Skip to main content
Global

2.3: מולקולות ביולוגיות

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208897

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    המולקולות הגדולות הנחוצות לחיים הבנויות ממולקולות אורגניות קטנות יותר נקראות מקרומולקולות ביולוגיות. ישנן ארבע מחלקות עיקריות של מקרומולקולות ביולוגיות (פחמימות, שומנים, חלבונים וחומצות גרעין), וכל אחת מהן היא מרכיב חשוב בתא ומבצעת מגוון רחב של פונקציות. יחד, מולקולות אלה מהוות את רוב מסת התא. מקרומולקולות ביולוגיות הן אורגניות, כלומר הן מכילות פחמן (למעט כמה יוצאים מן הכלל, כמו פחמן דו חמצני). בנוסף, הם עשויים להכיל מימן, חמצן, חנקן, זרחן, גופרית, ואלמנטים קטנים נוספים.

    פחמן

    לעתים קרובות אומרים שהחיים הם "מבוססי פחמן". המשמעות היא שאטומי פחמן, הקשורים לאטומי פחמן אחרים או ליסודות אחרים, מהווים את המרכיבים הבסיסיים של רבים, אם לא רובם, מהמולקולות המצויות באופן ייחודי ביצורים חיים. אלמנטים אחרים ממלאים תפקידים חשובים במולקולות ביולוגיות, אך פחמן בהחלט כשיר כיסוד "הבסיס" למולקולות ביצורים חיים. תכונות הקשר של אטומי הפחמן הן שאחראיות לתפקידו החשוב.

    מליטה פחמן

    פחמן מכיל ארבעה אלקטרונים במעטפת החיצונית שלו. לכן הוא יכול ליצור ארבעה קשרים קוולנטיים עם אטומים או מולקולות אחרות. מולקולת הפחמן האורגנית הפשוטה ביותר היא מתאן (CH 4), שבו ארבעה אטומי מימן נקשרים לאטום פחמן (איור\(\PageIndex{1}\)).

    תרשים של מולקולת מתאן.
    איור\(\PageIndex{1}\): פחמן יכול ליצור ארבעה קשרים קוולנטיים ליצירת מולקולה אורגנית. מולקולת הפחמן הפשוטה ביותר היא מתאן (CH 4), המתואר כאן.

    עם זאת, מבנים מורכבים יותר מיוצרים באמצעות פחמן. ניתן להחליף כל אחד מאטומי המימן באטום פחמן אחר הקשור באופן קוולנטי לאטום הפחמן הראשון. בדרך זו ניתן ליצור שרשראות ארוכות ומסועפות של תרכובות פחמן (איור \(\PageIndex{2}\) א). אטומי הפחמן עשויים להיקשר לאטומים של יסודות אחרים, כגון חנקן, חמצן וזרחן (איור \(\PageIndex{2}\) ב). המולקולות עשויות גם ליצור טבעות, שבעצמן יכולות לקשר עם טבעות אחרות (איור \(\PageIndex{2}\) ג). מגוון זה של צורות מולקולריות מסביר את מגוון הפונקציות של המקרומולקולות הביולוגיות ומבוסס במידה רבה על יכולתו של פחמן ליצור קשרים מרובים עם עצמו ועם אטומים אחרים.

    דוגמאות לשלוש מולקולות שונות המכילות פחמן.
    איור\(\PageIndex{2}\): דוגמאות אלו מציגות שלוש מולקולות (שנמצאות באורגניזמים חיים) המכילות אטומי פחמן הקשורים בדרכים שונות לאטומי פחמן אחרים ולאטומים של יסודות אחרים. (א) למולקולה זו של חומצה סטארית יש שרשרת ארוכה של אטומי פחמן. (ב) גליצין, מרכיב של חלבונים, מכיל אטומי פחמן, חנקן, חמצן ומימן. (ג) לגלוקוז, סוכר, יש טבעת של אטומי פחמן ואטום חמצן אחד.

    פחמימות

    פחמימות הן מקרומולקולות שרוב הצרכנים מכירים מעט. כדי לרדת במשקל, אנשים מסוימים דבקים בדיאטות "דלות פחמימות". ספורטאים, לעומת זאת, לעתים קרובות "עומס פחמימות" לפני תחרויות חשובות כדי להבטיח שיש להם מספיק אנרגיה כדי להתחרות ברמה גבוהה. פחמימות הן, למעשה, חלק חיוני מהתזונה שלנו; דגנים, פירות וירקות הם כולם מקורות טבעיים לפחמימות. פחמימות מספקות אנרגיה לגוף, במיוחד באמצעות גלוקוז, סוכר פשוט. לפחמימות יש גם תפקידים חשובים אחרים בבני אדם, בעלי חיים וצמחים.

    פחמימות יכולות להיות מיוצגות על ידי הנוסחה (CH 2 O) n, כאשר n הוא מספר אטומי הפחמן במולקולה. במילים אחרות, היחס בין פחמן למימן לחמצן הוא 1:2: 1 במולקולות פחמימות. פחמימות מסווגות לשלושה תת-סוגים: חד סוכרים, דו סוכרים ופוליסכרידים.

    מונוסכרידים (מונו- = "אחד"; sacchar- = "מתוק") הם סוכרים פשוטים, הנפוץ שבהם הוא גלוקוז. במונוסכרידים, מספר אטומי הפחמן נע בדרך כלל בין שלושה לשש. רוב שמות החד -סוכרים מסתיימים בסיומת -ose. בהתאם למספר אטומי הפחמן בסוכר, הם עשויים להיקרא טריוזות (שלושה אטומי פחמן), פנטוזות (חמישה אטומי פחמן) והקסוזות (שישה אטומי פחמן).

    מונוסכרידים עשויים להתקיים כשרשרת לינארית או כמולקולות בצורת טבעת; בתמיסות מימיות הם נמצאים בדרך כלל בצורת הטבעת.

    הנוסחה הכימית לגלוקוז היא C 6 H 12 O 6. ברוב המינים החיים, גלוקוז הוא מקור אנרגיה חשוב. במהלך הנשימה התאית, אנרגיה משתחררת מגלוקוז, ואנרגיה זו משמשת כדי לסייע בייצור אדנוסין טריפוספט (ATP). צמחים מסנתזים גלוקוז באמצעות פחמן דו חמצני ומים בתהליך הפוטוסינתזה, והגלוקוז, בתורו, משמש לדרישות האנרגיה של הצמח. עודף הגלוקוז המסונתז מאוחסן לעתים קרובות כעמילן שמתפרק על ידי אורגניזמים אחרים הניזונים מצמחים.

    גלקטוז (חלק מלקטוז, או סוכר חלב) ופרוקטוז (נמצא בפירות) הם חד סוכרים נפוצים אחרים. למרות שלגלוקוז, גלקטוז ופרוקטוז יש את אותה נוסחה כימית (C 6 H 12 O 6), הם שונים מבחינה מבנית וכימית (וידועים בשם איזומרים) בגלל סידורים שונים של אטומים בשרשרת הפחמן (איור). \(\PageIndex{3}\)

    מבנים כימיים של גלוקוז, גלקטוז ופרוקטוז.
    איור\(\PageIndex{3}\): גלוקוז, גלקטוז ופרוקטוז הם חד -סוכרים איזומריים, כלומר יש להם אותה נוסחה כימית אך מבנים שונים במקצת.

    דיסכרידים (di- = "שניים") נוצרים כאשר שני חד סוכרים עוברים תגובת התייבשות (תגובה בה מתרחשת הסרת מולקולת מים). במהלך תהליך זה, קבוצת ההידרוקסיל (—OH) של חד סוכר אחד מתחברת עם אטום מימן של מונוסכריד אחר, ומשחררת מולקולת מים (H 2 O) ויוצרת קשר קוולנטי בין אטומים בשתי מולקולות הסוכר.

    דיסכרידים נפוצים כוללים לקטוז, מלטוז וסוכרוז. לקטוז הוא דו סוכר המורכב מהמונומרים גלוקוז וגלקטוז. הוא נמצא באופן טבעי בחלב. מלטוז, או סוכר מאלט, הוא דו סוכר הנוצר מתגובת התייבשות בין שתי מולקולות גלוקוז. הדיסכריד הנפוץ ביותר הוא סוכרוז, או סוכר שולחן, המורכב מהמונומרים גלוקוז ופרוקטוז.

    שרשרת ארוכה של חד סוכרים המקושרים בקשרים קוולנטיים ידועה כפוליסכריד (פולי- = "רבים"). השרשרת עשויה להיות מסועפת או לא מסועפת, והיא עשויה להכיל סוגים שונים של מונוסכרידים. פוליסכרידים עשויים להיות מולקולות גדולות מאוד. עמילן, גליקוגן, תאית וכיטין הם דוגמאות לפוליסכרידים.

    עמילן הוא הצורה המאוחסנת של סוכרים בצמחים והוא מורכב מעמילוז ועמילופקטין (שניהם פולימרים של גלוקוז). צמחים מסוגלים לסנתז גלוקוז, ואת עודף גלוקוז מאוחסן כמו עמילן בחלקי צמחים שונים, כולל שורשים וזרעים. העמילן הנצרך על ידי בעלי חיים מתפרק למולקולות קטנות יותר, כמו גלוקוז. לאחר מכן התאים יכולים לספוג את הגלוקוז.

    גליקוגן הוא צורת האחסון של גלוקוז בבני אדם ובעלי חוליות אחרים, והוא מורכב ממונומרים של גלוקוז. גליקוגן הוא המקבילה החייתית לעמילן והוא מולקולה מסועפת מאוד המאוחסנת בדרך כלל בתאי כבד ושריר. בכל פעם שרמות הגלוקוז יורדות, הגליקוגן מתפרק לשחרור גלוקוז.

    תאית היא אחד הביופולימרים הטבעיים הנפוצים ביותר. דפנות התא של הצמחים עשויות ברובן מתאית, המספקת תמיכה מבנית לתא. עץ ונייר הם בעיקר תאית באופיים. תאית מורכבת ממונומרים של גלוקוז המקושרים על ידי קשרים בין אטומי פחמן מסוימים במולקולת הגלוקוז.

    כל מונומר גלוקוז אחר בתאית מתהפך ונארז בחוזקה כשרשראות ארוכות מורחבות. זה נותן לתאית את קשיחותה וחוזק המתיחה הגבוה שלה - וזה כל כך חשוב לתאי הצמח. תאית העוברת במערכת העיכול שלנו נקראת סיבים תזונתיים. בעוד שלא ניתן לפרק את קשרי הגלוקוז-גלוקוז בתאית על ידי אנזימי עיכול אנושיים, אוכלי עשב כמו פרות, תאו וסוסים מסוגלים לעכל דשא עשיר בתאית ולהשתמש בו כמקור מזון. בבעלי חיים אלה מינים מסוימים של חיידקים שוכנים ברומן (חלק ממערכת העיכול של אוכלי עשב) ומפרישים את האנזים צלולאז. הנספח מכיל גם חיידקים המפרקים תאית, ומעניקים לו תפקיד חשוב במערכות העיכול של מעלי גירה. תאים יכולים לפרק תאית למונומרים של גלוקוז שיכולים לשמש כמקור אנרגיה על ידי החיה.

    פחמימות משרתות פונקציות אחרות בבעלי חיים שונים. לפרוקי רגליים, כמו חרקים, עכבישים וסרטנים, יש שלד חיצוני, הנקרא שלד חיצוני, המגן על חלקי גופם הפנימיים. שלד חיצוני זה עשוי מהמקרומולקולה הביולוגית כיטין, שהיא פחמימה חנקנית. הוא עשוי מיחידות חוזרות של סוכר שונה המכיל חנקן.

    לפיכך, באמצעות הבדלים במבנה המולקולרי, פחמימות מסוגלות לשרת את הפונקציות השונות מאוד של אחסון אנרגיה (עמילן וגליקוגן) ותמיכה והגנה מבנית (תאית וכיטין) (איור\(\PageIndex{4}\)).

    מבנים כימיים של עמילן, גליקוגן, תאית וכיטין.
    איור\(\PageIndex{4}\): למרות שהמבנים והתפקודים שלהם שונים, כל הפחמימות הפוליסכרידים מורכבות מחד -סוכרים ובעלות הנוסחה הכימית (CH 2 O) n.

    קריירה בפעולה: דיאטנית רשומה

    השמנת יתר היא דאגה בריאותית עולמית, ומחלות רבות, כמו סוכרת ומחלות לב, הופכות נפוצות יותר בגלל השמנת יתר. זו אחת הסיבות לכך שדיאטנים רשומים מבוקשים יותר ויותר לייעוץ. דיאטנים רשומים עוזרים לתכנן תוכניות מזון ותזונה לאנשים במסגרות שונות. לעתים קרובות הם עובדים עם מטופלים במתקני בריאות, מתכננים תוכניות תזונה למניעה וטיפול במחלות. לדוגמה, דיאטנים עשויים ללמד חולה סוכרת כיצד לנהל את רמות הסוכר בדם על ידי אכילת הסוגים והכמויות הנכונות של פחמימות. דיאטנים עשויים לעבוד גם בבתי אבות, בתי ספר ושיטות פרטיות.

    כדי להיות דיאטנית רשומה, צריך להרוויח לפחות תואר ראשון בתזונה, תזונה, טכנולוגיית מזון או תחום קשור. בנוסף, דיאטנים רשומים חייבים להשלים תוכנית התמחות בפיקוח ולעבור בחינה ארצית. מי שעוסק בקריירה בתזונה לוקח קורסים בתזונה, כימיה, ביוכימיה, ביולוגיה, מיקרוביולוגיה ופיזיולוגיה אנושית. דיאטנים חייבים להיות מומחים בכימיה ותפקודים של מזון (חלבונים, פחמימות ושומנים).

    ליפידים

    ליפידים כוללים קבוצה מגוונת של תרכובות המאוחדות על ידי תכונה משותפת. ליפידים הם הידרופוביים ("חוששים ממים"), או בלתי מסיסים במים, מכיוון שהם מולקולות לא קוטביות. הסיבה לכך היא שהם פחמימנים הכוללים רק קשרי פחמן-פחמן או פחמן-מימן לא קוטביים. ליפידים מבצעים פונקציות רבות ושונות בתא. תאים אוגרים אנרגיה לשימוש ארוך טווח בצורה של שומנים הנקראים שומנים. ליפידים מספקים גם בידוד מהסביבה לצמחים ובעלי חיים (איור\(\PageIndex{5}\)). לדוגמה, הם עוזרים לשמור על יובש של ציפורים ויונקים ימיים בגלל אופיים הדוחה מים. ליפידים הם גם אבני הבניין של הורמונים רבים ומהווים מרכיב חשוב בקרום הפלזמה. ליפידים כוללים שומנים, שמנים, שעווה, פוספוליפידים וסטרואידים.

    תצלום של לוטרת נהר במים
    איור\(\PageIndex{5}\): שומנים הידרופוביים בפרווה של יונקים ימיים, כמו לוטרת הנהר הזו, מגנים עליהם מפני היסודות. (קרדיט: קן בוסמה)

    מולקולת שומן, כגון טריגליצריד, מורכבת משני מרכיבים עיקריים - גליצרול וחומצות שומן. גליצרול הוא תרכובת אורגנית עם שלושה אטומי פחמן, חמישה אטומי מימן ושלוש קבוצות הידרוקסיל (—OH). לחומצות שומן יש שרשרת ארוכה של פחמימנים שאליהם מחוברת קבוצת קרבוקסיל חומצית, ומכאן השם "חומצת שומן". מספר הפחמנים בחומצת השומן עשוי לנוע בין 4 ל -36; הנפוצים ביותר הם אלה המכילים 12-18 פחמנים. במולקולת שומן, חומצת שומן מחוברת לכל אחד משלושת אטומי החמצן בקבוצות —OH של מולקולת הגליצרול עם קשר קוולנטי (איור\(\PageIndex{6}\)).

    תמונות של המבנים המולקולריים של חומצת שומן רוויה, חומצת שומן בלתי רוויה, טריגליצרידים, סטרואידים ופוספוליפיד.
    איור\(\PageIndex{6}\): ליפידים כוללים שומנים, כגון טריגליצרידים, המורכבים מחומצות שומן וגליצרול, פוספוליפידים וסטרואידים.

    במהלך היווצרות קשר קוולנטי זה משתחררות שלוש מולקולות מים. שלוש חומצות השומן בשומן עשויות להיות דומות או שונות. שומנים אלה נקראים גם טריגליצרידים מכיוון שיש להם שלוש חומצות שומן. לחומצות שומן מסוימות יש שמות נפוצים המציינים את מקורם. לדוגמא, חומצה פלמיטית, חומצת שומן רוויה, נגזרת מעץ הדקל. חומצה ארכידית נגזרת מ- Arachis hypogaea, השם המדעי לבוטנים.

    חומצות שומן עשויות להיות רוויות או בלתי רוויות. בשרשרת חומצות שומן, אם יש רק קשרים בודדים בין פחמנים שכנים בשרשרת הפחמימנים, חומצת השומן רוויה. חומצות שומן רוויות רוויות במימן; במילים אחרות, מספר אטומי המימן המחוברים לשלד הפחמן מוגדל.

    כאשר שרשרת הפחמימנים מכילה קשר כפול, חומצת השומן היא חומצת שומן בלתי רוויה.

    רוב השומנים הבלתי רוויים נוזלים בטמפרטורת החדר ונקראים שמנים. אם יש קשר כפול אחד במולקולה, אז זה ידוע בתור שומן חד בלתי רווי (למשל, שמן זית), ואם יש יותר מקשר כפול אחד, אז זה ידוע בתור שומן רב בלתי רווי (למשל, שמן קנולה).

    שומנים רוויים נוטים לארוז היטב והם מוצקים בטמפרטורת החדר. שומנים מן החי עם חומצה סטארית וחומצה פלמיטית הכלולים בבשר, והשומן עם חומצה בוטירית הכלול בחמאה, הם דוגמאות לשומנים רוויים. יונקים אוגרים שומנים בתאים מיוחדים הנקראים אדיפוציטים, שבהם כדוריות השומן תופסות את רוב התא. בצמחים שומן או שמן מאוחסנים בזרעים ומשמשים כמקור אנרגיה במהלך ההתפתחות העוברית.

    שומנים או שמנים בלתי רוויים הם בדרך כלל ממקור צמחי ומכילים חומצות שומן בלתי רוויות. הקשר הכפול גורם לעיקול או "קינק" המונע מחומצות השומן לארוז היטב, ושומר אותן נוזליות בטמפרטורת החדר. שמן זית, שמן תירס, שמן קנולה ושמן כבד בקלה הם דוגמאות לשומנים בלתי רוויים. שומנים בלתי רוויים עוזרים בשיפור רמות הכולסטרול בדם, ואילו שומנים רוויים תורמים להיווצרות פלאק בעורקים, מה שמגדיל את הסיכון להתקף לב.

    בתעשיית המזון, שמנים מוקשים באופן מלאכותי כדי להפוך אותם למוצקים למחצה, מה שמוביל לקלקול פחות ולחיי מדף מוגברים. במילים פשוטות, גז מימן מבעבע בשמנים כדי לחזק אותם. במהלך תהליך הידרוגנציה זה, קשרים כפולים של cis -קונפורמציה בשרשרת הפחמימנים עשויים להיות מומרים לקשרים כפולים בקונפורמציה הטרנס. זה יוצר שומן טרנס משומן cis. כיוון הקשרים הכפולים משפיע על התכונות הכימיות של השומן (איור\(\PageIndex{7}\)).

    שתי תמונות מציגות את המבנה המולקולרי של שומן במבנה cis ואת הקונפורמציה הטרנס-קונפורמציה.
    איור\(\PageIndex{7}\): במהלך תהליך ההידרוגנציה, הכיוון סביב הקשרים הכפולים משתנה, מה שהופך שומן טרנס מ-cis-fat. זה משנה את התכונות הכימיות של המולקולה.

    מרגרינה, סוגים מסוימים של חמאת בוטנים וקיצור הם דוגמאות לשומני טרנס מוקשים באופן מלאכותי. מחקרים אחרונים הראו כי עלייה בשומני טראנס בתזונה האנושית עלולה להוביל לעלייה ברמות ליפופרוטאין בצפיפות נמוכה (LDL), או כולסטרול "רע", אשר, בתורו, עלול להוביל לתצהיר פלאק בעורקים, וכתוצאה מכך למחלות לב. מסעדות מזון מהיר רבות ביטלו לאחרונה את השימוש בשומני טראנס, ותוויות מזון אמריקאיות נדרשות כעת לרשום את תכולת השומן הטרנס שלהן.

    חומצות שומן חיוניות הן חומצות שומן הנדרשות אך אינן מסונתזות על ידי גוף האדם. כתוצאה מכך, הם חייבים להיות בתוספת באמצעות הדיאטה. חומצות שומן אומגה 3 נכללות בקטגוריה זו והן אחת משתי חומצות שומן חיוניות ידועות לבני אדם (השנייה היא חומצות שומן אומגה 6). הם סוג של שומן רב בלתי רווי ונקראים חומצות שומן אומגה 3 מכיוון שהפחמן השלישי מקצה חומצת השומן משתתף בקשר כפול.

    סלמון, פורל וטונה הם מקורות טובים לחומצות שומן אומגה 3. חומצות שומן אומגה 3 חשובות בתפקוד המוח וצמיחה והתפתחות תקינה. הם עשויים גם למנוע מחלות לב ולהפחית את הסיכון לסרטן.

    כמו פחמימות, שומנים קיבלו הרבה פרסום רע. נכון שאכילת עודף של אוכל מטוגן ומזונות "שומניים" אחרים מובילה לעלייה במשקל. עם זאת, לשומנים יש תפקידים חשובים. שומנים משמשים אחסון אנרגיה לטווח ארוך. הם גם מספקים בידוד לגוף. לכן יש לצרוך שומנים בלתי רוויים "בריאים" בכמויות מתונות על בסיס קבוע.

    פוספוליפידים הם המרכיב העיקרי של קרום הפלזמה. בדומה לשומנים, הם מורכבים משרשראות חומצות שומן המחוברות לגליצרול או עמוד שדרה דומה. במקום שלוש חומצות שומן המחוברות, לעומת זאת, ישנן שתי חומצות שומן והפחמן השלישי של עמוד השדרה של הגליצרול קשור לקבוצת פוספטים. קבוצת הפוספט משתנה על ידי תוספת של אלכוהול.

    לפוספוליפיד יש אזורים הידרופוביים והידרופיליים כאחד. שרשראות חומצות השומן הינן הידרופוביות ומוציאות את עצמן מהמים, בעוד שהפוספט הוא הידרופילי ומתקשר עם מים.

    תאים מוקפים קרום, אשר יש דו שכבה של פוספוליפידים. חומצות השומן של הפוספוליפידים פונות פנימה, הרחק מהמים, ואילו קבוצת הפוספטים יכולה להתמודד עם הסביבה החיצונית או אל פנים התא, ששניהם מימיים.

    סטרואידים ושעווה

    שלא כמו הפוספוליפידים והשומנים שנדונו קודם לכן, לסטרואידים יש מבנה טבעת. למרות שהם אינם דומים לליפידים אחרים, הם מקובצים איתם מכיוון שהם גם הידרופוביים. לכל הסטרואידים יש ארבע טבעות פחמן מקושרות ולכמה מהן, כמו כולסטרול, יש זנב קצר.

    כולסטרול הוא סטרואיד. הכולסטרול מסונתז בעיקר בכבד והוא מבשר להורמונים סטרואידים רבים, כמו טסטוסטרון ואסטרדיול. זהו גם מבשרם של ויטמינים E ו- K כולסטרול הוא מבשר מלחי המרה, המסייעים בפירוק השומנים וספיגתם לאחר מכן על ידי תאים. למרות שלעתים קרובות מדברים על כולסטרול במונחים שליליים, הוא הכרחי לתפקוד תקין של הגוף. זהו מרכיב מרכזי בממברנות הפלזמה של תאי בעלי חיים.

    שעווה מורכבת משרשרת פחמימנים עם קבוצת אלכוהול (—OH) וחומצת שומן. דוגמאות לשעווה של בעלי חיים כוללות שעוות דבורים ולנולין. לצמחים יש גם שעווה, כמו הציפוי על העלים שלהם, שעוזרת למנוע מהם להתייבש.

    מושג בפעולה

    לפרספקטיבה נוספת על שומנים, חקור את "ביומולקולות: הליפידים" באמצעות אנימציה אינטראקטיבית זו.

    חלבונים

    חלבונים הם אחת המולקולות האורגניות הנפוצות ביותר במערכות חיות ויש להם את מגוון הפונקציות המגוון ביותר של כל המקרומולקולות. חלבונים עשויים להיות מבניים, רגולטוריים, מתכווצים או מגנים; הם עשויים לשמש בהובלה, אחסון או ממברנות; או שהם עשויים להיות רעלים או אנזימים. כל תא במערכת חיה עשוי להכיל אלפי חלבונים שונים, שלכל אחד מהם תפקיד ייחודי. המבנים שלהם, כמו הפונקציות שלהם, משתנים מאוד. עם זאת, כולם פולימרים של חומצות אמינו, המסודרים ברצף ליניארי.

    תפקידי החלבונים מגוונים מאוד מכיוון שישנן 20 חומצות אמינו שונות מבחינה כימית היוצרות שרשראות ארוכות, וחומצות האמינו יכולות להיות בכל סדר. לדוגמה, חלבונים יכולים לתפקד כאנזימים או הורמונים. אנזימים, המיוצרים על ידי תאים חיים, הם זרזים בתגובות ביוכימיות (כמו עיכול) והם בדרך כלל חלבונים. כל אנזים הוא ספציפי למצע (מגיב הנקשר לאנזים) שעליו הוא פועל. אנזימים יכולים לתפקד לשבירת קשרים מולקולריים, לסדר מחדש קשרים או ליצירת קשרים חדשים. דוגמה לאנזים הוא עמילאז רוק, המפרק עמילוז, מרכיב של עמילן.

    הורמונים הם מולקולות איתות כימיות, בדרך כלל חלבונים או סטרואידים, המופרשים על ידי בלוטה אנדוקרינית או קבוצת תאים אנדוקריניים הפועלים לשליטה או ויסות תהליכים פיזיולוגיים ספציפיים, כולל צמיחה, התפתחות, חילוף חומרים ורבייה. לדוגמא, אינסולין הוא הורמון חלבון השומר על רמות הגלוקוז בדם.

    לחלבונים צורות ומשקלים מולקולריים שונים; חלק מהחלבונים הם בעלי צורה כדורית ואילו אחרים הם סיביים באופיים. לדוגמה, המוגלובין הוא חלבון כדורי, אבל קולגן, שנמצא בעור שלנו, הוא חלבון סיבי. צורת החלבון היא קריטית לתפקודו. שינויים בטמפרטורה, pH וחשיפה לכימיקלים עלולים להוביל לשינויים קבועים בצורת החלבון, מה שיוביל לאובדן תפקוד או דנטורציה (שיידון ביתר פירוט בהמשך). כל החלבונים מורכבים מסידורים שונים של אותם 20 סוגים של חומצות אמינו.

    חומצות אמינו הן המונומרים המרכיבים חלבונים. לכל חומצת אמינו יש אותו מבנה בסיסי, המורכב מאטום פחמן מרכזי הקשור לקבוצת אמינו (—NH 2), קבוצת קרבוקסיל (—COOH) ואטום מימן. לכל חומצת אמינו יש גם אטום משתנה אחר או קבוצת אטומים הקשורים לאטום הפחמן המרכזי המכונה קבוצת R. קבוצת R היא ההבדל היחיד במבנה בין 20 חומצות האמינו; אחרת, חומצות האמינו זהות (איור\(\PageIndex{8}\)).

    המבנה המולקולרי הבסיסי של חומצת אמינו מוצג. כמו כן מוצגים המבנים המולקולריים של אלנין, ולין, ליסין וחומצה אספרטית, המשתנים רק במבנה קבוצת R
    איור\(\PageIndex{8}\): חומצות אמינו מורכבות מפחמן מרכזי הקשור לקבוצת אמינו (—NH 2), קבוצת קרבוקסיל (—COOH) ואטום מימן. הקשר הרביעי של הפחמן המרכזי משתנה בין חומצות האמינו השונות, כפי שניתן לראות בדוגמאות אלה של אלנין, ולין, ליסין וחומצה אספרטית.

    האופי הכימי של קבוצת R קובע את האופי הכימי של חומצת האמינו בתוך החלבון שלה (כלומר, בין אם היא חומצית, בסיסית, קוטבית או לא קוטבית).

    רצף ומספר חומצות האמינו קובעים בסופו של דבר את צורתו, גודלו ותפקודו של החלבון. כל חומצת אמינו מחוברת לחומצת אמינו אחרת על ידי קשר קוולנטי, המכונה קשר פפטיד, הנוצר על ידי תגובת התייבשות. קבוצת הקרבוקסיל של חומצת אמינו אחת וקבוצת האמינו של חומצת אמינו שנייה משתלבות ומשחררות מולקולת מים. הקשר שנוצר הוא הקשר הפפטיד.

    המוצרים שנוצרו על ידי הצמדה כזו נקראים פוליפפטידים. בעוד שלעתים משתמשים במונחים פוליפפטיד וחלבון לסירוגין, פוליפפטיד הוא מבחינה טכנית פולימר של חומצות אמינו, בעוד שהמונח חלבון משמש לפוליפפטיד או לפוליפפטידים שהתחברו יחד, בעלי צורה מובחנת ובעלי תפקיד ייחודי.

    אבולוציה בפעולה: המשמעות האבולוציונית של ציטוכרום ג

    ציטוכרום c הוא מרכיב חשוב במנגנון המולקולרי הקוצר אנרגיה מגלוקוז. מכיוון שתפקידו של חלבון זה בייצור אנרגיה תאית הוא קריטי, הוא השתנה מעט מאוד במשך מיליוני שנים. רצף חלבונים הראה שיש כמות ניכרת של דמיון ברצף בין מולקולות ציטוכרום c ממינים שונים; ניתן להעריך קשרים אבולוציוניים על ידי מדידת הדמיון או ההבדלים בין רצפי החלבון של מינים שונים.

    לדוגמה, מדענים קבעו כי ציטוכרום אנושי c מכיל 104 חומצות אמינו. עבור כל מולקולת ציטוכרום c שעברה רצף עד כה מאורגניזמים שונים, 37 מחומצות אמינו אלו מופיעות באותו מיקום בכל ציטוכרום ג זה מצביע על כך שכל האורגניזמים הללו הם צאצאים מאב קדמון משותף. בהשוואת רצפי החלבון האנושי והשימפנזה, לא נמצא הבדל ברצף. כאשר הושוו רצפי קופים אנושיים ורזוס, נמצא הבדל יחיד בחומצת אמינו אחת. לעומת זאת, השוואות בין אדם לשמרים מראות הבדל ב -44 חומצות אמינו, דבר המצביע על כך שלבני אדם ולשימפנזים יש אב קדמון משותף עדכני יותר מבני אדם וקוף הרזוס, או בני אדם ושמרים.

    מבנה חלבון

    כפי שנדון קודם לכן, צורת החלבון היא קריטית לתפקודו. כדי להבין כיצד החלבון מקבל את צורתו או הקונפורמציה הסופית שלו, עלינו להבין את ארבע הרמות של מבנה החלבון: ראשוני, משני, שלישוני ורבעוני (איור). \(\PageIndex{9}\)

    הרצף הייחודי ומספר חומצות האמינו בשרשרת פוליפפטיד הוא המבנה העיקרי שלה. הרצף הייחודי לכל חלבון נקבע בסופו של דבר על ידי הגן המקודד לחלבון. כל שינוי ברצף הגנים עלול להוביל להוספת חומצת אמינו אחרת לשרשרת הפוליפפטיד, ולגרום לשינוי במבנה החלבון ובתפקודו. באנמיה חרמשית, לשרשרת ההמוגלובין β יש תחליף חומצת אמינו יחיד, מה שגורם לשינוי הן במבנה והן בתפקוד החלבון. מה שהכי מדהים לקחת בחשבון הוא שמולקולת המוגלובין מורכבת משתי שרשראות אלפא ושתי שרשראות בטא שכל אחת מהן מורכבת מכ -150 חומצות אמינו. למולקולה, אם כן, יש כ -600 חומצות אמינו. ההבדל המבני בין מולקולת המוגלובין רגילה למולקולת תאי חרמש - שמפחיתה באופן דרמטי את תוחלת החיים אצל האנשים המושפעים - היא חומצת אמינו אחת של 600.

    בגלל שינוי זה של חומצת אמינו אחת בשרשרת, תאי הדם האדומים בדרך כלל דו-קעורים, או בצורת דיסק, מקבלים צורה של סהר או "מגל", הסותמת עורקים. זה יכול להוביל למספר עצום של בעיות בריאותיות חמורות, כמו קוצר נשימה, סחרחורת, כאבי ראש וכאבי בטן עבור אלו הסובלים ממחלה זו.

    דפוסי קיפול הנובעים מאינטראקציות בין החלקים שאינם קבוצת R של חומצות אמינו מולידים את המבנה המשני של החלבון. הנפוצים ביותר הם מבני הסדין הקפלים אלפא (α) -סליל ובטא (β). שני המבנים מוחזקים בצורה על ידי קשרי מימן. בסליל האלפא נוצרים הקשרים בין כל חומצת אמינו רביעית וגורמים לפיתול בשרשרת חומצות האמינו.

    ביריעת הקפלים β, ה"קפלים" נוצרים על ידי קישור מימן בין אטומים על עמוד השדרה של שרשרת הפוליפפטיד. קבוצות R מחוברות לפחמנים, ומשתרעות מעל ומתחת לקפלי הקפל. מקטעי הקפלים מתיישרים במקביל זה לזה, וקשרי מימן נוצרים בין אותם זוגות אטומים על כל אחת מחומצות האמינו המיושרות. מבני היריעות α-helix ו- β קפלים נמצאים בחלבונים כדוריים וסיביים רבים.

    המבנה התלת מימדי הייחודי של פוליפפטיד ידוע כמבנה השלישוני שלו. מבנה זה נגרם על ידי אינטראקציות כימיות בין חומצות אמינו שונות ואזורים של הפוליפפטיד. בעיקר, האינטראקציות בין קבוצות R יוצרות את המבנה השלישוני התלת מימדי המורכב של חלבון. יתכנו קשרים יוניים בין קבוצות R על חומצות אמינו שונות, או קשר מימן מעבר לזה המעורב במבנה המשני. כאשר מתרחש קיפול חלבונים, קבוצות ה- R ההידרופוביות של חומצות אמינו לא קוטביות מונחות בחלק הפנימי של החלבון, ואילו קבוצות ה- R ההידרופיליות מונחות מבחוץ. סוגי האינטראקציות הקודמים ידועים גם בשם אינטראקציות הידרופוביות.

    בטבע, חלק מהחלבונים נוצרים מכמה פוליפפטידים, המכונים גם יחידות משנה, והאינטראקציה של יחידות משנה אלה יוצרת את המבנה הרבעוני. אינטראקציות חלשות בין יחידות המשנה עוזרות לייצב את המבנה הכללי. לדוגמה, המוגלובין הוא שילוב של ארבע יחידות משנה של פוליפפטיד.

    ארבעה סוגים של מבנה חלבון
    איור\(\PageIndex{9}\): ניתן לראות את ארבע הרמות של מבנה החלבון באיורים אלה. (קרדיט: שינוי העבודה על ידי המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי)

    לכל חלבון יש רצף וצורה ייחודיים משלו המוחזקים יחד על ידי אינטראקציות כימיות. אם החלבון נתון לשינויים בטמפרטורה, ב- pH או בחשיפה לכימיקלים, מבנה החלבון עשוי להשתנות ולאבד את צורתו במה שמכונה דנטורציה כפי שנדון קודם לכן. דנטורציה היא לעתים קרובות הפיכה מכיוון שהמבנה הראשוני נשמר אם חומר הדנטורציה מוסר, מה שמאפשר לחלבון לחדש את תפקודו. לפעמים דנטורציה היא בלתי הפיכה, מה שמוביל לאובדן תפקוד. דוגמה אחת לדנטורציה של חלבון ניתן לראות כאשר ביצה מטוגנת או מבושלת. חלבון האלבומין בחלבון הביצה הנוזלי מפוגל כאשר הוא מונח בתבנית חמה, ומשתנה מחומר שקוף לחומר לבן אטום. לא כל החלבונים עוברים דנטורציה בטמפרטורות גבוהות; למשל, לחיידקים ששורדים במעיינות חמים יש חלבונים המותאמים לתפקוד בטמפרטורות אלה.

    מושג בפעולה

    לפרספקטיבה נוספת על חלבונים, חקור את "ביומולקולות: החלבונים" באמצעות אנימציה אינטראקטיבית זו.

    חומצות גרעין

    חומצות גרעין הן מקרומולקולות מפתח בהמשכיות החיים. הם נושאים את התוכנית הגנטית של תא ונושאים הוראות לתפקוד התא.

    שני הסוגים העיקריים של חומצות גרעין הם חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) וחומצה ריבונוקלאית (RNA). DNA הוא החומר הגנטי המצוי בכל האורגניזמים החיים, החל מחיידקים חד תאיים ועד יונקים רב תאיים.

    הסוג השני של חומצת גרעין, RNA, מעורב בעיקר בסינתזת חלבונים. מולקולות ה- DNA לעולם אינן עוזבות את הגרעין, אלא משתמשות במתווך RNA כדי לתקשר עם שאר התא. סוגים אחרים של RNA מעורבים גם בסינתזת חלבון ובוויסות שלה.

    DNA ו- RNA מורכבים ממונומרים המכונים נוקלאוטידים. הנוקלאוטידים משתלבים זה בזה ויוצרים פולינוקלאוטיד, DNA או RNA. כל נוקלאוטיד מורכב משלושה מרכיבים: בסיס חנקני, סוכר פנטוז (חמישה פחמנים) וקבוצת פוספט (איור). \(\PageIndex{10}\) כל בסיס חנקני בנוקלאוטיד מחובר למולקולת סוכר, המחוברת לקבוצת פוספט.

    מבנה של נוקלאוטיד.
    איור\(\PageIndex{10}\): נוקלאוטיד מורכב משלושה מרכיבים: בסיס חנקני, סוכר פנטוז וקבוצת פוספט.

    מבנה סליל כפול של DNA

    ל- DNA יש מבנה סליל כפול (איור\(\PageIndex{11}\)). הוא מורכב משני גדילים, או פולימרים, של נוקלאוטידים. הגדילים נוצרים עם קשרים בין קבוצות פוספט וסוכר של נוקלאוטידים סמוכים. הגדילים קשורים זה לזה בבסיסיהם בקשרי מימן, והחוטים מתפתלים זה על זה לאורכם, ומכאן תיאור "הסליל הכפול", שפירושו ספירלה כפולה.

    סליל כפול של DNA.
    איור\(\PageIndex{11}\): מודל הסליל הכפול מציג את ה- DNA כשני גדילים מקבילים של מולקולות שזורות זו בזו. (קרדיט: ג'רום ווקר, דניס מיטס)

    קבוצות הסוכר והפוספט המתחלפות שוכבות בחלק החיצוני של כל גדיל ויוצרות את עמוד השדרה של ה-DNA. הבסיסים החנקניים נערמים בפנים, כמו מדרגות גרם מדרגות, ובסיסים אלה מזדווגים; הזוגות קשורים זה לזה על ידי קשרי מימן. הבסיסים מזדווגים בצורה כזו שהמרחק בין עמוד השדרה של שני הגדילים זהה לאורך כל המולקולה.

    סיכום

    יצורים חיים מבוססים על פחמן מכיוון שפחמן ממלא תפקיד כה בולט בכימיה של יצורים חיים. ארבע עמדות הקשר הקוולנטיות של אטום הפחמן יכולות להוליד מגוון רחב של תרכובות בעלות פונקציות רבות, מה שמסביר את חשיבות הפחמן ביצורים חיים. פחמימות הן קבוצה של מקרומולקולות המהוות מקור אנרגיה חיוני לתא, מספקות תמיכה מבנית לאורגניזמים רבים, וניתן למצוא אותן על פני התא כקולטנים או לזיהוי תאים. פחמימות מסווגות כמונוסכרידים, דו סוכרים ופוליסכרידים, בהתאם למספר המונומרים במולקולה.

    ליפידים הם סוג של מקרומולקולות שאינן קוטביות והידרופוביות באופיין. הסוגים העיקריים כוללים שומנים ושמנים, שעווה, פוספוליפידים וסטרואידים. שומנים ושמנים הם צורה מאוחסנת של אנרגיה ויכולים לכלול טריגליצרידים. שומנים ושמנים מורכבים בדרך כלל מחומצות שומן וגליצרול.

    חלבונים הם סוג של מקרומולקולות שיכולות לבצע מגוון רחב של פונקציות עבור התא. הם מסייעים בחילוף החומרים על ידי מתן תמיכה מבנית ועל ידי פעולה כאנזימים, נשאים או כהורמונים. אבני הבניין של חלבונים הן חומצות אמינו. החלבונים מאורגנים בארבע רמות: ראשוני, משני, שלישוני ורבעוני. צורת החלבון ותפקודו קשורים באופן מורכב; כל שינוי בצורה הנגרם כתוצאה משינויים בטמפרטורה, pH או חשיפה כימית עלול להוביל לדנטורציה של חלבון ולאובדן תפקוד.

    חומצות גרעין הן מולקולות המורכבות מיחידות חוזרות של נוקלאוטידים המכוונות פעילויות תאיות כמו חלוקת תאים וסינתזת חלבון. כל נוקלאוטיד מורכב מסוכר פנטוז, בסיס חנקני וקבוצת פוספט. ישנם שני סוגים של חומצות גרעין: DNA ו- RNA.

    רשימת מילים

    חומצת אמינו
    מונומר של חלבון
    פחמימה
    מקרומולקולה ביולוגית שבה היחס בין פחמן למימן לחמצן הוא 1:2: 1; פחמימות משמשות כמקורות אנרגיה ותמיכה מבנית בתאים
    תאית
    פוליסכריד המרכיב את דפנות התא של הצמחים ומספק תמיכה מבנית לתא
    כיטין
    סוג של פחמימה היוצרת את השלד החיצוני של פרוקי רגליים, כגון חרקים וסרטנים, ודפנות התא של פטריות
    דנטורציה
    אובדן הצורה בחלבון כתוצאה משינויים בטמפרטורה, pH או חשיפה לכימיקלים
    חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA)
    פולימר דו-גדילי של נוקלאוטידים הנושא את המידע התורשתי של התא
    דו סוכר
    שני מונומרים סוכר המקושרים יחד על ידי קשר פפטיד
    אנזים
    זרז בתגובה ביוכימית שהיא בדרך כלל חלבון מורכב או מצומד
    שמן
    מולקולת שומנים המורכבת משלוש חומצות שומן וגליצרול (טריגליצריד) הקיימת בדרך כלל בצורה מוצקה בטמפרטורת החדר
    גליקוגן
    פחמימה אחסון בבעלי חיים
    הורמון
    מולקולת איתות כימית, בדרך כלל חלבון או סטרואיד, המופרשת על ידי בלוטה אנדוקרינית או קבוצה של תאים אנדוקריניים; פועל לשליטה או ויסות תהליכים פיזיולוגיים ספציפיים
    שומנים
    מחלקה של מקרומולקולות שאינן קוטביות ובלתי מסיסות במים
    מקרומולקולה
    מולקולה גדולה, שנוצרת לעתים קרובות על ידי פילמור של מונומרים קטנים יותר
    מונוסכריד
    יחידה אחת או מונומר של פחמימות
    חומצת גרעין
    מקרומולקולה ביולוגית הנושאת את המידע הגנטי של תא ונושאת הוראות לתפקוד התא
    נוקלאוטיד
    מונומר של חומצות גרעין; מכיל סוכר פנטוז, קבוצת פוספט ובסיס חנקני
    נפט
    שומן בלתי רווי שהוא נוזל בטמפרטורת החדר
    פוספוליפיד
    מרכיב עיקרי בממברנות התאים; מורכב משתי חומצות שומן וקבוצת פוספט המחוברת לעמוד השדרה של גליצרול
    פוליפפטיד
    שרשרת ארוכה של חומצות אמינו המקושרות בקשרי פפטיד
    פוליסכריד
    שרשרת ארוכה של מונוסכרידים; עשוי להיות מסועף או לא מסועף
    חלבון
    מקרומולקולה ביולוגית המורכבת משרשרת אחת או יותר של חומצות אמינו
    חומצה ריבונוקלאית (RNA)
    פולימר חד גדילי של נוקלאוטידים המעורב בסינתזת חלבון
    חומצת שומן רוויה
    פחמימן ארוך שרשרת עם קשרים קוולנטיים בודדים בשרשרת הפחמן; מספר אטומי המימן המחוברים לשלד הפחמן מוגדל
    עמילן
    פחמימה אחסון בצמחים
    סטרואיד
    סוג של שומנים המורכבים מארבע טבעות פחמימנים התמזגו
    שומן טרנס
    צורה של שומן בלתי רווי כאשר אטומי המימן שכנים לקשר הכפול זה מול זה ולא באותו צד של הקשר הכפול
    טריגליצרידים
    מולקולת שומן; מורכב משלוש חומצות שומן המקושרות למולקולת גליצרול
    חומצת שומן בלתי רוויה
    פחמימן בעל שרשרת ארוכה שיש לו קשר כפול אחד או יותר בשרשרת הפחמימנים

    תורמים וייחוסים