מהן ארבע מקרומולקולות החיים?

ביולוגיה - או באופן לא רשמי, החיים עצמם - מאופיינת במקרומולקולות אלגנטיות שהתפתחו במשך מאות מיליוני שנים כדי לשרת מגוון פונקציות קריטיות. אלה מסווגים לעיתים קרובות לארבעה סוגים בסיסיים: פחמימות (או פוליסכרידים), ליפידים, חלבונים וחומצות גרעין. אם יש לך רקע כלשהו בתחום התזונה, תזהה את שלושת הראשונים מביניהם כשלושת המקרונוטרנטים הסטנדרטיים (או "מאקרו", בשפת הדיאטה) הרשומים בתוויות מידע תזונתי. הרביעית נוגעת לשתי מולקולות הקשורות קשר הדוק המשמשות בסיס לאחסון ותרגום של מידע גנטי בכל היצורים החיים.

כל אחת מארבע מקרומולקולות החיים הללו, או ביו-מולקולות, ממלאות מגוון תפקידים; כפי שניתן היה לצפות, תפקידיהם השונים קשורים להפליא למרכיביהם הפיזיים ולסידוריהם.

א מקרומולקולה היא מולקולה גדולה מאוד, המורכבת בדרך כלל מיחידות משנה חוזרות שנקראות מונומרים, שלא ניתן לצמצם למרכיבים פשוטים יותר מבלי להקריב את אלמנט "אבן הבניין". אמנם אין הגדרה סטנדרטית של כמה מולקולה צריכה להיות גדולה כדי לזכות בקידומת "מאקרו", אך בדרך כלל יש להם, לכל הפחות, אלפי אטומים. כמעט בוודאות ראית סוג כזה של בנייה בעולם הלא טבעי; לדוגמא, סוגים רבים של טפטים, למרות שהם מורכבים בעיצובם ונרחבים פיזית בכללותם, מורכבים מיחידות משנה צמודות שלעתים קרובות גודלן פחות ממטר מרובע. באופן ברור יותר, ניתן לראות בשרשרת מקרומולקולה בה החוליות האישיות הן ה"מונומרים ".

נקודה חשובה לגבי מקרומולקולות ביולוגיות היא שלמעט השומנים שלהם יחידות מונומרים הן קוטביות, כלומר יש להן מטען חשמלי שאינו מופץ באופן סימטרי. מבחינה סכמטית, יש להם "ראשים" ו"זנבות "בעלי תכונות פיזיקליות וכימיות שונות. מכיוון שהמונומרים מתחברים ראש לזנב זה לזה, מקרומולקולות עצמן גם הן קוטביות.

כמו כן, בכל הביומולקולות יש כמויות גבוהות של היסוד הפחמן. אולי שמעת את סוג החיים על כדור הארץ (במילים אחרות, הסוג היחיד שאנו מכירים בוודאות קיים בשום מקום) המכונה "חיים מבוססי פחמן", ומסיבה טובה. אבל חנקן, חמצן, מימן וזרחן הם הכרחיים גם ליצורים החיים, ושלל אלמנטים אחרים נמצאים בתערובת בדרגות פחותות.

זו ודאות כמעט שכאשר אתה רואה או שומע את המילה "פחמימה", הדבר הראשון שאתה חושב עליו הוא "אוכל", ואולי ליתר דיוק, "משהו במזון שהרבה אנשים מתכוונים אליו. להיפטר. "" Lo-carb "ו-" no-carb "הפכו שניהם למילות מפתח לרזיה בראשית המאה ה -21, והמונח" העמסת פחמימות "קיים בקהילת ספורט הסיבולת מאז שנות השבעים. אך למעשה, פחמימות הן הרבה יותר מסתם מקור אנרגיה ליצורים חיים.

למולקולות של פחמימות יש את הנוסחה (CH₂O)_נ, כאשר n הוא מספר אטומי הפחמן הקיימים. משמעות הדבר היא שיחס C: H: O הוא 1: 2: 1. לדוגמא, לסוכרים הפשוטים גלוקוז, פרוקטוז וגלקטוז יש את הנוסחה C₆ה₁₂או₆ (האטומים של שלוש המולקולות הללו, כמובן, מסודרים אחרת).

פחמימות מסווגות כחד-סוכרים, סוכרים ופוליסכרידים. חד סוכר הוא יחידת המונומר של פחמימות, אך יש פחמימות המורכבות ממונומר אחד בלבד, כגון גלוקוז, פרוקטוז וגלקטוז. בדרך כלל, חד-סוכרים אלה יציבים ביותר בצורה טבעתית, אשר מתוארת באופן דיאגרמתי כמשושה.

סוכרים הם סוכרים עם שתי יחידות מונומריות, או זוג חד סוכרים. יחידות משנה אלה יכולות להיות זהות (כמו במלטוז, המורכב משתי מולקולות גלוקוז מחוברות) או שונה (כמו בסוכרוז, או סוכר שולחן, המורכב ממולקולת גלוקוז אחת ופרוקטוז אחד מולקולה. קשרים בין חד סוכרים נקראים קשרים גליקוזידיים.

פוליסכרידים מכילים שלושה חד-סוכרים או יותר. ככל שרשתות אלו ארוכות יותר, כך גדל הסיכוי שלהן יהיו ענפים, כלומר לא פשוט להיות קו של חד-סוכרים מקצה לקצה. דוגמאות לפוליסכרידים כוללים עמילן, גליקוגן, תאית וכיטין.

עמילן נוטה להיווצר בסליל, או בצורת ספירלה; זה שכיח בכלל ביומולקולות בעלות משקל גבוה. לעומת זאת, תאית היא לינארית, המורכבת משרשרת ארוכה של מונומרים של גלוקוז עם קשרי מימן המוחלפים בין אטומי פחמן במרווחי זמן קבועים. תאית היא מרכיב בתאי הצמח ונותנת להם את הנוקשות שלהם. בני אדם אינם יכולים לעכל תאית, ובתזונה זה מכונה בדרך כלל "סיבים". צ'יטין הוא פחמימה מבנית אחרת, שנמצאת בגופם החיצוני של פרוקי רגליים כמו חרקים, עכבישים סרטנים. כיטין הוא פחמימה שונה, מכיוון שהוא "מזויף" עם אטומי חנקן בשפע. גליקוגן הוא צורת האחסון בגוף של פחמימות; משקעים של גליקוגן נמצאים הן ברקמת הכבד והן ברקמת השריר. הודות להתאמות אנזימים ברקמות אלה, ספורטאים מאומנים מסוגלים לאחסן יותר גליקוגן מאשר אנשים בישיבה כתוצאה מצרכי האנרגיה הגבוהים שלהם ומהפרקטיקות התזונתיות שלהם.

בדומה לפחמימות, חלבונים הם חלק מאוצר המילים היומיומי של רוב האנשים בגלל היותם משמשים כמקרונוטריינט. אבל חלבונים הם תכליתי להפליא, הרבה יותר מאשר פחמימות. למעשה, ללא חלבונים, לא יהיו פחמימות או ליפידים מכיוון שהאנזימים הדרושים לסינתזה (כמו גם לעיכול) מולקולות אלו הן בעצמן חלבונים.

מונומרים של חלבונים הם חומצות אמינו. אלה כוללים קבוצת חומצה קרבוקסילית (-COOH) ואמינו (-NH₂) קבוצה. כאשר חומצות אמיניות מתחברות זו לזו, זה דרך קשר מימן בין קבוצת החומצות הקרבוקסיליות על אחת מחומצות האמינו לבין קבוצת האמינו של השנייה, עם מולקולת מים (H₂O) שוחרר בתהליך. שרשרת הולכת וגדלה של חומצות אמינו היא פוליפפטיד, וכאשר הוא ארוך דיו ומניח את צורתו התלת מימדית, זהו חלבון מן המניין. בניגוד לפחמימות, חלבונים לעולם אינם מראים ענפים; הם רק שרשרת של קבוצות קרבוקסיל המצטרפות לקבוצות אמיניות. מכיוון שלשרשרת זו חייבים להיות התחלה וסוף, לקצה אחד יש קבוצת אמינו חופשית והוא נקרא מסוף N, ואילו לשני יש קבוצת אמינו חופשית והוא נקרא טרמינל C. מכיוון שישנן 20 חומצות אמינו, וניתן לארגן אותן בכל סדר, הרכב החלבונים מגוון ביותר למרות שלא מתרחשת הסתעפות.

לחלבונים יש מה שמכונה מבנה ראשוני, משני, שלישוני ורביעי. מבנה ראשוני מתייחס לרצף של חומצות אמינו בחלבון, והוא נקבע גנטית. מבנה משני מתייחס לכיפוף או כיווץ בשרשרת, בדרך כלל באופן חוזר על עצמו. חלק מהקונפורמציות כוללות אלפא-סליל ויריעה מקופלת בטא, ונובעים מקשרים מימן חלשים בין שרשראות צדדיות של חומצות אמינו שונות. מבנה שלישוני הוא פיתול והתלתל של החלבון במרחב תלת מימדי ויכול לכלול קשרי דיסולפיד (גופרית לגופרית) וקשרי מימן, בין היתר. לבסוף, מבנה רביעי מתייחס ליותר משרשרת פוליפפטיד אחת באותה מקרומולקולה. זה קורה בקולגן, שמורכב משלוש שרשראות מפותלות ומפותלות יחד כמו חבל.

חלבונים יכולים לשמש אנזימים, המזרזים תגובות ביוכימיות בגוף; כהורמונים, כגון אינסולין והורמון גדילה; כאלמנטים מבניים; וכרכיבי קרום התא.

ליפידים הם קבוצה מגוונת של מקרומולקולות, אך כולן חולקות את התכונה של הידרופובי; כלומר הם אינם מתמוססים במים. הסיבה לכך היא כי השומנים הם ניטרלים חשמלית ולכן אינם קוטביים, ואילו מים הם מולקולה קוטבית. הליפידים כוללים טריגליצרידים (שומנים ושמנים), פוספוליפידים, קרוטנואידים, סטרואידים ושעוות. הם מעורבים בעיקר ביצירת קרום התאים ויציבותם, יוצרים חלקים של הורמונים ומשמשים כדלק מאוחסן. שומנים, סוג של שומנים בדם, הם הסוג השלישי של חומרים מזינים, עם פחמימות וחלבונים שנדונו בעבר. באמצעות חמצון של חומצות השומן כביכול, הם מספקים 9 קלוריות לגרם לעומת 4 הקלוריות לגרם שמספקים הן פחמימות והן שומנים.

ליפידים אינם פולימרים, ולכן הם מגיעים במגוון צורות. כמו פחמימות, הן מורכבות מפחמן, מימן וחמצן. טריגליצרידים מורכבים משלוש חומצות שומן המחוברות למולקולת גליצרול, אלכוהול בעל שלוש פחמן. שרשראות צד חומציות שומניות אלו הן פחמימנים ארוכים ופשוטים. לשרשראות אלו יכולות להיות קשרים כפולים, ואם כן, זה הופך את חומצת השומן בלתי רווי. אם יש רק קשר כפול אחד כזה, חומצת השומן היא חד בלתי רווי. אם יש שניים או יותר, זה כן רב בלתי רווי. לסוגים שונים אלה של חומצות שומן השלכות בריאותיות שונות על אנשים שונים בשל השפעתם על דפנות כלי הדם. שומנים רוויים, שאין להם קשר כפול, מוצקים בטמפרטורת החדר והם בדרך כלל שומנים מן החי; אלה נוטים לגרום לפלאקים עורקיים ועלולים לתרום למחלות לב. ניתן לטפל בחומצות שומניות, ולהכין שומנים בלתי רוויים כמו שמנים צמחיים רוויים כך שיהיו מוצקים ונוחים לשימוש בטמפרטורת החדר, כמו מרגרינה.

פוספוליפידים, שבקצה האחד שלהם יש ליפיד הידרופובי ובקצה השני פוספט הידרופילי, הם מרכיב חשוב בקרומי התאים. ממברנות אלה מורכבות משכבה דו פוספוליפידית. שתי חלקות השומנים בהיותן הידרופוביות פונות כלפי חוץ לחלקו הפנימי של התא, ואילו הזנבות ההידרופיליים של פוספט נפגשים במרכז שכבת הדו-שכבה.

שומנים אחרים כוללים סטרואידים, המשמשים כהורמונים ומקדמי הורמונים (למשל, כולסטרול) ומכילים סדרה של מבני טבעת מובהקים; ושעוות, הכוללות שעוות דבורים ולנולין.

חומצות גרעין כוללות חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) וחומצה ריבונוקלאית (RNA). אלה דומים מאוד מבנית שכן שניהם פולימרים בהם היחידות המונומריות נמצאות נוקלאוטידים. נוקלאוטידים מורכבים מקבוצת סוכר פנטוזית, קבוצת פוספט וקבוצת בסיס חנקנית. גם ב- DNA וגם ב- RNA, בסיסים אלה יכולים להיות אחד מארבעה סוגים; אחרת, כל הנוקלאוטידים של ה- DNA זהים, כמו גם של ה- RNA.

DNA ו- RNA נבדלים בשלוש דרכים עיקריות. האחת היא שב- DNA סוכר הפנטוז הוא דאוקסיריבוז, וב- RNA הוא ריבוז. סוכרים אלה שונים זה מזה באטום חמצן אחד. ההבדל השני הוא ש- DNA הוא בדרך כלל כפול-גדילי ויוצר את הסליל הכפול שהתגלה בשנות החמישים על ידי צוות ווטסון וקריק, אך ה- RNA הוא חד-גדילי. השלישי הוא ש- DNA מכיל את הבסיסים החנקניים אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T), אך ל- RNA יש uracil (U) שהוחלף בתימין.

DNA מאחסן מידע תורשתי. אורכי הנוקליאוטידים מהווים גנים, המכילים את המידע, באמצעות רצפי הבסיס החנקניים, לייצור חלבונים ספציפיים. המון גנים מפצים כרומוזומים, וסכום הכרומוזומים של האורגניזם (לבני אדם 23 זוגות) הוא שלו גנום. משתמשים ב- DNA בתהליך שעתוק ליצירת צורה של RNA הנקראת RNA messenger (mRNA). זה מאחסן את המידע המקודד בצורה מעט שונה ומעביר אותו מגרעין התא שבו ה- DNA נמצא ולציטופלזמה התא, או המטריצה. כאן, סוגים אחרים של RNA יוזמים את תהליך התרגום, בו מייצרים חלבונים ונשלחים לכלל התא.