Sisu
Bioloogiat - või mitteametlikult - elu ennast - iseloomustavad elegantsed makromolekulid, mis on välja kujunenud sadade miljonite aastate jooksul mitmesuguste kriitiliste funktsioonide täitmiseks. Neid liigitatakse sageli nelja põhitüüpi: süsivesikud (või polüsahhariidid), lipiidid, valgud ja nukleiinhapped. Kui teil on toitumisega seotud tausta, tunnete neist kolm esimest välja kui kolm standardset makrotoitainet (või "makro", mis on toitumisreeglites), mis on loetletud toitumisalase teabe sildil. Neljas on seotud kahe omavahel tihedalt seotud molekuliga, mis on geneetilise teabe säilitamise ja transleerimise aluseks kõigis elusolendites.
Igaüks neist neljast elu makromolekulist ehk biomolekulist täidab mitmesuguseid ülesandeid; nagu võite arvata, on nende erinevad rollid suurepäraselt seotud nende erinevate füüsiliste komponentide ja korraldusega.
Makromolekulid
A makromolekul on väga suur molekul, mis koosneb tavaliselt korduvatest alaühikutest, mida nimetatakse monomeerid, mida ei saa redutseerida lihtsamateks koostisosadeks ilma elemendi "ehitusplokk" ohverdamata. Ehkki puudub standard määratlus, kui suur molekul peab olema "makro" eesliite teenimiseks, on neil üldiselt vähemalt tuhandeid aatomeid. Olete peaaegu kindlasti näinud sellist ehitist mittelooduslikus maailmas; näiteks koosnevad paljud tapeeditüübid, mis on küll disainilt täpsed ja tervikuna füüsiliselt laienevad, külgnevatest allüksustest, mis on sageli suurusjärgus ruutjalga väiksemad. Veelgi ilmsem on, et ahelat võib pidada makromolekuliks, milles üksikud lülid on "monomeerid".
Bioloogiliste makromolekulide oluline punkt on see, et nende lipomeerid, välja arvatud lipiidid, on polaarsed, mis tähendab, et neil on elektrilaeng, mis pole sümmeetriliselt jaotunud. Skemaatiliselt on neil "pead" ja "sabad", millel on erinevad füüsikalised ja keemilised omadused. Kuna monomeerid ühinevad üksteisega pea-saba külge, on makromolekulid ise ka polaarsed.
Samuti on kõigis biomolekulides süsinikuelemendi suured kogused. Võib-olla olete kuulnud mõjuvat põhjust Maal (teisisõnu, ainus, mida teame kindlalt olemas kõikjal), millele viidatakse kui "süsinikul põhinevale elule" ja seda mõjuval põhjusel. Kuid lämmastik, hapnik, vesinik ja fosfor on asendamatud ka elusate asjade jaoks ning hulgaliselt muid elemente on segus vähemal määral.
Süsivesikud
See on peaaegu kindel, et kui näete või kuulete sõna "süsivesikud", peate kõigepealt mõtlema "toidule" ja võib-olla täpsemalt: "millestki toidus on paljud inimesed kavatsenud lahti saada". "Lo-carb" ja "no-carb" said mõlemad 21. sajandi algul kaalulangetussõnadeks ja mõiste "süsivesikute laadimine" on kestvusspordi kogukonnas olnud alates 1970. aastatest. Kuid tegelikult on süsivesikud palju enamat kui lihtsalt elusate asjade energiaallikas.
Kõigil süsivesikute molekulidel on valem (CH2O)n, kus n on olemasolevate süsinikuaatomite arv. See tähendab, et C: H: O suhe on 1: 2: 1. Näiteks on kõigil lihtsatel suhkrutel glükoosil, fruktoosil ja galaktoosil valem C6H12O6 (nende kolme molekuli aatomid on muidugi paigutatud erinevalt).
Süsivesikud klassifitseeritakse monosahhariidideks, disahhariidideks ja polüsahhariidideks. Monosahhariid on süsivesikute monomeerühik, kuid mõned süsivesikud koosnevad ainult ühest monomeerist, näiteks glükoosist, fruktoosist ja galaktoosist. Tavaliselt on need monosahhariidid kõige stabiilsemad rõngakujulisel kujul, mida on kujutatud skemaatiliselt kuusnurga kujul.
Disahhariidid on suhkrud, millel on kaks monomeerset ühikut, või paar monosahhariide. Need alaühikud võivad olla samad (nagu maltoosis, mis koosneb kahest ühendatud glükoosimolekulist) või erinevad (nagu sahharoosis või laua suhkrus, mis koosneb ühest glükoosimolekulist ja ühest fruktoosimolekulist). Monosahhariidide vahelisi sidemeid nimetatakse glükosiidsidemeteks.
Polüsahhariidid sisaldavad kolme või enamat monosahhariidi. Mida pikemad need ahelad on, seda tõenäolisemalt on neil harusid, see tähendab, et nad ei pea lihtsalt olema monosahhariidide rida otsast lõpuni. Polüsahhariidide näideteks on tärklis, glükogeen, tselluloos ja kitiin.
Tärklis kipub moodustuma spiraali või spiraali kujul; see on tavaline üldiselt suure molekulmassiga biomolekulides. Tselluloos on seevastu lineaarne ja koosneb pikkadest glükoosimonomeeride ahelast, mille vesiniksidemed on korrapäraste ajavahemike järel põimitud süsinikuaatomite vahel. Tselluloos on taimerakkude komponent ja annab neile nende jäikuse. Inimesed ei saa tselluloosi seedida ja dieedis nimetatakse seda tavaliselt "kiudaineks". Kitiin on veel üks struktuurne süsivesik, mida leidub lülijalgsete, näiteks putukate, ämblike ja krabide kehades. Kitiin on modifitseeritud süsivesik, kuna see on "võltsitud" rohkesti lämmastikuaatomitega. Glükogeen on kehade süsivesikute säilitusvorm; glükogeeni ladestusi leidub nii maksas kui ka lihaskoes. Tänu ensüümide kohanemisele nendes kudedes on treenitud sportlastel tänu suurele energiavajadusele ja toitumispraktikatele võimalik salvestada rohkem glükogeeni kui istuvatel inimestel.
Valgud
Nagu süsivesikud, on ka valgud enamiku inimeste igapäevases sõnavaras osa, kuna need toimivad nn makrotoitainena. Kuid valgud on uskumatult mitmekülgsed, palju rohkem kui süsivesikud. Tegelikult poleks ilma valkudeta süsivesikuid ega lipiide, sest nende molekulide sünteesimiseks (samuti seedimiseks) vajalikud ensüümid on ise valgud.
Valkude monomeerid on aminohapped. Nende hulka kuuluvad karboksüülhappe (-COOH) rühm ja amino (-NH2) Grupp. Kui aminohapped üksteisega ühinevad, toimub see vesiniksideme kaudu vesiniksideme kaudu ühe aminohappe hapestatud rühma ja teise aminorühma vahel.2O) vabastatakse protsessis. Kasvav aminohapete ahel on polüpeptiid ja kui see on piisavalt pikk ning omab kolmemõõtmelist kuju, on see täieõiguslik valk. Erinevalt süsivesikutest ei näita valgud kunagi harusid; nad on lihtsalt aminorühmadega ühendatud karboksüülrühmade ahel. Kuna sellel ahelal peab olema algus ja lõpp, on ühel otsal vaba aminorühm ja seda nimetatakse N-terminaalseks, teises aga vaba aminorühma ja seda nimetatakse C-terminaalseks. Kuna aminohappeid on 20 ja neid saab järjestada suvalises järjekorras, on valkude koostis äärmiselt erinev, isegi kui hargnemist ei toimu.
Valkudel on nn primaarne, sekundaarne, tertsiaarne ja kvartaarne struktuur. Primaarne struktuur viitab aminohapete järjestusele valgus ja see on geneetiliselt määratud. Teisene struktuur viitab ahela painutamisele või kokkutõmbamisele, tavaliselt korduvalt. Mõned konformatsioonid hõlmavad alfa-heeliksit ja beeta-volditud lehte ning tulenevad nõrkadest vesiniksidemetest erinevate aminohapete külgahelate vahel. Tertsiaarne struktuur on valgu keerdumine ja lokkimine kolmemõõtmelises ruumis ning see võib hõlmata muu hulgas disulfiidsidemeid (väävel väävlile) ja vesiniksidemeid. Lõpuks viitab kvaternaarne struktuur enam kui ühele polüpeptiidahelale samas makromolekulis. See toimub kollageenis, mis koosneb kolmest ahelast, mis on kokku keeratud ja kokku keeratud nagu köis.
Valgud võivad toimida ensüümidena, mis katalüüsivad kehas biokeemilisi reaktsioone; hormoonidena, näiteks insuliin ja kasvuhormoon; konstruktsioonielementidena; ja rakumembraani komponentidena.
Lipiidid
Lipiidid on mitmekesine makromolekulide komplekt, kuid neil kõigil on hüdrofoobsete omaduste omadus; see tähendab, et nad ei lahustu vees. Selle põhjuseks on asjaolu, et lipiidid on elektriliselt neutraalsed ja seega mittepolaarsed, samas kui vesi on polaarne molekul. Lipiidide hulka kuuluvad triglütseriidid (rasvad ja õlid), fosfolipiidid, karotenoidid, steroidid ja vahad. Need osalevad peamiselt rakumembraani moodustamises ja stabiilsuses, moodustavad osa hormoone ja neid kasutatakse ladustatud kütusena. Rasvad, mis on teatud tüüpi lipiid, on kolmas makrotoitainete tüüp, milles on eelnevalt arutatud süsivesikuid ja valke. Nende niinimetatud rasvhapete oksüdeerimise kaudu annavad nad 9 kalorit grammi kohta, mitte 4 kalorit grammi kohta, mida pakuvad nii süsivesikud kui ka rasvad.
Lipiidid ei ole polümeerid, seega on neid mitmesugusel kujul. Nagu süsivesikud, koosnevad need ka süsinikust, vesinikust ja hapnikust. Triglütseriidid koosnevad kolmest rasvhappest, mis on ühendatud glütserooli, kolme süsiniku alkoholi, molekuliga. Need rasvhapete külgahelad on pikad lihtsad süsivesinikud. Nendel ahelatel võivad olla kaksiksidemed ja kui nad seda teevad, siis see teebki rasvhappe küllastumata. Kui sellist kaksiksidet on ainult üks, on rasvhape monoküllastumata. Kui neid on kaks või enam, on see nii polüküllastumata. Nendel erinevat tüüpi rasvhapetel on erinevate inimeste jaoks tervisemõju, kuna need mõjutavad veresoonte seina. Küllastumata rasvad, millel pole kaksiksidemeid, on toatemperatuuril tahked ja tavaliselt loomsed rasvad; need põhjustavad arteriaalseid naastusid ja võivad soodustada südamehaigusi. Rasvhappeid saab keemiliselt manipuleerida ja küllastumata rasvu, näiteks taimeõlisid, saab muuta küllastunuks, nii et need oleksid tahked ja mugavad kasutada toatemperatuuril nagu margariin.
Rakumembraanide oluliseks komponendiks on fosfolipiidid, mille ühes otsas on hüdrofoobne lipiid ja teises hüdrofiilne fosfaat. Need membraanid koosnevad fosfolipiidsest kaksikkihist. Kaks lipiidide osa, mis on hüdrofoobsed, on raku väliskülje ja sisemuse poole, samal ajal kui fosfaadi hüdrofiilsed sabad kohtuvad kaksikkihi keskel.
Muud lipiidid hõlmavad steroide, mis toimivad hormoonide ja hormoonide prekursoritena (nt kolesterool) ja sisaldavad rida eristatavaid ringstruktuure; ja vahad, mis sisaldavad mesilasvaha ja lanoliini.
Nukleiinhapped
Nukleiinhapete hulka kuuluvad desoksüribonukleiinhape (DNA) ja ribonukleiinhape (RNA). Need on struktuurilt väga sarnased, kuna mõlemad on polümeerid, milles monomeersed ühikud on nukleotiidid. Nukleotiidid koosnevad pentoosisuhkrurühmast, fosfaatrühmast ja lämmastikualuselisest rühmast. Nii DNA-s kui RNA-s võivad need alused olla ühte neljast tüübist; vastasel juhul on kõik DNA nukleotiidid identsed, nagu ka RNA nukleotiidid.
DNA ja RNA erinevad kolmel peamisel viisil. Üks on see, et DNA-s on pentoossuhkur desoksüboos ja RNA-s riboos. Need suhkrud erinevad täpselt ühe hapnikuaatomi järgi. Teine erinevus seisneb selles, et DNA on tavaliselt kaheahelaline, moodustades kahekordse spiraali, mille avastasid 1950ndatel Watsoni ja Cricksi meeskond, kuid RNA on üheahelaline. Kolmas on see, et DNA sisaldab lämmastikaluseid aluseid adeniini (A), tsütosiini (C), guaniini (G) ja tümiini (T), kuid RNA-s on tümiiniga asendatud uratsiil (U).
DNA talletab pärilikku teavet. Nukleotiidide pikkused moodustavad geenid, mis sisaldavad lämmastiku alusjärjestuste kaudu teavet spetsiifiliste valkude tootmiseks. Paljud geenid moodustavad kromosoomid, ja organismide kromosoomide summa (inimestel on 23 paari) on selle summa genoom. DNA-d kasutatakse transkriptsiooni protsessis RNA vormi saamiseks, mida nimetatakse Messenger-RNA-ks (mRNA). See salvestab kodeeritud teabe veidi erineval viisil ja viib selle välja rakutuumast, kus asub DNA, raku tsütoplasmasse või maatriksisse. Siin käivitavad translatsiooni protsessi muud tüüpi RNA, mille käigus valke valmistatakse ja saadetakse üle kogu raku.