Zawartość
Biologia - lub nieformalnie, samo życie - charakteryzuje się eleganckimi makrocząsteczkami, które ewoluowały przez setki milionów lat, spełniając szereg kluczowych funkcji. Są one często podzielone na cztery podstawowe typy: węglowodany (lub polisacharydy), lipidy, białka i kwasy nukleinowe. Jeśli masz jakieś doświadczenie w żywieniu, rozpoznasz pierwsze trzy z nich jako trzy standardowe makroskładniki (lub „makra” w języku dietetycznym) wymienione na etykietach z informacjami o wartości odżywczej. Czwarty dotyczy dwóch blisko spokrewnionych cząsteczek, które służą jako podstawa do przechowywania i tłumaczenia informacji genetycznej we wszystkich żywych istotach.
Każda z tych czterech makrocząsteczek życia, czyli biomolekuł, spełnia różnorodne obowiązki; jak można się spodziewać, ich różne role są znakomicie powiązane z ich różnymi fizycznymi elementami i układami.
Makrocząsteczki
ZA makrocząsteczka jest bardzo dużą cząsteczką, zwykle składającą się z powtarzanych podjednostek zwanych monomery, którego nie można sprowadzić do prostszych składników bez poświęcenia elementu „bloku konstrukcyjnego”. Chociaż nie ma standardowej definicji tego, jak duża musi być cząsteczka, aby uzyskać prefiks „makro”, zazwyczaj mają one co najmniej tysiące atomów. Prawie na pewno widzieliście tego rodzaju konstrukcje w świecie nienaturalnym; na przykład wiele rodzajów tapet, choć dopracowanych pod względem projektu i rozszerzających się pod względem fizycznym, składa się z sąsiednich podjednostek, które często mają mniej niż metr kwadratowy. Co jeszcze bardziej oczywiste, łańcuch można uznać za makrocząsteczkę, w której poszczególne ogniwa są „monomerami”.
Ważną kwestią dotyczącą makrocząsteczek biologicznych jest to, że z wyjątkiem lipidów ich jednostki monomerowe są polarne, co oznacza, że mają ładunek elektryczny, który nie jest rozmieszczony symetrycznie. Schematycznie mają „głowy” i „ogony” o różnych właściwościach fizycznych i chemicznych. Ponieważ monomery łączą się ze sobą od stóp do głów, same makrocząsteczki są również polarne.
Ponadto wszystkie biocząsteczki zawierają duże ilości węgla pierwiastkowego. Być może słyszeliście rodzaj życia na Ziemi (innymi słowy, jedyny rodzaj, który znamy na pewno istnieje wszędzie) określany jako „życie na bazie węgla” i nie bez powodu. Ale azot, tlen, wodór i fosfor są również niezbędne dla żywych organizmów, a wiele innych pierwiastków jest mieszanych w mniejszym stopniu.
Węglowodany
Jest niemal pewne, że kiedy widzisz lub słyszysz słowo „węglowodany”, pierwszą rzeczą, o której myślisz, jest „jedzenie”, a może bardziej konkretnie: „coś w jedzeniu, którego wiele osób chce się pozbyć”. „Lo-carb” i „no-carb” stały się modnymi hasłami na odchudzanie na początku XXI wieku, a termin „ładowanie węglowodanów” jest używany w społeczności sportów wytrzymałościowych od lat 70. XX wieku. Ale w rzeczywistości węglowodany są czymś znacznie więcej niż tylko źródłem energii dla żywych istot.
Wszystkie cząsteczki węglowodanów mają wzór (CH2O)n, gdzie n jest liczbą obecnych atomów węgla. Oznacza to, że stosunek C: H: O wynosi 1: 2: 1. Na przykład wszystkie cukry proste, glukoza, fruktoza i galaktoza, mają wzór C6H.12O6 (atomy tych trzech cząsteczek są oczywiście ułożone inaczej).
Węglowodany są klasyfikowane jako monosacharydy, disacharydy i polisacharydy. Monosacharyd to jednostka monomeru węglowodanów, ale niektóre węglowodany składają się tylko z jednego monomeru, takiego jak glukoza, fruktoza i galaktoza. Zazwyczaj te monosacharydy są najbardziej stabilne w postaci pierścienia, który jest przedstawiony schematycznie jako sześciokąt.
Disacharydy to cukry z dwiema jednostkami monomerycznymi lub parą monosacharydów. Podjednostki te mogą być takie same (jak w maltozie, która składa się z dwóch połączonych cząsteczek glukozy) lub różne (jak w sacharozie lub cukrze stołowym, który składa się z jednej cząsteczki glukozy i jednej cząsteczki fruktozy. Wiązania między monosacharydami nazywane są wiązaniami glikozydowymi.
Polisacharydy zawierają trzy lub więcej monosacharydów. Im dłuższe są te łańcuchy, tym bardziej prawdopodobne jest, że będą miały rozgałęzienia, czyli nie będą po prostu linią monosacharydów od końca do końca. Przykłady polisacharydów obejmują skrobię, glikogen, celulozę i chitynę.
Skrobia tworzy się w kształcie helisy lub spirali; jest to powszechne w przypadku biomolekuł o dużej masie cząsteczkowej. Natomiast celuloza jest liniowa i składa się z długiego łańcucha monomerów glukozy z wiązaniami wodorowymi rozproszonymi między atomami węgla w regularnych odstępach czasu. Celuloza jest składnikiem komórek roślinnych i nadaje im ich sztywność. Ludzie nie mogą trawić celulozy, a w diecie zwykle określa się ją jako „błonnik”. Chityna to kolejny strukturalny węglowodan, występujący w zewnętrznych ciałach stawonogów, takich jak owady, pająki i kraby. Chityna jest zmodyfikowanym węglowodanem, ponieważ jest „zafałszowana” dużą ilością atomów azotu. Glikogen jest formą magazynowania węglowodanów; złogi glikogenu znajdują się zarówno w wątrobie, jak i tkance mięśniowej. Dzięki adaptacjom enzymów w tych tkankach wyszkoleni sportowcy są w stanie przechowywać więcej glikogenu niż osoby siedzące w wyniku wysokich potrzeb energetycznych i praktyk żywieniowych.
Białka
Podobnie jak węglowodany, białka są częścią codziennego słownictwa większości ludzi, ponieważ służą jako tak zwane makroskładniki. Ale białka są niezwykle wszechstronne, o wiele bardziej niż węglowodany. W rzeczywistości bez białek nie byłoby węglowodanów ani lipidów, ponieważ enzymy potrzebne do syntezy (a także trawienia) tych cząsteczek same są białkami.
Monomery białek to aminokwasy. Obejmują one grupę kwasu karboksylowego (-COOH) i grupę aminową (-NH2) Grupa. Gdy aminokwasy łączą się ze sobą, następuje to poprzez wiązanie wodorowe między grupą kwasu karboksylowego na jednym z aminokwasów i grupą aminową drugiego, z cząsteczką wody (H2O) wydany w trakcie procesu. Rosnący łańcuch aminokwasów jest polipeptydem, a gdy jest wystarczająco długi i przyjmuje swój trójwymiarowy kształt, jest pełnoprawnym białkiem. W przeciwieństwie do węglowodanów białka nigdy nie wykazują rozgałęzień; są tylko łańcuchem grup karboksylowych połączonych z grupami aminowymi. Ponieważ ten łańcuch musi mieć początek i koniec, jeden koniec ma wolną grupę aminową i nazywa się N-końcem, podczas gdy drugi ma wolną grupę aminową i nazywa się C-końcem. Ponieważ istnieje 20 aminokwasów, które można ułożyć w dowolnej kolejności, skład białek jest niezwykle zróżnicowany, nawet jeśli nie występuje rozgałęzienie.
Białka mają tak zwaną strukturę pierwotną, wtórną, trzeciorzędową i czwartorzędową. Podstawowa struktura odnosi się do sekwencji aminokwasów w białku i jest determinowana genetycznie. Druga struktura odnosi się do zginania lub załamania łańcucha, zwykle w powtarzalny sposób. Niektóre konformacje obejmują helisę alfa i arkusz harmonijkowy beta i wynikają ze słabych wiązań wodorowych między łańcuchami bocznymi różnych aminokwasów. Struktura trzeciorzędowa polega na skręcaniu i zwijaniu białka w trójwymiarowej przestrzeni i może obejmować między innymi wiązania disiarczkowe (siarka do siarki) i wiązania wodorowe. Wreszcie, struktura czwartorzędowa odnosi się do więcej niż jednego łańcucha polipeptydowego w tej samej makrocząsteczce. Dzieje się tak w kolagenie, który składa się z trzech łańcuchów skręconych i zwiniętych razem jak lina.
Białka mogą służyć jako enzymy, które katalizują reakcje biochemiczne w ciele; jako hormony, takie jak insulina i hormon wzrostu; jako elementy konstrukcyjne; i jako składniki błony komórkowej.
Lipidy
Lipidy są różnorodnym zestawem makrocząsteczek, ale wszystkie mają wspólną cechę bycia hydrofobowymi; to znaczy nie rozpuszczają się w wodzie. Wynika to z tego, że lipidy są elektrycznie obojętne, a zatem niepolarne, podczas gdy woda jest cząsteczką polarną. Lipidy obejmują trójglicerydy (tłuszcze i oleje), fosfolipidy, karotenoidy, steroidy i woski. Są zaangażowani głównie w tworzenie i stabilność błon komórkowych, tworzą części hormonów i są wykorzystywane jako magazynowane paliwo. Tłuszcze, rodzaj lipidów, są trzecim rodzajem makroskładników odżywczych, z omówionymi wcześniej węglowodanami i białkami. Poprzez utlenianie ich tak zwanych kwasów tłuszczowych dostarczają 9 kalorii na gram, w przeciwieństwie do 4 kalorii na gram dostarczanych zarówno przez węglowodany, jak i tłuszcze.
Lipidy nie są polimerami, więc występują w różnych postaciach. Podobnie jak węglowodany, składają się z węgla, wodoru i tlenu. Trójglicerydy składają się z trzech kwasów tłuszczowych połączonych z cząsteczką glicerolu, trójwęglowego alkoholu. Te łańcuchy boczne kwasów tłuszczowych to długie, proste węglowodory. Te łańcuchy mogą mieć podwójne wiązania, a jeśli tak, to tworzy kwas tłuszczowy nienasycony. Jeśli istnieje tylko jedno takie podwójne wiązanie, kwas tłuszczowy jest jednonienasycone. Jeśli są dwa lub więcej, tak jest wielonienasycone. Te różne rodzaje kwasów tłuszczowych mają różne implikacje zdrowotne dla różnych osób ze względu na ich wpływ na ściany naczyń krwionośnych. Nasycone tłuszcze, które nie mają podwójnych wiązań, są stałe w temperaturze pokojowej i zwykle są tłuszczami zwierzęcymi; powodują one blaszki tętnicze i mogą przyczyniać się do chorób serca. Kwasami tłuszczowymi można manipulować chemicznie, a nienasycone tłuszcze, takie jak oleje roślinne, można nasycać, dzięki czemu są one stałe i wygodne w użyciu w temperaturze pokojowej, np. Margaryna.
Fosfolipidy, które mają hydrofobowy lipid na jednym końcu i hydrofilowy fosforan na drugim, są ważnym składnikiem błon komórkowych. Błony te składają się z dwuwarstw fosfolipidowych. Dwie części lipidowe, hydrofobowe, skierowane są na zewnątrz i do wnętrza komórki, podczas gdy hydrofilowe ogony fosforanu spotykają się w środku dwuwarstwy.
Inne lipidy obejmują steroidy, które służą jako hormony i prekursory hormonów (np. Cholesterol) i zawierają szereg charakterystycznych struktur pierścieniowych; oraz woski, które obejmują wosk pszczeli i lanolinę.
Kwasy nukleinowe
Kwasy nukleinowe obejmują kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). Są one bardzo podobne strukturalnie, ponieważ oba są polimerami, w których znajdują się jednostki monomeryczne nukleotydy. Nukleotydy składają się z grupy cukrowej pentozy, grupy fosforanowej i azotowej grupy zasadowej. Zarówno w DNA, jak i RNA, zasady te mogą być jednym z czterech typów; w przeciwnym razie wszystkie nukleotydy DNA są identyczne, podobnie jak RNA.
DNA i RNA różnią się na trzy główne sposoby. Jednym z nich jest to, że w DNA cukier pentozowy to dezoksyryboza, aw RNA to ryboza. Cukry te różnią się dokładnie jednym atomem tlenu. Druga różnica polega na tym, że DNA jest zwykle dwuniciowy, tworząc podwójną helisę odkrytą w latach 50. XX wieku przez zespół Watsona i Cricksa, ale RNA jest jednoniciowy. Trzeci polega na tym, że DNA zawiera zasady azotowe adeninę (A), cytozynę (C), guaninę (G) i tyminę (T), ale RNA ma uracyl (U) zastąpiony tyminą.
DNA przechowuje informacje dziedziczne. Długości nukleotydów tworzą geny, które zawierają informacje, poprzez sekwencje zasad azotowych, w celu wytworzenia określonych białek. Mnóstwo genów chromosomy, a suma chromosomów organizmów (ludzie mają 23 pary) to jego genom. DNA jest wykorzystywany w procesie transkrypcji do wytworzenia formy RNA zwanej informacyjnym RNA (mRNA). Przechowuje zakodowane informacje w nieco inny sposób i przenosi je z jądra komórkowego, w którym znajduje się DNA, do cytoplazmy komórkowej lub matrycy. Tutaj inne rodzaje RNA inicjują proces translacji, w którym białka są wytwarzane i wysyłane po całej komórce.