Садржај
Биологију - или неформално, сам живот - карактеришу елегантне макромолекуле које су се развијале стотинама милиона година како би служиле низ критичних функција. Они се често сврставају у четири основне врсте: угљени хидрати (или полисахариди), липиди, протеини и нуклеинске киселине. Ако имате било какву позадину у исхрани, препознаћете прве три као три стандардна макронутријента (или „макронаредбе“, у језику исхране) наведене на ознакама информација о храњивим састојцима. Четврти се односи на два уско повезана молекула који служе као основа за складиштење и превођење генетских информација у сва жива бића.
Свака од ове четири макромолекуле живота, или биомолекуле, обавља различите дужности; као што можете очекивати, њихове различите улоге су изузетно повезане са њиховим различитим физичким компонентама и уређењима.
Макромолекуле
А макромолекуле је веома велики молекул који се обично састоји од поновљених подјединица које се називају мономере, који се не могу свести на једноставније саставне дијелове без жртвовања елемента „градивног блока“. Иако не постоји стандардна дефиниција колики молекул мора да буде да би стекао „макро“ префикс, они обично садрже најмање хиљаде атома. Скоро да сте видели овакву конструкцију у не-природном свету; на пример, многе врсте позадина, али сложене у дизајну и физички експанзивне у целини, састоје се од придружених подјединица које су величине мање од четворног стопала или слично. Још очитије је да се ланац може посматрати као макромолекула у којој су појединачне везе „мономери“.
Важна поанта код биолошких макромолекула је та што су, с изузетком липида, њихове мономерске јединице поларне, што значи да имају електрични набој који се не дистрибуира симетрично. Шематски, они имају "главе" и "репове" различитих физичких и хемијских својстава. Пошто се мономери спајају главе-репа један до другог, саме макромолекуле су такође поларне.
Такође, све биомолекуле имају велике количине угљеника у елементу. Можда сте чули врсту живота на Земљи (другим речима, једина врста коју засигурно знамо било где) која се назива "животом заснован на угљенику", и то са добрим разлогом. Али и азот, кисеоник, водоник и фосфор неопходни су и за жива бића, а мноштво других елемената је у мешању у мањој мери.
Угљени хидрати
Скоро је сигурна да када видите или чујете реч "угљени хидрат", прво на шта мислите је "храна", а можда и прецизније, "нешто што се многи људи намеравају ослободити". "Ло-царб" и "но-царб" обоје су постали гласине за мршављење у раном делу 21. века, а појам "пуњење карбона" је око спортске заједнице издржљивости од 1970-их. У ствари, угљени хидрати су много више од извора енергије за жива бића.
Сви молекули угљених хидрата имају формулу (ЦХ2О)н, где је н број атома угљеника. То значи да је однос Ц: Х: О 1: 2: 1. На пример, сви једноставни шећери глукоза, фруктоза и галактоза имају формулу Ц6Х12О6 (атоми ове три молекуле су, наравно, различито распоређени).
Угљикохидрати су класификовани као моносахариди, дисахариди и полисахариди. Моносахарид је мономерна јединица угљених хидрата, али неки угљени хидрати се састоје од само једног мономера, попут глукозе, фруктозе и галактозе. Обично су ови моносахариди најстабилнији у облику прстена, који је шематски приказан као шестерокут.
Дисахариди су шећери са две мономерне јединице или пар моносахарида. Ове подјединице могу бити исте (као у малтози, која се састоји од два спојена молекула глукозе) или различите (као у сахарози или столни шећер, који се састоји од једног молекула глукозе и једног молекула фруктозе. Везе између моносахарида се називају гликозидне везе.
Полисахариди садрже три или више моносахарида. Што су ови ланци дужи, већа је вероватноћа да ће имати огранке, односно да једноставно не буду линија моносахарида од краја до краја. Примери полисахарида укључују скроб, гликоген, целулозу и хитин.
Скроб има облик спирала или спиралног облика; ово је уобичајено за биомолекуле велике молекулске масе уопште. Целулоза је, насупрот томе, линеарна, састоји се од дугог ланца глукозних мономера са водоничним везама које се у правилним интервалима прелазе између атома угљеника. Целулоза је састојак биљних ћелија и даје јој чврстину. Људи не могу пробавити целулозу, а у исхрани се обично назива "влакнима". Хитин је други структурни угљени хидрат, који се налази у спољашњим телима чланконожаца попут инсеката, паука и ракова. Хитин је модификовани угљени хидрат, јер је "обогаћен" обилним атомима азота. Гликоген је телесни облик складиштења угљених хидрата; наслаге гликогена налазе се и у јетри и у мишићном ткиву. Захваљујући адаптацијама ензима у тим ткивима, обучени спортисти су у стању да складиште више гликогена него седећи људи као резултат великих енергетских потреба и прехрамбених пракси.
Протеини
Као и угљени хидрати, протеини су део свакодневног вокабулара већине људи због тога што служе као такозвани макронутријент. Али протеини су невероватно свестрани, далеко више од угљених хидрата. У ствари, без протеина не би било угљених хидрата или липида јер су ензими потребни за синтезу (као и варење) ових молекула сами протеини.
Мономери протеина су аминокиселине. Они укључују групу карбоксилне киселине (-ЦООХ) и амино (-НХ)2) група. Када се аминокиселине придруже једна другој, то је преко водоничне везе између групе карбоксилне киселине на једној од аминокиселина и амино групе друге, са молекулом воде (Х2О) пуштен током поступка. Растући ланац аминокиселина је полипептид и када је довољно дуг и поприми свој тродимензионални облик, то је пунокрвни протеин. За разлику од угљених хидрата, протеини никада не показују гране; они су само ланац карбоксилних група придружених амино групама. Због тога што овај ланац мора имати почетак и крај, један крај има слободну амино групу и назива се Н-терминал, док други има слободну амино групу и назива се Ц-терминал. Пошто постоји 20 аминокиселина и оне се могу поређати било којим редоследом, састав протеина је изузетно разнолик иако се не појављују разгранавања.
Протеини имају такозвану примарну, секундарну, терцијарну и квартарну структуру. Примарна структура односи се на низ аминокиселина у протеину и она је генетски одређена. Секундарна структура односи се на савијање или савијање у ланцу, обично на понављајући начин. Неке конформације укључују алфа-хеликс и бета-нагибану плочу и резултат су слабих водоничних веза између бочних ланаца различитих аминокиселина. Терцијарна структура је увртање и увијање протеина у тродимензионалном простору и може укључивати дисулфидне везе (сумпор до сумпора) и водоничне везе, између осталог. Коначно, кватерна структура односи се на више полипептидних ланаца у истој макромолекули. То се догађа у колагену који се састоји од три ланца уплетена и уплетена заједно као конопац.
Протеини могу да послуже као ензими који катализују биохемијске реакције у телу; као хормони, као што су инсулин и хормон раста; као структурални елементи; и као компоненте ћелијских мембрана.
Липиди
Липиди су разноврсни скуп макромолекула, али сви имају особину хидрофобности; то јест, не растварају се у води. То је зато што су липиди електрично неутрални и стога неполарни, док је вода поларни молекул. У липиде спадају триглицериди (масти и уља), фосфолипиди, каротеноиди, стероиди и воскови. Учесници су углавном у стварању и стабилности ћелијских мембрана, формирају делове хормона и користе се као складиштено гориво. Масти, врста липида, су трећа врста макронутријената, са угљеним хидратима и протеинима који су претходно разматрани. Оксидацијом њихових такозваних масних киселина они дају 9 калорија по граму, за разлику од 4 калорије по граму које обезбеђују и угљени хидрати и масти.
Липиди нису полимери, па долазе у различитим облицима. Као и угљени хидрати састоје се од угљеника, водоника и кисеоника. Триглицериди се састоје од три масне киселине спојене молекулом глицерола, алкохолом са три угљеника. Ови бочни ланци са масним киселинама су дуги, једноставни угљоводоници. Ови ланци могу имати двоструке везе, а ако их има, то ствара масну киселину незасићен. Ако постоји само једна таква двострука веза, то је масна киселина мононезасићени. Ако постоје две или више, јесте полинезасићени. Ове различите врсте масних киселина имају различите здравствене последице за различите људе услед дејства на зидове крвних судова. Засићене масти које немају двоструке везе чврсте су на собној температури и обично су животињске масти; оне обично изазивају артеријске плакове и могу допринети срчаним болестима. Масним киселинама се хемијски може манипулирати, а незасићене масти попут биљних уља могу бити засићене тако да буду чврсте и погодне за употребу на собној температури, попут маргарина.
Фосфолипиди који имају хидрофобни липид на једном крају и хидрофилни фосфат на другом су важан састојак ћелијских мембрана. Те мембране се састоје од фосфолипидног слоја. Два липидна дела, хидрофобна, гледају према спољашњости и унутрашњости ћелије, док се хидрофилни репови фосфата налазе у средини двослоја.
Остали липиди укључују стероиде, који служе као хормони и прекурсори хормона (нпр. Холестерол) и садрже низ карактеристичних прстенастих структура; и воскови, који укључују пчелињи восак и ланолин.
Нуклеинске киселине
Нуклеинске киселине укључују деоксирибонуклеинску киселину (ДНК) и рибонуклеинску киселину (РНА). Они су врло слични структурно јер су оба полимера у којима су мономерне јединице нуклеотиди. Нуклеотиди се састоје од пентозне шећерне групе, фосфатне групе и азотне базне групе. И у ДНК и у РНА, ове базе могу бити једна од четири врсте; у супротном, сви нуклеотиди ДНК су идентични, као и они у РНА.
ДНК и РНА се разликују на три главна начина. Један је да је у ДНК шећер пентоза деоксирибоза, а у РНК је рибоза. Ови шећери се разликују тачно за један атом кисеоника. Друга разлика је у томе што је ДНК обично дволанчана, формирајући двоструку спирала коју је 1950-их открио тим Ватсон и Црицкс, али РНА је једноланчана. Треће је да ДНК садржи азотне базе аденин (А), цитозин (Ц), гванин (Г) и тимин (Т), али РНА има урацил (У) замењен тимином.
ДНК чува наследне информације. Дужине нуклеотида чине гени, који садрже информацију, помоћу азотних база, за производњу специфичних протеина. Много гена се састоји хромозоми, а укупан број хромозома организама (људи имају 23 пара) је геном. ДНК се користи у процесу транскрипције да би се створио облик РНК који се зове мессенгер РНА (мРНА). Ово чува кодиране информације на нешто другачији начин и премешта их из ћелијског језгра где се налази ДНК и у ћелијску цитоплазму или матрикс. Овде друге врсте РНА покрећу процес превођења, у којем се протеини стварају и отпремају по целој ћелији.