Tartalom
A biológiát - vagy informálisan az egész életet - olyan elegáns makromolekulák jellemzik, amelyek több millió millió év alatt fejlődtek ki, hogy számos kritikus funkciót szolgáljanak. Ezeket gyakran négy alaptípusba sorolják: szénhidrátok (vagy poliszacharidok), lipidek, fehérjék és nukleinsavak. Ha van valamilyen háttér a táplálkozásban, akkor ezek első háromát felismeri a táplálkozási információs címkéken felsorolt három szokásos makrotápanyagként (vagy "makrók" a táplálkozási értelemben). A negyedik két szorosan rokon molekulára vonatkozik, amelyek alapját képezik a genetikai információk tárolásának és transzlációjának minden élőlényben.
Az élet négy makromolekulája, vagyis a biomolekulák mindegyike különféle feladatokat lát el; amint számíthat arra, hogy különféle szerepeik tökéletesen kapcsolódnak a különféle fizikai összetevőikhöz és elrendezésükhöz.
Makrómolekulák
A makromolekula egy nagyon nagy molekula, általában ismétlődő alegységekből, úgynevezett monomerek, amelyet nem lehet egyszerűbb összetevőkre redukálni anélkül, hogy az "építőelemet" feláldoznánk. Noha nincs egységes meghatározás arról, hogy mekkora molekula legyen a "makro" előtag megszerzéséhez, általában legalább ezer atom van. Szinte biztosan látta ezt a fajta konstrukciót a nem természetes világban; Például sokféle tapéta, bár a kialakításuk kifinomult és egészében fizikailag terjedelmes, szomszédos alegységekből áll, amelyek gyakran kisebbek, mint négyzetláb. Még ennél is nyilvánvalóbb, hogy egy lánc makromolekulának tekinthető, amelyben az egyes linkek a "monomerek".
A biológiai makromolekulák szempontjából fontos szempont, hogy a lipidek kivételével monomer egységeik polárisak, vagyis elektromos töltésük nem szimmetrikusan oszlik el. Elméletileg különféle fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkező fejekkel és farokkal rendelkeznek. Mivel a monomerek fej-farok egymással kapcsolódnak, a makromolekulák szintén polárisak.
Ezenkívül minden biomolekula nagy mennyiségű széntartalommal rendelkezik. Lehet, hogy hallottál a földi élet olyan fajtájáról (más szavakkal, amelyről bizonyos tudjuk, hogy bárhol létezik), amelyet „szén-alapú életnek” nevezünk, és jó okkal. De a nitrogén, az oxigén, a hidrogén és a foszfor elengedhetetlenek az élőlényekhez is, és számos más elem kevésbé van a keverékben.
Szénhidrát
Szinte valószínű, hogy amikor látja vagy hallja a „szénhidrát” szót, az első dolog, amire gondol, az „étel”, és valószínűleg pontosabban: „valami ételben sok ember hajlandó megszabadulni”. A "Lo-carb" és a "no-carb" egyaránt a 21. század elején fogyás jelszavakká váltak, és a "carbon-loading" kifejezés az 1970-es évek óta az állóképesség-sport közösség környékén van. De valójában a szénhidrátok sokkal több, mint csupán az energiaforrás az élőlények számára.
A szénhidrát molekulák mindkét képlete a (CH2O)n, ahol n a jelen lévő szénatomok száma. Ez azt jelenti, hogy a C: H: O arány 1: 2: 1. Például az egyszerű cukrok, a glükóz, a fruktóz és a galaktóz C képletűek6H12O6 (e három molekula atomjai természetesen eltérően vannak elrendezve).
A szénhidrátokat monoszacharidok, diszacharidok és poliszacharidok kategóriába sorolják. A monoszacharid a szénhidrátok monomer egysége, de egyes szénhidrátok csak egy monomerből állnak, mint például glükóz, fruktóz és galaktóz. Általában ezek a monoszacharidok a legstabilabak gyűrű alakban, amelyet vázlatosan hatszög alakban ábrázolnak.
A diszacharidok két monomer egységgel rendelkező cukrok vagy egy pár monoszacharidot tartalmaznak. Ezek az alegységek lehetnek azonosak (mint a maltózban, amely két összekapcsolt glükózmolekulából áll) vagy különböző (mint a szacharózban vagy az asztali cukorban, amely egy glükózmolekulából és egy fruktózmolekulából áll.) A monoszacharidok közötti kötéseket glikozidkötéseknek nevezzük.
A poliszacharidok három vagy több monoszacharidot tartalmaznak. Minél hosszabbak ezek a láncok, annál valószínűbb, hogy ágak vannak, vagyis nemcsak monokacharidok vonalát képezik a végétől a másikig. A poliszacharidokra példa a keményítő, a glikogén, a cellulóz és a kitin.
A keményítő hajlamos spirál vagy spirál alakban kialakulni; ez általában a nagy molekulatömegű biomolekulákban jellemző. A cellulóz ezzel szemben lineáris, hosszú szénláncú glükózmonomerekből áll, hidrogénkötésekkel szénatomok között, rendszeres időközönként. A cellulóz a növényi sejtek egyik alkotóeleme, amely merevséget ad nekik. Az emberek nem tudják emésztni a cellulózt, és az étrendben általában "rostnak" nevezik. A kitin egy másik strukturális szénhidrát, amely az ízeltlábúak, például rovarok, pókok és rákok külső testében található. A kitin módosított szénhidrát, mivel bőséges nitrogénatomokkal "hamisított". A glikogén a test szénhidrát tároló formája; a glikogén lerakódások megtalálhatók mind a májban, mind az izomszövetben. Az ezekben a szövetekben alkalmazott enzim adaptációnak köszönhetően a képzett sportolók nagy energiaigényük és táplálkozási gyakorlataik eredményeként több glikogént tudnak tárolni, mint az ülő emberek.
fehérjék
A szénhidrátokhoz hasonlóan a fehérjék is a legtöbb ember mindennapi szókincsének részét képezik, mivel úgynevezett makroelemenként szolgálnak. De a fehérjék hihetetlenül sokoldalúak, sokkal inkább, mint a szénhidrátok. Valójában fehérjék nélkül nem lennének szénhidrátok vagy lipidek, mert ezeknek a molekuláknak a szintéziséhez (és az emésztéshez) szükséges enzimek maguk is fehérjék.
A fehérjék monomerei aminosavak. Ide tartoznak egy karbonsav (-COOH) csoport és egy amino (-NH2) csoport. Amikor az aminosavak kapcsolódnak egymáshoz, az hidrogénkötéssel az egyik aminosav karbonsav csoportja és a másik aminocsoportja között, egy vízmolekulával (H2O) felszabadul a folyamat során. Az aminosavak növekvő lánca egy polipeptid, és ha elegendő hosszú, és háromdimenziós alakját megkapja, akkor teljes értékű fehérje. A szénhidrátoktól eltérően a fehérjék soha nem mutatnak ágakat; ezek csak karboxilcsoportok láncát alkotják, aminocsoportokhoz kapcsolódva. Mivel ennek a láncnak elején és végén kell lennie, az egyik végének szabad aminocsoportja van, és az úgynevezett N-terminális, míg a másiknak egy szabad aminocsoportja van, és C-terminálisnak nevezik. Mivel 20 aminosav van, és ezek bármilyen sorrendben elrendezhetők, a fehérjék összetétele rendkívül változatos, bár nem fordul elő elágazás.
A fehérjék úgynevezett primer, szekunder, harmadlagos és negyedéves szerkezettel rendelkeznek. Az elsődleges szerkezet az aminosavak szekvenciájára utal a fehérjében, és genetikailag meghatározásra kerül. A másodlagos szerkezet a lánc hajlítására vagy törésére utal, általában ismétlődő módon. Néhány konformáció tartalmazhat egy alfa-hélixet és egy béta-redős lemezt, és a különböző aminosavak oldalsó láncai közötti gyenge hidrogénkötések eredményei. A harmadlagos struktúra a fehérje háromdimenziós térben történő elcsavarodása és hulláma, amely magában foglalhatja többek között diszulfidkötéseket (kén-kénatom) és hidrogénkötéseket. Végül, a kvaterner szerkezet egynél több polipeptid láncra utal ugyanabban a makromolekulában. Ez a kollagénben fordul elő, amely három láncból áll, és kötélként össze van csavart és összetekercselve.
A fehérjék enzimekként szolgálhatnak, amelyek katalizálják a test biokémiai reakcióit; hormonként, mint például inzulin és növekedési hormon; mint szerkezeti elemek; és sejtmembrán komponensekként.
lipidek
A lipidek változatos makromolekulák, de mindegyiküknek megvan a maga hidrofób tulajdonsága; vagyis nem oldódnak vízben. Ennek oka az, hogy a lipidek elektromos szempontból semlegesek és ezért nem polárosak, míg a víz egy poláris molekula. A lipidek közé tartoznak a trigliceridek (zsírok és olajok), foszfolipidek, karotinoidok, szteroidok és viaszok. Elsősorban a sejtmembrán kialakításában és stabilitásában vesznek részt, részben hormonokat képeznek, és tárolt tüzelőanyagként használják őket. A zsírok, egyfajta lipid, a makrotápanyagok harmadik típusa, a szénhidrátokkal és a fehérjékkel korábban tárgyaltunk. Az úgynevezett zsírsavak oxidációjával 9 kalóriát szolgáltatnak grammonként, szemben a szénhidrátok és a zsírok által táplált 4 kalóriával / grammmal.
A lipidek nem polimerek, tehát különféle formában vannak. Mint a szénhidrátok is, szénből, hidrogénből és oxigénből állnak. A trigliceridek három zsírsavat tartalmaznak, amelyek egy glicerin, egy három széntartalmú alkohol molekulájához kapcsolódnak. Ezek a zsírsav oldalláncok hosszú, egyszerű szénhidrogének. Ezekben a láncokban kettős kötések lehetnek, és ha vannak, akkor ez a zsírsavat képezi telítetlen. Ha csak egy ilyen kettős kötés van, akkor a zsírsav egyszeresen telítetlen. Ha kettő vagy több, akkor az többszörösen telítetlen. Ezeknek a különféle típusú zsírsavaknak az erek falára gyakorolt hatása miatt eltérő egészségügyi következményeik vannak az emberek számára. A telített zsírok, amelyek nem tartalmaznak kettős kötést, szobahőmérsékleten szilárd anyagok és általában állati zsírok; ezek hajlamosak artériás plakkok kialakulására és hozzájárulhatnak a szívbetegséghez. A zsírsavak kémiailag manipulálhatók, és a telítetlen zsírok, például a növényi olajok telíthetők, hogy szilárdak és szobahőmérsékleten kényelmesek legyenek, mint például a margarin.
A foszfolipidek, amelyek egyik végén hidrofób lipid, a másik oldalon hidrofil foszfát van, a sejtmembránok fontos alkotóeleme. Ezek a membránok egy foszfolipid kettős rétegből állnak. A két lipid rész hidrofób, a sejt külső és belső oldalával szemben, míg a foszfát hidrofil farkai a kettős réteg közepén találkoznak.
Más lipidek közé tartoznak a szteroidok, amelyek hormonként és hormon prekurzorként (például koleszterinként) szolgálnak, és egy sor megkülönböztető gyűrűs szerkezetet tartalmaznak; és viaszok, amelyek magukban foglalják a méhviaszt és a lanolint.
Nukleinsavak
A nukleinsavak közé tartozik a dezoxiribonukleinsav (DNS) és a ribonukleinsav (RNS). Ezek szerkezetileg nagyon hasonlóak, mivel mindkettő polimer, amelyben a monomer egységek vannak nukleotidok. A nukleotidok pentóz-cukorcsoportból, foszfátcsoportból és nitrogéntartalmú báziscsoportból állnak. Mind a DNS-ben, mind az RNS-ben ezek a bázisok négyféle lehetnek; egyébként a DNS összes nukleotidja azonos, mint az RNS nukleotidja.
A DNS és az RNS három fő módon különbözik egymástól. Az egyik az, hogy a DNS-ben a pentózcukor dezoxiribóz, az RNS-ben pedig ribóz. Ezek a cukrok pontosan egy oxigénatomonként különböznek egymástól. A második különbség az, hogy a DNS általában kettős szálú, és kettős hélixet alkot, amelyet az 1950-es években fedeztek fel a Watson és a Cricks csapat, de az RNS egyszálú. A harmadik az, hogy a DNS nitrogéntartalmú adenint (A), citozint (C), guanint (G) és timint (T) tartalmaz, de az RNS-ben az uracil (U) helyettesíti a timint.
A DNS örökletes információkat tárol. A nukleotidok hossza alkotja gének, amelyek a nitrogén alapú szekvenciákon keresztül tartalmazzák az információkat specifikus fehérjék előállításához. Sok gén teszi ki kromoszómák, és egy organizmus kromoszómáinak összege (az embereknek 23 párja van) genom. A DNS-t a transzkripció folyamatában használják az RNS olyan formájának elkészítésére, amelyet messenger RNS-nek (mRNS) hívnak. Ez egy kissé eltérő módon tárolja a kódolt információt, és kihúzza azt a sejtmagból, ahol a DNS, és a sejt citoplazmába vagy mátrixba. Itt más típusú RNS kezdeményezi a transzlációs folyamatot, amelynek során fehérjéket készítenek és szállítanak az egész sejtbe.