macromoleculele sunt giganți ai lumii atomice. Prefixul „macro -” înseamnă ” scară foarte mare.”Într-adevăr, macromoleculele depășesc alte molecule implicate în chimia vieții, cum ar fi sarea de masă (NaCl) sau apa (H2O). Macromoleculele sunt de obicei compuse din cel puțin 1.000 de atomi, cu structuri repetate de componente mai mici. Procesul de polimerizare leagă împreună componentele mai mici (monomeri). Este gradul de repetiție care duce la dimensiuni mari.dimensiunea mare a macromoleculelor este cea care dictează importanța lor în sistemele vii. Ele stau la baza vieții celulare complexe. Macromoleculele nu sunt intrinsec stabile. Ele nu sunt create în absența vieții și nici nu pot persista mult timp în afara sistemelor vii.

în esență, o macromoleculă este o singură moleculă care constă din multe molecule subunitare legate covalent. Un polimer este o singură moleculă compusă din monomeri similari. În fiziologie, cele patru macromolecule majore sunt:

1. acizi nucleici – formați din subunități nucleotidice legate prin coloana vertebrală a fosfatului.
2. proteine-realizate din subunități de aminoacizi legate între carbon și azot.
3. lipide-de obicei molecule mari compuse din legături nepolare, făcându-le hidrofobe. Unele lipide conțin grupuri polare atașate covalent, care pot acționa ca puncte de atașare pentru mai multe molecule lipidice hidrofobe.
4. carbohidrați-au grupuri de zahăr legate covalent.

până în prezent, am discutat elementele majore și tipurile de legături care sunt importante în funcționarea unei celule. Împreună, aceste elemente și legături definesc proprietățile majore ale celor patru clase de macromolecule care alcătuiesc o celulă: carbohidrați, proteine, lipide și acizi nucleici. În acest modul, vom explora aceste macromolecule.

carbohidrații, proteinele și acizii nucleici sunt exemple de polimeri. Polimerii sunt molecule foarte mari compuse din unități mai mici unite prin legături covalente folosind un set comun de reacții chimice. Proteinele sunt polimeri liniari ai aminoacizilor uniți prin legături peptidice. Polizaharidele sunt carbohidrații uniți prin legături glicozidice în structuri ramificate uneori destul de complexe. ADN – ul și ARN-ul sunt polimeri ai acizilor nucleici legați prin legături fosfodiesterice. Acest modul include o discuție a structurilor acestor macromolecule organice.

carbohidrați

carbohidrați

cele mai simple dintre macromolecule sunt carbohidrații, numiți și zaharide. Numele este descriptiv pentru caracterul acestei clase de molecule, deoarece toate au formula generală a unui carbon hidratat.

(c(H2O))n

aceasta reprezintă un raport 2:1 de hidrogen la atomi de oxigen(ca în apă), dar în acest caz, ele sunt atașate la o coloană vertebrală de carbon. atomii constituenți ai carbohidraților pot fi configurați în configurații practic nesfârșite, astfel încât moleculele de carbohidrați vin într-o multitudine de forme și dimensiuni diferite.

monozaharidele sunt cele mai de bază unități de carbohidrați. Acestea sunt zaharuri simple, inclusiv glucoză, fructoză și altele. Acestea conțin între trei și șapte atomi de carbon, au un gust dulce și sunt folosite de organism pentru energie.

polizaharidele sunt polimeri lungi de zaharuri monozaharidice care sunt legate covalent împreună. Polizaharidele sunt adesea folosite pentru a stoca energia monozaharidei. Acestea includ amidonul (în plante) și glicogenul (la oameni și animale). Polizaharidele pot fi, de asemenea, utilizate pentru structura plantelor și a altor organisme inferioare. De exemplu, celuloza este o polizaharidă mare care se găsește în pereții celulelor vegetale. Oamenii nu pot digera celuloza în monozaharide, dar este important în dietele noastre ca „roughage” sau „fibre insolubile”.”Carbohidrații sunt, de asemenea, componente critice în coloana vertebrală a ADN-ului, cu o monozaharidă Găsită în fiecare nucleotidă. Cu 3 miliarde de nucleotide ADN pe celulă, adică o mulțime de monozaharide în organism.

polizaharidele pot fi conjugate cu alte macromolecule. De exemplu, carbohidrații complecși pot fi legați de proteine sau lipide pentru a forma glicoproteine și, respectiv, glicolipide. Structuri foarte diferite pot fi realizate din câteva monozaharide aranjate în modele diferite și cu legături diferite. Prin urmare, această flexibilitate în structură poate fi utilizată pentru identificarea tipurilor individuale de celule, deoarece structura fiecărui tip de celulă este unică. Mai mult de jumătate din proteinele din organism, despre care vom discuta mai târziu în acest modul, au glicozilări sau modificări ale carbohidraților. Exteriorul celulelor este acoperit de carbohidrați din modificările lipidelor care alcătuiesc membrana; vom acoperi lipidele în ultimul capitol al acestei secțiuni.

carbohidrații sunt cel mai bine cunoscuți ca molecule de stocare a energiei. Funcția lor principală este ca sursă de energie. Celulele transformă ușor carbohidrații în energie utilizabilă. Vă veți aminti că moleculele sunt o colecție de atomi conectați prin legături covalente. În general, legăturile covalente unice pot fi reprezentate ca având aproximativ 100 kcal/mol de energie asociată cu forța care ține cei doi atomi împreună. Zahărul de masă sau zaharoza este cel mai cunoscut carbohidrat. Cel mai frecvent carbohidrat din natură este glucoza, care are formula generală

(C(H2O))6

și care este o sursă comună de energie pentru multe organisme vii. Dacă un mol de glucoză este complet metabolizat („ars”) pentru energia sa într-o celulă, are următoarea reacție chimică:

(c(H2O))6 + 6 O2 <> 6 CO2 + 6 H2O + 673 kcal (energie)

în timp ce reacția globală reprezintă un proces de oxidare/reducere cuplat, în echilibru, acest proces implică ruperea a cinci legături carbon-carbon pe moleculă de glucoză, cu eliberarea a 673 kcal/mol de energie.

cu toate acestea, organismul nu are nevoie de carbohidrați dietetici pentru energie. Proteinele și grăsimile pot satisface nevoile organismului, iar organismul poate transforma moleculele în carbohidrați necesari pentru energie și alte funcții celulare. Dar carbohidrații necesită o prelucrare minimă pentru utilizare ca energie. De exemplu, o reacție enzimatică simplă transformă zaharoza în zahăr din sânge, care poate fi utilizată direct ca sursă de energie celulară. Trucul pentru celulă este de a converti 673 kcal/mol de energie într-o formă utilă, astfel încât să poată funcționa pentru celulă sau organism. Soarta metabolică a carbohidraților va fi discutată mai târziu în curs.

o a doua funcție efectuată de carbohidrați este structura. De exemplu, celuloza este un polimer liniar de glucoză care interacționează cu alți polimeri de celuloză pentru a forma fibre care interacționează pentru a forma structura de bază a peretelui celular al plantelor. Acești polimeri de celuloză sunt nedigestabili și constituie furaje grosiere.

o a treia funcție a carbohidraților este recunoașterea și semnalizarea celulelor. Acest lucru se întâmplă de obicei cu carbohidrații conjugați cu alte molecule, cum ar fi cele găsite în glicoproteine (carbohidrați legați de proteine) și glicolipide (carbohidrați legați de lipide). Deoarece un număr foarte mare de structuri pot fi făcute din câteva monozaharide (carbohidrați simpli), un număr foarte mare de structuri diferite pot fi făcute și din câțiva carbohidrați simpli, așa cum se va vedea mai târziu. Prin urmare, acest număr mare de structuri diferite poate fi utilizat pentru identificarea tipurilor individuale de celule.

modificările carbohidraților (numite glicozilări) sunt prezente pe membranele lipidice și proteine pentru funcția și recunoașterea specializată. Formațiile unice de carbohidrați permit și mai multă specificitate unei proteine, dincolo de codul aminoacizilor. Membrana exterioară a celulei este punctată cu lanțuri de carbohidrați, care diferă în funcție de tipul de celulă. Aceste glicozilări de carbohidrați oferă o” semnătură ” a celulei și pot acționa și ca semnal. Astfel, glicozilările sunt importante în răspunsul imun și în comunicarea generală celulă-celulă.

proteine

după acizii nucleici, proteinele sunt cele mai importante macromolecule. Din punct de vedere structural, proteinele sunt cele mai complexe macromolecule. O proteină este o moleculă liniară compusă din aminoacizi. Douăzeci de aminoacizi diferiți se găsesc în proteine. Secvența aminoacizilor unei proteine este determinată de secvența bazelor din ADN care codifică sinteza acestei proteine. O singură moleculă de proteină poate fi compusă din sute de aminoacizi. Această secvență de aminoacizi este structura primară a unei proteine. Mărimea, forma și proprietățile reactive ale proteinei depind de numărul, tipul și secvența aminoacizilor. Lanțul de aminoacizi poate rămâne în structura sa liniară primară, dar de multe ori se pliază în sus și în sine pentru a forma o formă. Această structură secundară se formează din interacțiuni localizate (legarea hidrogenului) a lanțurilor laterale de aminoacizi. Acestea includ structurile alfa helix și beta. Helixul alfa este dominant în hemoglobină, ceea ce facilitează transportul oxigenului în sânge. Structurile secundare sunt integrate împreună cu răsuciri și îndoiri într-o proteină tridimensională. Această formă funcțională se numește structura terțiară a proteinei. Un nivel suplimentar de organizare rezultă atunci când mai multe proteine separate se combină pentru a forma un complex proteic—numit structură cuaternară.

proteinele îndeplinesc numeroase funcții esențiale în interiorul celulei. Multe proteine servesc ca enzime, care controlează rata reacțiilor chimice și, prin urmare, reacția celulelor la stimuli externi. O enzimă poate avansa rapid o reacție care ar dura milioane de ani în condiții normale și ar face să se întâmple în doar câteva milisecunde. Enzimele sunt importante în replicarea, transcripția și repararea ADN-ului. Procesele Digestive sunt, de asemenea, în mare măsură facilitate de enzime, care descompun molecule care altfel ar fi prea mari pentru a fi absorbite de intestine. Proteinele enzimatice joacă, de asemenea, un rol în contracțiile musculare.

alte proteine sunt importante în semnalizarea celulară și recunoașterea celulară. Proteinele receptorilor recunosc substanțele ca străine și inițiază un răspuns imun. Prin semnalizarea celulară, proteinele mediază creșterea și diferențierea celulelor în timpul dezvoltării. Mai multe proteine importante oferă suport mecanic celulei, schele care ajută celula să-și mențină forma. Alte proteine cuprind o mare parte din țesutul conjunctiv al corpului și structuri, cum ar fi părul și unghiile.

pentru producția de proteine în celule, organismul are nevoie de aminoacizi, pe care îi ingerăm. Pare puțin ineficient, dar mâncăm proteine, le descompunem în aminoacizi, distribuim aminoacizii în interiorul corpului și apoi construim noi proteine. Celulele noastre pot sintetiza unii aminoacizi din cei similari, dar aminoacizii esențiali trebuie obținuți din dietă, deoarece nu pot fi sintetizați. Deficiențele de proteine din dietă duc la boli de malnutriție, cum ar fi kwashiorkor, care este comună în țările în curs de dezvoltare. În cazurile de kwashiorkor, deficitul de proteine provoacă edem (umflare) ceea ce duce la un abdomen distins. Proteinele sunt în cele din urmă metabolizate în amoniac și uree, care sunt excretate de rinichi. Boala renală poate determina acumularea acestor deșeuri în organism, determinând pe cineva să se îmbolnăvească foarte mult, ducând în cele din urmă la moarte. O dieta saraca in proteine poate ajuta pe cei ale caror rinichi au un nivel scazut de functie.spre deosebire de acizii nucleici, care trebuie să rămână neschimbați în organism pentru viața organismului, proteinele sunt menite să fie tranzitorii—sunt produse, își îndeplinesc funcțiile și apoi sunt reciclate. Proteinele sunt, de asemenea, ușor denaturate (desfășurarea structurilor secundare și terțiare) prin extreme de căldură sau pH. când fierbeți un ou, gălbenușul și albul se rigidizează și își schimbă culoarea. Când gătiți carne, carnea își schimbă culoarea și devine fermă. Aceste modificări apar deoarece proteinele constitutive denaturează, schimbând proprietățile țesuturilor.