Biologi – eller informellt, livet självt – kännetecknas av eleganta makromolekyler som har utvecklats under hundratals miljoner år för att tjäna en rad kritiska funktioner. Dessa kategoriseras ofta i fyra grundläggande typer: kolhydrater (eller polysackarider), lipider, proteiner och nukleinsyror. Om du har någon bakgrund inom näringslära, kommer du att känna igen de tre första av dessa som de tre vanliga makronäringsämnena (eller ”makron”, på bantningspråk) listade på näringsinformationsetiketter. Den fjärde avser två närbesläktade molekyler som fungerar som bas för lagring och översättning av genetisk information i allt levande.
Var och en av dessa fyra livsmakromolekyler, eller biomolekyler, utför en mängd olika uppgifter; som du kan förvänta dig är deras olika roller utsökt relaterade till deras olika fysiska komponenter och arrangemang.
Makromolekyler
En makromolekyl är en mycket stor molekyl, vanligtvis bestående av av upprepade subenheter som kallas monomerer, som inte kan reduceras till enklare beståndsdelar utan att offra ”byggstenselementet”. Även om det inte finns någon standarddefinition av hur stor en molekyl måste vara för att få prefixet ”makro”, har de i allmänhet åtminstone tusentals atomer. Du har nästan säkert sett den här typen av konstruktion i den icke-naturliga världen; till exempel består många typer av tapeter, även om de är utarbetade i design och fysiskt expansiva på det hela taget, av angränsande underenheter som ofta är mindre än en kvadratfot eller så stora. Ännu mer uppenbart kan en kedja betraktas som en makromolekyl där de enskilda länkarna är ”monomererna.”
En viktig punkt om biologiska makromolekyler är att, med undantag för lipider, deras monomerenheter är polära, vilket betyder att de har en elektrisk laddning som inte är symmetriskt fördelad. Schematiskt har de ”huvuden” och ”svansar” med olika fysikaliska och kemiska egenskaper. Eftersom monomererna går samman med varandra är makromolekylerna själva också polära.
Alla biomolekyler har dessutom höga mängder av grundämnet kol. Du kanske har hört den typ av liv på jorden (med andra ord, den enda sorten vi säkert vet finns någonstans) kallad ”kolbaserat liv” och med goda skäl. Men och kväve, syre, väte och fosfor är oumbärliga för levande varelser också, och en mängd andra grundämnen är i blandningen i mindre grad.
Kolhydrater
Det är en nära- förvissning om att när du ser eller hör ordet ”kolhydrat” är det första du tänker på ”mat” och kanske mer specifikt ”något i mat som många människor vill bli av med.” ”Lo-carb” och ”no-carb” blev båda modeord för viktminskning i den tidiga delen av 2000-talet, och termen ”carbo-loading” har funnits i uthållighetssportgemenskapen sedan 1970-talet. Men i själva verket är kolhydrater mycket mer än bara en energikälla för levande saker.
Kolhydratmolekyler har alla formeln (CH2
På, där n är antalet närvarande kolatomer. Detta betyder att förhållandet C:H:O är 1:2:1. Till exempel har de enkla sockerarterna glukos, fruktos och galaktos alla formeln C6
H12 O6 (atomerna i dessa tre molekyler är naturligtvis olika ordnade)
Kolhydrater klassificeras som monosackarider, disackarider och polysackarider. En monosackarid är monomerenheten av kolhydrater, men vissa kolhydrater består av endast en monomer, såsom glukos, fruktos och galaktos. Vanligtvis är dessa monosackarider mest stabila i en ringform, som schematiskt avbildas som en hexagon.
Disackarider är sockerarter med två monomera enheter, eller ett par monosackarider. Dessa underenheter kan vara desamma (som i maltos, som består av två förenade glukosmolekyler) eller olika (som i sackaros, eller bordssocker, som består av en glukosmolekyl och en fruktosmolekyl. Bindningar mellan monosackarider kallas glykosidbindningar.
Polysackarider innehåller tre eller fler monosackarider. Ju längre dessa kedjor är, desto mer sannolikt är det att de har grenar, det vill säga att de inte bara är en rad monosackarider från ände till ände. Exempel på polysackarider inkluderar stärkelse, glykogen, cellulosa och kitin.
Stärkelse tenderar att bildas i en spiral eller spiralform; detta är vanligt i högmolekylära vikt biomolekyler i allmänhet. Cellulosa, däremot, är linjär, bestående av en lång kedja av glukosmonomerer med vätebindningar inblandade mellan kolatomer med jämna mellanrum. Cellulosa är en komponent i växtceller och ger dem deras styvhet. Människor kan inte smälta cellulosa, och i kosten brukar det kallas ”fiber.” Kitin är en annan strukturell kolhydrat, som finns i de yttre kropparna av leddjur som insekter, spindlar och krabbor. Kitin är ett modifierat kolhydrat, eftersom det är ”förfalskat” med gott om kväveatomer. Glykogen är kroppens lagringsform av kolhydrater; avlagringar av glykogen finns i både lever och muskelvävnad. Tack vare enzymanpassningar i dessa vävnader kan tränade idrottare lagra mer glykogen än stillasittande människor som ett resultat av deras höga energibehov och näringspraxis.
Proteiner
Liksom kolhydrater är proteiner en del av de flesta människors vardagliga vokabulär på grund av att de fungerar som ett så kallat makronäringsämne. Men proteiner är otroligt mångsidiga, mycket mer än kolhydrater. Faktum är att utan proteiner skulle det inte finnas några kolhydrater eller lipider eftersom enzymerna som behövs för att syntetisera (liksom smälta) dessa molekyler själva är proteiner.
Monomererna av proteiner är aminosyror. Dessa inkluderar en karboxylsyra (-COOH) grupp och en amino (-NH2) grupp. När aminosyror förenas med varandra sker det via en vätebindning mellan karboxylsyragruppen på en av aminosyrorna och aminogruppen i den andra, med en vattenmolekyl (H2O) släpptes i processen. En växande kedja av aminosyror är en polypeptid, och när den är tillräckligt lång och antar sin tredimensionella form är den ett fullfjädrat protein. Till skillnad från kolhydrater visar proteiner aldrig grenar; de är bara en kedja av karboxylgrupper kopplade till aminogrupper. Eftersom denna kedja måste ha en början och ett slut, har den ena änden en fri aminogrupp och kallas N-terminalen, medan den andra har en fri aminogrupp och kallas C-terminalen. Eftersom det finns 20 aminosyror, och dessa kan ordnas i valfri ordning, är sammansättningen av proteiner extremt varierad även om ingen förgrening sker.
Proteiner har vad som kallas primär, sekundär, tertiär och kvartär struktur. Primär struktur hänvisar till sekvensen av aminosyror i proteinet, och den är genetiskt bestämd. Sekundär struktur hänvisar till böjning eller veck i kedjan, vanligtvis på ett repetitivt sätt. Vissa konformationer inkluderar en alfa-helix och ett beta-veckat ark och är resultatet av svaga vätebindningar mellan sidokedjor av olika aminosyror. Tertiär struktur är vridningen och krullningen av proteinet i tredimensionellt utrymme och kan involvera disulfidbindningar (svavel till svavel) och vätebindningar, bland annat. Slutligen hänvisar kvartär struktur till mer än en polypeptidkedja i samma makromolekyl. Detta sker i kollagen, som består av tre kedjor vridna och lindade ihop som ett rep.
Proteiner kan fungera som enzymer som katalyserar biokemiska reaktioner i kroppen; som hormoner, såsom insulin och tillväxthormon; som strukturella element; och som cellmembrankomponenter.
Lipider
Lipider är en mångsidig uppsättning makromolekyler, men de delar alla egenskapen att vara hydrofoba; det vill säga att de inte löser sig i vatten. Detta beror på att lipider är elektriskt neutrala och därför opolära, medan vatten är en polär molekyl. Lipider inkluderar triglycerider (fetter och oljor), fosfolipider, karotenoider, steroider och vaxer. De är främst involverade i cellmembranbildning och stabilitet, bildar delar av hormoner och används som lagrat bränsle. Fetter, en typ av lipid, är den tredje typen av makronäringsämnen, med kolhydrater och proteiner som diskuterats tidigare. Via oxidation av sina så kallade fettsyror tillför de 9 kalorier per gram till skillnad från de 4 kalorier per gram som tillförs av både kolhydrater och fetter.
Lipider är inte polymerer, så de finns i en mängd olika former. Liksom kolhydrater består de av kol, väte och syre. Triglycerider består av tre fettsyror sammanfogade med en molekyl av glycerol, en alkohol med tre kolatomer. Dessa fettsyrasidokedjor är långa enkla kolväten. Dessa kedjor kan ha dubbelbindningar, och om de gör det gör det fettsyran omättad. Om det bara finns en sådan dubbelbindning är fettsyran enkelomättad. Om det finns två eller fler är det fleromättat. Dessa olika typer av fettsyror har olika hälsokonsekvenser för olika människor på grund av deras effekter på blodkärlens väggar. Mättade fetter, som inte har några dubbelbindningar, är fasta vid rumstemperatur och är vanligtvis animaliska fetter; dessa tenderar att orsaka arteriella plack och kan bidra till hjärtsjukdomar. Fettsyror kan manipuleras kemiskt, och omättade fetter som vegetabiliska oljor kan göras mättade så att de är fasta och bekväma att använda vid rumstemperatur, som margarin.
Fosfolipider, som har en hydrofob lipid i ena änden och ett hydrofilt fosfat i andra, är en viktig komponent i cellmembran. Dessa membran består av ett fosfolipiddubbelskikt. De två lipiddelarna, som är hydrofoba, är vända mot utsidan och insidan av cellen, medan de hydrofila svansarna av fosfat möts i mitten av dubbelskiktet.
Andra lipider inkluderar steroider, som fungerar som hormoner och hormonprekursorer (t.ex. kolesterol) och innehåller en serie distinkta ringstrukturer; och vaxer, som inkluderar bivax och lanolin.
Nukleinsyror
Nukleinsyror inkluderar deoxiribonukleinsyra (DNA) och ribonukleinsyra (RNA). Dessa är mycket lika strukturellt eftersom båda är polymerer där de monomera enheterna är nukleotider. Nukleotider består av en pentossockergrupp, en fosfatgrupp och en kvävehaltig basgrupp. I både DNA och RNA kan dessa baser vara en av fyra typer; annars är alla nukleotider i DNA identiska, liksom de för RNA.
DNA och RNA skiljer sig åt på tre huvudsakliga sätt. En är att i DNA är pentossockret deoxiribos och i RNA är det ribos. Dessa sockerarter skiljer sig med exakt en syreatom. Den andra skillnaden är att DNA vanligtvis är dubbelsträngat och bildar den dubbelspiral som upptäcktes på 1950-talet av Watson och Cricks team, men RNA är enkelsträngat. Den tredje är att DNA innehåller kvävebaserna adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T), men RNA har uracil (U) som ersätter tymin.
DNA lagrar ärftlig information. Nukleotidernas längder utgör gener, som innehåller informationen, via de kvävehaltiga bassekvenserna, för att tillverka specifika proteiner. Många gener utgör kromosomer, och summan av en organisms kromosomer (människor har 23 par) är dess genom. DNA används i transkriptionsprocessen för att göra en form av RNA som kallas budbärar-RNA (mRNA). Detta lagrar den kodade informationen på ett lite annorlunda sätt och flyttar den ut ur cellkärnan där DNA:t finns och in i cellcytoplasman, eller matrisen. Här initierar andra typer av RNA translationsprocessen, där proteiner tillverkas och skickas över hela cellen.
