Jakie są cztery makrocząsteczki życia?

Biologia – lub nieformalnie samo życie – charakteryzuje się eleganckimi makrocząsteczkami, które ewoluowały przez setki milionów lat, aby pełnić szereg krytycznych funkcji. Często dzieli się je na cztery podstawowe typy: węglowodany (lub polisacharydy), lipidy, białka i kwasy nukleinowe. Jeśli masz jakiekolwiek doświadczenie w żywieniu, pierwsze trzy z nich rozpoznasz jako trzy standardowe makroskładniki odżywcze (lub „makra” w żargonie dietetycznym) wymienione na etykietach z informacjami żywieniowymi. Czwarty odnosi się do dwóch blisko spokrewnionych cząsteczek, które służą jako podstawa do przechowywania i translacji informacji genetycznej we wszystkich żywych istotach.

Każda z tych czterech makromolekuł życia, czyli biomolekuł, wykonuje różne zadania; jak można się spodziewać, ich różne role są znakomicie związane z ich różnymi fizycznymi komponentami i układami.

ZA makrocząsteczka jest bardzo dużą cząsteczką, zwykle składającą się z powtarzających się podjednostek zwanych

Ważną kwestią dotyczącą makrocząsteczek biologicznych jest to, że z wyjątkiem lipidów ich jednostki monomeru są polarne, co oznacza, że ​​mają ładunek elektryczny, który nie jest rozprowadzany symetrycznie. Schematycznie mają „głowy” i „ogony” o różnych właściwościach fizycznych i chemicznych. Ponieważ monomery łączą się ze sobą głowa-ogon, same makrocząsteczki również są polarne.

Ponadto wszystkie biomolekuły zawierają duże ilości węgla pierwiastkowego. Być może słyszeliście, że rodzaj życia na Ziemi (innymi słowy, jedyny rodzaj, o którym wiemy, że na pewno istnieje gdziekolwiek), określany jest jako „życie oparte na węglu” i nie bez powodu. Ale azot, tlen, wodór i fosfor są również niezbędne dla organizmów żywych, a wiele innych pierwiastków jest w mieszance w mniejszym stopniu.

Jest prawie pewne, że kiedy zobaczysz lub usłyszysz słowo „węglowodany”, pierwszą rzeczą, o której myślisz, jest „jedzenie”, a być może bardziej konkretnie „coś w jedzeniu, na które ma ochotę wiele osób. „Lo-carb” i „no-carb” stały się modnymi hasłami odchudzania na początku XXI wieku, a termin „ładowanie węglowodanów” pojawił się w społeczności sportów wytrzymałościowych od Lata 70. Ale w rzeczywistości węglowodany są czymś znacznie więcej niż tylko źródłem energii dla żywych organizmów.

Wszystkie cząsteczki węglowodanów mają wzór (CH₂O)_nie, gdzie n jest liczbą obecnych atomów węgla. Oznacza to, że stosunek C: H:O wynosi 1:2:1. Na przykład cukry proste glukoza, fruktoza i galaktoza mają wzór C₆H₁₂O₆ (atomy tych trzech cząsteczek są oczywiście inaczej ułożone).

Węglowodany są klasyfikowane jako monosacharydy, disacharydy i polisacharydy. Monosacharyd to jednostka monomeru węglowodanów, ale niektóre węglowodany, takie jak glukoza, fruktoza i galaktoza, składają się tylko z jednego monomeru. Zazwyczaj te monosacharydy są najbardziej stabilne w postaci pierścienia, który jest przedstawiony schematycznie jako sześciokąt.

Disacharydy to cukry z dwiema jednostkami monomerycznymi lub parą monosacharydów. Te podjednostki mogą być takie same (jak w maltozie, która składa się z dwóch połączonych cząsteczek glukozy) lub inny (jak w przypadku sacharozy lub cukru stołowego, który składa się z jednej cząsteczki glukozy i jednej fruktozy cząsteczka. Wiązania między monosacharydami nazywane są wiązaniami glikozydowymi.

Polisacharydy zawierają trzy lub więcej monosacharydów. Im dłuższe są te łańcuchy, tym bardziej prawdopodobne jest, że będą miały rozgałęzienia, to znaczy nie będą po prostu linią monosacharydów od końca do końca. Przykłady polisacharydów obejmują skrobię, glikogen, celulozę i chitynę.

Skrobia ma tendencję do tworzenia się spirali lub spirali; jest to powszechne w biocząsteczkach o dużej masie cząsteczkowej. W przeciwieństwie do tego celuloza jest liniowa, składająca się z długiego łańcucha monomerów glukozy z wiązaniami wodorowymi w regularnych odstępach między atomami węgla. Celuloza jest składnikiem komórek roślinnych i nadaje im sztywność. Ludzie nie potrafią trawić celulozy, a w diecie jest ona zwykle określana jako „błonnik”. Chityna jest inny węglowodan strukturalny, znajdujący się w zewnętrznych ciałach stawonogów, takich jak owady, pająki i kraby. Chityna jest węglowodanem modyfikowanym, ponieważ jest „zafałszowana” dużą ilością atomów azotu. Glikogen jest formą magazynowania węglowodanów w organizmie; złogi glikogenu znajdują się zarówno w tkance wątroby, jak i mięśni. Dzięki adaptacjom enzymów w tych tkankach wytrenowani sportowcy są w stanie przechowywać więcej glikogenu niż osoby prowadzące siedzący tryb życia w wyniku ich wysokich potrzeb energetycznych i praktyk żywieniowych.

Podobnie jak węglowodany, białka są częścią codziennego słownictwa większości ludzi, ponieważ służą jako tak zwany makroskładnik odżywczy. Ale białka są niezwykle wszechstronne, o wiele bardziej niż węglowodany. W rzeczywistości bez białek nie byłoby węglowodanów ani lipidów, ponieważ enzymy potrzebne do syntezy (a także trawienia) tych cząsteczek są same w sobie białkami.

Monomery białek to aminokwasy. Należą do nich grupa kwasu karboksylowego (-COOH) i grupa aminowa (-NH₂) Grupa. Kiedy aminokwasy łączą się ze sobą, dzieje się to poprzez wiązanie wodorowe między grupą kwasu karboksylowego jednego z aminokwasów a grupą aminową drugiego z cząsteczką wody (H₂O) uwolnione w procesie. Rosnący łańcuch aminokwasów to polipeptyd, a gdy jest wystarczająco długi i przybiera trójwymiarowy kształt, jest pełnowartościowym białkiem. W przeciwieństwie do węglowodanów, białka nigdy nie wykazują rozgałęzień; są tylko łańcuchem grup karboksylowych połączonych z grupami aminowymi. Ponieważ łańcuch ten musi mieć początek i koniec, jeden koniec ma wolną grupę aminową i jest nazywany N-końcem, podczas gdy drugi ma wolną grupę aminową i jest nazywany C-końcem. Ponieważ aminokwasów jest 20, a te można ułożyć w dowolnej kolejności, skład białek jest niezwykle zróżnicowany, mimo że nie występują rozgałęzienia.

Białka mają tak zwaną strukturę pierwotną, drugorzędową, trzeciorzędową i czwartorzędową. Struktura pierwotna odnosi się do sekwencji aminokwasów w białku i jest zdeterminowana genetycznie. Struktura drugorzędowa odnosi się do zginania lub załamywania w łańcuchu, zwykle w sposób powtarzalny. Niektóre konformacje obejmują alfa-helisę i harmonijkę beta i wynikają ze słabych wiązań wodorowych między łańcuchami bocznymi różnych aminokwasów. Struktura trzeciorzędowa to skręcanie i zwijanie się białka w przestrzeni trójwymiarowej i może obejmować między innymi wiązania dwusiarczkowe (siarka do siarki) i wiązania wodorowe. Wreszcie struktura czwartorzędowa odnosi się do więcej niż jednego łańcucha polipeptydowego w tej samej makrocząsteczce. Dzieje się tak w kolagenie, który składa się z trzech łańcuchów skręconych i zwiniętych razem jak lina.

Białka mogą służyć jako enzymy, które katalizują reakcje biochemiczne w organizmie; jako hormony, takie jak insulina i hormon wzrostu; jako elementy konstrukcyjne; oraz jako składniki błony komórkowej.

Lipidy to zróżnicowany zestaw makrocząsteczek, ale wszystkie mają cechę hydrofobowości; to znaczy nie rozpuszczają się w wodzie. Dzieje się tak, ponieważ lipidy są elektrycznie obojętne, a zatem niepolarne, podczas gdy woda jest cząsteczką polarną. Lipidy obejmują trójglicerydy (tłuszcze i oleje), fosfolipidy, karotenoidy, steroidy i woski. Są zaangażowane głównie w tworzenie i stabilność błon komórkowych, tworzą porcje hormonów i są wykorzystywane jako magazynowane paliwo. Tłuszcze, rodzaj lipidów, są trzecim rodzajem makroskładników odżywczych, z węglowodanami i białkami omówionymi wcześniej. Poprzez utlenianie tak zwanych kwasów tłuszczowych dostarczają 9 kalorii na gram, w przeciwieństwie do 4 kalorii na gram dostarczanych zarówno przez węglowodany, jak i tłuszcze.

Lipidy nie są polimerami, więc występują w różnych formach. Podobnie jak węglowodany składają się z węgla, wodoru i tlenu. Trójglicerydy składają się z trzech kwasów tłuszczowych połączonych z cząsteczką glicerolu, alkoholu trójwęglowego. Te boczne łańcuchy kwasów tłuszczowych są długimi, prostymi węglowodorami. Łańcuchy te mogą mieć podwójne wiązania, a jeśli tak, to powstaje kwas tłuszczowy nienasycony. Jeśli istnieje tylko jedno takie podwójne wiązanie, kwas tłuszczowy jest jednonienasycone. Jeśli są dwa lub więcej, to wielonienasycone. Te różne rodzaje kwasów tłuszczowych mają różne konsekwencje zdrowotne dla różnych osób ze względu na ich wpływ na ściany naczyń krwionośnych. Tłuszcze nasycone, które nie mają podwójnych wiązań, są stałe w temperaturze pokojowej i są zazwyczaj tłuszczami zwierzęcymi; mają one tendencję do tworzenia blaszek miażdżycowych i mogą przyczyniać się do chorób serca. Kwasami tłuszczowymi można manipulować chemicznie, a tłuszcze nienasycone, takie jak oleje roślinne, można nasycić, aby były stałe i wygodne w użyciu w temperaturze pokojowej, tak jak margaryna.

Fosfolipidy, które na jednym końcu mają hydrofobowy lipid, a na drugim hydrofilowy fosforan, są ważnym składnikiem błon komórkowych. Błony te składają się z dwuwarstwy fosfolipidowej. Dwie części lipidowe, które są hydrofobowe, są skierowane na zewnątrz i do wnętrza komórki, podczas gdy hydrofilowe ogony fosforanowe spotykają się w środku dwuwarstwy.

Inne lipidy obejmują steroidy, które służą jako hormony i prekursory hormonów (np. cholesterol) i zawierają szereg charakterystycznych struktur pierścieniowych; oraz woski, które obejmują wosk pszczeli i lanolinę.

Kwasy nukleinowe obejmują kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). Są one bardzo podobne strukturalnie, ponieważ oba są polimerami, w których znajdują się jednostki monomeryczne nukleotydy. Nukleotydy składają się z pentozowej grupy cukrowej, grupy fosforanowej i azotowej grupy zasadowej. Zarówno w DNA, jak i RNA te zasady mogą być jednym z czterech typów; w przeciwnym razie wszystkie nukleotydy DNA są identyczne, podobnie jak RNA.

DNA i RNA różnią się na trzy główne sposoby. Jednym z nich jest to, że w DNA pentozowym cukrem jest dezoksyryboza, a w RNA ryboza. Cukry te różnią się dokładnie jednym atomem tlenu. Druga różnica polega na tym, że DNA jest zwykle dwuniciowy, tworząc podwójną helisę odkrytą w latach pięćdziesiątych przez zespół Watsona i Cricka, ale RNA jest jednoniciowy. Po trzecie, DNA zawiera zasady azotowe adeninę (A), cytozynę (C), guaninę (G) i tyminę (T), ale RNA ma uracyl (U) zastąpiony tyminą.

DNA przechowuje informacje dziedziczne. Długości nukleotydów tworzą geny, które zawierają informacje, poprzez sekwencje zasad azotowych, do wytwarzania określonych białek. Wiele genów tworzy chromosomy, a suma chromosomów organizmu (ludzie mają 23 pary) to jego genom. DNA jest wykorzystywane w procesie transkrypcji do wytworzenia formy RNA zwanej informacyjnym RNA (mRNA). To przechowuje zakodowane informacje w nieco inny sposób i przenosi je z jądra komórkowego, w którym znajduje się DNA, do cytoplazmy lub macierzy komórki. Tutaj inne rodzaje RNA inicjują proces translacji, w którym powstają białka i są rozsyłane po całej komórce.