A biologia - ou informalmente, a própria vida - é caracterizada por elegantes macromoléculas que evoluíram ao longo de centenas de milhões de anos para servir a uma série de funções críticas. Estes são frequentemente classificados em quatro tipos básicos: carboidratos (ou polissacarídeos), lipídios, proteínas e ácidos nucléicos. Se você tem alguma experiência em nutrição, reconhecerá os três primeiros como os três macronutrientes padrão (ou "macros", no jargão da dieta) listados nos rótulos de informações nutricionais. A quarta diz respeito a duas moléculas intimamente relacionadas que servem como base para o armazenamento e tradução da informação genética em todos os seres vivos.
Cada uma dessas quatro macromoléculas de vida, ou biomoléculas, desempenha uma variedade de funções; como você pode esperar, suas diferentes funções estão primorosamente relacionadas a seus vários componentes físicos e arranjos.
Macro moléculas
UMA macromolécula é uma molécula muito grande, geralmente consistindo em subunidades repetidas chamadas
monômeros, que não pode ser reduzido a constituintes mais simples sem sacrificar o elemento "bloco de construção". Embora não haja uma definição padrão de quão grande uma molécula deve ser para receber o prefixo "macro", elas geralmente têm, no mínimo, milhares de átomos. É quase certo que você já viu esse tipo de construção no mundo não natural; por exemplo, muitos tipos de papel de parede, embora elaborados em design e fisicamente expansivos como um todo, consistem em subunidades adjacentes que geralmente têm menos de um pé quadrado ou mais. Ainda mais obviamente, uma cadeia pode ser considerada uma macromolécula na qual os elos individuais são os "monômeros".Um ponto importante sobre macromoléculas biológicas é que, com exceção dos lipídios, seus unidades monoméricas são polares, o que significa que têm uma carga elétrica que não é distribuída simetricamente. Esquematicamente, eles têm "cabeças" e "caudas" com diferentes propriedades físicas e químicas. Como os monômeros se unem uns aos outros, as macromoléculas também são polares.
Além disso, todas as biomoléculas possuem grandes quantidades do elemento carbono. Você pode ter ouvido o tipo de vida na Terra (em outras palavras, o único tipo que sabemos com certeza existe em qualquer lugar) referido como "vida baseada em carbono", e com razão. Mas e nitrogênio, oxigênio, hidrogênio e fósforo são indispensáveis para os seres vivos também, e uma série de outros elementos estão na mistura em graus menores.
Carboidratos
É quase certo que quando você vê ou ouve a palavra "carboidrato", a primeira coisa que pensa é "comida" e, talvez, mais especificamente, "algo na comida que muitas pessoas desejam livrar-se de. "" Lo-carb "e" sem carboidratos "tornaram-se chavões de perda de peso no início do século 21, e o termo" carbo-loading "tem circulado pela comunidade dos esportes de resistência desde o 1970s. Mas, na verdade, os carboidratos são muito mais do que apenas uma fonte de energia para os seres vivos.
Todas as moléculas de carboidratos têm a fórmula (CH2O)n, onde n é o número de átomos de carbono presentes. Isso significa que a razão C: H: O é 1: 2: 1. Por exemplo, os açúcares simples glicose, frutose e galactose têm todos a fórmula C6H12O6 (os átomos dessas três moléculas são, é claro, organizados de maneira diferente).
Os carboidratos são classificados como monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos. Um monossacarídeo é a unidade monomérica dos carboidratos, mas alguns carboidratos consistem em apenas um monômero, como glicose, frutose e galactose. Normalmente, esses monossacarídeos são mais estáveis em forma de anel, que é representado esquematicamente como um hexágono.
Dissacarídeos são açúcares com duas unidades monoméricas, ou um par de monossacarídeos. Essas subunidades podem ser as mesmas (como na maltose, que consiste em duas moléculas de glicose unidas) ou diferente (como na sacarose, ou açúcar de mesa, que consiste em uma molécula de glicose e uma de frutose molécula. As ligações entre os monossacarídeos são chamadas de ligações glicosídicas.
Os polissacarídeos contêm três ou mais monossacarídeos. Quanto mais longas forem essas cadeias, maior será a probabilidade de terem ramificações, ou seja, não serão simplesmente uma linha de monossacarídeos de ponta a ponta. Exemplos de polissacarídeos incluem amido, glicogênio, celulose e quitina.
O amido tende a se formar em uma hélice ou espiral; isso é comum em biomoléculas de alto peso molecular em geral. A celulose, ao contrário, é linear, consistindo de uma longa cadeia de monômeros de glicose com ligações de hidrogênio intercaladas entre átomos de carbono em intervalos regulares. A celulose é um componente das células vegetais e lhes confere rigidez. Os humanos não conseguem digerir a celulose e, na dieta, costuma ser chamada de "fibra". Quitina é outro carboidrato estrutural, encontrado nos corpos externos de artrópodes como insetos, aranhas e caranguejos. A quitina é um carboidrato modificado, pois é "adulterado" com amplos átomos de nitrogênio. O glicogênio é a forma de armazenamento de carboidrato do corpo; depósitos de glicogênio são encontrados tanto no tecido hepático quanto no tecido muscular. Graças às adaptações enzimáticas nesses tecidos, atletas treinados são capazes de armazenar mais glicogênio do que pessoas sedentárias como resultado de suas altas necessidades de energia e práticas nutricionais.
Proteínas
Assim como os carboidratos, as proteínas fazem parte do vocabulário diário da maioria das pessoas por servirem como macronutrientes. Mas as proteínas são incrivelmente versáteis, muito mais do que os carboidratos. Na verdade, sem proteínas, não haveria carboidratos ou lipídios porque as enzimas necessárias para sintetizar (bem como digerir) essas moléculas são elas próprias proteínas.
Os monômeros das proteínas são aminoácidos. Estes incluem um grupo de ácido carboxílico (-COOH) e um grupo amino (-NH2) grupo. Quando os aminoácidos se unem, é por meio de uma ligação de hidrogênio entre o grupo de ácido carboxílico em um dos aminoácidos e o grupo amino do outro, com uma molécula de água (H2O) liberado no processo. Uma cadeia crescente de aminoácidos é um polipeptídeo e, quando é suficientemente longa e assume sua forma tridimensional, é uma proteína desenvolvida. Ao contrário dos carboidratos, as proteínas nunca apresentam ramificações; eles são apenas uma cadeia de grupos carboxila unidos a grupos amino. Como essa cadeia deve ter um início e um fim, uma extremidade tem um grupo amino livre e é chamada de terminal N, enquanto a outra tem um grupo amino livre e é chamada de terminal C. Como existem 20 aminoácidos, e eles podem ser organizados em qualquer ordem, a composição das proteínas é extremamente variada, embora não ocorra ramificação.
As proteínas têm o que é chamado de estrutura primária, secundária, terciária e quaternária. A estrutura primária refere-se à sequência de aminoácidos na proteína e é determinada geneticamente. A estrutura secundária refere-se à dobra ou torção na corrente, geralmente de forma repetitiva. Algumas conformações incluem uma alfa-hélice e uma folha beta-pregueada e resultam de ligações de hidrogênio fracas entre cadeias laterais de diferentes aminoácidos. A estrutura terciária é a torção e o enrolamento da proteína no espaço tridimensional e pode envolver ligações dissulfeto (enxofre para enxofre) e ligações de hidrogênio, entre outras. Finalmente, a estrutura quaternária se refere a mais de uma cadeia polipeptídica na mesma macromolécula. Isso ocorre no colágeno, que consiste em três cadeias torcidas e enroladas como uma corda.
As proteínas podem servir como enzimas, que catalisam reações bioquímicas no corpo; como hormônios, como insulina e hormônio do crescimento; como elementos estruturais; e como componentes da membrana celular.
Lipídios
Os lipídios são um conjunto diversificado de macromoléculas, mas todos compartilham a característica de serem hidrofóbicos; ou seja, eles não se dissolvem na água. Isso ocorre porque os lipídios são eletricamente neutros e, portanto, não polares, enquanto a água é uma molécula polar. Os lipídios incluem triglicerídeos (gorduras e óleos), fosfolipídios, carotenóides, esteróides e ceras. Eles estão envolvidos principalmente na formação e estabilidade da membrana celular, formam porções de hormônios e são usados como combustível armazenado. As gorduras, um tipo de lipídio, são o terceiro tipo de macronutriente, com carboidratos e proteínas discutidos anteriormente. Por meio da oxidação de seus chamados ácidos graxos, eles fornecem 9 calorias por grama, em oposição às 4 calorias por grama fornecidas por carboidratos e gorduras.
Os lipídios não são polímeros, então eles vêm em uma variedade de formas. Como os carboidratos, eles consistem em carbono, hidrogênio e oxigênio. Os triglicerídeos consistem em três ácidos graxos unidos a uma molécula de glicerol, um álcool de três carbonos. Essas cadeias laterais de ácidos graxos são hidrocarbonetos longos e simples. Essas cadeias podem ter ligações duplas e, se tiverem, isso faz com que o ácido graxo insaturado. Se houver apenas uma dessas ligações duplas, o ácido graxo é monoinsaturado. Se houver dois ou mais, é poliinsaturado. Esses diferentes tipos de ácidos graxos têm implicações diferentes para a saúde de pessoas diferentes, devido aos seus efeitos nas paredes dos vasos sanguíneos. As gorduras saturadas, que não têm ligações duplas, são sólidas à temperatura ambiente e geralmente são gorduras animais; estes tendem a causar placas arteriais e podem contribuir para doenças cardíacas. Os ácidos graxos podem ser manipulados quimicamente, e as gorduras insaturadas, como os óleos vegetais, podem ser saturadas para que sejam sólidas e convenientes para uso em temperatura ambiente, como a margarina.
Os fosfolipídios, que possuem um lipídio hidrofóbico em uma extremidade e um fosfato hidrofílico na outra, são um componente importante das membranas celulares. Essas membranas consistem em uma bicamada fosfolipídica. As duas porções lipídicas, sendo hidrofóbicas, estão voltadas para o exterior e o interior da célula, enquanto as caudas hidrofílicas do fosfato se encontram no centro da bicamada.
Outros lipídios incluem esteróides, que servem como hormônios e precursores de hormônios (por exemplo, colesterol) e contêm uma série de estruturas de anel distintas; e ceras, que incluem cera de abelha e lanolina.
Ácidos nucleicos
Os ácidos nucleicos incluem ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). Estes são muito semelhantes estruturalmente, pois ambos são polímeros em que as unidades monoméricas são nucleotídeos. Os nucleotídeos consistem em um grupo de açúcar pentose, um grupo de fosfato e um grupo de base nitrogenada. Tanto no DNA quanto no RNA, essas bases podem ser de quatro tipos; caso contrário, todos os nucleotídeos do DNA são idênticos, assim como os do RNA.
O DNA e o RNA diferem de três maneiras principais. Uma é que, no DNA, o açúcar pentose é a desoxirribose e no RNA é a ribose. Esses açúcares diferem em exatamente um átomo de oxigênio. A segunda diferença é que o DNA geralmente é de fita dupla, formando a dupla hélice descoberta na década de 1950 pela equipe de Watson e Crick, mas o RNA é de fita simples. A terceira é que o DNA contém as bases nitrogenadas adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T), mas o RNA tem uracila (U) no lugar da timina.
O DNA armazena informações hereditárias. Comprimentos de nucleotídeos compõem genes, que contêm as informações, por meio das sequências de bases nitrogenadas, para fabricar proteínas específicas. Muitos genes compõem cromossomos, e a soma total dos cromossomos de um organismo (os humanos têm 23 pares) é o seu genoma. O DNA é usado no processo de transcrição para fazer uma forma de RNA chamada RNA mensageiro (mRNA). Isso armazena a informação codificada de uma maneira ligeiramente diferente e a move para fora do núcleo da célula onde está o DNA e para dentro do citoplasma ou matriz celular. Aqui, outros tipos de RNA iniciam o processo de tradução, no qual as proteínas são feitas e despachadas por toda a célula.