macromoleculen zijn reuzen van de atomaire wereld. Het voorvoegsel “macro -” betekent ” zeer grote schaal.”Inderdaad, macromoleculen dwerg andere moleculen die betrokken zijn bij de chemie van het leven, zoals tafelzout (NaCl) of water (H2O). Macromoleculen worden typisch samengesteld uit minstens 1.000 atomen, met herhaalde structuren van kleinere componenten. Het proces van polymerisatie verbindt de kleinere componenten (monomeren) met elkaar. Het is de mate van herhaling die leidt tot grote omvang.

Het is de grote omvang van macromoleculen die hun belang in levende systemen bepaalt. Ze zijn de basis van complex cellulair leven. Macromoleculen zijn niet intrinsiek stabiel. Ze worden niet geschapen zonder leven, noch kunnen ze lang buiten levende systemen blijven bestaan.

in wezen is een macromolecule een enkel molecuul dat bestaat uit vele covalent verbonden subunitmoleculen. Een polymeer is een enkel molecuul dat uit gelijkaardige monomeren bestaat. In de fysiologie, zijn de vier belangrijkste macromoleculen:

1. nucleïnezuren-gemaakt van nucleotide-subeenheden die met elkaar verbonden zijn via hun fosfaatrubbe.
2. eiwitten-gemaakt van aminozuursubunits die zijn gekoppeld tussen koolstof en stikstof.
3. lipiden-typisch grote molecules die van niet-polaire banden worden samengesteld, die hen hydrofoob maken. Sommige lipiden bevatten covalent verbonden polaire groepen, die als verbindingspunten voor veelvoudige hydrophobic lipidemolecules kunnen dienst doen.
4. koolhydraten-hebben covalent met elkaar verbonden suikergroepen.

tot nu toe hebben we de belangrijkste elementen en soorten bindingen besproken die belangrijk zijn voor het functioneren van een cel. Samen bepalen deze elementen en bindingen de belangrijkste eigenschappen van de vier klassen van macromoleculen die een cel vormen: koolhydraten, eiwitten, lipiden en nucleïnezuren. In deze module zullen we deze macromoleculen onderzoeken.

koolhydraten, eiwitten en nucleïnezuren zijn allemaal voorbeelden van polymeren. Polymeren zijn zeer grote moleculen die uit kleinere eenheden worden samengesteld die door covalente bindingen worden verbonden gebruikend een gemeenschappelijke reeks chemische reacties. De proteã nen zijn lineaire polymeren van aminozuren allen verbonden door peptidebindingen. Polysacchariden zijn de koolhydraten die door glycosidebindingen in soms vrij complexe vertakte structuren worden verbonden. DNA en RNA zijn polymeren van nucleic zuren verbonden door fosfodiësterbindingen. Deze module bevat een bespreking van de structuren van deze organische macromoleculen.

koolhydraten

koolhydraten

De eenvoudigste macromoleculen zijn koolhydraten, ook sacchariden genoemd. De naam beschrijft het karakter van deze klasse moleculen, omdat ze allemaal de algemene formule van een gehydrateerde koolstof hebben.

(C (H2O)) n

Dit staat voor een 2:1 verhouding van waterstof-zuurstofatomen(zoals in water), maar in dit geval zijn ze verbonden met een koolstof-backbone. de samenstellende atomen van koolhydraten kunnen worden geconfigureerd in vrijwel eindeloze configuraties, zodat koolhydraatmoleculen komen in een veelheid van verschillende vormen en maten.

monosachariden zijn de basiseenheden van koolhydraten. Dit zijn eenvoudige suikers, waaronder glucose, fructose, en anderen. Ze bevatten tussen de drie en zeven koolstofatomen, hebben een zoete smaak en worden door het lichaam gebruikt voor energie.

polysachariden zijn lange polymeren van monosacharidesuikers die covalent aan elkaar zijn gebonden. Polysacchariden worden vaak gebruikt om de energie van de monosaccharide op te slaan. Deze omvatten zetmeel (in planten) en glycogeen (bij mens en dier). Polysacchariden kunnen ook worden gebruikt voor structuur in planten en andere lagere organismen. Cellulose is bijvoorbeeld een groot polysaccharide dat in de celwanden van planten wordt aangetroffen. Mensen kunnen cellulose niet verteren tot monosachariden, maar het is belangrijk in ons dieet als “ruwvoer” of ” onoplosbare vezel.”Koolhydraten zijn ook kritische componenten in de ruggengraat van DNA, met één monosaccharide gevonden in elk nucleotide. Met 3 miljard DNA-nucleotiden per cel, dat zijn veel monosacchariden in het lichaam.

polysachariden kunnen geconjugeerd worden met andere macromoleculen. Bijvoorbeeld, kunnen de complexe koolhydraten met proteã nen of lipiden worden verbonden om glycoproteã nen en glycolipiden, respectievelijk te vormen. Zeer verschillende structuren kunnen worden gemaakt van een paar monosachariden gerangschikt in verschillende patronen en met verschillende hechting. Deze flexibiliteit in structuur kan daarom voor identificatie van individuele celtypes worden gebruikt, aangezien de structuur van elk celtype uniek is. Meer dan de helft van de eiwitten in het lichaam, die we later in deze module zullen bespreken, hebben glycosylaties of koolhydraatmodificaties. De buitenkant van cellen zijn bedekt met koolhydraten van wijzigingen van lipiden die deel uitmaken van het membraan; we zullen lipiden in het laatste hoofdstuk van deze sectie behandelen.

koolhydraten zijn het best bekend als energieopslagmoleculen. Hun primaire functie is als energiebron. Cellen zetten gemakkelijk koolhydraten om in bruikbare energie. Je zult je herinneren dat moleculen een verzameling atomen zijn die verbonden zijn door covalente bindingen. In het algemeen, kunnen enige covalente bindingen worden voorgesteld als het hebben van ongeveer 100 kcal/mol van energie geassocieerd met de kracht die de twee atomen samen houdt. Tafelsuiker, of sucrose, is de bekendste koolhydraten. Het meest voorkomende koolhydraat in de natuur is glucose, dat de algemene formule

(C (H2O))6

heeft en een veel voorkomende energiebron is voor veel levende organismen. Als een mol glucose volledig wordt gemetaboliseerd (“verbrand”) voor zijn energie in een cel, heeft het de volgende chemische reactie:

(C(H2O))6 + 6 O2 <> 6 CO2 + 6 H2o + 673 kcal (energie)

terwijl de totale reactie een gekoppeld oxidatie/reductieproces vertegenwoordigt, omvat dit proces per saldo het breken van vijf koolstof-op-koolstofbindingen per glucosemolecule, met de afgifte van 673 kcal/mol energie.

het lichaam heeft echter geen koolhydraten uit de voeding nodig voor energie. Eiwitten en vetten kunnen voldoen aan de behoeften van het lichaam, en het lichaam kan moleculen omzetten in koolhydraten die nodig zijn voor energie en andere cellulaire functies. Maar koolhydraten vereisen minimale verwerking voor gebruik als energie. Bijvoorbeeld, zet een eenvoudige enzymatische reactie sucrose om in bloedsuiker, die direct als bron van cellulaire energie kan worden gebruikt. De truc voor de cel is om de 673 kcal/mol energie om te zetten in een nuttige vorm, zodat het werk kan doen voor de cel of het organisme. Het metabolische lot van de koolhydraten zal later in de cursus worden besproken.

een tweede functie van koolhydraten is structuur. Bijvoorbeeld, cellulose is een lineair polymeer van glucose dat met andere cellulosepolymeren in wisselwerking staat om vezels te vormen die in wisselwerking staan om de basisstructuur van de celwand van installaties te vormen. Deze cellulosepolymeren zijn onverteerbaar en vormen het ruwvoer.

een derde functie van koolhydraten is celherkenning en-signalering. Dit komt typisch voor met koolhydraten die aan andere molecules worden geconjugeerd, zoals die in glycoproteã NEN (koolhydraten die aan proteã nen worden gekoppeld) en glycolipiden (koolhydraten die aan lipiden worden gekoppeld) worden gevonden. Omdat een zeer groot aantal structuren kan worden gemaakt van een paar monosachariden (eenvoudige koolhydraten), een zeer groot aantal verschillende structuren kan ook worden gemaakt van een paar eenvoudige koolhydraten, zoals later zal worden gezien. Dit grote aantal verschillende structuren kan daarom voor identificatie van individuele celtypes worden gebruikt.

Koolhydraatmodificaties (glycosylaties genoemd) zijn aanwezig op lipidenmembranen en eiwitten voor gespecialiseerde functie en herkenning. Unieke koolhydraatformaties laten nog meer specificiteit toe aan een eiwit, voorbij alleen de aminozuurcode. Het buitenmembraan van de cel is bezaaid met koolhydraatketens, die per celtype verschillen. Deze carbohydrate glycosylations verstrekken een “handtekening” van de cel en kunnen ook als signaal dienst doen. Aldus, zijn glycosylations belangrijk in immune reactie en algemene cel-aan-cel mededeling.

eiwitten

na nucleïnezuren zijn eiwitten de belangrijkste macromoleculen. Structureel, zijn de proteã nen de meest complexe macromoleculen. Een eiwit is een lineair molecuul dat uit aminozuren wordt samengesteld. Twintig verschillende aminozuren worden gevonden in eiwitten. De opeenvolging van de aminozuren van een proteã ne wordt bepaald door de opeenvolging van basen in de codage van DNA voor de synthese van deze proteã ne. Een enkele eiwitmolecule kan uit honderden aminozuren worden samengesteld. Deze opeenvolging van aminozuren is de primaire structuur van een proteã ne. De grootte, de vorm en de reactieve eigenschappen van de proteã ne hangen van het aantal, het type en de opeenvolging van aminozuren af. De aminozuurketen kan in zijn primaire lineaire structuur blijven, maar vaak vouwt het zich op en in zichzelf om een vorm te vormen. Deze secundaire structuur vormt uit gelokaliseerde interacties (waterstofbindingen) van aminozuurzijketens. Deze omvatten alpha helix en beta bladstructuren. De Alfa helix is dominant in hemoglobine, wat het transport van zuurstof in het bloed vergemakkelijkt. De secundaire structuren worden geïntegreerd samen met wendingen en knikken in een driedimensionale proteã ne. Deze functionele vorm wordt genoemd de tertiaire structuur van de proteã ne. Een extra niveau van organisatie resulteert wanneer verscheidene afzonderlijke proteã nen combineren om een eiwit complex—genoemd quaternaire structuur te vormen.

eiwitten vervullen talrijke essentiële functies binnen de cel. Vele proteã nen dienen als enzymen, die het tarief van chemische reacties, en vandaar de reactievermogen van cellen aan externe stimuli controleren. Een enzym kan een reactie versnellen die onder normale omstandigheden miljoenen jaren zou duren en het in slechts enkele milliseconden zou laten gebeuren. De enzymen zijn belangrijk in de replicatie, de transcriptie en de reparatie van DNA. Spijsverteringsprocessen worden ook grotendeels vergemakkelijkt door enzymen, die moleculen afbreken die anders te groot zouden zijn om door de darmen te worden geabsorbeerd. Enzymatische eiwitten spelen ook een rol bij spiercontracties.

andere eiwitten zijn belangrijk voor het signaleren en herkennen van cellen. Receptoreiwitten herkennen stoffen als vreemd en initiëren een immuunrespons. Door cel het signaleren, bemiddelen de proteã nen celgroei en differentiatie tijdens ontwikkeling. Verscheidene belangrijke proteã nen verstrekken mechanische steun voor de cel, steiger die de cel helpt zijn vorm handhaven. Andere eiwitten bestaan uit veel van het bindweefsel en structuren van het lichaam, zoals haar en nagels.

voor eiwitproductie in cellen heeft het lichaam aminozuren nodig, die we innemen. Het lijkt een beetje inefficiënt, maar we eten eiwitten, breken ze af in aminozuren, verdelen de aminozuren in het lichaam en bouwen dan nieuwe eiwitten op. Onze cellen kunnen sommige aminozuren synthetiseren uit soortgelijke, maar essentiële aminozuren moeten worden verkregen uit het dieet, omdat ze niet kunnen worden gesynthetiseerd. Tekorten aan eiwitten in het dieet resulteren in ondervoeding ziekten zoals kwashiorkor, die gebruikelijk is in ontwikkelingslanden. In gevallen van kwashiorkor veroorzaakt eiwitdeficiëntie oedeem (zwelling) wat leidt tot een opgezwollen buik. De proteã nen worden uiteindelijk gemetaboliseerd in ammoniak en ureum, die door de nieren worden uitgescheiden. Nierziekte kan ervoor zorgen dat deze afvalproducten zich ophopen in het lichaam, waardoor iemand erg ziek wordt, wat uiteindelijk leidt tot de dood. Een eiwitarm dieet kan mensen helpen wiens nieren een laag niveau van functie hebben.

In tegenstelling tot nucleïnezuren, die in het lichaam onveranderd moeten blijven gedurende het leven van het organisme, zijn eiwitten bedoeld om van voorbijgaande aard te zijn—ze worden geproduceerd, doen hun functies en worden vervolgens gerecycleerd. Eiwitten worden ook gemakkelijk gedenatureerd (ontvouwen van de secundaire en tertiaire structuren) door extreme hitte of pH. wanneer je een ei kookt, verstijven de dooier en het wit en veranderen van kleur. Wanneer je vlees kookt, verandert het vlees van kleur en wordt stevig. Deze veranderingen ontstaan omdat de samenstellende eiwitten denatureren, waardoor de eigenschappen van de weefsels veranderen.