Wat zijn de vier macromoleculen van het leven?

Biologie - of informeel, het leven zelf - wordt gekenmerkt door elegante macromoleculen die in de loop van honderden miljoenen jaren zijn geëvolueerd om een ​​reeks kritieke functies te vervullen. Deze worden vaak onderverdeeld in vier basistypen: koolhydraten (of polysachariden), lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. Als je een achtergrond in voeding hebt, zul je de eerste drie hiervan herkennen als de drie standaard macronutriënten (of 'macro's' in diëtentaal) die worden vermeld op etiketten met voedingsinformatie. De vierde heeft betrekking op twee nauw verwante moleculen die dienen als basis voor de opslag en vertaling van genetische informatie in alle levende wezens.

Elk van deze vier macromoleculen van het leven, of biomoleculen, vervult verschillende taken; zoals je zou verwachten, zijn hun verschillende rollen prachtig gerelateerd aan hun verschillende fysieke componenten en arrangementen.

EEN macromolecuul is een zeer groot molecuul, meestal bestaande uit herhaalde subeenheden genaamd

Een belangrijk punt over biologische macromoleculen is dat, met uitzondering van lipiden, hun monomeereenheden zijn polair, wat betekent dat ze een elektrische lading hebben die niet wordt verdeeld symmetrisch. Schematisch hebben ze "koppen" en "staarten" met verschillende fysische en chemische eigenschappen. Omdat de monomeren kop aan staart met elkaar verbonden zijn, zijn macromoleculen zelf ook polair.

Ook bevatten alle biomoleculen grote hoeveelheden van het element koolstof. Je hebt misschien gehoord dat het soort leven op aarde (met andere woorden, het enige soort waarvan we zeker weten dat het ergens bestaat) wordt aangeduid als 'op koolstof gebaseerd leven', en met goede reden. Maar stikstof, zuurstof, waterstof en fosfor zijn ook onmisbaar voor levende wezens, en tal van andere elementen zijn in mindere mate in de mix.

Het is bijna zeker dat wanneer u het woord "koolhydraat" ziet of hoort, het eerste waar u aan denkt "voedsel" is, en misschien specifieker, "iets in voedsel waar veel mensen op uit zijn". "Lo-carb" en "no-carb" werden beide modewoorden voor gewichtsverlies in het begin van de 21e eeuw, en de term "carbo-loading" is al sinds de jaren 70. Maar in feite zijn koolhydraten veel meer dan alleen een bron van energie voor levende wezens.

Koolhydraatmoleculen hebben allemaal de formule (CH₂O)_nee, waarbij n het aantal aanwezige koolstofatomen is. Dit betekent dat de C: H:O-verhouding 1:2:1 is. De enkelvoudige suikers glucose, fructose en galactose hebben bijvoorbeeld allemaal de formule C₆H₁₂O₆ (de atomen van deze drie moleculen zijn natuurlijk anders gerangschikt).

Koolhydraten worden ingedeeld in monosachariden, disachariden en polysachariden. Een monosacharide is de monomeereenheid van koolhydraten, maar sommige koolhydraten bestaan ​​uit slechts één monomeer, zoals glucose, fructose en galactose. Meestal zijn deze monosachariden het meest stabiel in een ringvorm, die schematisch is weergegeven als een zeshoek.

Disachariden zijn suikers met twee monomere eenheden, of een paar monosachariden. Deze subeenheden kunnen hetzelfde zijn (zoals in maltose, dat uit twee samengevoegde glucosemoleculen bestaat) of verschillend (zoals in sucrose, of tafelsuiker, die bestaat uit één glucosemolecuul en één fructose molecuul. Bindingen tussen monosachariden worden glycosidische bindingen genoemd.

Polysachariden bevatten drie of meer monosachariden. Hoe langer deze ketens zijn, hoe groter de kans dat ze vertakkingen hebben, dat wil zeggen dat ze niet alleen een lijn van monosachariden van begin tot eind zijn. Voorbeelden van polysachariden zijn zetmeel, glycogeen, cellulose en chitine.

Zetmeel heeft de neiging zich in een helix of spiraalvorm te vormen; dit is gebruikelijk in biomoleculen met een hoog molecuulgewicht in het algemeen. Cellulose daarentegen is lineair en bestaat uit een lange keten van glucosemonomeren met waterstofbindingen die met regelmatige tussenpozen worden afgewisseld tussen koolstofatomen. Cellulose is een bestanddeel van plantencellen en geeft ze hun stevigheid. Mensen kunnen cellulose niet verteren en in de voeding wordt het meestal 'vezel' genoemd. Chitine is een ander structureel koolhydraat, gevonden in de buitenste lichamen van geleedpotigen zoals insecten, spinnen en krabben. Chitine is een gemodificeerd koolhydraat, omdat het "vervalst" is met voldoende stikstofatomen. Glycogeen is de opslagvorm van koolhydraten in het lichaam; afzettingen van glycogeen worden gevonden in zowel lever als spierweefsel. Dankzij enzymaanpassingen in deze weefsels kunnen getrainde atleten meer glycogeen opslaan dan sedentaire mensen als gevolg van hun hoge energiebehoeften en voedingspraktijken.

Net als koolhydraten maken eiwitten deel uit van het dagelijkse vocabulaire van de meeste mensen omdat ze dienen als een zogenaamde macronutriënt. Maar eiwitten zijn ongelooflijk veelzijdig, veel meer dan koolhydraten. In feite zouden er zonder eiwitten geen koolhydraten of lipiden zijn, omdat de enzymen die nodig zijn om deze moleculen te synthetiseren (en te verteren) zelf eiwitten zijn.

De monomeren van eiwitten zijn aminozuren. Deze omvatten een carbonzuurgroep (-COOH) en een aminogroep (-NH₂) groep. Wanneer aminozuren aan elkaar vast komen te zitten, is dat via een waterstofbinding tussen de carbonzuurgroep op een van de aminozuren en de aminogroep van de andere, met een molecuul water (H₂O) die daarbij vrijkomt. Een groeiende keten van aminozuren is een polypeptide, en wanneer het voldoende lang is en zijn driedimensionale vorm aanneemt, is het een volwaardig eiwit. In tegenstelling tot koolhydraten vertonen eiwitten nooit vertakkingen; ze zijn gewoon een keten van carboxylgroepen die zijn verbonden met aminogroepen. Omdat deze keten een begin en een einde moet hebben, heeft het ene uiteinde een vrije aminogroep en wordt het N-terminus genoemd, terwijl het andere een vrije aminogroep heeft en het C-terminus wordt genoemd. Omdat er 20 aminozuren zijn, en deze in willekeurige volgorde kunnen worden gerangschikt, is de samenstelling van eiwitten zeer gevarieerd, ook al treedt er geen vertakking op.

Eiwitten hebben een zogenaamde primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur. Primaire structuur verwijst naar de volgorde van aminozuren in het eiwit en is genetisch bepaald. Secundaire structuur verwijst naar buigen of knikken in de ketting, meestal op een repetitieve manier. Sommige conformaties omvatten een alfa-helix en een beta-geplooid vel en zijn het gevolg van zwakke waterstofbindingen tussen zijketens van verschillende aminozuren. Tertiaire structuur is het draaien en krullen van het eiwit in de driedimensionale ruimte en kan onder meer betrekking hebben op disulfidebindingen (zwavel tot zwavel) en waterstofbindingen. Ten slotte verwijst quaternaire structuur naar meer dan één polypeptideketen in hetzelfde macromolecuul. Dit gebeurt in collageen, dat bestaat uit drie kettingen die als een touw in elkaar zijn gedraaid en opgerold.

Eiwitten kunnen dienen als enzymen, die biochemische reacties in het lichaam katalyseren; als hormonen, zoals insuline en groeihormoon; als structurele elementen; en als celmembraancomponenten.

Lipiden zijn een diverse reeks macromoleculen, maar ze hebben allemaal de eigenschap hydrofoob te zijn; dat wil zeggen, ze lossen niet op in water. Dit komt omdat lipiden elektrisch neutraal en daarom niet-polair zijn, terwijl water een polair molecuul is. Lipiden omvatten triglyceriden (vetten en oliën), fosfolipiden, carotenoïden, steroïden en wassen. Ze zijn voornamelijk betrokken bij de vorming en stabiliteit van celmembranen, vormen delen van hormonen en worden gebruikt als opgeslagen brandstof. Vetten, een soort lipiden, zijn het derde type macronutriënt, met koolhydraten en eiwitten die eerder zijn besproken. Via oxidatie van hun zogenaamde vetzuren leveren ze 9 calorieën per gram in plaats van de 4 calorieën per gram die zowel koolhydraten als vetten leveren.

Lipiden zijn geen polymeren, dus ze zijn er in verschillende vormen. Net als koolhydraten bestaan ​​ze uit koolstof, waterstof en zuurstof. Triglyceriden bestaan ​​uit drie vetzuren die zijn verbonden met een molecuul glycerol, een alcohol met drie koolstofatomen. Deze vetzuurzijketens zijn lange, eenvoudige koolwaterstoffen. Deze ketens kunnen dubbele bindingen hebben, en als dat zo is, wordt het vetzuur onverzadigd. Als er maar één zo'n dubbele binding is, is het vetzuur enkelvoudig onverzadigd. Als er twee of meer zijn, is het: meervoudig onverzadigd. Deze verschillende soorten vetzuren hebben verschillende gevolgen voor de gezondheid voor verschillende mensen vanwege hun effecten op de wanden van bloedvaten. Verzadigde vetten, die geen dubbele bindingen hebben, zijn vast bij kamertemperatuur en zijn meestal dierlijke vetten; deze hebben de neiging om arteriële plaques te veroorzaken en kunnen bijdragen aan hartaandoeningen. Vetzuren kunnen chemisch worden gemanipuleerd en onverzadigde vetten zoals plantaardige oliën kunnen verzadigd worden gemaakt, zodat ze vast en gemakkelijk te gebruiken zijn bij kamertemperatuur, zoals margarine.

Fosfolipiden, die aan het ene uiteinde een hydrofoob lipide en aan het andere uiteinde een hydrofiel fosfaat hebben, zijn een belangrijk onderdeel van celmembranen. Deze membranen bestaan ​​uit een fosfolipide dubbellaag. De twee lipidedelen, die hydrofoob zijn, zijn naar de buiten- en binnenkant van de cel gericht, terwijl de hydrofiele staarten van fosfaat elkaar ontmoeten in het midden van de dubbellaag.

Andere lipiden omvatten steroïden, die dienen als hormonen en hormoonvoorlopers (bijv. cholesterol) en een reeks onderscheidende ringstructuren bevatten; en wassen, waaronder bijenwas en lanoline.

Nucleïnezuren omvatten deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). Deze lijken qua structuur erg op elkaar, omdat beide polymeren zijn waarin de monomere eenheden zijn nucleotiden. Nucleotiden bestaan ​​uit een pentose-suikergroep, een fosfaatgroep en een stikstofhoudende basegroep. In zowel DNA als RNA kunnen deze basen een van de vier typen zijn; anders zijn alle nucleotiden van DNA identiek, net als die van RNA.

DNA en RNA verschillen op drie belangrijke manieren. Een daarvan is dat in DNA de pentosesuiker deoxyribose is en in RNA ribose. Deze suikers verschillen precies één zuurstofatoom van elkaar. Het tweede verschil is dat DNA meestal dubbelstrengs is en de dubbele helix vormt die in de jaren vijftig werd ontdekt door het team van Watson en Crick, maar RNA is enkelstrengs. De derde is dat DNA de stikstofbasen adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T) bevat, maar RNA heeft uracil (U) in de plaats van thymine.

DNA slaat erfelijke informatie op. Lengtes van nucleotiden vormen samen genen, die de informatie bevatten, via de stikstofhoudende basensequenties, om specifieke eiwitten te produceren. Veel genen maken het goed chromosomen, en de som van de chromosomen van een organisme (mensen hebben 23 paren) is de genoom. DNA wordt gebruikt bij het transcriptieproces om een ​​vorm van RNA te maken, genaamd messenger RNA (mRNA). Dit slaat de gecodeerde informatie op een iets andere manier op en verplaatst het uit de celkern waar het DNA zich bevindt en in het celcytoplasma of -matrix. Hier initiëren andere soorten RNA het translatieproces, waarbij eiwitten worden gemaakt en door de hele cel worden verzonden.