Kokios yra keturios gyvenimo makromolekulės?

Biologijai - arba neoficialiai - pačiam gyvenimui būdingos elegantiškos makromolekulės, kurios išsivystė per šimtus milijonų metų tam, kad atliktų daugybę kritinių funkcijų. Jie dažnai skirstomi į keturias pagrindines rūšis: angliavandeniai (arba polisacharidai), lipidai, baltymai ir nukleorūgštys. Jei turite kokių nors mitybos sričių, pirmuosius tris iš jų atpažinsite kaip tris standartinius makroelementus (arba „makrokomandas, kalbant apie dietos kalbą“), nurodytus maistinės informacijos etiketėse. Ketvirtoji susijusi su dviem glaudžiai susijusiomis molekulėmis, kurios yra genetinės informacijos kaupimo ir vertimo visuose gyvuose pagrinduose pagrindas.

Kiekviena iš šių keturių gyvenimo makromolekulių arba biomolekulių atlieka įvairias pareigas; kaip ir galima tikėtis, jų skirtingi vaidmenys yra puikiai susiję su įvairiais fiziniais komponentais ir tvarka.

A makromolekulė yra labai didelė molekulė, paprastai susidedanti iš pasikartojančių subvienetų, vadinamų monomerai, kurio negalima sumažinti iki paprastesnių sudedamųjų dalių, neaukojant elemento „statybinis blokas“. Nors nėra standartinio apibrėžimo, kokia turi būti molekulė, norint gauti „makro“ priešdėlį, paprastai jie turi bent tūkstančius atomų. Jūs beveik neabejotinai matėte tokio pobūdžio gamtą ne gamtos pasaulyje; pavyzdžiui, daugybę tapetų rūšių, nors jie yra įmantrūs ir fiziškai visapusiški, sudaro gretimi subvienetai, kurių dydis paprastai yra mažesnis nei kvadratinės pėdos. Dar aiškiau, grandinę galima laikyti makromolekule, kurioje atskiros grandys yra „monomerai“.

Svarbus dalykas apie biologines makromolekules yra tas, kad, išskyrus lipidus, jų yra monomeriniai vienetai yra poliniai, tai reiškia, kad jie turi elektros krūvį, kuris nėra pasiskirstęs simetriškai. Schematiškai jie turi „galvas“ ir „uodegas“, turinčias skirtingas fizines ir chemines savybes. Kadangi monomerai jungiasi vienas prie kito, pačios makromolekulės taip pat yra polinės.

Be to, visose biomolekulėse yra didelis anglies elemento kiekis. Galbūt jūs girdėjote apie tokį gyvenimą Žemėje (kitaip tariant, vienintelę rūšį, kurią mes žinome, kad egzistuoja bet kur), vadinamą „gyvybe anglies pagrindu“ ir pagrįstai. Bet azotas, deguonis, vandenilis ir fosforas yra būtini ir gyviesiems dalykams, o daugybė kitų elementų yra mišinyje iki mažesnio laipsnio.

Beveik neabejotina, kad pamatę ar išgirdę žodį „angliavandeniai“, pirmiausia galvojate apie „maistas“, o galbūt dar tiksliau - „kažkas maiste, apie kurį ketina daugybė žmonių. „Lo-carb“ ir „no-carb“ XXI amžiaus pradžioje tapo svorio metimo žodžiais, o terminas „angliavandenių pakrovimas“ buvo ištvermės sporto bendruomenėje nuo pat 1970-ieji. Tačiau iš tikrųjų angliavandeniai yra kur kas daugiau nei tik gyvų būtybių energijos šaltinis.

Angliavandenių molekulės visos turi formulę (CH₂O)_n, kur n yra anglies atomų skaičius. Tai reiškia, kad C: H: O santykis yra 1: 2: 1. Pavyzdžiui, paprastųjų cukrų gliukozės, fruktozės ir galaktozės formulė yra C₆H₁₂O₆ (šių trijų molekulių atomai, aišku, išsidėstę kitaip).

Angliavandeniai yra klasifikuojami kaip monosacharidai, disacharidai ir polisacharidai. Monosacharidas yra angliavandenių monomerų vienetas, tačiau kai kuriuos angliavandenius sudaro tik vienas monomeras, pavyzdžiui, gliukozė, fruktozė ir galaktozė. Paprastai šie monosacharidai yra stabiliausi žiedo pavidalu, kuris schematiškai pavaizduotas kaip šešiakampis.

Disacharidai yra cukrus, turintis du monomerinius vienetus, arba monosacharidų pora. Šie subvienetai gali būti tokie patys (kaip maltozėje, kurią sudaro dvi sujungtos gliukozės molekulės) arba skiriasi (kaip sacharozėje arba stalo cukruje, kurį sudaro viena gliukozės molekulė ir viena fruktozė molekulė. Ryšiai tarp monosacharidų vadinami glikozidiniais ryšiais.

Polisachariduose yra trys ar daugiau monosacharidų. Kuo ilgesnės šios grandinės, tuo didesnė jų šakų tikimybė, tai yra, kad jie nėra tiesiog monosacharidų linija nuo galo iki galo. Polisacharidų pavyzdžiai yra krakmolas, glikogenas, celiuliozė ir chitinas.

Krakmolas yra linkęs formuotis spiralės arba spiralės pavidalu; tai paprastai būdinga didelės molekulinės masės biomolekulėms. Celiuliozė, priešingai, yra tiesinė, susidedanti iš ilgos gliukozės monomerų grandinės su vandenilio jungtimis, reguliariais intervalais įsiterpusiomis tarp anglies atomų. Celiuliozė yra augalų ląstelių komponentas ir suteikia joms tvirtumą. Žmonės negali virškinti celiuliozės, o racione ji paprastai vadinama „skaidulomis“. Chitinas yra kitas struktūrinis angliavandenis, randamas nariuotakojų, tokių kaip vabzdžiai, vorai ir kt., išoriniuose kūnuose krabai. Chitinas yra modifikuotas angliavandenis, nes jis yra „suklastotas“ su daug azoto atomų. Glikogenas yra organizmo angliavandenių kaupimo forma; glikogeno nuosėdos randamos ir kepenyse, ir raumenų audiniuose. Dėl fermentų adaptacijos šiuose audiniuose dėl didelių energijos poreikių ir mitybos praktikos treniruoti sportininkai gali sukaupti daugiau glikogeno nei sėdintys žmonės.

Kaip ir angliavandeniai, baltymai yra daugumos žmonių kasdienio žodyno dalis, nes jie yra vadinamieji makroelementai. Tačiau baltymai yra nepaprastai universalūs, kur kas labiau nei angliavandeniai. Tiesą sakant, be baltymų nebūtų angliavandenių ar lipidų, nes fermentai, reikalingi sintetinti (taip pat ir virškinti) šias molekules, patys yra baltymai.

Baltymų monomerai yra aminorūgštys. Tai apima karboksirūgšties (-COOH) grupę ir amino (-NH₂) grupė. Kai aminorūgštys jungiasi viena prie kitos, tai yra vandenilio ryšys tarp vienos iš aminorūgščių karboksirūgšties grupės ir kitos amino grupės su vandens molekule (H₂O) išleistas proceso metu. Auganti aminorūgščių grandinė yra polipeptidas, o kai jis yra pakankamai ilgas ir įgauna savo trimatę formą, tai yra visavertis baltymas. Skirtingai nuo angliavandenių, baltymai niekada neparodo šakų; jie yra tik karboksilo grupių grandinė, sujungta su amino grupėmis. Kadangi ši grandinė turi turėti pradžią ir pabaigą, vienas galas turi laisvą amino grupę ir vadinamas N-galu, o kitas turi laisvą amino grupę ir vadinamas C-galu. Kadangi yra 20 aminorūgščių, kurios gali būti išdėstytos bet kokia tvarka, baltymų sudėtis yra labai įvairi, nors šakojimas nevyksta.

Baltymai turi vadinamąją pirminę, antrinę, tretinę ir ketvirtinę struktūrą. Pirminė struktūra reiškia aminorūgščių seką baltyme ir yra genetiškai nustatyta. Antrinė struktūra reiškia grandinės lenkimą ar pasisukimą, dažniausiai pasikartojantį. Kai kurios konformacijos apima alfa spiralę ir beta klostuotą lakštą ir atsiranda dėl silpnų vandenilio ryšių tarp skirtingų amino rūgščių šoninių grandinių. Tretinė struktūra yra baltymo sukimasis ir susisukimas trimatėje erdvėje, be kita ko, gali apimti disulfidinius (sieros ir sieros) ryšius. Galiausiai ketvirtinė struktūra reiškia daugiau nei vieną polipeptido grandinę toje pačioje makromolekulėje. Tai įvyksta kolagene, kurį sudaro trys grandinės, susuktos ir suvyniotos kaip virvė.

Baltymai gali tarnauti kaip fermentai, kurie katalizuoja biochemines organizmo reakcijas; kaip hormonai, tokie kaip insulinas ir augimo hormonas; kaip struktūriniai elementai; ir kaip ląstelių membranos komponentai.

Lipidai yra įvairus makromolekulių rinkinys, tačiau jie visi turi hidrofobiškumą; tai yra jie netirpsta vandenyje. Taip yra todėl, kad lipidai yra elektra neutralūs ir todėl nepoliniai, tuo tarpu vanduo yra polinė molekulė. Lipidai yra trigliceridai (riebalai ir aliejai), fosfolipidai, karotinoidai, steroidai ir vaškai. Jie daugiausia dalyvauja ląstelių membranų formavime ir stabilume, sudaro hormonų dalis ir yra naudojami kaip saugomas kuras. Riebalai, lipidų rūšis, yra trečioji makroelementų rūšis, su angliavandeniais ir baltymais buvo kalbėta anksčiau. Oksiduodami vadinamąsias riebalų rūgštis, jie tiekia 9 kalorijas viename grame, priešingai nei 4 kalorijas viename grame, kurį tiekia angliavandeniai ir riebalai.

Lipidai nėra polimerai, todėl jų būna įvairių. Kaip ir angliavandeniai, jie susideda iš anglies, vandenilio ir deguonies. Trigliceridai susideda iš trijų riebalų rūgščių, sujungtų su glicerolio, trijų anglių alkoholio, molekule. Šios riebalų rūgščių šoninės grandinės yra ilgos, paprastos angliavandeniliai. Šios grandinės gali turėti dvigubus ryšius, o jei taip yra, tai sukuria riebalų rūgštį nesočiųjų. Jei yra tik vienas toks dvigubas ryšys, riebalų rūgštis yra mononesočiųjų. Jei yra du ar daugiau, tai yra polinesočiųjų. Šios skirtingos riebalų rūgščių rūšys turi skirtingą poveikį žmonių sveikatai dėl jų poveikio kraujagyslių sienelėms. Sotieji riebalai, neturintys dvigubų jungčių, kambario temperatūroje yra kieti ir paprastai yra gyvūniniai riebalai; tai linkę sukelti arterijų plokšteles ir gali prisidėti prie širdies ligų. Riebalų rūgštys gali būti chemiškai valdomos, o nesotieji riebalai, pavyzdžiui, augaliniai aliejai, gali būti prisotinti, kad jie būtų kieti ir patogu naudoti kambario temperatūroje, pavyzdžiui, margarinas.

Fosfolipidai, kurių viename gale yra hidrofobinis lipidas, kitame - hidrofilinis fosfatas, yra svarbus ląstelių membranų komponentas. Šios membranos susideda iš fosfolipidinio dvigubo sluoksnio. Dvi lipidų dalys, būdamos hidrofobiškos, nukreiptos į ląstelės išorę ir vidų, o hidrofilinės fosfato uodegos susitinka dvigubo sluoksnio centre.

Kiti lipidai apima steroidus, kurie yra hormonai ir hormonų pirmtakai (pvz., Cholesterolis) ir turi daugybę skiriamųjų žiedo struktūrų; ir vaškai, tarp kurių yra bičių vaškas ir lanolinas.

Nukleorūgštys apima dezoksiribonukleino rūgštį (DNR) ir ribonukleino rūgštį (RNR). Struktūriškai jie yra labai panašūs, nes abu yra polimerai, kuriuose yra monomeriniai vienetai nukleotidai. Nukleotidai susideda iš cukraus pentozės, fosfatų ir azoto bazių grupės. Tiek DNR, tiek RNR ši bazė gali būti viena iš keturių tipų; priešingu atveju visi DNR nukleotidai yra identiški, kaip ir RNR.

DNR ir RNR skiriasi trimis pagrindiniais būdais. Viena yra ta, kad DNR pentozės cukrus yra dezoksiribozė, o RNR - ribozė. Šie cukrūs skiriasi tiksliai vienu deguonies atomu. Antrasis skirtumas yra tas, kad DNR paprastai yra dviguba, sudaranti dvigubą spiralę, kurią 1950-aisiais atrado Watsono ir Cricko komanda, tačiau RNR yra viengrandis. Trečia, DNR yra azoto bazių adeninas (A), citozinas (C), guaninas (G) ir timinas (T), tačiau RNR yra uracilas (U), pakeistas timinu.

DNR saugo paveldimą informaciją. Nukleotidų ilgiai sudaro genai, kuriuose per azoto bazių sekas yra informacijos apie specifinių baltymų gamybą. Sudaro daugybė genų chromosomos, ir viso organizmo chromosomų suma (žmonės turi 23 poras) yra jos genomas. DNR yra naudojama transkripcijos procese, kad būtų sukurta RNR forma, vadinama pranešimo RNR (mRNR). Tai užkoduotą informaciją saugo kiek kitaip ir perkelia ją iš ląstelės branduolio, kuriame yra DNR, ir į ląstelės citoplazmą arba matricą. Čia kiti RNR tipai inicijuoja transliacijos procesą, kai baltymai gaminami ir siunčiami per visą ląstelę.