Inhoud
Biologie - of informeel, het leven zelf - wordt gekenmerkt door elegante macromoleculen die zich in de loop van honderden miljoenen jaren hebben ontwikkeld om een reeks kritische functies te vervullen. Deze worden vaak onderverdeeld in vier basistypen: koolhydraten (of polysacchariden), lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. Als u een achtergrond in voeding hebt, zult u de eerste drie hiervan herkennen als de drie standaard macronutriënten (of 'macro's' in het voedingspatroon) die op voedingswaarde-etiketten worden vermeld. De vierde heeft betrekking op twee nauw verwante moleculen die als basis dienen voor de opslag en vertaling van genetische informatie in alle levende wezens.
Elk van deze vier macromoleculen van het leven, of biomoleculen, vervult een verscheidenheid aan taken; zoals je zou verwachten, zijn hun verschillende rollen prachtig gerelateerd aan hun verschillende fysieke componenten en arrangementen.
macromoleculen
EEN macromolecuul is een zeer groot molecuul, meestal bestaande uit herhaalde subeenheden genoemd monomeren, die niet kan worden herleid tot eenvoudiger componenten zonder het element "bouwsteen" op te offeren. Hoewel er geen standaarddefinitie is van hoe groot een molecuul moet zijn om het "macro" -voorvoegsel te verdienen, hebben ze over het algemeen minimaal duizenden atomen. Je hebt dit soort constructie vrijwel zeker gezien in de niet-natuurlijke wereld; bijvoorbeeld, veel soorten behang, hoewel uitgebreid in ontwerp en fysiek uitgebreid in het algemeen, bestaan uit aangrenzende subeenheden die vaak minder dan een vierkante voet of zo groot zijn. Nog duidelijker kan een keten worden beschouwd als een macromolecuul waarin de afzonderlijke schakels de "monomeren" zijn.
Een belangrijk punt met betrekking tot biologische macromoleculen is dat, met uitzondering van lipiden, hun monomeereenheden polair zijn, wat betekent dat ze een elektrische lading hebben die niet symmetrisch wordt verdeeld. Schematisch hebben ze "koppen" en "staarten" met verschillende fysische en chemische eigenschappen. Omdat de monomeren van kop tot staart met elkaar samenkomen, zijn macromoleculen zelf ook polair.
Ook hebben alle biomoleculen grote hoeveelheden van het element koolstof. Je hebt misschien het soort leven op aarde gehoord (met andere woorden, het enige soort dat we zeker weten dat er ergens bestaat) dat 'op koolstof gebaseerd leven' wordt genoemd, en met goede reden. Maar stikstof, zuurstof, waterstof en fosfor zijn ook onmisbaar voor levende wezens, en een groot aantal andere elementen zitten in mindere mate in de mix.
koolhydraten
Het is bijna zeker dat als je het woord 'koolhydraat' ziet of hoort, het eerste waar je aan denkt 'eten' is, en misschien meer specifiek: 'iets in voedsel dat veel mensen willen doen'. "Lo-carb" en "no-carb" werden beide modewoorden voor gewichtsverlies in het begin van de 21e eeuw, en de term "carbo-laden" bestaat al sinds de jaren 1970 in de gemeenschap van duursporten. Maar in feite zijn koolhydraten veel meer dan alleen een energiebron voor levende wezens.
Koolhydraatmoleculen hebben allemaal de formule (CH2O)n, waarbij n het aantal aanwezige koolstofatomen is. Dit betekent dat de C: H: O-verhouding 1: 2: 1 is. De eenvoudige suikers glucose, fructose en galactose hebben bijvoorbeeld allemaal de formule C6H12O6 (de atomen van deze drie moleculen zijn natuurlijk anders gerangschikt).
Koolhydraten worden geclassificeerd als monosachariden, disachariden en polysachariden. Een monosacharide is de monomeereenheid van koolhydraten, maar sommige koolhydraten bestaan uit slechts één monomeer, zoals glucose, fructose en galactose. Gewoonlijk zijn deze monosachariden het meest stabiel in een ringvorm, die schematisch wordt weergegeven als een zeshoek.
Disacchariden zijn suikers met twee monomere eenheden, of een paar monosacchariden. Deze subeenheden kunnen hetzelfde zijn (zoals in maltose, dat bestaat uit twee samengevoegde glucosemoleculen) of verschillend (zoals in sucrose of tafelsuiker, dat bestaat uit één glucosemolecuul en één fructosemolecuul. Bindingen tussen monosacchariden worden glycosidebindingen genoemd.
Polysachariden bevatten drie of meer monosachariden. Hoe langer deze ketens zijn, hoe groter de kans dat ze vertakkingen hebben, dat wil zeggen niet alleen maar een lijn van monosacchariden van begin tot eind zijn. Voorbeelden van polysachariden omvatten zetmeel, glycogeen, cellulose en chitine.
Zetmeel heeft de neiging om zich in een spiraal of spiraalvorm te vormen; dit is gebruikelijk in biomoleculen met een hoog molecuulgewicht in het algemeen. Cellulose is daarentegen lineair, bestaande uit een lange keten van glucosemonomeren met waterstofbindingen die regelmatig tussen koolstofatomen worden afgewisseld. Cellulose is een component van plantencellen en geeft ze hun stijfheid. Mensen kunnen cellulose niet verteren, en in het dieet wordt het meestal "vezel" genoemd. Chitine is een ander structureel koolhydraat, gevonden in de buitenste lichamen van geleedpotigen zoals insecten, spinnen en krabben. Chitine is een gemodificeerd koolhydraat, omdat het wordt "vervalst" met ruime stikstofatomen. Glycogeen is de lichaamsopslagvorm van koolhydraten; afzettingen van glycogeen worden gevonden in zowel lever- als spierweefsel. Dankzij enzymaanpassingen in deze weefsels kunnen getrainde atleten meer glycogeen opslaan dan sedentaire mensen als gevolg van hun hoge energiebehoeften en voedingsgewoonten.
eiwitten
Net als koolhydraten maken eiwitten deel uit van de dagelijkse woordenschat van de meeste mensen vanwege hun functie als een zogenaamde macronutriënt. Maar eiwitten zijn ongelooflijk veelzijdig, veel meer dan koolhydraten. In feite zouden er zonder eiwitten geen koolhydraten of lipiden zijn omdat de enzymen die nodig zijn om deze moleculen te synthetiseren (en te verteren) zelf eiwitten zijn.
De monomeren van eiwitten zijn aminozuren. Deze omvatten een carbonzuur (-COOH) -groep en een amino (-NH)2) groep. Wanneer aminozuren met elkaar samenkomen, is dit via een waterstofbinding tussen de carbonzuurgroep op een van de aminozuren en de aminogroep van de andere, met een molecuul water (H2O) vrijgegeven tijdens het proces. Een groeiende keten van aminozuren is een polypeptide en wanneer het voldoende lang is en zijn driedimensionale vorm aanneemt, is het een volwaardig eiwit. In tegenstelling tot koolhydraten vertonen eiwitten nooit takken; ze zijn slechts een keten van carboxylgroepen verbonden met aminogroepen. Omdat deze keten een begin en een einde moet hebben, heeft het ene uiteinde een vrije aminogroep en wordt het de N-terminus genoemd, terwijl het andere een vrije aminogroep heeft en de C-terminus wordt genoemd. Omdat er 20 aminozuren zijn, en deze in elke volgorde kunnen worden gerangschikt, is de samenstelling van eiwitten extreem gevarieerd, hoewel er geen vertakking optreedt.
Eiwitten hebben een zogenaamde primaire, secundaire, tertiaire en quarternaire structuur. Primaire structuur verwijst naar de volgorde van aminozuren in het eiwit en deze is genetisch bepaald. Secundaire structuur verwijst naar buigen of knikken in de ketting, meestal op een repetitieve manier. Sommige conformaties omvatten een alfa-helix en een bèta-geplooide plaat en zijn het gevolg van zwakke waterstofbruggen tussen zijketens van verschillende aminozuren. Tertiaire structuur is het draaien en krullen van het eiwit in een driedimensionale ruimte en kan onder andere disulfidebindingen (zwavel tot zwavel) en waterstofbruggen omvatten. Ten slotte verwijst quaternaire structuur naar meer dan één polypeptideketen in hetzelfde macromolecuul. Dit gebeurt in collageen, dat bestaat uit drie kettingen die als een touw zijn samengedraaid en opgerold.
Eiwitten kunnen dienen als enzymen, die biochemische reacties in het lichaam katalyseren; als hormonen, zoals insuline en groeihormoon; als structurele elementen; en als celmembraancomponenten.
Lipids
Lipiden zijn een diverse verzameling macromoleculen, maar ze delen allemaal de eigenschap hydrofoob te zijn; dat wil zeggen, ze lossen niet op in water. Dit komt omdat lipiden elektrisch neutraal zijn en daarom niet-polair, terwijl water een polair molecuul is. Lipiden omvatten triglyceriden (vetten en oliën), fosfolipiden, carotenoïden, steroïden en wassen. Ze zijn vooral betrokken bij de vorming en stabiliteit van celmembranen, vormen porties van hormonen en worden gebruikt als opgeslagen brandstof. Vetten, een type lipide, zijn het derde type macronutriënt, waarbij koolhydraten en eiwitten eerder zijn besproken. Via oxidatie van hun zogenaamde vetzuren leveren ze 9 calorieën per gram in tegenstelling tot de 4 calorieën per gram geleverd door zowel koolhydraten als vetten.
Lipiden zijn geen polymeren, dus ze komen in verschillende vormen voor. Net als koolhydraten bestaan ze uit koolstof, waterstof en zuurstof. Triglyceriden bestaan uit drie vetzuren die zijn verbonden met een molecuul glycerol, een alcohol met drie koolstofatomen. Deze vetzuurzijketens zijn lange, eenvoudige koolwaterstoffen. Deze ketens kunnen dubbele bindingen hebben, en als ze dat doen, maakt dat het vetzuur onverzadigde. Als er maar zo'n dubbele binding is, is het vetzuur dat wel enkelvoudig onverzadigde. Als er twee of meer zijn, is dat zo meervoudig onverzadigde. Deze verschillende soorten vetzuren hebben verschillende gezondheidsimplicaties voor verschillende mensen vanwege hun effecten op de wanden van bloedvaten. Verzadigde vetten, die geen dubbele bindingen hebben, zijn vast bij kamertemperatuur en zijn meestal dierlijke vetten; deze veroorzaken meestal arteriële plaques en kunnen bijdragen aan hartaandoeningen. Vetzuren kunnen chemisch worden gemanipuleerd, en onverzadigde vetten zoals plantaardige oliën kunnen verzadigd worden gemaakt zodat ze vast zijn en gemakkelijk te gebruiken bij kamertemperatuur, zoals margarine.
Fosfolipiden, die aan het ene uiteinde een hydrofoob lipide hebben en aan het andere uiteinde een hydrofiel fosfaat, zijn een belangrijke component van celmembranen. Deze membranen bestaan uit een fosfolipide dubbellaag. De twee lipidedelen, die hydrofoob zijn, zijn naar de buitenzijde en binnenzijde van de cel gericht, terwijl de hydrofiele staarten van fosfaat elkaar ontmoeten in het midden van de dubbellaag.
Andere lipiden omvatten steroïden, die dienen als hormonen en hormoonvoorlopers (bijvoorbeeld cholesterol) en een reeks onderscheidende ringstructuren bevatten; en wassen, waaronder bijenwas en lanoline.
Nucleïnezuren
Nucleïnezuren omvatten desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). Deze zijn structureel zeer gelijkaardig, aangezien beide polymeren zijn waarin de monomere eenheden zijn nucleotiden. Nucleotiden bestaan uit een pentosesuikergroep, een fosfaatgroep en een stikstofbase. In zowel DNA als RNA kunnen deze basen een van de vier typen zijn; anders zijn alle nucleotiden van DNA identiek, evenals die van RNA.
DNA en RNA verschillen op drie manieren. De ene is dat in DNA de pentosesuiker deoxyribose is en in RNA ribose. Deze suikers verschillen met precies één zuurstofatoom. Het tweede verschil is dat DNA meestal dubbelstrengig is en de dubbele helix vormt die in de jaren 1950 door het Watson and Cricks-team is ontdekt, maar RNA is enkelstrengig. De derde is dat DNA de stikstofbasen adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T) bevat, maar RNA heeft uracil (U) gesubstitueerd voor thymine.
DNA slaat erfelijke informatie op. Lengtes nucleotiden vormen samen genen, die via de stikstofbase sequenties de informatie bevatten om specifieke eiwitten te produceren. Veel genen vormen samen chromosomen, en de som van de chromosomen van een organisme (mensen hebben 23 paren) is het genoom. DNA wordt gebruikt in het transcriptieproces om een vorm van RNA te maken die messenger RNA (mRNA) wordt genoemd. Dit slaat de gecodeerde informatie op een iets andere manier op en verplaatst deze uit de celkern waar het DNA zich bevindt en in het celcytoplasma of matrix. Hier initiëren andere soorten RNA het vertaalproces, waarbij eiwitten worden gemaakt en over de hele cel worden verzonden.