โมเลกุลทั้งสี่ของชีวิตคืออะไร?

ชีววิทยา (หรืออย่างไม่เป็นทางการคือ ชีวิต) มีลักษณะเด่นด้วยโมเลกุลขนาดใหญ่ที่สง่างามซึ่งมีวิวัฒนาการมาเป็นเวลาหลายร้อยล้านปีเพื่อทำหน้าที่สำคัญต่างๆ เหล่านี้มักจะแบ่งออกเป็นสี่ประเภทพื้นฐาน: คาร์โบไฮเดรต (หรือพอลิแซ็กคาไรด์) ไขมัน โปรตีน และกรดนิวคลีอิก หากคุณมีพื้นฐานด้านโภชนาการ คุณจะจำได้ว่าสามอันดับแรกในสามสิ่งเหล่านี้เป็นธาตุอาหารหลักมาตรฐานสามชนิด (หรือ "มาโคร" ในสำนวนการอดอาหาร) ที่ระบุไว้บนฉลากข้อมูลโภชนาการ ส่วนที่สี่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดสองโมเลกุลซึ่งทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการจัดเก็บและการแปลข้อมูลทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

โมเลกุลขนาดใหญ่ทั้งสี่ของชีวิตหรือชีวโมเลกุลเหล่านี้ทำหน้าที่ที่หลากหลาย อย่างที่คุณคาดไว้ บทบาทที่แตกต่างกันของพวกเขามีความเกี่ยวข้องอย่างดีเยี่ยมกับส่วนประกอบและการจัดเตรียมทางกายภาพต่างๆ

อา โมเลกุลใหญ่ เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่มาก มักประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่า โมโนเมอร์ซึ่งไม่สามารถลดลงเป็นองค์ประกอบที่ง่ายกว่าโดยไม่ต้องเสียสละองค์ประกอบ "แบบสำเร็จรูป" แม้ว่าจะไม่มีคำจำกัดความมาตรฐานว่าโมเลกุลจะต้องมีขนาดใหญ่เพียงใดจึงจะได้รับคำนำหน้า "มาโคร" แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีอะตอมอย่างน้อยหลายพันอะตอม คุณคงเคยเห็นสิ่งก่อสร้างแบบนี้มาแล้วในโลกที่ไม่ใช่ธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น วอลล์เปเปอร์หลายชนิด ในขณะที่ออกแบบอย่างประณีตและกว้างขวางโดยรวม ประกอบด้วยหน่วยย่อยที่อยู่ติดกันซึ่งมักมีขนาดเล็กกว่าตารางฟุต ชัดเจนยิ่งขึ้นไปอีกว่าสายโซ่สามารถถือได้ว่าเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่โดยที่การเชื่อมโยงแต่ละรายการคือ "โมโนเมอร์"

จุดสำคัญเกี่ยวกับโมเลกุลขนาดใหญ่ทางชีววิทยาคือ ยกเว้นลิพิด พวกมัน หน่วยโมโนเมอร์มีขั้ว หมายความว่า มีประจุไฟฟ้าไม่กระจาย สมมาตร. แผนผังมี "หัว" และ "หาง" ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีต่างกัน เนื่องจากโมโนเมอร์เชื่อมต่อกันแบบตัวต่อตัว โมเลกุลขนาดใหญ่เองก็มีขั้วเช่นกัน

นอกจากนี้ ชีวโมเลกุลทั้งหมดมีธาตุคาร์บอนในปริมาณสูง คุณอาจเคยได้ยินชนิดของชีวิตบนโลก (กล่าวอีกนัยหนึ่ง สิ่งมีชีวิตชนิดเดียวที่เราทราบว่ามีอยู่ทุกที่) เรียกว่า "ชีวิตที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบ" และมีเหตุผลที่ดี แต่ไนโตรเจน ออกซิเจน ไฮโดรเจน และฟอสฟอรัสก็เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับสิ่งมีชีวิตเช่นกัน และองค์ประกอบอื่นๆ อีกหลายอย่างรวมกันในระดับที่น้อยกว่า

ค่อนข้างจะแน่นอนว่าเมื่อคุณเห็นหรือได้ยินคำว่า "คาร์โบไฮเดรต" สิ่งแรกที่คุณนึกถึงคือ "อาหาร" และบางทีอาจเจาะจงกว่านั้น "บางสิ่งในอาหาร ที่หลายคนตั้งใจไว้ การกำจัด" "Lo-carb" และ "no-carb" กลายเป็นคำศัพท์เกี่ยวกับการลดน้ำหนักในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 และคำว่า "carbo-loading" เป็นชุมชนกีฬาความอดทนตั้งแต่ ทศวรรษ 1970 แต่ในความเป็นจริง คาร์โบไฮเดรตเป็นมากกว่าแหล่งพลังงานสำหรับสิ่งมีชีวิต

โมเลกุลของคาร์โบไฮเดรตล้วนมีสูตร (CH₂อ)_นโดยที่ n คือจำนวนอะตอมของคาร์บอนที่มีอยู่ ซึ่งหมายความว่าอัตราส่วน C: H: O คือ 1:2:1 ตัวอย่างเช่น น้ำตาลกลูโคส ฟรุกโตส และกาแลคโตสอย่างง่ายล้วนมีสูตร C₆โฮ₁₂อู๋₆ (แน่นอนว่าอะตอมของโมเลกุลทั้งสามนี้จัดเรียงต่างกัน)

คาร์โบไฮเดรตจัดอยู่ในประเภท monosaccharides, disaccharides และ polysaccharides โมโนแซ็กคาไรด์เป็นหน่วยโมโนเมอร์ของคาร์โบไฮเดรต แต่คาร์โบไฮเดรตบางชนิดประกอบด้วยโมโนเมอร์เพียงตัวเดียว เช่น กลูโคส ฟรุกโตส และกาแลคโตส โดยปกติแล้ว โมโนแซ็กคาไรด์เหล่านี้จะเสถียรที่สุดในรูปวงแหวน ซึ่งแสดงแผนภาพเป็นรูปหกเหลี่ยม

ไดแซ็กคาไรด์คือน้ำตาลที่มีหน่วยโมโนเมอร์สองหน่วยหรือโมโนแซ็กคาไรด์หนึ่งคู่ หน่วยย่อยเหล่านี้สามารถเหมือนกันได้ (เช่นเดียวกับในมอลโตส ซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลกลูโคสสองโมเลกุลที่เชื่อมต่อกัน) หรือ ต่างกัน (เช่นในซูโครสหรือน้ำตาลตารางซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลกลูโคสหนึ่งโมเลกุลและฟรุกโตสหนึ่งตัว โมเลกุล พันธะระหว่างโมโนแซ็กคาไรด์เรียกว่าพันธะไกลโคซิดิก

โพลีแซ็กคาไรด์ประกอบด้วยโมโนแซ็กคาไรด์ตั้งแต่สามตัวขึ้นไป ยิ่งสายโซ่เหล่านี้ยาวเท่าไร ก็ยิ่งมีแนวโน้มที่จะมีกิ่งก้านมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ ไม่ใช่แค่สายของโมโนแซ็กคาไรด์จากปลายถึงปลาย ตัวอย่างของพอลิแซ็กคาไรด์รวมถึงแป้ง ไกลโคเจน เซลลูโลสและไคติน

แป้งมีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นเกลียวหรือรูปทรงเกลียว นี่เป็นเรื่องปกติในชีวโมเลกุลที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงโดยทั่วไป ในทางตรงกันข้าม เซลลูโลสมีลักษณะเป็นเส้นตรง ซึ่งประกอบด้วยสายโซ่ยาวของโมโนเมอร์กลูโคสที่มีพันธะไฮโดรเจนกระจายตัวระหว่างอะตอมของคาร์บอนในช่วงเวลาปกติ เซลลูโลสเป็นส่วนประกอบของเซลล์พืชและให้ความแข็งแกร่ง มนุษย์ไม่สามารถย่อยเซลลูโลสได้ และในอาหารมักเรียกกันว่า "ไฟเบอร์" ไคตินคือ คาร์โบไฮเดรตเชิงโครงสร้างอีกชนิดหนึ่งที่พบในร่างกายชั้นนอกของสัตว์ขาปล้อง เช่น แมลง แมงมุม และ ปู. ไคตินเป็นคาร์โบไฮเดรตดัดแปลง เนื่องจาก "เจือปน" ด้วยอะตอมไนโตรเจนจำนวนมาก ไกลโคเจนเป็นรูปแบบการจัดเก็บคาร์โบไฮเดรตของร่างกาย การสะสมของไกลโคเจนพบได้ทั้งในตับและเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อ ต้องขอบคุณการปรับตัวของเอ็นไซม์ในเนื้อเยื่อเหล่านี้ นักกีฬาที่ผ่านการฝึกอบรมสามารถเก็บไกลโคเจนได้มากกว่าคนที่อยู่นิ่งๆ อันเป็นผลมาจากความต้องการพลังงานสูงและการปฏิบัติด้านโภชนาการของพวกเขา

เช่นเดียวกับคาร์โบไฮเดรต โปรตีนเป็นส่วนหนึ่งของคำศัพท์ในชีวิตประจำวันของคนส่วนใหญ่เนื่องจากทำหน้าที่เป็นสารอาหารหลักที่เรียกว่า แต่โปรตีนมีความหลากหลายอย่างเหลือเชื่อ มากกว่าคาร์โบไฮเดรต อันที่จริง ถ้าไม่มีโปรตีน ก็ไม่มีคาร์โบไฮเดรตหรือไขมันเพราะเอนไซม์ที่จำเป็นในการสังเคราะห์ (เช่นเดียวกับการย่อย) โมเลกุลเหล่านี้ก็คือโปรตีนนั่นเอง

โมโนเมอร์ของโปรตีนคือกรดอะมิโน ซึ่งรวมถึงกลุ่มกรดคาร์บอกซิลิก (-COOH) และอะมิโน (-NH₂) กลุ่ม เมื่อกรดอะมิโนมารวมกันเป็นพันธะไฮโดรเจนระหว่างหมู่กรดคาร์บอกซิลิกบนกรดอะมิโนตัวหนึ่งกับหมู่อะมิโนของอีกตัวหนึ่ง โดยมีโมเลกุลของน้ำ (H₂O) ปล่อยออกมาในกระบวนการ สายโซ่ของกรดอะมิโนที่กำลังเติบโตคือพอลิเปปไทด์ และเมื่อมันมีความยาวเพียงพอและถือว่ามีรูปร่างสามมิติ มันจะเป็นโปรตีนที่เต็มเปี่ยม โปรตีนไม่เคยแตกแขนงเหมือนคาร์โบไฮเดรต พวกมันเป็นเพียงสายโซ่ของหมู่คาร์บอกซิลที่เชื่อมกับหมู่อะมิโน เนื่องจากสายโซ่นี้ต้องมีจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด ปลายด้านหนึ่งมีหมู่อะมิโนอิสระและเรียกว่าปลาย N ในขณะที่อีกสายหนึ่งมีหมู่อะมิโนอิสระและเรียกว่าปลาย C เนื่องจากมีกรดอะมิโน 20 ชนิด และสามารถจัดเรียงตามลำดับใดก็ได้ องค์ประกอบของโปรตีนจึงมีความหลากหลายอย่างมากแม้ว่าจะไม่มีการแตกแขนงเกิดขึ้น

โปรตีนมีสิ่งที่เรียกว่าโครงสร้างปฐมภูมิ ทุติยภูมิ ตติยภูมิ และไตรมาส โครงสร้างปฐมภูมิหมายถึงลำดับของกรดอะมิโนในโปรตีนและถูกกำหนดโดยพันธุกรรม โครงสร้างทุติยภูมิหมายถึงการดัดหรือหักงอในห่วงโซ่ ซึ่งมักจะมีลักษณะซ้ำๆ โครงสร้างบางอย่างรวมถึงเกลียวอัลฟ่าและแผ่นจีบแบบเบตา และเป็นผลมาจากพันธะไฮโดรเจนที่อ่อนแอระหว่างสายด้านข้างของกรดอะมิโนที่ต่างกัน โครงสร้างตติยภูมิคือการบิดตัวและการม้วนงอของโปรตีนในพื้นที่สามมิติ และสามารถเกี่ยวข้องกับพันธะไดซัลไฟด์ (กำมะถันกับกำมะถัน) และพันธะไฮโดรเจน เป็นต้น ในที่สุด โครงสร้างควอเทอร์นารีหมายถึงสายโซ่โพลีเปปไทด์มากกว่าหนึ่งสายในโมเลกุลขนาดใหญ่เดียวกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นในคอลลาเจนซึ่งประกอบด้วยสามโซ่บิดและขดเข้าด้วยกันเหมือนเชือก

โปรตีนสามารถทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ซึ่งกระตุ้นปฏิกิริยาทางชีวเคมีในร่างกาย เป็นฮอร์โมนเช่นอินซูลินและฮอร์โมนการเจริญเติบโต เป็นองค์ประกอบโครงสร้าง และเป็นส่วนประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์

ลิปิดเป็นชุดของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่หลากหลาย แต่พวกมันทั้งหมดมีลักษณะเหมือนไม่ชอบน้ำ นั่นคือไม่ละลายในน้ำ เนื่องจากไขมันมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่มีขั้ว ในขณะที่น้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว ลิปิด ได้แก่ ไตรกลีเซอไรด์ (ไขมันและน้ำมัน) ฟอสโฟลิปิด แคโรทีนอยด์ สเตียรอยด์ และแว็กซ์ พวกมันส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวและความเสถียรของเยื่อหุ้มเซลล์ เป็นส่วนหนึ่งของฮอร์โมน และถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงที่เก็บไว้ ไขมันซึ่งเป็นไขมันชนิดหนึ่งเป็นธาตุอาหารหลักประเภทที่สาม โดยมีคาร์โบไฮเดรตและโปรตีนที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ โดยการออกซิเดชันของกรดไขมันที่เรียกว่า พวกมันให้พลังงาน 9 แคลอรีต่อกรัม ซึ่งต่างจาก 4 แคลอรีต่อกรัมที่มาจากทั้งคาร์โบไฮเดรตและไขมัน

ลิปิดไม่ใช่โพลีเมอร์ จึงมีหลายรูปแบบ เช่นเดียวกับคาร์โบไฮเดรต ประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน ไตรกลีเซอไรด์ประกอบด้วยกรดไขมันสามชนิดที่เชื่อมกับโมเลกุลของกลีเซอรอล ซึ่งเป็นแอลกอฮอล์สามคาร์บอน โซ่ข้างของกรดไขมันเหล่านี้ยาว ไฮโดรคาร์บอนอย่างง่าย โซ่เหล่านี้สามารถมีพันธะคู่ได้ และถ้าเป็นเช่นนั้น จะทำให้กรดไขมัน that ไม่อิ่มตัว. หากมีพันธะคู่เช่นนั้นเพียงพันธะเดียว กรดไขมันก็คือ ไม่อิ่มตัวเชิงเดี่ยว. ถ้ามีตั้งแต่สองคนขึ้นไปก็จะเป็น ไม่อิ่มตัว. กรดไขมันประเภทต่าง ๆ เหล่านี้มีผลดีต่อสุขภาพที่แตกต่างกันในแต่ละคน เนื่องจากมีผลต่อผนังหลอดเลือด ไขมันอิ่มตัวซึ่งไม่มีพันธะคู่ เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้องและมักเป็นไขมันสัตว์ สิ่งเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดเนื้อเยื่อหลอดเลือดและอาจนำไปสู่โรคหัวใจ กรดไขมันสามารถจัดการทางเคมีได้ และไขมันไม่อิ่มตัว เช่น น้ำมันพืช สามารถทำให้อิ่มตัวได้ เพื่อให้เป็นของแข็งและสะดวกต่อการใช้งานที่อุณหภูมิห้อง เช่น มาการีน

ฟอสโฟลิปิดซึ่งมีไขมันไม่ชอบน้ำที่ปลายด้านหนึ่งและฟอสเฟตที่ชอบน้ำที่ปลายอีกด้านหนึ่ง เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของเยื่อหุ้มเซลล์ เยื่อหุ้มเหล่านี้ประกอบด้วยฟอสโฟลิปิด bilayer ไขมันทั้งสองส่วนที่ไม่ชอบน้ำ หันหน้าไปทางด้านนอกและด้านในของเซลล์ ในขณะที่ส่วนหางที่ชอบน้ำของฟอสเฟตมาบรรจบกันที่ศูนย์กลางของ bilayer

ลิพิดอื่นๆ ได้แก่ สเตียรอยด์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นฮอร์โมนและสารตั้งต้นของฮอร์โมน (เช่น โคเลสเตอรอล) และมีชุดของโครงสร้างวงแหวนที่โดดเด่น และแว็กซ์ซึ่งรวมถึงขี้ผึ้งและลาโนลิน

กรดนิวคลีอิก ได้แก่ กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) และกรดไรโบนิวคลีอิก (RNA) สิ่งเหล่านี้มีโครงสร้างคล้ายกันมากเนื่องจากทั้งคู่เป็นโพลีเมอร์ซึ่งมีหน่วยโมโนเมอร์mer นิวคลีโอไทด์. นิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยกลุ่มน้ำตาลเพนโทส กลุ่มฟอสเฟต และกลุ่มเบสไนโตรเจน ทั้งใน DNA และ RNA เบสเหล่านี้สามารถเป็นหนึ่งในสี่ประเภท มิฉะนั้น นิวคลีโอไทด์ทั้งหมดของดีเอ็นเอจะเหมือนกัน เช่นเดียวกับของอาร์เอ็นเอ

DNA และ RNA แตกต่างกันในสามวิธีหลัก หนึ่งคือใน DNA น้ำตาลเพนโทสคือดีออกซีไรโบส และในอาร์เอ็นเอคือไรโบส น้ำตาลเหล่านี้แตกต่างไปตามอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอม ข้อแตกต่างประการที่สองคือ DNA มักจะเป็นแบบเกลียวคู่ ก่อตัวเป็นเกลียวคู่ที่ค้นพบในปี 1950 โดยทีมของวัตสันและคริก แต่ RNA เป็นสายเดี่ยว ประการที่สามคือ DNA ประกอบด้วยฐานไนโตรเจน adenine (A), cytosine (C), guanine (G) และ thymine (T) แต่ RNA มี uracil (U) แทนที่ thymine

DNA เก็บข้อมูลทางพันธุกรรม ความยาวของนิวคลีโอไทด์ประกอบขึ้น ยีนซึ่งมีข้อมูลผ่านลำดับเบสไนโตรเจน เพื่อผลิตโปรตีนจำเพาะ ยีนมากมายประกอบขึ้น โครโมโซม และผลรวมของโครโมโซมของสิ่งมีชีวิต (มนุษย์มี 23 คู่) คือ จีโนม. DNA ถูกใช้ในกระบวนการถอดรหัสเพื่อสร้างรูปแบบของ RNA ที่เรียกว่า messenger RNA (mRNA) สิ่งนี้จัดเก็บข้อมูลที่เข้ารหัสไว้ในลักษณะที่แตกต่างกันเล็กน้อยและย้ายออกจากนิวเคลียสของเซลล์ที่ DNA อยู่และเข้าไปในเซลล์ไซโตพลาสซึมหรือเมทริกซ์ ที่นี่ RNA ประเภทอื่นเริ่มต้นกระบวนการแปลซึ่งโปรตีนถูกสร้างขึ้นและส่งไปทั่วเซลล์