Yaşamın Dört Makromolekülü Nelerdir?

Biyoloji - ya da gayri resmi olarak yaşamın kendisi - bir dizi kritik işleve hizmet etmek için yüz milyonlarca yıl boyunca gelişen zarif makromoleküllerle karakterize edilir. Bunlar genellikle dört temel tipte sınıflandırılır: karbonhidratlar (veya polisakaritler), lipitler, proteinler ve nükleik asitler. Beslenme konusunda herhangi bir geçmişiniz varsa, bunlardan ilk üçünü beslenme bilgi etiketlerinde listelenen üç standart makro besin (veya diyet dilinde "makrolar") olarak tanıyacaksınız. Dördüncüsü, tüm canlılarda genetik bilginin depolanması ve çevrilmesi için temel olarak hizmet eden yakından ilişkili iki molekülle ilgilidir.

Yaşamın bu dört makromolekülünün veya biyomoleküllerin her biri çeşitli görevleri yerine getirir; tahmin edebileceğiniz gibi, onların farklı rolleri, çeşitli fiziksel bileşenleri ve düzenlemeleri ile mükemmel bir şekilde ilişkilidir.

bir makro molekül genellikle tekrarlanan alt birimlerden oluşan çok büyük bir moleküldür. monomerler"yapı taşı" öğesinden ödün vermeden daha basit bileşenlere indirgenemez. Bir molekülün "makro" ön ekini kazanmak için ne kadar büyük olması gerektiğine dair standart bir tanım olmasa da, genellikle en az binlerce atoma sahiptirler. Doğal olmayan dünyada bu tür yapıları neredeyse kesinlikle görmüşsünüzdür; örneğin, birçok duvar kağıdı türü, tasarım açısından ayrıntılı ve genel olarak fiziksel olarak geniş olsa da, genellikle bir fit kareden daha küçük olan bitişik alt birimlerden oluşur. Daha da açık bir şekilde, bir zincir, bireysel bağlantıların "monomerler" olduğu bir makromolekül olarak kabul edilebilir.

Biyolojik makromoleküllerle ilgili önemli bir nokta, lipidler hariç, onların monomer birimleri polardır, yani dağıtılmamış bir elektrik yüküne sahiptirler. simetrik olarak. Şematik olarak, farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip "başları" ve "kuyrukları" vardır. Monomerler birbirlerine baştan sona katıldıkları için, makromoleküllerin kendileri de polardır.

Ayrıca, tüm biyomoleküller yüksek miktarda karbon elementine sahiptir. Dünya'daki yaşam türünü (başka bir deyişle, herhangi bir yerde var olduğunu kesin olarak bildiğimiz tek tür) "karbon temelli yaşam" olarak anılan ve iyi bir sebeple duymuş olabilirsiniz. Ancak azot, oksijen, hidrojen ve fosfor da canlılar için vazgeçilmezdir ve karışımda daha az derecede bir dizi başka element bulunur.

"Karbonhidrat" kelimesini gördüğünüzde veya duyduğunuzda, aklınıza ilk gelen şeyin "yemek" ve belki de daha spesifik olarak "birçok insanın yemekte niyet ettiği bir şey" olduğu neredeyse kesindir. "Lo-carb" ve "no-carb", 21. yüzyılın başlarında kilo vermeye yönelik moda sözcükler haline geldi ve "karbon yükleme" terimi, dayanıklılık sporları topluluğunun etrafında 1970'ler. Ama aslında karbonhidratlar canlılar için sadece bir enerji kaynağı olmanın çok ötesindedir.

Karbonhidrat moleküllerinin tümü şu formüle sahiptir (CH₂Ö)_nn, mevcut karbon atomlarının sayısıdır. Bu, C: H:O oranının 1:2:1 olduğu anlamına gelir. Örneğin, basit şekerler olan glikoz, fruktoz ve galaktozun tümü C formülüne sahiptir.₆H₁₂Ö₆ (bu üç molekülün atomları elbette farklı düzenlenmiştir).

Karbonhidratlar monosakkaritler, disakkaritler ve polisakkaritler olarak sınıflandırılır. Bir monosakkarit, karbonhidratların monomer birimidir, ancak bazı karbonhidratlar, glikoz, fruktoz ve galaktoz gibi yalnızca bir monomerden oluşur. Genellikle, bu monosakkaritler, şematik olarak altıgen olarak gösterilen halka biçiminde en kararlıdır.

Disakkaritler, iki monomerik birim veya bir çift monosakkarit içeren şekerlerdir. Bu alt birimler aynı olabilir (birleştirilmiş iki glikoz molekülünden oluşan maltozda olduğu gibi) veya farklı (bir glikoz molekülü ve bir fruktozdan oluşan sakaroz veya sofra şekerinde olduğu gibi) molekül. Monosakkaritler arasındaki bağlara glikozidik bağlar denir.

Polisakkaritler üç veya daha fazla monosakkarit içerir. Bu zincirler ne kadar uzunsa, dallara sahip olmaları, yani uçtan uca bir monosakkarit dizisi olmamaları o kadar olasıdır. Polisakkaritlerin örnekleri arasında nişasta, glikojen, selüloz ve kitin bulunur.

Nişasta sarmal veya spiral şeklinde oluşma eğilimindedir; bu genel olarak yüksek moleküler ağırlıklı biyomoleküllerde yaygındır. Aksine selüloz, düzenli aralıklarla karbon atomları arasına serpiştirilmiş hidrojen bağlarına sahip uzun bir glikoz monomer zincirinden oluşan doğrusaldır. Selüloz, bitki hücrelerinin bir bileşenidir ve onlara sertliklerini verir. İnsanlar selülozu sindiremez ve diyette genellikle "lif" olarak adlandırılır. kitin böcekler, örümcekler ve eklembacaklılar gibi eklembacaklıların dış gövdelerinde bulunan başka bir yapısal karbonhidrat Yengeçler. Kitin, bol miktarda nitrojen atomu ile "katışık" olduğu için modifiye edilmiş bir karbonhidrattır. Glikojen, vücudun karbonhidrat depolama şeklidir; Glikojen birikintileri hem karaciğerde hem de kas dokusunda bulunur. Bu dokulardaki enzim adaptasyonları sayesinde antrenmanlı sporcular, yüksek enerji ihtiyaçları ve beslenme uygulamaları sonucunda sedanter insanlara göre daha fazla glikojen depolayabilmektedir.

Karbonhidratlar gibi proteinler de makro besin olarak hizmet ettikleri için çoğu insanın günlük kelime dağarcığının bir parçasıdır. Ancak proteinler inanılmaz derecede çok yönlüdür, karbonhidratlardan çok daha fazladır. Aslında, proteinler olmadan karbonhidratlar veya lipitler olmazdı çünkü bu molekülleri sentezlemek (aynı zamanda sindirmek) için gereken enzimlerin kendileri proteinlerdir.

Proteinlerin monomerleri amino asitlerdir. Bunlara bir karboksilik asit (-COOH) grubu ve bir amino (-NH) dahildir.₂) grup. Amino asitler birbirine bağlandığında, amino asitlerden birinin üzerindeki karboksilik asit grubu ile diğerinin amino grubu arasında bir molekül su (H) ile bir hidrojen bağı yoluyla olur.₂O) süreçte serbest bırakıldı. Büyüyen bir amino asit zinciri bir polipeptittir ve yeterince uzun olduğunda ve üç boyutlu şeklini aldığında tam teşekküllü bir proteindir. Karbonhidratların aksine, proteinler hiçbir zaman dal göstermezler; bunlar sadece amino gruplarına katılan bir karboksil grupları zinciridir. Bu zincirin bir başı ve bir sonu olması gerektiğinden, bir ucu serbest amino grubuna sahiptir ve N-terminali, diğer ucu ise serbest amino grubuna sahiptir ve C-terminali olarak adlandırılır. 20 amino asit olduğundan ve bunlar herhangi bir sırada düzenlenebildiğinden, dallanma olmamasına rağmen proteinlerin bileşimi son derece değişkendir.

Proteinler, birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül yapı olarak adlandırılan yapıya sahiptir. Birincil yapı, proteindeki amino asit dizisini ifade eder ve genetik olarak belirlenir. İkincil yapı, zincirde genellikle tekrarlayan bir şekilde bükülme veya bükülme anlamına gelir. Bazı konformasyonlar bir alfa sarmalı ve bir beta kıvrımlı tabaka içerir ve farklı amino asitlerin yan zincirleri arasındaki zayıf hidrojen bağlarından kaynaklanır. Üçüncül yapı, proteinin üç boyutlu uzayda bükülmesi ve kıvrılmasıdır ve diğerleri arasında disülfid bağları (kükürtten kükürte) ve hidrojen bağlarını içerebilir. Son olarak, kuaterner yapı, aynı makromolekülde birden fazla polipeptit zincirini ifade eder. Bu, bir ip gibi bükülmüş ve birbirine sarılmış üç zincirden oluşan kolajende meydana gelir.

Proteinler, vücuttaki biyokimyasal reaksiyonları katalize eden enzimler olarak hizmet edebilir; insülin ve büyüme hormonu gibi hormonlar olarak; yapısal elemanlar olarak; ve hücre zarı bileşenleri olarak.

Lipitler çok çeşitli makromoleküllerdir, ancak hepsi hidrofobik olma özelliğini paylaşır; yani suda çözünmezler. Bunun nedeni, lipidlerin elektriksel olarak nötr olması ve dolayısıyla polar olmaması, oysa suyun polar bir molekül olmasıdır. Lipidler, trigliseritleri (yağlar ve sıvı yağlar), fosfolipidleri, karotenoidleri, steroidleri ve mumları içerir. Esas olarak hücre zarı oluşumunda ve stabilitesinde yer alırlar, hormon kısımlarını oluştururlar ve depolanmış yakıt olarak kullanılırlar. Bir tür lipit olan yağlar, daha önce tartışılan karbonhidratlar ve proteinler ile üçüncü tip makro besindir. Sözde yağ asitlerinin oksidasyonu yoluyla, hem karbonhidratlar hem de yağlar tarafından sağlanan gram başına 4 kalorinin aksine, gram başına 9 kalori sağlarlar.

Lipitler polimer değildir, bu nedenle çeşitli formlarda gelirler. Karbonhidratlar gibi, karbon, hidrojen ve oksijenden oluşurlar. Trigliseritler, üç karbonlu bir alkol olan bir gliserol molekülüne bağlı üç yağ asidinden oluşur. Bu yağ asidi yan zincirleri uzun, basit hidrokarbonlardır. Bu zincirler çift bağa sahip olabilir ve eğer öyleyse, bu, yağ asidini yapar. doymamış. Böyle bir çift bağ varsa, yağ asidi tekli doymamış. İki veya daha fazla varsa, çoklu doymamış. Bu farklı yağ asitleri türleri, kan damarlarının duvarları üzerindeki etkileri nedeniyle farklı insanlar için farklı sağlık etkilerine sahiptir. Çift bağı olmayan doymuş yağlar oda sıcaklığında katıdır ve genellikle hayvansal yağlardır; bunlar arteriyel plaklara neden olma eğilimindedir ve kalp hastalığına katkıda bulunabilir. Yağ asitleri kimyasal olarak manipüle edilebilir ve bitkisel yağlar gibi doymamış yağlar, margarin gibi katı ve oda sıcaklığında kullanıma uygun olacak şekilde doymuş hale getirilebilir.

Bir ucunda hidrofobik lipid ve diğer ucunda hidrofilik fosfat bulunan fosfolipidler, hücre zarlarının önemli bir bileşenidir. Bu zarlar bir fosfolipid çift tabakasından oluşur. Hidrofobik olan iki lipid kısmı, hücrenin dışına ve içine bakar, hidrofilik fosfat kuyrukları ise çift tabakanın merkezinde buluşur.

Diğer lipidler, hormonlar ve hormon öncüleri (örneğin kolesterol) olarak hizmet eden ve bir dizi farklı halka yapısı içeren steroidleri; ve balmumu ve lanolin içeren mumlar.

Nükleik asitler arasında deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asit (RNA) bulunur. Her ikisi de monomerik birimlerin bulunduğu polimerler olduğundan, bunlar yapısal olarak çok benzerdir. nükleotidler. Nükleotitler, bir pentoz şeker grubu, bir fosfat grubu ve bir azotlu baz grubundan oluşur. Hem DNA hem de RNA'da bu bazlar dört tipten biri olabilir; aksi takdirde, DNA'nın tüm nükleotitleri, RNA'nınkilerle aynıdır.

DNA ve RNA üç ana şekilde farklılık gösterir. Birincisi, DNA'da pentoz şekerinin deoksiriboz ve RNA'da riboz olmasıdır. Bu şekerler tam olarak bir oksijen atomu ile farklılık gösterir. İkinci fark, DNA'nın genellikle çift sarmallı olması ve 1950'lerde Watson ve Crick'in ekibi tarafından keşfedilen çift sarmalı oluşturması, ancak RNA'nın tek sarmal olmasıdır. Üçüncüsü, DNA'nın azotlu bazlar adenin (A), sitozin (C), guanin (G) ve timin (T) içermesi, ancak RNA'da timin yerine urasil (U) bulunmasıdır.

DNA kalıtsal bilgileri depolar. Nükleotitlerin uzunlukları oluşur genler, nitrojenli baz dizileri aracılığıyla, spesifik proteinler üretmek için bilgileri içeren. Birçok gen oluşur kromozomlar, ve bir organizmanın kromozomlarının toplamı (insanlarda 23 çift vardır) onun genetik şifre. DNA, mesajcı RNA (mRNA) adı verilen bir RNA formu yapmak için transkripsiyon sürecinde kullanılır. Bu, kodlanmış bilgiyi biraz farklı bir şekilde depolar ve onu DNA'nın bulunduğu hücre çekirdeğinden hücre sitoplazmasına veya matrisine taşır. Burada, diğer RNA türleri, proteinlerin yapılıp hücrenin her yerine gönderildiği çeviri sürecini başlatır.