Hvad er de fire makromolekyler i livet?

Biologi - eller uformelt, selve livet - er kendetegnet ved elegante makromolekyler, der har udviklet sig over hundreder af millioner af år til at tjene en række kritiske funktioner. Disse er ofte kategoriseret i fire basistyper: kulhydrater (eller polysaccharider), lipider, proteiner og nukleinsyrer. Hvis du har nogen baggrund inden for ernæring, vil du genkende de første tre af disse som de tre almindelige makronæringsstoffer (eller "makroer" i slankekure), der er anført på ernæringsoplysningsetiketter. Den fjerde vedrører to tæt beslægtede molekyler, der tjener som grundlag for lagring og oversættelse af genetisk information i alle levende ting.

Hver af disse fire makromolekyler i livet, eller biomolekyler, udfører en række opgaver; som man kunne forvente, er deres forskellige roller udsøgt relateret til deres forskellige fysiske komponenter og arrangementer.
Macromolecules

A macromolecule
er et meget stort molekyle, der normalt består af gentagne underenheder kaldet < em> monomerer
, som ikke kan reduceres til enklere bestanddele uden at ofre elementet "byggesten". Selvom der ikke er nogen standarddefinition på, hvor stort et molekyle skal være for at tjene "makro" -præfikset, har de generelt mindst et minimum af tusinder af atomer. Du har næsten helt sikkert set denne form for konstruktion i den ikke-naturlige verden; for eksempel består mange slags tapeter, mens de er detaljerede i design og fysisk ekspansivt i det store og hele, af tilstødende underenheder, der ofte er mindre end en kvadratfod eller derover i størrelse. Endnu tydeligere kan en kæde betragtes som en makromolekyle, hvor de individuelle forbindelser er "monomerer."

Et vigtigt punkt ved biologiske makromolekyler er, at deres monomerenheder, med undtagelse af lipider, er polære, hvilket betyder, at de har en elektrisk ladning, der ikke distribueres symmetrisk. Skematisk har de "hoveder" og "haler" med forskellige fysiske og kemiske egenskaber. Fordi monomererne samles head-to-tail til hinanden, er makromolekyler i sig selv også polære.

Desuden har alle biomolekyler store mængder af elementet carbon. Du har muligvis hørt den slags liv på Jorden (med andre ord, den eneste slags, vi kender med sikkerhed findes overalt), kaldet "kulstofbaseret liv" og med god grund. Men og nitrogen, ilt, brint og fosfor er også uundværlige for levende ting, og en række andre elementer er i blanding i mindre grad.
Carbohydrates

Det er en nær sikkerhed, at når du ser eller hører ordet "kulhydrat", den første ting, du tænker på, er "mad", og måske mere specifikt, "noget i mad, som mange mennesker har til hensigt at slippe af med." "Lo-carb" og "no-carb" blev begge vægttab-buzzwords i den tidlige del af det 21. århundrede, og udtrykket "carbo-loading" har været omkring udholdenheds-sportssamfundet siden 1970'erne. Men faktisk er kulhydrater langt mere end blot en kilde til energi til levende ting.

Carbohydratmolekyler har alle formlen (CH _{2O) n, hvor n er antallet af carbonatomer til stede. Dette betyder, at forholdet C: H: O er 1: 2: 1. For eksempel har de enkle sukkerarter glukose, fructose og galactose alle formlen C 6H 12O 6 (atomerne i disse tre molekyler er naturligvis arrangeret forskelligt).}

Carbohydrater klassificeres som monosaccharider, disaccharider og polysaccharider. Et monosaccharid er monomerenheden af kulhydrater, men nogle kulhydrater består kun af en monomer, såsom glucose, fructose og galactose. Normalt er disse monosaccharider mest stabile i en ringform, der skematisk er afbildet som en hexagon.

Disaccharider er sukkerarter med to monomere enheder eller et par monosaccharider. Disse underenheder kan være de samme (som i maltose, der består af to sammenføjede glukosemolekyler) eller forskellige (som i saccharose eller bordsukker, der består af et glukosemolekyle og et fruktosemolekyle. Bindinger mellem monosaccharider kaldes glycosidiske bindinger.

Polysaccharider indeholder tre eller flere monosaccharider. Jo længere disse kæder er, jo mere sandsynligt er det at have grene, det vil sige for ikke blot at være en linje med monosaccharider fra ende til ende. Eksempler på polysaccharider inkluderer stivelse, glycogen , cellulose og chitin.

Stivelse har en tendens til at dannes i en helix eller spiralform; dette er almindeligt i biomolekyler med høj molekylvægt generelt. Cellulose er derimod lineær, bestående af en lang kæde af glukosemonomerer med brintbindinger ispeddede mellem kulstofatomer med regelmæssige intervaller. Cellulose er en bestanddel af planteceller og giver dem deres stivhed. Mennesker kan ikke fordøje cellulose, og i kosten kaldes det normalt "fiber." Chitin er en anot er strukturelt kulhydrat, der findes i de ydre kroppe af leddyr såsom insekter, edderkopper og krabber. Chitin er et modificeret kulhydrat, da det er "forfalsket" med rigelige nitrogenatomer. Glykogen er kroppens oplagringsform for kulhydrat; aflejringer af glycogen findes i både lever og muskelvæv. Takket være enzymtilpasninger i disse væv er uddannede atleter i stand til at opbevare mere glycogen end stillesiddende mennesker som et resultat af deres høje energibehov og ernæringsmæssige praksis.
Proteiner

Som kulhydrater er proteiner en del af de fleste folks daglige ordforråd på grund af deres tjene som et såkaldt makronæringsstof. Men proteiner er utroligt alsidige, langt mere end kulhydrater. Uden proteiner ville der faktisk ikke være kulhydrater eller lipider, fordi de enzymer, der er nødvendige for at syntetisere (såvel som fordøje) disse molekyler, er i sig selv proteiner.

Proteiners monomerer er aminosyrer. Disse inkluderer en carboxylsyregruppe (-COOH) og en amino- (-NH <2) gruppe. Når aminosyrer forbinder hinanden, er det via en brintbinding mellem carboxylsyregruppen på en af aminosyrerne og aminogruppen i den anden med et molekyle vand (H _{2O) frigivet i processen. En voksende kæde af aminosyrer er et polypeptid, og når det er tilstrækkeligt langt og antager sin tredimensionelle form, er det et fuldt protein. I modsætning til kulhydrater viser proteiner aldrig grene; de er bare en kæde af carboxylgrupper, der er knyttet til aminogrupper. Da denne kæde skal have en begyndelse og en ende, har den ene ende en fri aminogruppe og kaldes N-terminalen, mens den anden har en fri aminogruppe og kaldes C-terminalen. Da der er 20 aminosyrer, og disse kan arrangeres i en hvilken som helst rækkefølge, er proteinsammensætningen ekstremt varieret, selvom der ikke forekommer nogen forgrening.}

Proteiner har det, der kaldes primær, sekundær, tertiær og kvartær struktur. Primær struktur refererer til sekvensen af aminosyrer i proteinet, og den bestemmes genetisk. Sekundær struktur henviser til bøjning eller knæk i kæden, normalt på en gentagen måde. Nogle konformationer inkluderer en alfa-helix og et beta-plisseret ark, og er resultatet af svage brintbindinger mellem sidekæder af forskellige aminosyrer. Tertiær struktur er vridningen og krøllingen af proteinet i tredimensionelt rum og kan omfatte disulfidbindinger (svovl til svovl) og brintbindinger. Endelig henviser kvartær struktur til mere end en polypeptidkæde i det samme makromolekyle. Dette forekommer i kollagen, der består af tre kæder, der er snoet og viklet sammen som et reb.

Proteiner kan tjene som enzymer, der katalyserer biokemiske reaktioner i kroppen; som hormoner, såsom insulin og væksthormon; som strukturelle elementer; og som cellemembrankomponenter.
Lipider

Lipider er et mangfoldigt sæt af makromolekyler, men de har alle træk ved at være hydrofobe; det vil sige, de opløses ikke i vand. Dette skyldes, at lipider er elektrisk neutrale og derfor ikke-polære, mens vand er et polært molekyle. Lipider inkluderer triglycerider (fedt og olier), phospholipider, carotenoider, steroider og voksarter. De er primært involveret i cellemembrandannelse og stabilitet, danner dele af hormoner og bruges som lagret brændstof. Fedtstoffer, en type lipid, er den tredje type makronæringsstof, med kulhydrater og proteiner diskuteret tidligere. Via oxidation af deres såkaldte fedtsyrer leverer de 9 kalorier pr. Gram i modsætning til de 4 kalorier pr. Gram, der leveres af både kulhydrater og fedt.

Lipider er ikke polymerer, så de kommer i forskellige former . Ligesom kulhydrater består de af kulstof, brint og ilt. Triglycerider består af tre fedtsyrer, der er forbundet med et molekyle glycerol, en tre-carbonalkohol. Disse fedtsyresidekæder er lange, enkle kulbrinter. Disse kæder kan have dobbeltbindinger, og hvis de gør det, gør det fedtsyren umættet
. Hvis der kun er en sådan dobbeltbinding, er fedtsyren enumættet
. Hvis der er to eller flere, er det flerumættet
. Disse forskellige typer fedtsyrer har forskellige sundhedsmæssige konsekvenser for forskellige mennesker på grund af deres indvirkning på væggene i blodkar. Mættede fedtstoffer, som ikke har dobbeltbinding, er faste ved stuetemperatur og er normalt dyrefedt; disse har tendens til at forårsage arterielle plaques og kan bidrage til hjertesygdomme. Fedtsyrer kan manipuleres kemisk, og umættede fedtstoffer, såsom vegetabilske olier, kan fremstilles mættede, så de er faste og praktiske at bruge ved stuetemperatur, ligesom margarin.

Fosfolipider, som har en hydrofob lipid i den ene ende og et hydrofilt phosphat i det andet er en vigtig komponent i cellemembraner. Disse membraner består af et phospholipid dobbeltlag. De to lipiddele, der er hydrofobe, vender mod cellen udvendigt og indvendigt, mens de hydrofile haler af fosfat mødes i midten af dobbeltlaget.

Andre lipider inkluderer steroider, der tjener som hormoner og hormonforløbere (f.eks. kolesterol) og indeholder en række karakteristiske ringstrukturer; og voksarter, der inkluderer bivoks og lanolin.
Nukleinsyrer

Nukleinsyrer inkluderer deoxyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). Disse er meget ens strukturelt, da begge er polymerer, hvor de monomere enheder er nukleotider
. Nukleotider består af en pentosesukkergruppe, en phosphatgruppe og en nitrogenbaseret gruppe. I både DNA og RNA kan disse baser være en af fire typer; Ellers er alle nukleotiderne af DNA identiske, ligesom RNA'erne er.

DNA og RNA adskiller sig på tre hovedmåder. Den ene er, at i DNA er pentosesukkeret deoxyribose, og i RNA er det ribose. Disse sukkerarter adskiller sig nøjagtigt med et iltatom. Den anden forskel er, at DNA normalt er dobbeltstrenget og danner den dobbelte helix, der blev opdaget i 1950'erne af Watson og Cricks team, men RNA er enkeltstrenget. Det tredje er, at DNA indeholder nitrogenholdige baser adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T), men RNA har uracil (U) erstattet med thymin.

DNA gemmer arvelig information . Længder af nukleotider udgør gener
, som indeholder informationen via de nitrogenholdige basesekvenser for at fremstille specifikke proteiner. Masser af gener udgør kromosomer,
og summen af en organismes kromosomer (mennesker har 23 par) er dets genom genom. DNA bruges i transkriptionsprocessen til at fremstille en form for RNA kaldet messenger RNA (mRNA). Dette gemmer den kodede information på en lidt anden måde og flytter den ud af cellekernen, hvor DNA'et er, og ind i cellecytoplasma eller matrix. Her indleder andre typer RNA processen med translation, hvor proteiner fremstilles og sendes over hele cellen.