Kaj so štiri makromolekule življenja?

Za biologijo - ali neformalno življenje samo - so značilne elegantne makromolekule, ki so se skozi stotine milijonov let razvijale in služile vrsti kritičnih funkcij. Ti so pogosto razvrščeni v štiri osnovne vrste: ogljikovi hidrati (ali polisaharidi), lipidi, beljakovine in nukleinske kisline. Če imate kakršno koli preteklost v prehrani, boste prve tri od njih prepoznali kot tri standardna makrohranila (ali "makronaredbe" v dietetičnem jeziku), ki so navedena na etiketah s podatki o hranilni vrednosti. Četrta se nanaša na dve tesno povezani molekuli, ki sta osnova za shranjevanje in prevajanje genskih informacij v vseh živih bitjih.

Vsaka od teh štirih makromolekul življenja ali biomolekul opravlja različne dolžnosti; kot lahko pričakujete, so njihove različne vloge izvrstno povezane z različnimi fizičnimi komponentami in ureditvami.

A makromolekula je zelo velika molekula, običajno sestavljena iz ponavljajočih se podenot monomerov, ki je ni mogoče zmanjšati na enostavnejše sestavne dele, ne da bi pri tem žrtvovali element "gradnik". Čeprav ni standardne opredelitve, kako velika mora biti molekula, da si prisluži predpono "makro", imajo na splošno najmanj na tisoče atomov. Skoraj zagotovo ste že videli tovrstno gradnjo v nenaravnem svetu; na primer, veliko vrst ozadij je sicer izdelanih in celotno fizično obsežnih, sestavljenih iz sosednjih podenot, ki so pogosto manjše od kvadratnega metra. Še bolj očitno je, da lahko verigo obravnavamo kot makromolekulo, v kateri so posamezni členi "monomeri".

Pomembno pri bioloških makromolekulah je, da z izjemo lipidov monomerne enote so polarne, kar pomeni, da imajo električni naboj, ki ni porazdeljen simetrično. Shematsko imajo "glave" in "repove" z različnimi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi. Ker se monomeri med seboj povezujejo od glave do repa, so tudi same makromolekule polarne.

Prav tako imajo vse biomolekule velike količine elementa ogljik. Morda ste že slišali za to, kakšno življenje na Zemlji (z drugimi besedami, edino, za katero zagotovo vemo, da obstaja kjekoli), imenovano "življenje na osnovi ogljika", in to z razlogom. Toda dušik, kisik, vodik in fosfor so nepogrešljivi tudi za živa bitja, množica drugih elementov pa je v mešanici v manjši meri.

Skoraj gotovo je, da ko vidite ali slišite besedo "ogljikovi hidrati", najprej pomislite na "hrano" in morda natančneje na "nekaj v hrani, na katero je namenjeno veliko ljudi znebiti se. "" Lo-carb "in" no-carb "sta v začetku 21. stoletja postali modni besedi za izgubo teže, izraz" obremenitev z ogljikom "pa obstaja v vzdržljivostno-športni skupnosti že od Sedemdeseta leta. Toda v resnici so ogljikovi hidrati veliko več kot le vir energije za živa bitja.

Vse molekule ogljikovih hidratov imajo formulo (CH₂O)_n, kjer je n število prisotnih atomov ogljika. To pomeni, da je razmerje C: H: O 1: 2: 1. Na primer, preprosti sladkorji glukoza, fruktoza in galaktoza imajo formulo C₆H₁₂O₆ (atomi teh treh molekul so seveda drugače razporejeni).

Ogljikovi hidrati so razvrščeni med monosaharide, disaharide in polisaharide. Monosaharid je monomerna enota ogljikovih hidratov, nekateri ogljikovi hidrati pa so sestavljeni iz samo enega monomera, kot so glukoza, fruktoza in galaktoza. Običajno so ti monosaharidi najbolj stabilni v obliki obroča, ki je shematsko prikazan kot šesterokotnik.

Dihaharidi so sladkorji z dvema monomernima enotama ali parom monosaharidov. Te podenote so lahko enake (kot pri maltozi, ki je sestavljena iz dveh združenih molekul glukoze) oz drugačen (kot pri saharozi ali namiznem sladkorju, ki je sestavljen iz ene molekule glukoze in ene fruktoze molekula. Vezi med monosaharidi se imenujejo glikozidne vezi.

Polisaharidi vsebujejo tri ali več monosaharidov. Daljše kot so te verige, večja je verjetnost, da bodo imele veje, to pomeni, da ne bodo preprosto linija monosaharidov od konca do konca. Primeri polisaharidov vključujejo škrob, glikogen, celulozo in hitin.

Škrob ponavadi tvori v vijačni ali spiralni obliki; to je običajno pri biomolekulah z veliko molekulsko maso. Nasprotno pa je celuloza linearna, sestavljena iz dolge verige glukoznih monomerov z vodikovimi vezmi, ki so v rednih intervalih razporejene med atomi ogljika. Celuloza je sestavina rastlinskih celic in jim daje njihovo togost. Ljudje ne morejo prebaviti celuloze, v prehrani pa jo običajno imenujemo "vlaknine". Hitin je drugi strukturni ogljikovi hidrati, ki jih najdemo v zunanjih telesih členonožcev, kot so žuželke, pajki in rakovice. Hitin je modificiran ogljikov hidrat, saj je "ponarejen" z dovolj dušikovimi atomi. Glikogen je telesna oblika shranjevanja ogljikovih hidratov; usedline glikogena najdemo tako v jetrih kot v mišičnem tkivu. Zahvaljujoč encimskim prilagoditvam v teh tkivih lahko usposobljeni športniki shranijo več glikogena kot sedeči ljudje zaradi svojih visokih energetskih potreb in prehranskih praks.

Tako kot ogljikovi hidrati so tudi beljakovine del vsakdanjega besedišča večine ljudi, saj služijo kot tako imenovano makrohranilo. A beljakovine so neverjetno vsestranske, veliko bolj kot ogljikovi hidrati. Pravzaprav brez beljakovin ne bi bilo ogljikovih hidratov ali lipidov, ker so encimi, potrebni za sintezo (pa tudi za prebavo) teh molekul, sami beljakovine.

Monomeri beljakovin so aminokisline. Sem spadata skupina karboksilne kisline (-COOH) in amino (-NH₂) skupina. Ko se aminokisline med seboj povežejo, gre preko vodikove vezi med karboksilno kislinsko skupino ene aminokisline in aminokislino druge molekule vode (H₂O) sprosti v postopku. Naraščajoča veriga aminokislin je polipeptid, in ko je dovolj dolga in dobi svojo tridimenzionalno obliko, je polnopravna beljakovina. V nasprotju z ogljikovimi hidrati beljakovine nikoli ne kažejo vej; so le veriga karboksilnih skupin, združenih z amino skupinami. Ker mora imeti ta veriga začetek in konec, ima en konec prosto amino skupino in se imenuje N-terminal, drugi pa prosto amino skupino in se imenuje C-terminal. Ker obstaja 20 aminokislin in jih je mogoče razporediti v poljubnem vrstnem redu, je sestava beljakovin zelo raznolika, čeprav ne pride do razvejanja.

Beljakovine imajo tako imenovano primarno, sekundarno, terciarno in četrtinsko strukturo. Primarna struktura se nanaša na zaporedje aminokislin v beljakovinah in je genetsko pogojeno. Sekundarna struktura se nanaša na upogibanje ali pregibanje verige, običajno na ponavljajoč se način. Nekatere konformacije vključujejo alfa-vijačnico in naguban list, ki so posledica šibkih vodikovih vezi med stranskimi verigami različnih aminokislin. Terciarna struktura je sukanje in zvijanje beljakovin v tridimenzionalnem prostoru in med drugim lahko vključuje disulfidne vezi (žveplo do žvepla) in vodikove vezi. Na koncu se kvaternarna struktura nanaša na več kot eno polipeptidno verigo v isti makromolekuli. To se zgodi v kolagenu, ki je sestavljen iz treh verig, ki so zvite in zvite kot vrv.

Beljakovine lahko služijo kot encimi, ki katalizirajo biokemične reakcije v telesu; kot hormoni, kot sta insulin in rastni hormon; kot strukturni elementi; in kot sestavni deli celične membrane.

Lipidi so raznolik nabor makromolekul, vendar imajo vsi skupnost, da so hidrofobni; to pomeni, da se v vodi ne raztopijo. To je zato, ker so lipidi električno nevtralni in zato nepolarni, medtem ko je voda polarna molekula. Lipidi vključujejo trigliceride (maščobe in olja), fosfolipide, karotenoide, steroide in voske. Vključeni so predvsem v tvorbo in stabilnost celične membrane, tvorijo dele hormonov in se uporabljajo kot shranjeno gorivo. Maščobe, vrsta lipidov, so tretja vrsta makrohranil, z ogljikovimi hidrati in beljakovinami, o katerih smo že govorili. Z oksidacijo njihovih tako imenovanih maščobnih kislin dovajajo 9 kalorij na gram, v nasprotju s 4 kalorijami na gram, ki jih dovajajo tako ogljikovi hidrati kot maščobe.

Lipidi niso polimeri, zato so v različnih oblikah. Tako kot ogljikovi hidrati so sestavljeni iz ogljika, vodika in kisika. Trigliceridi so sestavljeni iz treh maščobnih kislin, povezanih z molekulo glicerola, alkohola s tremi ogljiki. Te stranske verige maščobnih kislin so dolgi, preprosti ogljikovodiki. Te verige imajo lahko dvojne vezi in če imajo, to tvori maščobno kislino nenasičen. Če obstaja samo ena taka dvojna vez, je maščobna kislina enkrat nenasičen. Če sta dva ali več, je polinenasičene. Te različne vrste maščobnih kislin imajo različne posledice za zdravje ljudi zaradi njihovih učinkov na stene krvnih žil. Nasičene maščobe, ki nimajo dvojnih vezi, so pri sobni temperaturi trdne in so običajno živalske; ti ponavadi povzročajo arterijske obloge in lahko prispevajo k srčnim boleznim. Z maščobnimi kislinami je mogoče kemično manipulirati, nenasičene maščobe, kot so rastlinska olja, pa lahko postanejo nasičene, tako da so trdne in primerne za uporabo pri sobni temperaturi, kot je margarina.

Fosfolipidi, ki imajo na enem koncu hidrofobni lipid, na drugem pa hidrofilni fosfat, so pomembna sestavina celičnih membran. Te membrane so sestavljene iz fosfolipidnega dvosloja. Oba lipidna dela, ki sta hidrofobna, sta obrnjena navzven in v notranjost celice, medtem ko se hidrofilni repi fosfata srečajo v središču dvosloja.

Drugi lipidi vključujejo steroide, ki služijo kot hormoni in predhodniki hormonov (npr. Holesterol) in vsebujejo vrsto značilnih obročastih struktur; in voski, ki vključujejo čebelji vosek in lanolin.

Nukleinske kisline vključujejo deoksiribonukleinsko kislino (DNA) in ribonukleinsko kislino (RNA). Ti so si strukturno zelo podobni, saj sta oba polimera, v katerem so monomerne enote nukleotidi. Nukleotidi so sestavljeni iz skupine pentoznih sladkorjev, fosfatne skupine in dušikove bazne skupine. Tako v DNA kot v RNA so te osnove lahko ena od štirih vrst; v nasprotnem primeru so vsi nukleotidi DNA enaki kot tudi RNA.

DNA in RNA se razlikujejo na tri glavne načine. Eno je, da je v DNA pentozni sladkor deoksiriboza, v RNA pa riboza. Ti sladkorji se razlikujejo za točno en atom kisika. Druga razlika je v tem, da je DNK običajno dvoverižna in tvori dvojno vijačnico, ki so jo v petdesetih letih prejšnjega stoletja odkrili Watson in Crick's team, toda RNA je enoverižna. Tretji je, da DNA vsebuje dušikove baze adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T), vendar ima RNA uracil (U), ki je nadomeščen s timinom.

DNK hrani dedne podatke. Dolžine nukleotidov sestavljajo geni, ki vsebujejo informacije prek dušikovih baznih zaporedij za proizvodnjo specifičnih proteinov. Veliko genov sestavlja kromosomi, in vsota kromosomov organizma (ljudje imamo 23 parov) je njegova genom. DNA se uporablja v procesu transkripcije, da tvori obliko RNA, imenovano messenger RNA (mRNA). Ta kodirane informacije shrani na nekoliko drugačen način in jih premakne iz celičnega jedra, kjer je DNK, v celično plazmo ali matriks celice. Tu druge vrste RNA sprožijo proces prevajanja, pri katerem se beljakovine tvorijo in pošiljajo po celi celici.