Що таке чотири макромолекули життя?

Біологія - або, неформально, саме життя - характеризується елегантними макромолекулами, які еволюціонували протягом сотень мільйонів років, виконуючи цілий ряд важливих функцій. Вони часто поділяються на чотири основних типи: вуглеводи (або полісахариди), ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти. Якщо у вас є якийсь досвід у харчуванні, ви визнаєте перші три з них як три стандартні макроелементи (або "макроси", якщо говорити дієтичною мовою), перелічені на етикетках з інформацією про харчові продукти. Четверта стосується двох тісно пов'язаних молекул, які служать основою для зберігання та трансляції генетичної інформації у всьому живому.

Кожна з цих чотирьох макромолекул життя, або біомолекул, виконує різноманітні обов'язки; як і слід було очікувати, їхні різні ролі вишукано пов’язані з різними фізичними компонентами та механізмами.

A макромолекула - це дуже велика молекула, яка зазвичай складається з повторюваних субодиниць, які називаються мономери, який неможливо звести до більш простих складових, не жертвуючи елементом "будівельний блок". Хоча не існує стандартного визначення того, наскільки великою має бути молекула, щоб отримати префікс "макро", вони, як правило, мають, як мінімум, тисячі атомів. Ви майже напевно бачили подібний вид будівництва у неприродному світі; наприклад, багато видів шпалер, хоч і вишукано оформлені та фізично експансивні в цілому, складаються із суміжних субодиниць, розмір яких менше приблизно квадратний фут. Ще більш очевидно, що ланцюг можна розглядати як макромолекулу, в якій окремі ланки є "мономерами".

Важливим моментом щодо біологічних макромолекул є те, що, за винятком ліпідів, їх мономерні одиниці є полярними, тобто вони мають електричний заряд, який не розподіляється симетрично. Схематично вони мають «головки» та «хвостики» з різними фізико-хімічними властивостями. Оскільки мономери приєднуються одна до одної головою до хвоста, самі макромолекули також є полярними.

Крім того, всі біомолекули мають велику кількість елемента вуглець. Можливо, ви чули про те, яке життя на Землі (іншими словами, єдиний, який ми точно знаємо, існує де завгодно) називають "життям на основі вуглецю", і з поважною причиною. Але азот, кисень, водень і фосфор також необхідні для живих істот, а безліч інших елементів у меншій мірі перебуває в суміші.

Практично впевнено, що коли ви бачите або чуєте слово «вуглевод», перше, про що ви думаєте, це «їжа», а точніше, «щось у їжі, на яку націлені багато людей позбавлення. "" Lo-carb "і" no-carb "обидва стали модними словами для схуднення на початку 21 століття, а термін" карбонавантаження "існує серед спонсорів витривалості і спорту з 1970-ті. Але насправді вуглеводи - це набагато більше, ніж просто джерело енергії для живих істот.

Всі молекули вуглеводів мають формулу (СН₂O)_п, де n - кількість присутніх атомів вуглецю. Це означає, що співвідношення C: H: O становить 1: 2: 1. Наприклад, прості цукру глюкоза, фруктоза та галактоза мають формулу С₆H₁₂О₆ (атоми цих трьох молекул, звичайно, розташовані по-різному).

Вуглеводи класифікуються як моносахариди, дисахариди та полісахариди. Моносахарид - це мономерна одиниця вуглеводів, але деякі вуглеводи складаються лише з одного мономеру, наприклад, глюкози, фруктози та галактози. Зазвичай ці моносахариди найбільш стійкі у формі кільця, яке схематично зображено як шестикутник.

Дисахариди - це цукри з двома мономерними одиницями або пара моносахаридів. Ці субодиниці можуть бути однаковими (як у мальтозі, яка складається з двох об’єднаних молекул глюкози) або різні (як у сахарозі, або столовому цукрі, який складається з однієї молекули глюкози та однієї фруктози молекула. Зв’язки між моносахаридами називаються глікозидними зв’язками.

Полісахариди містять три або більше моносахаридів. Чим довші ці ланцюжки, тим більша ймовірність мати гілки, тобто не просто бути лінією моносахаридів від кінця до кінця. Приклади полісахаридів включають крохмаль, глікоген, целюлозу та хітин.

Крохмаль має тенденцію утворюватися у формі спіралі або спіралі; це часто зустрічається у високомолекулярних біомолекулах загалом. Целюлоза, навпаки, лінійна, що складається з довгого ланцюга мономерів глюкози з водневими зв’язками, що чергуються між атомами вуглецю через рівні проміжки часу. Целюлоза є компонентом рослинних клітин і надає їм їх жорсткості. Люди не можуть перетравлювати целюлозу, і в їжі її зазвичай називають «клітковиною». Хітин є ще один структурний вуглевод, що міститься у зовнішніх тілах членистоногих, таких як комахи, павуки та краби. Хітин - це модифікований вуглевод, оскільки він "фальсифікується" достатньою кількістю атомів азоту. Глікоген є формою накопичення вуглеводів в організмі; відкладення глікогену знаходяться як у печінці, так і в м’язовій тканині. Завдяки ферментаційним адаптаціям у цих тканинах, треновані спортсмени здатні зберігати більше глікогену, ніж сидячі люди, внаслідок своїх високих енергетичних потреб та харчових практик.

Як і вуглеводи, білки є частиною повсякденного словникового запасу більшості людей, оскільки вони служать так званим макроелементом. Але білки неймовірно універсальні, набагато більше, ніж вуглеводи. Насправді без білків не було б ні вуглеводів, ні ліпідів, оскільки ферменти, необхідні для синтезу (а також перетравлення) цих молекул, самі по собі є білками.

Мономерами білків є амінокислоти. Сюди входять група карбонової кислоти (-COOH) та аміно (-NH₂) група. Коли амінокислоти з’єднуються між собою, це відбувається через водневий зв’язок між групою карбонової кислоти однієї з амінокислот і аміногрупою іншої з молекулою води₂O) вивільняється в процесі. Зростаюча ланцюг амінокислот - це поліпептид, і коли він досить довгий і приймає свою тривимірну форму, це повноцінний білок. На відміну від вуглеводів, білки ніколи не показують гілок; вони є просто ланцюгом карбоксильних груп, приєднаних до аміногруп. Оскільки цей ланцюг повинен мати початок і кінець, один кінець має вільну аміногрупу і називається N-кінцем, тоді як інший має вільну аміногрупу і називається С-кінцем. Оскільки існує 20 амінокислот, і їх можна розташувати в будь-якому порядку, склад білків надзвичайно різноманітний, хоча розгалуження не відбувається.

Білки мають так звану первинну, вторинну, третинну і четвертинну структуру. Первинна структура відноситься до послідовності амінокислот у білку, і вона визначається генетично. Вторинна структура відноситься до вигину або перегину ланцюга, як правило, повторюваним чином. Деякі конформації включають альфа-спіраль та бета-плісирований лист, і є результатом слабких водневих зв’язків між бічними ланцюгами різних амінокислот. Третинна структура - це скручування та згортання білка в тривимірному просторі, серед яких можуть бути задіяні дисульфідні зв’язки (сірка з сіркою) та водневі зв’язки. Нарешті, четвертинна структура відноситься до більш ніж одного поліпептидного ланцюга в одній і тій же макромолекулі. Це відбувається в колагені, який складається з трьох ланцюжків, скручених і скручених разом, як мотузка.

Білки можуть служити ферментами, які каталізують біохімічні реакції в організмі; як гормони, такі як інсулін та гормон росту; як конструктивні елементи; і як компоненти клітинної мембрани.

Ліпіди - це різноманітний набір макромолекул, але всі вони мають рису гідрофобності; тобто вони не розчиняються у воді. Це пов’язано з тим, що ліпіди є електрично нейтральними і, отже, неполярними, тоді як вода є полярною молекулою. Ліпіди включають тригліцериди (жири та олії), фосфоліпіди, каротиноїди, стероїди та віск. Вони беруть участь головним чином у формуванні та стабільності клітинних мембран, утворюють порції гормонів і використовуються як запасне паливо. Жири, тип ліпідів, - це третій тип макроелементів, з вуглеводами та білками, про які йшлося раніше. Шляхом окислення їх так званих жирних кислот вони забезпечують 9 калорій на грам, на відміну від 4 калорій на грам, що надходять вуглеводами та жирами.

Ліпіди не є полімерами, тому вони бувають різних форм. Як і вуглеводи, вони складаються з вуглецю, водню та кисню. Тригліцериди складаються з трьох жирних кислот, приєднаних до молекули гліцерину, тривуглецевого спирту. Ці бічні ланцюги жирних кислот - це довгі прості вуглеводні. Ці ланцюги можуть мати подвійні зв’язки, і якщо вони є, це утворює жирну кислоту ненасичений. Якщо такий подвійний зв’язок є лише одним, то жирною кислотою є мононенасичений. Якщо їх два або більше, це так поліненасичений. Ці різні типи жирних кислот мають різні наслідки для здоров’я для різних людей через їх вплив на стінки судин. Насичені жири, які не мають подвійних зв’язків, тверді при кімнатній температурі і, як правило, це тваринні жири; вони, як правило, викликають артеріальні бляшки і можуть сприяти захворюванню серця. Жирними кислотами можна хімічно маніпулювати, а ненасичені жири, такі як рослинні олії, можна зробити насиченими, щоб вони були твердими та зручними для використання при кімнатній температурі, як маргарин.

Фосфоліпіди, у яких на одному кінці є гідрофобний ліпід, а на іншому - гідрофільний фосфат, є важливою складовою клітинних мембран. Ці мембрани складаються з фосфоліпідного бішару. Дві ліпідні частини, будучи гідрофобними, спрямовані назовні і всередину клітини, тоді як гідрофільні хвости фосфату стикаються в центрі бішару.

Інші ліпіди включають стероїди, які служать гормонами та попередниками гормонів (наприклад, холестерин) і містять ряд характерних кільцевих структур; та воски, до яких належать бджолиний віск та ланолін.

До нуклеїнових кислот належать дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) та рибонуклеїнова кислота (РНК). Вони дуже схожі за структурою, оскільки обидва є полімерами, в яких є мономерні одиниці нуклеотиди. Нуклеотиди складаються з пентозної цукрової групи, фосфатної групи та азотистої основної групи. Як в ДНК, так і в РНК ці основи можуть бути одного з чотирьох типів; інакше всі нуклеотиди ДНК ідентичні, як і РНК.

ДНК і РНК відрізняються трьома основними способами. Один з них полягає в тому, що в ДНК пентозний цукор є дезоксирибозою, а в РНК - рибозою. Ці цукри відрізняються рівно на один атом кисню. Друга відмінність полягає в тому, що ДНК, як правило, є дволанцюжковою, утворюючи подвійну спіраль, виявлену в 1950-х роках командою Уотсона та Крика, але РНК одноцепочечна. По-третє, ДНК містить азотисті основи аденін (А), цитозин (С), гуанін (Г) та тимін (Т), але РНК має урацил (У), заміщений тиміном.

ДНК зберігає спадкову інформацію. Довжини нуклеотидів складають гени, які містять інформацію за допомогою азотистих послідовностей основ для виробництва специфічних білків. Багато генів складають хромосоми, і загальна сума хромосом організму (у людини 23 пари) є його геном. ДНК використовується в процесі транскрипції, щоб утворити форму РНК, яка називається інформаційною РНК (мРНК). Це зберігає закодовану інформацію дещо інакше і переміщує її з клітинного ядра, де знаходиться ДНК, у клітинну цитоплазму або матрикс. Тут інші типи РНК ініціюють процес трансляції, в якому білки виробляються і відправляються по всій клітині.