a makromolekulák az atomi világ óriásai. A “makró” előtag azt jelenti, hogy ” nagyon nagy léptékű.”Valójában a makromolekulák eltörpülnek az élet kémiájában részt vevő más molekulákkal, például asztali sóval (NaCl) vagy vízzel (H2O). A makromolekulák jellemzően legalább 1000 atomból állnak, kisebb komponensek ismétlődő szerkezetével. A polimerizációs folyamat összekapcsolja a kisebb komponenseket (monomereket). Az ismétlés mértéke nagy mérethez vezet.

a makromolekulák nagy mérete határozza meg fontosságukat az élő rendszerekben. Ezek a komplex sejtes élet alapjai. A makromolekulák önmagukban nem stabilak. Nem az élet hiányában jönnek létre, és nem is maradhatnak fenn sokáig az élő rendszereken kívül.

lényegében a makromolekula egyetlen molekula, amely sok kovalensen kapcsolt alegység molekulából áll. A polimer egyetlen molekula, amely hasonló monomerekből áll. A fiziológiában a négy fő makromolekula a következő:

1. nukleinsavak – foszfát gerincükön keresztül összekapcsolt nukleotid alegységekből készülnek.
2. fehérjék – a szén és a nitrogén között összekapcsolt aminosav alegységekből állnak.
3. lipidek-jellemzően nagy molekulák, amelyek nem poláros kötésekből állnak, így hidrofób. Egyes lipidek kovalensen kötődő poláris csoportokat tartalmaznak, amelyek több hidrofób lipidmolekula kapcsolódási pontjaként működhetnek.
4. szénhidrátok – kovalensen kapcsolt cukorcsoportok vannak.

eddig megvitattuk a kötések főbb elemeit és típusait, amelyek fontosak a sejt működésében. Ezek az elemek és kötések együttesen határozzák meg a sejtet alkotó makromolekulák négy osztályának fő tulajdonságait: szénhidrátok, fehérjék, lipidek és nukleinsavak. Ebben a modulban megvizsgáljuk ezeket a makromolekulákat.

a szénhidrátok, fehérjék és nukleinsavak mind példák a polimerekre. A polimerek nagyon nagy molekulák, amelyek kisebb egységekből állnak, amelyeket kovalens kötések kötnek össze közös kémiai reakciók alkalmazásával. A fehérjék aminosavak lineáris polimerjei, amelyeket peptidkötések kötnek össze. A poliszacharidok azok a szénhidrátok, amelyek glikozidos kötéseken keresztül egyesülnek, néha meglehetősen összetett elágazó szerkezetekben. A DNS és az RNS nukleinsavak polimerjei, amelyeket foszfodiészter kötések kötnek össze. Ez a modul tartalmazza a szerves makromolekulák szerkezetének megvitatását.

szénhidrátok

szénhidrátok

a makromolekulák közül a legegyszerűbbek a szénhidrátok, más néven szacharidok. A név leírja ennek a molekulaosztálynak a jellegét, mivel mindegyiknek megvan a hidratált szén általános képlete.

(C(H2O))n

Ez a hidrogén és az oxigénatomok 2:1 arányát jelenti(mint a vízben), de ebben az esetben egy szénvázhoz kapcsolódnak. a szénhidrátok alkotó atomjai gyakorlatilag végtelen konfigurációkban konfigurálhatók, így a szénhidrátmolekulák sokféle formában és méretben kaphatók.

a monoszacharidok a szénhidrátok legalapvetőbb egységei. Ezek egyszerű cukrok, beleértve a glükózt, a fruktózt stb. Három-hét szénatomot tartalmaznak, édes ízűek, és a test energiát használ.

a poliszacharidok a monoszacharid cukrok hosszú polimerjei, amelyek kovalensen kötődnek egymáshoz. A poliszacharidokat gyakran használják a monoszacharid energiájának tárolására. Ezek közé tartozik a keményítő (növényekben) és a glikogén (emberekben és állatokban). A poliszacharidok felhasználhatók a növények és más alacsonyabb rendű organizmusok szerkezetére is. Például a cellulóz egy nagy poliszacharid, amely a növényi sejtfalakban található. Az emberek nem tudják megemészteni a cellulózt monoszacharidokká, de étrendünkben “szálastakarmányként” vagy “oldhatatlan rostként” fontos.”A szénhidrátok szintén kritikus komponensek a DNS gerincében, mindegyik nukleotidban egy monoszacharid található. 3 milliárd DNS nukleotid sejtenként, ez sok monoszacharid a szervezetben.

a poliszacharidok konjugálhatók más makromolekulákkal. Például a komplex szénhidrátok összekapcsolhatók fehérjékkel vagy lipidekkel glikoproteinek, illetve glikolipidek képződéséhez. Nagyon különböző struktúrák készülhetnek néhány monoszacharidból, amelyek különböző mintázatúak és különböző kötéssel vannak elrendezve. Ez a szerkezeti rugalmasság tehát felhasználható az egyes sejttípusok azonosítására, mivel az egyes sejttípusok szerkezete egyedi. A testben lévő fehérjék több mint fele, amelyet később ebben a modulban tárgyalunk, glikozilezéssel vagy szénhidrát-módosítással rendelkezik. A sejtek külsejét szénhidrátok borítják a membránt alkotó lipidek módosításaiból; a lipideket e szakasz utolsó fejezetében tárgyaljuk.

a szénhidrátok leginkább energiatároló molekulákként ismertek. Elsődleges funkciója az energiaforrás. A sejtek könnyen átalakítják a szénhidrátokat felhasználható energiává. Emlékeztetni fog arra, hogy a molekulák kovalens kötésekkel összekapcsolt atomok gyűjteménye. Általánosságban elmondható, hogy az egyes kovalens kötések körülbelül 100 kcal/mol energiával rendelkeznek, amely a két atomot összetartó erőhöz kapcsolódik. Az asztali cukor vagy szacharóz a legismertebb szénhidrát. A természetben a leggyakoribb szénhidrát a glükóz, amelynek általános képlete

(C(H2O))6

, amely sok élő szervezet közös energiaforrása. Ha egy mól glükóz teljesen metabolizálódik (“égett”) energiájához egy sejtben, akkor a következő kémiai reakcióval rendelkezik:

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

míg a teljes reakció kapcsolt oxidációs/redukciós folyamatot jelent, összességében ez a folyamat öt szén-szén kötés megszakítását foglalja magában glükózmolekulánként, 673 kcal/MOL energia felszabadulásával.

a testnek azonban nincs szüksége étrendi szénhidrátokra az energiához. A fehérjék és zsírok képesek kielégíteni a szervezet szükségleteit, és a szervezet képes átalakítani a molekulákat szénhidrátokká, amelyek szükségesek az energia és más sejtfunkciók számára. De a szénhidrátok minimális feldolgozást igényelnek energiaként való felhasználáshoz. Például egy egyszerű enzimatikus reakció a szacharózt vércukorrá alakítja, amelyet közvetlenül a sejtenergia forrásaként lehet felhasználni. A sejt trükkje az, hogy a 673 kcal/mol energiát hasznos formává alakítja, hogy a sejt vagy a szervezet számára munkát végezzen. A szénhidrát metabolikus sorsát később tárgyaljuk a tanfolyam során.

a szénhidrátok által végzett második funkció a szerkezet. Például a cellulóz egy lineáris glükózpolimer, amely kölcsönhatásba lép más cellulózpolimerekkel, hogy olyan szálakat képezzen, amelyek kölcsönhatásba lépnek a növények sejtfalának alapszerkezetével. Ezek a cellulózpolimerek emészthetetlenek, és a szálastakarmányt alkotják.

a szénhidrátok harmadik funkciója a sejtfelismerés és a jelátvitel. Ez jellemzően más molekulákhoz konjugált szénhidrátoknál fordul elő, például a glikoproteinekben (fehérjékhez kapcsolódó szénhidrátok) és a glikolipidekben (lipidekhez kapcsolódó szénhidrátok). Mivel néhány monoszacharidból (egyszerű szénhidrátból) nagyon sok szerkezet készíthető, néhány egyszerű szénhidrátból is nagyon sok különböző szerkezet készíthető, amint az később látható lesz. Ez a nagyszámú különböző struktúra tehát felhasználható az egyes sejttípusok azonosítására.

szénhidrát módosítások (úgynevezett glikozilációk) jelen vannak a lipid membránokon és a fehérjéken a speciális funkció és felismerés érdekében. Az egyedi szénhidrát képződmények még specifikusabbá teszik a fehérjét, az aminosav kódon túl. A sejt külső membránját szénhidrátláncok tarkítják, amelyek sejttípusonként különböznek. Ezek a szénhidrát glikozilezések a sejt “aláírását” biztosítják, és jelként is működhetnek. Így a glikozilezések fontosak az immunválaszban és az Általános sejt-sejt kommunikációban.

fehérjék

a nukleinsavak után a fehérjék a legfontosabb makromolekulák. Szerkezetileg a fehérjék a legösszetettebb makromolekulák. A fehérje egy lineáris molekula, amely aminosavakból áll. Húsz különböző aminosav található a fehérjékben. A fehérje aminosavainak szekvenciáját a fehérje szintézisét kódoló DNS-ben lévő bázisok szekvenciája határozza meg. Egyetlen fehérje molekula több száz aminosavból állhat. Ez az aminosavszekvencia a fehérje elsődleges szerkezete. A fehérje mérete, alakja és reaktív tulajdonságai az aminosavak számától, típusától és szekvenciájától függenek. Az aminosavlánc megmaradhat az elsődleges lineáris szerkezetében, de gyakran felfelé hajlik, hogy alakot képezzen. Ez a másodlagos szerkezet az aminosav oldalláncok lokalizált kölcsönhatásaiból (hidrogénkötés) képződik. Ezek közé tartozik az alpha helix és a beta sheet struktúrák. Az alfa hélix domináns a hemoglobinban, ami megkönnyíti az oxigén szállítását a vérben. A másodlagos struktúrák a csavarásokkal együtt egy háromdimenziós fehérjébe vannak integrálva. Ezt a funkcionális formát a fehérje tercier szerkezetének nevezik. A szervezettség további szintje akkor következik be, amikor több különálló fehérje egyesül egy fehérje komplex—úgynevezett kvaterner szerkezet.

a fehérjék számos alapvető funkciót látnak el a sejten belül. Számos fehérje enzimként szolgál, amelyek szabályozzák a kémiai reakciók sebességét, ezáltal a sejtek külső ingerekre való reagálását. Egy enzim képes felgyorsítani egy olyan reakciót, amely normális körülmények között több millió évig tart, és néhány milliszekundum alatt megtörténik. Az enzimek fontosak a DNS replikációjában, transzkripciójában és javításában. Az emésztési folyamatokat nagymértékben elősegítik az enzimek is, amelyek lebontják azokat a molekulákat, amelyek egyébként túl nagyok lennének ahhoz, hogy a belek felszívódjanak. Az enzimatikus fehérjék szerepet játszanak az izomösszehúzódásokban is.

más fehérjék fontosak a sejtek jelátvitelében és felismerésében. A Receptor fehérjék idegenként ismerik fel az anyagokat,és immunválaszt indítanak. A sejtjelzés révén a fehérjék közvetítik a sejtek növekedését és differenciálódását a fejlődés során. Számos fontos fehérje mechanikai támogatást nyújt a sejt számára, állványzat, amely segít a sejt alakjának fenntartásában. Más fehérjék alkotják a test kötőszövetének nagy részét és struktúráit, például a hajat és a körmöket.

a sejtek fehérjetermeléséhez a szervezetnek aminosavakra van szüksége, amelyeket elfogyasztunk. Kicsit hatástalannak tűnik, de fehérjéket eszünk, aminosavakra bontjuk őket, elosztjuk az aminosavakat a testben, majd új fehérjéket építünk fel. Sejtjeink képesek szintetizálni néhány aminosavat hasonló aminosavakból, de az étrendből esszenciális aminosavakat kell beszerezni, mivel ezeket nem lehet szintetizálni. A fehérje hiánya az étrendben olyan alultápláltsági betegségeket eredményez, mint a kwashiorkor, amely a fejlődő országokban gyakori. Kwashiorkor esetén a fehérjehiány ödémát (duzzanatot) okoz, amely kitágult hashoz vezet. A fehérjék végül ammóniává és karbamiddá metabolizálódnak, amelyeket a vesék választanak ki. A vesebetegség miatt ezek a salakanyagok felhalmozódhatnak a testben, ami valakinek nagyon megbetegszik, ami végül halálhoz vezet. Az alacsony fehérjetartalmú étrend segíthet azoknak,akiknek a veséje alacsony szintű.

a nukleinsavakkal ellentétben, amelyeknek változatlannak kell maradniuk a szervezetben a szervezet életében, a fehérjéket átmenetinek kell tekinteni—előállítják, elvégzik funkcióikat, majd újrahasznosítják őket. A fehérjék szintén könnyen denaturálódnak (a másodlagos és harmadlagos struktúrák kibontakozása) szélsőséges hővel vagy pH-értékkel. Amikor szakács hús, a hús színe megváltozik, és szilárd lesz. Ezek a változások azért merülnek fel, mert az alkotó fehérjék denaturálódnak, megváltoztatva a szövetek tulajdonságait.