Kandungan
Biologi - atau secara tidak rasmi, hidup itu sendiri - dicirikan oleh makromolekul elegan yang telah berkembang selama beratus-ratus juta tahun untuk melayani pelbagai fungsi kritikal. Ini sering dikategorikan kepada empat jenis asas: karbohidrat (atau polisakarida), lipid, protein dan asid nukleik. Jika anda mempunyai latar belakang dalam pemakanan, anda akan mengenali tiga yang pertama sebagai tiga makronutrien standard (atau "makro," dalam bahasa pemakanan) yang disenaraikan pada label maklumat pemakanan. Keempat berkaitan dengan dua molekul berkait rapat yang berfungsi sebagai asas penyimpanan dan terjemahan maklumat genetik dalam semua makhluk hidup.
Setiap empat makromolekul kehidupan, atau biomolekul, melakukan pelbagai tugas; seperti yang anda jangkakan, peranan mereka yang berbeza sangat berkaitan dengan pelbagai komponen dan susunan fizikal mereka.
Macromolecules
A makromolekul adalah molekul yang sangat besar, biasanya terdiri daripada subunit yang dipanggil monomer, yang tidak boleh dikurangkan kepada unsur-unsur yang lebih mudah tanpa mengorbankan elemen "blok bangunan". Walaupun tidak ada definisi standard tentang seberapa besar molekul mesti untuk mendapatkan awalan "makro", mereka biasanya mempunyai, sekurang-kurangnya, beribu-ribu atom. Anda sudah hampir pasti melihat jenis pembinaan ini di dunia bukan semula jadi; contohnya, pelbagai jenis kertas dinding, sementara reka bentuk yang rumit dan secara fizikalnya secara keseluruhannya, terdiri daripada subunit yang bersebelahan yang selalunya kurang daripada satu kaki persegi atau lebih. Lebih jelas lagi, rantaian boleh dianggap sebagai makromolekul di mana hubungan individu adalah "monomer."
Satu perkara penting mengenai makromolekul biologi ialah, dengan pengecualian lipid, unit monomer mereka adalah polar, yang bermaksud bahawa mereka mempunyai cas elektrik yang tidak diedarkan secara simetrik. Secara skematik, mereka mempunyai "kepala" dan "ekor" dengan sifat fizikal dan kimia yang berlainan. Kerana monomer bergabung dengan kepala-ke-ekor antara satu sama lain, makromolekul sendiri juga polar.
Juga, semua biomolekul mempunyai jumlah karbon yang tinggi. Anda mungkin pernah mendengar jenis kehidupan di Bumi (dengan kata lain, satu-satunya jenis yang kita tahu ada yang tertentu di mana sahaja) yang disebut sebagai "kehidupan berasaskan karbon," dan dengan alasan yang baik. Tetapi dan nitrogen, oksigen, hidrogen, dan fosforus sangat diperlukan untuk makhluk hidup, dan sebilangan unsur lain berada dalam campuran ke darjah yang lebih rendah.
Karbohidrat
Ia adalah kepastian yang hampir pasti apabila anda melihat atau mendengar perkataan "karbohidrat," perkara pertama yang anda fikirkan adalah "makanan," dan mungkin lebih khusus, "sesuatu dalam makanan banyak orang yang ingin menghapuskan." "Lo-carb" dan "no-carb" kedua-duanya menjadi buzzwords berat pada awal abad ke-21, dan istilah "carbo loading" telah berada di sekitar masyarakat sukan daya tahan sejak tahun 1970-an. Tetapi sebenarnya, karbohidrat jauh lebih daripada sekadar sumber energi untuk makhluk hidup.
Molekul karbohidrat semuanya mempunyai formula (CH2O)n, di mana n adalah bilangan atom karbon yang hadir. Ini bermakna nisbah C: H: O ialah 1: 2: 1. Sebagai contoh, gula mudah glukosa, fruktosa dan galaktosa semuanya mempunyai formula C6H12O6 (atom-atom dari tiga molekul ini, tentu saja, diatur secara berbeza).
Karbohidrat dikelaskan sebagai monosakarida, disakarida dan polisakarida. Satu monosakarida adalah unit monomer karbohidrat, tetapi beberapa karbohidrat terdiri daripada hanya satu monomer, seperti glukosa, fruktosa dan galaktosa. Biasanya, monosakarida ini paling stabil dalam bentuk cincin, yang digambarkan diagrammatically sebagai segi enam.
Disaccharides adalah gula dengan dua unit monomerik, atau sepasang monosakarida. Subunit ini boleh sama (seperti dalam maltosa, yang terdiri daripada dua molekul glukosa yang bergabung) atau berbeza (seperti dalam sukrosa, atau gula jadual, yang terdiri daripada satu molekul glukosa dan satu molekul fruktosa.) Bon di antara monosakarida dipanggil ikatan glikosid.
Polisakarida mengandungi tiga atau lebih monosakarida. Semakin panjang rantaian ini, semakin besar cenderung mereka mempunyai cawangan, iaitu, tidak semata-mata menjadi garis monosakarida dari akhir hingga akhir. Contoh polysaccharides termasuk kanji, glikogen, selulosa dan kitin.
Starch cenderung membentuk dalam helix, atau bentuk lingkaran; ini biasa dalam biomolekul berat molekul tinggi secara amnya. Selulosa, sebaliknya, adalah linear, yang terdiri daripada rantai panjang monomer glukosa dengan ikatan hidrogen yang diselaraskan antara atom karbon pada selang masa yang tetap. Selulosa adalah komponen sel tumbuhan dan memberi mereka ketegaran. Manusia tidak boleh mencerna selulosa, dan dalam diet ia biasanya dirujuk sebagai "serat." Chitin adalah satu lagi karbohidrat struktur, yang terdapat di badan luar arthropod seperti serangga, labah-labah dan ketam. Chitin adalah karbohidrat yang diubahsuai, kerana ia "dipalsukan" dengan atom nitrogen yang mencukupi. Glikogen adalah bentuk simpanan badan karbohidrat; deposit glikogen ditemui dalam kedua-dua tisu hati dan otot. Terima kasih kepada penyesuaian enzim dalam tisu-tisu ini, atlet yang terlatih dapat menyimpan lebih banyak glikogen daripada orang yang tidak aktif akibat daripada keperluan tenaga yang tinggi dan amalan pemakanan.
Protein
Seperti karbohidrat, protein adalah sebahagian daripada perbendaharaan kata sehari-hari setiap orang kerana mereka berkhidmat sebagai makronutrien yang dipanggil. Tetapi protein adalah sangat serba boleh, jauh lebih banyak daripada karbohidrat. Malah, tanpa protein, tidak ada karbohidrat atau lipid kerana enzim yang diperlukan untuk mensintesis (serta mencerna) molekul ini adalah protein sendiri.
Monomer protein adalah asid amino. Ini termasuk kumpulan karboksilat (-COOH) dan amino (-NH2) kumpulan. Apabila asid amino bergabung antara satu sama lain, ia melalui ikatan hidrogen antara kumpulan asid carboxylic pada salah satu asid amino dan kumpulan amino yang lain, dengan molekul air (H2O) yang dikeluarkan dalam proses. Rantai asam amino yang semakin meningkat adalah polipeptida, dan apabila ia cukup panjang dan menganggap bentuk tiga dimensi, ia adalah protein yang penuh. Tidak seperti karbohidrat, protein tidak pernah menunjukkan cawangan; mereka hanya rangkaian kumpulan karboksil yang bergabung dengan kumpulan amino. Kerana rantai ini mesti mempunyai permulaan dan akhir, satu hujung mempunyai kumpulan amino bebas dan dipanggil terminal N, manakala yang lain mempunyai kumpulan amino bebas dan dipanggil terminal C. Kerana terdapat 20 asid amino, dan ini boleh diatur dalam sebarang urutan, komposisi protein sangat bervariasi walaupun tidak ada cawangan.
Protein mempunyai apa yang dipanggil struktur utama, menengah, tertiari dan kuartern. Struktur utama merujuk kepada urutan asid amino dalam protein, dan ditentukan secara genetik. Struktur sekunder merujuk kepada lenturan atau kinking dalam rantai, biasanya dengan cara yang berulang-ulang. Sesetengah kesesuaian merangkumi alpha-helix dan lembaran berlapis beta, dan hasil daripada ikatan hidrogen yang lemah antara rantaian sisi asid amino yang berbeza. Struktur tertiari adalah memutar dan mengerling protein dalam ruang tiga dimensi dan boleh melibatkan ikatan disulfida (sulfur ke sulfur) dan ikatan hidrogen, antara lain. Akhir sekali, struktur kuarum merujuk kepada lebih daripada satu rantai polipeptida dalam makromolekul yang sama. Ini berlaku di kolagen, yang terdiri daripada tiga rantai yang dipintal dan bergulung bersama seperti tali.
Protein boleh berfungsi sebagai enzim, yang memangkinkan tindak balas biokimia dalam badan; seperti hormon, seperti insulin dan hormon pertumbuhan; sebagai elemen struktur; dan sebagai komponen membran sel.
Lipid
Lipid adalah pelbagai jenis makromolekul, tetapi mereka semua berkongsi ciri hidrofobik; iaitu, mereka tidak larut dalam air. Ini adalah kerana lipid adalah neutral elektrik dan oleh itu bukan perenang, sedangkan air adalah molekul polar. Lipid termasuk trigliserida (lemak dan minyak), fosfolipid, karotenoid, steroid dan lilin. Mereka terlibat terutamanya dalam pembentukan membran sel dan kestabilan, membentuk sebahagian daripada hormon, dan digunakan sebagai bahan api yang disimpan. Lemak, jenis lipid, adalah jenis ketiga makronutrien, dengan karbohidrat dan protein yang dibincangkan sebelum ini. Melalui pengoksidaan asid lemak mereka, mereka membekalkan 9 kalori setiap gram berbanding dengan 4 kalori per gram yang dibekalkan oleh karbohidrat dan lemak.
Lipid bukan polimer, jadi ia datang dalam pelbagai bentuk. Seperti karbohidrat, mereka terdiri daripada karbon, hidrogen dan oksigen. Trigliserida terdiri daripada tiga asid lemak bergabung dengan molekul gliserol, alkohol tiga karbon. Rantaian asid lemak ini adalah panjang, hidrokarbon mudah. Rantaian ini boleh mempunyai ikatan berganda, dan jika ia berlaku, itu menjadikan asid lemak tak tepu. Sekiranya terdapat hanya satu ikatan berganda, asid lemak adalah mono tak tepu. Sekiranya terdapat dua atau lebih, ia adalah polyunsaturated. Ini jenis asid lemak yang berlainan mempunyai implikasi kesihatan yang berbeza untuk orang yang berlainan kerana kesannya pada dinding saluran darah. Lemak tepu, yang tidak mempunyai ikatan berganda, adalah pepejal pada suhu bilik dan biasanya lemak haiwan; ini cenderung menyebabkan plak arteri dan boleh menyumbang kepada penyakit jantung. Asid lemak boleh dimanipulasi secara kimia, dan lemak tidak tepu seperti minyak sayuran boleh dibuat tepu supaya ia adalah pepejal dan mudah digunakan pada suhu bilik, seperti marjerin.
Phospholipid, yang mempunyai lipid hidrofobik pada satu hujung dan fosfat hidrofilik di bahagian yang lain, adalah komponen penting membran sel. Membran ini terdiri daripada bilayer fosfolipid. Kedua-dua bahagian lipid, yang hidrofobik, muka ke luar dan dalam sel, manakala ekor fosfat hidrofilik bertemu di tengah bilayer.
Lipid lain termasuk steroid, yang berfungsi sebagai hormon dan prekursor hormon (mis., Kolesterol) dan mengandungi satu siri struktur cincin tersendiri; dan lilin, termasuk lebah dan lanolin.
Asid nukleik
Asam nukleik termasuk asid deoksiribonukleik (DNA) dan asid ribonukleik (RNA). Ini adalah struktur yang sama seperti kedua-duanya adalah polimer di mana unit-unit monomer nukleotida. Nukleotida terdiri daripada kumpulan gula pentosa, kumpulan fosfat dan kumpulan asas nitrogenous. Dalam kedua-dua DNA dan RNA, pangkalan-pangkalan ini boleh menjadi salah satu dari empat jenis; jika tidak, semua nukleotida DNA adalah sama, sama seperti RNA.
DNA dan RNA berbeza dalam tiga cara utama. Satu adalah bahawa dalam DNA, gula pentosa adalah deoxyribose, dan dalam RNA ia adalah ribosa. Gula ini berbeza dengan tepat satu atom oksigen. Perbezaan kedua ialah DNA biasanya dua kali ganda, membentuk helix ganda yang ditemui pada tahun 1950 oleh pasukan Watson dan Crick, tetapi RNA adalah satu-stranded. Ketiga ialah DNA mengandungi asas nitrogenous adenine (A), sitosin (C), guanine (G) dan timin (T), tetapi RNA mempunyai uracil (U) yang digantikan untuk timin.
DNA menyimpan maklumat keturunan. Panjang nukleotida membentuk gen, yang mengandungi maklumat, melalui urutan asas nitrogen, untuk menghasilkan protein tertentu. Banyak gen membuatnya kromosom, dan jumlah keseluruhan kromosom organisma (manusia mempunyai 23 pasang) adalah genom. DNA digunakan dalam proses transkripsi untuk membentuk satu bentuk RNA yang dikenali sebagai messenger RNA (mRNA). Ini menyimpan maklumat berkod dalam cara yang sedikit berbeza dan bergerak keluar dari nukleus sel di mana DNA itu dan ke dalam sitoplasma sel, atau matriks. Di sini, jenis lain RNA memulakan proses penterjemahan, di mana protein dibuat dan dihantar ke seluruh sel.