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Die Biologie - oder informell das Leben selbst - ist gekennzeichnet durch elegante Makromoleküle, die sich über Hunderte von Millionen von Jahren entwickelt haben und eine Reihe kritischer Funktionen erfüllen. Diese werden häufig in vier Grundtypen eingeteilt: Kohlenhydrate (oder Polysaccharide), Lipide, Proteine und Nukleinsäuren. Wenn Sie einen Hintergrund in Bezug auf Ernährung haben, erkennen Sie die ersten drei als die drei Standard-Makronährstoffe (oder "Makros" in der Diätsprache), die auf Nährwertangaben angegeben sind. Die vierte betrifft zwei eng verwandte Moleküle, die als Grundlage für die Speicherung und Übersetzung genetischer Informationen in allen Lebewesen dienen.
Jedes dieser vier Makromoleküle des Lebens oder Biomoleküle erfüllt eine Vielzahl von Aufgaben; Wie zu erwarten ist, hängen die verschiedenen Rollen eng mit den verschiedenen physischen Komponenten und Anordnungen zusammen.
Makromoleküle
EIN Makromolekül ist ein sehr großes Molekül, meist bestehend aus wiederholten Untereinheiten genannt Monomere, die nicht auf einfachere Bestandteile reduziert werden können, ohne das "Baustein" -Element zu opfern. Während es keine Standarddefinition dafür gibt, wie groß ein Molekül sein muss, um das "Makro" -Präfix zu erhalten, haben sie im Allgemeinen mindestens Tausende von Atomen. Sie haben diese Art von Konstruktion mit ziemlicher Sicherheit in der nicht natürlichen Welt gesehen. So bestehen beispielsweise viele Arten von Tapeten, obwohl sie aufwändig gestaltet und im Großen und Ganzen physisch expansiv sind, aus benachbarten Untereinheiten, die oft weniger als einen Quadratfuß oder so groß sind. Noch offensichtlicher kann eine Kette als ein Makromolekül angesehen werden, in dem die einzelnen Glieder die "Monomere" sind.
Ein wichtiger Punkt bei biologischen Makromolekülen ist, dass ihre Monomereinheiten mit Ausnahme der Lipide polar sind, was bedeutet, dass sie eine elektrische Ladung haben, die nicht symmetrisch verteilt ist. Schematisch haben sie "Köpfe" und "Schwänze" mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Da die Monomere von Kopf bis Schwanz miteinander verbunden sind, sind auch die Makromoleküle selbst polar.
Auch haben alle Biomoleküle hohe Mengen des Elements Kohlenstoff. Sie haben vielleicht die Art von Leben auf der Erde gehört (mit anderen Worten, die einzige Art, die wir mit Sicherheit kennen, gibt es überall), die als "Leben auf Kohlenstoffbasis" bezeichnet wird, und das aus gutem Grund. Aber auch Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Phosphor sind für Lebewesen unverzichtbar, und eine Vielzahl anderer Elemente vermischen sich in geringerem Maße.
Kohlenhydrate
Es ist fast sicher, dass, wenn Sie das Wort "Kohlenhydrate" sehen oder hören, das erste, woran Sie denken, "Essen" ist und vielleicht genauer: "etwas in Essen, das viele Leute unbedingt loswerden wollen." "Lo-Carb" und "No-Carb" wurden zu Beginn des 21. Jahrhunderts zu Schlagworten für Gewichtsverlust, und der Begriff "Carbo-Loading" ist seit den 1970er Jahren in der Ausdauersport-Community verbreitet. Kohlenhydrate sind jedoch weit mehr als nur eine Energiequelle für Lebewesen.
Kohlenhydratmoleküle haben alle die Formel (CH2O)nwobei n die Anzahl der vorhandenen Kohlenstoffatome ist. Dies bedeutet, dass das C: H: O-Verhältnis 1: 2: 1 beträgt. Beispielsweise haben die einfachen Zucker Glucose, Fructose und Galactose die Formel C6H12O6 (Die Atome dieser drei Moleküle sind natürlich unterschiedlich angeordnet).
Kohlenhydrate werden als Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide klassifiziert. Ein Monosaccharid ist die Monomereinheit von Kohlenhydraten, aber einige Kohlenhydrate bestehen nur aus einem Monomer wie Glucose, Fructose und Galactose. Gewöhnlich sind diese Monosaccharide in einer Ringform, die schematisch als Sechseck dargestellt ist, am stabilsten.
Disaccharide sind Zucker mit zwei Monomereinheiten oder ein Paar Monosaccharide. Diese Untereinheiten können gleich (wie in Maltose, die aus zwei verbundenen Glucosemolekülen besteht) oder verschieden (wie in Saccharose) sein, oder Tischzucker, der aus einem Glucosemolekül und einem Fructosemolekül besteht. Bindungen zwischen Monosacchariden werden als glycosidische Bindungen bezeichnet.
Polysaccharide enthalten drei oder mehr Monosaccharide. Je länger diese Ketten sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie Verzweigungen aufweisen, das heißt nicht einfach eine Reihe von Monosacchariden von Ende zu Ende. Beispiele für Polysaccharide schließen Stärke, Glykogen, Cellulose und Chitin ein.
Stärke neigt dazu, sich in einer Helix- oder Spiralform zu bilden; Dies ist allgemein bei hochmolekularen Biomolekülen üblich. Im Gegensatz dazu ist Cellulose linear und besteht aus einer langen Kette von Glucosemonomeren mit Wasserstoffbrückenbindungen, die in regelmäßigen Abständen zwischen Kohlenstoffatomen verteilt sind. Zellulose ist Bestandteil von Pflanzenzellen und verleiht ihnen ihre Steifigkeit. Der Mensch kann Cellulose nicht verdauen und wird in der Ernährung gewöhnlich als "Ballaststoffe" bezeichnet. Chitin ist ein weiteres strukturelles Kohlenhydrat, das in den Außenkörpern von Arthropoden wie Insekten, Spinnen und Krabben vorkommt. Chitin ist ein modifiziertes Kohlenhydrat, da es mit reichlich Stickstoffatomen "verfälscht" ist. Glykogen ist die körpereigene Speicherform von Kohlenhydraten. Glykogenablagerungen finden sich sowohl in der Leber als auch im Muskelgewebe. Dank der Enzymanpassung in diesen Geweben können trainierte Sportler aufgrund ihres hohen Energiebedarfs und ihrer Ernährungspraktiken mehr Glykogen speichern als sitzende Menschen.
Proteine
Wie Kohlenhydrate sind Proteine ein Teil des alltäglichen Vokabulars der meisten Menschen, da sie als sogenannter Makronährstoff dienen. Aber Proteine sind unglaublich vielseitig, weit mehr als Kohlenhydrate. Tatsächlich gäbe es ohne Proteine keine Kohlenhydrate oder Lipide, da die Enzyme, die zur Synthese (und zum Verdauen) dieser Moleküle benötigt werden, selbst Proteine sind.
Die Monomere von Proteinen sind Aminosäuren. Diese schließen eine Carbonsäure (-COOH) -Gruppe und eine Amino (-NH) ein2) Gruppe. Wenn Aminosäuren miteinander verbunden sind, erfolgt dies über eine Wasserstoffbrücke zwischen der Carbonsäuregruppe einer der Aminosäuren und der Aminogruppe der anderen mit einem Wassermolekül (H2O) im Prozess freigegeben. Eine wachsende Kette von Aminosäuren ist ein Polypeptid, und wenn es ausreichend lang ist und seine dreidimensionale Form annimmt, ist es ein vollwertiges Protein. Im Gegensatz zu Kohlenhydraten weisen Proteine niemals Verzweigungen auf. Sie sind nur eine Kette von Carboxylgruppen, die an Aminogruppen gebunden sind. Da diese Kette einen Anfang und ein Ende haben muss, hat ein Ende eine freie Aminogruppe und wird als N-terminal bezeichnet, während das andere Ende eine freie Aminogruppe hat und als C-terminal bezeichnet wird. Da es 20 Aminosäuren gibt und diese in beliebiger Reihenfolge angeordnet werden können, variiert die Zusammensetzung der Proteine extrem, obwohl keine Verzweigung auftritt.
Proteine haben eine sogenannte Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur. Die Primärstruktur bezieht sich auf die Aminosäuresequenz im Protein und ist genetisch bestimmt. Die Sekundärstruktur bezieht sich auf das Biegen oder Knicken in der Kette, gewöhnlich auf sich wiederholende Weise. Einige Konformationen umfassen eine Alpha-Helix und eine Beta-Plissee-Folie und resultieren aus schwachen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Seitenketten verschiedener Aminosäuren. Die Tertiärstruktur ist das Verdrehen und Aufrollen des Proteins im dreidimensionalen Raum und kann unter anderem Disulfidbrücken (Schwefel-Schwefel) und Wasserstoffbrücken beinhalten. Schließlich bezieht sich die quaternäre Struktur auf mehr als eine Polypeptidkette im selben Makromolekül. Dies geschieht in Kollagen, das aus drei Ketten besteht, die wie ein Seil verdreht und zusammengerollt sind.
Proteine können als Enzyme dienen, die biochemische Reaktionen im Körper katalysieren; als Hormone wie Insulin und Wachstumshormon; als strukturelle Elemente; und als Zellmembrankomponenten.
Lipide
Lipide sind eine Vielzahl von Makromolekülen, aber alle haben die Eigenschaft, hydrophob zu sein. Das heißt, sie lösen sich nicht in Wasser. Dies liegt daran, dass Lipide elektrisch neutral und daher unpolar sind, während Wasser ein polares Molekül ist. Lipide umfassen Triglyceride (Fette und Öle), Phospholipide, Carotinoide, Steroide und Wachse. Sie sind hauptsächlich an der Bildung und Stabilität von Zellmembranen beteiligt, bilden Teile von Hormonen und werden als gespeicherter Brennstoff verwendet. Fette, eine Art Lipid, sind die dritte Art von Makronährstoffen, mit Kohlenhydraten und Proteinen, die zuvor diskutiert wurden. Durch Oxidation ihrer sogenannten Fettsäuren liefern sie 9 Kalorien pro Gramm im Gegensatz zu den 4 Kalorien pro Gramm, die sowohl von Kohlenhydraten als auch von Fetten geliefert werden.
Lipide sind keine Polymere, daher kommen sie in einer Vielzahl von Formen vor. Sie bestehen wie Kohlenhydrate aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Triglyceride bestehen aus drei Fettsäuren, die mit einem Molekül Glycerin, einem Alkohol mit drei Kohlenstoffatomen, verbunden sind. Diese Fettsäureseitenketten sind lange, einfache Kohlenwasserstoffe. Diese Ketten können Doppelbindungen aufweisen, und wenn ja, dann bildet sich die Fettsäure ungesättigt. Wenn es nur eine solche Doppelbindung gibt, ist die Fettsäure einfach ungesättigt. Wenn es zwei oder mehr gibt, ist es mehrfach ungesättigt. Diese verschiedenen Arten von Fettsäuren haben aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Wände von Blutgefäßen unterschiedliche gesundheitliche Auswirkungen auf verschiedene Menschen. Gesättigte Fette, die keine Doppelbindungen aufweisen, sind bei Raumtemperatur fest und sind üblicherweise tierische Fette; Diese neigen dazu, arterielle Plaques zu verursachen und können zu Herzerkrankungen führen. Fettsäuren können chemisch manipuliert werden, und ungesättigte Fette wie Pflanzenöle können gesättigt werden, so dass sie fest sind und bei Raumtemperatur bequem verwendet werden können, wie Margarine.
Phospholipide, die an einem Ende ein hydrophobes Lipid und am anderen ein hydrophiles Phosphat aufweisen, sind ein wichtiger Bestandteil von Zellmembranen. Diese Membranen bestehen aus einer Phospholipiddoppelschicht. Die beiden hydrophoben Lipidanteile liegen außen und innen in der Zelle, während sich die hydrophilen Phosphatschwänze in der Mitte der Doppelschicht treffen.
Andere Lipide umfassen Steroide, die als Hormone und Hormonvorläufer (z. B. Cholesterin) dienen und eine Reihe von charakteristischen Ringstrukturen enthalten; und Wachse, einschließlich Bienenwachs und Lanolin.
Nukleinsäuren
Nukleinsäuren umfassen Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Diese sind strukturell sehr ähnlich, da beide Polymere sind, in denen die Monomereinheiten sind Nukleotide. Nukleotide bestehen aus einer Pentose-Zuckergruppe, einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Basisgruppe. Sowohl in der DNA als auch in der RNA können diese Basen einer von vier Typen sein; ansonsten sind alle Nukleotide der DNA identisch, ebenso wie die der RNA.
DNA und RNA unterscheiden sich in drei wesentlichen Punkten. Zum einen ist der Pentosezucker in der DNA Desoxyribose und in der RNA Ribose. Diese Zucker unterscheiden sich durch genau ein Sauerstoffatom. Der zweite Unterschied ist, dass DNA normalerweise doppelsträngig ist und die Doppelhelix bildet, die in den 1950er Jahren vom Watson and Cricks-Team entdeckt wurde, aber RNA ist einzelsträngig. Die dritte ist, dass DNA die stickstoffhaltigen Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) enthält, bei RNA wird Thymin durch Uracil (U) ersetzt.
DNA speichert Erbinformationen. Länge der Nukleotide bilden Gene, die über die stickstoffhaltigen Basensequenzen die Information enthalten, bestimmte Proteine herzustellen. Viele Gene machen Chromosomen, und die Gesamtsumme der Chromosomen eines Organismus (Menschen haben 23 Paare) ist seine Genom. DNA wird bei der Transkription verwendet, um eine Form von RNA herzustellen, die Messenger-RNA (mRNA) genannt wird. Dadurch wird die codierte Information auf etwas andere Weise gespeichert und aus dem Zellkern, in dem sich die DNA befindet, in das Zellzytoplasma oder die Matrix verschoben. Hier leiten andere Arten von RNA den Translationsprozess ein, bei dem Proteine hergestellt und über die gesamte Zelle verteilt werden.