Mi az élet négy makromolekulája?

A biológiát - vagy informálisan magát az életet - elegáns makromolekulák jellemzik, amelyek több száz millió év alatt fejlődtek ki, hogy számos kritikus funkciót töltsenek be. Ezeket gyakran négy alaptípusba sorolják: szénhidrátok (vagy poliszacharidok), lipidek, fehérjék és nukleinsavak. Ha van valamilyen táplálkozási háttere, akkor ezek közül az első hármat fel fogja ismerni a táplálkozási információk címkéin felsorolt ​​három szokásos makrotápanyagként (vagy diétás nyelvben "makróként"). A negyedik két, egymással szorosan összefüggő molekulára vonatkozik, amelyek alapul szolgálnak a genetikai információk tárolásához és fordításához minden élőlényben.

Az élet ezen négy makromolekulája vagy biomolekula különféle feladatokat lát el; amint az várható volt, különböző szerepeik kiválóan kapcsolódnak a különböző fizikai összetevőkhöz és elrendezéshez.

A makromolekula nagyon nagy molekula, általában ismételt alegységekből áll, az úgynevezett monomerek, amely nem redukálható egyszerűbb alkotóelemekre anélkül, hogy feláldoznánk az "építőelem" elemet. Noha nincs szabványos meghatározás arról, hogy mekkora molekulának kell lennie a "makró" előtag megszerzéséhez, általában legalább ezer atomja van. Szinte biztosan látott ilyen jellegű építkezést a nem természetes világban; Például sokféle tapéta, bár kidolgozott és fizikailag kiterjedt, szomszédos alegységekből áll, amelyek mérete általában kisebb, mint négyzetméter. Ennél is nyilvánvalóbb, hogy egy lánc makromolekulának tekinthető, amelyben az egyes kapcsolatok a "monomerek".

A biológiai makromolekulákkal kapcsolatban fontos szempont, hogy a lipidek kivételével azok a monomer egységek polárisak, ami azt jelenti, hogy elektromos töltésük van, amely nem oszlik el szimmetrikusan. Vázlatosan különböző fizikai és kémiai tulajdonságú "fejekkel" és "farokkal" rendelkeznek. Mivel a monomerek fej-farok között kapcsolódnak egymáshoz, maguk a makromolekulák is polárisak.

Valamennyi biomolekulában nagy az elemi szénmennyiség. Lehet, hogy hallottátok azt a fajta életet a Földön (más szavakkal, hogy az egyetlen olyan fajta, amelyről biztosan tudunk, hogy bárhol létezik), és "jó okkal" "szénalapú életnek" nevezik. De a nitrogén, az oxigén, a hidrogén és a foszfor nélkülözhetetlenek az élőlények számára is, és számos más elem kisebb mértékben keveredik.

Közel biztos, hogy amikor meglátja vagy meghallja a "szénhidrát" szót, akkor az első dolog, amire gondol, az "étel", és talán még konkrétabban: "valami az ételben, sok ember szándékában áll megszabadulni. "A" lo-carb "és a" no-carb "mind a 21. század elején súlycsökkentő szóvá váltak, és a" carbo-load "kifejezés az állóképesség-sport közösség óta létezik. 1970-es évek. De valójában a szénhidrátok nem csupán az élőlények energiaforrásai.

A szénhidrátmolekulák mindegyike képlettel rendelkezik (CH₂O)_n, ahol n a jelenlévő szénatomok száma. Ez azt jelenti, hogy a C: H: O arány 1: 2: 1. Például az egyszerű cukrok, a glükóz, a fruktóz és a galaktóz mind C képlettel rendelkeznek₆H₁₂O₆ (ennek a három molekulának az atomjai természetesen másképp vannak elrendezve).

A szénhidrátok monoszacharidok, diszacharidok és poliszacharidok. A monoszacharid a szénhidrátok monomer egysége, de egyes szénhidrátok csak egy monomerből állnak, például glükózból, fruktózból és galaktózból. Általában ezek a monoszacharidok a legstabilabbak egy gyűrű formájában, amelyet vázlatosan hatszögként ábrázolnak.

A diszacharidok két monomer egységet tartalmazó cukorok vagy egy pár monoszacharid. Ezek az alegységek lehetnek azonosak (mint a maltózban, amely két összekapcsolt glükózmolekulából áll) vagy különböző (mint a szacharózban vagy az asztali cukorban, amely egy glükózmolekulából és egy fruktózból áll) molekula. A monoszacharidok közötti kötéseket glikozidos kötéseknek nevezzük.

A poliszacharidok három vagy több monoszacharidot tartalmaznak. Minél hosszabbak ezek a láncok, annál valószínűbb, hogy elágazásaik vannak, vagyis nem egyszerűen monoszacharidok sora a végéig. A poliszacharidok közé tartozik a keményítő, a glikogén, a cellulóz és a kitin.

A keményítő általában hélix vagy spirál alakban alakul ki; ez általában a nagy molekulatömegű biomolekulákban jellemző. A cellulóz ezzel szemben lineáris, és hosszú szénláncú monomer láncból áll, hidrogénkötésekkel, rendszeres időközönként behatolva a szénatomok közé. A cellulóz a növényi sejtek egyik alkotóeleme, amely megadja nekik a merevségüket. Az emberek nem tudják megemészteni a cellulózt, és az étrendben általában rostként említik. Kitin az egy másik szerkezeti szénhidrát, amely az ízeltlábúak külső testében található, például rovarok, pókok és rákok. A kitin módosított szénhidrát, mivel bőséges nitrogénatomokkal van "hamisítva". A glikogén a szervezet szénhidrát-tároló formája; glikogén lerakódások találhatók mind a májban, mind az izomszövetben. Ezeknek a szöveteknek az enzim adaptációinak köszönhetően az edzett sportolók a magas energiaigényük és táplálkozási gyakorlatuk miatt több glikogént képesek tárolni, mint az ülő emberek.

A szénhidrátokhoz hasonlóan a fehérjék is az emberek többségének szókincsébe tartoznak, mivel úgynevezett makrotápanyagként szolgálnak. De a fehérjék hihetetlenül sokoldalúak, sokkal inkább, mint a szénhidrátok. Valójában fehérjék nélkül nem léteznének szénhidrátok vagy lipidek, mert az ezen molekulák szintetizálásához (valamint emésztéséhez) szükséges enzimek maguk is fehérjék.

A fehérjék monomerjei aminosavak. Ezek közé tartozik a karbonsav (-COOH) csoport és az amino (-NH₂) csoport. Amikor az aminosavak kapcsolódnak egymáshoz, az egyik aminosav karbonsavcsoportja és a másik aminosavcsoportja közötti hidrogénkötésen keresztül egy vízmolekulával (H₂O) felszabadult a folyamat során. Az aminosavak növekvő lánca polipeptid, és ha kellően hosszú és háromdimenziós alakját felveszi, akkor teljes értékű fehérje. A szénhidrátokkal ellentétben a fehérjék soha nem mutatnak elágazásokat; ezek csak egy aminocsoportokhoz kapcsolt karboxilcsoportok. Mivel ennek a láncnak eleje és vége kell, hogy legyen, az egyik végén van szabad aminocsoport és N-terminálisnak, míg a másiknak szabad aminocsoportja van, és C-terminálisnak nevezik. Mivel 20 aminosav van, és ezek tetszőleges sorrendbe rendezhetők, a fehérjék összetétele rendkívül változatos, még akkor is, ha nem történik elágazás.

A fehérjék úgynevezett primer, másodlagos, tercier és kvarternáris szerkezettel rendelkeznek. Az elsődleges szerkezet a fehérje aminosav-szekvenciájára utal, és genetikailag meghatározott. A másodlagos szerkezet a lánc hajlítására vagy megtörésére utal, általában ismétlődő módon. Néhány konformáció tartalmaz alfa-spirált és béta-redős lapot, és a különböző aminosavak oldalláncai közötti gyenge hidrogénkötésekből adódik. A harmadlagos szerkezet a fehérje csavarodása és görbülése a háromdimenziós térben, és tartalmazhat többek között diszulfidkötéseket (kén-kén) és hidrogénkötéseket. Végül a kvaterner struktúra egynél több polipeptidláncra utal ugyanabban a makromolekulában. Ez a kollagénben fordul elő, amely három láncból áll, amelyek kötélként egymáshoz vannak tekerve és tekercselve.

A fehérjék enzimként szolgálhatnak, amelyek katalizálják a test biokémiai reakcióit; hormonokként, például inzulin és növekedési hormon; mint szerkezeti elemek; és sejtmembrán komponensekként.

A lipidek a makromolekulák sokfélesége, de mindannyian hasonlóak a hidrofób tulajdonságokhoz; vagyis nem oldódnak fel a vízben. Ennek az az oka, hogy a lipidek elektromosan semlegesek és ezért nem polárosak, míg a víz poláris molekula. A lipidek közé tartoznak a trigliceridek (zsírok és olajok), foszfolipidek, karotinoidok, szteroidok és viaszok. Főleg a sejtmembrán képződésében és stabilitásában vesznek részt, hormonrészeket képeznek, és tárolt üzemanyagként használják őket. A zsírok, a lipidek egy típusa a makrotápanyagok harmadik típusa, szénhidrátokkal és fehérjékkel korábban tárgyaltunk. Az úgynevezett zsírsavak oxidációja révén 9 kalóriát kínálnak grammonként, szemben a szénhidrátok és a zsírok által szolgáltatott 4 kalóriával / gramm.

A lipidek nem polimerek, ezért különféle formájúak. A szénhidrátokhoz hasonlóan szénből, hidrogénből és oxigénből állnak. A trigliceridek három zsírsavból állnak, amelyek a glicerin molekulához kapcsolódnak, amely egy három szénatomos alkohol. Ezek a zsírsav mellékláncok hosszú, egyszerű szénhidrogének. Ezeknek a láncoknak kettős kötései lehetnek, és ha vannak, akkor ez alkotja a zsírsavat telítetlen. Ha csak egy ilyen kettős kötés van, akkor a zsírsav egyszeresen telítetlen. Ha kettő vagy több van, akkor az többszörösen telítetlen. Ezeknek a különböző típusú zsírsavaknak különböző egészségügyi következményei vannak az emberek számára, az erek falára gyakorolt ​​hatásuk miatt. A telített zsírok, amelyekben nincs kettős kötés, szobahőmérsékleten szilárdak és általában állati zsírok; ezek általában artériás plakkokat okoznak, és hozzájárulhatnak a szívbetegségek kialakulásához. A zsírsavakat kémiailag manipulálhatjuk, és a telítetlen zsírokat, például a növényi olajokat telítetté tehetjük úgy, hogy szilárdak és szobahőmérsékleten kényelmesen használhatók, mint például a margarin.

A foszfolipidek, amelyek egyik végén hidrofób lipid, a másikban hidrofil foszfát van, a sejtmembránok fontos alkotóelemei. Ezek a membránok egy foszfolipid kétrétegből állnak. A két lipidrész hidrofób lévén a sejt külső és belső oldala felé néz, míg a foszfát hidrofil farka a kétréteg közepén találkozik.

Egyéb lipidek közé tartoznak a szteroidok, amelyek hormonokként és hormon prekurzorokként (például koleszterin) szolgálnak, és megkülönböztető gyűrűs szerkezetek sorozatát tartalmazzák; és viaszok, amelyek közé tartozik a méhviasz és a lanolin.

A nukleinsavak közé tartozik a dezoxiribonukleinsav (DNS) és a ribonukleinsav (RNS). Ezek szerkezetileg nagyon hasonlóak, mivel mindkettő polimer, amelyben a monomer egységek találhatók nukleotidok. A nukleotidok egy pentóz cukorcsoportból, egy foszfát csoportból és egy nitrogén bázis csoportból állnak. Mind a DNS-ben, mind az RNS-ben ezek a bázisok a négy típus egyike lehetnek; különben a DNS összes nukleotidja megegyezik, csakúgy, mint az RNSé.

A DNS és az RNS három fő szempontból különbözik egymástól. Az egyik az, hogy a DNS-ben a pentózcukor dezoxiribóz, az RNS-ben pedig ribóz. Ezek a cukrok pontosan egy oxigénatommal különböznek egymástól. A második különbség az, hogy a DNS általában kettős szálú, amely az 1950-es években Watson és Crick csapata által felfedezett kettős spirált képezi, de az RNS egyszálú. A harmadik az, hogy a DNS az adenint (A), a citozint (C), a guanint (G) és a timint (T) tartalmazza a nitrogénbázisokból, de az RNS-ben a timinnel uracil (U) van helyettesítve.

A DNS örökletes információkat tárol. A nukleotidok hossza alkotja gének, amelyek információkat tartalmaznak a nitrogén bázis szekvenciákon keresztül specifikus fehérjék előállításához. Rengeteg gén alkotja kromoszómák, és egy szervezet kromoszómájának összege (az embernek 23 párja van) genom. A transzkripció során a DNS-t felhasználják az RNS-nek az úgynevezett messenger RNS-nek (mRNS) nevezett formájának előállítására. Ez a kódolt információt kissé másképpen tárolja és mozgatja a sejtmagból, ahol a DNS található, és a sejt citoplazmájába vagy mátrixába. Itt más típusú RNS-ek indítják el a transzlációs folyamatot, amelynek során fehérjéket állítanak elő és juttatnak el az egész sejtbe.