תוֹכֶן
הביולוגיה - או באופן לא פורמלי, החיים עצמם - מאופיינים במקרומולקולות אלגנטיות שהתפתחו במשך מאות מיליוני שנים כדי לשרת מגוון של פונקציות קריטיות. אלה מסווגים לרוב לארבעה סוגים בסיסיים: פחמימות (או פוליסכרידים), ליפידים, חלבונים וחומצות גרעין. אם יש לך רקע בתחום התזונה, תזהה את שלושת הראשונים שבהם כשלושת התזונה המקובלת (או "מקרואים", בסביבת דיאטה) המופיעים בתוויות מידע תזונתי. הרביעית נוגעת לשתי מולקולות קשורות הדומות המשמשות בסיס לאחסון ותרגום של מידע גנטי בכל היצורים החיים.
כל אחד מארבעת המקרו-מולקולות של החיים, או הבי-מולקולות, מבצע מגוון תפקידים; כפי שניתן היה לצפות, התפקידים השונים שלהם קשורים להפליא למרכיבים והסדרים הגופניים השונים שלהם.
Macromolecules
א מקרומולקולה היא מולקולה גדולה מאוד, המורכבת בדרך כלל מיחידות משנה חוזרות הנקראות מונומרים, שלא ניתן להפחית למרכיבים פשוטים יותר מבלי להקריב את היסוד "אבן הבניין". אמנם אין הגדרה סטנדרטית לכמה גדולה צריכה להיות מולקולה כדי להרוויח את הקידומת "המאקרו", אך לרוב יש להם, לפחות, אלפי אטומים. כמעט בוודאות ראית בנייה מסוג זה בעולם הלא טבעי; לדוגמה, סוגים רבים של טפטים, מורכבים מעיצוב יחיד ומורחבים באופן פיזי בכללותם, מורכבים מיחידות משנה צמודות שלעתים קרובות פחות ממטר רבוע בערך. יתרה מכך, ניתן לראות בשרשרת כמקל-מולקולה בה הקישורים האישיים הם "מונומרים".
נקודה חשובה באשר למקרומולקולות ביולוגיות היא שמלבד ליפידים יחידות המונומרים שלהם קוטביות, כלומר יש להן מטען חשמלי שלא מופץ בצורה סימטרית. באופן סכמטי, יש להם "ראשים" ו"זנבות "בעלי תכונות פיזיקליות וכימיות שונות. מכיוון שהמונומרים מצטרפים זה לזה לזו, מקרומולקולות עצמן גם הן קוטביות.
כמו כן, לכל ביומולקולות כמויות גבוהות של היסוד פחמן. יתכן ששמעת את סוג החיים על כדור הארץ (במילים אחרות, הסוג היחיד שאנחנו מכירים בוודאות שקיים בכל מקום) המכונים "חיים מבוססי פחמן", ובסיבה טובה. אך גם חנקן, חמצן, מימן וזרחן הם הכרחיים גם לחיים, ושלל אלמנטים אחרים נמצאים בתערובת בדרגות פחותות.
פחמימות
זה כמעט ודאות שכאשר אתה רואה או שומע את המילה "פחמימות", הדבר הראשון שאתה חושב עליו הוא "אוכל", ואולי ליתר דיוק, "משהו באוכל שהרבה אנשים מתכוונים להיפטר ממנו." "Lo-carb" ו- "no-carb" הפכו שניהם למילות מפתח לירידה במשקל בראשית המאה ה -21, והמונח "טעינת פחמימות" קיים סביב קהילת ספורט הסיבולת מאז שנות השבעים. אך למעשה, פחמימות הן הרבה יותר מסתם מקור אנרגיה לדברים חיים.
מולקולות פחמימות לכולם יש את הנוסחה (CH2O)n, כאשר n הוא מספר אטומי הפחמן הקיימים. משמעות הדבר היא שיחס C: H: O הוא 1: 2: 1. לדוגמא, לסוכרים הפשוטים גלוקוז, פרוקטוז וגלקטוז כולם יש את הנוסחה C6ח12O6 (האטומים של שלוש המולקולות הללו מסודרים כמובן אחרת).
פחמימות מסווגות כמונוסכרידים, דיסכרידים ופוליסכרידים. מונוסכריד הוא יחידת המונומר של הפחמימות, אך חלק מהפחמימות מורכבות ממונומר אחד בלבד, כגון גלוקוז, פרוקטוז וגלקטוז. בדרך כלל המונוסכרידים הללו יציבים ביותר בצורה טבעתית, המתוארת באופן דיאגרמטי כמשושה.
דיסכרידים הם סוכרים עם שתי יחידות מונומריות, או זוג מונוזכרידים. יחידות משנה אלה יכולות להיות זהות (כמו במלטוזה, המורכבת משתי מולקולות גלוקוזיות מחוברות) או שונות (כמו בסוכרוז, או סוכר טבלה, המורכב ממולקולת גלוקוזה אחת ומולקולת פרוקטוזה אחת. קשרים בין מונוזכרידים נקראים קשרים גליקוזידיים).
פוליסכרידים מכילים שלושה מונוסכרידים או יותר. ככל שהשרשראות הללו ארוכות יותר, כך גדל הסיכוי שיש להן ענפים, כלומר לא להיות פשוט קו מונוסכרידים מקצה לקצה. דוגמאות לפוליסכרידים כוללות עמילן, גליקוגן, תאית וכיטין.
עמילן נוטה להיווצר בצורת סליל או ספירלה; זה נפוץ בביו-מולקולות בעלות משקל מולקולרי באופן כללי. תאית, לעומת זאת, היא לינארית, המורכבת משרשרת ארוכה של מונומרים גלוקוזיים עם קשרי מימן שזורים בין אטומי פחמן בפרקי זמן קבועים. תאית היא מרכיב בתאי צמחים ומעניקה להם את הנוקשות שלהם. בני אדם אינם יכולים לעכל תאית, ובדיאטה מכונים בדרך כלל "סיבים". צ'יטין הוא פחמימה מבנית נוספת, הנמצאת בגופם החיצוני של פרוקי רגליים כמו חרקים, עכבישים וסרטנים. צ'יטין הוא פחמימה שונה, מכיוון שהוא "מבולבל" עם אטומי חנקן בשפע. גליקוגן הוא צורת האחסון של הפחמימות; משקעים של גליקוגן נמצאים ברקמת הכבד ושריר כאחד. הודות להתאמות אנזימים ברקמות אלו, ספורטאים מאומנים מסוגלים לאגור יותר גליקוגן מאשר אנשים יושבים כתוצאה מצרכי האנרגיה הגבוהים שלהם ומנהגי התזונה שלהם.
חלבונים
בדומה לפחמימות, חלבונים הם חלק מרוב אוצר המילים היומיומי של העמים בגלל ששימשו כמכונה תזונה מקרונית. אבל חלבונים מגוונים להפליא, הרבה יותר מפחמימות. למעשה, ללא חלבונים לא היו פחמימות או ליפידים מכיוון שהאנזימים הדרושים לסינתזה (כמו גם לעיכול) של מולקולות אלו הם בעצמם חלבונים.
המונומרים של חלבונים הם חומצות אמינו. אלה כוללים קבוצת חומצה קרבוקסילית (-COOH) ואמינו (-NH2) קבוצה. כאשר חומצות אמינו מתחברות זו לזו, זה דרך קשר מימן בין קבוצת החומצות הקרבוקסיליות באחת מחומצות האמינו לקבוצת האמינו של השנייה, עם מולקולת מים (H2O) שוחרר בתהליך. שרשרת הולכת וגדלה של חומצות אמינו היא פוליפפטיד, וכאשר היא ארוכה דיה ומקבלת את צורתה התלת מימדית, מדובר בחלבון מן המניין. בניגוד לפחמימות, חלבונים לעולם אינם מראים ענפים; הם רק שרשרת של קבוצות קרבוקסיל שמחוברות לקבוצות אמינו. מכיוון שלשרשרת זו חייבת להיות התחלה וסוף, לקצה האחד יש קבוצת אמינו חופשית והיא נקראת מסוף ה- N, בעוד שלקבוצה אחרת יש קבוצת אמינו חופשית והיא נקראת C-terminal. מכיוון שיש 20 חומצות אמיניות, וניתן לסדר אותן בכל סדר, הרכב החלבונים מגוון מאוד למרות שלא מתרחשת הסתעפות.
לחלבונים יש מה שמכונה מבנה ראשוני, משני, שלישוני ורבעוני. המבנה הראשוני מתייחס לרצף חומצות האמינו בחלבון, והוא נקבע גנטית. מבנה משני מתייחס לכיפוף או לקריצה בשרשרת, בדרך כלל בצורה חוזרת. כמה קונפורמציות כוללות אלפא-סליל וסדין קפלים בטא, ונובעות מכבלי מימן חלשים בין שרשראות צדדיות של חומצות אמינו שונות. מבנה שלישוני הוא הפיתול והסלסל של החלבון במרחב התלת מימדי ויכול לערב קשרי דיסולפיד (גופרית לגופרית) וקשרים מימן, בין היתר. לבסוף, מבנה מרובע מתייחס ליותר ממספר שרשרת פוליפפטיד אחת באותה מקרומולקולה. זה מתרחש בקולגן המורכב משלוש שרשראות מפותלות ומפותלות יחד כמו חבל.
חלבונים יכולים לשמש אנזימים, המזרזים תגובות ביוכימיות בגוף; כהורמונים, כמו אינסולין והורמון גדילה; כאלמנטים מבניים; וכרכיבי קרום התא.
ליפידים
ליפידים הם קבוצה מגוונת של מקרומולקולות, אך כולם חולקים את התכונה להיות הידרופובי; כלומר הם לא מתמוססים במים. הסיבה לכך היא שהליפידים הם ניטרליים חשמלית ולכן אינם קוטביים, ואילו מים הם מולקולה קוטבית. ליפידים כוללים טריגליצרידים (שומנים ושמנים), פוספוליפידים, קרוטנואידים, סטרואידים ושעווה. הם מעורבים בעיקר ביצירת קרום התא ויציבותו, יוצרים חלקים של הורמונים ומשמשים כדלק מאוחסן. שומנים, סוג של ליפיד, הם הסוג השלישי של מקרונוטריאנט, עם פחמימות וחלבונים שנדונו בעבר. באמצעות חמצון של מה שמכונה חומצות השומן שלהם, הם מספקים 9 קלוריות לגרם לעומת 4 הקלוריות לגרם המסופקות על ידי פחמימות ושומנים כאחד.
ליפידים אינם פולימרים, ולכן הם מגיעים במגוון צורות. כמו פחמימות, הם מורכבים מפחמן, מימן וחמצן. הטריגליצרידים מורכבים משלוש חומצות שומן המחוברות למולקולה של גליצרול, אלכוהול בעל שלוש פחמן. שרשראות צדדיות חומצות שומן אלו הן פחמימנים ארוכים ופשוטים. לרשתות אלה יכולות להיות קשרים כפולים, ואם כן, הדבר הופך את חומצת השומן לא רווי. אם יש רק קשר כפול אחד כזה, חומצת השומן היא חד בלתי רווי. אם יש שניים או יותר, זה כן רב בלתי רווי. לסוגים שונים אלה של חומצות שומן יש השלכות בריאותיות שונות על אנשים שונים בגלל השפעותיהם על דפנות כלי הדם. שומנים רוויים, שאין להם קשרים כפולים, הם מוצקים בטמפרטורת החדר והם בדרך כלל שומנים מן החי; אלה נוטים לגרום לפלאק עורקים ועלולים לתרום למחלות לב. ניתן לטפל בחומצות שומניות באופן כימי, וניתן לייצר שומנים בלתי רוויים כמו שמנים צמחיים רוויים כך שיהיו מוצקים ונוחים לשימוש בטמפרטורת החדר, כמו מרגרינה.
פוספוליפידים, שיש להם ליפיד הידרופובי בקצהו ופוספט הידרופילי בקצה השני, הם מרכיב חשוב בממברנות התא. ממברנות אלו מורכבות מכביסה דו-פוספוליפדית. שתי מנות השומנים, היותן הידרופוביות, פונות אל פנים התא וחלקו הפנימי, ואילו הזנבות ההידרופיליים של הפוספט נפגשים במרכז הדו-שיח.
ליפידים אחרים כוללים סטרואידים, המשמשים כהורמונים כמבשרי הורמונים (למשל כולסטרול) ומכילים סדרה של מבני טבעת ייחודיים; שעווה הכוללת שעוות דבורים ולנולין.
חומצות גרעין
חומצות גרעין כוללות חומצה deoxyribonucleic (DNA) וחומצה ribonucleic (RNA). אלה דומים מאוד מבחינה מבנית שכן שניהם פולימרים בהם היחידות המונומריות נמצאות נוקליאוטידים. נוקלאוטידים מורכבים מקבוצת סוכר מחומש, קבוצת פוספט וקבוצת בסיס חנקנית. הן ב- DNA והן ב- RNA, בסיסים אלה יכולים להיות אחד מארבעה סוגים; אחרת, כל הנוקלאוטידים של ה- DNA זהים, כמו גם ה- RNA.
DNA ו- RNA נבדלים זה מזה בשלושה דרכים עיקריות. האחת היא שב- DNA, סוכר הפנטוז הוא דוקסיריבוזה, וב- RNA זה ריבוז. סוכרים אלה נבדלים זה מזה באטום חמצן אחד. ההבדל השני הוא ש- DNA בדרך כלל הוא חוט כפול, ויוצר את הסליל הכפול שהתגלה בשנות החמישים על ידי צוות ווטסון וקריקס, אך RNA הוא חד חוט. השלישית היא ש- DNA מכיל את הבסיסים החנקניים אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T), אך ל- RNA יש אורציל (U) שהחליף את התימין.
ה- DNA אוגר מידע תורשתי. אורכי הנוקלאוטידים מהווים איפור גנים, המכילים את המידע באמצעות רצפי הבסיס החנקניים לייצור חלבונים ספציפיים. המון גנים מרכיבים כרומוזומים, והסכום הכולל של כרומוזומי אורגניזמים (לבני אדם יש 23 זוגות) הוא שלו גנום. DNA משמש בתהליך התמלול לייצור צורה של RNA המכונה RNA messenger (mRNA). זה מאחסן את המידע המקודד בצורה שונה במקצת ומעביר אותו החוצה מגרעין התא בו נמצא ה- DNA אל תוך הציטופלזמה של התא, או המטריצה. כאן סוגים אחרים של RNA יוזמים את תהליך התרגום, בו מיוצרים חלבונים ונשלחים לכל אורך התא.