makromolekyylit ovat atomimaailman jättiläisiä. Etuliite ”makro -” tarkoittaa ” hyvin suurta mittakaavaa.”Makromolekyylit nimittäin kääpiöittävät muita elämän kemiaan osallistuvia molekyylejä, kuten pöytäsuolaa (NaCl) tai vettä (H2o). Makromolekyylit koostuvat tyypillisesti vähintään 1 000 atomista, ja niissä on toistuvia pienempien komponenttien rakenteita. Polymeroitumisprosessi yhdistää pienemmät komponentit (monomeerit) toisiinsa. Toistojen määrä johtaa suureen kokoon.

makromolekyylien suuri koko sanelee niiden merkityksen elävissä järjestelmissä. Ne ovat monimutkaisen soluelämän perusta. Makromolekyylit eivät ole luonnostaan stabiileja. Niitä ei luoda ilman elämää, eivätkä ne voi säilyä kauan elollisten järjestelmien ulkopuolella.

oleellisesti makromolekyylinä on yksi molekyyli, joka koostuu monista kovalenttisesti linkittyneistä alayksiköistä. Polymeeri on yksi molekyyli, joka koostuu samankaltaisista monomeereistä. Fysiologiassa neljä suurta makromolekyyliä ovat:

1. nukleiinihapot, jotka koostuvat nukleotidialayksiköistä, jotka ovat sidoksissa fosfaattirunkonsa kautta.
2. proteiinit – valmistettu aminohapon alayksiköistä, jotka ovat sidoksissa hiilen ja typen välillä.
3. lipidit ovat tyypillisesti suuria molekyylejä, jotka koostuvat ei – polaarisista sidoksista, mikä tekee niistä hydrofobisia. Joissakin lipideissä on kovalenttisesti kiinnittyneitä polaariryhmiä, jotka voivat toimia useiden hydrofobisten lipidimolekyylien kiinnityspisteinä.
4. hiilihydraatit – ovat kovalenttisesti sidoksissa sokeriryhmiin.

tähän mennessä on keskusteltu solun toiminnan kannalta tärkeistä keskeisistä elementeistä ja sidostyypeistä. Yhdessä nämä alkuaineet ja sidokset määrittelevät solun muodostavien makromolekyylien neljän luokan pääominaisuudet: hiilihydraatit, proteiinit, lipidit ja nukleiinihapot. Tässä moduulissa tutkimme näitä makromolekyylejä.

hiilihydraatit, proteiinit ja nukleiinihapot ovat kaikki esimerkkejä polymeereistä. Polymeerit ovat hyvin suuria molekyylejä, jotka koostuvat pienemmistä yksiköistä, joihin on liittynyt kovalenttisia sidoksia käyttäen yhteistä kemiallisten reaktioiden joukkoa. Proteiinit ovat aminohappojen lineaarisia polymeerejä, joihin kaikkiin liittyy peptidisidoksia. Polysakkaridit ovat hiilihydraatteja, jotka ovat liittyneet glykosidisidosten kautta joskus melko monimutkaisiin haarautuneisiin rakenteisiin. DNA ja RNA ovat nukleiinihappojen polymeerejä, joita yhdistävät fosfodiesterisidokset. Tämä moduuli sisältää keskustelun näiden orgaanisten makromolekyylien rakenteista.

hiilihydraatit

hiilihydraatit

yksinkertaisimmat makromolekyylit ovat hiilihydraatteja, joita kutsutaan myös sakkarideiksi. Nimi kuvaa tämän molekyyliluokan luonnetta, koska niillä kaikilla on hydratoituneen hiilen yleinen kaava.

(C(H2O))n

Tämä kuvaa vedyn ja happiatomien suhdetta 2:1(kuten vedessä), mutta tällöin ne ovat kiinni hiilirungossa. hiilihydraattien atomit voidaan konfiguroida lähes loputtomiin, joten hiilihydraattimolekyylejä on lukuisia eri muotoisia ja kokoisia.

monosakkaridit ovat hiilihydraattien perusyksiköitä. Nämä ovat yksinkertaisia sokereita, kuten glukoosia, fruktoosia ja muita. Ne sisältävät kolmesta seitsemään hiiliatomia, niillä on makea maku ja elimistö käyttää niitä energiaksi.

polysakkaridit ovat monosakkaridisokereiden pitkiä polymeerejä, jotka ovat kovalenttisesti sitoutuneet toisiinsa. Polysakkarideja käytetään usein monosakkaridin energian varastoimiseen. Näitä ovat tärkkelys (kasveissa) ja glykogeeni (ihmisissä ja eläimissä). Polysakkarideja voidaan käyttää myös rakenteena kasveissa ja muissa alemmissa eliöissä. Esimerkiksi selluloosa on suuri polysakkaridi, jota esiintyy kasvien soluseinissä. Ihmiset eivät pysty sulattamaan selluloosaa monosakkarideiksi, mutta se on tärkeä ruokavaliomme ”rouheena” tai ”liukenemattomana kuituna.”Hiilihydraatit ovat myös kriittisiä komponentteja DNA: n selkärangassa, ja jokaisessa nukleotidissa on yksi monosakkaridi. Kun DNA: ta on 3 miljardia nukleotidia per solu, se on paljon monosakkarideja kehossa.

polysakkaridit voivat konjugoitua muiden makromolekyylien kanssa. Esimerkiksi kompleksiset hiilihydraatit voivat liittyä proteiineihin tai lipideihin muodostaen glykoproteiineja ja vastaavasti glykolipidejä. Hyvin erilaisia rakenteita voidaan tehdä muutamasta monosakkaridista, jotka on järjestetty eri kuvioihin ja erilaisin sidoksin. Tätä rakenteen joustavuutta voidaan siis käyttää yksittäisten solutyyppien tunnistamiseen, koska kunkin solutyypin rakenne on yksilöllinen. Yli puolella elimistön proteiineista, joista keskustelemme myöhemmin tässä moduulissa, on glykosylaatioita tai hiilihydraattien muutoksia. Solujen ulkopuolella on hiilihydraatteja lipidien muutoksista, jotka muodostavat kalvon; me katamme lipidit tämän jakson viimeisessä luvussa.

hiilihydraatit tunnetaan parhaiten energian varastointimolekyyleinä. Niiden ensisijainen tehtävä on energianlähteenä. Solut muuntavat helposti hiilihydraatteja käyttökelpoiseksi energiaksi. Muistanet, että molekyylit ovat kokoelma kovalenttisten sidosten yhdistämiä atomeja. Yleensä yksittäisillä kovalenttisilla sidoksilla voidaan esittää olevan noin 100 kcal / mol energiaa, joka liittyy voimaa, joka pitää kaksi atomia yhdessä. Pöytäsokeri eli sakkaroosi on tunnetuin hiilihydraatti. Yleisin luonnossa esiintyvä hiilihydraatti on glukoosi, jonka yleinen kaava

(C(H2O))6

ja joka on monien eliöiden yhteinen energianlähde. Jos mooli glukoosia metaboloituu täysin (”poltetaan”) energiakseen solussa, sillä on seuraava kemiallinen reaktio:

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

kun taas kokonaisreaktio edustaa kytkettyä hapetus-/pelkistysprosessia kaiken kaikkiaan tässä prosessissa rikotaan viisi hiili-hiili-sidosta glukoosimolekyyliä kohti, jolloin energiaa vapautuu 673 kcal/MOL.

elimistö ei kuitenkaan tarvitse ravinnosta saatavia hiilihydraatteja energiaksi. Proteiinit ja rasvat voivat täyttää elimistön tarpeet, ja elimistö voi muuttaa molekyylejä hiilihydraateiksi, joita tarvitaan energiaan ja muihin solutoimintoihin. Mutta hiilihydraatit vaativat vähän käsittelyä energiaksi. Esimerkiksi yksinkertainen entsymaattinen reaktio muuttaa sakkaroosin verensokeriksi, jota voidaan käyttää suoraan soluenergian lähteenä. Solun juju on muuntaa energian 673 kcal / mol hyödylliseen muotoon, jotta se voi tehdä työtä solulle tai organismille. Hiilihydraattien metabolista kohtaloa käsitellään myöhemmin kurssilla.

toinen hiilihydraattien suorittama funktio on rakenne. Esimerkiksi selluloosa on glukoosin lineaarinen polymeeri, joka vuorovaikuttaa muiden selluloosapolymeerien kanssa muodostaen kuituja, jotka vuorovaikuttavat muodostaen kasvien soluseinän perusrakenteen. Nämä selluloosapolymeerit ovat sulamattomia ja muodostavat karkearehun.

hiilihydraattien kolmas tehtävä on solujen tunnistaminen ja signalointi. Tämä tapahtuu tyypillisesti muihin molekyyleihin konjugoituneiden hiilihydraattien kanssa, kuten glykoproteiineissa (proteiineihin liittyvät hiilihydraatit) ja glykolipideissä (lipideihin liittyvät hiilihydraatit). Koska hyvin suuri määrä rakenteita voidaan valmistaa muutamasta monosakkaridista (yksinkertaisista hiilihydraateista), hyvin suuri määrä erilaisia rakenteita voidaan valmistaa myös muutamasta yksinkertaisesta hiilihydraatista, kuten nähdään myöhemmin. Näin suurta määrää erilaisia rakenteita voidaan siis käyttää yksittäisten solutyyppien tunnistamiseen.

Lipidikalvoissa ja proteiineissa esiintyy hiilihydraattimuutoksia (glykosylaatioita) erikoistoimintaan ja tunnistamiseen. Ainutlaatuiset hiilihydraattimuodostelmat mahdollistavat vieläkin spesifisemmän proteiinin, pelkän aminohappokoodin lisäksi. Solun ulkokalvossa on hiilihydraattiketjuja, jotka eroavat toisistaan solutyypin mukaan. Nämä hiilihydraattiglykosylaatiot antavat solun ”allekirjoituksen” ja voivat toimia myös signaalina. Glykosylaatiot ovatkin tärkeitä immuunivasteessa ja yleisessä solujen välisessä viestinnässä.

proteiinit

nukleiinihappojen jälkeen proteiinit ovat tärkeimpiä makromolekyylejä. Rakenteellisesti proteiinit ovat monimutkaisimpia makromolekyylejä. Proteiini on aminohappojen muodostama lineaarinen molekyyli. Proteiineissa on kaksikymmentä erilaista aminohappoa. Proteiinin aminohappojen sekvenssi määräytyy DNA-koodauksen emästen sekvenssin perusteella tämän proteiinin synteesiä varten. Yksittäinen proteiinimolekyyli voi koostua sadoista aminohapoista. Tämä aminohappojärjestys on proteiinin perusrakenne. Proteiinin koko, muoto ja reaktiiviset ominaisuudet riippuvat aminohappojen määrästä, tyypistä ja sekvenssistä. Aminohappoketju voi säilyä alkeellisessa lineaarisessa rakenteessaan, mutta usein se taittuu ylöspäin ja itseensä muodostaen muodon. Tämä sekundaarirakenne muodostuu aminohappojen sivuketjujen paikallisista vuorovaikutuksista (vetysidoksista). Näitä ovat alpha helix ja beta sheet rakenteet. Alfa-helix on dominoiva hemoglobiini, joka helpottaa hapen kuljettamista veressä. Sekundaarirakenteet integroituvat käänteineen ja kinkkuineen kolmiulotteiseksi proteiiniksi. Tätä funktionaalista muotoa kutsutaan proteiinin tertiäärirakenteeksi. Järjestäytymisen lisätaso syntyy, kun useat erilliset proteiinit yhdistyvät muodostaen proteiinikompleksin, jota kutsutaan kvaternaariseksi rakenteeksi.

proteiinit suorittavat lukuisia olennaisia tehtäviä solun sisällä. Monet proteiinit toimivat entsyymeinä, jotka säätelevät kemiallisten reaktioiden nopeutta ja siten solujen reagointikykyä ulkoisiin ärsykkeisiin. Entsyymi voi nopeuttaa reaktiota, joka kestäisi normaalioloissa miljoonia vuosia ja saisi sen tapahtumaan vain muutamassa millisekunnissa. Entsyymit ovat tärkeitä DNA: n replikaatiossa, transkriptiossa ja korjauksessa. Ruuansulatusta helpottavat suurelta osin myös entsyymit, jotka hajottavat molekyylejä, jotka olisivat muuten liian suuria imeytyäkseen suolistoon. Entsymaattisilla proteiineilla on myös rooli lihassupistuksissa.

muut proteiinit ovat tärkeitä solujen signaloinnissa ja tunnistamisessa. Reseptoriproteiinit tunnistavat aineet vieraiksi ja aloittavat immuunivasteen. Solujen signaloinnin kautta proteiinit välittävät solujen kasvua ja erilaistumista kehityksen aikana. Useat tärkeät proteiinit tarjoavat solulle mekaanista tukea, telineitä, jotka auttavat solua säilyttämään muotonsa. Muut proteiinit muodostavat suuren osan elimistön sidekudoksesta ja rakenteista, kuten hiuksista ja kynsistä.

proteiinintuotantoon soluissa elimistö tarvitsee aminohappoja, joita nielemme. Se vaikuttaa tehottomalta, mutta syömme proteiineja, hajotamme ne aminohapoiksi, jaamme aminohapot kehon sisään ja muodostamme uusia proteiineja. Solumme voivat syntetisoida joitakin aminohappoja samanlaisista, mutta välttämättömiä aminohappoja on saatava ravinnosta, koska niitä ei voida syntetisoida. Proteiinin puute ruokavaliossa johtaa aliravitsemukseen, kuten kwashiorkoriin, joka on yleistä kehitysmaissa. Kwashiorkorin tapauksissa proteiinipuutos aiheuttaa turvotusta (turvotusta), joka johtaa vatsan laajentumiseen. Proteiinit metaboloituvat lopulta ammoniakiksi ja ureaksi, jotka erittyvät munuaisten kautta. Munuaissairaus voi aiheuttaa näiden jätteiden kerääntyä elimistöön, aiheuttaa joku tulee hyvin sairas, lopulta johtaa kuolemaan. Vähäproteiininen ruokavalio voi auttaa niitä, joiden munuaisten toiminta on Heikkoa.

toisin kuin nukleiinihapot, joiden on pysyttävä elimistössä muuttumattomina eliön eliniän ajan, proteiinien on tarkoitus olla ohimeneviä—ne tuotetaan, tekevät tehtävänsä ja sitten kierrätetään. Valkuaisaineet denaturoituvat myös helposti (sekundaaristen ja tertiääristen rakenteiden kehittyessä) äärimmäisen kuumuuden tai pH: n vaikutuksesta. kun kananmunaa keittää, keltuainen ja valkoinen jäykistyvät ja vaihtavat väriä. Kun kypsennät lihaa, liha vaihtaa väriä ja kiinteytyy. Nämä muutokset johtuvat siitä, että valkuaisaineet denaturoituvat ja muuttavat kudosten ominaisuuksia.