Kādas ir četras dzīves makromolekulas?

Bioloģiju - vai neoficiāli - pašu dzīvi raksturo elegantas makromolekulas, kas simtiem miljonu gadu laikā ir attīstījušās, lai kalpotu virknei kritisko funkciju. Tos bieži iedala četros pamatveidos: ogļhidrāti (vai polisaharīdi), lipīdi, olbaltumvielas un nukleīnskābes. Ja jums ir kāda uztura pieredze, pirmos trīs no tiem jūs atpazīsit kā trīs standarta makroelementus (vai "makro" diētas valodā), kas uzskaitīti uztura informācijas etiķetēs. Ceturtais attiecas uz divām cieši saistītām molekulām, kas kalpo par pamatu ģenētiskās informācijas glabāšanai un tulkošanai visās dzīvajās būtnēs.

Katra no šīm četrām dzīves makromolekulām jeb biomolekulām veic dažādus pienākumus; kā jūs varētu sagaidīt, viņu dažādās lomas ir lieliski saistītas ar viņu dažādajiem fiziskajiem komponentiem un iekārtojumu.

A makromolekula ir ļoti liela molekula, kas parasti sastāv no atkārtotām apakšvienībām, ko sauc monomēri, kuru nevar reducēt uz vienkāršākiem komponentiem, nezaudējot elementu "celtniecības bloks". Lai gan nav standarta definīcijas par to, cik lielai molekulai jābūt, lai nopelnītu "makro" prefiksu, parasti tām ir vismaz tūkstoši atomu. Jūs gandrīz noteikti esat redzējuši šāda veida konstrukcijas nedabiskā pasaulē; piemēram, daudzu veidu fona attēli, kaut arī izstrādāti un fiziski plaši, sastāv no blakus esošām apakšvienībām, kuru izmērs bieži ir mazāks par kvadrātpēdu. Vēl acīmredzamāk, ka ķēdi var uzskatīt par makromolekulu, kurā atsevišķās saites ir "monomēri".

Svarīgs punkts par bioloģiskajām makromolekulām ir tas, ka, izņemot lipīdus, to monomēru vienības ir polāras, tas nozīmē, ka tām ir elektriskais lādiņš, kas netiek sadalīts simetriski. Shematiski viņiem ir "galvas" un "astes" ar dažādām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām. Tā kā monomēri savienojas viens ar otru no otras līdz galam, arī makromolekulas ir polāras.

Arī visās biomolekulās ir liels oglekļa elementa daudzums. Iespējams, jūs esat dzirdējuši tādu dzīvību uz Zemes (citiem vārdiem sakot, vienīgo, par kuru zinām, ka jebkurai vietai eksistē), ko dēvē par "dzīvi uz oglekļa bāzes", un tas ir pamatoti. Bet slāpeklis, skābeklis, ūdeņradis un fosfors ir neaizstājami arī dzīvajām būtnēm, un virkne citu elementu ir mazāk sajaukti.

Ir gandrīz pārliecība, ka, ieraugot vai dzirdot vārdu "ogļhidrāti", vispirms domājat par "pārtiku" un, iespējams, konkrētāk, par "kaut ko pārtikā, ko domā daudzi cilvēki atbrīvojoties. "" Lo-carb "un" no-carb "abi kļuva par svara zaudēšanas vārdiem 21. gadsimta sākumā, un termins" carbo-loading "ir bijis izturības sporta sabiedrībā kopš 1970. gadi. Bet patiesībā ogļhidrāti ir daudz vairāk nekā tikai enerģijas avots dzīvām būtnēm.

Ogļhidrātu molekulām visām ir formula (CH₂O)_n, kur n ir klātesošo oglekļa atomu skaits. Tas nozīmē, ka C: H: O attiecība ir 1: 2: 1. Piemēram, vienkāršajiem glikozes, fruktozes un galaktozes cukuriem ir formula C₆H₁₂O₆ (šo trīs molekulu atomi, protams, ir izvietoti atšķirīgi).

Ogļhidrāti tiek klasificēti kā monosaharīdi, disaharīdi un polisaharīdi. Monosaharīds ir ogļhidrātu monomēru vienība, bet daži ogļhidrāti sastāv tikai no viena monomēra, piemēram, glikozes, fruktozes un galaktozes. Parasti šie monosaharīdi ir visstabilākie gredzena formā, kas ir shematiski attēlots kā sešstūris.

Disaharīdi ir cukuri ar divām monomērām vienībām vai monosaharīdu pāri. Šīs apakšvienības var būt tādas pašas (kā maltozē, kas sastāv no divām savienotām glikozes molekulām) vai atšķirīgs (kā saharozē vai galda cukurā, kas sastāv no vienas glikozes molekulas un vienas fruktozes molekula. Saites starp monosaharīdiem sauc par glikozīdu saitēm.

Polisaharīdi satur trīs vai vairāk monosaharīdus. Jo garākas ir šīs ķēdes, jo lielāka ir to filiāļu iespējamība, tas ir, ka tās nav vienkārši monosaharīdu līnija no gala līdz galam. Polisaharīdu piemēri ir ciete, glikogēns, celuloze un hitīns.

Ciete mēdz veidoties spirāles vai spirāles formā; tas parasti ir raksturīgs lielas molekulmasas biomolekulām. Celuloze, gluži pretēji, ir lineāra, sastāv no glikozes monomēru garas ķēdes ar ūdeņraža saitēm, kas regulāri iejaukušās starp oglekļa atomiem. Celuloze ir augu šūnu sastāvdaļa un piešķir tām stingrību. Cilvēki nevar sagremot celulozi, un uzturā to parasti sauc par "šķiedrvielu". Chitīns ir vēl viens strukturāls ogļhidrāts, kas atrodas posmkāju ārējos ķermeņos, piemēram, kukaiņos, zirnekļos un krabji. Chitīns ir modificēts ogļhidrāts, jo tas ir "viltots" ar bagātīgiem slāpekļa atomiem. Glikogēns ir ķermeņa ogļhidrātu uzglabāšanas forma; glikogēna nogulsnes ir atrodamas gan aknās, gan muskuļu audos. Pateicoties fermentu pielāgošanai šajos audos, apmācītie sportisti savu lielo enerģijas vajadzību un uztura prakses dēļ spēj uzglabāt vairāk glikogēna nekā sēdoši cilvēki.

Tāpat kā ogļhidrāti, arī olbaltumvielas ir daļa no lielākās daļas cilvēku ikdienas vārdu krājuma, jo tās kalpo par tā dēvēto makroelementu. Bet olbaltumvielas ir neticami universālas, daudz vairāk nekā ogļhidrāti. Faktiski bez olbaltumvielām nebūtu ogļhidrātu vai lipīdu, jo fermenti, kas nepieciešami šo molekulu sintezēšanai (kā arī sagremošanai), paši ir olbaltumvielas.

Olbaltumvielu monomēri ir aminoskābes. Tie ietver karbonskābes (-COOH) grupu un amino (-NH₂) grupa. Kad aminoskābes pievienojas viena otrai, tas notiek caur ūdeņraža saiti starp karbonskābes grupu vienā no aminoskābēm un otras aminoskābēm ar ūdens molekulu (H₂O) izlaists procesā. Pieaugoša aminoskābju ķēde ir polipeptīds, un, kad tas ir pietiekami garš un iegūst trīsdimensiju formu, tas ir pilnvērtīgs proteīns. Atšķirībā no ogļhidrātiem olbaltumvielas nekad neparāda zarus; tie ir tikai karboksilgrupu ķēde, kas savienota ar aminogrupām. Tā kā šai ķēdei ir jābūt sākumam un beigām, vienā galā ir brīva aminogrupa un to sauc par N-termināli, bet otrā ir brīva aminogrupa un to sauc par C-termināli. Tā kā ir 20 aminoskābes, un tās var sakārtot jebkurā secībā, olbaltumvielu sastāvs ir ārkārtīgi dažāds, kaut arī zarošanās nenotiek.

Olbaltumvielām ir tā sauktā primārā, sekundārā, terciārā un ceturtējā struktūra. Primārā struktūra attiecas uz aminoskābju secību proteīnā, un tā ir ģenētiski noteikta. Sekundārā struktūra attiecas uz ķēdes locīšanos vai saliekšanos, parasti atkārtoti. Dažās konformācijās ietilpst alfa spirāle un beta kroku loksne, un tās rodas no vājām ūdeņraža saitēm starp dažādu aminoskābju sānu ķēdēm. Terciārā struktūra ir olbaltumvielu savērpšanās un čokurošanās trīsdimensiju telpā, un tā var ietvert cita starpā disulfīda saites (sērs pret sēru) un ūdeņraža saites. Visbeidzot, kvartāra struktūra attiecas uz vairākām polipeptīdu ķēdēm vienā makromolekulā. Tas notiek kolagēnā, kas sastāv no trim ķēdēm, kas savītas un savītas kopā kā virve.

Olbaltumvielas var kalpot kā fermenti, kas katalizē bioķīmiskās reakcijas organismā; kā hormoni, piemēram, insulīns un augšanas hormons; kā strukturālie elementi; un kā šūnu membrānas sastāvdaļas.

Lipīdi ir daudzveidīgs makromolekulu kopums, taču tiem visiem ir kopīga hidrofobisma iezīme; tas ir, tie nešķīst ūdenī. Tas ir tāpēc, ka lipīdi ir elektriski neitrāli un tāpēc nepolāri, turpretī ūdens ir polāra molekula. Lipīdu sastāvā ietilpst triglicerīdi (tauki un eļļas), fosfolipīdi, karotinoīdi, steroīdi un vaski. Viņi galvenokārt ir iesaistīti šūnu membrānas veidošanā un stabilitātē, veido hormonu daļas un tiek izmantoti kā uzglabāta degviela. Tauki, lipīdu veids, ir trešais makroelementu veids, ar iepriekš apspriestajiem ogļhidrātiem un olbaltumvielām. Veicot tā saukto taukskābju oksidēšanu, viņi piegādā 9 kalorijas uz gramu, pretstatā 4 kalorijām uz gramu, ko piegādā gan ogļhidrāti, gan tauki.

Lipīdi nav polimēri, tāpēc tiem ir dažādas formas. Tāpat kā ogļhidrāti, tie sastāv no oglekļa, ūdeņraža un skābekļa. Triglicerīdi sastāv no trim taukskābēm, kas savienotas ar glicerīna molekulu, trīs oglekļa spirtu. Šīs taukskābju sānu ķēdes ir gari, vienkārši ogļūdeņraži. Šīm ķēdēm var būt dubultās saites, un, ja tādas ir, tas veido taukskābi nepiesātināts. Ja ir tikai viena šāda dubultā saite, taukskābe ir mononepiesātināts. Ja ir divi vai vairāk, tā ir polinepiesātināts. Šie dažādie taukskābju veidi dažādiem cilvēkiem ietekmē atšķirīgi veselību, jo tie ietekmē asinsvadu sienas. Piesātinātie tauki, kuriem nav dubulto saišu, istabas temperatūrā ir cieti un parasti ir dzīvnieku tauki; tie mēdz izraisīt artēriju plāksnes un var veicināt sirds slimības. Taukskābes var ķīmiski manipulēt, un nepiesātinātos taukus, piemēram, augu eļļas, var padarīt piesātinātus, lai tie būtu cieti un ērti lietojami istabas temperatūrā, piemēram, margarīns.

Fosfolipīdi, kuru vienā galā ir hidrofobs lipīds, bet otrā - hidrofils fosfāts, ir svarīga šūnu membrānu sastāvdaļa. Šīs membrānas sastāv no fosfolipīdu divslāņa. Abas lipīdu daļas, kas ir hidrofobas, ir vērstas pret šūnas ārpusi un iekšpusi, savukārt hidrofilās fosfāta astes satiekas divslāņu centrā.

Citi lipīdi ietver steroīdus, kas kalpo kā hormoni un hormonu prekursori (piemēram, holesterīns) un satur virkni atšķirīgu gredzenu struktūru; un vaski, kas ietver bišu vasku un lanolīnu.

Nukleīnskābes ietver dezoksiribonukleīnskābi (DNS) un ribonukleīnskābi (RNS). Strukturāli tie ir ļoti līdzīgi, jo abi ir polimēri, kuros ir monomēru vienības nukleotīdi. Nukleotīdi sastāv no pentozes cukura grupas, fosfātu grupas un slāpekļa bāzes grupas. Gan DNS, gan RNS šīs bāzes var būt viens no četriem veidiem; pretējā gadījumā visi DNS nukleotīdi ir identiski, tāpat kā RNS.

DNS un RNS atšķiras trīs galvenajos veidos. Viens ir tāds, ka DNS pentozes cukurs ir dezoksiriboze, bet RNS - riboze. Šie cukuri atšķiras tieši ar vienu skābekļa atomu. Otra atšķirība ir tāda, ka DNS parasti ir divšķautņaina, veidojot dubulto spirāli, ko 1950. gados atklāja Vatsona un Krika komanda, bet RNS ir vienvirziena. Trešais ir tas, ka DNS satur slāpekļa bāzes adenīnu (A), citozīnu (C), guanīnu (G) un timīnu (T), bet RNS ir uracils (U), kas aizstāts ar timīnu.

DNS glabā iedzimtu informāciju. Nukleotīdu garumi veido gēni, kas satur informāciju, izmantojot slāpekļa bāzes secības, specifisku olbaltumvielu ražošanai. Daudzi gēni veido hromosomas, un organisma hromosomu kopsumma (cilvēkiem ir 23 pāri) ir tā genomu. DNS tiek izmantots transkripcijas procesā, lai izveidotu RNS formu, ko sauc par Messenger RNS (mRNS). Tas nedaudz savādāk uzglabā kodēto informāciju un pārvieto to no šūnas kodola, kur atrodas DNS, un šūnu citoplazmā vai matricā. Šeit cita veida RNS uzsāk tulkošanas procesu, kurā olbaltumvielas tiek izgatavotas un nosūtītas pa visu šūnu.