Sadržaj
Biologiju - ili neformalno, sam život - karakteriziraju elegantne makromolekule koje su se razvijale stotinama milijuna godina kako bi služile različitim kritičnim funkcijama. Oni su često kategorizirani u četiri osnovne vrste: ugljikohidrati (ili polisaharidi), lipidi, proteini i nukleinske kiseline. Ako imate bilo kakvu pozadinu u prehrani, prepoznat ćete prve tri kao tri standardna makronutrijenta (ili "makronaredbe", u jeziku prehrane) navedene na oznakama prehrambenih podataka. Četvrta se odnosi na dvije usko povezane molekule koje služe kao osnova za pohranu i prijevod genetskih informacija u svim živim bićima.
Svaka od ove četiri makromolekule života, ili biomolekule, obavlja razne dužnosti; kao što možete očekivati, njihove su različite uloge izvrsno povezane s njihovim različitim fizičkim komponentama i rasporedom.
makromolekule
makromolekula je vrlo velika molekula, koja se obično sastoji od opetovanih podjedinica koje se nazivaju monomeri, koji se ne mogu svesti na jednostavnije sastavne dijelove bez žrtvovanja elementa „građevnog bloka“. Iako ne postoji standardna definicija koliko velika molekula mora biti da bi stekla prefiks "makro", u pravilu ih ima najmanje tisuće atoma. Gotovo ste sigurno vidjeli ovakvu izgradnju u ne-prirodnom svijetu; na primjer, mnoge se vrste pozadina, dok su složene u dizajnu i fizički ekspanzivne u cjelini, sastoje od susjednih podjedinica koje su veličine manje od četvornog stopala ili slično. Čak je još očitije da se lanac može smatrati makromolekulom u kojoj su pojedinačne poveznice "monomeri".
Važna točka bioloških makromolekula je da, s izuzetkom lipida, njihove monomerske jedinice su polarne, što znači da imaju električni naboj koji se ne distribuira simetrično. Shematski, oni imaju "glave" i "repove" s različitim fizikalnim i kemijskim svojstvima. Budući da se monomeri međusobno spajaju glave-repa, makromolekule su također polarne.
Također, sve biomolekule imaju velike količine ugljika u elementu. Možda ste čuli vrstu života na Zemlji (drugim riječima, jedina vrsta koju zasigurno znamo bilo gdje) nazvanu "život temeljen na ugljiku", i to s dobrim razlogom. No, i dušik, kisik, vodik i fosfor neophodni su i za živa bića, a mnoštvo drugih elemenata smješteno je u manjoj mjeri.
ugljikohidrati
Skoro je sigurna da kad vidite ili čujete riječ "ugljikohidrati", prvo na što mislite pomislite "hrana", a možda i konkretnije, "nešto što se mnogi ljudi namjeravaju riješiti". "Lo-carb" i "no-carb" oboje su postali glasine za mršavljenje u ranom dijelu 21. stoljeća, a pojam "karbo-opterećenje" općenito je sportska zajednica izdržljivosti od 1970-ih. Ali zapravo su ugljikohidrati mnogo više od izvora energije za živa bića.
Sve molekule ugljikohidrata imaju formulu (CH2O)n, gdje je n broj ugljikovih atoma. To znači da je omjer C: H: O 1: 2: 1. Na primjer, svi jednostavni šećeri glukoza, fruktoza i galaktoza imaju formulu C6H12O6 (atomi ove tri molekule su, naravno, različito raspoređeni).
Ugljikohidrati se klasificiraju kao monosaharidi, disaharidi i polisaharidi. Monosaharid je monomerna jedinica ugljikohidrata, ali neki se ugljikohidrati sastoje od samo jednog monomera, poput glukoze, fruktoze i galaktoze. Obično su ti monosaharidi najstabilniji u obliku prstena koji je dijagramijski prikazan kao šesterokut.
Disaharidi su šećeri s dvije monomerne jedinice ili s parom monosaharida. Te podjedinice mogu biti iste (kao u maltozi, koja se sastoji od dvije spojene molekule glukoze) ili različite (kao u saharozi ili stolni šećer, koji se sastoji od jedne molekule glukoze i jedne molekule fruktoze. Veze između monosaharida nazivaju se glikozidnim vezama.
Polisaharidi sadrže tri ili više monosaharida. Što su ti lanci dulji, veća je vjerojatnost da će imati ogranke, to jest da oni ne moraju biti jednostavno monosaharidi od kraja do kraja. Primjeri polisaharida uključuju škrob, glikogen, celulozu i hitin.
Škrob ima tendenciju da se formira u spirali ili spiralnom obliku; ovo je uobičajeno za biomolekule velike molekulske mase općenito. Celuloza je, nasuprot tome, linearna, sastoji se od dugog lanca glukoznih monomera s vodikovim vezama koje se u pravilnim intervalima presijecaju između atoma ugljika. Celuloza je sastojak biljnih stanica i daje im krutost. Ljudi ne mogu probaviti celulozu, a u prehrani se obično naziva "vlaknima". Hitin je drugi strukturni ugljikohidrat, koji se nalazi u vanjskim tijelima člankonožaca poput insekata, pauka i rakova. Chitin je modificirani ugljikohidrat, jer je "obogaćen" obilnim dušikovim atomima. Glikogen je tjelesni skladišni oblik ugljikohidrata; naslage glikogena nalaze se i u jetri i u mišićnom tkivu. Zahvaljujući adaptacijama enzima u tim tkivima, uvježbani sportaši sposobni su pohraniti više glikogena u odnosu na sjedeće ljude kao rezultat velikih energetskih potreba i prehrambenih praksi.
proteini
Kao i ugljikohidrati, bjelančevine su dio svakodnevnog vokabulara većine ljudi zbog toga što služe kao takozvani makronutrijent. Ali proteini su nevjerojatno svestrani, daleko više od ugljikohidrata. U stvari, bez proteina ne bi bilo ugljikohidrata ili lipida jer su enzimi potrebni za sintezu (kao i probavu) tih molekula sami bjelančevine.
Monomeri proteina su aminokiseline. Oni uključuju skupinu karboksilne kiseline (-COOH) i amino (-NH)2) grupa. Kada se aminokiseline spoje jedna s drugom, to je putem vodikove veze između skupine karboksilne kiseline na jednoj od aminokiselina i druge aminokiseline, s molekulom vode (H2O) pušten u postupku. Rastući lanac aminokiselina je polipeptid i kada je dovoljno dug i poprimi svoj trodimenzionalni oblik, to je punokrvni protein. Za razliku od ugljikohidrata, proteini nikada ne pokazuju grane; oni su samo lanac karboksilnih skupina pridruženih amino skupinama. Budući da ovaj lanac mora imati početak i kraj, jedan kraj ima slobodnu amino skupinu i naziva se N-terminal, dok drugi ima slobodnu amino skupinu i naziva se C-terminal. Budući da postoji 20 aminokiselina i one se mogu složiti u bilo kojem redoslijedu, sastav proteina je vrlo raznolik iako se ne dolazi do razgranavanja.
Proteini imaju takozvanu primarnu, sekundarnu, tercijarnu i kvartarnu strukturu. Primarna struktura odnosi se na slijed aminokiselina u proteinu i ona je genetski određena. Sekundarna struktura odnosi se na savijanje ili savijanje u lancu, obično na ponavljajući način. Neki oblici uključuju alfa-heliks i beta-nagibanu ploču, a rezultat su slabih vodikovih veza između bočnih lanaca različitih aminokiselina. Tercijarna struktura je uvrtanje i uvijanje proteina u trodimenzionalnom prostoru i može uključivati, između ostalog, disulfidne veze (sumpor do sumpora) i vodikove veze. Konačno, kvaterna struktura odnosi se na više polipeptidnih lanaca u istoj makromolekuli. To se događa u kolagenu koji se sastoji od tri lanca upletena i upletena zajedno kao konop.
Proteini mogu poslužiti kao enzimi, koji kataliziraju biokemijske reakcije u tijelu; kao hormoni, poput inzulina i hormona rasta; kao strukturni elementi; i kao sastavni dijelovi ćelijskih membrana.
lipidi
Lipidi su raznolik skup makromolekula, ali svi oni imaju osobinu hidrofobnosti; to jest da se ne rastvaraju u vodi. To je zato što su lipidi električno neutralni i stoga nepolarni, dok je voda polarna molekula. U lipide spadaju trigliceridi (masti i ulja), fosfolipidi, karotenoidi, steroidi i voskovi. Sudjeluju uglavnom u stvaranju i stabilnosti staničnih membrana, formiraju dijelove hormona i koriste se kao skladišteno gorivo. Masnoće, vrsta lipida, treća su vrsta makronutrijenata, s ugljikohidratima i proteinima koji su prethodno raspravljani. Oksidacijom njihovih takozvanih masnih kiselina oni daju 9 kalorija po gramu, za razliku od 4 kalorije po gramu opskrbljene i ugljikohidratima i masnoćama.
Lipidi nisu polimeri, pa dolaze u različitim oblicima. Kao i ugljikohidrati, sastoje se od ugljika, vodika i kisika. Trigliceridi se sastoje od tri masne kiseline spojene molekuli glicerola, alkohola sa tri ugljika. Ti bočni lanci s masnim kiselinama su dugi, jednostavni ugljikovodici. Ti lanci mogu imati dvostruke veze, a ako ih ima, to stvara masnu kiselinu nezasićen, Ako postoji samo jedna takva dvostruka veza, masna kiselina je mononezasićenih, Ako postoje dvije ili više, jest polinezasićene, Te različite vrste masnih kiselina imaju različite zdravstvene posljedice za različite ljude zahvaljujući utjecaju na stijenke krvnih žila. Zasićene masti koje nemaju dvostruku vezu čvrste su na sobnoj temperaturi i obično su životinjske masti; te imaju tendenciju da uzrokuju arterijske plakove i mogu pridonijeti bolestima srca. Masnim kiselinama se može kemijski manipulirati, a nezasićene masti poput biljnih ulja mogu biti zasićene tako da budu čvrste i pogodne za upotrebu na sobnoj temperaturi, poput margarina.
Fosfolipidi, koji na jednom kraju imaju hidrofobni lipid, a na drugom hidrofilni fosfat, važan su sastojak staničnih membrana. Te se membrane sastoje od fosfolipidnog sloja. Dva lipidna dijela, hidrofobna, gledaju prema van i unutrašnjosti stanice, dok se hidrofilni repovi fosfata nalaze u središtu dvosloja.
Ostali lipidi uključuju steroide koji služe kao hormoni i prekursori hormona (npr. Holesterol) i sadrže niz karakterističnih prstenastih struktura; i voskovi, koji uključuju pčelinji vosak i lanolin.
Nukleinske kiseline
Nukleinske kiseline uključuju deoksiribonukleinsku kiselinu (DNA) i ribonukleinsku kiselinu (RNA). Oni su vrlo slični strukturno jer su oba polimera u kojima su monomerne jedinice nukleotidi, Nukleotidi se sastoje od skupine šećera s pentozom, fosfatne skupine i dušične bazne skupine. I u DNK i u RNA, te baze mogu biti jedna od četiri vrste; inače su svi nukleotidi DNK identični, kao i oni iz RNA.
DNA i RNA razlikuju se na tri glavna načina. Jedno je da je u DNK šećer pentoza deoksiriboza, a u RNK je riboza. Ti se šećeri razlikuju za točno jedan atom kisika. Druga je razlika u tome što je DNK obično dvolančan, tvoreći dvostruku spiraliju koju je 1950-ih otkrio Watson i Cricks tim, ali RNA je jednolančana. Treće je da DNK sadrži dušične baze adenin (A), citozin (C), gvanin (G) i timin (T), ali RNA ima uracil (U) supstituiran za timin.
DNK pohranjuje nasljedne informacije. Duljine nukleotida čine geni, koji sadrže informacije putem dušične bazične sekvence za proizvodnju specifičnih proteina. Mnogo gena se sastoji kromosomi, a ukupan broj kromosoma organizama (ljudi imaju 23 para) je njegov genom, DNK se koristi u procesu transkripcije da bi se stvorio oblik RNK nazvan glasnik RNA (mRNA). To pohranjuje kodirane informacije na malo drugačiji način i premješta ih izvan staničnog jezgra u kojem se nalazi DNK i u staničnu citoplazmu ili matricu. Ovdje druge vrste RNA pokreću postupak translacije u kojem se bjelančevine proizvode i otpremaju po cijeloj stanici.