Что такое четыре макромолекулы жизни?

Биология - или неформально сама жизнь - характеризуется элегантными макромолекулами, которые эволюционировали в течение сотен миллионов лет и выполняли ряд важнейших функций. Их часто делят на четыре основных типа: углеводы (или полисахариды), липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Если у вас есть какой-либо опыт в области питания, вы узнаете первые три из них как три стандартных макроэлемента (или «макросы», на языке диеты), перечисленные на этикетках с информацией о питании. Четвертый относится к двум тесно связанным молекулам, которые служат основой для хранения и трансляции генетической информации во всех живых существах.

Каждая из этих четырех макромолекул жизни или биомолекул выполняет множество функций; Как и следовало ожидать, их различные роли точно связаны с их различными физическими компонентами и расположением.

А макромолекула представляет собой очень большую молекулу, обычно состоящую из повторяющихся субъединиц, называемых мономеры, которые нельзя свести к более простым компонентам без ущерба для элемента «строительный блок». Хотя стандартного определения того, насколько большой должна быть молекула, чтобы получить префикс «макро», не существует, они обычно содержат как минимум тысячи атомов. Вы почти наверняка видели такие конструкции в неприродном мире; например, многие виды обоев, хотя и имеют сложный дизайн и в целом имеют большие размеры, состоят из примыкающих друг к другу элементов, размер которых часто меньше квадратного фута или около того. Еще более очевидно, что цепь можно рассматривать как макромолекулу, в которой отдельные звенья являются «мономерами».

Важным моментом в отношении биологических макромолекул является то, что, за исключением липидов, их мономерные звенья полярны, что означает, что они имеют нераспределенный электрический заряд. симметрично. Схематично они имеют «головы» и «хвосты» с разными физическими и химическими свойствами. Поскольку мономеры соединяются друг с другом головой к хвосту, сами макромолекулы также полярны.

Кроме того, все биомолекулы содержат большое количество элемента углерода. Возможно, вы слышали, что вид жизни на Земле (другими словами, единственный вид, который, как мы знаем наверняка, существует где-либо), называемый «углеродной жизнью», и не без оснований. Но азот, кислород, водород и фосфор также незаменимы для живых существ, и множество других элементов находятся в смеси в меньшей степени.

Почти наверняка, когда вы видите или слышите слово «углевод», первое, о чем вы думаете, это «еда» и, возможно, более конкретно, «что-то в еде, на которую намереваются многие люди». «Низкоуглеводная» и «безуглеводная» стали модными словечками для похудания в начале 21-го века, а термин «углеводная загрузка» используется в спортивном сообществе с тех пор, как 1970-е годы. Но на самом деле углеводы - это гораздо больше, чем просто источник энергии для живых существ.

Все молекулы углеводов имеют формулу (CH₂O)_п, где n - количество присутствующих атомов углерода. Это означает, что соотношение C: H: O составляет 1: 2: 1. Например, простые сахара глюкоза, фруктоза и галактоза имеют формулу C₆ЧАС₁₂О₆ (атомы этих трех молекул, конечно, расположены по-разному).

Углеводы классифицируются как моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахарид - это мономерная единица углеводов, но некоторые углеводы состоят только из одного мономера, такого как глюкоза, фруктоза и галактоза. Обычно эти моносахариды наиболее стабильны в кольцевой форме, которая схематически изображена в виде шестиугольника.

Дисахариды - это сахара с двумя мономерными единицами или парой моносахаридов. Эти субъединицы могут быть одинаковыми (как в мальтозе, состоящей из двух соединенных молекул глюкозы) или разные (как в сахарозе или столовом сахаре, который состоит из одной молекулы глюкозы и одной фруктозы молекула. Связи между моносахаридами называются гликозидными связями.

Полисахариды содержат три или более моносахаридов. Чем длиннее эти цепи, тем больше вероятность, что они будут иметь разветвления, то есть не будут просто линией моносахаридов от конца до конца. Примеры полисахаридов включают крахмал, гликоген, целлюлозу и хитин.

Крахмал имеет тенденцию образовывать спираль или спиралевидную форму; это обычное явление для высокомолекулярных биомолекул в целом. Целлюлоза, напротив, является линейной, состоящей из длинной цепи мономеров глюкозы с водородными связями, чередующимися между атомами углерода через равные промежутки времени. Целлюлоза входит в состав растительных клеток и придает им жесткость. Люди не могут переваривать целлюлозу, и в рационе ее обычно называют «клетчаткой». Хитин - это другой структурный углевод, обнаруженный во внешнем теле членистоногих, таких как насекомые, пауки и крабы. Хитин - это модифицированный углевод, поскольку он «фальсифицирован» большим количеством атомов азота. Гликоген - это форма хранения углеводов в организме; отложения гликогена обнаруживаются как в печени, так и в мышечной ткани. Благодаря адаптации ферментов в этих тканях тренированные спортсмены могут накапливать больше гликогена, чем люди, ведущие малоподвижный образ жизни, в результате их высоких энергетических потребностей и практики питания.

Как и углеводы, белки являются частью повседневного словарного запаса большинства людей, поскольку они служат так называемым макроэлементом. Но белки невероятно универсальны, гораздо больше, чем углеводы. Фактически, без белков не было бы углеводов или липидов, потому что ферменты, необходимые для синтеза (а также переваривания) этих молекул, сами по себе являются белками.

Мономеры белков - это аминокислоты. К ним относятся группа карбоновой кислоты (-COOH) и амино (-NH₂) группа. Когда аминокислоты соединяются друг с другом, это происходит посредством водородной связи между группой карбоновой кислоты одной из аминокислот и аминогруппой другой, с молекулой воды (H₂O) выпущен в процессе. Растущая цепь аминокислот представляет собой полипептид, и когда она достаточно длинная и принимает трехмерную форму, это полноценный белок. В отличие от углеводов, белки никогда не имеют ответвлений; они представляют собой просто цепь карбоксильных групп, соединенных с аминогруппами. Поскольку эта цепь должна иметь начало и конец, один конец имеет свободную аминогруппу и называется N-концом, а другой конец имеет свободную аминогруппу и называется C-концом. Поскольку существует 20 аминокислот, и их можно расположить в любом порядке, состав белков чрезвычайно разнообразен, хотя разветвления не происходит.

Белки имеют так называемую первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру. Первичная структура относится к последовательности аминокислот в белке и определяется генетически. Под вторичной структурой понимается изгиб или перегиб цепи, обычно повторяющийся. Некоторые конформации включают альфа-спираль и бета-складчатый лист и являются результатом слабых водородных связей между боковыми цепями различных аминокислот. Третичная структура - это скручивание и скручивание белка в трехмерном пространстве, которое, среди прочего, может включать дисульфидные связи (сера с серой) и водородные связи. Наконец, четвертичная структура относится к более чем одной полипептидной цепи в одной и той же макромолекуле. Это происходит в коллагене, который состоит из трех цепочек, скрученных и свернутых вместе, как веревка.

Белки могут служить ферментами, катализирующими биохимические реакции в организме; как гормоны, такие как инсулин и гормон роста; как конструктивные элементы; и как компоненты клеточной мембраны.

Липиды представляют собой разнообразный набор макромолекул, но все они обладают общей характеристикой гидрофобности; то есть они не растворяются в воде. Это связано с тем, что липиды электрически нейтральны и, следовательно, неполярны, тогда как вода является полярной молекулой. Липиды включают триглицериды (жиры и масла), фосфолипиды, каротиноиды, стероиды и воски. Они участвуют в основном в формировании и стабильности клеточных мембран, образуют порции гормонов и используются в качестве запасаемого топлива. Жиры, тип липидов, являются третьим типом макроэлементов с углеводами и белками, которые обсуждались ранее. Путем окисления их так называемых жирных кислот они обеспечивают 9 калорий на грамм, в отличие от 4 калорий на грамм, поступающих из углеводов и жиров.

Липиды не являются полимерами, поэтому они бывают разных форм. Как и углеводы, они состоят из углерода, водорода и кислорода. Триглицериды состоят из трех жирных кислот, соединенных с молекулой глицерина, трехуглеродного спирта. Эти боковые цепи жирных кислот представляют собой длинные простые углеводороды. Эти цепи могут иметь двойные связи, и если они есть, то жирная кислота ненасыщенный. Если есть только одна такая двойная связь, жирная кислота мононенасыщенный. Если их два или больше, это полиненасыщенный. Эти разные типы жирных кислот по-разному влияют на здоровье разных людей из-за их воздействия на стенки кровеносных сосудов. Насыщенные жиры, которые не имеют двойных связей, являются твердыми при комнатной температуре и обычно являются животными жирами; они, как правило, вызывают образование артериальных бляшек и могут способствовать сердечным заболеваниям. Жирные кислоты можно обрабатывать химически, а ненасыщенные жиры, такие как растительные масла, можно сделать насыщенными, чтобы они были твердыми и удобными для использования при комнатной температуре, как маргарин.

Фосфолипиды, которые имеют гидрофобный липид на одном конце и гидрофильный фосфат на другом, являются важным компонентом клеточных мембран. Эти мембраны состоят из бислоя фосфолипидов. Две липидные части, будучи гидрофобными, обращены наружу и внутрь клетки, в то время как гидрофильные хвосты фосфата встречаются в центре бислоя.

Другие липиды включают стероиды, которые служат гормонами и предшественниками гормонов (например, холестерин) и содержат ряд характерных кольцевых структур; и воски, в состав которых входят пчелиный воск и ланолин.

Нуклеиновые кислоты включают дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). Они очень похожи по структуре, поскольку оба являются полимерами, в которых мономерные звенья нуклеотиды. Нуклеотиды состоят из пентозной сахарной группы, фосфатной группы и азотистой основной группы. И в ДНК, и в РНК эти основания могут быть одного из четырех типов; в остальном все нуклеотиды ДНК идентичны, как и нуклеотиды РНК.

ДНК и РНК различаются по трем основным направлениям. Во-первых, в ДНК пентозный сахар представляет собой дезоксирибозу, а в РНК - это рибоза. Эти сахара различаются ровно одним атомом кислорода. Второе отличие состоит в том, что ДНК обычно двухцепочечная, образуя двойную спираль, открытую в 1950-х годах командой Уотсона и Крика, но РНК одноцепочечная. В-третьих, ДНК содержит азотистые основания аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T), но в РНК есть урацил (U), замещенный тимином.

ДНК хранит наследственную информацию. Длины нуклеотидов составляют гены, которые содержат информацию через последовательности азотистых оснований для производства определенных белков. Множество генов составляют хромосомы, а сумма хромосом организма (у человека 23 пары) - это его геном. ДНК используется в процессе транскрипции для создания формы РНК, называемой информационной РНК (мРНК). Это сохраняет закодированную информацию немного другим способом и перемещает ее из ядра клетки, где находится ДНК, в цитоплазму или матрицу клетки. Здесь другие типы РНК инициируют процесс трансляции, в котором белки производятся и распространяются по всей клетке.