Obsah
Biológia - alebo neformálne samotný život - sa vyznačuje elegantnými makromolekulami, ktoré sa vyvinuli v priebehu stoviek miliónov rokov, aby slúžili mnohým kritickým funkciám. Tieto sa často delia na štyri základné typy: uhľohydráty (alebo polysacharidy), lipidy, proteíny a nukleové kyseliny. Ak máte nejaké pozadie vo výžive, prvé tri z nich poznáte ako tri štandardné makronutrienty (alebo „makrá“ v diétnom jazyku) uvedené na nutričných informačných štítkoch. Štvrtý sa týka dvoch úzko príbuzných molekúl, ktoré slúžia ako základ pre ukladanie a preklad genetických informácií vo všetkých živých veciach.
Každá z týchto štyroch makromolekúl života alebo biomolekúl plní rôzne povinnosti; ako ste očakávali, ich rôzne úlohy sú vynikajúco spojené s ich rôznymi fyzickými zložkami a usporiadaniami.
makromolekuly
makromolekuly je veľmi veľká molekula, obvykle pozostávajúca z opakovaných podjednotiek nazývaných monoméry, ktoré nie je možné zredukovať na jednoduchšie zložky bez obetovania prvku „stavebný blok“. Aj keď neexistuje štandardná definícia toho, aká veľká molekula musí byť, aby získala "makro" predponu, vo všeobecnosti majú minimálne tisíce atómov. Takúto stavbu ste takmer určite videli v neprirodzenom svete; Napríklad, mnoho druhov tapiet, hoci sú prepracované v dizajne a celkovo sú fyzicky expanzívne, pozostávajú z priľahlých podjednotiek, ktoré sú často menšie ako štvorcová stopa. Ešte jasnejšie je možné reťaz považovať za makromolekulu, v ktorej jednotlivé väzby sú „monoméry“.
Dôležitým bodom biologických makromolekúl je to, že s výnimkou lipidov sú ich monomérne jednotky polárne, čo znamená, že majú elektrický náboj, ktorý nie je symetricky distribuovaný. Schematicky majú „hlavy“ a „chvosty“ s rôznymi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami. Pretože monoméry sa navzájom spájajú, makromolekuly samotné sú tiež polárne.
Všetky biomolekuly majú tiež vysoké množstvo uhlíkového prvku. Možno ste už počuli taký druh života na Zemi (inými slovami, jediný druh, o ktorom vieme, že existuje kdekoľvek), ktorý sa nazýva „život založený na uhlíkoch“, a to z dobrého dôvodu. Ale aj dusík, kyslík, vodík a fosfor sú nevyhnutné aj pre živé zvieratá a v menšej miere je v zmesi veľa ďalších prvkov.
sacharidy
Je takmer isté, že keď vidíte alebo počujete slovo „uhľohydráty“, prvá vec, ktorú považujete za „jedlo“ a možno presnejšie povedané, „niečo v jedle sa mnohí ľudia chcú zbaviť“. „Lo-carb“ a „no-carb“ sa stali začiatkom 21. storočia chudobnými slovami na chudnutie a výraz „carbo-loading“ sa od 70. rokov minulého storočia nachádza v komunite vytrvalostných športov. Ale v skutočnosti sú uhľohydráty oveľa viac ako len zdroj energie pre živé veci.
Všetky molekuly uhľohydrátov majú vzorec (CH2O)n, kde n je počet prítomných atómov uhlíka. To znamená, že pomer C: H: O je 1: 2: 1. Napríklad jednoduché cukry glukóza, fruktóza a galaktóza majú vzorec C6H12O6 (atómy týchto troch molekúl sú samozrejme usporiadané odlišne).
Sacharidy sa klasifikujú ako monosacharidy, disacharidy a polysacharidy. Monosacharid je monomérna jednotka uhľohydrátov, ale niektoré uhľohydráty pozostávajú iba z jedného monoméru, ako je glukóza, fruktóza a galaktóza. Zvyčajne sú tieto monosacharidy najstabilnejšie vo forme kruhu, ktorý je schematicky znázornený ako šesťuholník.
Disacharidy sú cukry s dvoma monomérnymi jednotkami alebo párom monosacharidov. Tieto podjednotky môžu byť rovnaké (ako v prípade maltózy, ktorá pozostáva z dvoch spojených molekúl glukózy) alebo rôznych (napríklad v sacharóze alebo stolovom cukre, ktorý sa skladá z jednej molekuly glukózy a jednej molekuly fruktózy. Väzby medzi monosacharidmi sa nazývajú glykozidické väzby.
Polysacharidy obsahujú tri alebo viac monosacharidov. Čím dlhšie sú tieto reťazce, tým väčšia je pravdepodobnosť, že budú mať vetvy, to znamená, že to nebude jednoducho línia monosacharidov od začiatku do konca. Príklady polysacharidov zahŕňajú škrob, glykogén, celulózu a chitín.
Škrob má sklon tvoriť sa v tvare špirály alebo špirály; to je bežné vo biomolekulách s vysokou molekulovou hmotnosťou všeobecne. Celulóza je naopak lineárna a pozostáva z dlhého reťazca glukózových monomérov s vodíkovými väzbami rozptýlenými v pravidelných intervaloch medzi atómami uhlíka. Celulóza je súčasťou rastlinných buniek a dodáva im ich tuhosť. Ľudia nedokážu stráviť celulózu a v potrave sa zvyčajne označuje ako „vláknina“. Chitin je ďalší štruktúrny sacharid, ktorý sa nachádza vo vonkajších telách článkonožcov, ako je hmyz, pavúky a kraby. Chitín je modifikovaný uhľohydrát, pretože je „falšovaný“ s dostatočnými atómami dusíka. Glykogén je forma uhľohydrátov na uchovávanie tela; usadeniny glykogénu sa nachádzajú v pečeni aj svalovom tkanive. Vďaka adaptácii enzýmov v týchto tkanivách sú trénovaní športovci schopní ukladať viac glykogénu ako sedaví ľudia v dôsledku svojich vysokých energetických potrieb a výživových postupov.
bielkoviny
Podobne ako uhľohydráty sú proteíny súčasťou každodenného slovníka väčšiny národov, pretože slúžia ako tzv. Makronutrient. Proteíny sú však neuveriteľne univerzálne, omnoho viac ako sacharidy. V skutočnosti by bez proteínov neexistovali žiadne uhľohydráty alebo lipidy, pretože enzýmy potrebné na syntézu (ako aj na štiepenie) týchto molekúl sú samotné proteíny.
Monoméry proteínov sú aminokyseliny. Tieto zahŕňajú skupinu karboxylovej kyseliny (-COOH) a aminoskupinu (-NH)2). Keď sa aminokyseliny navzájom spájajú, je to cez vodíkovú väzbu medzi skupinou karboxylovej kyseliny na jednej z aminokyselín a aminoskupinou druhej, s molekulou vody (H2O) uvoľnené v procese. Rastúci reťazec aminokyselín je polypeptid, a ak je dostatočne dlhý a predpokladá svoj trojrozmerný tvar, ide o plnohodnotný proteín. Na rozdiel od uhľohydrátov proteíny nikdy nevykazujú vetvy; sú to len reťazce karboxylových skupín spojených s aminoskupinami. Pretože tento reťazec musí mať začiatok a koniec, jeden koniec má voľnú aminoskupinu a nazýva sa N-terminál, zatiaľ čo druhý má voľnú aminoskupinu a nazýva sa C-terminál. Pretože existuje 20 aminokyselín a tieto môžu byť usporiadané v akomkoľvek poradí, zloženie proteínov je veľmi rozmanité, aj keď nedochádza k vetveniu.
Bielkoviny majú štruktúru nazývanú primárna, sekundárna, terciárna a kvartérna. Primárna štruktúra sa týka sekvencie aminokyselín v proteíne a je geneticky určená. Sekundárna štruktúra znamená ohýbanie alebo zauzlenie v reťazci, zvyčajne opakujúcim sa spôsobom. Niektoré konformácie zahŕňajú alfa-špirálu a beta skladaný list a sú výsledkom slabých vodíkových väzieb medzi bočnými reťazcami rôznych aminokyselín. Terciárna štruktúra je skrúcanie a zvlnenie proteínu v trojrozmernom priestore a môže medzi iným zahŕňať disulfidové väzby (síra na síru) a vodíkové väzby. Nakoniec sa kvartérna štruktúra týka viac ako jedného polypeptidového reťazca v rovnakej makromolekule. K tomu dochádza u kolagénu, ktorý pozostáva z troch reťazí skrútených a stočených dohromady ako lano.
Bielkoviny môžu slúžiť ako enzýmy, ktoré katalyzujú biochemické reakcie v tele; ako hormóny, ako napríklad inzulín a rastový hormón; ako konštrukčné prvky; a ako komponenty bunkovej membrány.
lipidy
Lipidy sú rozmanitou sadou makromolekúl, ale všetky majú tú vlastnosť, že sú hydrofóbne; to znamená, že sa nerozpúšťajú vo vode. Je to tak preto, že lipidy sú elektricky neutrálne, a preto nepolárne, zatiaľ čo voda je polárna molekula. Lipidy zahŕňajú triglyceridy (tuky a oleje), fosfolipidy, karotenoidy, steroidy a vosky. Zúčastňujú sa predovšetkým na tvorbe a stabilite bunkových membrán, tvoria časti hormónov a používajú sa ako uložené palivo. Tuky, typ lipidov, sú tretím typom makronutrientu, s uhľohydrátmi a proteínmi diskutovanými vyššie. Oxidáciou svojich takzvaných mastných kyselín dodávajú 9 kalórií na gram, na rozdiel od 4 kalórií na gram dodávaných sacharidmi aj tukmi.
Lipidy nie sú polyméry, takže prichádzajú v rôznych formách. Rovnako ako uhľohydráty pozostávajú z uhlíka, vodíka a kyslíka. Triglyceridy pozostávajú z troch mastných kyselín spojených s molekulou glycerolu, alkoholu s tromi atómami uhlíka. Tieto postranné reťazce mastných kyselín sú dlhé jednoduché uhľovodíky. Tieto reťazce môžu mať dvojité väzby, a ak áno, vytvára mastnú kyselinu nenasýtené, Ak existuje iba jedna taká dvojitá väzba, mastná kyselina je mononenasýtené, Ak sú dva alebo viac, je polynenasýtené, Tieto rôzne typy mastných kyselín majú rôzne účinky na zdravie rôznych ľudí kvôli ich účinkom na steny krvných ciev. Nasýtené tuky, ktoré nemajú dvojitú väzbu, sú pri izbovej teplote tuhé a zvyčajne ide o živočíšne tuky; tieto majú tendenciu spôsobovať arteriálne plaky a môžu prispievať k srdcovým chorobám. Mastné kyseliny sa môžu chemicky manipulovať a nenasýtené tuky, ako napríklad rastlinné oleje, sa môžu vyrábať nasýtené, takže sú tuhé a vhodné na použitie pri teplote miestnosti, napríklad margarín.
Fosfolipidy, ktoré majú na jednom konci hydrofóbny lipid a na druhom hydrofilný fosfát, sú dôležitou zložkou bunkových membrán. Tieto membrány pozostávajú z dvojvrstvy fosfolipidov. Tieto dve lipidové časti, hydrofóbne, smerujú do vonkajšej a vnútornej časti bunky, zatiaľ čo hydrofilné zvyšky fosfátu sa stretávajú v strede dvojvrstvy.
Medzi ďalšie lipidy patria steroidy, ktoré slúžia ako hormóny a prekurzory hormónov (napr. Cholesterol) a obsahujú rad výrazných kruhových štruktúr; a vosky, ktoré zahŕňajú včelí vosk a lanolín.
Nukleové kyseliny
Nukleové kyseliny zahŕňajú kyselinu deoxyribonukleovú (DNA) a kyselinu ribonukleovú (RNA). Štruktúrne štruktúry sú veľmi podobné ako obidva polyméry, v ktorých sú monomérne jednotky nukleotidy, Nukleotidy pozostávajú zo skupiny pentózového cukru, fosfátu a skupiny dusíkatých báz. V DNA aj RNA môžu byť tieto bázy jedným zo štyroch typov; inak sú všetky nukleotidy DNA rovnaké ako RNA.
DNA a RNA sa líšia tromi hlavnými spôsobmi. Jedným je to, že v DNA je pentózovým cukrom deoxyribóza a v RNA ribóza. Tieto cukry sa líšia presne jedným atómom kyslíka. Druhým rozdielom je to, že DNA je zvyčajne dvojvláknová a tvorí dvojzávitnicu objavenú v 50. rokoch 20. storočia tímom Watson a Cricks, ale RNA je jednovláknová. Tretie je, že DNA obsahuje dusíkaté bázy adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín (T), ale RNA má uracil (U) nahradený tymínom.
DNA uchováva dedičné informácie. DÍžky nukleotidov tvoria gény, ktoré obsahujú informácie, prostredníctvom sekvencií dusíkatých báz, na výrobu špecifických proteínov. Mnoho génov tvorí chromozómy, a celková suma chromozómov organizmov (ľudia majú 23 párov) je jeho genóm, DNA sa používa v procese transkripcie na vytvorenie formy RNA nazývanej messenger RNA (mRNA). Toto uloží kódovanú informáciu trochu inak a presunie ju z bunkového jadra, kde je DNA, do bunkovej cytoplazmy alebo matrice. Tu iné typy RNA iniciujú proces translácie, pri ktorom sa proteíny vyrábajú a odosielajú do celej bunky.