2.6: Misombo ya kikaboni muhimu kwa Utendaji wa Binadamu

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Kutambua aina nne za molekuli hai muhimu kwa utendaji wa binadamu
• Eleza kemia nyuma ya mshikamano wa kaboni kwa kuunganisha kwa ushirikiano katika misombo ya kikaboni
• Kutoa mifano ya aina tatu za wanga, na kutambua kazi za msingi za wanga katika mwili
• Jadili aina nne za lipids muhimu katika utendaji wa binadamu
• Eleza muundo wa protini, na kujadili umuhimu wao kwa utendaji wa binadamu
• Kutambua vitalu vya ujenzi wa asidi ya nucleic, na majukumu ya DNA, RNA, na ATP katika utendaji wa binadamu

Organic misombo kawaida wajumbe wa makundi ya atomi kaboni covalently bonded na hidrojeni, kawaida oksijeni, na mara nyingi mambo mengine kama vile. Wao hupatikana duniani kote, katika udongo na bahari, bidhaa za kibiashara, na kila kiini cha mwili wa mwanadamu. Aina nne muhimu zaidi kwa muundo wa binadamu na kazi ni wanga, lipids, protini, na asidi nucleic. Kabla ya kuchunguza misombo hii, unahitaji kwanza kuelewa kemia ya kaboni.

Kemia ya Carbon

Kinachofanya misombo ya kikaboni ubiquitous ni kemia ya msingi wao wa kaboni. Kumbuka kwamba atomi za kaboni zina elektroni nne katika ganda lao la valence, na kwamba utawala wa octet unaamuru kwamba atomi huwa na kuguswa kwa njia ya kukamilisha shell yao ya valence kwa elektroni nane. Atomi za kaboni hazimaliza maganda yao ya valence kwa kuchangia au kukubali elektroni nne. Badala yake, wao hushiriki elektroni kwa urahisi kupitia vifungo vya covalent.

Kwa kawaida, atomi za kaboni hushirikiana na atomi nyingine za kaboni, mara nyingi kutengeneza mnyororo mrefu wa kaboni unaojulikana kama mifupa ya kaboni. Wakati wao kushiriki, hata hivyo, hawana kushiriki elektroni zao zote peke na kila mmoja. Badala yake, atomi za kaboni huwa na kushiriki elektroni na elementi nyingine mbalimbali, moja ambayo daima ni hidrojeni. Makundi ya kaboni na hidrojeni huitwa hidrokaboni. Ikiwa unasoma takwimu za misombo ya kikaboni katika salio la sura hii, utaona kadhaa na minyororo ya hidrokaboni katika eneo moja la kiwanja.

Mchanganyiko mingi inawezekana kujaza “nafasi za kazi” nne za kaboni. Kaboni inaweza kugawana elektroni na oksijeni au nitrojeni au atomi nyingine katika eneo fulani la kiwanja kikaboni. Aidha, atomi ambazo atomi za kaboni dhamana zinaweza pia kuwa sehemu ya kundi la kazi. Kundi la kazi ni kundi la atomi linalounganishwa na vifungo vikali vya covalent na kutaka kufanya kazi katika athari za kemikali kama kitengo kimoja. Unaweza kufikiria makundi ya kazi kama “cliques” tightly kuunganishwa ambao wanachama wao ni uwezekano wa kugawanyika. Makundi matano ya kazi ni muhimu katika physiolojia ya binadamu; haya ni makundi ya hydroxyl, carboxyl, amino, methyl na phosphate (Jedwali 2.1).

Vikundi vya kazi muhimu katika Physiolojia ya Binadamu

Kundi la kazi	Fomu ya kimuundo	Umuhimu
Hydroxyl	—O—H	Makundi ya Hydroxyl ni polar. Wao ni vipengele vya aina zote nne za misombo ya kikaboni iliyojadiliwa katika sura hii. Wanahusika katika awali ya upungufu wa maji mwilini na athari za hidrolisisi.
Carboxyl		Makundi ya carboxyl hupatikana ndani ya asidi ya mafuta, amino asidi, na asidi nyingine nyingi.
Amino	—N—H 2	Makundi ya amino hupatikana ndani ya amino asidi, vitalu vya ujenzi wa protini.
Methyl	—C—H 3	Makundi ya methyl hupatikana ndani ya asidi amino.
phosphate	—P—O 4 ^2—	Makundi ya phosphate hupatikana ndani ya phospholipids na nucleotidi.

Jedwali 2.1

Mshikamano wa kaboni kwa bonding covalent ina maana kwamba molekuli nyingi za kikaboni tofauti na imara hata hivyo huunda molekuli kubwa, ngumu zaidi. Molekuli yoyote kubwa inajulikana kama macromolecule (macro- = “kubwa”), na misombo ya kikaboni katika sehemu hii yote inafaa maelezo haya. Hata hivyo, baadhi ya macromolecules huundwa na “nakala” kadhaa za vitengo moja vinavyoitwa monoma (mono- = “moja”; -mer = “sehemu”). Kama shanga katika mkufu mrefu, monoma hizi zinaunganishwa na vifungo vya covalent ili kuunda polima ndefu (poly- = “wengi”). Kuna mifano mingi ya monoma na polima kati ya misombo ya kikaboni.

Monoma huunda polima kwa kushiriki katika awali ya kutokomeza maji mwilini (angalia Mchoro 2.14). Kama ilivyoelezwa hapo awali, mmenyuko huu husababisha kutolewa kwa molekuli ya maji. Kila monoma huchangia: Mmoja anatoa atomi ya hidrojeni na nyingine hutoa kundi la hidroxyl. Polima hugawanyika katika monoma na hidrolisisi (-lysis = “kupasuka”). Vifungo kati ya monoma yao vimevunjika, kupitia mchango wa molekuli ya maji, ambayo inachangia atomu ya hidrojeni kwa monoma moja na kundi la hidroksili hadi nyingine.

Karodi

Neno la kabohaidreti linamaanisha “kaboni iliyohifadhiwa. Kumbuka kwamba mizizi ya hidrojeni- inaonyesha maji. Kabohaidreti ni molekuli inayojumuisha kaboni, hidrojeni, na oksijeni; katika wanga nyingi, hidrojeni na oksijeni hupatikana katika idadi sawa ya jamaa mbili hadi moja wanayo katika maji. Kwa kweli, formula ya kemikali kwa molekuli ya “generic” ya kabohaidreti ni (CH ₂ O) _n.

Karodi hujulikana kama saccharides, neno linalomaanisha “sukari.” Aina tatu ni muhimu katika mwili. Monosaccharides ni monomers ya wanga. Disaccharides (di- = “mbili”) hujumuishwa na monoma mbili. Polysaccharides ni polima, na inaweza kuwa na mamia hadi maelfu ya monomers.

Monosaccharides

Monosaccharide ni monoma ya wanga. Monosaccharides tano ni muhimu katika mwili. Tatu kati ya hizi ni sukari ya hexose, hivyo huitwa kwa sababu kila mmoja huwa na atomi sita za kaboni. Hizi ni glucose, fructose, na galactose, iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 2.18 a. Monosaccharides iliyobaki ni sukari mbili za pentose, ambayo kila mmoja ina atomi tano za kaboni. Wao ni ribose na deoxyribose, inavyoonekana katika Kielelezo 2.18 b.

Kielelezo 2.18 Monosaccharides Tano muhimu

Disaccharides

Disaccharide ni jozi ya monosaccharides. Disaccharides hutengenezwa kupitia awali ya upungufu wa maji mwilini, na dhamana inayounganisha inajulikana kama dhamana ya glycosidic (glyco- = “sukari”). Disaccharides tatu (inavyoonekana katika Kielelezo 2.19) ni muhimu kwa wanadamu. Hizi ni sucrose, kawaida inajulikana kama sukari meza; lactose, au maziwa sukari; na maltose, au malt sukari. Kama unavyoweza kusema kutokana na majina yao ya kawaida, unakula haya katika mlo wako; hata hivyo, mwili wako hauwezi kuitumia moja kwa moja. Badala yake, katika njia ya utumbo, hugawanywa katika monosaccharides yao ya sehemu kupitia hidrolisisi.

Kielelezo 2.19 Tatu Disaccharides muhimu zote tatu muhimu disaccharides fomu na upungufu wa maji mwilini awali.

Interactive Link

Tazama video hii ili uangalie malezi ya disaccharide. Ni nini kinachotokea wakati maji hukutana na dhamana ya glycosidic?

Polysaccharides

Polysaccharides inaweza kuwa na monosaccharides chache hadi elfu au zaidi. Tatu ni muhimu kwa mwili (Kielelezo 2.20):

• Wanga ni polima ya glucose. Zinatokea katika minyororo ndefu inayoitwa amylose au minyororo ya matawi iitwayo amylopectini, yote ambayo huhifadhiwa katika vyakula vya mimea na ni rahisi sana kuchimba.
• Glycogen pia ni polymer ya glucose, lakini ni kuhifadhiwa katika tishu za wanyama, hasa katika misuli na ini. Haichukuliwi kuwa kabohaidreti ya chakula kwa sababu glycogen kidogo sana inabakia katika tishu za wanyama baada ya kuchinjwa; hata hivyo, mwili wa binadamu huhifadhi glucose ya ziada kama glycogen, tena, katika misuli na ini.
• Cellulose, polysaccharide ambayo ni sehemu ya msingi ya ukuta wa seli ya mimea ya kijani, ni sehemu ya chakula cha mimea inayojulikana kama “fiber”. Kwa binadamu, selulose/fiber haipatikani; hata hivyo, nyuzi za malazi zina faida nyingi za kiafya. Ni husaidia kujisikia kamili hivyo kula kidogo, ni kukuza njia ya afya ya utumbo, na chakula high katika fiber ni mawazo ya kupunguza hatari ya ugonjwa wa moyo na uwezekano wa baadhi ya aina ya kansa.

Kielelezo 2.20 Polysaccharides Tatu muhimu Polysaccharides tatu muhimu ni wanga, glycogen, na fiber.

Kazi za Wanga

Mwili hupata wanga kutoka vyakula vya mimea. Mbegu, matunda, na mboga na mboga nyingine hutoa zaidi ya kabohaidreti katika chakula cha binadamu, ingawa lactose hupatikana katika bidhaa za maziwa.

Ingawa seli nyingi za mwili zinaweza kuvunja misombo mingine ya kikaboni kwa mafuta, seli zote za mwili zinaweza kutumia glucose. Aidha, seli za ujasiri (neurons) katika ubongo, kamba ya mgongo, na kupitia mfumo wa neva wa pembeni, pamoja na seli nyekundu za damu, zinaweza kutumia glucose tu kwa mafuta. Katika kuvunjika kwa glucose kwa nishati, molekuli ya adenosine triphosphate, inayojulikana zaidi kama ATP, huzalishwa. Adenosine triphosphate (ATP) inajumuisha sukari ya ribose, msingi wa adenine, na makundi matatu ya phosphate. ATP hutoa nishati ya bure wakati vifungo vyake vya phosphate vimevunjika, na hivyo hutoa nishati tayari kwenye seli. ATP zaidi huzalishwa mbele ya oksijeni (O ₂) kuliko katika njia ambazo hazitumii oksijeni. Menyu ya jumla ya uongofu wa nishati katika glucose kwa nishati iliyohifadhiwa katika ATP inaweza kuandikwa:

$${\text{C}}_{\text{6}}{\text{H}}_{\text{12}}{\text{O}}_{\text{6}}{\text{+ 6 YA}}_{\text{2}}\to {\text{6 USHIRIKIANO}}_{\text{2}}{\text{+ 6 H}}_{\text{2}}\text{AU + ATP}$$

Mbali na kuwa chanzo muhimu cha mafuta, wanga hupo kwa kiasi kidogo sana katika muundo wa seli. Kwa mfano, baadhi ya molekuli carbohydrate hufunga na protini kuzalisha glycoproteins, na wengine huchanganya na lipids kuzalisha glycolipids, zote mbili ambazo hupatikana katika utando unaozunguka yaliyomo ya seli za mwili.

Lipids

Lipid ni moja ya kundi tofauti sana la misombo linaloundwa na hidrokaboni. Atomi chache za oksijeni ambazo zina mara nyingi ziko pembezoni mwa molekuli. Hidrokaboni zao zisizo na polar hufanya lipids zote hydrophobic. Katika maji, lipids hazifanyi suluhisho la kweli, lakini zinaweza kuunda emulsion, ambayo ni neno la mchanganyiko wa ufumbuzi usiochanganyike vizuri.

Triglycerides

Triglyceride ni mojawapo ya makundi ya kawaida ya lipid ya chakula, na aina hiyo inapatikana kwa wingi katika tishu za mwili. Kiwanja hiki, ambacho hujulikana kama mafuta, hutengenezwa kutoka kwa awali ya aina mbili za molekuli (Mchoro 2.21):

• Uti wa mgongo wa glycerol katika msingi wa triglycerides, una atomi tatu za kaboni.
• Asidi tatu za mafuta, minyororo ndefu ya hidrokaboni na kikundi cha carboxyl na kikundi cha methyl kwa ncha tofauti, huenea kutoka kila kaboni ya glycerol.

Kielelezo 2.21 Triglycerides Triglycerides zinajumuisha GLYCEROL masharti ya asidi tatu mafuta kupitia upungufu wa maji mwilini awali. Kumbuka kwamba glycerol hutoa atomi ya hidrojeni, na makundi ya carboxyl kwenye asidi ya mafuta kila huacha kundi la hydroxyl.

Triglycerides fomu kupitia awali ya maji mwilini. Glycerol hutoa atomi za hidrojeni kutoka kwa makundi yake ya hydroxyl katika kila dhamana, na kikundi cha carboxyl kwenye kila mlolongo wa asidi ya mafuta hutoa kundi la hidroxyl. Jumla ya molekuli tatu za maji hutolewa kwa hiyo.

Minyororo ya asidi ya mafuta ambayo haina vifungo vya kaboni mara mbili popote pamoja na urefu wake na hivyo yana idadi kubwa ya atomi za hidrojeni huitwa asidi ya mafuta yaliyojaa. Minyororo hii ya moja kwa moja, imara huunganisha pamoja na ni imara au nusu imara kwenye joto la kawaida (Mchoro 2.22 a). Butter na kitunguu ni mifano, kama vile mafuta hupatikana kwenye steak au katika mwili wako mwenyewe. Kwa upande mwingine, asidi ya mafuta yenye dhamana moja ya kaboni ni kinked katika dhamana hiyo (Kielelezo 2.22 b). Hizi asidi monounsaturated mafuta kwa hiyo hawawezi pakiti pamoja kukazwa, na ni kioevu kwenye joto la kawaida. Asidi ya mafuta ya polyunsaturated yana vifungo viwili au zaidi ya kaboni, na pia ni kioevu kwenye joto la kawaida. Mafuta ya mimea kama vile mafuta huwa na asidi ya mafuta ya mono- na polyunsaturated.

Kielelezo 2.22 Maumbo ya Asidi ya mafuta Kiwango cha kueneza kwa asidi ya mafuta huathiri sura yake. (a) Minyororo iliyojaa mafuta ya asidi ni sawa. (b) Minyororo isiyojaa mafuta ya asidi ni kinked.

Wakati chakula cha juu katika asidi iliyojaa mafuta huongeza hatari ya ugonjwa wa moyo, chakula cha juu katika asidi zisizojaa mafuta hufikiriwa kupunguza hatari. Hii ni kweli hasa kwa omega-3 unsaturated fatty asidi kupatikana katika samaki baridi maji kama vile lax. Asidi hizi za mafuta zina dhamana yao ya kwanza ya kaboni mara mbili kwenye hydrocarbon ya tatu kutoka kikundi cha methyl (kinachojulikana kama mwisho wa omega wa molekuli).

Hatimaye, trans fatty kali kupatikana katika baadhi ya vyakula kusindika, ikiwa ni pamoja na baadhi ya majarini fimbo na tub, ni mawazo kuwa hata zaidi madhara kwa moyo na mishipa ya damu kuliko ulijaa fatty kali. Mafuta ya Trans hutengenezwa kutokana na asidi zisizohifadhiwa za mafuta (kama vile mafuta ya mahindi) wakati wa kutibiwa kwa kemikali ili kuzalisha mafuta ya sehemu ya hidrojeni.

Kama kikundi, triglycerides ni chanzo kikubwa cha mafuta kwa mwili. Unapopumzika au usingizi, nishati nyingi zinazotumiwa kuwalinda hai zinatokana na triglycerides zilizohifadhiwa kwenye tishu zako za mafuta (adipose). Triglycerides pia mafuta ya muda mrefu, polepole shughuli za kimwili kama vile bustani au hiking, na kuchangia asilimia ya kawaida ya nishati kwa ajili ya shughuli kraftfulla kimwili. Malazi mafuta pia husaidia ngozi na usafiri wa nonpolar mafuta mumunyifu vitamini A, D, E, na K. Zaidi ya hayo, kuhifadhiwa mwili mafuta kulinda na matakia mifupa ya mwili na viungo vya ndani, na vitendo kama insulation kuhifadhi joto mwili.

Asidi ya mafuta pia ni sehemu ya glycolipids, ambayo ni misombo ya sukari-mafuta inayopatikana kwenye membrane ya seli. Lipoproteins ni misombo ambayo triglycerides ya hydrophobic ni vifurushi katika bahasha za protini kwa usafiri katika maji ya mwili.

Phospholipids

Kama jina lake linavyoonyesha, phospholipid ni dhamana kati ya sehemu ya glycerol ya lipid na molekuli ya fosforasi. Kwa kweli, phospholipids ni sawa na muundo wa triglycerides. Hata hivyo, badala ya kuwa na asidi tatu za mafuta, phospholipid huzalishwa kutoka diglyceride, glycerol yenye minyororo miwili tu ya asidi ya mafuta (Mchoro 2.23). Tovuti ya tatu ya kumfunga kwenye glycerol inachukuliwa na kundi la phosphate, ambalo linaunganishwa na eneo la “kichwa” cha polar cha molekuli. Kumbuka kwamba triglycerides ni nonpolar na hydrophobic. Hii bado inashikilia sehemu ya asidi ya mafuta ya kiwanja cha phospholipid. Hata hivyo, kichwa cha phospholipid kina mashtaka kwenye vikundi vya phosphate, pamoja na atomi ya nitrojeni. Mashtaka haya hufanya kichwa cha phospholipid hydrophilic. Kwa hiyo, phospholipids inasemekana kuwa na mikia ya hydrophobic, iliyo na asidi ya mafuta ya neutral, na vichwa vya hydrophilic, vyenye vikundi vya phosphate vinavyotakiwa na atomi

Kielelezo 2.23 Lipids nyingine muhimu (a) Phospholipids zinajumuisha asidi mbili za mafuta, glycerol, na kundi la phosphate. (b) Sterols ni lipids zenye umbo la pete. Imeonyeshwa hapa ni cholesterol. (c) Prostaglandini zinatokana na asidi zisizohifadhiwa za mafuta. Prostaglandin E2 (PGE2) inajumuisha makundi ya hydroxyl na carboxyl.

Steroids

Kiwanja cha steroid (kinachojulikana kama sterol) kina msingi wake seti ya pete nne za hydrocarbon zilizounganishwa na atomi mbalimbali na molekuli nyingine (angalia Mchoro 2.23 b). Ingawa mimea na wanyama wote kuunganisha sterols, aina ambayo hufanya mchango muhimu zaidi kwa muundo wa binadamu na kazi ni cholesterol, ambayo ni synthesized na ini katika binadamu na wanyama na pia ni sasa katika vyakula wengi wanyama makao. Kama lipids nyingine, hidrokaboni ya cholesterol huifanya hydrophobic; hata hivyo, ina kichwa cha hidroxyl cha polar ambacho ni hydrophilic. Cholesterol ni sehemu muhimu ya asidi ya bile, misombo ambayo husaidia kuimarisha mafuta ya chakula. Kwa kweli, neno la mizizi chole- linamaanisha bile. Cholesterol pia ni kizuizi cha ujenzi wa homoni nyingi, kuashiria molekuli kwamba mwili hutoa kudhibiti taratibu katika maeneo ya mbali. Hatimaye, kama phospholipids, molekuli ya cholesterol hupatikana kwenye utando wa seli, ambapo mikoa yao ya hydrophobic na hydrophilic husaidia kudhibiti mtiririko wa vitu ndani na nje ya seli.

Prostaglandini

Kama homoni, prostaglandini ni moja ya kundi la molekuli za ishara, lakini prostaglandini hutolewa na asidi zisizohifadhiwa za mafuta (angalia Mchoro 2.23 c). Sababu moja kwamba omega-3 fatty kali kupatikana katika samaki ni ya manufaa ni kwamba wao kuchochea uzalishaji wa prostaglandini fulani kwamba kusaidia kudhibiti masuala ya shinikizo la damu na kuvimba, na hivyo kupunguza hatari ya ugonjwa wa moyo. Prostaglandini pia huhamasisha mishipa kwa maumivu. Darasa moja la dawa za kupunguza maumivu inayoitwa madawa yasiyo ya steroidal ya kupambana na uchochezi (NSAIDs) hufanya kazi kwa kupunguza madhara ya prostaglandini.

Protini

Unaweza kuhusisha protini na tishu za misuli, lakini kwa kweli, protini ni vipengele muhimu vya tishu zote na viungo. Protini ni molekuli ya kikaboni inayojumuisha asidi amino inayohusishwa na vifungo vya peptidi. Protini ni pamoja na keratini katika epidermis ya ngozi ambayo inalinda tishu za msingi, collagen inayopatikana katika dermis ya ngozi, katika mifupa, na katika meninges inayofunika ubongo na uti wa mgongo. Protini pia ni sehemu ya wengi wa mwili wa kemikali kazi, ikiwa ni pamoja na Enzymes utumbo katika njia ya utumbo, kingamwili, neurotransmitters kwamba neurons kutumia kuwasiliana na seli nyingine, na homoni peptidi makao ambayo kudhibiti baadhi ya kazi mwili (kwa mfano, ukuaji wa homoni). Wakati wanga na lipidi zinajumuisha hidrokaboni na oksijeni, protini zote pia zina nitrojeni (N), na nyingi zina sulfuri (S), pamoja na kaboni, hidrojeni, na oksijeni.

Microstructure ya Protini

Protini ni polima zinazoundwa na monoma zenye nitrojeni zinazoitwa amino asidi. Asidi amino ni molekuli linajumuisha kundi la amino na kundi la kaboksili, pamoja na mnyororo wa upande wa kutofautiana. 20 tu asidi amino tofauti kuchangia karibu wote wa maelfu ya protini mbalimbali muhimu katika muundo wa binadamu na kazi. Protini za mwili zina mchanganyiko wa kipekee wa kadhaa kadhaa hadi mia chache ya monomers hizi 20 za amino asidi. Wote 20 wa asidi hizi za amino hushiriki muundo sawa (Kielelezo 2.24). Wote hujumuisha atomi kuu ya kaboni ambayo yafuatayo yanafungwa:

• atomi ya hidrojeni
• alkali (msingi) amino kundi NH ₂ (tazama Jedwali 2.1)
• kikundi cha carboxyl tindikali COOH (angalia Jedwali 2.1)
• kikundi cha kutofautiana

Kielelezo 2.24 Muundo wa Asidi ya Amino

Angalia kwamba asidi amino zote zina asidi (kundi la carboxyl) na msingi (kundi la amino) (amine = “zenye nitrojeni”). Kwa sababu hii, wao kufanya buffers bora, kusaidia mwili kudhibiti asidi-msingi usawa. Kinachofafanua asidi amino 20 kutoka kwa mtu mwingine ni kundi lao la kutofautiana, ambalo linajulikana kama mnyororo wa upande au kikundi cha R. Kundi hili linaweza kutofautiana kwa ukubwa na linaweza kuwa polar au nonpolar, kutoa kila amino asidi sifa zake za kipekee. Kwa mfano, minyororo ya upande wa asidi amino mbili-cysteine na methionini-ina sulfuri. Sulfuri haina kushiriki kwa urahisi katika vifungo vya hidrojeni, wakati amino asidi nyingine zote hufanya. Tofauti hii inathiri njia ambazo protini zilizo na cysteine na methionine zinakusanyika.

Amino asidi kujiunga kupitia upungufu wa maji mwilini awali na kuunda polima protini (Kielelezo 2.25). Dhamana ya kipekee inayoshikilia amino asidi pamoja inaitwa dhamana ya peptidi. dhamana peptide ni dhamana covalent kati ya asidi amino mbili kwamba aina na upungufu wa maji mwilini awali. Peptide, kwa kweli, ni mlolongo mfupi sana wa amino asidi. Nguvu zenye chini ya asidi amino 100 kwa ujumla hujulikana kama polipeptidi badala ya protini.

Kielelezo 2.25 Peptide Bond Mbalimbali amino asidi kujiunga pamoja na kuunda peptidi, polypeptides, au protini kupitia upungufu wa maji mwilini awali. Vifungo kati ya asidi amino ni vifungo vya peptidi R1 na R2 vinaweza kuwa minyororo sawa au tofauti.

Mwili una uwezo wa kuunganisha zaidi ya asidi amino kutoka vipengele vya molekuli nyingine; hata hivyo, tisa haziwezi kuunganishwa na zinapaswa kutumiwa katika mlo. Hizi zinajulikana kama muhimu amino asidi.

Asidi amino za bure zinazopatikana kwa ajili ya ujenzi wa protini zinasemekana zinaishi katika bwawa la amino asidi ndani ya seli. Miundo ndani ya seli hutumia asidi hizi za amino wakati wa kukusanya protini. Ikiwa asidi amino muhimu hasa haipatikani kwa kiasi cha kutosha katika bwawa la asidi amino, hata hivyo, awali ya protini iliyo nayo inaweza kupunguza au hata kusitisha.

Muundo wa Protini

Kama vile uma hauwezi kutumiwa kula supu na kijiko hakiwezi kutumiwa kukuki nyama, umbo la protini ni muhimu kwa kazi yake. Sura ya protini imedhamiriwa, kimsingi, na mlolongo wa amino asidi ambayo hufanywa (Mchoro 2.26 a). Mlolongo huitwa muundo wa msingi wa protini.

Kielelezo 2.26 Sura ya Protini (a) Muundo wa msingi ni mlolongo wa amino asidi zinazounda mnyororo wa polipeptidi. (b) Mfumo wa sekondari, ambao unaweza kuchukua fomu ya alpha-helix au karatasi ya beta-pleated, huhifadhiwa na vifungo vya hidrojeni kati ya amino asidi katika mikoa tofauti ya strand ya awali ya polipeptidi. (c) Mfumo wa juu hutokea kama matokeo ya kupunja zaidi na kuunganisha muundo wa sekondari. (d) Muundo wa quaternary hutokea kama matokeo ya mwingiliano kati ya subunits mbili au zaidi ya juu. Mfano unaoonyeshwa hapa ni hemoglobin, protini katika seli nyekundu za damu ambayo husafirisha oksijeni kwenye tishu za mwili.

Ingawa baadhi ya polipeptidi zipo kama minyororo linear, wengi hupotoshwa au kukunjwa katika miundo tata zaidi ya sekondari ambayo huunda wakati bonding hutokea kati ya asidi amino na mali tofauti katika mikoa mbalimbali ya polipeptidi. Mfumo wa kawaida wa sekondari ni ond inayoitwa alpha-helix. Ikiwa ungepaswa kuchukua urefu wa kamba na kuifuta tu kwenye ond, haiwezi kushikilia sura. Vile vile, kamba ya amino asidi haikuweza kudumisha sura imara ya ond bila msaada wa vifungo vya hidrojeni, vinavyounda madaraja kati ya mikoa tofauti ya kamba moja (tazama Mchoro 2.26 b). Chini ya kawaida, mnyororo wa polipeptidi unaweza kuunda karatasi ya beta-pleated, ambapo vifungo vya hidrojeni huunda madaraja kati ya mikoa tofauti ya polipeptidi moja ambayo imejikunja nyuma yenyewe, au kati ya minyororo miwili au zaidi ya karibu ya polipeptidi.

Mfumo wa sekondari wa protini unaendelea zaidi kwenye sura ya tatu-dimensional, inayojulikana kama muundo wa juu wa protini (angalia Mchoro 2.26 c). Katika usanidi huu, amino asidi ambazo zilikuwa mbali sana katika mlolongo wa msingi zinaweza kuletwa karibu kabisa kupitia vifungo vya hidrojeni au, katika protini zenye cysteine, kupitia vifungo vya disulfidi. Dhamana ya disulfide ni dhamana ya covalent kati ya atomi za sulfuri katika polypeptide. Mara nyingi, mbili au zaidi tofauti polypeptides dhamana kuunda protini hata kubwa na muundo quaternary (angalia Mchoro 2.26 d). Subunits ya polypeptide inayounda muundo wa quaternary inaweza kuwa sawa au tofauti. Kwa mfano, hemoglobin, protini inayopatikana katika seli nyekundu za damu inaundwa na polipeptidi nne za juu, mbili ambazo zinaitwa minyororo ya alpha na mbili ambazo huitwa minyororo ya beta.

Wakati wao ni wazi kwa joto kali, asidi, besi, na vitu vingine vingine, protini itakuwa denature. Denaturation ni mabadiliko katika muundo wa molekuli kupitia njia za kimwili au kemikali. Protini zilizosababishwa hupoteza sura yao ya kazi na haziwezi kufanya kazi zao. Mfano wa kila siku wa denaturation ya protini ni kupikwa kwa maziwa wakati juisi ya limao ya tindikali imeongezwa.

Mchango wa sura ya protini kwa kazi yake hauwezi kuenea. Kwa mfano, sura ndefu, nyembamba ya vipande vya protini vinavyotengeneza tishu za misuli ni muhimu kwa uwezo wao wa mkataba (kufupisha) na kupumzika (kupanua). Kama mfano mwingine, mifupa yana nyuzi ndefu za protini inayoitwa collagen ambayo hufanya kama kiunzi ambacho madini ya mfupa yanawekwa. Protini hizi zilizounganishwa, zinazoitwa protini za nyuzi, zina nguvu na za kudumu na za kawaida hydrophobic.

Kwa upande mwingine, protini za globular ni globes au nyanja ambazo huwa na tendaji sana na ni hydrophilic. Protini za hemoglobin zilizojaa seli nyekundu za damu ni mfano (angalia Mchoro 2.26 d); hata hivyo, protini za globular ni nyingi katika mwili, na kucheza majukumu muhimu katika kazi nyingi za mwili. Enzymes, iliyoletwa mapema kama kichocheo cha protini, ni mifano ya hii. Sehemu inayofuata inachukua uangalifu hatua ya enzymes.

Protini Kazi kama Enzym

Ikiwa ungejaribu kuandika karatasi, na kila wakati unapopiga ufunguo kwenye kompyuta yako ya mbali kulikuwa na kuchelewa kwa dakika sita au saba kabla ya kujibu, labda ungepata laptop mpya. Kwa namna hiyo, bila enzymes kuchochea athari za kemikali, mwili wa binadamu utakuwa usio na kazi. Inafanya kazi tu kwa sababu enzymes hufanya kazi.

Athari za enzymatic-athari za kemikali zilizochochewa na enzymes-huanza wakati substrates hufunga kwa enzyme. Substrate ni reactant katika mmenyuko enzymatic. Hii hutokea kwenye mikoa ya enzyme inayojulikana kama maeneo ya kazi (Kielelezo 2.27). Enzyme yoyote iliyotolewa huchochea aina moja tu ya mmenyuko wa kemikali. Tabia hii, inayoitwa maalum, ni kutokana na ukweli kwamba substrate yenye sura fulani na malipo ya umeme yanaweza kumfunga tu kwenye tovuti inayohusika na substrate hiyo.

Kutokana na mechi hii ya jigsaw puzzle-kama kati ya enzyme na substrates zake, enzymes hujulikana kwa maalum yao. Kwa kweli, kama enzyme hufunga kwa substrate yake, muundo wa enzyme hubadilika kidogo ili kupata fit bora kati ya hali ya mpito (kati ya miundo kati ya substrate na bidhaa) na tovuti ya kazi, kama vile glove ya mpira hufunikwa kwa mkono ulioingizwa ndani yake. Mabadiliko haya ya tovuti ya kazi mbele ya substrate, pamoja na malezi ya wakati mmoja wa hali ya mpito, inaitwa ikiwa inafaa. Kwa ujumla, kuna enzyme hasa kuendana kwa kila substrate na, hivyo, kwa kila mmenyuko kemikali; hata hivyo, kuna baadhi ya kubadilika pia. Baadhi ya enzymes zina uwezo wa kutenda kwenye substrates kadhaa zinazohusiana na kimuundo.

Kielelezo 2.27 Hatua katika mmenyuko wa Enzymatic Kulingana na mfano ulioingizwa, tovuti ya kazi ya enzyme inakabiliwa na mabadiliko ya kufanana juu ya kumfunga na substrate. (a) Substrates mbinu maeneo ya kazi juu ya enzyme. (b) Substrates hufunga kwenye maeneo ya kazi, huzalisha tata ya enzyme - substrate. (c) Mabadiliko ndani ya enzyme substrate tata kuwezesha mwingiliano wa substrates. (d) Bidhaa hutolewa na enzyme inarudi kwenye fomu yake ya awali, tayari kuwezesha mmenyuko mwingine wa enzymatic.

Kufungwa kwa substrate hutoa tata ya enzyme - substrate. Inawezekana kwamba enzymes huharakisha athari za kemikali kwa sehemu kwa sababu tata ya enzyme-substrate inakabiliwa na seti ya mabadiliko ya muda na ya kubadilishwa ambayo husababisha substrates kuwa oriented kuelekea kila mmoja katika nafasi mojawapo ili kuwezesha mwingiliano wao. Hii inakuza kasi ya majibu. Kisha enzyme hutoa bidhaa (s), na huanza tena sura yake ya awali. Enzyme ni kisha huru kushiriki katika mchakato tena, na itafanya hivyo kwa muda mrefu kama substrate inabakia.

Kazi nyingine za Protini

Matangazo kwa baa za protini, poda, na shakes wote wanasema kuwa protini ni muhimu katika kujenga, kutengeneza, na kudumisha tishu za misuli, lakini ukweli ni kwamba protini huchangia tishu zote za mwili, kutoka ngozi hadi seli za ubongo. Pia, protini fulani hufanya kazi kama homoni, wajumbe wa kemikali ambayo husaidia kudhibiti kazi za mwili, Kwa mfano, ukuaji wa homoni ni muhimu kwa ukuaji wa mifupa, miongoni mwa majukumu mengine.

Kama ilivyoelezwa hapo awali, vipengele vya msingi na tindikali huwezesha protini kufanya kazi kama vikwazo katika kudumisha usawa wa asidi-msingi, lakini pia husaidia kudhibiti usawa wa maji-electrolyte. Protini huvutia maji, na mkusanyiko mzuri wa protini katika damu, seli, na nafasi kati ya seli husaidia kuhakikisha usawa wa maji katika “vyumba” hivi mbalimbali. Aidha, protini katika utando wa seli husaidia kusafirisha electrolytes ndani na nje ya seli, kuweka ions hizi kwa usawa wa afya. Kama lipids, protini zinaweza kumfunga na wanga. Wanaweza hivyo kuzalisha glycoproteins au proteoglycans, zote mbili ambazo zina kazi nyingi katika mwili.

Mwili unaweza kutumia protini kwa nishati wakati ulaji wa kabohaidreti na mafuta hauna kutosha, na maduka ya tishu za glycogen na adipose hupungua. Hata hivyo, kwa kuwa hakuna tovuti ya kuhifadhi kwa protini isipokuwa tishu za kazi, kutumia protini kwa nishati husababisha kuvunjika kwa tishu, na matokeo ya kupoteza mwili.

Nucleotidi

Aina ya nne ya kiwanja kikaboni muhimu kwa muundo wa binadamu na kazi ni nucleotides (Kielelezo 2.28). Nucleotide ni moja ya darasa la misombo ya kikaboni linajumuisha subunits tatu:

• makundi moja au zaidi ya phosphate
• sukari ya pentose: ama deoxyribose au ribose
• Nucleotides inaweza kukusanyika katika asidi nucleic (DNA au RNA) au kiwanja cha nishati adenosine triphosphate.

  

  Kielelezo 2.28 Nucleotides (a) Vitalu vya ujenzi wa nucleotides zote ni makundi moja au zaidi ya phosphate, sukari ya pentose, na msingi wa nitrojeni. (b) Msingi wa nitrojeni wa nucleotides. (c) mbili pentose sukari ya DNA na RNA.

  Nucleic Acids

  Asidi ya nucleic hutofautiana katika aina yao ya sukari ya pentose. Asidi ya Deoxyribonucleic (DNA) ni nucleotide inayohifadhi habari za maumbile. DNA ina deoxyribose (kinachojulikana kwa sababu ina atomi moja chini ya oksijeni kuliko ribose) pamoja na kundi moja la phosphate na msingi mmoja wa nitrojeni. “Uchaguzi” wa msingi wa DNA ni adenine, cytosine, guanine, na thymine. Asidi ya Ribonucleic (RNA) ni nucleotide iliyo na ribose-ambayo husaidia kuonyesha kanuni za maumbile kama protini. RNA ina ribose, kikundi kimoja cha phosphate, na msingi mmoja wa nitrojeni, lakini “uchaguzi” wa msingi wa RNA ni adenine, cytosine, guanine, na uracil.

  Besi za nitrojeni zenye adenine na guanine zinawekwa kama purines. Purine ni molekuli yenye nitrojeni yenye muundo wa pete mbili, ambayo inachukua atomi kadhaa za nitrojeni. Msingi cytosine, thymine (hupatikana katika DNA tu) na uracil (hupatikana katika RNA tu) ni pyramidini. Pyramidine ni msingi wa nitrojeni na muundo mmoja wa pete

  Vifungo vinavyotengenezwa na upungufu wa maji mwilini awali kati ya sukari ya pentose ya monoma moja ya asidi ya nucleic na kundi la phosphate la aina nyingine “uti wa mgongo,” ambayo hutembea besi za nitrojeni zenye vipengele. Katika DNA, backbones mbili hizo huunganisha kwenye besi zao zinazoendelea kupitia vifungo vya hidrojeni. Hizi twist kuunda sura inayojulikana kama helix mara mbili (Kielelezo 2.29). Mlolongo wa besi zenye nitrojeni ndani ya strand ya DNA huunda jeni zinazofanya kazi kama msimbo wa Masi inayofundisha seli katika mkusanyiko wa amino asidi kuwa protini. Binadamu wana karibu jeni 22,000 katika DNA yao, iliyofungwa katika kromosomu 46 ndani ya kiini cha kila seli (isipokuwa seli nyekundu za damu zinazopoteza viini vyao wakati wa maendeleo). Jeni hizi hubeba kanuni za maumbile ili kujenga mwili wa mtu, na ni za kipekee kwa kila mtu isipokuwa mapacha wanaofanana.

  

  Kielelezo 2.29 DNA Katika helix mbili ya DNA, vipande viwili vinaunganishwa kupitia vifungo vya hidrojeni kati ya misingi ya nucleotides ya sehemu.

  Kwa upande mwingine, RNA ina kamba moja ya mgongo wa sukari-phosphate iliyojaa besi. Mtume RNA (mRNA) ni kuundwa wakati wa protini awali kubeba maelekezo ya maumbile kutoka DNA kwa mimea ya viwanda protini ya seli katika cytoplasm, ribosomu.

  Adenosine Triphosphate

  Nucleotide adenosine triphosphate (ATP), linajumuisha sukari ya ribose, msingi wa adenine, na makundi matatu ya phosphate (Kielelezo 2.30). ATP ni classified kama kiwanja high nishati kwa sababu mbili vifungo covalent kuunganisha phosphates yake tatu kuhifadhi kiasi kikubwa cha nishati uwezo. Katika mwili, nishati iliyotolewa kutoka vifungo hivi vya juu vya nishati husaidia mafuta ya shughuli za mwili, kutoka kwa misuli ya misuli hadi usafiri wa vitu ndani na nje ya seli kwa athari za kemikali za anabolic.

  

  Kielelezo 2.30 Muundo wa Adenosine Triphosphate (ATP)

  Wakati kundi la phosphate limeunganishwa kutoka ATP, bidhaa ni adenosine diphosphate (ADP) na phosphate isokaboni (P _i). Mmenyuko huu wa hidrolisisi unaweza kuandikwa:

  $${\text{ATP + H}}_{\text{2}}\text{O}\to {\text{ADP + P}}_{\text{i}}\text{+ nishati}$$

  Uondoaji wa phosphate ya pili huacha adenosine monophosphate (AMP) na makundi mawili ya phosphate. Tena, athari hizi pia hukomboa nishati iliyohifadhiwa katika vifungo vya phosphate-phosphate. Wao ni kubadilishwa, pia, kama wakati ADP inakabiliwa na phosphorylation. Phosphorylation ni kuongeza kwa kundi la phosphate kwenye kiwanja cha kikaboni, katika kesi hii, na kusababisha ATP. Katika hali hiyo, kiwango sawa cha nishati kilichotolewa wakati wa hidrolisisi kinapaswa kurejeshwa kwa nguvu ya awali ya maji mwilini.

  Viini vinaweza pia kuhamisha kundi la phosphate kutoka ATP hadi kiwanja kingine cha kikaboni. Kwa mfano, wakati glucose kwanza inapoingia kiini, kikundi cha phosphate kinahamishwa kutoka ATP, na kutengeneza phosphate ya glucose (C _{6 H 12 O 6} —P) na ADP. Mara glucose ni phosphorylated kwa njia hii, inaweza kuhifadhiwa kama glycogen au metabolized kwa nishati ya haraka.