解剖学と生理学I
高分子は原子界の巨人です。 接頭辞”macro-“は”非常に大規模”を意味します。「確かに、高分子は、食塩（NaCl）や水（H2O）など、生命の化学に関与する他の分子を矮小化しています。 高分子は、典型的には、より小さな成分の繰り返し構造を有する、少なくとも1,000個の原子で構成される。 重合のプロセスは、より小さな成分（モノマー）を一緒にリンクする。 それは大きなサイズにつながる繰り返しの程度です。
それは、生きているシステムにおけるそれらの重要性を決定する高分子の大きなサイズです。 それらは複雑な細胞生命の基礎です。 高分子は本質的に安定ではない。 彼らは生命の不在の中で作成されていない、また彼らは長い外の生活システムのために持続することができます。基本的に、高分子は、多くの共有結合されたサブユニット分子からなる単一の分子である。
ポリマーは、類似の単量体からなる単一の分子である。 生理学では、四つの主要な高分子は次のとおりです:
- 核酸–そのリン酸骨格を介してリンクされたヌクレオチドサブユニットで作られています。
- タンパク質–炭素と窒素の間に結合したアミノ酸サブユニットで作られています。
- 脂質–典型的には非極性結合で構成される大きな分子であり、疎水性である。 いくつかの脂質は、共有結合して結合した極性基を含み、これは複数の疎水性脂質分子の結合点として作用する可能性がある。
- 炭水化物–共有結合した糖基を有する。これまで、細胞の機能に重要な主要な要素と結合の種類について議論してきました。 これらの要素と結合は一緒に、細胞を構成する4つのクラスの高分子の主要な特性を定義します：炭水化物、タンパク質、脂質および核酸。 このモジュールでは、これらの高分子を探索します。炭水化物、タンパク質および核酸はすべてポリマーの例である。
炭水化物、タンパク質および核酸はすべてポリマーの例である。
ポリマーは、化学反応の一般的なセットを使用して共有結合によって結合された小さな単位で構成される非常に大きな分子です。 タンパク質は、すべてのペプチド結合によって結合されたアミノ酸の直鎖ポリマーである。 多糖類は、時には非常に複雑な分岐構造のグリコシド結合を介して結合された炭水化物である。 DNAとRNAは、ホスホジエステル結合によって結合された核酸のポリマーである。 このモジュールは、これらの有機高分子の構造の議論が含まれています。
炭水化物
炭水化物
最も単純な高分子は炭水化物であり、糖類とも呼ばれます。 名前はすべて水和炭素の一般式を持っているので、このクラスの分子の特徴を説明しています。
(C(H2O))n
これは（水のように）水素と酸素原子の2：1の比を表しますが、この場合、それらは炭素骨格に結合しています。 炭水化物の構成原子は、実質的に無限の構成で構成することができるので、炭水化物分子は多数の異なる形状およびサイズで来る。
単糖類は炭水化物の最も基本的な単位です。 これらは、グルコース、フルクトース、および他のものを含む単純な糖である。 それらは3〜7個の炭素原子を含み、甘い味を持ち、身体によってエネルギーのために使用されます。
多糖類は、共有結合して一緒に結合している単糖類糖の長いポリマーである。
多糖類は、多くの場合、単糖類のエネルギーを貯蔵するために使用されます。 これらには、デンプン（植物中）およびグリコーゲン（ヒトおよび動物中）が含まれる。 多糖類は、植物および他の下層生物の構造にも使用することができる。 例えば、セルロースは、植物細胞壁に見出される大きな多糖類である。 人々はセルロースを単糖類に消化することはできませんが、私たちの食事では「粗飼料」または「不溶性繊維」として重要です。「炭水化物はDNAの骨格にも重要な成分であり、各ヌクレオチドには1つの単糖が含まれています。 細胞あたり3億個のDNAヌクレオチドを持つ、それは体内の単糖の多くです。
多糖類は他の高分子と結合することができます。
多糖類は他の高分子と結合することができます 例えば、複合炭水化物は、タンパク質または脂質と結合して、それぞれ糖タンパク質および糖脂質を形成することができる。 非常に異なった構造は異なったパターンでそして異なった結合と整理される少数の単糖類から作ることができます。 したがって、各細胞型の構造が一意であるため、この構造の柔軟性は、個々の細胞型の同定に使用することができる。 このモジュールの後半で説明する体内のタンパク質の半分以上は、グリコシル化または炭水化物修飾を持っています。 細胞の外側は、膜を構成する脂質の修飾から炭水化物で覆われています。炭水化物はエネルギー貯蔵分子として最もよく知られています。
炭水化物はエネルギー貯蔵分子として最もよく知られています。 彼らの主な機能はエネルギー源としてです。 細胞は炭水化物を使用可能なエネルギーに容易に変換します。 分子は共有結合で結ばれた原子の集まりであることを思い出すでしょう。 一般に、単一共有結合は、２つの原子を一緒に保持する力に関連する約１ ０ ０ｋｃａｌ／ｍｏｌのエネルギーを有するものとして表すことができる。 テーブル砂糖、またはショ糖は、最もよく知られている炭水化物です。 自然界で最も一般的な炭水化物はグルコースであり、これは一般式
(C(H2O))6
多くの生物にとって共通のエネルギー源である。 グルコースのモルが細胞内でそのエネルギーのために完全に代謝される（”燃焼”）場合、それは以下の化学反応を有する:
(C(H2O))6+6O2<>6CO2+6H2O+673kcal(エネルギー)
全体の反応は結合された酸化/還元プロセ673kcal/molのエネルギーの放出を伴うグルコース分子あたりの5つの炭素-炭素結合の破壊。
しかし、体はエネルギーのために食物炭水化物を必要としません。 タンパク質や脂肪は体のニーズを満たすことができ、体はエネルギーや他の細胞機能に必要な炭水化物に分子を変換することができます。 しかし、炭水化物はエネルギーとして使用するための最小限の処理を必要とします。 例えば、単純な酵素反応は、ショ糖を血糖に変換し、これは細胞エネルギー源として直接使用することができる。 細胞のためのトリックは、673kcal/molのエネルギーを有用な形に変換して、細胞や生物のために働くことができるようにすることです。 炭水化物の代謝運命は、コースの後半で議論される。
炭水化物によって実行される第二の機能は構造です。 例えば、セルロースは、他のセルロースポリマーと相互作用して、植物の細胞壁の基本構造を形成するために相互作用する繊維を形成するグルコースの直鎖状 これらのセルロースポリマーは消化不能であり，粗飼料を構成する。
炭水化物の第三の機能は、細胞認識とシグナル伝達である。 これは、典型的には、糖タンパク質（タンパク質に結合した炭水化物）および糖脂質（脂質に結合した炭水化物）に見られるような、他の分子に結合した炭水化物 非常に多くの構造はいくつかの単糖（単純な炭水化物）から作ることができるので、後で見るように、非常に多くの異なる構造もいくつかの単純な炭水化物から作ることができる。 したがって、この多数の異なる構造は、個々の細胞型の同定に使用することができる。
炭水化物修飾（グリコシル化と呼ばれる）は、特殊な機能と認識のために脂質膜およびタンパク質に存在する。 独特な炭水化物の形成はちょうどアミノ酸コードを越える蛋白質にさらに特定性を、可能にする。 細胞の外膜には、細胞の種類によって異なる炭水化物鎖が点在しています。 これらの炭水化物のglycosylationsは細胞の”署名”を提供し、また信号として機能できます。 したがって、グリコシル化は、免疫応答および一般的な細胞間通信において重要である。
タンパク質
核酸の後、タンパク質は最も重要な高分子です。 構造的には、タンパク質は最も複雑な高分子である。 蛋白質はアミノ酸で構成される線形分子です。 タンパク質には20種類のアミノ酸が含まれています。 蛋白質のアミノ酸の順序はこの蛋白質の統合のためにコードするDNAの基盤の順序によって定められます。 単一のタンパク質分子は、数百のアミノ酸で構成されていてもよい。 アミノ酸のこの順序は蛋白質の第一次構造です。 蛋白質のサイズ、形および反応特性はアミノ酸の数、タイプおよび順序によって決まります。 アミノ酸の鎖は第一次線形構造に残ることができますが頻繁に形を形作るためにそれ自身でそして折ります。 この二次構造は、アミノ酸側鎖の局所的な相互作用（水素結合）から形成される。 これらには、αヘリックスとβシート構造が含まれます。 Αヘリックスは、血液中の酸素の輸送を容易にするヘモグロビンにおいて支配的である。 二次構造は三次元蛋白質にねじれおよびよじれと共に統合されます。 この機能的形態は、タンパク質の三次構造と呼ばれる。 複数の別の蛋白質が蛋白質の複合体を形作るために結合するとき構成の付加的なレベルは—四級構造と呼出されます。
タンパク質は、細胞内で多くの本質的な機能を果たします。 多くのタンパク質は、化学反応の速度、したがって外部刺激に対する細胞の応答性を制御する酵素として機能する。 酵素は、通常の条件下で何百万年もかかり、わずか数ミリ秒で起こる反応を早送りすることができます。 酵素は、DNA複製、転写および修復において重要である。 消化プロセスはまた、そうでなければ腸に吸収されるには大きすぎる分子を分解する酵素によって主に促進される。 酵素蛋白質はまた筋肉収縮の役割を担います。
他のタンパク質は、細胞シグナル伝達および細胞認識において重要である。 受容体タンパク質は、物質を外来物質として認識し、免疫応答を開始する。 細胞シグナル伝達を介して、タンパク質は、開発中に細胞の成長と分化を仲介します。 いくつかの重要なタンパク質は、細胞の形状を維持するのに役立つ足場である細胞の機械的支持を提供する。 他の蛋白質は毛および釘のようなボディの結合組織そして構造の多くを構成します。
細胞内のタンパク質生産のために、体は私たちが摂取するアミノ酸を必要とします。 それは少し非効率的なようですが、私たちはタンパク質を食べ、アミノ酸に分解し、体内のアミノ酸を分配し、新しいタンパク質を構築します。 私たちの細胞は同様のものからいくつかのアミノ酸を合成することができますが、必須アミノ酸は合成できないので、食事から得なければなりません。 食事中のタンパク質の欠乏は、発展途上国で一般的であるkwashiorkorのような栄養失調疾患を引き起こす。 Kwashiorkorのケースでは、蛋白質の不足により膨張した腹部をもたらす浮腫（膨張）を引き起こします。 タンパク質は最終的にアンモニアと尿素に代謝され、腎臓によって排泄されます。 腎臓病は、これらの老廃物が体内に蓄積し、誰かが非常に病気になり、最終的に死に至る原因となる可能性があります。 低タンパク質食は、腎臓の機能レベルが低い人を助けることができます。
生物の生命のために体内で変化しないままでなければならない核酸とは異なり、タンパク質は一過性であることを意味し、それらは産生され、その機 タンパク質はまた、極端な熱またはpHによって容易に変性（二次構造および三次構造の展開）される。 あなたが肉を調理すると、肉は色を変えてしっかりとしたものになります。 これらの変化は、構成タンパク質が変性し、組織の特性を変化させるために生じる。