Care sunt cele patru macromolecule ale vieții?

Biologia - sau informal, viața însăși - se caracterizează prin macromolecule elegante care au evoluat de-a lungul a sute de milioane de ani pentru a servi o serie de funcții critice. Acestea sunt adesea clasificate în patru tipuri de bază: glucide (sau polizaharide), lipide, proteine ​​și acizi nucleici. Dacă aveți experiență în nutriție, veți recunoaște primii trei dintre aceștia ca fiind cei trei macronutrienți standard (sau „macro”, în limbă dietetică) enumerați pe etichetele cu informații nutriționale. Al patrulea se referă la două molecule strâns legate care servesc ca bază pentru stocarea și traducerea informațiilor genetice în toate ființele vii.

Fiecare dintre aceste patru macromolecule ale vieții sau biomolecule îndeplinește o varietate de îndatoriri; după cum v-ați putea aștepta, diferitele lor roluri sunt în mod deosebit legate de diferitele lor componente și aranjamente fizice.

A macromoleculă este o moleculă foarte mare, constând de obicei din subunități repetate numite

Un punct important despre macromoleculele biologice este că, cu excepția lipidelor, lor unitățile monomere sunt polare, ceea ce înseamnă că au o sarcină electrică care nu este distribuită simetric. Schematic, au „capete” și „cozi” cu proprietăți fizice și chimice diferite. Deoarece monomerii se unesc cap-coadă unul cu celălalt, macromoleculele în sine sunt, de asemenea, polare.

De asemenea, toate biomoleculele au cantități mari de element carbon. Este posibil să fi auzit genul de viață de pe Pământ (cu alte cuvinte, singurul tip pe care îl știm sigur există oriunde) denumit „viață pe bază de carbon” și cu un motiv întemeiat. Dar și azotul, oxigenul, hidrogenul și fosforul sunt indispensabile și pentru viețuitoare și o serie de alte elemente se amestecă în grade mai mici.

Este aproape sigur că, atunci când vedeți sau auziți cuvântul „carbohidrați”, primul lucru la care vă gândiți este „mâncare”, și poate mai precis, „ceva din alimente pe care mulți oameni intenționează "Lo-carb" și "no-carb" au devenit ambele cuvinte cheie de slăbire la începutul secolului al XXI-lea, iar termenul "carbo-loading" a fost în jurul comunității sportive de anduranță încă din Anii 1970. Dar, de fapt, carbohidrații sunt mult mai mult decât o simplă sursă de energie pentru ființele vii.

Moleculele de carbohidrați au toate formula (CH₂O)_n, unde n este numărul de atomi de carbon prezenți. Aceasta înseamnă că raportul C: H: O este 1: 2: 1. De exemplu, zaharurile simple glucoza, fructoza și galactoza au toate formula C₆H₁₂O₆ (atomii acestor trei molecule sunt, desigur, dispuse diferit).

Glucidele sunt clasificate ca monozaharide, dizaharide și polizaharide. O monozaharidă este unitatea monomerică a carbohidraților, dar unii carbohidrați constau dintr-un singur monomer, cum ar fi glucoza, fructoza și galactoza. De obicei, aceste monozaharide sunt cele mai stabile într-o formă de inel, care este descrisă schematic ca un hexagon.

Dzaharidele sunt zaharuri cu două unități monomerice sau o pereche de monozaharide. Aceste subunități pot fi aceleași (ca în maltoză, care constă din două molecule de glucoză unite) sau diferite (ca în zaharoză sau zahăr de masă, care constă dintr-o moleculă de glucoză și o fructoză moleculă. Legăturile dintre monozaharide se numesc legături glicozidice.

Polizaharidele conțin trei sau mai multe monozaharide. Cu cât aceste lanțuri sunt mai lungi, cu atât este mai probabil să aibă ramuri, adică să nu fie pur și simplu o linie de monozaharide de la capăt la capăt. Exemple de polizaharide includ amidon, glicogen, celuloză și chitină.

Amidonul tinde să se formeze în formă de spirală sau spirală; acest lucru este frecvent la biomoleculele cu greutate moleculară mare în general. Celuloza, în schimb, este liniară, constând dintr-un lanț lung de monomeri de glucoză cu legături de hidrogen intercalate între atomi de carbon la intervale regulate. Celuloza este o componentă a celulelor vegetale și le conferă rigiditate. Oamenii nu pot digera celuloza, iar în dietă este denumită de obicei „fibră”. Chitina este un alt carbohidrat structural, găsit în corpurile exterioare ale artropodelor precum insecte, păianjeni și crabi. Chitina este un carbohidrat modificat, deoarece este "adulterat" cu atomi de azot abundenți. Glicogenul este forma de stocare a organismului în carbohidrați; depozitele de glicogen se găsesc atât în ​​ficat, cât și în țesutul muscular. Datorită adaptărilor enzimatice din aceste țesuturi, sportivii instruiți sunt capabili să stocheze mai mult glicogen decât persoanele sedentare ca urmare a nevoilor lor ridicate de energie și a practicilor nutriționale.

La fel ca glucidele, proteinele fac parte din vocabularul de zi cu zi al majorității oamenilor datorită faptului că servesc ca așa-numitele macronutrienți. Dar proteinele sunt incredibil de versatile, mult mai mult decât carbohidrații. De fapt, fără proteine, nu ar exista carbohidrați sau lipide, deoarece enzimele necesare pentru a sintetiza (precum și a digera) aceste molecule sunt ele însele proteine.

Monomerii proteinelor sunt aminoacizi. Acestea includ o grupare acid carboxilic (-COOH) și un amino (-NH₂) grup. Când aminoacizii se unesc între ei, este printr-o legătură de hidrogen între gruparea acidului carboxilic pe unul dintre aminoacizi și grupa amino a celuilalt, cu o moleculă de apă (H₂O) eliberat în proces. Un lanț în creștere de aminoacizi este o polipeptidă și, atunci când este suficient de lungă și își asumă forma tridimensională, este o proteină cu drepturi depline. Spre deosebire de glucide, proteinele nu prezintă niciodată ramuri; ele sunt doar un lanț de grupări carboxil legate de grupări amino. Deoarece acest lanț trebuie să aibă un început și un sfârșit, un capăt are o grupare amino liberă și se numește N-terminal, în timp ce celălalt are o grupare amino liberă și se numește C-terminal. Deoarece există 20 de aminoacizi și aceștia pot fi aranjați în orice ordine, compoziția proteinelor este extrem de variată, chiar dacă nu are loc ramificarea.

Proteinele au ceea ce se numește structură primară, secundară, terțiară și quarternară. Structura primară se referă la secvența aminoacizilor din proteină și este determinată genetic. Structura secundară se referă la îndoirea sau încovoierea în lanț, de obicei într-un mod repetitiv. Unele conformații includ o alfa-helix și o foaie cu pliuri beta și rezultă din legături slabe de hidrogen între lanțurile laterale ale diferiților aminoacizi. Structura terțiară este răsucirea și curbarea proteinei în spațiul tridimensional și poate implica legături disulfură (sulf la sulf) și legături de hidrogen, printre altele. În cele din urmă, structura cuaternară se referă la mai multe lanțuri polipeptidice din aceeași macromoleculă. Acest lucru se întâmplă în colagen, care constă din trei lanțuri răsucite și înfășurate împreună ca o frânghie.

Proteinele pot servi ca enzime, care catalizează reacțiile biochimice din organism; ca hormoni, cum ar fi insulina și hormonul de creștere; ca elemente structurale; și ca componente ale membranei celulare.

Lipidele sunt un set divers de macromolecule, dar toate împărtășesc trăsătura de a fi hidrofobe; adică nu se dizolvă în apă. Acest lucru se datorează faptului că lipidele sunt neutre din punct de vedere electric și, prin urmare, nepolare, în timp ce apa este o moleculă polară. Lipidele includ trigliceride (grăsimi și uleiuri), fosfolipide, carotenoide, steroizi și ceruri. Acestea sunt implicate în principal în formarea și stabilitatea membranei celulare, formează porțiuni de hormoni și sunt utilizate ca combustibil stocat. Grăsimile, un tip de lipide, sunt al treilea tip de macronutrienți, cu carbohidrați și proteine ​​discutate anterior. Prin oxidarea așa-numiților acizi grași, acestea furnizează 9 calorii pe gram, spre deosebire de cele 4 calorii pe gram furnizate atât de carbohidrați, cât și de grăsimi.

Lipidele nu sunt polimeri, deci apar într-o varietate de forme. La fel ca glucidele, acestea constau din carbon, hidrogen și oxigen. Trigliceridele constau din trei acizi grași uniți la o moleculă de glicerol, un alcool cu ​​trei atomi de carbon. Aceste lanțuri laterale de acizi grași sunt hidrocarburi simple și lungi. Aceste lanțuri pot avea legături duble și, dacă au, acest lucru face ca acidul gras nesaturat. Dacă există doar o astfel de legătură dublă, acidul gras este monoinsaturate. Dacă există două sau mai multe, este polinesaturate. Aceste tipuri diferite de acizi grași au implicații diferite asupra sănătății pentru diferite persoane, datorită efectelor lor asupra pereților vaselor de sânge. Grăsimile saturate, care nu au legături duble, sunt solide la temperatura camerei și sunt de obicei grăsimi animale; acestea tind să provoace plăci arteriale și pot contribui la boli de inimă. Acizii grași pot fi manipulați chimic, iar grăsimile nesaturate, cum ar fi uleiurile vegetale, pot fi saturate astfel încât să fie solide și convenabile de utilizat la temperatura camerei, cum ar fi margarina.

Fosfolipidele, care au o lipidă hidrofobă la un capăt și un fosfat hidrofil la celălalt, sunt o componentă importantă a membranelor celulare. Aceste membrane constau dintr-un strat strat fosfolipidic. Cele două porțiuni lipidice, fiind hidrofobe, se îndreaptă spre exteriorul și interiorul celulei, în timp ce cozile hidrofile de fosfat se întâlnesc în centrul bistratului.

Alte lipide includ steroizii, care servesc ca hormoni și precursori ai hormonilor (de exemplu, colesterolul) și conțin o serie de structuri inelare distincte; și ceruri, care includ ceară de albine și lanolină.

Acizii nucleici includ acidul dezoxiribonucleic (ADN) și acidul ribonucleic (ARN). Aceștia sunt foarte asemănători din punct de vedere structural, deoarece ambii sunt polimeri în care se află unitățile monomerice nucleotide. Nucleotidele constau dintr-o grupare pentoză zahăr, o grupare fosfat și o grupă bază azotată. Atât în ​​ADN, cât și în ARN, aceste baze pot fi una din cele patru tipuri; în caz contrar, toate nucleotidele ADN sunt identice, ca și cele ale ARN-ului.

ADN-ul și ARN-ul diferă în trei moduri principale. Unul este că în ADN, zahărul pentozic este dezoxiriboză, iar în ARN este riboză. Aceste zaharuri diferă de exact un atom de oxigen. A doua diferență este că ADN-ul este, de obicei, dublu catenar, formând dubla helix descoperită în anii 1950 de echipa lui Watson și Crick, dar ARN-ul este monocatenar. Al treilea este că ADN-ul conține bazele azotate adenină (A), citozină (C), guanină (G) și timină (T), dar ARN are uracil (U) înlocuit cu timina.

ADN stochează informații ereditare. Lungimile nucleotidelor formează gene, care conțin informații, prin secvențele de baze azotate, pentru fabricarea proteinelor specifice. O mulțime de gene alcătuiesc cromozomi, iar suma totală a cromozomilor unui organism (oamenii au 23 de perechi) este a sa genom. ADN-ul este utilizat în procesul de transcriere pentru a produce o formă de ARN numită ARN mesager (ARNm). Aceasta stochează informațiile codificate într-un mod ușor diferit și le mută în afara nucleului celular unde se află ADN-ul și în citoplasma sau matricea celulară. Aici, alte tipuri de ARN inițiază procesul de translație, în care proteinele sunt fabricate și expediate peste toată celula.