Vad är de fyra makromolekylerna i livet?

Biologi - eller informellt själva livet - kännetecknas av eleganta makromolekyler som har utvecklats under hundratals miljoner år för att tjäna en rad kritiska funktioner. Dessa kategoriseras ofta i fyra bastyper: kolhydrater (eller polysackarider), lipider, proteiner och nukleinsyror. Om du har någon bakgrund inom näring, kommer du att känna igen de tre första av dessa som de tre vanliga makronäringsämnena (eller "makron" i bantningsspråket) som anges på etiketter för näringsinformation. Den fjärde avser två nära besläktade molekyler som utgör grunden för lagring och översättning av genetisk information i alla levande saker.

Var och en av dessa fyra makromolekyler i livet, eller biomolekyler, utför en mängd olika uppgifter; som du förväntar dig är deras olika roller utsökt relaterade till deras olika fysiska komponenter och arrangemang.

A makromolekyl är en mycket stor molekyl, som vanligtvis består av upprepade underenheter som kallas monomerer, som inte kan reduceras till enklare beståndsdelar utan att offra "byggsten" -elementet. Även om det inte finns någon standarddefinition för hur stor en molekyl måste vara för att förtjäna "makro" -prefixet, har de i allmänhet åtminstone tusentals atomer. Du har nästan säkert sett denna typ av konstruktion i den icke-naturliga världen; Till exempel består många typer av tapeter, även om de är detaljerade i design och fysiskt expansiva överlag, av angränsande underenheter som ofta är mindre än en kvadratfot eller så stora. Ännu mer uppenbart kan en kedja betraktas som en makromolekyl där de enskilda länkarna är "monomererna".

En viktig punkt om biologiska makromolekyler är att, med undantag av lipider, deras monomerenheter är polära, vilket innebär att de har en elektrisk laddning som inte distribueras symmetriskt. Schematiskt har de "huvuden" och "svansar" med olika fysikaliska och kemiska egenskaper. Eftersom monomererna går ihop mot varandra är makromolekyler själva också polära.

Dessutom har alla biomolekyler stora mängder av grundämnet kol. Du kanske har hört vilken typ av liv på jorden (med andra ord, den enda typen vi vet med säkerhet finns någonstans) kallad "kolbaserat liv" och med goda skäl. Men och kväve, syre, väte och fosfor är oumbärliga för levande saker också, och en mängd andra element är i blandningen i mindre grad.

Det är en nästan säkerhet att när du ser eller hör ordet "kolhydrat" är det första du tänker på "mat", och kanske mer specifikt, "något i mat som många människor har för avsikt att att bli av. "" Lo-carb "och" no-carb "blev båda viktminskningsord i början av 2000-talet, och termen" carbo-loading "har funnits kring uthållighets-idrottsgemenskapen sedan 1970-talet. Men i själva verket är kolhydrater mycket mer än bara en energikälla för levande saker.

Kolhydratmolekyler har alla formeln (CH₂O)_ndär n är antalet närvarande kolatomer. Detta betyder att förhållandet C: H: O är 1: 2: 1. Till exempel har de enkla sockerarterna glukos, fruktos och galaktos alla formeln C₆H₁₂O₆ (atomerna i dessa tre molekyler är naturligtvis ordnade annorlunda).

Kolhydrater klassificeras som monosackarider, disackarider och polysackarider. En monosackarid är monomerenheten av kolhydrater, men vissa kolhydrater består av endast en monomer, såsom glukos, fruktos och galaktos. Vanligtvis är dessa monosackarider mest stabila i ringform, som schematiskt avbildas som en sexkant.

Disackarider är sockerarter med två monomera enheter, eller ett par monosackarider. Dessa underenheter kan vara desamma (som i maltos, som består av två sammanfogade glukosmolekyler) eller olika (som i sackaros, eller bordssocker, som består av en glukosmolekyl och en fruktos molekyl. Bindningar mellan monosackarider kallas glykosidbindningar.

Polysackarider innehåller tre eller flera monosackarider. Ju längre dessa kedjor är, desto mer sannolikt är det att de har grenar, det vill säga att de inte bara är en rad monosackarider från slut till slut. Exempel på polysackarider inkluderar stärkelse, glykogen, cellulosa och kitin.

Stärkelse tenderar att bildas i en spiral eller spiralform; detta är vanligt i biomolekyler med hög molekylvikt i allmänhet. Cellulosa är däremot linjär och består av en lång kedja av glukosmonomerer med vätebindningar mellan varandra mellan kolatomer med jämna mellanrum. Cellulosa är en del av växtceller och ger dem sin styvhet. Människor kan inte smälta cellulosa, och i kosten kallas det vanligtvis "fiber". Chitin är en annan strukturell kolhydrat som finns i de yttre kropparna av leddjur som insekter, spindlar och krabbor. Kitin är ett modifierat kolhydrat, eftersom det "förfalskas" med rikliga kväveatomer. Glykogen är kroppens lagringsform av kolhydrater. avlagringar av glykogen finns i både lever och muskelvävnad. Tack vare enzymanpassningar i dessa vävnader kan utbildade idrottare lagra mer glykogen än stillasittande människor på grund av deras höga energibehov och näringsmässiga metoder.

Precis som kolhydrater är proteiner en del av de flesta människors dagliga ordförråd på grund av att de fungerar som ett så kallat makronäringsämne. Men proteiner är otroligt mångsidiga, mycket mer än kolhydrater. I själva verket utan proteiner skulle det inte finnas några kolhydrater eller lipider eftersom de enzymer som behövs för att syntetisera (såväl som att smälta) dessa molekyler själva är proteiner.

Proteinernas monomerer är aminosyror. Dessa inkluderar en karboxylsyra (-COOH) grupp och en amino (-NH₂) grupp. När aminosyror förenas med varandra är det via en vätebindning mellan karboxylsyragruppen på en av aminosyrorna och aminogruppen hos den andra, med en molekyl vatten (H₂O) släpptes under processen. En växande kedja av aminosyror är en polypeptid, och när den är tillräckligt lång och antar sin tredimensionella form är den ett fullfjädrat protein. Till skillnad från kolhydrater visar proteiner aldrig grenar; de är bara en kedja av karboxylgrupper förenade med aminogrupper. Eftersom denna kedja måste ha en början och ett slut, har ena änden en fri aminogrupp och kallas N-terminalen, medan den andra har en fri aminogrupp och kallas C-terminalen. Eftersom det finns 20 aminosyror, och dessa kan ordnas i valfri ordning, är sammansättningen av proteiner extremt varierad även om ingen förgrening inträffar.

Proteiner har vad som kallas primär, sekundär, tertiär och kvartär struktur. Primärstruktur avser sekvensen av aminosyror i proteinet och den bestäms genetiskt. Sekundär struktur avser böjning eller kinkning i kedjan, vanligtvis på ett repetitivt sätt. Vissa konformationer inkluderar en alfa-helix och ett beta-veckat ark och är resultatet av svaga vätebindningar mellan sidokedjor av olika aminosyror. Tertiär struktur är vridning och krulning av proteinet i tredimensionellt utrymme och kan innefatta disulfidbindningar (svavel till svavel) och vätebindningar, bland andra. Slutligen avser kvaternär struktur mer än en polypeptidkedja i samma makromolekyl. Detta inträffar i kollagen, som består av tre kedjor tvinnade och lindade ihop som ett rep.

Proteiner kan fungera som enzymer som katalyserar biokemiska reaktioner i kroppen; som hormoner, såsom insulin och tillväxthormon; som strukturella element; och som cellmembrankomponenter.

Lipider är en mängd olika makromolekyler, men de delar alla särdraget att vara hydrofoba; de löser sig inte i vatten. Detta beror på att lipider är elektriskt neutrala och därför icke-polära, medan vatten är en polär molekyl. Lipider inkluderar triglycerider (fetter och oljor), fosfolipider, karotenoider, steroider och vaxer. De är främst involverade i cellmembranbildning och stabilitet, bildar delar av hormoner och används som lagrat bränsle. Fetter, en typ av lipid, är den tredje typen av makronäringsämnen, med kolhydrater och proteiner som diskuterats tidigare. Via oxidation av deras så kallade fettsyror levererar de 9 kalorier per gram i motsats till de 4 kalorier per gram som levereras av både kolhydrater och fetter.

Lipider är inte polymerer, så de finns i en mängd olika former. Liksom kolhydrater består de av kol, väte och syre. Triglycerider består av tre fettsyror förenade med en molekyl av glycerol, en tre-kolalkohol. Dessa fettsyrasidokedjor är långa, enkla kolväten. Dessa kedjor kan ha dubbelbindningar, och om de gör det gör det fettsyran omättad. Om det bara finns en sådan dubbelbindning är fettsyran enkelomättad. Om det finns två eller fler är det fleromättad. Dessa olika typer av fettsyror har olika hälsoeffekter för olika människor på grund av deras effekter på väggarna i blodkärlen. Mättade fetter, som inte har några dubbelbindningar, är fasta vid rumstemperatur och är vanligtvis animaliska fetter; dessa tenderar att orsaka arteriella plack och kan bidra till hjärtsjukdomar. Fettsyror kan manipuleras kemiskt och omättade fetter såsom vegetabiliska oljor kan göras mättade så att de är fasta och bekväma att använda vid rumstemperatur, som margarin.

Fosfolipider, som har en hydrofob lipid i ena änden och ett hydrofilt fosfat i den andra, är en viktig komponent i cellmembran. Dessa membran består av ett fosfolipid dubbelskikt. De två lipiddelarna, som är hydrofoba, vetter mot cellens utsida och inre, medan de hydrofila svansarna av fosfat möts i mitten av dubbelskiktet.

Andra lipider inkluderar steroider, som fungerar som hormoner och hormonprekursorer (t.ex. kolesterol) och innehåller en serie av distinkta ringstrukturer; och vaxer, som inkluderar bivax och lanolin.

Nukleinsyror inkluderar deoxiribonukleinsyra (DNA) och ribonukleinsyra (RNA). Dessa är mycket lika strukturellt eftersom båda är polymerer i vilka de monomera enheterna är nukleotider. Nukleotider består av en pentosockergrupp, en fosfatgrupp och en kvävebasgrupp. I både DNA och RNA kan dessa baser vara av fyra typer; annars är alla nukleotiderna av DNA identiska, liksom de för RNA.

DNA och RNA skiljer sig åt på tre huvudsakliga sätt. Det ena är att pentosockret i DNA är deoxiribos och i RNA är det ribos. Dessa sockerarter skiljer sig åt med exakt en syreatom. Den andra skillnaden är att DNA vanligtvis är dubbelsträngat och bildar den dubbla helix som upptäcktes på 1950-talet av Watson och Crick's team, men RNA är enkelsträngat. Det tredje är att DNA innehåller kvävebaserna adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T), men RNA har uracil (U) ersatt av tymin.

DNA lagrar ärftlig information. Längder av nukleotider utgör gener, som innehåller informationen, via kvävebaserade sekvenser, för att tillverka specifika proteiner. Massor av gener utgör kromosomer, och summan av en organisms kromosomer (människor har 23 par) är dess genom. DNA används i transkriptionsprocessen för att skapa en form av RNA som kallas messenger RNA (mRNA). Detta lagrar den kodade informationen på ett något annorlunda sätt och flyttar den ut ur cellkärnan där DNA är och in i cellcytoplasman eller matrisen. Här initierar andra typer av RNA processen för translation, där proteiner tillverkas och skickas över hela cellen.