Vsebina
Za biologijo - ali neuradno, samo življenje - so značilne elegantne makromolekule, ki so se razvijale v več sto milijonih let, da bi služile vrsto kritičnih funkcij. Te so pogosto razvrščene v štiri osnovne vrste: ogljikovi hidrati (ali polisaharidi), lipidi, beljakovine in nukleinske kisline. Če imate kakršno koli prehrano, boste prve tri od teh prepoznali kot tri standardna makronutrients (ali "makrone", v jeziku prehrane), ki so navedeni na nalepkah s podatki o prehrani. Četrta se nanaša na dve tesno povezani molekuli, ki sta osnova za shranjevanje in prevajanje genetskih informacij v vsem živem.
Vsaka od teh štirih makromolekul življenja ali biomolekul opravlja različne naloge; kot lahko pričakujete, so njihove različne vloge izredno povezane z njihovimi različnimi fizičnimi komponentami in ureditvijo.
Makromolekule
A makromolekule je zelo velika molekula, običajno sestavljena iz ponavljajočih se podenot monomere, ki jih ni mogoče zreducirati na enostavnejše sestavne dele brez žrtvovanja elementa "gradnik". Medtem ko ni standardne opredelitve, kako velika mora biti molekula, da bi si lahko prislužila predpono "makro", jih ima na splošno vsaj na tisoče atomov. Skoraj zagotovo ste videli tovrstno gradnjo v nenaravnem svetu; na primer, veliko vrst ozadij je sicer oblikovalsko oblikovano in celostno fizično razširjeno, sestavljeno iz sosednjih podenot, ki so velikosti manj kot kvadratno stopalo ali več. Še bolj očitno je verigo mogoče razumeti kot makromolekulo, v kateri so posamezne povezave "monomeri".
Pomembna točka bioloških makromolekul je, da so, razen lipidov, njihove monomerne enote polarne, kar pomeni, da imajo električni naboj, ki se ne porazdeli simetrično. Shematično imajo "glave" in "repove" z različnimi fizikalnimi in kemijskimi lastnostmi. Ker se monomeri med seboj povezujejo z glavo do repa, so same makromolekule tudi polarne.
Prav tako imajo vse biomolekule velike količine ogljika. Morda ste slišali življenje na Zemlji (z drugimi besedami, edina vrsta, ki jo zagotovo poznamo kjer koli), imenovano "življenje na ogljiku" in z dobrim razlogom. A dušik, kisik, vodik in fosfor so nepogrešljivi tudi za živa bitja in številne druge elemente so v mešanici v manjši meri.
Ogljikovi hidrati
Skoraj gotovo je, da ko vidite ali slišite besedo "ogljikovi hidrati", prva stvar, na katero pomislite, je "hrana" in morda natančneje, "nekaj, česar se mnogi nameravajo znebiti." "Lo-carb" in "no-carb" sta postali besedi za hujšanje v zgodnjem delu 21. stoletja, izraz "karbo-obremenitev" pa je v združbi vzdržljivosti in športa že od sedemdesetih let prejšnjega stoletja. V resnici pa so ogljikovi hidrati veliko več kot le vir energije za živa bitja.
Vse molekule ogljikovih hidratov imajo formulo (CH2O)n, kjer je n število prisotnih ogljikovih atomov. To pomeni, da je razmerje C: H: O 1: 2: 1. Na primer, enostavni sladkorji glukoza, fruktoza in galaktoza imajo formulo C6H12O6 (atomi teh treh molekul so seveda razporejeni drugače).
Ogljikovi hidrati so razvrščeni kot monosaharidi, disaharidi in polisaharidi. Monozaharid je monomerna enota ogljikovih hidratov, vendar nekateri ogljikovi hidrati sestavljajo samo en monomer, kot so glukoza, fruktoza in galaktoza. Običajno so ti monosaharidi najbolj stabilni v obliki obroča, ki je shematsko prikazan kot šesterokotnik.
Disaharidi so sladkorji z dvema monomernima enotama ali parom monosaharidov. Te podenote so lahko enake (kot pri maltozi, ki je sestavljena iz dveh združenih molekul glukoze) ali različne (kot v saharozi ali namizni sladkor, ki je sestavljen iz ene molekule glukoze in ene molekule fruktoze. Veze med monosaharidi se imenujejo glikozidne vezi.
Polisaharidi vsebujejo tri ali več monosaharidov. Daljše kot so te verige, večja je verjetnost, da bodo imele veje, torej da ne bodo preprosto monozaharidi od konca do konca. Primeri polisaharidov vključujejo škrob, glikogen, celulozo in hitin.
Škrob se nagiba v vijačno ali spiralno obliko; to je običajno pri biomolekulah z visoko molekulsko maso na splošno. Celuloza je v nasprotju s tem linearna, sestavljena iz dolge verige glukoznih monomerov z vodikovimi vezmi, ki se v enakomernih presledkih prepletajo med atomi ogljika. Celuloza je sestavina rastlinskih celic in jim daje togost. Človek ne more prebaviti celuloze, v prehrani pa jo običajno imenujemo "vlaknine". Hitin je še en strukturni ogljikov hidrat, ki ga najdemo v zunanjih telesih členonožcev, kot so žuželke, pajki in raki. Hitin je modificiran ogljikov hidrat, saj je "obogaten" z dovolj dušikovimi atomi. Glikogen je telesna shramba ogljikovih hidratov; depoziti glikogena najdemo tako v jetrnem kot v mišičnem tkivu. Zahvaljujoč encimskim prilagoditvam v teh tkivih lahko usposobljeni športniki shranijo več glikogena kot sedeči ljudje, kar je posledica njihovih velikih energijskih potreb in prehranskih praks.
Beljakovine
Tako kot ogljikovi hidrati so tudi beljakovine del večine ljudi vsakdanji besednjak, saj služijo kot tako imenovani makronutrient. Toda beljakovine so neverjetno vsestranske, veliko bolj kot ogljikovi hidrati. Pravzaprav brez beljakovin ne bi bilo ogljikovih hidratov ali lipidov, ker so encimi, potrebni za sintezo (in tudi prebavo) teh molekul, sami beljakovine.
Monomeri proteinov so aminokisline. Ti vključujejo skupino karboksilne kisline (-COOH) in amino (-NH)2) skupina. Ko se aminokisline združijo, gre preko vodikove vezi med skupino karboksilne kisline na eni od aminokislin in aminokislinjo druge z molekulo vode (H2O) sprosti v postopku. Rastoča veriga aminokislin je polipeptid in ko je dovolj dolga in prevzame tridimenzionalno obliko, je polnovredna beljakovina. Za razliko od ogljikovih hidratov beljakovine nikoli ne kažejo vej; so le veriga karboksilnih skupin, pridruženih amino skupinam. Ker mora imeti ta veriga začetek in konec, ima en konec prosto amino skupino in se imenuje N-terminal, drugi pa ima prosto amino skupino in se imenuje C-terminal. Ker je 20 aminokislin in jih je mogoče razporediti v poljubnem vrstnem redu, je sestava beljakovin izjemno pestra, čeprav ne pride do razvejevanja.
Proteini imajo tako imenovano primarno, sekundarno, terciarno in kvartarno strukturo. Primarna struktura se nanaša na zaporedje aminokislin v proteinu in je gensko določena. Sekundarna struktura se nanaša na upogib ali zvijanje v verigi, običajno na ponavljajoč se način. Nekatere konformacije vključujejo alfa-vijačnico in betonirano pločevino in so posledica šibkih vodikovih vezi med stranskimi verigami različnih aminokislin. Terciarna struktura je zvijanje in zvijanje beljakovin v tridimenzionalnem prostoru in med drugim lahko vključuje disulfidne vezi (žveplo do žvepla) in vodikove vezi. Na koncu se kvaternarna struktura nanaša na več kot eno polipeptidno verigo v isti makromolekuli. Do tega pride pri kolagenu, ki je sestavljen iz treh verig, zvitih in zvite skupaj kot vrv.
Beljakovine lahko služijo kot encimi, ki katalizirajo biokemične reakcije v telesu; kot hormoni, kot sta inzulin in rastni hormon; kot strukturni elementi; in kot sestavine celične membrane.
Lipidi
Lipidi so raznolik nabor makromolekul, vendar imajo vsi lastnosti hidrofobnosti; se pravi, da se ne raztopijo v vodi. To je zato, ker so lipidi električno nevtralni in zato nepolarni, voda pa je polarna molekula. Lipidi vključujejo trigliceride (maščobe in olja), fosfolipide, karotenoide, steroide in voske. Vključujejo predvsem pri tvorbi in stabilnosti celičnih membran, tvorijo dele hormonov in se uporabljajo kot shranjeno gorivo. Maščobe, vrsta lipidov, so tretja vrsta makronutrientov, z ogljikovimi hidrati in beljakovinami, o katerih smo že govorili. Z oksidacijo tako imenovanih maščobnih kislin oddajo 9 kalorij na gram, v nasprotju s 4 kalorijami na gram, ki jih zagotavljajo ogljikovi hidrati in maščobe.
Lipidi niso polimeri, zato prihajajo v najrazličnejših oblikah. Tako kot ogljikovi hidrati so sestavljeni iz ogljika, vodika in kisika. Trigliceridi so sestavljeni iz treh maščobnih kislin, pridruženih molekuli glicerola, tri ogljikovega alkohola. Te maščobne stranske verige so dolgi, preprosti ogljikovodiki. Te verige imajo lahko dvojne vezi, in če to storijo, to naredi maščobno kislino nenasičen. Če obstaja samo ena taka dvojna vez, je maščobna kislina mononenasičenih. Če sta dva ali več, je polinenasičene. Te različne vrste maščobnih kislin imajo zaradi vpliva na stene krvnih žil različne zdravstvene posledice za različne ljudi. Nasičene maščobe, ki nimajo dvojnih vezi, so pri sobni temperaturi trdne in so običajno živalske maščobe; te lahko povzročijo arterijske plake in lahko prispevajo k boleznim srca. Maščobne kisline lahko kemično manipuliramo, nenasičene maščobe, kot so rastlinska olja, pa lahko postanejo nasičene, tako da so trdne in priročne za uporabo pri sobni temperaturi, kot je margarina.
Fosfolipidi, ki imajo hidrofobni lipid na enem koncu in hidrofilni fosfat na drugem, so pomemben sestavni del celičnih membran. Te membrane so sestavljene iz fosfolipidnega dvosloja. Dva lipidna dela sta hidrofobna, zunaj in v notranjosti celice, medtem ko se hidrofilni repi fosfata srečujejo v središču dvosloja.
Drugi lipidi vključujejo steroide, ki delujejo kot hormoni in prekurzorji hormonov (npr. Holesterol) in vsebujejo vrsto značilnih obročnih struktur; in voski, ki vključujejo čebelji vosek in lanolin.
Nukleinska kislina
Nukleinske kisline vključujejo deoksiribonukleinska kislina (DNA) in ribonukleinska kislina (RNA). Ti so strukturno zelo podobni, saj sta oba polimera, v katerih sta monomerni enoti nukleotidi. Nukleotidi so sestavljeni iz skupine pentoza sladkorja, fosfatne skupine in dušikove bazične skupine. Tako v DNK kot v RNK so lahko te baze ena od štirih vrst; v nasprotnem primeru so vsi nukleotidi DNK enaki, kot tudi RNA.
DNK in RNA se razlikujeta na tri glavne načine. Eno je, da je v DNK pentozni sladkor deoksiriboza, v RNK pa riboza. Ti sladkorji se razlikujejo za točno en atom kisika. Druga razlika je v tem, da je DNK običajno dvovezen, saj tvori dvojno vijačnico, ki sta jo v 50. letih prejšnjega stoletja odkrila ekipa Watson in Cricks, toda RNA je enojna. Tretji del je, da DNK vsebuje dušikove baze adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T), toda RNA ima uramin (U) nadomeščen za timin.
DNK hrani dedne podatke. Dolžine nukleotidov sestavljajo geni, ki vsebujejo informacije za proizvodnjo specifičnih beljakovin preko dušikovih baznih zaporedij. Veliko genov sestavlja kromosomi, in vsota kromosomov organizmov (ljudje imajo 23 parov) je njegova genom. DNK se uporablja v procesu prepisovanja, da nastane oblika RNA, imenovana messenger RNA (mRNA). Ta shrani kodirane informacije na nekoliko drugačen način in jih premakne iz jedra celice, kjer je DNK, in v celico citoplazme ali matriksa. Tukaj druge vrste RNK sprožijo proces prevajanja, v katerem se beljakovine izdelajo in odpremijo po celici.