Содержание
Биология - или неофициально - сама жизнь - характеризуется элегантными макромолекулами, которые эволюционировали в течение сотен миллионов лет для выполнения ряда критических функций. Они часто подразделяются на четыре основных типа: углеводы (или полисахариды), липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Если у вас есть опыт в питании, вы узнаете первые три из них как три стандартных макроэлемента (или «макроса» на диете), перечисленных на информационных этикетках. Четвертый относится к двум тесно связанным молекулам, которые служат основой для хранения и трансляции генетической информации во всех живых существах.
Каждая из этих четырех макромолекул жизни, или биомолекул, выполняет различные обязанности; как и следовало ожидать, их различные роли изысканно связаны с их различными физическими компонентами и механизмами.
Макромолекулы
макромолекула очень большая молекула, обычно состоящая из повторяющихся субъединиц, называемых мономеры, который не может быть уменьшен до более простых составляющих, не жертвуя элементом "строительного блока". Хотя стандартного определения размера молекулы, необходимой для получения префикса «макро», не существует, обычно они содержат, как минимум, тысячи атомов. Вы почти наверняка видели такую конструкцию в неприродном мире; например, многие виды обоев, хотя они и разработаны в дизайне и в целом физически обширны, состоят из смежных подразделений, которые часто имеют размер менее квадратного фута или около того. Еще более очевидно, цепь можно рассматривать как макромолекулу, в которой отдельные звенья являются «мономерами».
Важным моментом в отношении биологических макромолекул является то, что, за исключением липидов, их мономерные звенья являются полярными, что означает, что они имеют электрический заряд, который не распределен симметрично. Схематически они имеют «головы» и «хвосты» с разными физическими и химическими свойствами. Поскольку мономеры соединяются друг с другом, макромолекулы сами также полярны.
Кроме того, все биомолекулы содержат большое количество углеродного элемента. Возможно, вы слышали, что такое жизнь на Земле (другими словами, единственный вид, который мы знаем наверняка, существует где-либо), называемый «углеродной жизнью», и на то есть веская причина. Но и азот, и кислород, и водород, и фосфор также необходимы живым существам, и множество других элементов находятся в смеси в меньшей степени.
углеводы
Совершенно очевидно, что когда вы видите или слышите слово «углеводы», первое, о чем вы думаете, это «еда», и, возможно, более конкретно: «что-то в еде, от которой многие люди хотят избавиться». «Lo-carb» и «no-carb» стали модными словечками для похудения в начале 21-го века, а термин «карбоновая нагрузка» встречается в сообществе выносливых видов спорта с 1970-х годов. Но на самом деле углеводы - это гораздо больше, чем просто источник энергии для живых существ.
Все молекулы углеводов имеют формулу (CH2O)Nгде n - число присутствующих атомов углерода. Это означает, что соотношение C: H: O составляет 1: 2: 1. Например, простые сахара глюкоза, фруктоза и галактоза имеют формулу C6ЧАС12О6 (Атомы этих трех молекул, конечно, расположены по-разному).
Углеводы классифицируются как моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахарид является мономерной единицей углеводов, но некоторые углеводы состоят только из одного мономера, такого как глюкоза, фруктоза и галактоза. Обычно эти моносахариды наиболее устойчивы в форме кольца, которое схематически изображено в виде шестиугольника.
Дисахариды - это сахара с двумя мономерными единицами или пара моносахаридов. Эти субъединицы могут быть такими же (как в мальтозе, которая состоит из двух соединенных молекул глюкозы) или разными (как в сахарозе, или столовом сахаре, который состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы. Связи между моносахаридами называются гликозидными связями.
Полисахариды содержат три или более моносахаридов. Чем длиннее эти цепи, тем больше вероятность того, что они будут иметь ответвления, то есть не просто будут цепью моносахаридов от конца к концу. Примеры полисахаридов включают крахмал, гликоген, целлюлозу и хитин.
Крахмал имеет тенденцию образовываться в форме спирали или спирали; это часто встречается в высокомолекулярных биомолекулах. Целлюлоза, напротив, является линейной, состоящей из длинной цепи мономеров глюкозы с водородными связями, равномерно распределенными между атомами углерода. Целлюлоза является компонентом растительных клеток и придает им жесткость. Люди не могут переваривать клетчатку, и в рационе ее обычно называют «клетчаткой». Хитин - это еще один структурный углевод, который содержится во внешних частях членистоногих, таких как насекомые, пауки и крабы. Хитин является модифицированным углеводом, так как он «фальсифицирован» с достаточным количеством атомов азота. Гликоген - это форма накопления углеводов в организме; отложения гликогена обнаруживаются как в печени, так и в мышечной ткани. Благодаря ферментативным адаптациям в этих тканях подготовленные спортсмены могут хранить больше гликогена, чем сидячие люди, в результате их высоких энергетических потребностей и практики питания.
Белки
Как и углеводы, белки являются частью повседневной лексики большинства людей, поскольку они служат так называемым макронутриентом. Но белки невероятно универсальны, гораздо больше, чем углеводы. На самом деле, без белков не было бы углеводов или липидов, потому что ферменты, необходимые для синтеза (а также для расщепления) этих молекул, сами по себе являются белками.
Мономеры белков являются аминокислотами. Они включают группу карбоновой кислоты (-COOH) и амино (-NH)2) группа. Когда аминокислоты соединяются друг с другом, это происходит через водородную связь между группой карбоновой кислоты в одной из аминокислот и аминогруппой другой с молекулой воды (H2О) выпущен в процессе. Растущая цепочка аминокислот представляет собой полипептид, а когда он достаточно длинный и приобретает трехмерную форму, это полноценный белок. В отличие от углеводов, белки никогда не показывают ветви; они представляют собой просто цепь карбоксильных групп, соединенных с аминогруппами. Поскольку эта цепь должна иметь начало и конец, один конец имеет свободную аминогруппу и называется N-концом, а другой имеет свободную аминогруппу и называется С-концом. Поскольку имеется 20 аминокислот, и они могут быть расположены в любом порядке, состав белков чрезвычайно разнообразен, даже если ветвления не происходит.
Белки имеют то, что называется первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурой. Первичная структура относится к последовательности аминокислот в белке, и она определяется генетически. Вторичная структура относится к изгибу или изгибу в цепи, обычно повторяющимся образом. Некоторые конформации включают альфа-спираль и бета-плиссированный лист и являются результатом слабых водородных связей между боковыми цепями различных аминокислот. Третичная структура представляет собой скручивание и скручивание белка в трехмерном пространстве и может включать дисульфидные связи (от серы до серы) и водородные связи, среди прочих. Наконец, четвертичная структура относится к более чем одной полипептидной цепи в одной макромолекуле. Это происходит в коллагене, который состоит из трех цепей, скрученных и скрученных вместе, как веревка.
Белки могут служить ферментами, которые катализируют биохимические реакции в организме; в качестве гормонов, таких как инсулин и гормон роста; как структурные элементы; и как компоненты клеточной мембраны.
Липиды
Липиды представляют собой разнообразный набор макромолекул, но все они имеют общую черту гидрофобности; то есть они не растворяются в воде. Это потому, что липиды электрически нейтральны и, следовательно, неполярны, тогда как вода является полярной молекулой. Липиды включают триглицериды (жиры и масла), фосфолипиды, каротиноиды, стероиды и воски. Они в основном участвуют в формировании и стабильности клеточной мембраны, образуют части гормонов и используются в качестве хранимого топлива. Жиры, тип липидов, являются третьим типом макроэлементов, с углеводами и белками, которые обсуждались ранее. За счет окисления их так называемых жирных кислот они поставляют 9 калорий на грамм, в отличие от 4 калорий на грамм, которые содержатся в углеводах и жирах.
Липиды не являются полимерами, поэтому они бывают разных форм. Как и углеводы, они состоят из углерода, водорода и кислорода. Триглицериды состоят из трех жирных кислот, соединенных с молекулой глицерина, трехуглеродного спирта. Эти боковые цепи жирных кислот представляют собой длинные простые углеводороды. Эти цепи могут иметь двойные связи, и если они имеют, это делает жирную кислоту ненасыщенный, Если существует только одна такая двойная связь, жирная кислота мононенасыщенные, Если есть два или более, это полиненасыщенный, Эти различные типы жирных кислот имеют различные последствия для здоровья для разных людей из-за их воздействия на стенки кровеносных сосудов. Насыщенные жиры, которые не имеют двойных связей, являются твердыми при комнатной температуре и обычно являются животными жирами; они имеют тенденцию вызывать артериальные бляшки и могут способствовать заболеванию сердца. Жирными кислотами можно химически манипулировать, а ненасыщенные жиры, такие как растительные масла, можно сделать насыщенными, чтобы они были твердыми и удобными для использования при комнатной температуре, например маргарин.
Фосфолипиды, которые имеют гидрофобный липид на одном конце и гидрофильный фосфат на другом, являются важным компонентом клеточных мембран. Эти мембраны состоят из фосфолипидного бислоя. Две липидные части, будучи гидрофобными, обращены наружу и внутрь клетки, тогда как гидрофильные хвосты фосфата встречаются в центре бислоя.
Другие липиды включают стероиды, которые служат в качестве гормонов и предшественников гормонов (например, холестерина) и содержат ряд характерных кольцевых структур; и воски, которые включают пчелиный воск и ланолин.
Нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты включают дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). Они очень похожи структурно, так как оба являются полимерами, в которых мономерные звенья нуклеотиды, Нуклеотиды состоят из пентозной сахарной группы, фосфатной группы и азотистой основной группы. Как в ДНК, так и в РНК эти основания могут быть одного из четырех типов; в противном случае все нуклеотиды ДНК идентичны, как и нуклеотиды РНК.
ДНК и РНК различаются тремя основными способами. Во-первых, в ДНК пентозный сахар является дезоксирибозой, а в РНК - рибозой. Эти сахара отличаются ровно на один атом кислорода. Второе отличие состоит в том, что ДНК обычно является двухцепочечной, образуя двойную спираль, открытую в 1950-х годах командой Уотсона и Крикса, но РНК одноцепочечная. Третье - это то, что ДНК содержит азотистые основания аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T), но РНК заменяет тимин урацилом (U).
ДНК хранит наследственную информацию. Длина нуклеотидов составляет геныкоторые содержат информацию через азотистые базовые последовательности для производства специфических белков. Множество генов составляют хромосомы, и общая сумма хромосом организма (у человека 23 пары) является его геном, ДНК используется в процессе транскрипции для создания формы РНК, называемой мессенджер РНК (мРНК). Это хранит закодированную информацию немного по-другому и перемещает ее из ядра клетки, где находится ДНК, в цитоплазму или матрицу клетки. Здесь другие типы РНК инициируют процесс трансляции, при котором белки производятся и распределяются по всей клетке.