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La biologia - o informalmente, la vita stessa - è caratterizzata da eleganti macromolecole che si sono evolute nel corso di centinaia di milioni di anni per svolgere una serie di funzioni critiche. Questi sono spesso classificati in quattro tipi di base: carboidrati (o polisaccaridi), lipidi, proteine e acidi nucleici. Se hai un background nutrizionale, riconoscerai i primi tre di questi come i tre macronutrienti standard (o "macronutrienti", in termini di dieta) elencati sulle etichette delle informazioni nutrizionali. Il quarto riguarda due molecole strettamente correlate che servono come base per la memorizzazione e la traduzione delle informazioni genetiche in tutti gli esseri viventi.
Ognuna di queste quattro macromolecole della vita, o biomolecole, svolge una varietà di compiti; come ci si potrebbe aspettare, i loro diversi ruoli sono squisitamente correlati alle loro varie componenti e disposizioni fisiche.
macromolecole
UN macromolecola è una molecola molto grande, di solito costituita da subunità ripetute chiamate monomeri, che non può essere ridotto a componenti più semplici senza sacrificare l'elemento "building block". Sebbene non esista una definizione standard di quanto deve essere grande una molecola per guadagnare il prefisso "macro", generalmente hanno almeno migliaia di atomi. Quasi certamente avete visto questo tipo di costruzione nel mondo non naturale; ad esempio, molti tipi di carta da parati, sebbene elaborati nel design e fisicamente espansivi nel complesso, sono costituiti da subunità adiacenti che spesso sono meno di un metro quadrato o giù di lì. Ancor più ovviamente, una catena può essere considerata una macromolecola in cui i singoli collegamenti sono i "monomeri".
Un punto importante sulle macromolecole biologiche è che, ad eccezione dei lipidi, le loro unità monomeriche sono polari, il che significa che hanno una carica elettrica che non è distribuita simmetricamente. Schematicamente, hanno "teste" e "code" con proprietà fisiche e chimiche diverse. Poiché i monomeri si uniscono l'uno contro l'altro, anche le macromolecole sono polari.
Inoltre, tutte le biomolecole hanno elevate quantità di carbonio elemento. Potresti aver sentito il tipo di vita sulla Terra (in altre parole, l'unico tipo che conosciamo per certo esiste ovunque) indicato come "vita basata sul carbonio", e con buone ragioni. Ma azoto, ossigeno, idrogeno e fosforo sono indispensabili anche per gli esseri viventi, e una miriade di altri elementi sono nel mix in misura minore.
carboidrati
È quasi certo che quando vedi o ascolti la parola "carboidrati", la prima cosa a cui pensi è "cibo", e forse più specificamente, "qualcosa nel cibo che molte persone intendono sbarazzarsi di". "Lo-carb" e "no-carb" sono diventati entrambi parole d'ordine per la perdita di peso nella prima parte del 21 ° secolo, e il termine "carico di carboidrati" è stato usato nella comunità degli sport di resistenza dagli anni '70. In realtà, i carboidrati sono molto più di una semplice fonte di energia per gli esseri viventi.
Le molecole di carboidrati hanno tutte la formula (CH2O)n, dove n è il numero di atomi di carbonio presenti. Ciò significa che il rapporto C: H: O è 1: 2: 1. Ad esempio, gli zuccheri semplici glucosio, fruttosio e galattosio hanno tutti la formula C6H12O6 (gli atomi di queste tre molecole sono, ovviamente, disposti diversamente).
I carboidrati sono classificati come monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Un monosaccaride è l'unità monomerica dei carboidrati, ma alcuni carboidrati sono costituiti da un solo monomero, come glucosio, fruttosio e galattosio. Di solito, questi monosaccaridi sono più stabili a forma di anello, che è rappresentato schematicamente come un esagono.
I disaccaridi sono zuccheri con due unità monomeriche o una coppia di monosaccaridi. Queste subunità possono essere uguali (come nel maltosio, che consiste di due molecole di glucosio unite) o diverse (come nel saccarosio, o zucchero da tavola, che consiste di una molecola di glucosio e una molecola di fruttosio. I legami tra i monosaccaridi sono chiamati legami glicosidici.
I polisaccaridi contengono tre o più monosaccaridi. Più lunghe sono queste catene, più è probabile che abbiano rami, vale a dire non essere semplicemente una linea di monosaccaridi da un capo all'altro. Esempi di polisaccaridi includono amido, glicogeno, cellulosa e chitina.
L'amido tende a formare un'elica, o forma a spirale; questo è comune nelle biomolecole ad alto peso molecolare in generale. La cellulosa, al contrario, è lineare, costituita da una lunga catena di monomeri del glucosio con legami idrogeno intervallati da atomi di carbonio a intervalli regolari. La cellulosa è un componente delle cellule vegetali e dà loro la loro rigidità. Gli esseri umani non sono in grado di digerire la cellulosa e nella dieta di solito viene definita "fibra". La chitina è un altro carboidrato strutturale, presente nei corpi esterni di artropodi come insetti, ragni e granchi. La chitina è un carboidrato modificato, in quanto "adulterato" con ampi atomi di azoto. Il glicogeno è la forma di conservazione dei carboidrati del corpo; depositi di glicogeno si trovano sia nel fegato che nel tessuto muscolare. Grazie agli adattamenti enzimatici in questi tessuti, gli atleti allenati sono in grado di immagazzinare più glicogeno delle persone sedentarie a causa del loro elevato fabbisogno energetico e delle pratiche nutrizionali.
proteine
Come i carboidrati, le proteine fanno parte del vocabolario quotidiano della maggior parte delle persone a causa della loro funzione di cosiddetto macronutriente. Ma le proteine sono incredibilmente versatili, molto più dei carboidrati. In effetti, senza proteine, non ci sarebbero carboidrati o lipidi perché gli enzimi necessari per sintetizzare (e digerire) queste molecole sono esse stesse proteine.
I monomeri delle proteine sono aminoacidi. Questi includono un gruppo di acido carbossilico (-COOH) e un ammino (-NH2) gruppo. Quando gli aminoacidi si uniscono tra loro, è attraverso un legame idrogeno tra il gruppo dell'acido carbossilico su uno degli aminoacidi e il gruppo amminico dell'altro, con una molecola di acqua (H2O) rilasciato nel processo. Una catena crescente di aminoacidi è un polipeptide e quando è sufficientemente lungo e assume la sua forma tridimensionale, è una proteina a tutti gli effetti. A differenza dei carboidrati, le proteine non mostrano mai rami; sono solo una catena di gruppi carbossilici uniti a gruppi amminici. Poiché questa catena deve avere un inizio e una fine, un'estremità ha un gruppo amminico libero e si chiama N-terminale, mentre l'altra ha un gruppo amminico libero e si chiama C-terminale. Poiché ci sono 20 amminoacidi, che possono essere disposti in qualsiasi ordine, la composizione delle proteine è estremamente varia anche se non si verificano ramificazioni.
Le proteine hanno la cosiddetta struttura primaria, secondaria, terziaria e quarternaria. La struttura primaria si riferisce alla sequenza di aminoacidi nella proteina ed è geneticamente determinata. La struttura secondaria si riferisce alla flessione o attorcigliamento nella catena, di solito in modo ripetitivo. Alcune conformazioni includono un'elica alfa e un foglio pieghettato beta e derivano da deboli legami idrogeno tra catene laterali di diversi aminoacidi. La struttura terziaria è la torsione e l'arricciamento della proteina nello spazio tridimensionale e può coinvolgere legami disolfuro (zolfo-zolfo) e legami idrogeno, tra gli altri. Infine, la struttura quaternaria si riferisce a più di una catena polipeptidica nella stessa macromolecola. Ciò si verifica nel collagene, che consiste in tre catene intrecciate e arrotolate insieme come una corda.
Le proteine possono fungere da enzimi, che catalizzano le reazioni biochimiche nel corpo; come ormoni, come insulina e ormone della crescita; come elementi strutturali; e come componenti della membrana cellulare.
lipidi
I lipidi sono un insieme diversificato di macromolecole, ma condividono tutti il carattere di essere idrofobici; cioè, non si dissolvono in acqua. Questo perché i lipidi sono elettricamente neutri e quindi non polari, mentre l'acqua è una molecola polare. I lipidi includono trigliceridi (grassi e oli), fosfolipidi, carotenoidi, steroidi e cere. Sono coinvolti principalmente nella formazione e stabilità della membrana cellulare, formano porzioni di ormoni e sono usati come combustibile immagazzinato. I grassi, un tipo di lipidi, sono il terzo tipo di macronutriente, con carboidrati e proteine discussi in precedenza. Attraverso l'ossidazione dei loro cosiddetti acidi grassi, forniscono 9 calorie per grammo in contrapposizione alle 4 calorie per grammo fornite da entrambi i carboidrati e i grassi.
I lipidi non sono polimeri, quindi si presentano in una varietà di forme. Come i carboidrati, sono costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. I trigliceridi sono costituiti da tre acidi grassi uniti a una molecola di glicerolo, un alcool a tre atomi di carbonio. Queste catene laterali di acidi grassi sono idrocarburi lunghi e semplici. Queste catene possono avere doppi legami e, se lo fanno, ciò rende l'acido grasso insaturi. Se esiste solo uno di questi doppi legami, l'acido grasso è monoinsaturi. Se ce ne sono due o più, lo è polinsaturi. Questi diversi tipi di acidi grassi hanno diverse implicazioni per la salute di persone diverse a causa dei loro effetti sulle pareti dei vasi sanguigni. I grassi saturi, che non hanno doppi legami, sono solidi a temperatura ambiente e di solito sono grassi animali; questi tendono a causare placche arteriose e possono contribuire alle malattie cardiache. Gli acidi grassi possono essere manipolati chimicamente e i grassi insaturi come gli oli vegetali possono essere saturati in modo che siano solidi e convenienti da usare a temperatura ambiente, come la margarina.
I fosfolipidi, che hanno un lipide idrofobo a un'estremità e un fosfato idrofilo all'altra, sono un componente importante delle membrane cellulari. Queste membrane sono costituite da un doppio strato di fosfolipidi. Le due porzioni lipidiche, essendo idrofobiche, si affacciano all'esterno e all'interno della cellula, mentre le code idrofile del fosfato si incontrano al centro del doppio strato.
Altri lipidi includono gli steroidi, che fungono da ormoni e precursori ormonali (ad es. Colesterolo) e contengono una serie di strutture ad anello distintive; e cere, che includono cera d'api e lanolina.
Acidi nucleici
Gli acidi nucleici comprendono acido desossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA). Questi sono molto simili strutturalmente poiché entrambi sono polimeri in cui si trovano le unità monomeriche nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da un gruppo di zucchero pentoso, un gruppo fosfato e un gruppo base azotato. Sia nel DNA che nell'RNA, queste basi possono essere di quattro tipi; altrimenti, tutti i nucleotidi del DNA sono identici, così come quelli dell'RNA.
DNA e RNA differiscono in tre modi principali. Uno è che nel DNA lo zucchero pentoso è desossiribosio e nell'RNA è ribosio. Questi zuccheri differiscono esattamente per un atomo di ossigeno. La seconda differenza è che il DNA è di solito a doppio filamento, formando la doppia elica scoperta negli anni '50 dal team di Watson e Cricks, ma l'RNA è a singolo filamento. Il terzo è che il DNA contiene le basi azotate adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T), ma l'RNA ha sostituito l'uracile (U) con la timina.
Il DNA immagazzina informazioni ereditarie. Le lunghezze dei nucleotidi si compongono geni, che contengono le informazioni, attraverso le sequenze di basi azotate, per produrre proteine specifiche. Molti geni compongono cromosomi, e la somma totale di un cromosoma di un organismo (l'uomo ha 23 coppie) è sua genoma. Il DNA viene utilizzato nel processo di trascrizione per creare una forma di RNA chiamata messenger RNA (mRNA). Ciò memorizza le informazioni codificate in un modo leggermente diverso e le sposta fuori dal nucleo cellulare in cui si trova il DNA e nel citoplasma cellulare o matrice. Qui, altri tipi di RNA avviano il processo di traduzione, in cui le proteine vengono prodotte e inviate in tutta la cellula.