Quali sono le quattro macromolecole della vita?

La biologia – o informalmente, la vita stessa – è caratterizzata da eleganti macromolecole che si sono evolute nel corso di centinaia di milioni di anni per servire una serie di funzioni critiche. Questi sono spesso classificati in quattro tipi fondamentali: carboidrati (o polisaccaridi), lipidi, proteine ​​e acidi nucleici. Se hai qualche esperienza in nutrizione, riconoscerai i primi tre di questi come i tre macronutrienti standard (o "macro", nel gergo della dieta) elencati sulle etichette delle informazioni nutrizionali. Il quarto riguarda due molecole strettamente correlate che servono come base per l'archiviazione e la traduzione dell'informazione genetica in tutti gli esseri viventi.

Ognuna di queste quattro macromolecole della vita, o biomolecole, svolge una varietà di compiti; come ci si potrebbe aspettare, i loro diversi ruoli sono strettamente correlati alle loro varie componenti e disposizioni fisiche.

UN macromolecola è una molecola molto grande, solitamente costituita da subunità ripetute chiamate

Un punto importante sulle macromolecole biologiche è che, ad eccezione dei lipidi, la loro le unità monomeriche sono polari, nel senso che hanno una carica elettrica non distribuita simmetricamente. Schematicamente, hanno "teste" e "code" con diverse proprietà fisiche e chimiche. Poiché i monomeri si uniscono testa a coda, anche le macromolecole sono polari.

Inoltre, tutte le biomolecole hanno elevate quantità dell'elemento carbonio. Potresti aver sentito il tipo di vita sulla Terra (in altre parole, l'unico tipo che sappiamo per certo esiste ovunque) indicato come "vita a base di carbonio", e con buone ragioni. Ma anche azoto, ossigeno, idrogeno e fosforo sono indispensabili per gli esseri viventi, e una miriade di altri elementi sono nella miscela in misura minore.

È quasi certo che quando vedi o senti la parola "carboidrati", la prima cosa a cui pensi è "cibo", e forse più specificamente, "qualcosa nel cibo a cui molte persone sono intente". sbarazzarsi di." "Lo-carb" e "no-carb" sono diventati entrambi parole d'ordine per la perdita di peso nella prima parte del 21° secolo, e il termine "carbo-loading" è stato utilizzato nella comunità degli sport di resistenza sin dal anni '70. Ma in realtà, i carboidrati sono molto più di una semplice fonte di energia per gli esseri viventi.

Le molecole di carboidrati hanno tutte la formula (CH₂o)_n, dove n è il numero di atomi di carbonio presenti. Ciò significa che il rapporto C: H:O è 1:2:1. Ad esempio, gli zuccheri semplici glucosio, fruttosio e galattosio hanno tutti la formula C₆H₁₂oh₆ (gli atomi di queste tre molecole sono, ovviamente, disposti in modo diverso).

I carboidrati sono classificati come monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Un monosaccaride è l'unità monomerica dei carboidrati, ma alcuni carboidrati sono costituiti da un solo monomero, come glucosio, fruttosio e galattosio. Di solito, questi monosaccaridi sono più stabili in una forma ad anello, che è rappresentata schematicamente come un esagono.

I disaccaridi sono zuccheri con due unità monomeriche o una coppia di monosaccaridi. Queste subunità possono essere le stesse (come nel maltosio, che consiste di due molecole di glucosio unite) o diverso (come nel saccarosio, o zucchero da tavola, che consiste in una molecola di glucosio e una di fruttosio molecola. I legami tra i monosaccaridi sono chiamati legami glicosidici.

I polisaccaridi contengono tre o più monosaccaridi. Più queste catene sono lunghe, più è probabile che abbiano rami, cioè non siano semplicemente una linea di monosaccaridi da un capo all'altro. Esempi di polisaccaridi includono amido, glicogeno, cellulosa e chitina.

L'amido tende a formare un'elica, o una forma a spirale; questo è comune nelle biomolecole ad alto peso molecolare in generale. La cellulosa, al contrario, è lineare, costituita da una lunga catena di monomeri di glucosio con legami idrogeno intercalati tra atomi di carbonio a intervalli regolari. La cellulosa è un componente delle cellule vegetali e conferisce loro rigidità. Gli esseri umani non possono digerire la cellulosa e nella dieta viene solitamente indicata come "fibra". La chitina è un altro carboidrato strutturale, che si trova nei corpi esterni degli artropodi come insetti, ragni e Granchi. La chitina è un carboidrato modificato, in quanto "adulterato" con ampi atomi di azoto. Il glicogeno è la forma di accumulo di carboidrati del corpo; depositi di glicogeno si trovano sia nel fegato che nel tessuto muscolare. Grazie agli adattamenti enzimatici in questi tessuti, gli atleti allenati sono in grado di immagazzinare più glicogeno rispetto alle persone sedentarie a causa dei loro elevati fabbisogni energetici e delle pratiche nutrizionali.

Come i carboidrati, le proteine ​​fanno parte del vocabolario quotidiano della maggior parte delle persone perché servono come cosiddetti macronutrienti. Ma le proteine ​​sono incredibilmente versatili, molto più dei carboidrati. Senza proteine, infatti, non ci sarebbero né carboidrati né lipidi perché gli enzimi necessari per sintetizzare (oltre che per digerire) queste molecole sono esse stesse proteine.

I monomeri delle proteine ​​sono gli amminoacidi. Questi includono un gruppo acido carbossilico (-COOH) e un gruppo amminico (-NH₂) gruppo. Quando gli amminoacidi si uniscono tra loro, avviene tramite un legame idrogeno tra il gruppo acido carbossilico di uno degli amminoacidi e il gruppo amminico dell'altro, con una molecola di acqua (H₂O) rilasciato nel processo. Una catena di amminoacidi in crescita è un polipeptide e quando è sufficientemente lunga e assume la sua forma tridimensionale, è una proteina a tutti gli effetti. A differenza dei carboidrati, le proteine ​​non mostrano mai ramificazioni; sono solo una catena di gruppi carbossilici uniti a gruppi amminici. Poiché questa catena deve avere un inizio e una fine, un'estremità ha un gruppo amminico libero ed è chiamata N-terminale, mentre l'altra ha un gruppo amminico libero ed è chiamata C-terminale. Poiché ci sono 20 amminoacidi, e questi possono essere organizzati in qualsiasi ordine, la composizione delle proteine ​​è estremamente varia anche se non si verificano ramificazioni.

Le proteine ​​hanno quella che viene chiamata struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. La struttura primaria si riferisce alla sequenza degli amminoacidi nella proteina ed è determinata geneticamente. La struttura secondaria si riferisce alla piegatura o all'attorcigliamento della catena, solitamente in modo ripetitivo. Alcune conformazioni includono un'alfa-elica e un foglio beta-plissettato e derivano da deboli legami idrogeno tra catene laterali di diversi amminoacidi. La struttura terziaria è la torsione e l'arricciamento della proteina nello spazio tridimensionale e può coinvolgere legami disolfuro (da zolfo a zolfo) e legami idrogeno, tra gli altri. Infine, la struttura quaternaria si riferisce a più di una catena polipeptidica nella stessa macromolecola. Ciò si verifica nel collagene, che consiste di tre catene attorcigliate e arrotolate insieme come una corda.

Le proteine ​​possono fungere da enzimi, che catalizzano le reazioni biochimiche nel corpo; come ormoni, come l'insulina e l'ormone della crescita; come elementi strutturali; e come componenti della membrana cellulare.

I lipidi sono un insieme diversificato di macromolecole, ma tutti condividono la caratteristica di essere idrofobici; cioè, non si dissolvono in acqua. Questo perché i lipidi sono elettricamente neutri e quindi non polari, mentre l'acqua è una molecola polare. I lipidi includono trigliceridi (grassi e oli), fosfolipidi, carotenoidi, steroidi e cere. Sono coinvolti principalmente nella formazione e stabilità della membrana cellulare, formano porzioni di ormoni e vengono utilizzati come combustibile immagazzinato. I grassi, un tipo di lipidi, sono il terzo tipo di macronutrienti, con carboidrati e proteine ​​discussi in precedenza. Attraverso l'ossidazione dei loro cosiddetti acidi grassi, forniscono 9 calorie per grammo contro le 4 calorie per grammo fornite sia dai carboidrati che dai grassi.

I lipidi non sono polimeri, quindi sono disponibili in una varietà di forme. Come i carboidrati, sono costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. I trigliceridi sono costituiti da tre acidi grassi uniti a una molecola di glicerolo, un alcol a tre atomi di carbonio. Queste catene laterali di acidi grassi sono idrocarburi lunghi e semplici. Queste catene possono avere doppi legami e, se lo fanno, ciò rende l'acido grasso insaturo. Se c'è solo un tale doppio legame, l'acido grasso è monoinsaturo. Se ce ne sono due o più, è polinsaturi. Questi diversi tipi di acidi grassi hanno implicazioni sulla salute diverse per persone diverse a causa dei loro effetti sulle pareti dei vasi sanguigni. I grassi saturi, che non hanno doppi legami, sono solidi a temperatura ambiente e sono generalmente grassi animali; questi tendono a causare placche arteriose e possono contribuire a malattie cardiache. Gli acidi grassi possono essere manipolati chimicamente e i grassi insaturi come gli oli vegetali possono essere resi saturi in modo che siano solidi e convenienti da usare a temperatura ambiente, come la margarina.

I fosfolipidi, che hanno un lipide idrofobo a un'estremità e un fosfato idrofilo all'altra, sono un componente importante delle membrane cellulari. Queste membrane sono costituite da un doppio strato fosfolipidico. Le due porzioni lipidiche, essendo idrofobe, sono rivolte verso l'esterno e l'interno della cellula, mentre le code idrofile del fosfato si incontrano al centro del doppio strato.

Altri lipidi includono gli steroidi, che fungono da ormoni e precursori ormonali (ad es. colesterolo) e contengono una serie di strutture ad anello distintive; e cere, che includono cera d'api e lanolina.

Gli acidi nucleici comprendono l'acido desossiribonucleico (DNA) e l'acido ribonucleico (RNA). Questi sono strutturalmente molto simili in quanto entrambi sono polimeri in cui le unità monomeriche sono nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da un gruppo zucchero pentoso, un gruppo fosfato e un gruppo base azotato. Sia nel DNA che nell'RNA, queste basi possono essere di quattro tipi; altrimenti, tutti i nucleotidi del DNA sono identici, così come quelli dell'RNA.

DNA e RNA differiscono in tre modi principali. Uno è che nel DNA lo zucchero pentoso è il desossiribosio e nell'RNA è il ribosio. Questi zuccheri differiscono esattamente di un atomo di ossigeno. La seconda differenza è che il DNA è solitamente a doppio filamento, formando la doppia elica scoperta negli anni '50 dal team di Watson e Crick, ma l'RNA è a filamento singolo. Il terzo è che il DNA contiene le basi azotate adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T), ma l'RNA ha l'uracile (U) sostituito dalla timina.

Il DNA memorizza le informazioni ereditarie. Le lunghezze dei nucleotidi compongono geni, che contengono le informazioni, attraverso le sequenze di basi azotate, per produrre proteine ​​specifiche. Sono tanti i geni che compongono cromosomi, e la somma totale dei cromosomi di un organismo (gli esseri umani hanno 23 paia) è la sua genoma. Il DNA viene utilizzato nel processo di trascrizione per creare una forma di RNA chiamata RNA messaggero (mRNA). Questo memorizza le informazioni codificate in un modo leggermente diverso e le sposta fuori dal nucleo cellulare dove si trova il DNA e nel citoplasma cellulare, o matrice. Qui, altri tipi di RNA avviano il processo di traduzione, in cui le proteine ​​vengono prodotte e spedite in tutta la cellula.