Makromoleküle sind Giganten der atomaren Welt. Das Präfix „Makro-“ bedeutet „sehr großer Maßstab.“ In der Tat stellen Makromoleküle andere Moleküle, die an der Chemie des Lebens beteiligt sind, wie Speisesalz (NaCl) oder Wasser (H2O), in den Schatten. Makromoleküle bestehen typischerweise aus mindestens 1.000 Atomen mit wiederholten Strukturen kleinerer Komponenten. Der Polymerisationsprozess verbindet die kleineren Komponenten (Monomere) miteinander. Es ist das Ausmaß der Wiederholung, das zu großer Größe führt.

Es ist die Größe der Makromoleküle, die ihre Bedeutung in lebenden Systemen bestimmt. Sie sind die Grundlage für komplexes zelluläres Leben. Makromoleküle sind intrinsisch nicht stabil. Sie werden nicht in Abwesenheit von Leben geschaffen, noch können sie lange außerhalb lebender Systeme bestehen bleiben.

Im Wesentlichen ist ein Makromolekül ein einzelnes Molekül, das aus vielen kovalent verknüpften Untereinheitsmolekülen besteht. Ein Polymer ist ein einzelnes Molekül, das aus ähnlichen Monomeren besteht. In der Physiologie sind die vier Hauptmakromoleküle:

1. Nukleinsäuren – hergestellt aus Nukleotid-Untereinheiten, die durch ihr Phosphat-Rückgrat verbunden sind.
2. Proteine – bestehen aus Aminosäure-Untereinheiten, die zwischen Kohlenstoff und Stickstoff verbunden sind.lipide – typischerweise große Moleküle, die aus unpolaren Bindungen bestehen, wodurch sie hydrophob werden. Einige Lipide enthalten kovalent gebundene polare Gruppen, die als Befestigungspunkte für mehrere hydrophobe Lipidmoleküle dienen können.
3. Kohlenhydrate – haben kovalent verknüpfte Zuckergruppen.

Bisher haben wir die wichtigsten Elemente und Arten von Bindungen diskutiert, die für das Funktionieren einer Zelle wichtig sind. Zusammen definieren diese Elemente und Bindungen die Haupteigenschaften der vier Klassen von Makromolekülen, aus denen eine Zelle besteht: Kohlenhydrate, Proteine, Lipide und Nukleinsäuren. In diesem Modul werden wir diese Makromoleküle untersuchen.Kohlenhydrate, Proteine und Nukleinsäuren sind Beispiele für Polymere. Polymere sind sehr große Moleküle, die aus kleineren Einheiten bestehen, die durch kovalente Bindungen unter Verwendung eines gemeinsamen Satzes chemischer Reaktionen verbunden sind. Proteine sind lineare Polymere von Aminosäuren, die alle durch Peptidbindungen verbunden sind. Polysaccharide sind die Kohlenhydrate, die durch glykosidische Bindungen in manchmal recht komplexen verzweigten Strukturen verbunden sind. DNA und RNA sind Polymere von Nukleinsäuren, die durch Phosphodiesterbindungen verbunden sind. Dieses Modul beinhaltet eine Diskussion der Strukturen dieser organischen Makromoleküle.

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate

Die einfachsten Makromoleküle sind Kohlenhydrate, auch Saccharide genannt. Der Name beschreibt den Charakter dieser Molekülklasse, da sie alle die allgemeine Formel eines hydratisierten Kohlenstoffs haben.

(C(H2O))n

Dies stellt ein Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoffatomen von 2:1 dar(wie in Wasser), aber in diesem Fall sind sie an ein Kohlenstoffgerüst gebunden. die konstituierenden Atome von Kohlenhydraten können in praktisch endlosen Konfigurationen konfiguriert werden, so dass Kohlenhydratmoleküle in einer Vielzahl von verschiedenen Formen und Größen kommen.

Monosaccharide sind die grundlegendsten Einheiten von Kohlenhydraten. Dies sind einfache Zucker, einschließlich Glukose, Fruktose und andere. Sie enthalten zwischen drei und sieben Kohlenstoffatome, haben einen süßen Geschmack und werden vom Körper zur Energiegewinnung genutzt.

Polysaccharide sind lange Polymere von Monosaccharidzuckern, die kovalent miteinander verbunden sind. Polysaccharide werden häufig verwendet, um die Energie des Monosaccharids zu speichern. Dazu gehören Stärke (in Pflanzen) und Glykogen (in Menschen und Tieren). Polysaccharide können auch für die Struktur in Pflanzen und anderen niederen Organismen verwendet werden. Zum Beispiel ist Cellulose ein großes Polysaccharid, das in Pflanzenzellwänden vorkommt. Menschen können Cellulose nicht in Monosaccharide verdauen, aber es ist wichtig in unserer Ernährung als „Raufutter“ oder „unlösliche Ballaststoffe“.“ Kohlenhydrate sind auch kritische Komponenten im Rückgrat der DNA, mit einem Monosaccharid in jedem Nukleotid gefunden. Mit 3 Milliarden DNA-Nukleotiden pro Zelle sind das viele Monosaccharide im Körper.

Polysaccharide können mit anderen Makromolekülen konjugiert werden. Beispielsweise können komplexe Kohlenhydrate mit Proteinen oder Lipiden verknüpft werden, um Glykoproteine bzw. Aus wenigen Monosacchariden, die in unterschiedlichen Mustern und mit unterschiedlicher Bindung angeordnet sind, können sehr unterschiedliche Strukturen hergestellt werden. Diese Flexibilität in der Struktur kann daher zur Identifizierung einzelner Zelltypen verwendet werden, da die Struktur jedes Zelltyps einzigartig ist. Mehr als die Hälfte der Proteine im Körper, die wir später in diesem Modul besprechen werden, haben Glykosylierungen oder Kohlenhydratmodifikationen. Die Außenseite der Zellen ist mit Kohlenhydraten aus Modifikationen von Lipiden bedeckt, aus denen die Membran besteht; Wir werden Lipide im letzten Kapitel dieses Abschnitts behandeln.Kohlenhydrate sind am besten als Energiespeichermoleküle bekannt. Ihre primäre Funktion ist als Energiequelle. Zellen wandeln Kohlenhydrate leicht in nutzbare Energie um. Sie werden sich erinnern, dass Moleküle eine Ansammlung von Atomen sind, die durch kovalente Bindungen verbunden sind. Im Allgemeinen können einzelne kovalente Bindungen mit ungefähr 100 kcal / mol Energie dargestellt werden, die mit der Kraft verbunden ist, die die beiden Atome zusammenhält. Tafelzucker oder Saccharose ist das bekannteste Kohlenhydrat. Das häufigste Kohlenhydrat in der Natur ist Glukose, die die allgemeine Formel hat

(C(H2O))6

und die eine gemeinsame Energiequelle für viele lebende Organismen ist. Wenn ein Mol Glukose für seine Energie in einer Zelle vollständig metabolisiert („verbrannt“) wird, hat es die folgende chemische Reaktion:

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

Während die Gesamtreaktion einen gekoppelten Oxidations-Reduktions-Prozess darstellt, beinhaltet dieser Prozess per Saldo die brechen von fünf Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen pro Glucosemolekül unter Freisetzung von 673 kcal / mol Energie.

Der Körper benötigt jedoch keine Kohlenhydrate zur Energiegewinnung. Proteine und Fette können die Bedürfnisse des Körpers befriedigen, und der Körper kann Moleküle in Kohlenhydrate umwandeln, die für Energie und andere Zellfunktionen benötigt werden. Kohlenhydrate erfordern jedoch eine minimale Verarbeitung, um als Energie verwendet zu werden. Zum Beispiel wandelt eine einfache enzymatische Reaktion Saccharose in Blutzucker um, der direkt als Quelle für zelluläre Energie verwendet werden kann. Der Trick für die Zelle besteht darin, die 673 kcal / mol Energie in eine nützliche Form umzuwandeln, damit sie für die Zelle oder den Organismus arbeiten kann. Das metabolische Schicksal des Kohlenhydrats wird später im Kurs diskutiert.

Eine zweite Funktion von Kohlenhydraten ist die Struktur. Zum Beispiel ist Cellulose ein lineares Polymer von Glucose, das mit anderen Cellulosepolymeren interagiert, um Fasern zu bilden, die interagieren, um die Grundstruktur der Zellwand von Pflanzen zu bilden. Diese Cellulosepolymere sind unverdaulich und bilden das Raufutter.

Eine dritte Funktion von Kohlenhydraten ist die Zellerkennung und -signalisierung. Dies tritt typischerweise bei Kohlenhydraten auf, die an andere Moleküle konjugiert sind, wie sie in Glykoproteinen (Kohlenhydrate, die an Proteine gebunden sind) und Glycolipiden (Kohlenhydrate, die an Lipide gebunden sind) vorkommen. Da eine sehr große Anzahl von Strukturen aus wenigen Monosacchariden (einfachen Kohlenhydraten) hergestellt werden kann, kann eine sehr große Anzahl von verschiedenen Strukturen auch aus wenigen einfachen Kohlenhydraten hergestellt werden, wie später gesehen wird. Diese Vielzahl unterschiedlicher Strukturen kann daher zur Identifizierung einzelner Zelltypen verwendet werden.

Kohlenhydratmodifikationen (Glykosylierungen genannt) sind auf Lipidmembranen und Proteinen für spezielle Funktion und Erkennung vorhanden. Einzigartige Kohlenhydratformationen ermöglichen noch mehr Spezifität für ein Protein, über den Aminosäurecode hinaus. Die äußere Membran der Zelle ist mit Kohlenhydratketten übersät, die sich je nach Zelltyp unterscheiden. Diese Kohlenhydratglykosylierungen liefern eine „Signatur“ der Zelle und können auch als Signal wirken. Daher sind Glykosylierungen wichtig für die Immunantwort und die allgemeine Zell-zu-Zell-Kommunikation.

Proteine

Proteine sind nach Nukleinsäuren die wichtigsten Makromoleküle. Strukturell sind Proteine die komplexesten Makromoleküle. Ein Protein ist ein lineares Molekül, das aus Aminosäuren besteht. Zwanzig verschiedene Aminosäuren sind in Proteinen enthalten. Die Sequenz der Aminosäuren eines Proteins wird durch die Sequenz der Basen in der DNA bestimmt, die für die Synthese dieses Proteins kodiert. Ein einzelnes Proteinmolekül kann aus Hunderten von Aminosäuren bestehen. Diese Sequenz von Aminosäuren ist die Primärstruktur eines Proteins. Die Größe, Form und reaktiven Eigenschaften des Proteins hängen von der Anzahl, Art und Sequenz der Aminosäuren ab. Die Aminosäurekette kann in ihrer primären linearen Struktur bleiben, aber oft faltet sie sich auf und in sich selbst, um eine Form zu bilden. Diese Sekundärstruktur bildet sich aus lokalisierten Wechselwirkungen (Wasserstoffbindung) von Aminosäureseitenketten. Dazu gehören Alpha-Helix- und Beta-Blattstrukturen. Die Alpha-Helix dominiert im Hämoglobin, was den Sauerstofftransport im Blut erleichtert. Sekundärstrukturen werden zusammen mit Drehungen und Knicken in ein dreidimensionales Protein integriert. Diese funktionelle Form wird als Tertiärstruktur des Proteins bezeichnet. Eine zusätzliche Organisationsebene ergibt sich, wenn sich mehrere separate Proteine zu einem Proteinkomplex verbinden — der sogenannten quaternären Struktur.

Proteine erfüllen zahlreiche essentielle Funktionen innerhalb der Zelle. Viele Proteine dienen als Enzyme, die die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und damit die Reaktionsfähigkeit von Zellen auf äußere Reize steuern. Ein Enzym kann eine Reaktion, die unter normalen Bedingungen Millionen von Jahren dauern würde, in nur wenigen Millisekunden beschleunigen. Enzyme sind wichtig bei der DNA-Replikation, Transkription und Reparatur. Verdauungsprozesse werden auch weitgehend durch Enzyme erleichtert, die Moleküle abbauen, die sonst zu groß wären, um vom Darm aufgenommen zu werden. Enzymatische Proteine spielen auch eine Rolle bei Muskelkontraktionen.

Andere Proteine sind wichtig für die Zellsignalisierung und Zellerkennung. Rezeptorproteine erkennen Substanzen als fremd und lösen eine Immunantwort aus. Durch Zellsignalisierung vermitteln Proteine das Zellwachstum und die Differenzierung während der Entwicklung. Mehrere wichtige Proteine bieten mechanische Unterstützung für die Zelle, ein Gerüst, das der Zelle hilft, ihre Form beizubehalten. Andere Proteine umfassen einen Großteil des Bindegewebes und der Strukturen des Körpers wie Haare und Nägel.

Für die Proteinproduktion in Zellen benötigt der Körper Aminosäuren, die wir aufnehmen. Es scheint ein bisschen ineffizient zu sein, aber wir essen Proteine, zerlegen sie in Aminosäuren, verteilen die Aminosäuren im Körper und bauen dann neue Proteine auf. Unsere Zellen können einige Aminosäuren aus ähnlichen synthetisieren, aber essentielle Aminosäuren müssen aus der Nahrung gewonnen werden, da sie nicht synthetisiert werden können. Proteinmangel in der Ernährung führt zu Mangelernährung Krankheiten wie Kwashiorkor, die in Entwicklungsländern üblich ist. Bei Kwashiorkor verursacht ein Proteinmangel ein Ödem (Schwellung), das zu einem aufgeblähten Bauch führt. Proteine werden schließlich zu Ammoniak und Harnstoff metabolisiert, die von den Nieren ausgeschieden werden. Nierenerkrankungen können dazu führen, dass sich diese Abfallprodukte im Körper ansammeln, wodurch jemand sehr krank wird und letztendlich zum Tod führt. Eine proteinarme Diät kann denjenigen helfen, deren Nieren eine geringe Funktion haben.Im Gegensatz zu Nukleinsäuren, die für das Leben des Organismus unverändert im Körper bleiben müssen, sollen Proteine vorübergehend sein — sie werden produziert, erfüllen ihre Funktionen und werden dann recycelt. Proteine werden auch leicht denaturiert (Entfaltung der Sekundär- und Tertiärstrukturen) durch extreme Hitze oder pH-Wert. Wenn Sie ein Ei kochen, versteifen sich Eigelb und Weiß und verfärben sich. Wenn Sie Fleisch kochen, ändert das Fleisch seine Farbe und wird fest. Diese Veränderungen entstehen, weil die konstituierenden Proteine denaturieren und die Eigenschaften der Gewebe verändern.