Čo sú štyri makromolekuly života?

Biológia - alebo neformálne, samotný život - je charakterizovaná elegantnými makromolekulami, ktoré sa vyvinuli stovky miliónov rokov, aby slúžili rade kritických funkcií. Často sú rozdelené do štyroch základných typov: sacharidy (alebo polysacharidy), lipidy, bielkoviny a nukleové kyseliny. Ak máte nejaké skúsenosti s výživou, prvé tri z nich poznáte ako tri štandardné makroživiny (alebo v makre výživy uvedené ako „makrá“) uvedené na štítkoch s nutričnými informáciami. Štvrtý sa týka dvoch úzko súvisiacich molekúl, ktoré slúžia ako základ pre ukladanie a preklad genetickej informácie vo všetkom živom.

Každá z týchto štyroch makromolekúl života alebo biomolekúl plní rôzne povinnosti; ako možno čakáte, ich rôzne roly vynikajúco súvisia s ich rôznymi fyzickými komponentmi a usporiadaniami.

A makromolekula je veľmi veľká molekula, obvykle pozostávajúca z opakovaných podjednotiek tzv monoméry, ktoré sa nedajú zredukovať na jednoduchšie zložky bez obetovania prvku „stavebného bloku“. Aj keď neexistuje žiadna štandardná definícia toho, aká veľká musí byť molekula, aby sa získala predpona „makra“, vo všeobecnosti majú minimálne tisíce atómov. Takmer určite ste videli tento druh stavby v neprirodzenom svete; napríklad veľa druhov tapiet, ktoré sú síce dizajnovo prepracované a celkovo fyzické, ale pozostávajú z priľahlých podjednotiek, ktorých veľkosť je často menšia ako štvorcová stopa. Ešte zjavnejšie je, že reťazec možno považovať za makromolekulu, v ktorej sú jednotlivé články „monoméry“.

Dôležitým bodom biologických makromolekúl je, že s výnimkou lipidov, ich monomérne jednotky sú polárne, čo znamená, že majú elektrický náboj, ktorý nie je distribuovaný symetricky. Schematicky majú „hlavy“ a „chvosty“ s rôznymi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami. Pretože sa monoméry navzájom spájajú, makromolekuly samotné sú tiež polárne.

Všetky biomolekuly majú tiež vysoké množstvo uhlíka. Možno ste už počuli druh života na Zemi (inými slovami, jediný druh, o ktorom určite vieme, že existuje), ktorý sa označuje ako „život založený na uhlíku“, a to z dobrého dôvodu. Ale a dusík, kyslík, vodík a fosfor sú tiež nevyhnutné pre živé veci a v menšej miere je v zmesi množstvo ďalších prvkov.

Je takmer istota, že keď uvidíte alebo počujete slovo „uhľohydrát“, ako prvé vám napadne slovo „jedlo“ a možno konkrétnejšie „niečo v jedle, na ktoré sa zameriava veľa ľudí“ zbaviť sa. “„ Lo-carb “a„ no-carb “sa na začiatku 21. storočia stali heslami na chudnutie a výraz„ karbo-nakladanie “sa okolo komunity vytrvalostných športov vyskytuje už od r. 70. roky. Ale v skutočnosti sú sacharidy oveľa viac ako iba zdroj energie pre živé veci.

Všetky molekuly sacharidov majú vzorec (CH₂O)_n, kde n je počet prítomných atómov uhlíka. To znamená, že pomer C: H: O je 1: 2: 1. Napríklad jednoduché cukry glukóza, fruktóza a galaktóza majú vzorec C.₆H₁₂O₆ (atómy týchto troch molekúl sú samozrejme usporiadané inak).

Sacharidy sú klasifikované ako monosacharidy, disacharidy a polysacharidy. Monosacharid je monomérna jednotka uhľohydrátov, ale niektoré uhľohydráty pozostávajú iba z jedného monoméru, ako je glukóza, fruktóza a galaktóza. Zvyčajne sú tieto monosacharidy najstabilnejšie v kruhovej forme, ktorá je schematicky znázornená ako šesťuholník.

Disacharidy sú cukry s dvoma monomérnymi jednotkami alebo párom monosacharidov. Tieto podjednotky môžu byť rovnaké (ako v prípade maltózy, ktorá sa skladá z dvoch spojených molekúl glukózy) alebo rôzne (ako v sacharóze alebo stolovom cukre, ktorý sa skladá z jednej molekuly glukózy a jednej fruktózy molekula. Väzby medzi monosacharidmi sa nazývajú glykozidové väzby.

Polysacharidy obsahujú tri alebo viac monosacharidov. Čím dlhšie sú tieto reťazce, tým je pravdepodobnejšie, že budú mať vetvy, to znamená, že to nebude iba línia monosacharidov od začiatku po koniec. Príklady polysacharidov zahŕňajú škrob, glykogén, celulózu a chitín.

Škrob má tendenciu sa vytvárať v tvare špirály alebo špirály; toto je bežné u vysokomolekulárnych biomolekúl všeobecne. Celulóza je naopak lineárna a pozostáva z dlhého reťazca monomérov glukózy s vodíkovými väzbami rozptýlenými medzi atómami uhlíka v pravidelných intervaloch. Celulóza je zložkou rastlinných buniek a dodáva im ich tuhosť. Ľudia nemôžu stráviť celulózu a v strave sa zvyčajne označuje ako „vláknina“. Chitín je ďalší štrukturálny uhľohydrát, ktorý sa nachádza vo vonkajších telách článkonožcov, ako je hmyz, pavúky a kraby. Chitín je modifikovaný uhľohydrát, pretože je „falšovaný“ dostatkom atómov dusíka. Glykogén je zásobná forma uhľohydrátu v tele; ložiská glykogénu sa nachádzajú v pečeni aj vo svalovom tkanive. Vďaka adaptácii enzýmov v týchto tkanivách sú trénovaní športovci schopní ukladať viac glykogénu ako sediaci ľudia v dôsledku ich vysokej energetickej potreby a výživových postupov.

Rovnako ako sacharidy, aj bielkoviny sú súčasťou každodennej slovnej zásoby väčšiny ľudí, pretože slúžia ako takzvaná makroživina. Ale bielkoviny sú neuveriteľne všestranné, oveľa viac ako sacharidy. V skutočnosti by bez bielkovín neexistovali žiadne uhľohydráty alebo lipidy, pretože enzýmy potrebné na syntézu (ako aj na trávenie) týchto molekúl sú samy o sebe bielkoviny.

Monoméry bielkovín sú aminokyseliny. Medzi ne patrí skupina karboxylovej kyseliny (-COOH) a amino (-NH)₂) skupina. Keď sa aminokyseliny navzájom spájajú, je to vodíková väzba medzi skupinou karboxylovej kyseliny na jednej z aminokyselín a aminoskupinou druhej, s molekulou vody (H₂O) uvoľnené v procese. Rastúci reťazec aminokyselín je polypeptid, a keď je dostatočne dlhý a predpokladá svoj trojrozmerný tvar, je to plnohodnotný proteín. Na rozdiel od sacharidov bielkoviny nikdy nevykazujú vetvy; sú len reťazcom karboxylových skupín spojených s aminoskupinami. Pretože tento reťazec musí mať začiatok a koniec, jeden koniec má voľnú aminoskupinu a nazýva sa N-terminál, zatiaľ čo druhý má voľnú aminoskupinu a nazýva sa C-koniec. Pretože existuje 20 aminokyselín, ktoré môžu byť usporiadané v ľubovoľnom poradí, zloženie bielkovín je mimoriadne rozmanité, aj keď nedochádza k rozvetveniu.

Bielkoviny majú takzvanú primárnu, sekundárnu, terciárnu a kvartérnu štruktúru. Primárna štruktúra označuje sekvenciu aminokyselín v proteíne a je geneticky daná. Sekundárna štruktúra označuje ohnutie alebo zauzlenie reťaze, zvyčajne opakujúcim sa spôsobom. Niektoré konformácie zahŕňajú alfa-skrutkovicu a beta skladaný plát a sú výsledkom slabých vodíkových väzieb medzi bočnými reťazcami rôznych aminokyselín. Terciárna štruktúra je krútenie a zvlnenie proteínu v trojrozmernom priestore a môže okrem iného zahŕňať disulfidové väzby (síra k síre) a vodíkové väzby. Nakoniec sa kvartérna štruktúra týka viac ako jedného polypeptidového reťazca v tej istej makromolekule. K tomu dochádza v kolagéne, ktorý sa skladá z troch reťazcov skrútených a stočených dohromady ako lano.

Bielkoviny môžu slúžiť ako enzýmy, ktoré katalyzujú biochemické reakcie v tele; ako hormóny, ako je inzulín a rastový hormón; ako konštrukčné prvky; a ako komponenty bunkovej membrány.

Lipidy sú rozmanitá sada makromolekúl, ale všetky majú spoločnú črtu hydrofóbnosti; to znamená, že sa nerozpúšťajú vo vode. Je to preto, že lipidy sú elektricky neutrálne, a preto nepolárne, zatiaľ čo voda je polárna molekula. Medzi lipidy patria triglyceridy (tuky a oleje), fosfolipidy, karotenoidy, steroidy a vosky. Podieľajú sa predovšetkým na tvorbe a stabilite bunkovej membrány, tvoria časti hormónov a používajú sa ako skladované palivo. Tuky, druh lipidov, sú tretím typom makronutrientov, o ktorých sa hovorí skôr. Oxidáciou svojich takzvaných mastných kyselín dodávajú 9 kalórií na gram na rozdiel od 4 kalórií na gram dodaných sacharidmi aj tukmi.

Lipidy nie sú polyméry, takže majú rôzne formy. Rovnako ako uhľohydráty pozostávajú z uhlíka, vodíka a kyslíka. Triglyceridy pozostávajú z troch mastných kyselín naviazaných na molekulu glycerolu, tri-uhlíkového alkoholu. Tieto bočné reťazce mastných kyselín sú dlhé, jednoduché uhľovodíky. Tieto reťazce môžu mať dvojité väzby, a ak to robia, vytvára mastnú kyselinu nenasýtený. Ak existuje len jedna takáto dvojitá väzba, potom je to mastná kyselina mononenasýtené. Ak sú dve alebo viac, je to tak polynenasýtené. Tieto rôzne typy mastných kyselín majú rôzne zdravotné dôsledky pre rôznych ľudí v dôsledku ich účinkov na steny krvných ciev. Nasýtené tuky, ktoré nemajú dvojité väzby, sú pri izbovej teplote tuhé a zvyčajne ide o živočíšne tuky; tieto majú tendenciu spôsobovať arteriálne plaky a môžu prispievať k srdcovým chorobám. S mastnými kyselinami je možné manipulovať chemicky a nenasýtené tuky, ako napríklad rastlinné oleje, je možné pripraviť nasýtenými, takže sú pevné a ich použitie je vhodné pri izbovej teplote, napríklad margarín.

Fosfolipidy, ktoré majú na jednom konci hydrofóbny lipid a na druhom konci hydrofilný fosfát, sú dôležitou súčasťou bunkových membrán. Tieto membrány pozostávajú z fosfolipidovej dvojvrstvy. Dve lipidové časti, ktoré sú hydrofóbne, smerujú k vonkajšej a vnútornej strane bunky, zatiaľ čo hydrofilné konce fosfátu sa stretávajú v strede dvojvrstvy.

Medzi ďalšie lipidy patria steroidy, ktoré slúžia ako hormóny a prekurzory hormónov (napr. Cholesterol) a obsahujú rad charakteristických kruhových štruktúr; a vosky, ktoré zahŕňajú včelí vosk a lanolín.

Nukleové kyseliny zahŕňajú deoxyribonukleovú kyselinu (DNA) a ribonukleovú kyselinu (RNA). Štruktúry sú si veľmi podobné, pretože obidva sú polyméry, v ktorých sú monomérne jednotky nukleotidy. Nukleotidy pozostávajú z pentózovej cukrovej skupiny, fosfátovej skupiny a dusíkatej bázickej skupiny. V DNA aj RNA môžu byť tieto bázy jeden zo štyroch typov; inak sú všetky nukleotidy DNA identické, rovnako ako nukleotidy RNA.

DNA a RNA sa líšia tromi hlavnými spôsobmi. Jedným z nich je, že v DNA je pentózovým cukrom deoxyribóza a v RNA ribóza. Tieto cukry sa líšia presne o jeden atóm kyslíka. Druhým rozdielom je, že DNA je zvyčajne dvojvláknová a vytvára dvojzávitnicu objavenú v 50. rokoch minulého storočia tímom Watsona a Cricka, ale RNA je jednovláknová. Tretie je, že DNA obsahuje dusíkaté bázy adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín (T), ale RNA má za tymín substituovaný uracil (U).

DNA uchováva dedičné informácie. Tvoria sa dĺžky nukleotidov gény, ktoré obsahujú informácie prostredníctvom dusíkatých bázických sekvencií o produkcii špecifických proteínov. Veľa génov tvorí chromozómy, a súčet chromozómov organizmu (človek má 23 párov) je jeho genóm. DNA sa používa v procese transkripcie na vytvorenie formy RNA, ktorá sa nazýva messenger RNA (mRNA). Toto uloží kódovanú informáciu trochu iným spôsobom a presunie ju z bunkového jadra, kde je DNA, do bunkovej cytoplazmy alebo matrice. Tu iniciujú proces translácie ďalšie typy RNA, pri ktorých sa vytvárajú a roznášajú proteíny po celej bunke.