njegov genom. DNA se koristi u procesu transkripcije da bi se stvorio oblik RNA koji se naziva glasnička RNA (mRNA). To kodirane informacije pohranjuje na malo drugačiji način i premješta ih iz stanične jezgre gdje je DNA u staničnu citoplazmu ili matriks. Ovdje druge vrste RNA iniciraju proces translacije, u kojem se proteini stvaraju i šalju po cijeloj stanici.