Περιεχόμενο
Η βιολογία - ή ανεπίσημα, η ίδια η ζωή - χαρακτηρίζεται από κομψά μακρομόρια που εξελίχθηκαν για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια για να εξυπηρετήσουν μια σειρά κρίσιμων λειτουργιών. Αυτά συχνά κατηγοριοποιούνται σε τέσσερις βασικούς τύπους: υδατάνθρακες (ή πολυσακχαρίτες), λιπίδια, πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Εάν έχετε οποιοδήποτε υπόβαθρο στη διατροφή, θα αναγνωρίσετε τα πρώτα τρία από αυτά, όπως τα τρία πρότυπα μακροθρεπτικά συστατικά (ή "μακροεντολές", σε διατροφή) που αναγράφονται σε ετικέτες πληροφοριών θρεπτικών ουσιών. Το τέταρτο αφορά δύο στενά συγγενικά μόρια που χρησιμεύουν ως βάση για την αποθήκευση και τη μετάφραση γενετικών πληροφοριών σε όλα τα ζωντανά αντικείμενα.
Κάθε ένα από αυτά τα τέσσερα μακρομόρια ζωής, ή βιομόρια, εκτελεί μια ποικιλία καθηκόντων. όπως αναμένετε, οι διαφορετικοί ρόλοι τους συνδέονται εξαιρετικά με τις διάφορες φυσικές συνιστώσες και ρυθμίσεις τους.
Μακρομόρια
ΕΝΑ μακρομόριο είναι ένα πολύ μεγάλο μόριο, που αποτελείται συνήθως από επαναλαμβανόμενες υπομονάδες που ονομάζονται μονομερή, τα οποία δεν μπορούν να μειωθούν σε απλούστερα συστατικά χωρίς να θυσιάζεται το στοιχείο "οικοδομικό τετράγωνο". Ενώ δεν υπάρχει κανένας τυποποιημένος ορισμός του πόσο μεγάλο είναι ένα μόριο για να κερδίσει το πρόθεμα "μακρο", έχουν γενικά, τουλάχιστον, χιλιάδες άτομα. Σχεδόν σίγουρα έχετε δει αυτό το είδος κατασκευής στον μη φυσικό κόσμο. για παράδειγμα, πολλά είδη ταπετσαρίας, ενώ είναι περίτεχνα σχεδιασμένα και φυσικά εκτεταμένα στο σύνολό τους, αποτελούνται από παρακείμενες υπομονάδες οι οποίες συχνά είναι μικρότερες από ένα τετραγωνικό πόδι ή έτσι σε μέγεθος. Ακόμη πιο προφανές, μια αλυσίδα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μακρομόριο στο οποίο οι μεμονωμένοι δεσμοί είναι τα "μονομερή".
Ένα σημαντικό σημείο για τα βιολογικά μακρομόρια είναι ότι, με εξαίρεση τα λιπίδια, οι μονομερείς μονάδες τους είναι πολικές, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν ένα ηλεκτρικό φορτίο που δεν κατανέμεται συμμετρικά. Σχηματικά, έχουν "κεφάλια" και "ουρές" με διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Επειδή τα μονομερή ενώνουν το κεφάλι με την ουρά μεταξύ τους, τα ίδια τα μακρομόρια είναι επίσης πολικά.
Επίσης, όλα τα βιομόρια έχουν μεγάλες ποσότητες άνθρακα στοιχείου. Μπορεί να έχετε ακούσει το είδος της ζωής στη Γη (με άλλα λόγια, το μόνο είδος που ξέρουμε για κάποιο λόγο υπάρχει οπουδήποτε) αναφέρεται ως "ζωή με βάση τον άνθρακα" και με καλό λόγο. Αλλά και το άζωτο, το οξυγόνο, το υδρογόνο και ο φώσφορος είναι απαραίτητα για τα ζωντανά πράγματα, καθώς και πλήθος άλλων στοιχείων είναι στο μίγμα σε μικρότερο βαθμό.
Υδατάνθρακες
Είναι σχεδόν βέβαιο ότι όταν βλέπετε ή ακούτε τη λέξη "υδατάνθρακες", το πρώτο πράγμα που σκέφτεστε είναι το "φαγητό", και ίσως πιο συγκεκριμένα, "κάτι στο φαγητό πολλοί άνθρωποι σκοπεύουν να απαλλαγούν". Το "Lo-carb" και το "no-carb" κατέστησαν δυο λέξεις-κλειδιά απώλειας βάρους στις αρχές του 21ου αιώνα και ο όρος "carbo-loading" ήταν γύρω από την αγωνιστική αθλητική κοινότητα από τη δεκαετία του 1970. Αλλά στην πραγματικότητα, οι υδατάνθρακες είναι κάτι περισσότερο από μια απλή πηγή ενέργειας για τα ζωντανά πράγματα.
Τα μόρια υδατανθράκων έχουν όλα τον τύπο (CH2Ο)n, όπου η είναι ο αριθμός των παρόντων ατόμων άνθρακα. Αυτό σημαίνει ότι ο λόγος C: H: O είναι 1: 2: 1. Για παράδειγμα, τα απλά σάκχαρα γλυκόζη, φρουκτόζη και γαλακτόζη έχουν όλα τον τύπο C6H12Ο6 (τα άτομα των τριών αυτών μορίων είναι, φυσικά, διατεταγμένα διαφορετικά).
Οι υδατάνθρακες ταξινομούνται ως μονοσακχαρίτες, δισακχαρίτες και πολυσακχαρίτες. Ένας μονοσακχαρίτης είναι η μονομερής μονάδα υδατανθράκων, αλλά μερικοί υδατάνθρακες αποτελούνται μόνο από ένα μονομερές, όπως γλυκόζη, φρουκτόζη και γαλακτόζη. Συνήθως, αυτοί οι μονοσακχαρίτες είναι πιο σταθεροί σε μορφή δακτυλίου, που απεικονίζεται διαγραμματικά ως εξάγωνο.
Οι δισακχαρίτες είναι σάκχαρα με δύο μονομερείς μονάδες ή ένα ζεύγος μονοσακχαριτών. Αυτές οι υπομονάδες μπορούν να είναι οι ίδιες (όπως και στη μαλτόζη, η οποία αποτελείται από δύο ενωμένα μόρια γλυκόζης) ή διαφορετικές (όπως στη σακχαρόζη ή στο επιτραπέζιο σάκχαρο, που αποτελείται από ένα μόριο γλυκόζης και ένα μόριο φρουκτόζης.) Οι δεσμοί μεταξύ μονοσακχαριτών ονομάζονται γλυκοσιδικοί δεσμοί.
Οι πολυσακχαρίτες περιέχουν τρεις ή περισσότερους μονοσακχαρίτες. Όσο μακρύτερες είναι αυτές οι αλυσίδες, τόσο πιο πιθανό είναι να έχουν κλαδιά, δηλαδή να μην είναι απλώς μια γραμμή μονοσακχαριτών από άκρο σε άκρο. Παραδείγματα πολυσακχαριτών περιλαμβάνουν άμυλο, γλυκογόνο, κυτταρίνη και χιτίνη.
Το άμυλο τείνει να σχηματίζεται σε έλικα ή σπειροειδή μορφή. αυτό είναι σύνηθες σε βιομόρια υψηλού μοριακού βάρους γενικά. Η κυτταρίνη, αντίθετα, είναι γραμμική, αποτελούμενη από μια μακρά αλυσίδα μονομερών γλυκόζης με δεσμούς υδρογόνου διασκορπισμένους μεταξύ ατόμων άνθρακα σε τακτά χρονικά διαστήματα. Η κυτταρίνη είναι ένα συστατικό των φυτικών κυττάρων και τους δίνει την ακαμψία τους. Οι άνθρωποι δεν μπορούν να αφομοιώσουν την κυτταρίνη, και στη διατροφή συνήθως αναφέρεται ως "ίνα". Η χιτίνη είναι ένας άλλος δομικός υδατάνθρακας, που βρίσκεται στα εξωτερικά σώματα των αρθροπόδων, όπως έντομα, αράχνες και καβούρια. Η χιτίνη είναι ένας τροποποιημένος υδατάνθρακας, καθώς είναι "νοθευμένος" με άφθονα άτομα αζώτου. Το γλυκογόνο είναι η μορφή αποθήκευσης υδατανθράκων στο σώμα. οι εναποθέσεις γλυκογόνου βρίσκονται τόσο στο ήπαρ και στον μυϊκό ιστό. Χάρη στις προσαρμογές ενζύμων σε αυτούς τους ιστούς, οι εκπαιδευμένοι αθλητές μπορούν να αποθηκεύουν περισσότερο γλυκογόνο από τους καθιστικούς ανθρώπους ως αποτέλεσμα των υψηλών ενεργειακών αναγκών τους και των διατροφικών τους πρακτικών.
Πρωτεΐνες
Όπως οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες αποτελούν μέρος του καθημερινού λεξιλογίου των περισσότερων λαών εξαιτίας της υπηρεσίας τους ως λεγόμενου μακροθρεπτικού συστατικού. Αλλά οι πρωτεΐνες είναι απίστευτα ευπροσάρμοστες, πολύ περισσότερο από τους υδατάνθρακες. Στην πραγματικότητα, χωρίς πρωτεΐνες, δεν θα υπήρχαν υδατάνθρακες ή λιπίδια επειδή τα ένζυμα που χρειάζονται για να συνθέσουν (καθώς και να χωνέψουν) αυτά τα μόρια είναι από μόνα τους πρωτεΐνες.
Τα μονομερή των πρωτεϊνών είναι αμινοξέα. Αυτοί περιλαμβάνουν μία ομάδα καρβοξυλικού οξέος (-COOH) και μία αμινομάδα (-ΝΗ2). Όταν τα αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους, μέσω ενός δεσμού υδρογόνου μεταξύ της ομάδας καρβοξυλικού οξέος σε ένα από τα αμινοξέα και της αμινομάδας του άλλου, με ένα μόριο νερού (Η2Ο) που απελευθερώνονται στη διαδικασία. Μια αναπτυσσόμενη αλυσίδα αμινοξέων είναι ένα πολυπεπτίδιο και όταν είναι αρκετά μακρύ και παίρνει το τρισδιάστατο σχήμα του, είναι μια πλήρους πρωτεΐνης. Σε αντίθεση με τους υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες δεν δείχνουν ποτέ υποκαταστήματα. είναι απλώς μια αλυσίδα καρβοξυλικών ομάδων ενωμένων με αμινομάδες. Επειδή αυτή η αλυσίδα πρέπει να έχει αρχή και άκρο, το ένα άκρο έχει μια ελεύθερη αμινομάδα και ονομάζεται Ν-τερματικό, ενώ το άλλο έχει μια ελεύθερη αμινομάδα και ονομάζεται C-τερματικό. Επειδή υπάρχουν 20 αμινοξέα, και αυτά μπορούν να διευθετηθούν με οποιαδήποτε σειρά, η σύνθεση των πρωτεϊνών είναι εξαιρετικά ποικίλη, παρόλο που δεν υπάρχει διακλάδωση.
Οι πρωτεΐνες έχουν αυτό που ονομάζεται πρωτογενής, δευτερογενής, τριτογενής και τεταρτοταγής δομή. Η πρωτογενής δομή αναφέρεται στην αλληλουχία αμινοξέων της πρωτεΐνης και προσδιορίζεται γενετικά. Η δευτερεύουσα δομή αναφέρεται στην κάμψη ή τη συστροφή στην αλυσίδα, συνήθως με επαναλαμβανόμενο τρόπο. Ορισμένες διαμορφώσεις περιλαμβάνουν μια άλφα-έλικα και ένα βήτα πτυχωτό φύλλο και προκύπτουν από αδύναμους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ πλευρικών αλυσίδων διαφορετικών αμινοξέων. Η τριτογενής δομή είναι η συστροφή και συστροφή της πρωτεΐνης στον τρισδιάστατο χώρο και μπορεί να περιλαμβάνει δισουλφιδικούς δεσμούς (θείο προς θείο) και δεσμούς υδρογόνου, μεταξύ άλλων. Τέλος, η τεταρτοταγής δομή αναφέρεται σε περισσότερες από μία πολυπεπτιδικές αλυσίδες στο ίδιο μακρομόριο. Αυτό συμβαίνει στο κολλαγόνο, το οποίο αποτελείται από τρεις αλυσίδες που είναι στριμμένες και συσπειρωμένες μαζί σαν σχοινί.
Οι πρωτεΐνες μπορούν να χρησιμεύσουν ως ένζυμα, τα οποία καταλύουν βιοχημικές αντιδράσεις στο σώμα. ως ορμόνες, όπως η ινσουλίνη και η αυξητική ορμόνη. ως δομικά στοιχεία. και ως συστατικά κυτταρικής μεμβράνης.
Λιπίδια
Τα λιπίδια είναι ένα ποικίλο σύνολο μακρομορίων, αλλά όλα μοιράζονται το χαρακτηριστικό ότι είναι υδρόφοβα. δηλαδή, δεν διαλύονται στο νερό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα λιπίδια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και συνεπώς μη πολικά, ενώ το νερό είναι ένα πολικό μόριο. Τα λιπίδια περιλαμβάνουν τριγλυκερίδια (λίπη και έλαια), φωσφολιπίδια, καροτενοειδή, στεροειδή και κηρούς. Συμμετέχουν κυρίως στον σχηματισμό και τη σταθερότητα της κυτταρικής μεμβράνης, σχηματίζουν τμήματα ορμονών και χρησιμοποιούνται ως αποθηκευμένο καύσιμο. Τα λιπαρά, ένας τύπος λιπιδίου, είναι ο τρίτος τύπος μακροθρεπτικών συστατικών, με υδατάνθρακες και πρωτεΐνες που συζητήθηκαν προηγουμένως. Με την οξείδωση των λεγόμενων λιπαρών οξέων, παρέχουν 9 θερμίδες ανά γραμμάριο σε αντίθεση με τις 4 θερμίδες ανά γραμμάριο που παρέχονται από υδατάνθρακες και λίπη.
Τα λιπίδια δεν είναι πολυμερή, επομένως έρχονται σε διάφορες μορφές. Όπως οι υδατάνθρακες, αποτελούνται από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο. Τα τριγλυκερίδια αποτελούνται από τρία λιπαρά οξέα συνδεδεμένα με ένα μόριο γλυκερόλης, μια αλκοόλη τριών ατόμων άνθρακα. Αυτές οι πλευρικές αλυσίδες λιπαρών οξέων είναι μακρύι, απλοί υδρογονάνθρακες. Αυτές οι αλυσίδες μπορούν να έχουν διπλούς δεσμούς, και αν το κάνουν, αυτό κάνει το λιπαρό οξύ ακόρεστο. Εάν υπάρχει μόνο ένας τέτοιος διπλός δεσμός, το λιπαρό οξύ είναι μονοακόρεστα. Εάν υπάρχουν δύο ή περισσότερα, είναι πολυακόρεστα. Αυτοί οι διαφορετικοί τύποι λιπαρών οξέων έχουν διαφορετικές επιπτώσεις στην υγεία για διαφορετικούς ανθρώπους λόγω των επιπτώσεών τους στους τοίχους των αιμοφόρων αγγείων. Τα κορεσμένα λίπη, τα οποία δεν έχουν διπλούς δεσμούς, είναι στερεά σε θερμοκρασία δωματίου και είναι συνήθως ζωικά λίπη. αυτά τείνουν να προκαλούν αρτηριακές πλάκες και μπορεί να συμβάλλουν στην καρδιακή νόσο. Τα λιπαρά οξέα μπορούν να υποβληθούν σε χημική επεξεργασία και τα ακόρεστα λίπη όπως τα φυτικά έλαια μπορούν να κορεσθούν έτσι ώστε να είναι στερεά και βολικά για χρήση σε θερμοκρασία δωματίου, όπως η μαργαρίνη.
Τα φωσφολιπίδια, τα οποία έχουν ένα υδρόφοβο λιπίδιο στο ένα άκρο και ένα υδρόφιλο φωσφορικό στην άλλη, αποτελούν σημαντικό συστατικό των κυτταρικών μεμβρανών. Αυτές οι μεμβράνες αποτελούνται από διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίων. Τα δύο λιπιδικά τμήματα, που είναι υδρόφοβα, αντιμετωπίζουν το εξωτερικό και το εσωτερικό της κυψελίδας, ενώ οι υδρόφιλες ουρές φωσφορικών συναντώνται στο κέντρο της διπλής στιβάδας.
Άλλα λιπίδια περιλαμβάνουν στεροειδή, τα οποία χρησιμεύουν ως ορμόνες και πρόδρομες ορμόνες (π.χ., χοληστερόλη) και περιέχουν μια σειρά διακεκριμένων δομών δακτυλίου. και κεριά, τα οποία περιλαμβάνουν κερί μέλισσας και λανολίνη.
Νουκλεϊκά οξέα
Τα νουκλεϊκά οξέα περιλαμβάνουν δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (ϋΝΑ) και ριβονουκλεϊνικό οξύ (RNA). Αυτά είναι πολύ παρόμοια δομικά καθώς και τα δύο είναι πολυμερή στα οποία είναι οι μονομερείς μονάδες νουκλεοτίδια. Τα νουκλεοτίδια αποτελούνται από μια ομάδα σακχάρου πεντόζης, μια φωσφορική ομάδα και μία ομάδα αζωτούχου βάσεως. Και σε DNA και RNA, αυτές οι βάσεις μπορούν να είναι ένας από τους τέσσερις τύπους. αλλιώς, όλα τα νουκλεοτίδια του DNA είναι ταυτόσημα, όπως αυτά του RNA.
Το DNA και το RNA διαφέρουν με τρεις βασικούς τρόπους. Το ένα είναι ότι στο DNA, το σάκχαρο πεντόζης είναι δεοξυριβόζη, και στο RNA είναι ριβόζη. Αυτά τα σάκχαρα διαφέρουν ακριβώς με ένα άτομο οξυγόνου. Η δεύτερη διαφορά είναι ότι το DNA είναι συνήθως δίκλωνο, σχηματίζοντας τη διπλή έλικα που ανακαλύφθηκε στη δεκαετία του 1950 από την ομάδα Watson και Cricks, αλλά το RNA είναι μονόκλωνο. Το τρίτο είναι ότι το DNA περιέχει τις αζωτούχες βάσεις αδενίνη (Α), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη (Τ), αλλά το RNA έχει ουρακίλη (U) υποκατεστημένη με θυμίνη.
Το DNA αποθηκεύει κληρονομικές πληροφορίες. Τα μήκη των νουκλεοτιδίων αποτελούν γονίδια, οι οποίες περιέχουν τις πληροφορίες, μέσω των αλληλουχιών αζωτούχων βάσεων, για την παρασκευή συγκεκριμένων πρωτεϊνών. Πολλά γονίδια αποτελούν χρωμοσωμάτων, και το σύνολο των χρωμοσωμάτων των οργανισμών (οι άνθρωποι έχουν 23 ζεύγη) είναι το δικό του γονιδίωμα. Το DNA χρησιμοποιείται στη διαδικασία της μεταγραφής για να κάνει μια μορφή RNA που ονομάζεται αγγελιαφόρο RNA (mRNA). Αυτό αποθηκεύει τις κωδικοποιημένες πληροφορίες με έναν ελαφρώς διαφορετικό τρόπο και μετακινείται εκτός του κυτταρικού πυρήνα όπου βρίσκεται το DNA και στο κυτταρόπλασμα ή μήτρα κυττάρων. Εδώ, άλλοι τύποι RNA ξεκινούν τη διαδικασία της μετάφρασης, στην οποία οι πρωτεΐνες κατασκευάζονται και αποστέλλονται σε όλο το κύτταρο.