Ποια είναι τα τέσσερα μακρομόρια της ζωής;

Η βιολογία - ή ανεπίσημα, η ίδια η ζωή - χαρακτηρίζεται από κομψά μακρομόρια που έχουν εξελιχθεί σε εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια για να εξυπηρετούν μια σειρά από κρίσιμες λειτουργίες. Αυτά συχνά κατηγοριοποιούνται σε τέσσερις βασικούς τύπους:υδατάνθρακες (ή πολυσακχαρίτες), λιπίδια, πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Εάν έχετε κάποιο υπόβαθρο στη διατροφή, θα αναγνωρίσετε τα τρία πρώτα από αυτά ως τα τρία τυπικά μακροθρεπτικά συστατικά (ή «μακροθρεπτικά», στη γλώσσα της δίαιτας) που αναφέρονται στις ετικέτες διατροφικών πληροφοριών. Το τέταρτο αφορά δύο στενά συνδεδεμένα μόρια που χρησιμεύουν ως βάση για την αποθήκευση και τη μετάφραση γενετικών πληροφοριών σε όλα τα ζωντανά όντα.

Καθένα από αυτά τα τέσσερα μακρομόρια της ζωής, ή βιομόρια, εκτελεί ποικίλα καθήκοντα. όπως θα περίμενε κανείς, οι διαφορετικοί τους ρόλοι σχετίζονται εξαιρετικά με τα διάφορα φυσικά συστατικά και τις διευθετήσεις τους.

Μακρομόρια

Ένα μακρομόριο είναι ένα πολύ μεγάλο μόριο, που συνήθως αποτελείται από επαναλαμβανόμενες υπομονάδες που ονομάζονται μονομερή , το οποίο δεν μπορεί να αναχθεί σε απλούστερα συστατικά χωρίς να θυσιαστεί το στοιχείο "δομικό στοιχείο". Αν και δεν υπάρχει τυπικός ορισμός για το πόσο μεγάλο πρέπει να είναι ένα μόριο για να αποκτήσει το πρόθεμα «μακροεντολή», γενικά έχουν, τουλάχιστον, χιλιάδες άτομα. Σχεδόν σίγουρα έχετε δει αυτού του είδους την κατασκευή στον μη φυσικό κόσμο. Για παράδειγμα, πολλά είδη ταπετσαρίας, ενώ είναι περίτεχνα στο σχεδιασμό και φυσικά επεκτατικά στο σύνολό τους, αποτελούνται από παρακείμενες υπομονάδες που έχουν συχνά μέγεθος μικρότερο από ένα τετραγωνικό πόδι περίπου. Ακόμη πιο προφανές, μια αλυσίδα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μακρομόριο στο οποίο οι μεμονωμένοι κρίκοι είναι τα "μονομερή".

Ένα σημαντικό σημείο σχετικά με τα βιολογικά μακρομόρια είναι ότι, με εξαίρεση τα λιπίδια, οι μονομερείς μονάδες τους είναι πολικές, που σημαίνει ότι έχουν ηλεκτρικό φορτίο που δεν κατανέμεται συμμετρικά. Σχηματικά έχουν «κεφαλές» και «ουρές» με διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Επειδή τα μονομερή ενώνονται μεταξύ τους, τα ίδια τα μακρομόρια είναι επίσης πολικά.

Επίσης, όλα τα βιομόρια έχουν υψηλές ποσότητες του στοιχείου άνθρακα. Μπορεί να έχετε ακούσει το είδος της ζωής στη Γη (με άλλα λόγια, το μόνο είδος που γνωρίζουμε με βεβαιότητα ότι υπάρχει οπουδήποτε) αναφέρεται ως «ζωή με βάση τον άνθρακα» και δικαιολογημένα. Αλλά και το άζωτο, το οξυγόνο, το υδρογόνο και ο φώσφορος είναι απαραίτητα και για τα ζωντανά όντα, και ένα πλήθος άλλων στοιχείων βρίσκονται στο μείγμα σε μικρότερο βαθμό.

Υδατάνθρακες

Είναι σχεδόν βέβαιο ότι όταν βλέπετε ή ακούτε τη λέξη «υδατάνθρακες», το πρώτο πράγμα που σκέφτεστε είναι «τροφή» και ίσως πιο συγκεκριμένα, «κάτι στο φαγητό που πολλοί άνθρωποι θέλουν να απαλλαγούν από αυτό». Το "Lo-carb" και το "no-carb" έγιναν και τα δύο τσιτάτα για την απώλεια βάρους στις αρχές του 21ου αιώνα και ο όρος "carbo-loading" κυκλοφορεί στην κοινότητα των αθλημάτων αντοχής από τη δεκαετία του 1970. Αλλά στην πραγματικότητα, οι υδατάνθρακες είναι πολύ περισσότερα από μια απλή πηγή ενέργειας για τα ζωντανά όντα.

Τα μόρια υδατανθράκων έχουν όλα τον τύπο (CH₂ O)_n , όπου n είναι ο αριθμός των ατόμων άνθρακα που υπάρχουν. Αυτό σημαίνει ότι η αναλογία C:H:O είναι 1:2:1. Για παράδειγμα, τα απλά σάκχαρα γλυκόζη, φρουκτόζη και γαλακτόζη έχουν όλα τον τύπο C₆ H₁₂ O₆ (τα άτομα αυτών των τριών μορίων είναι, φυσικά, διατεταγμένα διαφορετικά).

Οι υδατάνθρακες ταξινομούνται σε μονοσακχαρίτες, δισακχαρίτες και πολυσακχαρίτες. Ένας μονοσακχαρίτης είναι η μονάδα μονομερούς των υδατανθράκων, αλλά ορισμένοι υδατάνθρακες αποτελούνται από ένα μόνο μονομερές, όπως η γλυκόζη, η φρουκτόζη και η γαλακτόζη. Συνήθως, αυτοί οι μονοσακχαρίτες είναι πιο σταθεροί σε μορφή δακτυλίου, η οποία απεικονίζεται διαγραμματικά ως εξάγωνο.

Οι δισακχαρίτες είναι σάκχαρα με δύο μονομερείς μονάδες ή ένα ζεύγος μονοσακχαριτών. Αυτές οι υπομονάδες μπορεί να είναι ίδιες (όπως στη μαλτόζη, η οποία αποτελείται από δύο ενωμένα μόρια γλυκόζης) ή διαφορετικές (όπως στη σακχαρόζη ή στην επιτραπέζια ζάχαρη, που αποτελείται από ένα μόριο γλυκόζης και ένα μόριο φρουκτόζης. Οι δεσμοί μεταξύ μονοσακχαριτών ονομάζονται γλυκοσιδικοί δεσμοί. /P>

Οι πολυσακχαρίτες περιέχουν τρεις ή περισσότερους μονοσακχαρίτες. Όσο μακρύτερες είναι αυτές οι αλυσίδες, τόσο πιο πιθανό είναι να έχουν κλάδους, δηλαδή να μην είναι απλώς μια σειρά μονοσακχαριτών από άκρη σε άκρη. Παραδείγματα πολυσακχαριτών περιλαμβάνουν άμυλο, γλυκογόνο, κυτταρίνη και χιτίνη.

Το άμυλο τείνει να σχηματίζεται σε έλικα ή σπειροειδές σχήμα. Αυτό είναι κοινό σε βιομόρια υψηλού μοριακού βάρους γενικά. Η κυτταρίνη, αντίθετα, είναι γραμμική, αποτελούμενη από μια μακρά αλυσίδα μονομερών γλυκόζης με δεσμούς υδρογόνου διάσπαρτους μεταξύ ατόμων άνθρακα σε τακτά χρονικά διαστήματα. Η κυτταρίνη είναι συστατικό των φυτικών κυττάρων και τους δίνει την ακαμψία τους. Οι άνθρωποι δεν μπορούν να αφομοιώσουν την κυτταρίνη και στη διατροφή αναφέρεται συνήθως ως «ίνες». Η χιτίνη είναι ένας άλλος δομικός υδατάνθρακας, που βρίσκεται στα εξωτερικά σώματα των αρθρόποδων όπως τα έντομα, οι αράχνες και τα καβούρια. Η χιτίνη είναι ένας τροποποιημένος υδατάνθρακας, καθώς είναι «νοθευμένος» με άφθονα άτομα αζώτου. Το γλυκογόνο είναι η μορφή αποθήκευσης υδατανθράκων του σώματος. εναποθέσεις γλυκογόνου βρίσκονται τόσο στο συκώτι όσο και στο μυϊκό ιστό. Χάρη στις προσαρμογές των ενζύμων σε αυτούς τους ιστούς, οι εκπαιδευμένοι αθλητές είναι σε θέση να αποθηκεύουν περισσότερο γλυκογόνο από τα άτομα που κάνουν καθιστική ζωή ως αποτέλεσμα των υψηλών ενεργειακών αναγκών και των διατροφικών τους πρακτικών.

Πρωτεΐνες

Όπως οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες αποτελούν μέρος του καθημερινού λεξιλογίου των περισσότερων ανθρώπων λόγω του ότι χρησιμεύουν ως λεγόμενο μακροθρεπτικό συστατικό. Αλλά οι πρωτεΐνες είναι απίστευτα ευέλικτες, πολύ περισσότερο από τους υδατάνθρακες. Στην πραγματικότητα, χωρίς πρωτεΐνες, δεν θα υπήρχαν υδατάνθρακες ή λιπίδια, επειδή τα ένζυμα που χρειάζονται για τη σύνθεση (καθώς και την πέψη) αυτών των μορίων είναι τα ίδια πρωτεΐνες.

Τα μονομερή των πρωτεϊνών είναι αμινοξέα. Αυτά περιλαμβάνουν μια ομάδα καρβοξυλικού οξέος (-COOH) και ένα αμινο (-NH₂ ) ομάδα. Όταν τα αμινοξέα ενώνονται μεταξύ τους, γίνεται μέσω ενός δεσμού υδρογόνου μεταξύ της ομάδας καρβοξυλικού οξέος σε ένα από τα αμινοξέα και της αμινομάδας του άλλου, με ένα μόριο νερού (H₂ Ο) απελευθερώνεται κατά τη διαδικασία. Μια αναπτυσσόμενη αλυσίδα αμινοξέων είναι ένα πολυπεπτίδιο και όταν είναι αρκετά μακριά και παίρνει το τρισδιάστατο σχήμα της, είναι μια πλήρης πρωτεΐνη. Σε αντίθεση με τους υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες δεν εμφανίζουν ποτέ κλαδιά. είναι απλώς μια αλυσίδα από ομάδες καρβοξυλίου που συνδέονται με αμινομάδες. Επειδή αυτή η αλυσίδα πρέπει να έχει αρχή και τέλος, το ένα άκρο έχει ελεύθερη αμινομάδα και ονομάζεται Ν-τελικό, ενώ το άλλο έχει ελεύθερη αμινομάδα και ονομάζεται C-τελικό. Επειδή υπάρχουν 20 αμινοξέα και αυτά μπορούν να ταξινομηθούν με οποιαδήποτε σειρά, η σύνθεση των πρωτεϊνών ποικίλλει εξαιρετικά, παρόλο που δεν υπάρχει διακλάδωση.

Οι πρωτεΐνες έχουν αυτό που ονομάζεται πρωτογενής, δευτερογενής, τριτοταγής και τεταρτοταγής δομή. Η πρωτογενής δομή αναφέρεται στην αλληλουχία αμινοξέων στην πρωτεΐνη και προσδιορίζεται γενετικά. Η δευτερεύουσα δομή αναφέρεται σε κάμψη ή συστροφή στην αλυσίδα, συνήθως με επαναλαμβανόμενο τρόπο. Ορισμένες διαμορφώσεις περιλαμβάνουν μια άλφα-έλικα και ένα βήτα πτυχωμένο φύλλο και προκύπτουν από ασθενείς δεσμούς υδρογόνου μεταξύ πλευρικών αλυσίδων διαφορετικών αμινοξέων. Η τριτογενής δομή είναι η συστροφή και η κατσαροποίηση της πρωτεΐνης σε 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 στριμμένες και κουλουριασμένες μεταξύ τους 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 της κυτταρικής μεμβράνης.

Λιπίδια

Τα λιπίδια είναι ένα ποικίλο σύνολο μακρομορίων, αλλά όλα μοιράζονται το χαρακτηριστικό ότι είναι υδρόφοβα. δηλαδή δεν διαλύονται στο νερό. Αυτό συμβαίνει επειδή τα λιπίδια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και επομένως μη πολικά, ενώ το νερό είναι πολικό μόριο. Τα λιπίδια περιλαμβάνουν τριγλυκερίδια (λίπη και έλαια), φωσφολιπίδια, καροτενοειδή, στεροειδή και κεριά. Συμμετέχουν κυρίως στον σχηματισμό και τη σταθερότητα της κυτταρικής μεμβράνης, σχηματίζουν τμήματα ορμονών και χρησιμοποιούνται ως αποθηκευμένο καύσιμο. Τα λίπη, ένας τύπος λιπιδίου, είναι ο τρίτος τύπος μακροθρεπτικών συστατικών, με υδατάνθρακες και πρωτεΐνες που συζητήθηκαν προηγουμένως. Μέσω της οξείδωσης των λεγόμενων λιπαρών οξέων τους, 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 υπάρχουν σε διάφορες μορφές. Όπως οι υδατάνθρακες, αποτελούνται από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο. Τα τριγλυκερίδια αποτελούνται από τρία λιπαρά οξέα ενωμένα με ένα μόριο γλυκερόλης, μια αλκοόλη τριών ανθράκων. Αυτές οι πλευρικές αλυσίδες λιπαρών οξέων είναι μακριές, απλοί υδρογονάνθρακες. Αυτές οι αλυσίδες μπορεί να έχουν διπλούς δεσμούς, και αν έχουν, αυτό κάνει το λιπαρό οξύ ακόρεστο . Εάν υπάρχει μόνο ένας τέτοιος διπλός δεσμός, το λιπαρό οξύ είναι μονοακόρεστο . Εάν υπάρχουν δύο ή περισσότερα, είναι πολυακόρεστο . Αυτοί οι διαφορετικοί τύποι λιπαρών οξέων έχουν διαφορετικές επιπτώσεις στην υγεία για διαφορετικούς ανθρώπους λόγω των επιπτώσεών τους στα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων. Τα κορεσμένα λίπη, που δεν έχουν διπλούς δεσμούς, είναι στερεά σε θερμοκρασία δωματίου και είναι συνήθως ζωικά λίπη. Αυτά τείνουν να προκαλούν αρτηριακές πλάκες και μπορεί να συμβάλλουν σε καρδιακές παθήσεις. Τα λιπαρά οξέα μπορούν να υποστούν χημική επεξεργασία και τα ακόρεστα λίπη, όπως τα φυτικά έλαια, μπορούν να γίνουν κορεσμένα, 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 στο άλλο, αποτελούν σημαντικό συστατικό των κυτταρικών μεμβρανών. Αυτές οι μεμβράνες αποτελούνται από μια διπλή στοιβάδα φωσφολιπιδίων. Τα δύο τμήματα λιπιδίων, που είναι υδρόφοβα, βλέπουν προς το εξωτερικό και το εσωτερικό του κυττάρου, ενώ οι υδρόφιλες ουρές φωσφορικών ενώνονται στο κέντρο της διπλής στοιβάδας.

Άλλα λιπίδια περιλαμβάνουν στεροειδή, τα οποία χρησιμεύουν ως ορμόνες και πρόδρομες ουσίες ορμονών (π.χ., χοληστερόλη) και περιέχουν μια σειρά από διακριτές δομές δακτυλίου. και κεριά, τα οποία περιλαμβάνουν κερί μέλισσας και λανολίνη.

Νουκλεϊκά Οξέα

Τα νουκλεϊκά οξέα περιλαμβάνουν το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) και το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA). Αυτά είναι πολύ παρόμοια δομικά καθώς και τα δύο είναι πολυμερή στα οποία οι μονομερείς μονάδες είναι νουκλεοτίδια . Τα νουκλεοτίδια αποτελούνται από μια ομάδα σακχάρου πεντόζης, μια φωσφορική ομάδα και μια ομάδα αζωτούχων βάσεων. Τόσο στο DNA όσο και στο RNA, αυτές οι βάσεις μπορεί να είναι ένας από τους τέσσερις τύπους. Διαφορετικά, όλα τα νουκλεοτίδια του DNA είναι πανομοιότυπα, όπως και 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 κατά ακριβώς ένα άτομο οξυγόνου. Η δεύτερη διαφορά είναι ότι το DNA είναι συνήθως δίκλωνο, σχηματίζοντας τη διπλή έλικα που ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1950 από την ομάδα των Watson και Crick, 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) υποκαθιστώντας τη θυμίνη.

Το DNA αποθηκεύει κληρονομικές πληροφορίες. Τα μήκη των νουκλεοτιδίων αποτελούν γονίδια , τα οποία περιέχουν τις πληροφορίες, μέσω των αλληλουχιών αζωτούχων βάσεων, για την παραγωγή συγκεκριμένων πρωτεϊνών. Πολλά γονίδια συνθέτουν χρωμοσώματα, και το άθροισμα των χρωμοσωμάτων ενός οργανισμού (οι άνθρωποι έχουν 23 ζεύγη) είναι το γονιδίωμά του . Το DNA χρησιμοποιείται στη διαδικασία της μεταγραφής για να δημιουργήσει μια μορφή RNA που ονομάζεται αγγελιοφόρο RNA (mRNA). Αυτό αποθηκεύει τις κωδικοποιημένες πληροφορίες με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο και τις μετακινεί έξω από τον πυρήνα του κυττάρου όπου βρίσκεται το DNA και στο κυτταρόπλασμα ή τη μήτρα του κυττάρου. Εδώ, άλλοι τύποι RNA ξεκινούν τη διαδικασία μετάφρασης, κατά την οποία οι πρωτεΐνες παράγονται και αποστέλλονται σε όλο το κύτταρο.