makrocząsteczki są gigantami świata atomowego. Przedrostek „makro -” oznacza ” bardzo dużą skalę.”Rzeczywiście, makrocząsteczki karłowały inne cząsteczki zaangażowane w chemię życia, takie jak sól kuchenna (NaCl) lub woda (H2O). Makrocząsteczki składają się zwykle z co najmniej 1000 atomów, z powtarzającymi się strukturami mniejszych składników. Proces polimeryzacji łączy ze sobą mniejsze składniki (monomery). To zakres powtarzania prowadzi do dużych rozmiarów.

to duży rozmiar makrocząsteczek decyduje o ich znaczeniu w żywych systemach. Są podstawą złożonego życia komórkowego. Makrocząsteczki nie są wewnętrznie stabilne. Nie są one tworzone pod nieobecność życia,ani też nie mogą trwać długo poza żywymi systemami.

zasadniczo makrocząsteczka jest pojedynczą cząsteczką, która składa się z wielu kowalencyjnie połączonych cząsteczek podjednostek. Polimer jest pojedynczą cząsteczką złożoną z podobnych monomerów. W fizjologii cztery główne makrocząsteczki to:

1. kwasy nukleinowe – zbudowane z podjednostek nukleotydowych połączonych przez ich szkielet fosforanowy.
2. białka-zbudowane z podjednostek aminokwasowych połączonych między węglem a azotem.
3. lipidy – zazwyczaj duże cząsteczki składające się z wiązań niepolarnych, co czyni je hydrofobowymi. Niektóre lipidy zawierają kowalencyjnie przyłączone grupy polarne, które mogą działać jako punkty mocowania dla wielu hydrofobowych cząsteczek lipidowych.
4. węglowodany – mają kowalencyjnie połączone grupy cukrowe.

do tej pory omówiliśmy główne elementy i rodzaje wiązań, które są ważne w funkcjonowaniu komórki. Razem te pierwiastki i wiązania definiują główne właściwości czterech klas makrocząsteczek tworzących komórkę: węglowodanów, białek, lipidów i kwasów nukleinowych. W tym module zbadamy te makrocząsteczki.

węglowodany, białka i kwasy nukleinowe są przykładami polimerów. Polimery są bardzo dużymi cząsteczkami złożonymi z mniejszych jednostek połączonych wiązaniami kowalencyjnymi przy użyciu wspólnego zestawu reakcji chemicznych. Białka są liniowymi polimerami aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Polisacharydy są węglowodanami połączonymi przez wiązania glikozydowe w czasami dość złożonych rozgałęzionych strukturach. DNA i RNA są polimerami kwasów nukleinowych połączonych wiązaniami fosfodiestrowymi. Moduł ten zawiera omówienie struktur tych organicznych makrocząsteczek.

węglowodany

węglowodany

najprostszym z makrocząsteczek są węglowodany, zwane również sacharydami. Nazwa jest opisowa charakteru tej klasy cząsteczek, ponieważ wszystkie mają ogólny wzór uwodnionego węgla.

(C(H2O))n

oznacza to stosunek 2:1 atomów wodoru do tlenu(jak w wodzie), ale w tym przypadku są one przyłączone do szkieletu węglowego. składowe Atomy węglowodanów mogą być konfigurowane w praktycznie nieskończonych konfiguracjach, więc cząsteczki węglowodanów mają wiele różnych kształtów i rozmiarów.

monosacharydy są najbardziej podstawowymi jednostkami węglowodanów. Są to cukry proste, w tym glukoza, fruktoza i inne. Zawierają od trzech do siedmiu atomów węgla, mają słodki smak i są wykorzystywane przez organizm do energii.

polisacharydy są długimi polimerami cukrów monosacharydowych, które są kowalencyjnie połączone ze sobą. Polisacharydy są często używane do przechowywania energii monosacharydu. Należą do nich skrobia (u roślin) i glikogen (u ludzi i zwierząt). Polisacharydy mogą być również stosowane do budowy roślin i innych niższych organizmów. Na przykład celuloza jest dużym polisacharydem występującym w ścianach komórek roślinnych. Ludzie nie mogą trawić celulozy do monosacharydów, ale jest to ważne w naszej diecie jako „błonnik objętościowy” lub ” nierozpuszczalny błonnik.”Węglowodany są również kluczowymi składnikami w kręgosłupie DNA, a w każdym nukleotydzie znajduje się jeden monosacharyd. Z 3 miliardami nukleotydów DNA na komórkę, to dużo monosacharydów w organizmie.

polisacharydy mogą być sprzężone z innymi makrocząsteczkami. Na przykład złożone węglowodany mogą być połączone z białkami lub lipidami, tworząc odpowiednio glikoproteiny i glikolipidy. Bardzo różne struktury mogą być wykonane z kilku monosacharydów ułożonych w różne wzory i z różnymi wiązaniami. Ta elastyczność w strukturze może być zatem wykorzystana do identyfikacji poszczególnych typów komórek, ponieważ struktura każdego typu komórki jest unikalna. Ponad połowa białek w organizmie, które omówimy później w tym module, ma glikozylacje lub modyfikacje węglowodanowe. Na zewnątrz komórki są pokryte węglowodanami z modyfikacji lipidów, które tworzą błonę; będziemy obejmować lipidy w ostatnim rozdziale tej sekcji.

węglowodany są najlepiej znane jako cząsteczki magazynujące energię. Ich podstawową funkcją jest jako źródło energii. Komórki łatwo przekształcają węglowodany w użyteczną energię. Pamiętacie, że cząsteczki są zbiorem atomów połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Ogólnie rzecz biorąc, pojedyncze wiązania kowalencyjne mogą być reprezentowane jako posiadające około 100 kcal/mol energii związanej z siłą, która utrzymuje dwa atomy razem. Cukier stołowy, czyli sacharoza, jest najbardziej znanym węglowodanem. Najczęstszym węglowodanem w przyrodzie jest glukoza, która ma ogólny wzór

(C(H2O))6

i która jest powszechnym źródłem energii dla wielu żywych organizmów. Jeśli mol glukozy jest całkowicie metabolizowany („spalony”) dla swojej energii w komórce, ma następującą reakcję chemiczną:

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

podczas gdy ogólna reakcja stanowi sprzężony proces utleniania/redukcji w sumie proces ten polega na zerwaniu pięciu wiązań węgiel-węgiel na cząsteczkę glukozy, z uwolnieniem 673 kcal / mol energii.

jednak organizm nie potrzebuje węglowodanów w diecie dla energii. Białka i tłuszcze mogą zaspokoić potrzeby organizmu, a organizm może przekształcić cząsteczki w węglowodany potrzebne do energii i innych funkcji komórkowych. Ale węglowodany wymagają minimalnego przetwarzania do wykorzystania jako energia. Na przykład prosta reakcja enzymatyczna przekształca sacharozę w cukier we krwi, który może być użyty bezpośrednio jako źródło energii komórkowej. Sztuczka dla komórki polega na przekształceniu 673 kcal/mol energii w użyteczną formę, aby mogła pracować dla komórki lub organizmu. Metaboliczny los węglowodanów zostanie omówiony w dalszej części kursu.

drugą funkcją pełnioną przez węglowodany jest struktura. Na przykład celuloza jest liniowym polimerem glukozy, który oddziałuje z innymi polimerami celulozy, tworząc włókna, które oddziałują, tworząc podstawową strukturę ściany komórkowej roślin. Te polimery celulozowe są nierozpuszczalne i stanowią paszę objętościową.

trzecią funkcją węglowodanów jest rozpoznawanie i sygnalizacja komórek. Występuje to zazwyczaj w przypadku węglowodanów sprzężonych z innymi cząsteczkami, takimi jak te znajdujące się w glikoproteinach (węglowodany połączone z białkami) i glikolipidach (węglowodany połączone z lipidami). Ponieważ bardzo duża liczba struktur może być wykonana z kilku monosacharydów (węglowodanów prostych), bardzo duża liczba różnych struktur może być również wykonana z kilku prostych węglowodanów, jak zobaczymy później. Ta duża liczba różnych struktur może być zatem wykorzystana do identyfikacji poszczególnych typów komórek.

modyfikacje węglowodanów (zwane glikozylacjami) są obecne na błonach lipidowych i białkach w celu specjalistycznej funkcji i rozpoznawania. Unikalne formacje węglowodanów pozwalają na jeszcze większą specyficzność dla białka, poza samym kodem aminokwasowym. Błona zewnętrzna komórki jest usiana łańcuchami węglowodanowymi, które różnią się w zależności od rodzaju komórki. Te glikozylacje węglowodanowe zapewniają „podpis” komórki i mogą również działać jako sygnał. Tak więc glikozylacje są ważne w odpowiedzi immunologicznej i ogólnej komunikacji między komórkami.

białka

Po kwasach nukleinowych białka są najważniejszymi makrocząsteczkami. Strukturalnie białka są najbardziej złożonymi makrocząsteczkami. Białko jest liniową cząsteczką składającą się z aminokwasów. Dwadzieścia różnych aminokwasów znajduje się w białkach. Sekwencja aminokwasów białka jest określana przez sekwencję zasad w DNA kodujących syntezę tego białka. Pojedyncza cząsteczka białka może składać się z setek aminokwasów. Ta sekwencja aminokwasów jest podstawową strukturą białka. Wielkość, kształt i właściwości reaktywne białka zależą od liczby, rodzaju i sekwencji aminokwasów. Łańcuch aminokwasowy może pozostać w swojej podstawowej liniowej strukturze, ale często składa się i w sobie, tworząc kształt. Ta Drugorzędna struktura tworzy się z lokalnych oddziaływań (wiązanie wodorowe) łańcuchów bocznych aminokwasów. Należą do nich alpha helix i beta struktury arkusza. Helisa Alfa dominuje w hemoglobinie, co ułatwia transport tlenu we krwi. Struktury wtórne są zintegrowane wraz z skręceniami i załamaniami w trójwymiarowe białko. Ta funkcjonalna forma nazywana jest trzeciorzędową strukturą białka. Dodatkowy poziom organizacji powoduje, że kilka oddzielnych białek łączy się tworząc kompleks białkowy – zwany strukturą czwartorzędową.

białka pełnią wiele podstawowych funkcji w komórce. Wiele białek służy jako enzymy, które kontrolują szybkość reakcji chemicznych, a co za tym idzie reakcję komórek na bodźce zewnętrzne. Enzym może przyspieszyć reakcję, która w normalnych warunkach zajęłaby miliony lat i która mogłaby nastąpić w ciągu zaledwie kilku milisekund. Enzymy są ważne w replikacji DNA, transkrypcji i naprawy. Procesy trawienne są również w dużej mierze ułatwione przez enzymy, które rozkładają cząsteczki, które w przeciwnym razie byłyby zbyt duże, aby mogły zostać wchłonięte przez jelita. Białka enzymatyczne odgrywają również rolę w skurczach mięśni.

inne białka są ważne w sygnalizacji komórkowej i rozpoznawaniu komórek. Białka receptorowe rozpoznają substancje jako obce i inicjują odpowiedź immunologiczną. Poprzez sygnalizację komórkową, białka pośredniczą w wzroście i różnicowaniu komórek podczas rozwoju. Kilka ważnych białek zapewnia mechaniczne wsparcie dla komórki, co pomaga komórce utrzymać jej kształt. Inne białka zawierają wiele tkanki łącznej i struktur ciała, takich jak włosy i paznokcie.

do produkcji białka w komórkach organizm potrzebuje aminokwasów, które spożywamy. Wydaje się to trochę nieefektywne, ale jemy białka, rozkładamy je na aminokwasy, rozprowadzamy aminokwasy wewnątrz organizmu, a następnie budujemy nowe białka. Nasze komórki mogą syntetyzować niektóre aminokwasy z podobnych, ale niezbędne aminokwasy muszą być uzyskane z diety, ponieważ nie mogą być syntetyzowane. Niedobory białka w diecie powodują niedożywienie choroby takie jak kwashiorkor, co jest powszechne w krajach rozwijających się. W przypadkach kwashiorkor niedobór białka powoduje obrzęk (obrzęk), który prowadzi do rozdęty brzuch. Białka są ostatecznie metabolizowane do amoniaku i mocznika, które są wydalane przez nerki. Choroba nerek może spowodować, że te odpady gromadzą się w organizmie, powodując, że ktoś bardzo zachorował, co ostatecznie prowadzi do śmierci. Dieta niskobiałkowa może pomóc tym, których nerki mają niski poziom funkcji.

w przeciwieństwie do kwasów nukleinowych, które muszą pozostać niezmienione w organizmie przez całe życie organizmu, białka mają być przejściowe—są wytwarzane, pełnią swoje funkcje, a następnie poddawane recyklingowi. Białka są również łatwo denaturowane (rozkładające się struktury drugorzędowe i trzeciorzędowe) przez skrajne temperatury lub pH. gdy gotujesz jajko, żółtko i biel usztywniają się i zmieniają kolor. Kiedy gotujesz mięso, miąższ zmienia kolor i staje się jędrny. Zmiany te powstają, ponieważ białka składowe denaturują, zmieniając właściwości tkanek.