makromolekyler er giganter i atomverdenen. Præfikset “Makro -” betyder ” meget stor skala.”Faktisk dværger makromolekyler andre molekyler involveret i livets Kemi, såsom bordsalt (NaCl) eller vand (H2O). Makromolekyler består typisk af mindst 1.000 atomer med gentagne strukturer af mindre komponenter. Polymeriseringsprocessen forbinder de mindre komponenter (monomerer). Det er omfanget af gentagelse, der fører til stor størrelse.

det er den store størrelse af makromolekyler, der dikterer deres betydning i levende systemer. De er grundlaget for komplekst cellulært liv. Makromolekyler er ikke iboende stabile. De er ikke skabt i mangel af liv, og de kan heller ikke fortsætte længe uden for levende systemer.

i det væsentlige er et makromolekyle et enkelt molekyle, der består af mange kovalent forbundne underenhedsmolekyler. En polymer er et enkelt molekyle sammensat af lignende monomerer. I fysiologi er de fire store makromolekyler:

1. nukleinsyrer – fremstillet af nukleotidunderenheder forbundet gennem deres fosfatrygrad.
2. proteiner – fremstillet af aminosyreunderenheder forbundet mellem kulstof og nitrogen.
3. lipider – typisk store molekyler bestående af ikke-polære bindinger, hvilket gør dem hydrofobe. Nogle lipider indeholder kovalent vedhæftede polære grupper, som kan fungere som fastgørelsespunkter for flere hydrofobe lipidmolekyler.
4. kulhydrater-har kovalent forbundne sukkergrupper.

indtil videre har vi diskuteret de vigtigste elementer og typer af bindinger, der er vigtige i funktionen af en celle. Sammen definerer disse elementer og bindinger de vigtigste egenskaber ved de fire klasser af makromolekyler, der udgør en celle: kulhydrater, proteiner, lipider og nukleinsyrer. I dette modul vil vi undersøge disse makromolekyler.

kulhydrater, proteiner og nukleinsyrer er alle eksempler på polymerer. Polymerer er meget store molekyler sammensat af mindre enheder forbundet med kovalente bindinger ved hjælp af et fælles sæt kemiske reaktioner. Proteiner er lineære polymerer af aminosyrer, der alle er forbundet med peptidbindinger. Polysaccharider er kulhydraterne forbundet gennem glycosidbindinger i undertiden ret komplekse forgrenede strukturer. DNA og RNA er polymerer af nukleinsyrer forbundet med phosphodiesterbindinger. Dette modul indeholder en diskussion af strukturerne af disse organiske makromolekyler.

kulhydrater

kulhydrater

den enkleste af makromolekylerne er kulhydrater, også kaldet saccharider. Navnet er beskrivende for karakteren af denne klasse af molekyler, da de alle har den generelle formel for et hydreret kulstof.

(C(H2O))n

dette repræsenterer et forhold på 2:1 mellem hydrogen og iltatomer(som i vand), men i dette tilfælde er de bundet til en kulstofrygrad. de bestanddele af kulhydrater kan konfigureres i næsten uendelige konfigurationer, så kulhydratmolekyler kommer i en lang række forskellige former og størrelser.

monosaccharider er de mest basale enheder af kulhydrater. Disse er enkle sukkerarter, herunder glucose, fructose og andre. De indeholder mellem tre og syv carbonatomer, har en sød smag og bruges af kroppen til energi.

polysaccharider er lange polymerer af monosaccharidsukker, der er kovalent bundet sammen. Polysaccharider bruges ofte til at opbevare monosaccharidets energi. Disse omfatter stivelse (i planter) og glykogen (hos mennesker og dyr). Polysaccharider kan også bruges til struktur i planter og andre lavere organismer. For eksempel er cellulose et stort polysaccharid, der findes i plantecellevægge. Folk kan ikke fordøje cellulose i monosaccharider, men det er vigtigt i vores kostvaner som “grovfoder” eller “uopløselig fiber.”Kulhydrater er også kritiske komponenter i rygraden i DNA, med et monosaccharid fundet i hvert nukleotid. Med 3 milliarder DNA-nukleotider pr. celle er der mange monosaccharider i kroppen.

polysaccharider kan konjugeres med andre makromolekyler. For eksempel kan komplekse kulhydrater forbindes med proteiner eller lipider for at danne henholdsvis glycoproteiner og glycolipider. Meget forskellige strukturer kan fremstilles af et par monosaccharider arrangeret i forskellige mønstre og med forskellig binding. Denne fleksibilitet i struktur kan derfor bruges til identifikation af individuelle celletyper, da strukturen for hver celletype er unik. Mere end halvdelen af proteinerne i kroppen, som vi vil diskutere senere i dette modul, har glycosyleringer eller kulhydratmodifikationer. Ydersiden af celler er dækket af kulhydrater fra modifikationer af lipider, der udgør membranen; vi vil dække lipider i det sidste kapitel i dette afsnit.

kulhydrater er bedst kendt som energilagringsmolekyler. Deres primære funktion er som energikilde. Celler omdanner let kulhydrater til brugbar energi. Du vil huske, at molekyler er en samling af atomer forbundet med kovalente bindinger. Generelt kan enkeltkovalente bindinger repræsenteres som havende cirka 100 kcal/mol energi forbundet med den kraft, der holder de to atomer sammen. Bordsukker eller saccharose er det mest kendte kulhydrat. Det mest almindelige kulhydrat i naturen er glukose, som har den generelle formel

(C(H2O))6

og som er en fælles energikilde for mange levende organismer. Hvis en mol glucose metaboliseres fuldstændigt (“brændt”) for sin energi i en celle, har den følgende kemiske reaktion:

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

mens den samlede reaktion repræsenterer en koblet iltnings-/reduktionsproces, i balance involverer denne proces brud på fem carbon-til-carbon-bindinger pr.glukosemolekyle med frigivelse af 673 kcal / mol energi.

kroppen har dog ikke brug for kulhydrater til energi. Proteiner og fedtstoffer kan opfylde kroppens behov, og kroppen kan omdanne molekyler til kulhydrater, der er nødvendige for energi og andre cellulære funktioner. Men kulhydrater kræver minimal behandling til brug som energi. For eksempel omdanner en simpel reaktion saccharose til blodsukker, som kan anvendes direkte som en kilde til cellulær energi. Tricket for cellen er at konvertere 673 kcal/mol energi til en nyttig form, så den kan arbejde for cellen eller organismen. Kulhydratets metaboliske skæbne vil blive diskuteret senere i løbet.

en anden funktion udført af kulhydrater er struktur. For eksempel er cellulose en lineær polymer af glucose, der interagerer med andre cellulosepolymerer for at danne fibre, der interagerer for at danne den grundlæggende struktur af cellevæggen af planter. Disse cellulosepolymerer er ufordøjelige og udgør grovfoder.

en tredje funktion af kulhydrater er cellegenkendelse og signalering. Dette sker typisk med kulhydrater konjugeret til andre molekyler, såsom dem, der findes i glycoproteiner (kulhydrater knyttet til proteiner) og glycolipider (kulhydrater knyttet til lipider). Fordi et meget stort antal strukturer kan fremstilles af et par monosaccharider (enkle kulhydrater), kan et meget stort antal forskellige strukturer også fremstilles af et par enkle kulhydrater, som det ses senere. Dette store antal forskellige strukturer kan derfor bruges til identifikation af individuelle celletyper.

Kulhydratmodifikationer (kaldet glycosyleringer) er til stede på lipidmembraner og proteiner til specialiseret funktion og genkendelse. Unikke kulhydratformationer tillader endnu mere specificitet til et protein, ud over blot aminosyrekoden. Den ydre membran i cellen er prikket med kulhydratkæder, som adskiller sig efter celletype. Disse kulhydratglykosyleringer giver en” signatur ” af cellen og kan også fungere som et signal. Glykosyleringer er således vigtige i immunrespons og generel celle-til-celle-kommunikation.

proteiner

efter nukleinsyrer er proteiner de vigtigste makromolekyler. Strukturelt er proteiner de mest komplekse makromolekyler. Et protein er et lineært molekyle bestående af aminosyrer. Tyve forskellige aminosyrer findes i proteiner. Sekvensen af et proteins aminosyrer bestemmes af sekvensen af baser i DNA ‘ et, der koder for syntesen af dette protein. Et enkelt proteinmolekyle kan bestå af hundredvis af aminosyrer. Denne sekvens af aminosyrer er et proteins primære struktur. Proteinets størrelse, form og reaktive egenskaber afhænger af antallet, typen og sekvensen af aminosyrer. Aminosyrekæden kan forblive i sin primære lineære struktur, men ofte foldes den op og ind på sig selv for at danne en form. Denne sekundære struktur dannes fra lokaliserede interaktioner (hydrogenbinding) af aminosyresidekæder. Disse omfatter alfa spiral og beta ark strukturer. Alfa-spiralen er dominerende i hæmoglobin, hvilket letter transport af ilt i blod. Sekundære strukturer er integreret sammen med vendinger og kinks i et tredimensionelt protein. Denne funktionelle form kaldes proteinets tertiære struktur. Et yderligere organisationsniveau resulterer, når flere separate proteiner kombineres for at danne et proteinkompleks—kaldet kvaternær struktur.

proteiner udfører adskillige væsentlige funktioner i cellen. Mange proteiner tjener som proteiner, som styrer hastigheden af kemiske reaktioner og dermed cellernes respons på eksterne stimuli. En reaktion, der ville tage millioner af år under normale forhold og få det til at ske på få millisekunder. DNA-replikation, transskription og reparation er vigtige. Fordøjelsesprocesser lettes også i vid udstrækning af ensymer, der nedbryder molekyler, der ellers ville være for store til at blive absorberet af tarmene. Proteiner spiller også en rolle i muskelsammentrækninger.

andre proteiner er vigtige i cellesignalering og cellegenkendelse. Receptorproteiner genkender stoffer som fremmede og initierer et immunrespons. Gennem cellesignalering medierer proteiner cellevækst og differentiering under udvikling. Flere vigtige proteiner giver mekanisk støtte til cellen, stilladser, der hjælper cellen med at bevare sin form. Andre proteiner omfatter meget af kroppens bindevæv og strukturer såsom hår og negle.

til proteinproduktion i celler har kroppen brug for aminosyrer, som vi indtager. Det virker lidt ineffektivt, men vi spiser proteiner, nedbryder dem i aminosyrer, fordeler aminosyrerne inde i kroppen og opbygger derefter nye proteiner. Vores celler kan syntetisere nogle aminosyrer fra lignende, men essentielle aminosyrer skal opnås fra kosten, da de ikke kan syntetiseres. Mangel på protein i kosten resulterer i underernæring sygdomme som kvashiorkor, som er almindelig i udviklingslandene. I tilfælde af kvashiorkor forårsager proteinmangel ødem (hævelse), hvilket fører til en udstrakt mave. Proteiner metaboliseres til sidst i ammoniak og urinstof, som udskilles af nyrerne. Nyresygdom kan få disse affaldsprodukter til at ophobes i kroppen, hvilket får nogen til at blive meget syge, hvilket i sidste ende fører til døden. En lavprotein kost kan hjælpe dem, hvis nyrer har et lavt funktionsniveau.

I modsætning til nukleinsyrer, som skal forblive uændrede i kroppen for organismens liv, er proteiner beregnet til at være forbigående—de produceres, udfører deres funktioner og genbruges derefter. Proteiner denatureres også let (udfoldning af de sekundære og tertiære strukturer) ved ekstrem varme eller pH. når du koger et æg, stivner æggeblommen og den hvide farve og ændrer farve. Når du laver kød, ændrer kødet farve og bliver fast. Disse ændringer opstår, fordi de bestanddele proteiner denaturerer, ændrer vævets egenskaber.