Apakah Empat Makromolekul Kehidupan?

Biologi – atau secara informal, kehidupan itu sendiri – dicirikan oleh makromolekul elegan yang telah berevolusi selama ratusan juta tahun untuk melayani berbagai fungsi penting. Ini sering dikategorikan ke dalam empat tipe dasar: karbohidrat (atau polisakarida), lipid, protein dan asam nukleat. Jika Anda memiliki latar belakang nutrisi, Anda akan mengenali tiga yang pertama sebagai tiga makronutrien standar (atau "makro," dalam istilah diet) yang tercantum pada label informasi nutrisi. Yang keempat berkaitan dengan dua molekul yang terkait erat yang berfungsi sebagai dasar untuk penyimpanan dan penerjemahan informasi genetik pada semua makhluk hidup.

Masing-masing dari empat makromolekul kehidupan ini, atau biomolekul, melakukan berbagai tugas; seperti yang Anda duga, peran mereka yang berbeda sangat terkait dengan berbagai komponen dan pengaturan fisik mereka.

SEBUAH makromolekul adalah molekul yang sangat besar, biasanya terdiri dari subunit berulang yang disebut monomer, yang tidak dapat direduksi menjadi konstituen yang lebih sederhana tanpa mengorbankan elemen "blok penyusun". Meskipun tidak ada definisi standar tentang seberapa besar molekul harus mendapatkan awalan "makro", mereka umumnya memiliki, minimal, ribuan atom. Anda hampir pasti pernah melihat konstruksi semacam ini di dunia non-alami; misalnya, banyak jenis wallpaper, meskipun desainnya rumit dan secara keseluruhan luas secara fisik, terdiri dari subunit yang berdampingan yang biasanya berukuran kurang dari satu kaki persegi atau lebih. Bahkan lebih jelas lagi, sebuah rantai dapat dianggap sebagai makromolekul di mana mata rantai individu adalah "monomer".

Poin penting tentang makromolekul biologis adalah bahwa, dengan pengecualian lipid, mereka unit monomer bersifat polar, artinya memiliki muatan listrik yang tidak terdistribusi secara simetris. Secara skematis, mereka memiliki "kepala" dan "ekor" dengan sifat fisik dan kimia yang berbeda. Karena monomer bergabung satu sama lain, makromolekul itu sendiri juga bersifat polar.

Juga, semua biomolekul memiliki jumlah unsur karbon yang tinggi. Anda mungkin pernah mendengar jenis kehidupan di Bumi (dengan kata lain, satu-satunya jenis yang kita tahu pasti ada di mana saja) disebut sebagai "kehidupan berbasis karbon", dan dengan alasan yang bagus. Tapi dan nitrogen, oksigen, hidrogen, dan fosfor sangat diperlukan untuk makhluk hidup juga, dan sejumlah elemen lain dalam campuran ke tingkat yang lebih rendah.

Hampir pasti bahwa ketika Anda melihat atau mendengar kata "karbohidrat", hal pertama yang Anda pikirkan adalah "makanan", dan mungkin lebih spesifik, "sesuatu dalam makanan yang diinginkan banyak orang. menyingkirkan." "Lo-carb" dan "no-carb" keduanya menjadi kata kunci penurunan berat badan di awal abad ke-21, dan istilah "carbo-loading" telah ada di sekitar komunitas olahraga ketahanan sejak 1970-an. Namun nyatanya, karbohidrat jauh lebih dari sekedar sumber energi bagi makhluk hidup.

Molekul karbohidrat semuanya memiliki rumus (CH₂HAI)_tidak, di mana n adalah jumlah atom karbon yang ada. Artinya rasio C: H:O adalah 1:2:1. Misalnya, gula sederhana glukosa, fruktosa dan galaktosa semuanya memiliki rumus C₆H₁₂HAI₆ (atom-atom dari ketiga molekul ini, tentu saja, diatur secara berbeda).

Karbohidrat diklasifikasikan sebagai monosakarida, disakarida dan polisakarida. Monosakarida adalah unit monomer karbohidrat, tetapi beberapa karbohidrat hanya terdiri dari satu monomer, seperti glukosa, fruktosa, dan galaktosa. Biasanya, monosakarida ini paling stabil dalam bentuk cincin, yang digambarkan secara diagram sebagai segi enam.

Disakarida adalah gula dengan dua unit monomer, atau sepasang monosakarida. Subunit ini bisa sama (seperti pada maltosa, yang terdiri dari dua molekul glukosa yang bergabung) atau berbeda (seperti dalam sukrosa, atau gula meja, yang terdiri dari satu molekul glukosa dan satu fruktosa) molekul. Ikatan antar monosakarida disebut ikatan glikosidik.

Polisakarida mengandung tiga atau lebih monosakarida. Semakin panjang rantai ini, semakin besar kemungkinan mereka memiliki cabang, yaitu, tidak hanya menjadi garis monosakarida dari ujung ke ujung. Contoh polisakarida termasuk pati, glikogen, selulosa dan kitin.

Pati cenderung membentuk heliks, atau bentuk spiral; ini umum terjadi pada biomolekul dengan berat molekul tinggi secara umum. Selulosa, sebaliknya, adalah linier, terdiri dari rantai panjang monomer glukosa dengan ikatan hidrogen diselingi antara atom karbon secara berkala. Selulosa adalah komponen sel tumbuhan dan memberi mereka kekakuannya. Manusia tidak dapat mencerna selulosa, dan dalam makanan biasanya disebut sebagai "serat". Kitin adalah karbohidrat struktural lain, ditemukan di tubuh luar arthropoda seperti serangga, laba-laba dan kepiting. Kitin adalah karbohidrat yang dimodifikasi, karena "dipalsukan" dengan atom nitrogen yang cukup. Glikogen adalah bentuk penyimpanan karbohidrat tubuh; simpanan glikogen ditemukan di hati dan jaringan otot. Berkat adaptasi enzim dalam jaringan ini, atlet terlatih dapat menyimpan lebih banyak glikogen daripada orang yang tidak banyak bergerak sebagai akibat dari kebutuhan energi dan praktik nutrisi yang tinggi.

Seperti karbohidrat, protein adalah bagian dari kosakata sehari-hari kebanyakan orang karena berfungsi sebagai apa yang disebut makronutrien. Tetapi protein sangat serbaguna, jauh lebih banyak daripada karbohidrat. Faktanya, tanpa protein, tidak akan ada karbohidrat atau lipid karena enzim yang dibutuhkan untuk mensintesis (serta mencerna) molekul-molekul ini sendiri adalah protein.

Monomer protein adalah asam amino. Ini termasuk gugus asam karboksilat (-COOH) dan gugus amino (-NH₂) kelompok. Ketika asam amino bergabung satu sama lain, itu adalah melalui ikatan hidrogen antara gugus asam karboksilat pada salah satu asam amino dan gugus amino yang lain, dengan molekul air (H₂O) dilepaskan dalam proses. Rantai asam amino yang tumbuh adalah polipeptida, dan ketika cukup panjang dan berbentuk tiga dimensi, itu adalah protein yang lengkap. Tidak seperti karbohidrat, protein tidak pernah menunjukkan cabang; mereka hanya rantai gugus karboksil yang bergabung dengan gugus amino. Karena rantai ini harus memiliki awal dan akhir, salah satu ujungnya memiliki gugus amino bebas dan disebut terminal-N, sedangkan ujung lainnya memiliki gugus amino bebas dan disebut terminal-C. Karena ada 20 asam amino, dan ini dapat diatur dalam urutan apa pun, komposisi protein sangat bervariasi meskipun tidak ada percabangan.

Protein memiliki apa yang disebut struktur primer, sekunder, tersier, dan kuarter. Struktur primer mengacu pada urutan asam amino dalam protein, dan ditentukan secara genetik. Struktur sekunder mengacu pada pembengkokan atau kekusutan pada rantai, biasanya dengan cara yang berulang. Beberapa konformasi termasuk alfa-heliks dan lembaran beta-lipit, dan dihasilkan dari ikatan hidrogen yang lemah antara rantai samping asam amino yang berbeda. Struktur tersier adalah pelintiran dan pengeritingan protein dalam ruang tiga dimensi dan dapat melibatkan antara lain ikatan disulfida (sulfur menjadi belerang) dan ikatan hidrogen. Akhirnya, struktur kuaterner mengacu pada lebih dari satu rantai polipeptida dalam makromolekul yang sama. Ini terjadi pada kolagen, yang terdiri dari tiga rantai yang dipilin dan digulung bersama seperti tali.

Protein dapat berfungsi sebagai enzim, yang mengkatalisis reaksi biokimia dalam tubuh; sebagai hormon, seperti insulin dan hormon pertumbuhan; sebagai elemen struktural; dan sebagai komponen membran sel.

Lipid adalah kumpulan makromolekul yang beragam, tetapi semuanya memiliki sifat hidrofobik; yaitu, mereka tidak larut dalam air. Ini karena lipid secara elektrik netral dan karenanya nonpolar, sedangkan air adalah molekul polar. Lipid termasuk trigliserida (lemak dan minyak), fosfolipid, karotenoid, steroid dan lilin. Mereka terlibat terutama dalam pembentukan dan stabilitas membran sel, membentuk bagian dari hormon, dan digunakan sebagai bahan bakar yang disimpan. Lemak, sejenis lipid, adalah jenis makronutrien ketiga, dengan karbohidrat dan protein yang dibahas sebelumnya. Melalui oksidasi yang disebut asam lemak, mereka memasok 9 kalori per gram sebagai lawan dari 4 kalori per gram yang dipasok oleh karbohidrat dan lemak.

Lipid bukan polimer, jadi mereka datang dalam berbagai bentuk. Seperti karbohidrat, mereka terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen. Trigliserida terdiri dari tiga asam lemak yang bergabung dengan molekul gliserol, alkohol tiga karbon. Rantai samping asam lemak ini adalah hidrokarbon sederhana yang panjang. Rantai ini dapat memiliki ikatan rangkap, dan jika ada, itu membuat asam lemak tak jenuh. Jika hanya ada satu ikatan rangkap seperti itu, asam lemaknya adalah tak jenuh tunggal. Jika ada dua atau lebih, itu adalah tak jenuh ganda. Berbagai jenis asam lemak ini memiliki implikasi kesehatan yang berbeda untuk orang yang berbeda karena efeknya pada dinding pembuluh darah. Lemak jenuh, yang tidak memiliki ikatan rangkap, berbentuk padat pada suhu kamar dan biasanya lemak hewani; ini cenderung menyebabkan plak arteri dan dapat menyebabkan penyakit jantung. Asam lemak dapat dimanipulasi secara kimia, dan lemak tak jenuh seperti minyak nabati dapat dibuat jenuh sehingga padat dan nyaman digunakan pada suhu kamar, seperti margarin.

Fosfolipid, yang memiliki lipid hidrofobik di satu ujung dan fosfat hidrofilik di ujung lainnya, merupakan komponen penting dari membran sel. Membran ini terdiri dari bilayer fosfolipid. Dua bagian lipid, yang hidrofobik, menghadap ke luar dan bagian dalam sel, sedangkan ekor fosfat hidrofilik bertemu di tengah bilayer.

Lipid lainnya termasuk steroid, yang berfungsi sebagai hormon dan prekursor hormon (misalnya, kolesterol) dan mengandung serangkaian struktur cincin yang khas; dan lilin, yang meliputi lilin lebah dan lanolin.

Asam nukleat termasuk asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA). Ini sangat mirip secara struktural karena keduanya adalah polimer di mana unit monomernya adalah nukleotida. Nukleotida terdiri dari gugus gula pentosa, gugus fosfat, dan gugus basa nitrogen. Dalam DNA dan RNA, basa ini dapat menjadi salah satu dari empat jenis; jika tidak, semua nukleotida DNA identik, seperti halnya RNA.

DNA dan RNA berbeda dalam tiga cara utama. Salah satunya adalah bahwa dalam DNA, gula pentosa adalah deoksiribosa, dan dalam RNA adalah ribosa. Gula ini berbeda dengan tepat satu atom oksigen. Perbedaan kedua adalah bahwa DNA biasanya beruntai ganda, membentuk heliks ganda yang ditemukan pada 1950-an oleh tim Watson dan Crick, tetapi RNA adalah untai tunggal. Yang ketiga adalah bahwa DNA mengandung basa nitrogen adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan timin (T), tetapi RNA memiliki urasil (U) menggantikan timin.

DNA menyimpan informasi herediter. Panjang nukleotida menyusun gen, yang berisi informasi, melalui urutan basa nitrogen, untuk memproduksi protein tertentu. Banyak gen yang menyusun kromosom, dan jumlah total kromosom suatu organisme (manusia memiliki 23 pasang) adalah genom. DNA digunakan dalam proses transkripsi untuk membuat bentuk RNA yang disebut messenger RNA (mRNA). Ini menyimpan informasi yang dikodekan dengan cara yang sedikit berbeda dan memindahkannya keluar dari inti sel di mana DNA berada dan ke dalam sitoplasma sel, atau matriks. Di sini, jenis RNA lain memulai proses translasi, di mana protein dibuat dan dikirim ke seluruh sel.