2.3: Біологічні молекули

Великі молекули, необхідні для життя, які побудовані з більш дрібних органічних молекул, називаються біологічними макромолекулами. Існує чотири основні класи біологічних макромолекул (вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти), і кожен є важливим компонентом клітини і виконує широкий спектр функцій. У поєднанні ці молекули складають більшу частину маси клітини. Біологічні макромолекули є органічними, що означає, що вони містять вуглець (за деякими винятками, як вуглекислий газ). Крім того, вони можуть містити водень, кисень, азот, фосфор, сірку, додаткові незначні елементи.

Вуглець

Часто кажуть, що життя «на основі вуглецю». Це означає, що атоми вуглецю, пов'язані з іншими атомами вуглецю або іншими елементами, утворюють основні компоненти багатьох, якщо не більшості, молекул, знайдених однозначно в живих істотах. Інші елементи відіграють важливу роль у біологічних молекулах, але вуглець, безумовно, кваліфікується як елемент «основи» для молекул живих істот. Саме сполучні властивості атомів вуглецю відповідають за його важливу роль.

Склеювання вуглецю

Вуглець містить чотири електрони в своїй зовнішній оболонці. Тому він може утворювати чотири ковалентних зв'язку з іншими атомами або молекулами. Найпростіша органічна молекула вуглецю - метан (СН₄), в якому чотири атома водню зв'язуються з атомом вуглецю (рис. \(\PageIndex{1}\)).

Малюнок \(\PageIndex{1}\): Вуглець може утворювати чотири ковалентних зв'язку для створення органічної молекули. Найпростіша молекула вуглецю - метан (СН₄), зображений тут.

Однак конструкції, які є більш складними, виготовляються з використанням вуглецю. Будь-який з атомів водню може бути замінений іншим атомом вуглецю, ковалентно пов'язаним з першим атомом вуглецю. Таким способом можуть бути виготовлені довгі і розгалужені ланцюги вуглецевих сполук (рис. \(\PageIndex{2}\)А). Атоми вуглецю можуть зв'язуватися з атомами інших елементів, таких як азот, кисень і фосфор (рис. \(\PageIndex{2}\)b). Молекули також можуть утворювати кільця, які самі можуть зв'язуватися з іншими кільцями ( \(\PageIndex{2}\)рис. Це різноманіття молекулярних форм обумовлює різноманітність функцій біологічних макромолекул і в значній мірі засноване на здатності вуглецю утворювати множинні зв'язки з самим собою та іншими атомами.

Малюнок \(\PageIndex{2}\): Ці приклади показують три молекули (зустрічаються в живих організмах), які містять атоми вуглецю, пов'язані різними способами з іншими атомами вуглецю та атомами інших елементів. (а) Ця молекула стеаринової кислоти має довгий ланцюг атомів вуглецю. (b) Гліцин, компонент білків, містить вуглець, азот, кисень і атоми водню. (c) Глюкоза, цукор, має кільце атомів вуглецю і один атом кисню.

Вуглеводи

Вуглеводи - макромолекули, з якими більшість споживачів дещо знайомі. Щоб схуднути, деякі особи дотримуються «низьковуглеводних» дієт. Спортсмени, навпаки, часто «карбюраторні навантаження» перед важливими змаганнями для того, щоб вони мали достатню енергію, щоб конкурувати на високому рівні. Вуглеводи, по суті, є невід'ємною частиною нашого раціону; зерно, фрукти та овочі є природними джерелами вуглеводів. Вуглеводи забезпечують енергію організму, особливо через глюкозу, простий цукор. Вуглеводи також виконують інші важливі функції у людей, тварин та рослин.

Вуглеводи можна представити формулою (СН₂О)_n, де n- кількість атомів вуглецю в молекулі. Іншими словами, співвідношення вуглецю до водню до кисню становить 1:2: 1 у молекулах вуглеводів. Вуглеводи класифікуються на три підтипи: моносахариди, дисахариди та полісахариди.

Моносахариди (моно- = «один»; сачар- = «солодкий») - прості цукри, найпоширенішим з яких є глюкоза. У моносахаридах кількість атомів вуглецю зазвичай коливається від трьох до шести. Більшість назв моносахаридів закінчуються суфіксом -ose. Залежно від кількості атомів вуглецю в цукрі вони можуть бути відомі як тріози (три атоми вуглецю), пентози (п'ять атомів вуглецю) та гексози (шість атомів вуглецю).

Моносахариди можуть існувати як лінійний ланцюг або як кільцеподібні молекули; у водних розчинів вони зазвичай знаходяться в кільцевій формі.

Хімічна формула глюкози - C₆H₁₂O₆. У більшості живих видів глюкоза є важливим джерелом енергії. Під час клітинного дихання енергія вивільняється з глюкози, і ця енергія використовується, щоб допомогти зробити аденозинтрифосфат (АТФ). Рослини синтезують глюкозу за допомогою вуглекислого газу і води в процесі фотосинтезу, а глюкоза, в свою чергу, використовується для енергетичних потреб рослини. Надлишок синтезованої глюкози часто зберігається у вигляді крохмалю, який розщеплюється іншими організмами, які харчуються рослинами.

Галактоза (частина лактози або молочного цукру) і фруктоза (міститься у фруктах) є іншими поширеними моносахаридами. Хоча глюкоза, галактоза та фруктоза мають однакову хімічну формулу (C_{6H12O 6}), вони відрізняються структурно та хімічно (і відомі як ізомери) через різні розташування атомів у вуглецевому ланцюзі (рис. \(\PageIndex{3}\)).

Малюнок \(\PageIndex{3}\): Глюкоза, галактоза та фруктоза є ізомерними моносахаридами, що означає, що вони мають однакову хімічну формулу, але дещо іншу структуру.

Дисахариди (ді- = «два») утворюються, коли два моносахариди проходять реакцію зневоднення (реакція, при якій відбувається видалення молекули води). Під час цього процесу гідроксильна група (—OH) одного моносахариду з'єднується з атомом водню іншого моносахариду, вивільняючи молекулу води (H₂O) і утворюючи ковалентний зв'язок між атомами в двох молекулах цукру.

Поширені дисахариди включають лактозу, мальтозу та сахарозу. Лактоза являє собою дисахарид, що складається з мономерів глюкози і галактози. Він міститься природним шляхом в молоці. Мальтоза, або солодовий цукор, являє собою дисахарид, утворений в результаті реакції зневоднення між двома молекулами глюкози. Найбільш поширеним дисахаридом є сахароза, або столовий цукор, до складу якого входять мономери глюкози і фруктози.

Довгий ланцюг моносахаридів, пов'язаних ковалентними зв'язками, відомий як полісахарид (полі- = «багато»). Ланцюжок може бути розгалуженою або нерозгалуженою, а також може містити різні типи моносахаридів. Полісахариди можуть бути дуже великими молекулами. Крохмаль, глікоген, целюлоза та хітин є прикладами полісахаридів.

Крохмаль - це збережена форма цукрів у рослині і складається з амілози та амілопектину (обох полімерів глюкози). Рослини здатні синтезувати глюкозу, а надлишок глюкози зберігається у вигляді крохмалю в різних частинах рослин, включаючи коріння і насіння. Крохмаль, який споживається тваринами, розщеплюється на більш дрібні молекули, такі як глюкоза. Потім клітини можуть поглинати глюкозу.

Глікоген - це форма зберігання глюкози у людей та інших хребетних тварин і складається з мономерів глюкози. Глікоген є тваринним еквівалентом крохмалю і являє собою сильно розгалужену молекулу, яка зазвичай зберігається в печінці та м'язових клітинам. Всякий раз, коли рівень глюкози знижується, глікоген розщеплюється з вивільненням глюкози.

Целюлоза є одним з найбільш поширених природних біополімерів. Клітинні стінки рослин здебільшого виготовлені з целюлози, яка забезпечує структурну підтримку клітини. Дерево і папір носять переважно целюлозний характер. Целюлоза складається з мономерів глюкози, які пов'язані зв'язками між певними атомами вуглецю в молекулі глюкози.

Кожен інший мономер глюкози в целюлозі перевертається і щільно упаковується як розширені довгі ланцюги. Це надає целюлозі її жорсткість і високу міцність на розрив, що так важливо для рослинних клітин. Клітковина, що проходить через нашу травну систему, називається харчовими волокнами. Хоча глюкозо-глюкозні зв'язки в целюлозі не можуть бути розщеплені травними ферментами людини, травоїдні тварини, такі як корови, буйволи та коні, здатні перетравлювати траву, багату целюлозою, і використовувати її як джерело їжі. У цих тварин певні види бактерій мешкають в рубці (частина травної системи травоїдних тварин) і виділяють фермент целюлазу. У апендиксі також містяться бактерії, які розщеплюють целюлозу, віддаючи їй важливу роль в травній системі жуйних тварин. Целюлази можуть розщеплювати целюлозу на мономери глюкози, які можуть бути використані твариною як джерело енергії.

Вуглеводи виконують інші функції у різних тварин. Членистоногі, такі як комахи, павуки та краби, мають зовнішній скелет, званий екзоскелетом, який захищає їх внутрішні частини тіла. Цей екзоскелет виготовлений з біологічної макромолекули хітину, який є азотистим вуглеводом. Він виготовлений з повторюваних одиниць модифікованого цукру, що містить азот.

Таким чином, через відмінності в молекулярній структурі, вуглеводи здатні виконувати найрізноманітніші функції накопичення енергії (крохмаль і глікоген) і структурної підтримки і захисту (целюлоза і хітин) (рис. \(\PageIndex{4}\)).

Малюнок \(\PageIndex{4}\): Хоча їх структури і функції відрізняються, все полісахаридні вуглеводи складаються з моносахаридів і мають хімічну формулу (СН₂ О)n .

КАР'ЄРА В ДІЇ: Зареєстрований дієтолог

Ожиріння є світовою проблемою для здоров'я, і багато захворювань, такі як діабет і хвороби серця, стають все більш поширеними через ожиріння. Це одна з причин, чому зареєстровані дієтологи все частіше звертаються за консультацією. Зареєстровані дієтологи допомагають планувати програми харчування та харчування для фізичних осіб у різних умовах. Вони часто працюють з пацієнтами в медичних установах, розробляючи плани харчування для профілактики і лікування захворювань. Наприклад, дієтологи можуть навчити пацієнта з діабетом керувати рівнем цукру в крові, вживаючи правильні типи та кількість вуглеводів. Дієтологи також можуть працювати в будинках престарілих, школах та приватній практиці.

Щоб стати зареєстрованим дієтологом, потрібно заробити принаймні ступінь бакалавра в галузі дієтології, харчування, харчових технологій або суміжної галузі. Крім того, зареєстровані дієтологи повинні заповнити контрольовану програму стажування та скласти національний іспит. Ті, хто продовжує кар'єру в дієтології, проходять курси з харчування, хімії, біохімії, біології, мікробіології та фізіології людини. Дієтологи повинні стати експертами в хімії та функціях їжі (білки, вуглеводи та жири).

Ліпіди

Ліпіди включають різноманітну групу сполук, які об'єднані спільною ознакою. Ліпіди гідрофобні («побоюються води»), або нерозчинні у воді, оскільки є неполярними молекулами. Це тому, що вони є вуглеводнями, які включають лише неполярні вуглець-вуглець або вуглець-водневі зв'язки. Ліпіди виконують безліч різних функцій в клітці. Клітини запасають енергію для тривалого використання у вигляді ліпідів, званих жирами. Ліпіди також забезпечують ізоляцію від навколишнього середовища для рослин і тварин (рис. \(\PageIndex{5}\)). Наприклад, вони допомагають утримувати водних птахів та ссавців сухими через їх водовідштовхувальний характер. Ліпіди також є будівельними блоками багатьох гормонів і є важливою складовою плазматичної мембрани. Ліпіди включають жири, олії, воски, фосфоліпіди та стероїди.

Малюнок \(\PageIndex{5}\): Гідрофобні ліпіди в хутрі водних ссавців, таких як ця річкова видра, захищають їх від стихії. (кредит: Кен Босма)

Молекула жиру, така як тригліцерид, складається з двох основних компонентів - гліцерину і жирних кислот. Гліцерин - це органічна сполука з трьома атомами вуглецю, п'ятьма атомами водню та трьома гідроксильними (—OH) групами. Жирні кислоти мають довгий ланцюжок вуглеводнів, до яких приєднана кисла карбоксильна група, звідси і назва «жирна кислота». Кількість вуглеців у жирній кислоті може коливатися від 4 до 36; найбільш поширеними є ті, що містять 12-18 вуглеців. У молекулі жиру жирна кислота приєднується до кожного з трьох атомів кисню в групах -OH молекули гліцерину з ковалентним зв'язком (рис. \(\PageIndex{6}\)).

Малюнок \(\PageIndex{6}\): Ліпіди включають жири, такі як тригліцериди, які складаються з жирних кислот та гліцерину, фосфоліпідів та стероїдів.

Під час цього утворення ковалентного зв'язку виділяються три молекули води. Три жирні кислоти в жирі можуть бути схожими або несхожими. Ці жири ще називають тригліцеридами, оскільки вони мають три жирні кислоти. Деякі жирні кислоти мають загальні назви, які уточнюють їх походження. Наприклад, пальмітинова кислота, насичена жирна кислота, отримується з пальми. Арахісова кислота походить від арахісової гіпогеї, наукової назви арахісу.

Жирні кислоти можуть бути насиченими або ненасиченими. У ланцюзі жирних кислот, якщо між сусідніми вуглецями в вуглеводневому ланцюзі є лише поодинокі зв'язки, жирна кислота насичується. Насичені жирні кислоти насичені воднем; іншими словами, кількість атомів водню, прикріплених до вуглецевого скелета, максимально збільшується.

Коли вуглеводневий ланцюг містить подвійну зв'язок, жирна кислота є ненасиченою жирною кислотою.

Більшість ненасичених жирів рідкі при кімнатній температурі і називаються маслами. Якщо в молекулі є одна подвійна зв'язок, то вона відома як мононенасичений жир (наприклад, оливкова олія), а якщо є більше одного подвійного зв'язку, то він відомий як поліненасичений жир (наприклад, масло каноли).

Насичені жири, як правило, щільно упаковуються і тверді при кімнатній температурі. Тваринні жири зі стеариновою кислотою і пальмітинової кислотою, що містяться в м'ясі, і жир з масляною кислотою, що міститься в вершковому маслі, є прикладами насичених жирів. Ссавці зберігають жири в спеціалізованих клітинам, званих адипоцитами, де глобули жиру займають більшу частину клітини. У рослині жир або масло зберігається в насінні і використовується як джерело енергії під час ембріонального розвитку.

Ненасичені жири або масла, як правило, рослинного походження і містять ненасичені жирні кислоти. Подвійна зв'язок викликає вигин або «злам», який перешкоджає щільному пакуванню жирних кислот, зберігаючи їх рідкими при кімнатній температурі. Оливкова олія, кукурудзяна олія, рапсове масло та олія печінки тріски - приклади ненасичених жирів. Ненасичені жири допомагають поліпшити рівень холестерину в крові, тоді як насичені жири сприяють утворенню бляшок в артеріях, що збільшує ризик серцевого нападу.

У харчовій промисловості масла штучно гідрогенізують, щоб зробити їх напівтвердими, що призводить до меншої псування і збільшення терміну зберігання. Простіше кажучи, газ водню пузириться через масла, щоб затвердіти їх. Під час цього процесу гідрування подвійні зв'язки цис-конформаціїв вуглеводневому ланцюзі можуть перетворюватися в подвійні зв'язки в транс-конформації. Це утворює транс-жирз цис-жиру. Орієнтація подвійних зв'язків впливає на хімічні властивості жиру (рис. \(\PageIndex{7}\)).

Малюнок \(\PageIndex{7}\): В процесі гідрування орієнтацію навколо подвійних зв'язків змінюють, роблячи транс-жир з цис-жиру. При цьому змінюються хімічні властивості молекули.

Маргарин, деякі види арахісового масла та скорочення є прикладами штучно гідрованих транс-жирів. Недавні дослідження показали, що збільшення транс-жирівв раціоні людини може привести до підвищення рівня ліпопротеїдів низької щільності (ЛПНЩ), або «поганого» холестерину, що, в свою чергу, може привести до відкладення бляшок в артеріях, в результаті чого виникають захворювання серця. Багато ресторанів швидкого харчування нещодавно виключили використання транс-жирів, і американські етикетки продуктів харчування тепер зобов'язані перерахувати їх вміст транс-жиру.

Незамінні жирні кислоти - це жирні кислоти, які необхідні, але не синтезуються організмом людини. Отже, їх необхідно доповнювати за допомогою дієти. Омега-3 жирні кислоти відносяться до цієї категорії і є однією лише з двох відомих незамінних для людини жирних кислот (інша - омега-6 жирні кислоти). Вони є різновидом поліненасичених жирів і називаються омега-3 жирними кислотами, оскільки третій вуглець з кінця жирної кислоти бере участь у подвійному зв'язку.

Лосось, форель і тунець є хорошими джерелами омега-3 жирних кислот. Омега-3 жирні кислоти важливі для роботи мозку і нормального росту і розвитку. Вони також можуть запобігти серцевим захворюванням та зменшити ризик раку.

Як і вуглеводи, жири отримали багато поганого розголосу. Це правда, що вживання надлишку смаженої їжі та іншої «жирної» їжі призводить до набору ваги. Однак жири дійсно виконують важливі функції. Жири служать тривалим запасом енергії. Вони також забезпечують ізоляцію для кузова. Тому «здорові» ненасичені жири в помірних кількостях слід вживати регулярно.

Фосфоліпіди є основною складовою плазматичної мембрани. Як і жири, вони складаються з ланцюгів жирних кислот, прикріплених до гліцерину або подібного хребта. Замість трьох жирних кислот, що додаються, однак, є дві жирні кислоти, а третій вуглець гліцеринового хребта пов'язаний з фосфатною групою. Фосфатну групу модифікують додаванням спирту.

Фосфоліпід має як гідрофобні, так і гідрофільні області. Ланцюги жирних кислот гідрофобні і виключають себе з води, тоді як фосфат гідрофільний і взаємодіє з водою.

Клітини оточені мембраною, яка має двошаровість фосфоліпідів. Жирні кислоти фосфоліпідів стикаються всередині, подалі від води, тоді як фосфатна група може зіткнутися або із зовнішнім середовищем, або внутрішньою частиною клітини, які є водними.

Стероїди та воски

На відміну від обговорюваних раніше фосфоліпідів і жирів, стероїди мають кільцеву структуру. Хоча вони не схожі на інші ліпіди, вони групуються з ними, оскільки вони також гідрофобні. Всі стероїди мають чотири, пов'язані вуглецеві кільця і деякі з них, як холестерин, мають короткий хвіст.

Холестерин є стероїдом. Холестерин в основному синтезується в печінці і є попередником багатьох стероїдних гормонів, таких як тестостерон і естрадіол. Також він є попередником вітамінів Е і К. холестерин є попередником жовчних солей, які допомагають в розщепленні жирів і їх подальшому засвоєнні клітинами. Хоча про холестерин часто говорять в негативному вираженні, він необхідний для правильної роботи організму. Є ключовим компонентом плазматичних мембран клітин тварин.

Воски складаються з вуглеводневого ланцюга зі спиртовою (—OH) групою та жирною кислотою. Приклади восків тварин включають бджолиний віск і ланолін. Рослини також мають воски, такі як покриття на листках, що допомагає запобігти їх висиханню.

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Щоб отримати додатковий погляд на ліпіди, досліджуйте «Біомолекули: ліпіди» за допомогою цієї інтерактивної анімації.

Білки

Білки є однією з найбільш поширених органічних молекул в живих системах і мають найрізноманітніший спектр функцій всіх макромолекул. Білки можуть бути структурними, регуляторними, скорочувальними або захисними; вони можуть служити в транспорті, зберіганні або мембранах; або вони можуть бути токсинами або ферментами. Кожна клітина живої системи може містити тисячі різних білків, кожен з яких має унікальну функцію. Їх структури, як і їх функції, сильно розрізняються. Всі вони є, однак, полімерами амінокислот, розташованих в лінійній послідовності.

Функції білків дуже різноманітні, оскільки існує 20 різних хімічно різних амінокислот, які утворюють довгі ланцюги, і амінокислоти можуть бути в будь-якому порядку. Наприклад, білки можуть функціонувати як ферменти або гормони. Ферменти, які виробляються живими клітинами, є каталізаторами біохімічних реакцій (як травлення) і зазвичай є білками. Кожен фермент специфічний для субстрату (реагенту, який зв'язується з ферментом), на який він діє. Ферменти можуть функціонувати для розриву молекулярних зв'язків, перестановки зв'язків або утворення нових зв'язків. Прикладом ферменту є слинна амілаза, яка розщеплює амілозу - компонент крохмалю.

Гормони є хімічні сигнальні молекули, зазвичай білки або стероїди, секретується ендокринної залози або групи ендокринних клітин, які діють для контролю або регулювання конкретних фізіологічних процесів, у тому числі зростання, розвиток, обмін речовин, і розмноження. Наприклад, інсулін - це білковий гормон, який підтримує рівень глюкози в крові.

Білки мають різну форму та молекулярну вагу; деякі білки мають кулясту форму, тоді як інші - волокнисту природу. Наприклад, гемоглобін - це кулястий білок, а ось колаген, що міститься в нашій шкірі, є волокнистим білком. Форма білка має вирішальне значення для його функції. Зміни температури, рН та вплив хімічних речовин можуть призвести до постійних змін форми білка, що призведе до втрати функції або денатурації (про це буде більш детально сказано пізніше). Всі білки складаються з різних механізмів тих же 20 видів амінокислот.

Амінокислоти - це мономери, що входять до складу білків. Кожна амінокислота має однакову фундаментальну структуру, яка складається з центрального атома вуглецю, пов'язаного з аміногрупою (—NH₂), карбоксильною групою (—COOH) та атомом водню. Кожна амінокислота також має інший змінний атом або групу атомів, пов'язаних з центральним атомом вуглецю, відомим як група R. R група є єдиною відмінністю в структурі між 20 амінокислот; в іншому випадку, амінокислоти ідентичні (рис \(\PageIndex{8}\)).

Малюнок \(\PageIndex{8}\): Амінокислоти складаються з центрального вуглецю, пов'язаного з аміногрупою (—NH₂ ), карбоксильної групи (—COOH) та атома водню. Четверта зв'язок центрального вуглецю варіюється між різними амінокислотами, як це видно з цих прикладів аланіну, валіну, лізину та аспарагінової кислоти.

Хімічна природа групи R визначає хімічну природу амінокислоти всередині її білка (тобто, чи є вона кислою, основною, полярною або неполярною).

Послідовність і кількість амінокислот в кінцевому рахунку визначають білок 's форму, розмір, і функції. Кожна амінокислота приєднується до іншої амінокислоти ковалентним зв'язком, відомим як пептидний зв'язок, яка утворюється реакцією зневоднення. Карбоксильна група однієї амінокислоти і аміногрупа другої амінокислоти об'єднуються, вивільняючи молекулу води. Отримана зв'язок є пептидним зв'язком.

Продукти, утворені таким зв'язком, називаються поліпептидами. Хоча терміни поліпептид і білок іноді використовуються як взаємозамінні, поліпептид технічно полімер амінокислот, тоді як термін білок використовується для поліпептиду або поліпептидів, які об'єдналися разом, мають чітку форму і мають унікальну функцію.

ЕВОЛЮЦІЯ В ДІЇ: Еволюційне значення цитохрому c

Цитохром с є важливим компонентом молекулярної техніки, яка збирає енергію з глюкози. Оскільки роль цього білка у виробництві клітинної енергії має вирішальне значення, він змінився дуже мало за мільйони років. Секвенування білка показало, що існує значна кількість подібності послідовностей між молекулами цитохрому c різних видів; еволюційні зв'язки можна оцінити шляхом вимірювання подібності або відмінності між білковими послідовностями різних видів.

Наприклад, вчені визначили, що цитохром людини c містить 104 амінокислоти. Для кожної молекули цитохрому c, яка була секвенована на сьогоднішній день від різних організмів, 37 з цих амінокислот виявляються в однаковому положенні в кожному цитохромі c Це вказує на те, що всі ці організми походять від загального предка. При порівнянні послідовностей білка людини і шимпанзе не виявлено різниці послідовностей. Коли порівнювали послідовності людських і резус-мавп, одна різниця була виявлена в одній амінокислоті. Навпаки, порівняння від людини до дріжджів показують різницю в 44 амінокислотах, що свідчить про те, що люди та шимпанзе мають більш пізнього спільного предка, ніж люди та мавпа резус, або люди та дріжджі.

Структура білка

Як вже говорилося раніше, форма білка має вирішальне значення для його функції. Щоб зрозуміти, як білок отримує свою остаточну форму або конформацію, нам потрібно зрозуміти чотири рівні білкової структури: первинний, вторинний, третинний і четвертинний (рис. \(\PageIndex{9}\)).

Унікальна послідовність і кількість амінокислот поліпептидного ланцюга є його первинною структурою. Унікальна послідовність для кожного білка в кінцевому підсумку визначається геном, який кодує білок. Будь-яка зміна послідовності генів може призвести до того, що до поліпептидного ланцюга додається інша амінокислота, що спричиняє зміну структури та функції білка. При серповидно-клітинної анемії ланцюг гемоглобіну β має єдину амінокислотну заміну, викликаючи зміну як структури, так і функції білка. Найцікавіше врахувати, що молекула гемоглобіну складається з двох альфа-ланцюгів та двох бета-ланцюгів, кожна з яких складається приблизно з 150 амінокислот. Молекула, таким чином, має близько 600 амінокислот. Структурна різниця між нормальною молекулою гемоглобіну та молекулою серповидних клітин - що різко зменшує тривалість життя у постраждалих людей - є однією амінокислотою з 600.

Через цю зміну однієї амінокислоти в ланцюзі, нормально двоопуклі, або дископодібні, еритроцити приймають форму півмісяця або «серпа», яка закупорює артерії. Це може призвести до безлічі серйозних проблем зі здоров'ям, таких як задишка, запаморочення, головний біль та біль у животі для тих, хто має це захворювання.

Схеми згортання, що виникають в результаті взаємодії між не-R груповими порціями амінокислот, породжують вторинну структуру білка. Найбільш поширеними є альфа (α) -спіраль і бета (β) -плісировані структури листа. Обидві структури утримуються у формі водневими зв'язками. У альфа-спіралі зв'язки утворюються між кожною четвертою амінокислотою і викликають поворот у ланцюжку амінокислот.

У β-плісированому аркуші «складки» утворюються водневим зв'язком між атомами на хребті поліпептидного ланцюга. R групи прикріплюються до вуглецю, і простягаються вище і нижче складки складки. Плісировані сегменти вирівнюються паралельно один одному, і водневі зв'язки утворюються між однаковими парами атомів на кожній з вирівняних амінокислот. α-спіраль і β-плісировані листові структури знаходяться в багатьох кулястих і волокнистих білках.

Унікальна тривимірна структура поліпептиду відома як його третинна структура. Ця структура викликана хімічними взаємодіями між різними амінокислотами і областями поліпептиду. Перш за все, взаємодії між R групами створюють складну тривимірну третинну структуру білка. Там можуть бути іонні зв'язки, утворені між R групами на різних амінокислотах, або водневий зв'язок поза тим, що бере участь у вторинній структурі. Коли відбувається згортання білка, гідрофобні R групи неполярних амінокислот лежать у внутрішній частині білка, тоді як гідрофільні R групи лежать зовні. Колишні типи взаємодій також відомі як гідрофобні взаємодії.

У природі деякі білки утворюються з декількох поліпептидів, також відомих як субодиниці, і взаємодія цих субодиниць утворює четвертинну структуру. Слабкі взаємодії між підрозділами допомагають стабілізувати загальну структуру. Наприклад, гемоглобін - це поєднання чотирьох поліпептидних субодиниць.

Малюнок \(\PageIndex{9}\): Чотири рівні білкової структури можна спостерігати на цих ілюстраціях. (кредит: модифікація роботи Національного науково-дослідного інституту геному людини)

Кожен білок має свою унікальну послідовність і форму, скріплені хімічними взаємодіями. Якщо білок зазнає змін температури, рН або впливу хімічних речовин, структура білка може змінитися, втрачаючи свою форму в тому, що називається денатурацією, як обговорювалося раніше. Денатурація часто оборотна, оскільки первинна структура зберігається, якщо денатуруючий агент видаляється, що дозволяє білку відновити свою функцію. Іноді денатурація незворотна, що призводить до втрати функції. Один із прикладів денатурації білка можна побачити, коли яйце смажать або варять. Білок альбуміну в рідкому яєчному білку денатурується при розміщенні в гарячій каструлі, змінюючись від прозорого речовини до непрозорого білого речовини. Не всі білки денатуруються при високих температурах; наприклад, бактерії, які виживають у гарячих джерелах, мають білки, пристосовані до функціонування при цих температурах.

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Щоб отримати додатковий погляд на білки, досліджуйте «Біомолекули: білки» за допомогою цієї інтерактивної анімації.

Нуклеїнові кислоти

Нуклеїнові кислоти є ключовими макромолекулами в безперервності життя. Вони несуть генетичний план клітини і несуть вказівки щодо функціонування клітини.

Два основних типи нуклеїнових кислот - дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) та рибонуклеїнова кислота (РНК). ДНК - це генетичний матеріал, який міститься у всіх живих організмах, починаючи від одноклітинних бактерій і закінчуючи багатоклітинними ссавцями.

Інший тип нуклеїнової кислоти, РНК, в основному бере участь у синтезі білка. Молекули ДНК ніколи не залишають ядра, а замість цього використовують РНК-посередник для зв'язку з рештою клітини. Інші типи РНК також беруть участь в синтезі білка і його регуляції.

ДНК і РНК складаються з мономерів, відомих як нуклеотиди. Нуклеотиди з'єднуються між собою, утворюючи полінуклеотид, ДНК або РНК. Кожен нуклеотид складається з трьох компонентів: азотистої основи, пентозного (п'ятиуглецевого) цукру і фосфатної групи (рис. \(\PageIndex{10}\)). Кожна азотиста основа в нуклеотиді приєднана до молекули цукру, яка приєднується до фосфатної групи.

Малюнок \(\PageIndex{10}\): Нуклеотид складається з трьох компонентів: азотистої основи, пентозного цукру і фосфатної групи.

Двічі спіральна структура ДНК

ДНК має двухгвинтовую структуру (рис. \(\PageIndex{11}\)). Він складається з двох ниток, або полімерів, нуклеотидів. Пасма утворені зв'язками між фосфатними і цукровими групами сусідніх нуклеотидів. Пасма скріплюються один з одним у своїх підстав водневими зв'язками, а пасма намотуються один про одного по своїй довжині, звідси і опис «подвійної спіралі», що означає подвійну спіраль.

Малюнок \(\PageIndex{11}\): Модель подвійної спіралі показує ДНК у вигляді двох паралельних ниток переплітаються молекул. (Кредит: Джером Уокер, Денніс Миц)

Чергуються цукрові та фосфатні групи лежать на зовнішній стороні кожної нитки, утворюючи кістяк ДНК. Азотисті основи укладаються у внутрішній частині, як ступені сходів, і ці основи паруються; пари пов'язані один з одним водневими зв'язками. Підстави з'єднуються таким чином, щоб відстань між магістралями двох ниток було однаковим по всій молекулі.

Резюме

Живі істоти на основі вуглецю, оскільки вуглець відіграє таку помітну роль у хімії живих істот. Чотири ковалентні положення зв'язку атома вуглецю можуть спричинити широке розмаїття сполук з багатьма функціями, що враховують важливість вуглецю в живих істотах. Вуглеводи - це група макромолекул, які є життєво важливим джерелом енергії для клітини, забезпечують структурну підтримку багатьох організмів і можуть бути знайдені на поверхні клітини як рецептори або для розпізнавання клітин. Вуглеводи класифікуються як моносахариди, дисахариди і полісахариди в залежності від кількості мономерів в молекулі.

Ліпіди - клас макромолекул, які мають неполярну і гідрофобну природу. Основні типи включають жири та олії, воски, фосфоліпіди та стероїди. Жири та олії є запасеною формою енергії і можуть включати тригліцериди. Жири та олії зазвичай складаються з жирних кислот та гліцерину.

Білки - це клас макромолекул, здатних виконувати різноманітний спектр функцій для клітини. Вони допомагають у метаболізмі, надаючи структурну підтримку та діючи як ферменти, носії або як гормони. Будівельними блоками білків є амінокислоти. Білки організовані на чотирьох рівнях: первинному, вторинному, третинному та четвертинному. Форма і функція білка нерозривно пов'язані; будь-яка зміна форми, спричинена зміною температури, рН або хімічним впливом, може призвести до денатурації білка та втрати функції.

Нуклеїнові кислоти - це молекули, що складаються з повторюваних одиниць нуклеотидів, які спрямовують клітинну діяльність, таку як поділ клітин та синтез білка. Кожен нуклеотид складається з пентозного цукру, азотистої основи та фосфатної групи. Існує два типи нуклеїнових кислот: ДНК і РНК.

Глосарій

амінокислоти

мономер білка

вуглевод

біологічна макромолекула, в якій співвідношення вуглецю до водню до кисню становить 1:2:1; вуглеводи служать джерелами енергії та структурною підтримкою клітин

целюлоза

полісахарид, який складає клітинні стінки рослин і забезпечує структурну підтримку клітини

хітин

тип вуглеводів, який формує зовнішній скелет членистоногих, таких як комах і ракоподібних і клітинних стінок грибів

денатурація

втрата форми в білку в результаті зміни температури, рН або впливу хімічних речовин

дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)

дволанцюговий полімер нуклеотидів, який несе спадкову інформацію клітини

дисахарид

два мономери цукру, які пов'язані між собою пептидним зв'язком

фермент

каталізатор в біохімічної реакції, яка зазвичай є складним або кон'югованих білка

жир

молекула ліпідів, що складається з трьох жирних кислот і гліцерину (тригліцеридів), який зазвичай існує в твердій формі при кімнатній температурі

глікогену

зберігання вуглеводів у тварин

гормон

молекули хімічної сигналізації, як правило, білка або стероїдів, секретується ендокринної залози або групи ендокринних клітин; діє для контролю або регулювання конкретних фізіологічних процесів

ліпіди

клас макромолекул, які неполярних і нерозчинні у воді

макромолекули

велика молекула, часто формується полімеризації менших мономерів

моносахарид

одна одиниця або мономер вуглеводів

нуклеїнова кислота

біологічні макромолекули, яка несе генетичну інформацію клітини і несе інструкції для функціонування клітини

нуклеотид

мономер нуклеїнових кислот; містить пентозний цукор, фосфатну групу і азотисту основу

масло

ненасичених жирів, які є рідиною при кімнатній температурі

фосфоліпідний

основна складова мембран клітин; складається з двох жирних кислот та фосфатної групи, приєднаної до основи гліцерину

поліпептид

довгий ланцюг амінокислот, пов'язаних пептидних зв'язків

полісахарид

довгий ланцюжок моносахаридів; може бути розгалуженим або нерозгалуженим

білок

біологічні макромолекули, що складається з одного або декількох ланцюгів амінокислот

рибонуклеїнова кислота (РНК)

одноланцюговий полімер нуклеотидів, який бере участь у синтезі білка

насичені жирні кислоти

довголанцюгових вуглеводнів з одного ковалентних зв'язків у вуглецевого ланцюга; кількість атомів водню, прикріплені до скелета вуглецю максимізується

крохмаль

зберігання вуглеводів в рослині

стероїд

тип ліпідів, що складається з чотирьох плавлених вуглеводневих кільця

транс-жир

форма ненасичені жиру з атомами водню сусідні подвійний зв'язок поперек один від одного, а не на тій же стороні подвійний зв'язок

тригліцеридів

молекула жиру; складається з трьох жирних кислот, пов'язаних з молекулою гліцерину

ненасичені жирні кислоти

довголанцюгових вуглеводнів, який має один або більше одного подвійних зв'язків у вуглеводневих ланцюга

Дописувачі та атрибуції

• Template:ContribOpenStaxConcepts