Le macromolecole sono giganti del mondo atomico. Il prefisso “macro -” significa ” scala molto grande.”In effetti, le macromolecole nano altre molecole coinvolte nella chimica della vita, come il sale da cucina (NaCl) o l’acqua (H2O). Le macromolecole sono tipicamente composte da almeno 1.000 atomi, con strutture ripetute di componenti più piccoli. Il processo di polimerizzazione collega insieme i componenti più piccoli (monomeri). È l’estensione della ripetizione che porta a grandi dimensioni.

È la grande dimensione delle macromolecole che determina la loro importanza nei sistemi viventi. Sono la base della complessa vita cellulare. Le macromolecole non sono intrinsecamente stabili. Non sono creati in assenza di vita, né possono persistere a lungo al di fuori dei sistemi viventi.

Essenzialmente, una macromolecola è una singola molecola che consiste di molte molecole di subunità legate covalentemente. Un polimero è una singola molecola composta da monomeri simili. In fisiologia, le quattro macromolecole principali sono:

1. acidi nucleici-costituiti da subunità nucleotidiche collegate attraverso la loro spina dorsale di fosfato.
2. proteine-costituite da subunità aminoacidiche legate tra carbonio e azoto.
3. lipidi – tipicamente grandi molecole costituite da legami non polari, che li rende idrofobi. Alcuni lipidi contengono gruppi polari covalentemente attaccati, che possono fungere da punti di attacco per più molecole lipidiche idrofobe.
4. carboidrati-hanno gruppi di zucchero collegati in modo covalente.

Finora, abbiamo discusso i principali elementi e tipi di legami che sono importanti nel funzionamento di una cellula. Insieme questi elementi e legami definiscono le principali proprietà delle quattro classi di macromolecole che compongono una cellula: carboidrati, proteine, lipidi e acidi nucleici. In questo modulo, esploreremo queste macromolecole.

Carboidrati, proteine e acidi nucleici sono tutti esempi di polimeri. I polimeri sono molecole molto grandi composte da unità più piccole unite da legami covalenti utilizzando un insieme comune di reazioni chimiche. Le proteine sono polimeri lineari di aminoacidi tutti uniti da legami peptidici. I polisaccaridi sono i carboidrati uniti attraverso legami glicosidici in strutture ramificate a volte piuttosto complesse. DNA e RNA sono polimeri di acidi nucleici legati da legami fosfodiesterici. Questo modulo include una discussione sulle strutture di queste macromolecole organiche.

Carboidrati

Carboidrati

La più semplice delle macromolecole sono i carboidrati, chiamati anche saccaridi. Il nome è descrittivo del carattere di questa classe di molecole, poiché tutte hanno la formula generale di un carbonio idratato.

(C(H2O))n

Questo rappresenta un rapporto 2:1 tra idrogeno e atomi di ossigeno(come nell’acqua)ma in questo caso sono collegati a una spina dorsale di carbonio. gli atomi costituenti dei carboidrati possono essere configurati in configurazioni praticamente infinite, quindi le molecole di carboidrati sono disponibili in una moltitudine di forme e dimensioni diverse.

I monosaccaridi sono le unità di base dei carboidrati. Questi sono zuccheri semplici, tra cui glucosio, fruttosio e altri. Contengono da tre a sette atomi di carbonio, hanno un sapore dolce e sono utilizzati dal corpo per l’energia.

I polisaccaridi sono polimeri lunghi di zuccheri monosaccaridi che sono legati covalentemente insieme. I polisaccaridi sono spesso usati per immagazzinare l’energia del monosaccaride. Questi includono amido (nelle piante) e glicogeno (nell’uomo e negli animali). I polisaccaridi possono anche essere utilizzati per la struttura nelle piante e in altri organismi inferiori. Ad esempio, la cellulosa è un grande polisaccaride che si trova nelle pareti delle cellule vegetali. Le persone non possono digerire la cellulosa in monosaccaridi, ma è importante nelle nostre diete come “foraggio grezzo” o “fibra insolubile.”I carboidrati sono anche componenti critici nella spina dorsale del DNA, con un monosaccaride trovato in ogni nucleotide. Con 3 miliardi di nucleotidi di DNA per cellula, questo è un sacco di monosaccaridi nel corpo.

I polisaccaridi possono essere coniugati con altre macromolecole. Ad esempio, i carboidrati complessi possono essere collegati con proteine o lipidi per formare glicoproteine e glicolipidi, rispettivamente. Strutture molto diverse possono essere fatte da alcuni monosaccaridi disposti in diversi modelli e con diversi legami. Questa flessibilità nella struttura può quindi essere utilizzata per l’identificazione di singoli tipi di cellule, poiché la struttura di ciascun tipo di cellula è unica. Più della metà delle proteine nel corpo, che discuteremo più avanti in questo modulo, hanno glicosilazioni o modifiche di carboidrati. L’esterno delle cellule è coperto di carboidrati dalle modifiche dei lipidi che compongono la membrana; tratteremo i lipidi nell’ultimo capitolo di questa sezione.

I carboidrati sono meglio conosciuti come molecole di accumulo di energia. La loro funzione primaria è come fonte di energia. Le cellule convertono facilmente i carboidrati in energia utilizzabile. Ricorderete che le molecole sono un insieme di atomi collegati da legami covalenti. In generale, i singoli legami covalenti possono essere rappresentati come aventi circa 100 kcal / mol di energia associata alla forza che tiene insieme i due atomi. Lo zucchero da tavola, o saccarosio, è il carboidrato più noto. Il carboidrato più comune in natura è il glucosio, che ha la formula generale

(C(H2O))6

e che è una fonte comune di energia per molti organismi viventi. Se una mole di glucosio è completamente metabolizzata (“bruciata”) per la sua energia in una cellula, ha la seguente reazione chimica:

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

Mentre la reazione complessiva rappresenta un accoppiato di ossidazione/riduzione del processo, a saldo, questo processo comporta la rottura di cinque carbonio-legami di carbonio per molecola di glucosio, con il rilascio di 673 kcal/mol di energia.

Tuttavia, il corpo non ha bisogno di carboidrati dietetici per l’energia. Proteine e grassi possono soddisfare i bisogni del corpo e il corpo può convertire le molecole in carboidrati necessari per l’energia e altre funzioni cellulari. Ma i carboidrati richiedono un’elaborazione minima per l’uso come energia. Ad esempio, una semplice reazione enzimatica converte il saccarosio in zucchero nel sangue, che può essere utilizzato direttamente come fonte di energia cellulare. Il trucco per la cellula è convertire le 673 kcal / mol di energia in una forma utile in modo che possa funzionare per la cellula o l’organismo. Il destino metabolico del carboidrato sarà discusso più avanti nel corso.

Una seconda funzione eseguita dai carboidrati è la struttura. Ad esempio, la cellulosa è un polimero lineare di glucosio che interagisce con altri polimeri di cellulosa per formare fibre che interagiscono per formare la struttura di base della parete cellulare delle piante. Questi polimeri di cellulosa sono indigestabili e costituiscono il grezzo.

Una terza funzione dei carboidrati è il riconoscimento e la segnalazione cellulare. Ciò si verifica in genere con carboidrati coniugati ad altre molecole, come quelle presenti nelle glicoproteine (carboidrati legati alle proteine) e nei glicolipidi (carboidrati legati ai lipidi). Poiché un numero molto elevato di strutture può essere fatto da alcuni monosaccaridi (carboidrati semplici), un numero molto elevato di strutture diverse può anche essere fatto da alcuni carboidrati semplici, come si vedrà più avanti. Questo gran numero di strutture diverse può quindi essere utilizzato per l’identificazione di singoli tipi di cellule.

Le modificazioni dei carboidrati (chiamate glicosilazioni) sono presenti sulle membrane lipidiche e sulle proteine per la funzione e il riconoscimento specializzati. Le formazioni uniche del carboidrato permettono ancor più specificità ad una proteina, oltre appena il codice dell’amminoacido. La membrana esterna della cellula è punteggiata da catene di carboidrati, che differiscono in base al tipo di cellula. Queste glicosilazioni di carboidrati forniscono una “firma” della cellula e possono anche fungere da segnale. Pertanto, le glicosilazioni sono importanti nella risposta immunitaria e nella comunicazione generale da cellula a cellula.

Proteine

Dopo gli acidi nucleici, le proteine sono le macromolecole più importanti. Strutturalmente, le proteine sono le macromolecole più complesse. Una proteina è una molecola lineare composta da aminoacidi. Venti diversi amminoacidi si trovano nelle proteine. La sequenza degli amminoacidi di una proteina è determinata dalla sequenza di basi nel DNA che codifica per la sintesi di questa proteina. Una singola molecola proteica può essere composta da centinaia di aminoacidi. Questa sequenza di aminoacidi è la struttura primaria di una proteina. Le dimensioni, la forma e le proprietà reattive della proteina dipendono dal numero, dal tipo e dalla sequenza di aminoacidi. La catena aminoacidica può rimanere nella sua struttura lineare primaria, ma spesso si piega e su se stessa per formare una forma. Questa struttura secondaria si forma da interazioni localizzate (legame idrogeno) di catene laterali di aminoacidi. Questi includono strutture alfa elica e beta foglio. L’alfa elica è dominante nell’emoglobina, che facilita il trasporto di ossigeno nel sangue. Le strutture secondarie sono integrate insieme a torsioni e attorcigliamenti in una proteina tridimensionale. Questa forma funzionale è chiamata la struttura terziaria della proteina. Un ulteriore livello di organizzazione risulta quando diverse proteine separate si combinano per formare un complesso proteico chiamato struttura quaternaria.

Le proteine svolgono numerose funzioni essenziali all’interno della cellula. Molte proteine servono come enzimi, che controllano la velocità delle reazioni chimiche e quindi la reattività delle cellule agli stimoli esterni. Un enzima può avanzare rapidamente una reazione che richiederebbe milioni di anni in condizioni normali e farlo accadere in pochi millisecondi. Gli enzimi sono importanti nella replicazione, nella trascrizione e nella riparazione del DNA. I processi digestivi sono anche in gran parte facilitati dagli enzimi, che abbattono molecole che altrimenti sarebbero troppo grandi per essere assorbite dall’intestino. Le proteine enzimatiche svolgono anche un ruolo nelle contrazioni muscolari.

Altre proteine sono importanti nella segnalazione cellulare e nel riconoscimento cellulare. Le proteine del recettore riconoscono le sostanze come estranee e iniziano una risposta immunitaria. Attraverso la segnalazione cellulare, le proteine mediano la crescita e la differenziazione cellulare durante lo sviluppo. Diverse proteine importanti forniscono supporto meccanico per la cellula, impalcatura che aiuta la cellula a mantenere la sua forma. Altre proteine comprendono gran parte del tessuto connettivo del corpo e strutture come capelli e unghie.

Per la produzione di proteine nelle cellule il corpo ha bisogno di aminoacidi, che ingeriamo. Sembra un po ‘ inefficiente, ma mangiamo proteine, le scomponiamo in amminoacidi, distribuiamo gli amminoacidi all’interno del corpo e poi costruiamo nuove proteine. Le nostre cellule possono sintetizzare alcuni aminoacidi da quelli simili, ma gli aminoacidi essenziali devono essere ottenuti dalla dieta, poiché non possono essere sintetizzati. Carenze di proteine nella dieta provocano malattie di malnutrizione come kwashiorkor, che è comune nei paesi in via di sviluppo. Nei casi di kwashiorkor, la carenza di proteine provoca edema (gonfiore) che porta ad un addome disteso. Le proteine vengono infine metabolizzate in ammoniaca e urea, che vengono escrete dai reni. La malattia renale può causare questi prodotti di scarto ad accumularsi nel corpo, causando qualcuno a diventare molto malato, in ultima analisi, che porta alla morte. Una dieta a basso contenuto proteico può aiutare coloro i cui reni hanno un basso livello di funzione.

A differenza degli acidi nucleici, che devono rimanere invariati nel corpo per la vita dell’organismo, le proteine sono destinate ad essere transitorie: vengono prodotte, svolgono le loro funzioni e quindi vengono riciclate. Le proteine sono anche prontamente denaturate (dispiegamento delle strutture secondarie e terziarie) da estremi di calore o pH. Quando fai bollire un uovo, il tuorlo e il bianco si irrigidiscono e cambiano colore. Quando cucini la carne, la carne cambia colore e diventa soda. Questi cambiamenti sorgono perché le proteine costituenti denaturano, cambiando le proprietà dei tessuti.