2.3: Molekuli za kibiolojia

Molekuli kubwa zinazohitajika kwa maisha ambazo zimejengwa kutoka molekuli ndogo za kikaboni huitwa macromolecules za kibiolojia. Kuna makundi manne makubwa ya macromolecules ya kibiolojia (wanga, lipids, protini, na asidi ya nucleic), na kila ni sehemu muhimu ya seli na hufanya kazi nyingi. Pamoja, molekuli hizi hufanya wingi wa molekuli ya seli. Macromolecules ya kibaiolojia ni kikaboni, maana yake ni kwamba yana kaboni (isipokuwa baadhi, kama dioksidi kaboni). Aidha, wanaweza kuwa na hidrojeni, oksijeni, nitrojeni, fosforasi, sulfuri, na vipengele vingine vidogo.

Carbon

Mara nyingi husema kuwa maisha ni “kaboni.” Hii ina maana kwamba atomi za kaboni, zilizounganishwa na atomi nyingine za kaboni au vipengele vingine, huunda vipengele vya msingi vya wengi, ikiwa sio wengi, wa molekuli zinazopatikana pekee katika vitu vilivyo hai. Vipengele vingine vina majukumu muhimu katika molekuli za kibaiolojia, lakini kaboni hakika huhitimu kama kipengele cha “msingi” cha molekuli katika vitu vilivyo hai. Ni mali ya kuunganisha ya atomi za kaboni ambazo zinawajibika kwa jukumu lake muhimu.

Carbon bonding

Kaboni ina elektroni nne katika ganda lake la nje. Kwa hiyo, inaweza kuunda vifungo vinne vya covalent na atomi nyingine au molekuli. Molekuli rahisi ya kaboni ya kaboni ni methane (CH ₄), ambayo atomi nne za hidrojeni hufunga kwa atomi ya kaboni (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Carbon inaweza kuunda vifungo vinne vya covalent ili kuunda molekuli ya kikaboni. Molekuli rahisi ya kaboni ni methane (CH ₄), iliyoonyeshwa hapa.

Hata hivyo, miundo ambayo ni ngumu zaidi hufanywa kwa kutumia kaboni. Atomi yoyote ya hidrojeni inaweza kubadilishwa na atomi nyingine ya kaboni iliyounganishwa kwa atomi ya kwanza ya kaboni. Kwa njia hii, minyororo ndefu na ya matawi ya misombo ya kaboni inaweza kufanywa (Mchoro\(\PageIndex{2}\) a). Atomi za kaboni zinaweza kushikamana na atomi za mambo mengine, kama vile nitrojeni, oksijeni, na fosforasi (Kielelezo\(\PageIndex{2}\) b). Molekuli pia inaweza kuunda pete, ambazo zinaweza kuunganisha na pete nyingine (Kielelezo\(\PageIndex{2}\) c). Tofauti hii ya aina za Masi huhesabu utofauti wa kazi za macromolecules ya kibiolojia na inategemea kiwango kikubwa juu ya uwezo wa kaboni kuunda vifungo vingi na yenyewe na atomi nyingine.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mifano hii inaonyesha molekuli tatu (zinazopatikana katika viumbe hai) ambazo zina atomi za kaboni zilizounganishwa kwa njia mbalimbali kwa atomi nyingine za kaboni na atomi za elementi nyingine. (a) Molekuli hii ya asidi ya stearic ina mlolongo mrefu wa atomi za kaboni. (b) Glycine, sehemu ya protini, ina kaboni, nitrojeni, oksijeni, na atomi za hidrojeni. (c) Glucose, sukari, ina pete ya atomi za kaboni na atomi moja ya oksijeni.

Karodi

Karodi ni macromolecules ambayo watumiaji wengi wanajua. Ili kupoteza uzito, baadhi ya watu wanaambatana na mlo wa “chini ya carb”. Wanariadha, kinyume chake, mara nyingi “carb-mzigo” kabla ya mashindano muhimu ili kuhakikisha kuwa wana nishati ya kutosha kushindana katika ngazi ya juu. Karodi ni, kwa kweli, sehemu muhimu ya chakula chetu; nafaka, matunda, na mboga ni vyanzo vya asili vya wanga. Karodi hutoa nishati kwa mwili, hasa kupitia glucose, sukari rahisi. Karodi pia zina kazi nyingine muhimu katika binadamu, wanyama, na mimea.

Karodi zinaweza kuwakilishwa na formula (CH ₂ O) _n, ambapo n ni idadi ya atomi za kaboni katika molekuli. Kwa maneno mengine, uwiano wa kaboni hadi hidrojeni kwa oksijeni ni 1:2:1 katika molekuli za kaboni. Karodi huwekwa katika subtypes tatu: monosaccharides, disaccharides, na polysaccharides.

Monosaccharides (mono- = “moja”; sacchar- = “tamu”) ni sukari rahisi, ambayo kawaida ni glucose. Katika monosaccharides, idadi ya atomi za kaboni huwa kati ya tatu hadi sita. Majina mengi ya monosaccharide huisha na suffix -ose. Kulingana na idadi ya atomi za kaboni katika sukari, zinaweza kujulikana kama trioses (atomi tatu za kaboni), pentoses (atomi tano za kaboni), na hexoses (atomi sita za kaboni).

Monosaccharides inaweza kuwepo kama mnyororo wa mstari au kama molekuli zenye umbo la pete; katika ufumbuzi wa maji, kwa kawaida hupatikana katika fomu ya pete.

Fomu ya kemikali ya glucose ni C ₆ H ₁₂ O ₆. Katika aina nyingi za maisha, glucose ni chanzo muhimu cha nishati. Wakati wa kupumua kwa seli, nishati hutolewa kutoka glucose, na nishati hiyo hutumiwa kusaidia kufanya adenosine triphosphate (ATP). Mimea huunganisha glucose kwa kutumia dioksidi kaboni na maji kwa mchakato wa photosynthesis, na glucose, kwa upande wake, hutumiwa kwa mahitaji ya nishati ya mmea. Glucose ya ziada ya synthesized mara nyingi huhifadhiwa kama wanga ambayo huvunjika na viumbe vingine vinavyolisha mimea.

Galactose (sehemu ya lactose, au sukari ya maziwa) na fructose (hupatikana katika matunda) ni monosaccharides nyingine za kawaida. Ingawa glucose, galactose, na fructose wote wana sawa kemikali formula (C ₆ H ₁₂ O ₆), wao tofauti kimuundo na kemikali (na inajulikana kama isoma) kwa sababu ya mipango tofauti ya atomi katika mnyororo kaboni (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Glucose, galactose, na fructose ni monosaccharides isomeric, maana kwamba wana kemikali sawa formula lakini miundo tofauti kidogo.

Disaccharides (di- = “mbili”) huunda wakati monosaccharides mbili zinakabiliwa na mmenyuko wa maji mwilini (mmenyuko ambao kuondolewa kwa molekuli ya maji hutokea). Wakati wa mchakato huu, kundi la hidroksili (-OH) la monosaccharide moja linachanganya na atomi ya hidrojeni ya monosaccharide nyingine, ikitoa molekuli ya maji (H ₂ O) na kutengeneza dhamana ya covalent kati ya atomi katika molekuli mbili za sukari.

Disaccharides ya kawaida ni pamoja na lactose, maltose, na sucrose. Lactose ni disaccharide yenye monomers glucose na galactose. Inapatikana kwa kawaida katika maziwa. Maltose, au sukari ya malt, ni disaccharide inayotokana na mmenyuko wa maji mwilini kati ya molekuli mbili za glucose. Disaccharide ya kawaida ni sucrose, au sukari ya meza, ambayo inajumuisha monomers glucose na fructose.

Mlolongo mrefu wa monosaccharides unaohusishwa na vifungo vya covalent hujulikana kama polysaccharide (aina nyingi- = “wengi”). Mlolongo unaweza kuwa matawi au unbranched, na inaweza kuwa na aina tofauti za monosaccharides. Polysaccharides inaweza kuwa molekuli kubwa sana. Wanga, glycogen, selulosi, na chitin ni mifano ya polysaccharides.

Wanga ni aina iliyohifadhiwa ya sukari katika mimea na inajumuisha amylose na amylopectin (polima zote za glucose). Mimea inaweza kuunganisha glucose, na glucose ya ziada huhifadhiwa kama wanga katika sehemu tofauti za mmea, ikiwa ni pamoja na mizizi na mbegu. Wanga ambao hutumiwa na wanyama huvunjika katika molekuli ndogo, kama vile glucose. Seli zinaweza kunyonya glucose.

Glycogen ni aina ya kuhifadhi ya glucose kwa wanadamu na vimelea vingine, na hujumuisha monomers ya glucose. Glycogen ni sawa na wanyama wa wanga na ni molekuli yenye matawi ambayo huhifadhiwa katika seli za ini na misuli. Kila viwango vya glucose hupungua, glycogen imevunjika ili kutolewa glucose.

Cellulose ni mojawapo ya biopolymers nyingi za asili. Ukuta wa seli za mimea hutengenezwa kwa selulosi, ambayo hutoa msaada wa miundo kwa seli. Mbao na karatasi ni zaidi ya cellulosic katika asili. Cellulose imeundwa na monoma ya glucose ambayo yanaunganishwa na vifungo kati ya atomi fulani za kaboni katika molekuli ya glucose.

Kila monoma nyingine ya glucose katika selulosi ni flipped juu na packed kukazwa kama minyororo kupanuliwa kwa muda mrefu. Hii inatoa selulosi rigidity yake na high tensile nguvu-ambayo ni muhimu sana kupanda seli. Cellulose kupitia mfumo wetu wa utumbo huitwa fiber ya malazi. Ilhali vifungo vya glucose-glucose katika selulosi haviwezi kuvunjwa na enzymes za utumbo wa binadamu, mimea kama vile ng'ombe, buffalos, na farasi huweza kuchimba nyasi ambazo zina matajiri katika selulosi na kuitumia kama chanzo cha chakula. Katika wanyama hawa, aina fulani za bakteria huishi katika rumen (sehemu ya mfumo wa utumbo wa herbivores) na hutoa cellulase ya enzyme. Kiambatisho pia kina bakteria zinazovunja selulosi, na kuifanya jukumu muhimu katika mifumo ya utumbo wa ruminants. Cellulasi zinaweza kuvunja selulosi kuwa monoma ya glucose ambayo inaweza kutumika kama chanzo cha nishati na mnyama.

Karodi hutumikia kazi nyingine katika wanyama tofauti. Arthropodi, kama vile wadudu, buibui, na kaa, wana mifupa ya nje, inayoitwa exoskeleton, ambayo inalinda sehemu zao za ndani za mwili. Exoskeleton hii inafanywa na chitin ya macromolecule ya kibiolojia, ambayo ni kabohaidreti ya nitrojeni. Inafanywa kwa vitengo vya kurudia vya sukari iliyobadilishwa iliyo na nitrojeni.

Kwa hiyo, kwa njia ya tofauti katika muundo wa Masi, wanga wanaweza kutumikia kazi tofauti sana za kuhifadhi nishati (wanga na glycogen) na msaada wa miundo na ulinzi (selulosi na chitin) (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Ingawa miundo na kazi zao hutofautiana, wanga wote wa polysaccharide hujumuisha monosaccharides na kuwa na formula ya kemikali (CH ₂ O) n.

KAZI KATIKA ACTION: Registered Dietitian

Uzito ni wasiwasi wa afya duniani kote, na magonjwa mengi, kama vile ugonjwa wa kisukari na ugonjwa wa moyo, ni kuwa zaidi imefikia kwa sababu ya fetma. Hii ni moja ya sababu kwa nini wataalamu waliosajiliwa wanazidi kutafuta ushauri. Wataalamu waliosajiliwa husaidia kupanga mipango ya chakula na lishe kwa watu binafsi katika mazingira mbalimbali. Mara nyingi hufanya kazi na wagonjwa katika vituo vya afya, kutengeneza mipango ya lishe ili kuzuia na kutibu magonjwa. Kwa mfano, dietitians inaweza kufundisha mgonjwa na ugonjwa wa kisukari jinsi ya kusimamia viwango vya damu sukari kwa kula aina sahihi na kiasi cha wanga. Wataalamu wa chakula wanaweza pia kufanya kazi katika nyumba za uuguzi, shule, na mazoea ya kibinafsi.

Ili kuwa dietitian iliyosajiliwa, mtu anahitaji kupata angalau shahada ya kwanza katika dietetics, lishe, teknolojia ya chakula, au shamba linalohusiana. Aidha, dietitians waliosajiliwa wanapaswa kukamilisha mpango wa mafunzo ya kusimamiwa na kupitisha mtihani wa kitaifa. Wale ambao wanafuatilia kazi katika dietetics huchukua kozi katika lishe, kemia, biokemia, biolojia, microbiolojia, na physiolojia ya binadamu. Wataalam wanapaswa kuwa wataalam katika kemia na kazi za chakula (protini, wanga, na mafuta).

Lipids

Lipids ni pamoja na kundi tofauti la misombo ambayo imeunganishwa na kipengele cha kawaida. Lipids ni hydrophobic (“kuogopa maji”), au hakuna maji, kwa sababu ni molekuli zisizo na polar. Hii ni kwa sababu ni hidrokaboni ambazo zinajumuisha tu vifungo vya kaboni-kaboni au kaboni-hidrojeni. Lipids hufanya kazi nyingi tofauti katika seli. Viini huhifadhi nishati kwa matumizi ya muda mrefu kwa namna ya lipids inayoitwa mafuta. Lipids pia hutoa insulation kutoka mazingira kwa mimea na wanyama (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Kwa mfano, husaidia kuweka ndege wa majini na mamalia kavu kwa sababu ya asili yao ya kupindua maji. Lipids pia ni vitalu vya ujenzi wa homoni nyingi na ni sehemu muhimu ya membrane ya plasma. Lipids ni pamoja na mafuta, mafuta, waxes, phospholipids, na steroids.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Lipids Hydrophobic katika manyoya ya wanyama wa majini, kama vile otter hii ya mto, kuwalinda kutokana na vipengele. (mikopo: Ken Bosma)

Molekuli ya mafuta, kama vile triglyceride, ina vipengele viwili vikuu - glycerol na asidi ya mafuta. Glycerol ni kiwanja kikaboni na atomi tatu za kaboni, atomi tano za hidrojeni, na makundi matatu ya hidroksili (-OH). Asidi ya mafuta yana mlolongo mrefu wa hidrokaboni ambayo kikundi cha carboxyl kilichounganishwa, kwa hiyo jina “asidi ya mafuta.” Idadi ya kaboni katika asidi ya mafuta inaweza kuwa kati ya 4 hadi 36; kawaida ni zile zenye kaboni 12—18. Katika molekuli ya mafuta, asidi ya mafuta huunganishwa na kila atomi tatu za oksijeni katika makundi ya -OH ya molekuli ya glycerol na dhamana ya covalent (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Lipids ni pamoja na mafuta, kama vile triglycerides, ambayo yanajumuisha asidi ya mafuta na glycerol, phospholipids, na steroids.

Wakati wa malezi haya ya dhamana, molekuli tatu za maji hutolewa. Asidi tatu za mafuta katika mafuta zinaweza kuwa sawa au zisizo sawa. Mafuta haya pia huitwa triglycerides kwa sababu wana asidi tatu za mafuta. Baadhi ya asidi ya mafuta yana majina ya kawaida yanayotaja asili yao. Kwa mfano, asidi ya palmitic, asidi iliyojaa mafuta, inatokana na mtende. Asidi ya Arachidic inatokana na hypogaea ya Arachis, jina la kisayansi kwa karanga.

Asidi ya mafuta inaweza kuwa imejaa au isiyojaa. Katika mlolongo wa asidi ya mafuta, ikiwa kuna vifungo moja tu kati ya kaboni jirani katika mlolongo wa hydrocarbon, asidi ya mafuta imejaa. Asidi ya mafuta yaliyojaa imejaa hidrojeni; kwa maneno mengine, idadi ya atomi za hidrojeni zilizounganishwa na mifupa ya kaboni hupanuliwa.

Wakati mlolongo wa hydrocarbon una dhamana mbili, asidi ya mafuta ni asidi ya mafuta yasiyotokana.

Mafuta mengi yasiyotumiwa ni kioevu kwenye joto la kawaida na huitwa mafuta. Ikiwa kuna dhamana moja mara mbili katika molekuli, basi inajulikana kama mafuta ya monounsaturated (kwa mfano, mafuta ya mzeituni), na ikiwa kuna dhamana zaidi ya mara mbili, basi inajulikana kama mafuta ya polyunsaturated (kwa mfano, mafuta ya kanola).

Mafuta yaliyojaa huwa na kujazwa kwa ukali na ni imara kwenye joto la kawaida. Mafuta ya wanyama na asidi ya stearic na asidi ya palmitic yaliyomo katika nyama, na mafuta yenye asidi ya butyric yaliyomo katika siagi, ni mifano ya mafuta yaliyojaa. Mamalia huhifadhi mafuta katika seli maalumu zinazoitwa adipocytes, ambapo globules ya mafuta huchukua sehemu kubwa ya seli. Katika mimea, mafuta au mafuta huhifadhiwa kwenye mbegu na hutumiwa kama chanzo cha nishati wakati wa maendeleo ya embryonic.

Mafuta yasiyotokana na mafuta au mafuta huwa na asili ya mimea na yana asidi ya mafuta yasiyotokana. Dhamana mbili husababisha bend au “kink” ambayo inazuia asidi ya mafuta kutoka kufunga kwa ukali, kuwaweka kioevu kwenye joto la kawaida. Mafuta ya mizeituni, mafuta ya mahindi, mafuta ya kanola, na mafuta ya ini ya cod ni mifano ya mafuta yasiyotumiwa. Mafuta yasiyotokana husaidia kuboresha viwango vya cholesterol ya damu, wakati mafuta yaliyojaa huchangia kwenye malezi ya plaque katika mishipa, ambayo huongeza hatari ya mashambulizi ya moyo.

Katika sekta ya chakula, mafuta yanatengenezwa kwa hidrojeni ili kuwafanya nusu imara, na kusababisha uharibifu mdogo na kuongezeka kwa maisha ya rafu. Kwa kusema tu, gesi ya hidrojeni hupigwa kupitia mafuta ili kuimarisha. Wakati wa mchakato huu wa hydrogenation, vifungo viwili vya cis -conformation katika mlolongo wa hydrocarbon inaweza kubadilishwa kuwa vifungo mara mbili katika trans -conformation. Hii aina trans -mafuta kutoka cis -mafuta. Mwelekeo wa vifungo viwili huathiri mali ya kemikali ya mafuta (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Wakati wa mchakato wa hydrogenation, mwelekeo karibu na vifungo viwili hubadilishwa, na kufanya mafuta ya mafuta kutoka kwa cis-mafuta. Hii inabadilisha mali ya kemikali ya molekuli.

Margarine, baadhi ya aina ya siagi ya karanga, na kufupisha ni mifano ya artificially HYDROGENATED trans mafuta. Uchunguzi wa hivi karibuni umeonyesha kuwa ongezeko la mafuta trans katika mlo wa binadamu inaweza kusababisha kuongezeka kwa viwango vya chini wiani lipoprotein (LDL), au “mbaya” cholesterol, ambayo, kwa upande wake, inaweza kusababisha plaque utuaji katika mishipa, na kusababisha ugonjwa wa moyo. Migahawa mingi ya chakula cha haraka hivi karibuni imeondoa matumizi ya mafuta, na maandiko ya chakula ya Marekani sasa yanatakiwa kuorodhesha maudhui yao ya mafuta.

Asidi muhimu ya mafuta ni asidi ya mafuta ambayo inahitajika lakini si synthesized na mwili wa binadamu. Kwa hiyo, lazima ziongezwe kupitia chakula. Omega-3 fatty kali kuanguka katika jamii hii na ni moja ya mbili tu inayojulikana muhimu fatty kali kwa binadamu (nyingine kuwa omega-6 fatty kali). Wao ni aina ya mafuta ya polyunsaturated na huitwa omega-3 fatty kali kwa sababu kaboni ya tatu kutoka mwisho wa asidi ya mafuta hushiriki katika dhamana mbili.

Salmoni, trout, na tuna ni vyanzo vyema vya asidi ya mafuta ya omega-3. Omega-3 fatty kali ni muhimu katika kazi ya ubongo na ukuaji wa kawaida na maendeleo. Wanaweza pia kuzuia ugonjwa wa moyo na kupunguza hatari ya kansa.

Kama wanga, mafuta yamepokea utangazaji mwingi mbaya. Ni kweli kwamba kula ziada ya vyakula vya kukaanga na vyakula vingine vya “mafuta” husababisha kupata uzito. Hata hivyo, mafuta yana kazi muhimu. Mafuta hutumika kama hifadhi ya muda mrefu ya nishati. Pia hutoa insulation kwa mwili. Kwa hiyo, mafuta “yenye afya” yasiyotumiwa kwa kiasi cha wastani yanapaswa kutumiwa mara kwa mara.

Phospholipids ni sehemu kubwa ya membrane ya plasma. Kama mafuta, hujumuisha minyororo ya asidi ya mafuta iliyounganishwa na glycerol au uti wa mgongo sawa. Badala ya asidi tatu fatty masharti, hata hivyo, kuna mbili fatty kali na kaboni ya tatu ya uti wa mgongo GLYCEROL ni wajibu wa kundi phosphate. Kikundi cha phosphate kinabadilishwa na kuongeza pombe.

Phospholipid ina mikoa yote ya hydrophobic na hydrophilic. Minyororo ya asidi ya mafuta ni hydrophobic na hujitenga na maji, wakati phosphate ni hydrophilic na inakabiliana na maji.

Viini vinazungukwa na membrane, ambayo ina bilayer ya phospholipids. Asidi ya mafuta ya phospholipids inakabiliwa ndani, mbali na maji, ambapo kundi la phosphate linaweza kukabiliana na mazingira ya nje au ndani ya seli, ambazo zina maji.

Steroids na Waxes

Tofauti na phospholipids na mafuta yaliyojadiliwa mapema, steroids zina muundo wa pete. Ingawa hazifanani na lipidi nyingine, zinajumuishwa nao kwa sababu pia ni hydrophobic. Steroids zote zina nne, zilizounganishwa pete za kaboni na kadhaa yao, kama cholesterol, wana mkia mfupi.

Cholesterol ni steroid. Cholesterol ni hasa synthesized katika ini na ni mtangulizi wa homoni nyingi steroid, kama vile testosterone na estradiol. Pia ni mtangulizi wa vitamini E na K. cholesterol ni mtangulizi wa chumvi za bile, ambayo husaidia katika kuvunjika kwa mafuta na ngozi yao inayofuata na seli. Ingawa cholesterol mara nyingi huzungumzwa kwa maneno mabaya, ni muhimu kwa utendaji mzuri wa mwili. Ni sehemu muhimu ya membrane ya plasma ya seli za wanyama.

Waxes hujumuishwa na mnyororo wa hidrokaboni na kikundi cha pombe (—OH) na asidi ya mafuta. Mifano ya nta za wanyama ni pamoja na nta na lanolin. Mimea pia ina waxes, kama vile mipako kwenye majani yao, ambayo husaidia kuwazuia kutoka kukausha nje.

DHANA KATIKA HATUA

Kwa mtazamo wa ziada juu ya lipids, kuchunguza “Biomolecules: Lipids” kupitia uhuishaji huu maingiliano.

Protini

Protini ni mojawapo ya molekuli nyingi za kikaboni katika mifumo ya maisha na zina kazi nyingi za macromolecules zote. Protini zinaweza kuwa miundo, udhibiti, mikataba, au kinga; zinaweza kutumika katika usafiri, uhifadhi, au utando; au zinaweza kuwa sumu au enzymes. Kila kiini katika mfumo wa maisha kinaweza kuwa na maelfu ya protini tofauti, kila mmoja akiwa na kazi ya pekee. Miundo yao, kama kazi zao, inatofautiana sana. Wote ni, hata hivyo, polima ya amino asidi, iliyopangwa kwa mlolongo wa mstari.

Kazi za protini ni tofauti sana kwa sababu kuna asidi amino 20 tofauti za kemikali zinazounda minyororo ndefu, na asidi amino zinaweza kuwa katika utaratibu wowote. Kwa mfano, protini zinaweza kufanya kazi kama enzymes au homoni. Enzymes, ambazo huzalishwa na seli zilizo hai, ni kichocheo katika athari za biochemical (kama digestion) na kwa kawaida ni protini. Kila enzyme ni maalum kwa substrate (reactant ambayo hufunga kwa enzyme) ambayo inachukua. Enzymes zinaweza kufanya kazi ili kuvunja vifungo vya Masi, kupanga upya vifungo, au kuunda vifungo vipya. Mfano wa enzyme ni amylase ya salivary, ambayo huvunja amylose, sehemu ya wanga.

Homoni ni molekuli za kuashiria kemikali, kwa kawaida protini au steroids, zilizofichwa na tezi ya endokrini au kikundi cha seli za endocrine zinazofanya kudhibiti au kudhibiti michakato maalum ya kisaikolojia, ikiwa ni pamoja na ukuaji, maendeleo, kimetaboliki, na uzazi. Kwa mfano, insulini ni homoni ya protini ambayo inao viwango vya damu ya glucose.

Protini zina maumbo tofauti na uzito wa molekuli; baadhi ya protini ni globular katika sura ilhali nyingine ni nyuzi katika asili. Kwa mfano, hemoglobin ni protini ya globular, lakini collagen, iliyopatikana katika ngozi yetu, ni protini ya nyuzi. Sura ya protini ni muhimu kwa kazi yake. Mabadiliko katika joto, pH, na yatokanayo na kemikali inaweza kusababisha mabadiliko ya kudumu katika sura ya protini, na kusababisha hasara ya kazi au denaturation (kujadiliwa kwa undani zaidi baadaye). Protini zote zinajumuishwa na mipango tofauti ya aina 20 sawa za amino asidi.

Amino asidi ni monomers zinazounda protini. Kila asidi amino ina muundo sawa wa msingi, ambao una atomi ya kaboni ya kati iliyounganishwa na kundi la amino (-NH ₂), kundi la kaboksili (-COOH), na atomu ya hidrojeni. Kila asidi amino pia ina atomu nyingine ya kutofautiana au kundi la atomi lililounganishwa na atomi ya kaboni ya kati inayojulikana kama kundi la R. Kundi la R ni tofauti pekee katika muundo kati ya asidi amino 20; vinginevyo, amino asidi ni sawa (Kielelezo\(\PageIndex{8}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{8}\): Amino asidi huundwa na kaboni ya kati iliyounganishwa na kundi la amino (-NH ₂), kikundi cha carboxyl (-COOH), na atomi ya hidrojeni. Dhamana ya nne ya kaboni ya kati inatofautiana kati ya asidi amino tofauti, kama inavyoonekana katika mifano hii ya alanine, valine, lysine, na asidi aspartic.

Hali ya kemikali ya kikundi cha R huamua asili ya kemikali ya asidi ya amino ndani ya protini yake (yaani, ikiwa ni tindikali, msingi, polar, au nonpolar).

Mlolongo na idadi ya amino asidi hatimaye huamua sura ya protini, ukubwa, na kazi. Kila asidi ya amino inaunganishwa na asidi nyingine ya amino na dhamana ya covalent, inayojulikana kama dhamana ya peptide, ambayo hutengenezwa na mmenyuko wa maji mwilini. Kundi la carboxyl la asidi moja ya amino na kundi la amino la pili la amino asidi huchanganya, ikitoa molekuli ya maji. Dhamana inayosababisha ni dhamana ya peptide.

Bidhaa zinazoundwa na uhusiano huo huitwa polypeptides. Wakati maneno polipeptidi na protini wakati mwingine hutumika kwa kubadilishana, polipeptidi ni kitaalam polymer ya asidi amino, ambapo neno protini hutumika kwa polipeptidi au polipeptidi ambazo zimeunganishwa pamoja, zina umbo tofauti, na kuwa na kazi ya pekee.

EVOLUTION KATIKA ACTION: Umuhimu wa mabadiliko ya saitokromu c

Cytochrome c ni sehemu muhimu ya mashine ya Masi ambayo huvuna nishati kutoka glucose. Kwa sababu jukumu hili la protini katika kuzalisha nishati za mkononi ni muhimu, limebadilika kidogo sana zaidi ya mamilioni ya miaka. Mlolongo wa protini umeonyesha kuwa kuna kiasi kikubwa cha kufanana kwa mlolongo kati ya molekuli za saitokromu c za aina tofauti; mahusiano ya mabadiliko yanaweza kutathminiwa kwa kupima kufanana au tofauti kati ya utaratibu wa protini wa aina mbalimbali.

Kwa mfano, wanasayansi wameamua kwamba cytochrome ya binadamu c ina asidi ya amino 104. Kwa kila molekuli ya saitokromu c ambayo imesimamishwa hadi sasa kutoka kwa viumbe tofauti, 37 kati ya asidi amino hizi zinaonekana katika nafasi sawa katika kila saitokromu c Hii inaonyesha kwamba viumbe hivi vyote vinatoka kwa babu wa kawaida. Kwa kulinganisha utaratibu wa protini za binadamu na sokwe, hakuna tofauti ya mlolongo uliopatikana. Wakati utaratibu wa tumbili wa binadamu na rhesus ulilinganishwa, tofauti moja ilipatikana katika asidi moja ya amino. Kinyume chake, kulinganisha binadamu hadi chachu huonyesha tofauti katika asidi amino 44, na kupendekeza kuwa binadamu na sokwe wana babu wa kawaida wa hivi karibuni kuliko binadamu na tumbili wa rhesus, au binadamu na chachu.

Protini Muundo

Kama ilivyojadiliwa mapema, sura ya protini ni muhimu kwa kazi yake. Ili kuelewa jinsi protini inapata sura yake ya mwisho au conformation, tunahitaji kuelewa ngazi nne za muundo wa protini: msingi, sekondari, elimu ya juu, na quaternary (Kielelezo\(\PageIndex{9}\)).

Mlolongo wa pekee na idadi ya amino asidi katika mnyororo wa polipeptidi ni muundo wake wa msingi. Mlolongo wa kipekee kwa kila protini hatimaye huamua na jeni inayojumuisha protini. Mabadiliko yoyote katika mlolongo wa jeni yanaweza kusababisha asidi amino tofauti kuongezwa kwenye mnyororo wa polipeptidi, na kusababisha mabadiliko katika muundo wa protini na kazi. Katika anemia ya seli ya mundu, mnyororo wa hemoglobin β una mbadala moja ya asidi ya amino, na kusababisha mabadiliko katika muundo na kazi ya protini. Jambo la ajabu zaidi kuzingatia ni kwamba molekuli ya hemoglobin imeundwa na minyororo miwili ya alpha na minyororo miwili ya beta ambayo kila mmoja hujumuisha asidi amino 150. Kwa hiyo, molekuli ina asidi amino 600. Tofauti ya kimuundo kati ya molekuli ya kawaida ya hemoglobini na molekuli ya seli mundu-ambayo hupungua kwa kiasi kikubwa kuishi katika watu walioathirika-ni asidi amino moja ya 600.

Kwa sababu ya mabadiliko haya ya asidi amino moja katika mnyororo, kawaida ya biconcave, au umbo la diski, seli nyekundu za damu huchukua sura ya crescent au “mundu”, ambayo hufunga mishipa. Hii inaweza kusababisha matatizo makubwa ya afya, kama vile kupumua, kizunguzungu, maumivu ya kichwa, na maumivu ya tumbo kwa wale walio na ugonjwa huu.

Mwelekeo wa folding unaosababishwa na mwingiliano kati ya sehemu zisizo za R za kundi la amino asidi hutoa muundo wa sekondari wa protini. Kawaida ni miundo ya karatasi ya alpha (α) -helix na beta (β) -pleated. Miundo yote inafanyika kwa sura na vifungo vya hidrojeni. Katika helix ya alpha, vifungo vinaunda kati ya kila asidi ya amino ya nne na kusababisha kupotosha katika mlolongo wa amino asidi.

Katika karatasi ya β-pleated, “pleats” hutengenezwa na kuunganisha hidrojeni kati ya atomi kwenye uti wa mgongo wa mnyororo wa polipeptidi. Makundi ya R yanaunganishwa na kaboni, na kupanua juu na chini ya folda za pleat. Makundi yaliyotengenezwa yanafanana sambamba na kila mmoja, na vifungo vya hidrojeni huunda kati ya jozi sawa za atomi kwenye kila asidi amino iliyokaa. Miundo ya karatasi ya α-helix na β-pleated hupatikana katika protini nyingi za globular na za nyuzi.

Muundo wa kipekee wa tatu-dimensional wa polipeptidi unajulikana kama muundo wake wa juu. Muundo huu unasababishwa na mwingiliano wa kemikali kati ya asidi amino mbalimbali na mikoa ya polipeptidi. Kimsingi, mwingiliano kati ya makundi ya R huunda muundo tata wa tatu wa juu wa protini. Kunaweza kuwa na vifungo ioniki sumu kati ya makundi R juu ya amino asidi mbalimbali, au hidrojeni bonding zaidi ya ile kushiriki katika muundo sekondari. Wakati wa kupunja protini, makundi ya R ya hydrophobic ya asidi ya amino yasiyo ya polar yanaweka ndani ya protini, wakati vikundi vya R vya hydrophilic vimewekwa nje. Aina za zamani za mwingiliano pia zinajulikana kama mwingiliano wa hydrophobic.

Kwa asili, baadhi ya protini hutengenezwa kutoka polypeptides kadhaa, pia inajulikana kama subunits, na mwingiliano wa subunits hizi huunda muundo wa quaternary. Uingiliano dhaifu kati ya subunits husaidia kuimarisha muundo wa jumla. Kwa mfano, hemoglobin ni mchanganyiko wa subunits nne za polipeptidi.

Kielelezo\(\PageIndex{9}\): Ngazi nne za muundo wa protini zinaweza kuzingatiwa katika vielelezo hivi. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Taasisi ya Taifa ya Utafiti wa Jenomu ya Binadamu)

Kila protini ina mlolongo wake wa kipekee na sura uliofanyika pamoja na mwingiliano wa kemikali. Ikiwa protini inakabiliwa na mabadiliko ya joto, pH, au yatokanayo na kemikali, muundo wa protini unaweza kubadilika, kupoteza sura yake katika kile kinachojulikana kama denaturation kama ilivyojadiliwa hapo awali. Denaturation mara nyingi hurekebishwa kwa sababu muundo wa msingi huhifadhiwa ikiwa wakala wa denaturing huondolewa, kuruhusu protini kuendelea na kazi yake. Wakati mwingine denaturation haiwezi kurekebishwa, na kusababisha kupoteza kazi. Mfano mmoja wa denaturation ya protini unaweza kuonekana wakati yai ni kaanga au kuchemshwa. Protini ya albumin katika yai nyeupe ya kioevu ni denatured wakati kuwekwa kwenye sufuria ya moto, kubadilisha kutoka dutu wazi kwa dutu nyeupe opaque. Sio protini zote zinazobadilishwa kwenye joto la juu; kwa mfano, bakteria zinazoishi katika chemchemi za moto zina protini ambazo zinachukuliwa kufanya kazi katika joto hilo.

DHANA KATIKA HATUA

Kwa mtazamo wa ziada juu ya protini, kuchunguza “Biomolecules: Protini” kupitia uhuishaji huu maingiliano.

Nucleic asidi

Asidi ya nucleic ni macromolecules muhimu katika kuendelea kwa maisha. Wao hubeba mwongozo wa maumbile ya seli na kubeba maagizo ya utendaji wa seli.

Aina mbili kuu za asidi nucleic ni asidi deoxyribonucleic (DNA) na asidi ribonucleic (RNA). DNA ni nyenzo za maumbile zinazopatikana katika viumbe hai vyote, kuanzia bakteria moja ya seli hadi mamalia mbalimbali.

Aina nyingine ya asidi ya nucleic, RNA, inahusika zaidi katika awali ya protini. Molekuli za DNA haziondoki kiini, lakini badala yake hutumia mpatanishi wa RNA kuwasiliana na seli zote. Aina nyingine za RNA pia zinahusika katika usanisi wa protini na kanuni zake.

DNA na RNA zinajumuishwa na monoma inayojulikana kama nucleotidi. Nucleotides huchanganya na kuunda polynucleotide, DNA au RNA. Kila nucleotide inajumuisha vipengele vitatu: msingi wa nitrojeni, sukari ya pentose (tano kaboni), na kikundi cha phosphate (Kielelezo\(\PageIndex{10}\)). Kila msingi wa nitrojeni katika nucleotide unaunganishwa na molekuli ya sukari, ambayo inaunganishwa na kundi la phosphate.

Kielelezo\(\PageIndex{10}\): Nucleotide inajumuisha vipengele vitatu: msingi wa nitrojeni, sukari ya pentose, na kundi la phosphate.

DNA Double-Helical Muundo

DNA ina muundo wa mara mbili-helical (Kielelezo\(\PageIndex{11}\)). Inajumuisha vipande viwili, au polima, za nucleotides. Mikanda huundwa na vifungo kati ya phosphate na makundi ya sukari ya nucleotides karibu. Mikanda huunganishwa kwa kila mmoja kwenye misingi yao na vifungo vya hidrojeni, na hupunguza coil juu ya kila mmoja kwa urefu wao, kwa hiyo maelezo ya “helix mara mbili”, ambayo ina maana ya ond mara mbili.

Kielelezo\(\PageIndex{11}\): Mfano wa mbili-helix unaonyesha DNA kama vipande viwili vya sambamba vya molekuli zinazoingiliana. (mikopo: Jerome Walker, Dennis Myts)

Vikundi vya sukari na phosphate vinavyolala nje ya kila strand, na kutengeneza mgongo wa DNA. Besi za nitrojeni zimewekwa ndani ya mambo ya ndani, kama hatua za staircase, na jozi hizi za besi; jozi zimefungwa kwa vifungo vya hidrojeni. Jozi ya msingi kwa namna ambayo umbali kati ya backbones ya vipande viwili ni sawa na molekuli.

Muhtasari

Mambo hai ni makao ya kaboni kwa sababu kaboni ina jukumu maarufu sana katika kemia ya viumbe hai. Nafasi nne za kuunganisha za atomi ya kaboni zinaweza kusababisha aina mbalimbali za misombo na kazi nyingi, uhasibu kwa umuhimu wa kaboni katika vitu vilivyo hai. Karodi ni kundi la macromolecules ambazo ni chanzo muhimu cha nishati kwa seli, hutoa msaada wa kimuundo kwa viumbe wengi, na vinaweza kupatikana kwenye uso wa seli kama vipokezi au kwa utambuzi wa seli. Karodi huwekwa kama monosaccharides, disaccharides, na polysaccharides, kulingana na idadi ya monoma katika molekuli.

Lipids ni darasa la macromolecules ambazo ni nonpolar na hydrophobic katika asili. Aina kuu ni pamoja na mafuta na mafuta, waxes, phospholipids, na steroids. Mafuta na mafuta ni aina iliyohifadhiwa ya nishati na inaweza kujumuisha triglycerides. Mafuta na mafuta huwa na asidi ya mafuta na glycerol.

Protini ni darasa la macromolecules ambayo inaweza kufanya kazi mbalimbali kwa seli. Wanasaidia katika kimetaboliki kwa kutoa msaada wa miundo na kwa kutenda kama enzymes, flygbolag au kama homoni. Vitalu vya ujenzi wa protini ni amino asidi. Protini hupangwa katika ngazi nne: msingi, sekondari, elimu ya juu, na quaternary. Protini sura na kazi ni intricately wanaohusishwa; mabadiliko yoyote katika sura unasababishwa na mabadiliko katika joto, pH, au mfiduo kemikali inaweza kusababisha protini denaturation na hasara ya kazi.

Asidi ya nucleic ni molekuli iliyoundwa na vitengo vya kurudia vya nucleotidi zinazoelekeza shughuli za seli kama vile mgawanyiko wa seli na usanisi wa protini. Kila nucleotide inajumuisha sukari ya pentose, msingi wa nitrojeni, na kundi la phosphate. Kuna aina mbili za asidi nucleic: DNA na RNA.

faharasa

amino asidi

monoma ya protini

wanga

macromolecule ya kibiolojia ambayo uwiano wa kaboni na hidrojeni kwa oksijeni ni 1:2:1; wanga hutumika kama vyanzo vya nishati na msaada wa miundo katika seli

selulosi

polysaccharide ambayo hufanya kuta za seli za mimea na hutoa msaada wa miundo kwa seli

chitini

aina ya kabohaidreti inayounda mifupa ya nje ya arthropods, kama vile wadudu na crustaceans, na kuta za seli za fungi

kuweka naturation

kupoteza sura katika protini kutokana na mabadiliko ya joto, pH, au yatokanayo na kemikali

asidi deoxyribonucleic (DNA)

polymer mara mbili iliyopigwa ya nucleotides ambayo hubeba habari ya urithi wa seli

disaccharide

mbili monoma sukari kwamba ni wanaohusishwa pamoja na dhamana peptide

kimeng'enya

kichocheo katika mmenyuko wa biochemical ambayo ni kawaida protini tata au conjugated

nene

molekuli lipid linajumuisha tatu fatty kali na GLYCEROL (triglyceride) ambayo kwa kawaida ipo katika hali imara katika joto la kawaida

glaikojeni

carbohydrate kuhifadhi katika wanyama

homoni

molekuli ya ishara ya kemikali, kwa kawaida protini au steroid, iliyofichwa na tezi ya endocrine au kikundi cha seli za endocrine; hufanya kudhibiti au kudhibiti michakato maalum ya kisaikolojia

shahamu

darasa la macromolecules ambayo ni nonpolar na hakuna katika maji

macromolecule

molekuli kubwa, mara nyingi hutengenezwa na upolimishaji wa monoma ndogo

monosaccharide

kitengo kimoja au monoma ya wanga

asidi ya nucleic

macromolecule ya kibiolojia ambayo hubeba habari za maumbile ya seli na hubeba maagizo ya utendaji wa seli

nukliotidi

monoma ya asidi nucleic; ina sukari ya pentose, kikundi cha phosphate, na msingi wa nitrojeni

mafuta

mafuta yasiyotumiwa ambayo ni kioevu kwenye joto la kawaida

phospholipid

sehemu kubwa ya membrane ya seli; linajumuisha asidi mbili za mafuta na kikundi cha phosphate kilichounganishwa na mgongo wa glycerol

polipeptidi

mlolongo mrefu wa amino asidi wanaohusishwa na vifungo peptide

polisakaridi

mlolongo mrefu wa monosaccharides; inaweza kuwa matawi au unbranched

protini

macromolecule kibiolojia linajumuisha minyororo moja au zaidi ya amino asidi

asidi ya ribonucleic (RNA)

polymer moja-stranded ya nucleotides kwamba ni kushiriki katika awali protini

asidi iliyojaa mafuta

hydrocarbon ya mnyororo mrefu na vifungo moja vya covalent katika mnyororo wa kaboni; idadi ya atomi za hidrojeni zilizounganishwa na mifupa ya kaboni hupanuliwa

wanga

carbohydrate kuhifadhi katika mimea

steroidi

aina ya lipid iliyojumuisha pete nne za hydrocarbon

trans mafuta

aina ya mafuta isokefu na atomi hidrojeni jirani dhamana mara mbili hela kutoka kwa kila mmoja badala ya upande mmoja wa dhamana mara mbili

trigliseridi

molekuli ya mafuta; lina asidi tatu fatty wanaohusishwa na molekuli GLYCEROL

asidi isokefu ya mafuta

hydrocarbon ya mnyororo mrefu ambayo ina vifungo moja au zaidi ya mara mbili katika mlolongo wa hydrocarbon

Wachangiaji na Majina

• Template:ContribOpenStaxConcepts