โมเลกุลของชีวิตทั้งสี่มีอะไรบ้าง?

เนื้อหา

• โมเลกุล
• คาร์โบไฮเดรต
• โปรตีน
• ไขมัน
• กรดนิวคลีอิก

ชีววิทยาหรือชีวิตที่ไม่เป็นทางการนั้นโดดเด่นด้วยโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีวิวัฒนาการมาหลายร้อยล้านปีเพื่อรองรับฟังก์ชั่นที่สำคัญต่างๆ เหล่านี้มักจะแบ่งออกเป็นสี่ประเภทพื้นฐาน: คาร์โบไฮเดรต (หรือโพลีแซคคาไรด์), ไขมัน, โปรตีนและกรดนิวคลีอิก หากคุณมีภูมิหลังด้านโภชนาการคุณจะรับรู้สามสิ่งแรกนี้เป็นสารอาหารมาตรฐานสามตัว (หรือ "มาโคร" ในการควบคุมอาหาร) ที่อยู่ในฉลากข้อมูลโภชนาการ ที่สี่เกี่ยวข้องกับสองโมเลกุลที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดที่ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการจัดเก็บและการแปลข้อมูลทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

แมคโครโมเลกุลทั้งสี่ของชีวิตหรือชีวโมเลกุลเหล่านี้มีหน้าที่หลากหลาย ตามที่คุณคาดหวังบทบาทที่แตกต่างของพวกเขาจะเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบทางกายภาพและการเตรียมการต่าง ๆ อย่างประณีต

โมเลกุล

โมเลกุล เป็นโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่มากมักประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่าซ้ำ โมโนเมอร์ซึ่งไม่สามารถลดให้เป็นองค์ประกอบที่ง่ายขึ้นได้โดยไม่ต้องเสียองค์ประกอบ "การสร้างบล็อก" แม้ว่าจะไม่มีคำจำกัดความมาตรฐานว่าโมเลกุลจะต้องมีขนาดใหญ่เพียงใดเพื่อให้ได้คำนำหน้า "มาโคร" แต่โดยทั่วไปแล้วอะตอมเหล่านี้จะมีอย่างน้อยพันอะตอม คุณเกือบจะได้เห็นการก่อสร้างประเภทนี้ในโลกที่ไม่ใช่ธรรมชาติ ตัวอย่างวอลล์เปเปอร์หลายชนิดในขณะที่การออกแบบและการขยายตัวโดยรวมนั้นซับซ้อนประกอบด้วยหน่วยย่อยที่อยู่ติดกันซึ่งมักจะมีขนาดน้อยกว่าหนึ่งตารางฟุตหรือมีขนาดเท่ากัน เห็นได้ชัดยิ่งขึ้นโซ่ถือได้ว่าเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่แต่ละลิงก์เป็น "โมโนเมอร์"

จุดสำคัญเกี่ยวกับ macromolecules ทางชีวภาพคือว่ายกเว้น lipids หน่วยโมโนเมอร์ของพวกเขาจะมีขั้วซึ่งหมายความว่าพวกเขามีประจุไฟฟ้าที่ไม่ได้กระจายแบบสมมาตร แผนผังมี "หัว" และ "ก้อย" ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่แตกต่างกัน เนื่องจากโมโนเมอร์เข้าร่วมกันตั้งแต่หัวจรดเท้าโมเลกุลของแมคโครโมเลกุลเองก็มีขั้วด้วยเช่นกัน

นอกจากนี้ชีวโมเลกุลทั้งหมดมีธาตุคาร์บอนปริมาณสูง คุณอาจเคยได้ยินชนิดของสิ่งมีชีวิตบนโลก (ในคำอื่น ๆ ประเภทเดียวที่เรารู้ว่ามีอยู่จริงทุกที่) เรียกว่า "ชีวิตที่มีฐานคาร์บอน" และด้วยเหตุผลที่ดี แต่ไนโตรเจนไนโตรเจนไฮโดรเจนและฟอสฟอรัสนั้นขาดไม่ได้สำหรับสิ่งมีชีวิตเช่นกันและธาตุอื่น ๆ ก็อยู่ในระดับที่น้อยลง

คาร์โบไฮเดรต

เมื่อคุณเห็นหรือได้ยินคำว่า "คาร์โบไฮเดรต" สิ่งแรกที่คุณคิดคือ "อาหาร" และบางทีอาจเจาะจงมากกว่านี้ "อาหารบางอย่างที่ผู้คนจำนวนมากตั้งใจจะกำจัด" "Lo-carb" และ "no-carb" ทั้งคู่กลายเป็นคำศัพท์ลดน้ำหนักในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 และคำว่า "carbo-loading" ได้กลายเป็นชุมชนกีฬาที่มีความอดทนมาตั้งแต่ปี 1970 แต่ในความเป็นจริงคาร์โบไฮเดรตเป็นมากกว่าแหล่งพลังงานสำหรับสิ่งมีชีวิต

โมเลกุลของคาร์โบไฮเดรตล้วนมีสูตร (CH₂O)_nที่ n คือจำนวนอะตอมคาร์บอนที่มีอยู่ ซึ่งหมายความว่าอัตราส่วน C: H: O คือ 1: 2: 1 ตัวอย่างเช่นน้ำตาลกลูโคสอย่างง่ายฟรุกโตสและกาแลคโตสล้วนมีสูตร C₆H₁₂O₆ แน่นอนว่าอะตอมของโมเลกุลทั้งสามนี้มีการจัดเรียงต่างกัน

คาร์โบไฮเดรตจัดเป็น monosaccharides, disaccharides และ polysaccharides โมโนแซคคาไรด์เป็นหน่วยโมโนเมอร์ของคาร์โบไฮเดรต แต่คาร์โบไฮเดรตบางตัวประกอบด้วยโมโนเมอร์เดียวเท่านั้นเช่นกลูโคสฟรุกโตสและกาแลคโตส โดยปกติ monosaccharides เหล่านี้จะมีเสถียรภาพมากที่สุดในรูปแบบแหวนซึ่งเป็นภาพแผนภาพเป็นหกเหลี่ยม

ไดแซ็กคาไรด์เป็นน้ำตาลที่มีโมโนเมอร์สองหน่วยหรือคู่ของโมโนแซคคาไรด์ หน่วยย่อยเหล่านี้สามารถเหมือนกัน (ในมอลโตสซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลน้ำตาลกลูโคสสองตัวที่เข้าร่วม) หรือแตกต่างกัน (เช่นในซูโครสหรือน้ำตาลในตารางซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลกลูโคสหนึ่งโมเลกุลและโมเลกุลฟรุกโตสหนึ่งโมเลกุล) พันธบัตรระหว่าง monosaccharides

โพลีแซคคาไรด์ประกอบด้วยโมโนแซ็กคาไรด์อย่างน้อยสามตัว ยิ่งโซ่เหล่านี้ยาวเท่าไรก็ยิ่งมีแนวโน้มที่จะมีกิ่งก้านมากขึ้นนั่นก็คือไม่ใช่เป็นเส้นโมโนแซคคาไรด์ตั้งแต่ต้นจนจบ ตัวอย่างของโพลีแซคคาไรด์ ได้แก่ แป้งไกลโคเจนเซลลูโลสและไคติน

แป้งมีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นเกลียวหรือรูปร่างเป็นเกลียว นี่เป็นเรื่องปกติในโมเลกุลโมเลกุลน้ำหนักโมเลกุลสูงโดยทั่วไป ในทางตรงกันข้ามเซลลูโลสเป็นเส้นตรงประกอบด้วยสายโซ่ยาวของโมโนเมอร์กลูโคสที่มีพันธะไฮโดรเจนสลับกันระหว่างอะตอมของคาร์บอนในช่วงเวลาปกติ เซลลูโลสเป็นส่วนประกอบของเซลล์พืชและให้ความแข็งแกร่งแก่พวกเขา มนุษย์ไม่สามารถย่อยเซลลูโลสได้และในอาหารมักเรียกกันว่า "ไฟเบอร์" ไคตินเป็นคาร์โบไฮเดรตเชิงโครงสร้างอีกชนิดหนึ่งที่พบได้ในร่างกายด้านนอกของรพสัตว์เช่นแมลงแมงมุมและปู ไคตินเป็นคาร์โบไฮเดรตที่ถูกดัดแปลงเนื่องจากมันเป็น "เจือปน" กับอะตอมไนโตรเจนที่เพียงพอ ไกลโคเจนเป็นรูปแบบของคาร์โบไฮเดรตในร่างกาย glycogen พบได้ในเนื้อเยื่อตับและกล้ามเนื้อ ด้วยการดัดแปลงของเอนไซม์ในเนื้อเยื่อเหล่านี้นักกีฬาที่ผ่านการฝึกอบรมสามารถเก็บไกลโคเจนได้มากกว่าคนที่อยู่ประจำซึ่งเป็นผลมาจากความต้องการพลังงานและการปฏิบัติด้านโภชนาการที่สูง

โปรตีน

โปรตีนเป็นส่วนหนึ่งของคำศัพท์ในชีวิตประจำวันของคนส่วนใหญ่เพราะการบริโภคเป็นสารอาหารหลักที่เรียกว่า macronutrient แต่โปรตีนนั้นมีประโยชน์หลากหลายอย่างเหลือเชื่อมากไปกว่าคาร์โบไฮเดรต อันที่จริงแล้วหากไม่มีโปรตีนก็จะไม่มีคาร์โบไฮเดรตหรือไขมันเนื่องจากเอนไซม์ที่จำเป็นในการสังเคราะห์ (เช่นเดียวกับการย่อย) โมเลกุลเหล่านี้เป็นโปรตีน

โมโนเมอร์ของโปรตีนคือกรดอะมิโน เหล่านี้รวมถึงกลุ่มคาร์บอกซิลิกกรด (-COOH) และอะมิโน (-NH)₂กลุ่ม เมื่อกรดอะมิโนรวมตัวกันมันจะผ่านพันธะไฮโดรเจนระหว่างกลุ่มกรดคาร์บอกซิลิกกับกรดอะมิโนตัวหนึ่งและกลุ่มอะมิโนอีกตัวหนึ่งซึ่งมีโมเลกุลของน้ำ (H)₂O) เปิดตัวในกระบวนการ สายโซ่ที่เพิ่มขึ้นของกรดอะมิโนคือพอลิเปปไทด์และเมื่อมันมีความยาวเพียงพอและถือว่ารูปร่างสามมิติมันเป็นโปรตีนที่เต็มเปี่ยม โปรตีนไม่เคยแสดงกิ่งก้านเหมือนคาร์โบไฮเดรต พวกเขาเป็นเพียงกลุ่มของคาร์บอกซิลที่เข้าร่วมกลุ่มอะมิโน เนื่องจากโซ่นี้ต้องมีจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดปลายด้านหนึ่งจึงมีกลุ่มอะมิโนอิสระและเรียกว่า N-terminal ในขณะที่อีกกลุ่มหนึ่งมีกลุ่มอะมิโนอิสระและเรียกว่า C-terminal เนื่องจากมีกรดอะมิโน 20 ชนิดและสามารถจัดเรียงตามลำดับใด ๆ องค์ประกอบของโปรตีนจึงแตกต่างกันอย่างมากแม้ว่าจะไม่มีการแตกแขนงก็ตาม

โปรตีนมีสิ่งที่เรียกว่าโครงสร้างหลักทุติยภูมิทุติยภูมิและควอเทอร์นารี โครงสร้างหลักหมายถึงลำดับของกรดอะมิโนในโปรตีนและมีการพิจารณาทางพันธุกรรม โครงสร้างทุติยภูมิหมายถึงการดัดงอหรือการงอในโซ่มักจะอยู่ในรูปแบบซ้ำ ๆ ความสอดคล้องบางประการรวมถึง alpha-helix และแผ่นจีบแบบเบต้าและเป็นผลมาจากพันธะไฮโดรเจนที่อ่อนแอระหว่างโซ่ด้านข้างของกรดอะมิโนที่แตกต่างกัน โครงสร้างตติยคือการบิดและการดัดงอของโปรตีนในอวกาศสามมิติและสามารถเกี่ยวข้องกับพันธะซัลไฟด์ (กำมะถันกับกำมะถัน) และพันธะไฮโดรเจนและอื่น ๆ ในที่สุดโครงสร้าง quaternary หมายถึงมากกว่าหนึ่งห่วงโซ่ polypeptide ในโมเลกุลเดียวกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นในคอลลาเจนซึ่งประกอบด้วยสามโซ่บิดและม้วนเข้าด้วยกันเหมือนเชือก

โปรตีนสามารถทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ซึ่งกระตุ้นปฏิกิริยาทางชีวเคมีในร่างกาย เป็นฮอร์โมนเช่นอินซูลินและฮอร์โมนการเจริญเติบโต; เป็นองค์ประกอบโครงสร้าง และเป็นส่วนประกอบของเซลล์เมมเบรน

ไขมัน

ไขมันเป็นกลุ่มโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีความหลากหลาย แต่พวกมันก็มีลักษณะที่ไม่ชอบน้ำ นั่นคือพวกเขาไม่ละลายในน้ำ นี่เป็นเพราะไขมันมีความเป็นกลางทางไฟฟ้าดังนั้นจึงไม่มีขั้วในขณะที่น้ำเป็นโมเลกุลขั้วโลก ไขมันรวมถึงไตรกลีเซอไรด์ (ไขมันและน้ำมัน), ฟอสโฟลิปิด, แคโรทีนอยด์, สเตอรอยด์และแว็กซ์ พวกเขาเกี่ยวข้องส่วนใหญ่ในการสร้างเยื่อหุ้มเซลล์และความมั่นคงสร้างส่วนของฮอร์โมนและใช้เป็นเชื้อเพลิงที่เก็บไว้ ไขมันไขมันชนิดหนึ่งเป็นธาตุอาหารหลักชนิดที่สามซึ่งมีคาร์โบไฮเดรตและโปรตีนที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ ผ่านการออกซิเดชั่นของกรดไขมันที่เรียกว่าพวกมันให้ 9 แคลอรี่ต่อกรัมเมื่อเทียบกับ 4 แคลอรี่ต่อกรัมที่ได้จากคาร์โบไฮเดรตและไขมัน

ไขมันไม่ใช่โพลิเมอร์ดังนั้นพวกมันจึงมีหลายรูปแบบ เช่นเดียวกับคาร์โบไฮเดรตพวกมันประกอบด้วยคาร์บอนไฮโดรเจนและออกซิเจน ไตรกลีเซอไรด์ประกอบด้วยกรดไขมันสามชนิดที่รวมตัวกับโมเลกุลของกลีเซอรอลซึ่งเป็นแอลกอฮอล์สามคาร์บอน โซ่ข้างกรดไขมันเหล่านี้มีความยาวและไฮโดรคาร์บอนง่าย โซ่เหล่านี้สามารถมีพันธะคู่และถ้าพวกเขาทำที่ทำให้กรดไขมัน ไม่เปี่ยม. หากมีพันธะคู่เช่นนี้เพียงครั้งเดียวกรดไขมันก็คือ ไม่อิ่มตัวเชิงเดี่ยว. หากมีสองคนขึ้นไปมันเป็น ไม่อิ่มตัว. กรดไขมันชนิดต่าง ๆ เหล่านี้มีผลกระทบต่อสุขภาพที่แตกต่างกันสำหรับคนต่าง ๆ เนื่องจากมีผลกระทบต่อผนังหลอดเลือด ไขมันอิ่มตัวที่ไม่มีพันธะคู่จะแข็งตัวที่อุณหภูมิห้องและมักเป็นไขมันจากสัตว์ สิ่งเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเป็นสาเหตุของเนื้อเยื่อหลอดเลือดและอาจนำไปสู่โรคหัวใจ กรดไขมันสามารถจัดการทางเคมีและไขมันที่ไม่อิ่มตัวเช่นน้ำมันพืชสามารถทำให้อิ่มตัวเพื่อให้พวกมันแข็งและสะดวกต่อการใช้งานที่อุณหภูมิห้องเช่นมาการีน

Phospholipids ซึ่งมีไขมันชอบน้ำที่ปลายด้านหนึ่งและ hydrophilic ฟอสเฟตที่อื่น ๆ เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเยื่อหุ้มเซลล์ เยื่อเหล่านี้ประกอบด้วย bilayer phospholipid ไขมันสองส่วนที่ไม่ชอบน้ำหันหน้าไปด้านนอกและด้านในของเซลล์ในขณะที่หางของฟอสเฟตที่ชอบน้ำจะพบกันที่ใจกลางของ bilayer

ไขมันอื่น ๆ ได้แก่ สเตียรอยด์ซึ่งทำหน้าที่เป็นฮอร์โมนและสารตั้งต้นของฮอร์โมน (เช่นคลอเรสเตอรอล) และมีโครงสร้างวงแหวนหลายแบบ และไขซึ่งรวมถึงขี้ผึ้งและลาโนลิน

กรดนิวคลีอิก

กรดนิวคลีอิก ได้แก่ กรดดีอกซีบูนนิวคลีอิก (DNA) และกรด ribonucleic (RNA) สิ่งเหล่านี้มีโครงสร้างคล้ายกันมากเนื่องจากทั้งสองเป็นโพลีเมอร์ซึ่งเป็นหน่วยโมโนเมอร์ นิวคลีโอ. นิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยกลุ่มน้ำตาล pentose กลุ่มฟอสเฟตและกลุ่มฐานไนโตรเจน ทั้ง DNA และ RNA ฐานเหล่านี้สามารถเป็นหนึ่งในสี่ประเภท มิฉะนั้นนิวคลีโอไทด์ทั้งหมดของดีเอ็นเอจะเหมือนกันเช่นเดียวกับ RNA

DNA และ RNA นั้นแตกต่างกันในสามวิธีหลัก หนึ่งในนั้นคือ DNA, pentose Sugar คือ deoxyribose และใน RNA นั้นเป็น ribose น้ำตาลเหล่านี้แตกต่างกันไปตามอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอม ข้อแตกต่างที่สองคือ DNA มักจะเป็นแบบเกลียวสองเส้นก่อตัวเป็นเกลียวคู่ที่ค้นพบในปี 1950 โดยทีมงาน Watson และ Cricks แต่ RNA นั้นเป็นเกลียวเดี่ยว ที่สามคือ DNA มี adenine ฐานไนโตรเจน (A), cytosine (C), guanine (G) และ thymine (T) แต่ RNA มี uracil (U) ทดแทนสำหรับ thymine

DNA เก็บข้อมูลทางพันธุกรรม ความยาวของนิวคลีโอไทด์ประกอบขึ้น ยีนซึ่งมีข้อมูลผ่านลำดับเบสของไนโตรเจนเพื่อผลิตโปรตีนเฉพาะ ยีนจำนวนมากทำขึ้น โครโมโซม และผลรวมของสิ่งมีชีวิตโครโมโซม (มนุษย์มี 23 คู่) คือ จีโนม. DNA ถูกใช้ในกระบวนการถอดความเพื่อสร้างรูปแบบของ RNA ที่เรียกว่า messenger RNA (mRNA) วิธีนี้จะเก็บข้อมูลที่เข้ารหัสไว้ในวิธีที่แตกต่างกันเล็กน้อยและย้ายออกจากนิวเคลียสของเซลล์ที่ DNA อยู่และเข้าสู่ไซโตพลาสซึมของเซลล์หรือเมทริกซ์ ที่นี่ RNA ประเภทอื่นเริ่มกระบวนการแปลซึ่งโปรตีนถูกสร้างและส่งไปทั่วเซลล์