Name: biomolecules and their tests
Uploaded: 2019-01-29T11:04:45.000Z
Duration: 6 min 26 s
Channel: JoVE

K12 Standards

north-carolina-k-12-science-standard-course-of-study

North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Biology

from-molecules-to-organisms-structures-and-processes

From Molecules to Organisms- Structures and Processes

LS.Bio.1.1

Macromolecules

تعد معرفة ماهية الجزيئات الكبيرة خطوة مهمة لفهم كيفية امتصاص العناصر الغذائية واستخدامها من قبل الخلايا. مصطلح الجزيئات الكبيرة يعني ببساطة جزيئات كبيرة ويشير إلى أربعة مركبات مختلفة ، الكربوهيدرات ، والدهون ، والبروتينات ، والأحماض النووية. كل من هؤلاء له هيكل ووظيفة فريدة. دعنا نتحدث عن الكربوهيدرات أولا. 
تتكون جميع الكربوهيدرات من الكربون والهيدروجين والأكسجين. أولئك الذين لديهم هياكل بسيطة تسمى السكريات الأحادية أو السكريات. يمكن أن تنضم السكريات الأحادية لتشكيل سلاسل كربوهيدرات أكثر تعقيدا تسمى السكريات أو النشا. يشبه الشكل الطبيعي للنشا الزنبرك الملفوف بسبب زوايا الترابط في سلسلة البوليمر. 
النوع التالي من الجزيئات الكبيرة التي سنناقشها هو البروتين. تتكون البروتينات من سلاسل من الأحماض الأمينية ، والمركبات العضوية التي يحتوي كل منها على مجموعة أمينية أو N في أحد طرفيه ومجموعة كربوكسيل ، أو C-terminal في الطرف الآخر. هناك 20 من الأحماض الأمينية القياسية ، وعلى الرغم من أن جميعها لها بنية أساسية متشابهة ، إلا أن لكل منها سلسلة جانبية فريدة تعرف باسم مجموعة R. يمكن أن ترتبط الأحماض الأمينية المختلفة ببعضها البعض لتشكيل سلسلة متصلة بروابط الببتيد وتكوين بروتين. 
الفئة الأخيرة من الجزيئات الكبيرة التي سنفحصها هي الدهون. أكثر أنواع الدهون شيوعا هي الدهون ، وتسمى أيضا الدهون الثلاثية لأنها تتكون من جزيء جلسرين متصل بثلاث سلاسل من الأحماض الدهنية. 
الآن ، دعنا نتحدث عن اكتشاف هذه الجزيئات الكبيرة في بيئة معملية. يستخدم كاشف بنديكت بشكل شائع للكشف عن السكريات الأحادية. عادة ما يكون كاشف بنديكت أزرق لأنه يحتوي على أيونات النحاس على شكل كبريتات النحاس. هذا الملح المعدني هو مثال على عامل مؤكسد. تعتبر السكريات الأحادية التي تحتوي على مجموعة نصف أسيتال ، مثل الجلوكوز ، من السكريات المختزلة. في محلول مائي ، توجد السكريات الأحادية ذات المجموعات النصفية في كل من شكل السلسلة الدورية والمفتوحة التي تحتوي على ألدهيد تفاعلي. من هذا الألدهيد ، يتم نقل الإلكترون إلى أيون النحاس II. هذا يقلل من أيون النحاس II إلى أيون النحاس الأول ويؤكسد السكر المختزل. نظرا لأن أيونات النحاس I ينظر إليها على أنها حمراء الصدأ ، سيبدأ المحلول في تغيير اللون. في حالة وجود كميات صغيرة من السكريات الأحادية ، سيتغير المحلول إلى اللون الأخضر. ستؤدي التركيزات العالية من السكريات الأحادية إلى تقليل المزيد من النحاس وسيتغير لون المحلول بشكل أكثر دراماتيكية ، ليصبح في النهاية برتقاليا محمرا. 
يمكن الكشف عن النشويات باستخدام مؤشر اليود الأصفر والبني عادة. يحتوي هذا المؤشر على أنواع مختلفة من أنيون بولي يوديد مثل I-3 سلبي و I-5 سلبي و I-7 سلبي. يعمل اليود سالب الشحنة في كل أنيون كمتبرعين بشحنة بينما يعمل اليود المحايد كمتقبل للشحن. هذا مركب لنقل الشحنة ويتم إثارة الإلكترونات في هذه المجمعات بسهولة بالضوء إلى مستوى طاقة أعلى. يتم امتصاص الضوء في هذه العملية ويمكن رؤية لونه التكميلي بالعين البشرية. امتصاص الأنواع المختلفة في هذا المحلول هو ما يمنحه اللون الأصفر والبني. عند إضافة النشا ، فإنه يشكل مركبا جديدا لنقل الشحنة مع أنيونات البولي يوديد. مع النشا الذي يعمل كمتبرع بشحن والبوليوديد كمتقبل. في حين أن تفاصيل التفاعل غير معروفة ، يعتقد أن اليود والنشا يجتمعان لتشكيل بوليمر متجانس متعدد اليوديد اللانهائي. يمتص هذا المركب الضوء بطول موجي مختلف ، ويحول لون المحلول إلى اللون الأزرق الداكن. 
يمكن اكتشاف البروتينات باستخدام كاشف بيوريت ، وهو محلول أزرق يحتوي على أيونات النحاس ولكنه يرتبط بالنيتروجين الموجود في روابط الببتيد ، مكونا مجمعات مخلب. تنتج مجمعات المخلب التي تتضمن ثلاثة إلى أربع روابط ببتيد لونا بنفسجيا يغير لون المحلول. ترتبط شدة اللون ارتباطا مباشرا بتركيز رابطة الببتيد. كلما زاد التركيز ، زاد كثافة اللون البنفسجي. 
أخيرا ، يمكن الكشف عن الدهون في محلول باستخدام اختبار السودان الرابع. السودان الرابع عبارة عن صبغة غير قابلة للذوبان في الماء ، ولكنها قابلة للذوبان في الدهون ، لذلك عندما تضاف إلى محلول يحتوي على الدهون فإنها تلطخها باللون الأحمر. 
في هذا المختبر ، ستحدد الجزيئات الكبيرة الموجودة في الحلول الغامضة المقدمة باستخدام أربعة كواشف مؤشر مختلفة.

الجزيئات الكبيرة

<h4>الجزيئات الحيوية</h4>
تحتوي الكائنات الحية على مجموعة متنوعة من الجزيئات العضوية ذات الوظائف العديدة التي تعتمد على الهياكل الكيميائية وخصائص هذه الجزيئات. تحتوي جميع الجزيئات العضوية على العمود الفقري الكربوني وذرات الهيدروجين. ذرة الكربون أساسية في تكوين مجموعة واسعة من الجزيئات العضوية التي تتراوح في الحجم والشكل والتعقيد. من ناحية أخرى ، تحتوي الجزيئات غير العضوية بشكل عام على هياكل أبسط. يمكن أن يستوعب الغلاف الخارجي لذرة الكربون الحرة ثمانية إلكترونات ولكنه يشغله أربعة إلكترونات فقط ، وبالتالي يمكن أن يشكل أربع روابط تساهمية وترتبط بما يصل إلى أربع ذرات. بدلا من ذلك ، يمكن أن يرتبط أيضا بعدد أقل من الذرات عن طريق تكوين روابط مزدوجة أو ثلاثية. يسمح هذا التنوع في ذرات الكربون للجزيئات العضوية بعرض هياكل معقدة ، مثل السلاسل والفروع والحلقات وغيرها. 
تسمى الجزيئات العضوية التي تحدث بشكل طبيعي في الكائنات الحية الجزيئات الحيوية. إلى جانب الكربون والهيدروجين ، تحتوي الجزيئات الحيوية أيضا على عناصر أخرى مثل الأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت. بشكل عام ، تجتمع الوحدات الأصغر من الجزيئات الحيوية معا ، كتسلسلات متكررة ، لتشكيل جزيئات حيوية أكبر. تسمى هذه الوحدات المعيارية الصغيرة من الجزيئات الحيوية المونومرات عادة ما ينضم اثنان من المونومرات إلى بعضهما البعض لتشكيل ثنائي من خلال عملية تعرف باسم تخليق الجفاف ، وهي ببساطة إزالة ذرة هيدروجين من مونومر واحد وأيون هيدروكسيل (OH - ) من المونومر الآخر لإنشاء جزيء ماء يتم طرده مع ربط المونومرين برابطة تساهمية. يسمى عكس هذه العملية التحلل المائي ، حيث ينقسم الجزيء مرة أخرى إلى مونومراته الأصلية مع جزيء ماء يوفر ذرة هيدروجين لمونومر واحد وأيون هيدروكسيل للآخر. يمكن ربط العديد من المونومرات معا عن طريق الجفاف لتشكيل البوليمرات. في بعض الأحيان يمكن أن تتجمع البوليمرات المختلفة معا لتشكيل جزيئات أكبر وأكثر تعقيدا ، والتي تعرف باسم الجزيئات البيولوجية الكبيرة. 
تصنف الجزيئات الحيوية بناء على العناصر التي تتكون منها ، وهيكلها ووظيفتها داخل الكائنات الحية. يمكن تصنيف جميع الجزيئات الحيوية تقريبا إلى واحدة من الفئات العامة الأربع: الكربوهيدرات والدهون والبروتينات والأحماض النووية. 
<h4>الكربوهيدرات</h4>
الكربوهيدرات تعني ببساطة "ماء الكربون" لأن هذه الجزيئات تتكون من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين تقريبا بنسبة 1: 2: 1. تعرف مونومرات الكربوهيدرات باسم السكريات الأحادية ، والتي يشار إليها أيضا باسم السكريات البسيطة. الجلوكوز (C6H12O 6}) هو أكثر السكاريد الأحادي شيوعا في الكائنات الحية وهو وحدة فرعية للعديد من السكريات. تقوم العديد من الكائنات الحية أيضا بتصنيع السكريات الأحادية الأخرى المكونة من ستة كربون بنفس الصيغة الكيميائية مثل الجلوكوز ولكن هياكل مختلفة قليلا ، مثل الفركتوز والجالاكتوز. عندما يرتبط سكريتان أحاديتان معا ، فإنهما يشكلان السكريات الثنائية. على سبيل المثال ، يتكون السكروز من الجلوكوز والفركتوز ، بينما يحتوي اللاكتوز على الجلوكوز والجالاكتوز. تستخدم هذه السكريات الأحادية والسكريات الثنائية لتخزين الطاقة على المدى القصير في الكائنات الحية. المالتوز هو ثنائي السكاريد الآخر يتكون من جزيئين من الجلوكوز ويتشكل عادة عندما يتم تكسير سلاسل عديد السكاريد مثل النشا والجليكوجين أثناء الهضم. النشا هو عديد السكاريد الذي يعمل كجزيء لتخزين الطاقة في النباتات ويتكون من نوعين من بوليمرات الجلوكوز: الأميلوز والأميلوبكتين. يشكل الأميلوز 10-20٪ من النشا وهو بوليمر حلزوني من الجلوكوز. يشكل الأميلوبكتين الجزء الأكبر من النشا وهو بوليمر متفرع من الجلوكوز. الجليكوجين هو تقريبا نفس النشا ، ومع ذلك يتم تصنيعه وتخزينه واستخدامه في أنسجة الكبد والعضلات الحيوانية. 
إلى جانب العمل كمخازن للطاقة ، فإن الكربوهيدرات لها أيضا وظائف أخرى في الكائنات الحية. يتم دمج السكريات الأحادية المكونة من خمسة كربون ، الريبوز والديوكسيريبوز ، في بنية الحمض النووي وهي موجودة في كل خلية حية. علاوة على ذلك ، فإن السليلوز متعدد السكاريد ، وهو بوليمر طويل يتكون من الجلوكوز ، يعمل كمادة هيكلية صلبة في النباتات. لا يمتلك البشر إنزيمات هضمية لتكسير السليلوز في الطعام ، وهو ما يسمى أيضا الألياف الغذائية. ومع ذلك ، فإن استهلاك الألياف الغذائية يساعد في الحفاظ على فلورا الأمعاء الصحية ، والتي بدورها تساهم في صحة الجهاز الهضمي والجهاز المناعي 1. على غرار النباتات ، تستخدم بعض والفطريات عديد السكاريد الآخر ، الكيتين ، كجزيء هيكلي. تستخدم المفصليات الكيتين لبناء هياكلها الخارجية والحفاظ عليها ، بينما تدمجها الفطريات في جدرانها الخلوية للحفاظ على الصلابة. 
<h4>الدهون</h4>
الفئة الثانية من الجزيئات البيولوجية هي الدهون ، والتي تشمل الدهون والزيوت والشموع. الدهون هي جزيئات كارهة للماء تتكون بالكامل تقريبا من ذرات الكربون والهيدروجين. في كثير من الأحيان ، يتم تجميع الدهون في ثلاث فئات رئيسية. الدهون الثلاثية والفوسفوليبيدات والمنشطات. 
النوع الأكثر شيوعا من الدهون هو الدهون الثلاثية ، والتي تشمل دهون والزيوت من النباتات. تعمل الدهون الثلاثية بشكل عام كجزيئات لتخزين الطاقة على المدى الطويل ، باستثناء الشموع غير القابلة للهضم ، والتي تستخدم بدلا من ذلك كمادة مانعة لتسرب المياه في كل من النباتات. تحتوي الدهون الثلاثية على ثلاث سلاسل من الأحماض الدهنية ، والتي يمكن أن تكون إما مشبعة أو غير مشبعة ، متصلة بجزيء الجلسرين. سلاسل الأحماض الدهنية المشبعة هي جزيئات خطية بها أكبر عدد ممكن من ذرات الهيدروجين ، حيث يتم توصيل كل كربون في السلسلة عبر رابطة واحدة. من ناحية أخرى ، فإن سلاسل الأحماض الدهنية غير المشبعة لها مكامن الخلل بسبب وجود رابطة مزدوجة واحدة على الأقل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون الدهون غير المشبعة دهونا "متحولة" إذا كانت الهيدروجينات حول الرابطة المزدوجة تتعارض مع بعضها البعض. بينما تحدث الدهون المتحولة بشكل طبيعي ، يتم توليدها أثناء الإنتاج الصناعي للزيوت النباتية المشبعة بالهيدروجين. على غرار الأحماض الدهنية المشبعة ، تتراكم الدهون المتحولة جيدا بسبب خطيتها النسبية. ومع ذلك ، تسبب الدهون المتحولة مشاكل لصحة قلب الإنسان ، مثل إتلاف بطانة الشرايين والتسبب في التهاب عند هضمها 2. 
تشبه الدهون الفوسفورية الدهون الثلاثية ، ومع ذلك ، يتم استبدال إحدى سلاسل الأحماض الدهنية بمجموعة قطبية تحتوي على الفوسفات. لذلك ، فإن الدهون الفوسفورية لها رأس محب للماء وذيل من الأحماض الدهنية الكارهة للماء. هذه الخصائص من الفوسفوليبيدات ضرورية لهيكل غشاء الخلية ووظيفته. 
المنشطات هي الدهون التي تتكون من حلقات الكربون المنصهرة مع مجموعات وظيفية مختلفة. الكولسترول هو الستيرويد الذي هو أيضا مكون غشاء الخلية. علاوة على ذلك ، يستخدم الكوليسترول في الدم لتوليف المنشطات الأخرى ، بما في ذلك الهرمونات الجنسية مثل هرمون الاستروجين والتستوستيرون. على الرغم من أن الكوليسترول ضروري لبنية غشاء الخلية وتخليق الهرمونات ، إلا أن المستويات العالية من كوليسترول البلازما متورطة في تراكم البلاك داخل الأوعية الدموية والتسبب في أمراض الشريان التاجي 3 . 
<h4>البروتينات</h4>
الفئة الثالثة من الجزيئات البيولوجية هي البروتينات ، والتي تتكون من سلاسل من الأحماض الأمينية. هناك 20 من الأحماض الأمينية المختلفة ، وكلها لها بنية أساسية متشابهة ولكن لكل منها سلسلة جانبية فريدة تسمى "مجموعة R". يحتوي الحمض الأميني الفردي على طرف N وهو عبارة عن مجموعة أمينية (NH 3 + ) ونهاية طرفية C وهي مجموعة كربوكسيل (-COOH). ترتبط هذه المجموعات ببعضها البعض ، من المحطة N إلى C-terminal ، في سلسلة متصلة بروابط الببتيد. البروتينات مهمة للحفاظ على وظائف الجسم كإنزيمات وهرمونات ومكونات هيكلية وجزيئات نقل ، وتلعب أدوارا حيوية في تقلص العضلات والمناعة وتجلط الدم. ومع ذلك ، يمكن أن تنشأ مشكلات في بنية البروتين ووظيفته ، وغالبا ما تكون هذه المشكلات وراثية. على سبيل المثال ، خلايا الدم الحمراء الطبيعية مستديرة ، ولكن في الأشخاص المصابين بفقر الدم المنجلي ، يكون للخلايا شكل منحني مع منطقة كارهة للماء مكشوفة ، ناتجة عن طفرة في بروتين يسمى الهيموجلوبين S. يقلل هذا الشكل من القدرة على حمل الأكسجين ويسبب تعثر الخلايا في الأوعية الدموية. ينتج عن هذا العديد من الأعراض الضارة للشخص الذي يحمل الطفرة ، وغالبا ما يعاني الأشخاص الذين يرثون نسختين من جين الخلايا المنجلية من آثار سيئة أو ربما يموتون بسبب انخفاض قدرة الخلايا المنجلية على نقل الأكسجين. في تطور ، أولئك الذين يحملون نسخة واحدة فقط من الجين مقاومون للعدوى من الملاريا ، لذلك كان المرض قادرا على الانتقال ويستمر في البلدان ذات المستويات المرتفعة من عدوى الملاريا 4. 
<h4>الأحماض النووية</h4>
الفئة الرابعة من الجزيئات البيولوجية هي الأحماض النووية ، والتي تتكون من مونومرات تعرف باسم النيوكليوتيدات. تتكون هذه المونومرات من ثلاثة أجزاء: مجموعة فوسفات وسكر الريبوز وقاعدة نيتروجين. تختلف النيوكليوتيدات عن بعضها البعض من خلال قواعد النيتروجين ونوع الريبوز الذي تحتوي عليه. تعمل النيوكليوتيدات المفردة بشكل عام كناقلات للطاقة داخل الخلايا ، بالإضافة إلى أنها تعمل كجزيئات رسول. ومع ذلك ، فإن بوليمرات النيوكليوتيدات أو الأحماض النووية مثل الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) أو الحمض النووي الريبي (RNA) هي جزيئات وراثية تحتوي على المعلومات الجينية لبناء المنتجات الخلوية. 
<h4>الكشف عن الجزيئات الكبيرة </h4>
يمكن الكشف عن الجزيئات البيولوجية الكبيرة في الطعام أو المواد الأخرى باستخدام خصائصها الكيميائية المحددة. على سبيل المثال ، تحتوي السكريات الأحادية على مجموعات ألدهيد حرة (-CHO) أو كيتون (-C = O) يمكنها تقليل المركبات الأخرى ، مما يعني أنها مواد تتسبب في فقدان الجزيئات الأخرى للإلكترونات ، وبالتالي تعرف السكريات الأحادية أيضا باسم السكريات المختزلة. تستخدم هذه الخاصية للكشف عن وجود السكريات الأحادية بمؤشر يسمى كاشف بنديكت. يحتوي هذا المؤشر على أيونات النحاس (Cu2 + ) التي يتم تقليلها بواسطة السكريات الأحادية كما لوحظ مع تغيير لون المحلول من الأزرق إلى البرتقالي المحمر ، على الرغم من أن شدة اللون تختلف بناء على التركيز الأصلي للسكر المختزل. على هذا النحو ، فإن ملاحظة اللون الأخضر تعني أنه لا يوجد سوى كمية صغيرة من السكريات المختزلة الموجودة في المحلول. يوجد الأميلوز الموجود في النشا في بنية ملفوفة بسبب زوايا الرابطة في سلسلة البوليمر. يتفاعل مؤشر اليود ، يوديد اليود والبوتاسيوم (IKI) ، مع هذه الجزيئات الملفوفة وسيحول المحلول إلى اللون الأسود المزرق الداكن للإشارة إلى وجود الأميليوز. ومع ذلك ، إذا لم يكن النشا أميلوز موجودا ، فلن يحدث التفاعل ، وسيظل المحلول بني مصفر. يتم إجراء اختبار السودان الوريدي لاختبار وجود الدهون. هذه الصبغة محبة للدهون وتذوب عند وجود الدهون ، وبالتالي يتم الاحتفاظ باللون الأحمر في وجود الدهون. يحتوي كاشف بيوريت ، وهو مؤشر على وجود البروتينات ، على أيونات النحاس (Cu2 + ) التي تتفاعل مع روابط الببتيد وتحول المحلول من اللون الأزرق إلى اللون البنفسجي الداكن. يحتاج هذا الكاشف إلى التفاعل مع عدد كاف من روابط الببتيد هذه لإنتاج اللون البنفسجي المتوقع ، لذلك سينتج عن ذلك لون وردي إذا لم تكن سلاسل الأحماض الأمينية طويلة بما فيه الكفاية. 
<h4>المراجع</h4>
<ol class="references">
	<li>راسنيك ك. سينغ ، هسين وين تشانغ ، دي يان ، كريستينا إم لي ، ديريا أوكماك ، كيرستن وونغ ، مايكل أبروک ، بنيامين فراحنيك ، ميو ناكامورا ، تيان هاو تشو ، تينا بوتاني ، ويلسون لياو. تأثير النظام الغذائي على ميكروبيوم الأمعاء والآثار المترتبة على صحة الإنسان. J Transl Med. 2017 ، المجلد 15 ، 73 دوي: 10.1186 / s12967-017-1175-y. </li>
	<li>Siri-Tarino PW ، Sun Q ، Hu FB ، Krauss RM. التحليل التلوي للدراسات الأترابية المستقبلية التي تقيم ارتباط الدهون المشبعة بأمراض القلب والأوعية الدموية. أنا ي نوتر نوتر. 2010 ، المجلد 91 ، 3 (535-46). </li>
	<li>جوزيف ل. غولدشتاين ، مايكل س. براون. قرن من الكوليسترول والتاج: من اللويحات إلى الجينات إلى العقاقير المخفضة للكوليسترول. خلية. 2015 ، المجلد 161 ، 1 (161-72). </li>
	<li>مايكل أيدو ، ديان جيه تيرلو ، مارغريت إس كولتشاك ، بيتر دي ماكلروي ، فيكو أو تير كويل ، سيمون كاريوكي ، برنارد إل ناهلين ، ألطاف إيه لال ، فينكاتشالام أوداياكومار. التأثيرات الوقائية لجين فقر الدم المنجلي ضد المراضة والوفيات الناجمة عن الملاريا. انسيت. 2002 ، المجلد 359 ، 9314 (1311-1312). </li>
</ol>

الجزيئات الحيوية
تحتوي الكائنات الحية على مجموعة متنوعة من الجزيئات العضوية ذات الوظائف العديدة التي تعتمد على الهياكل الكيميائية وخصائص هذه الجزيئات ...

Education

JoVE Lab Manual

علم الأحياء

Fundamentals

أساسيات

biomolecules and their tests

Biomolecules are the organic molecules that living things use for structure, energy, and heredity. They all have a carbon backbone and hydrogen atoms, and carbon can form four covalent bonds. That bonding flexibility lets carbon build chains, branches, rings, and other complex shapes. Biomolecules also commonly include oxygen, nitrogen, phosphorus, and sulfur.

Small building blocks join together to make larger molecules. These units are called monomers. Two monomers can form a dimer through dehydration synthesis, which removes a hydrogen atom from one monomer and a hydroxyl group from the other. This releases water and creates a covalent bond. The reverse reaction is hydrolysis, where water helps split the molecule back into its original monomers. Many monomers can link into polymers, and different polymers can combine into biological macromolecules. Most biomolecules fall into four main groups: carbohydrates, lipids, proteins, and nucleic acids.

Carbohydrates are often called carbon water because they contain carbon, hydrogen, and oxygen in about a 1:2:1 ratio. Their monomers are monosaccharides, or simple sugars. Glucose is the most common monosaccharide in living organisms, and fructose and galactose are other six-carbon sugars with the same formula but different structures. When two monosaccharides join, they form disaccharides such as sucrose, lactose, and maltose. These sugars support short-term energy storage.

Larger carbohydrate polymers also have important jobs. Starch stores energy in plants and includes amylose and amylopectin. Amylose makes up about 10-20% of starch and forms a helical chain, while amylopectin is the main branched form. Glycogen is very similar to starch, but animals store and use it in liver and muscle tissue. Ribose and deoxyribose are five-carbon sugars found in nucleic acids. Cellulose is a rigid plant polymer made of glucose, and humans cannot digest it because they do not have the right enzymes. Even so, dietary fiber helps support healthy gut flora. Chitin is another structural polysaccharide. Arthropods use it in exoskeletons, and fungi use it in cell walls.

Lipids include fats, oils, and waxes. They are hydrophobic, which means they do not mix well with water, and they are made mostly of carbon and hydrogen. The main lipid groups are triglycerides, phospholipids, and steroids. Triglycerides contain glycerol and three fatty acid chains. They usually serve as long-term energy storage, while waxes act as waterproofing substances in plants and animals. Fatty acid chains can be saturated or unsaturated. Saturated chains are straight and have only single bonds. Unsaturated chains contain at least one double bond and have kinks. Some unsaturated fats are trans fats, which can form during industrial hydrogenation of vegetable oils. These fats stack well, but they can damage artery linings and promote inflammation. Phospholipids have a polar phosphate head and two hydrophobic tails. This structure helps form cell membranes. Steroids are fused carbon-ring lipids. Cholesterol is one steroid found in cell membranes, and it is also used to make sex hormones such as estrogen and testosterone. However, high plasma cholesterol can contribute to plaque buildup and coronary disease.

Proteins are chains of amino acids. There are 20 common amino acids, and each has the same basic structure plus a unique R-group, or side chain. Each amino acid has an N-terminal amino group and a C-terminal carboxyl group. Amino acids join from N-terminal to C-terminal through peptide bonds. Proteins work as enzymes, hormones, structural materials, and transport molecules. They also help with muscle contraction, immunity, and blood clotting. Protein changes can cause disease. In sickle cell anemia, a mutation in hemoglobin S changes red blood cell shape and exposes a hydrophobic region. This lowers oxygen transport and can make cells stick in blood vessels. People with two copies of the sickle cell gene can be severely affected. People with one copy are more resistant to malaria, which helps explain why the gene remains common in areas with malaria.

Nucleic acids store and pass on genetic information. Their monomers are nucleotides, each made of a phosphate group, a ribose sugar, and a nitrogen base. Nucleotides differ by their bases and by the type of sugar they contain. Single nucleotides can act as energy carriers and messenger molecules inside cells. Polymer forms of nucleotides include DNA and RNA, which contain the instructions used to build cellular products.

Biomolecules can be detected by using their chemical properties. Benedict’s reagent tests for reducing sugars, which are monosaccharides with free aldehyde or ketone groups that can reduce other compounds. Copper ions in the reagent change from blue to reddish orange, and a green color shows only a small amount of reducing sugar. IKI, or iodine-potassium iodide, tests for amylose in starch and turns dark bluish-black when amylose is present. If amylose is absent, the solution stays yellowish-brown. Sudan IV tests for lipids and leaves a red color when lipids are present. Biuret’s reagent tests for proteins by reacting with peptide bonds and changing from blue to dark violet. If the amino acid chain is too short, the color may appear pink instead of violet.

Biomolecules and Their Tests

scientific method

Scientific Method Steps and Controls

The scientific method gives scientists a way to solve problems and explain natural events. Its development grew alongside new ideas in science during the European Renaissance. Thinkers such as Francis Bacon, Galileo, and Isaac Newton helped formalize the process. Although the method has changed over time, much of its basic framework is still used today. The process begins with observation and a clear question. A scientist first notices a natural phenomenon and then asks why it happens. This...

diffusion and osmosis

Cell Membrane Transport and Water Balance

Cell membrane transport and water balance help cells move materials in and out of the cytoplasm. Cell membranes are semipermeable, which means some molecules can pass through while others cannot. The phospholipid bilayer and its embedded proteins control this movement. Some of these proteins act as transport channels for ions and carbohydrates that could not cross on their own. Cells stay small in part because of the surface-area to volume ratio. As a cell grows, its surface area does not keep...

cell structure

Cell Types and Organelles

Cells are the basic units of life, and their structures help explain how living things work. Cell theory says that every living organism is made of one or more cells, cells are the functional units of organisms, and new cells come from preexisting cells. Cells also share key features, including a plasma membrane, cytoplasm, DNA, and ribosomes. The plasma membrane is a phospholipid bilayer that surrounds the cell. It separates the cell from its environment and controls what enters and leaves.

macromolecules

Biomolecules are the organic molecules that living things use for structure, energy, and heredity. They all have a carbon backbone and hydrogen atoms, and carbon can form four covalent bonds. That bonding flexibility lets carbon build chains, branches, rings, and other complex shapes. Biomolecules also commonly include oxygen, nitrogen, phosphorus, and sulfur. Small building blocks join together to make larger molecules. These units are called monomers. Two monomers can form a dimer through...

physiology of the circulatory system

Circulatory System: Blood Flow and Pressure

The circulatory system moves blood, oxygen, nutrients, and wastes through the body to support homeostasis. Homeostasis is the stable internal balance that organisms must maintain even when the outside environment changes. Physiology is the study of how body systems work, and the circulatory system is one of the key systems that helps keep internal conditions steady. Body systems are built from cells, tissues, organs, and organ systems. Humans have 11 major organ systems, and they work together...

fundamentals

Learn how carbohydrates, lipids, proteins, and nucleic acids are built, what they do, and how common lab tests identify them.

Biomolecules and Their Tests | JoVE K12

ohios-learning-standards-and-model-curriculum

Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

Cells

Cellular processes

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

BIO.2

BIO.2.b

new-jersey-student-learning-standards-for-science

New Jersey Student Learning Standards for Science

High School

Life Science

From Molecules to Organisms: Structures and Processes

HS-LS1-6

Next Generation Science Standards

Florida Department of Education

SC.912.L.18

SC.912.L.18.1

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

matter-and-energy-in-organisms-and-ecosystems

Matter and Energy in Organisms and Ecosystems

HS-LS1-6.

Georgia Standards of Excellence

SB1.c

استعد لتدريس الجزيئات الكبيرة من خلال هذا الدليل الإرشادي للمدرسين لمدة 3 دقيقة. يغطي خطوات التحضير الأساسية لمختبر Biology على JoVE Lab Manual.

تحضير المدرّس لـ الجزيئات الكبيرة في Biology - أكثر من 10K مشاهدة | JoVE Lab Manual

اتبع إجراءات الجزيئات الكبيرة خطوة بخطوة في فيديو بروتوكول الطالب هذا لمدة 5 دقيقة. جزء من مجموعة Biology على JoVE Lab Manual.

بروتوكول الطالب لـ الجزيئات الكبيرة في Biology - أكثر من 59K مشاهدة | JoVE Lab Manual

Compounds Essential to Human Function

The human body is composed of cells that are fundamentally made up of several different molecules. These molecules are essential to carry out all ...

Biomolecules
Organisms contain a wide variety of organic molecules with numerous functions which depend on the chemical structures and properties of these ...

Solution Preparation
ExpandCAUTION: It is important to always use care when handling reagents. For example, iodine will stain clothes and skin so wear ...

Identifying Macromolecules with Indicator Solutions
ExpandHYPOTHESES: In this activity, the experimental hypothesis might be that the addition of an ...

pH Regulation in Cells

pH plays a critical role in maintaining normal cellular activities. It helps maintain the structure and function of various proteins, dictates the charge ...

Chemistry of the Cell

Overview of Functional Groups

Functional groups are a group of atoms with characteristic properties, which when linked to the carbon skeleton of a molecule, alter the properties of ...

Introduction to Carbohydrates

Carbohydrates, proteins, and fats are the primary macronutrients in the human diet. However, carbohydrates are the most favored source of energy in the ...

Carbohydrate Metabolism

Sugars as Energy Storage Molecules

What are Lipids?

lipid-derived-compounds-in-the-human-body

Lipid-derived Compounds in the Human Body

Fats and lipids are crucial components in the human body. Some lipid-derived compounds, such as fat-soluble vitamins, eicosanoids, lipoproteins, and ...

Fats as Energy Storage Molecules

What are Proteins?

Protein Organization

Globular Proteins

In organisms, proteins are the most abundant macromolecules. They act as the building blocks of life and play various crucial roles in the body. Proteins ...

Fibrous Proteins

Fibrous proteins are either long and narrow proteins or assemble to form long and thin structures. They contain repetitive units and usually consist of ...

Protein Denaturation

The function of proteins depends on their native three-dimensional structure, which is dictated by the amino acid sequence of the specific protein. ...

Role of Proteins in the Human Body

Proteins are the building block of life. They are also&#160; the most abundant macromolecules with as many diverse roles in the body. They are part of ...

Nucleic Acids and Nucleotides

Nucleic acids are the most important macromolecules for the continuity of life. They carry the cell&#39;s genetic blueprint and have instructions for its ...

Nucleic Acid Structure

The pentose sugar in DNA is deoxyribose, while in RNA the pentose sugar is ribose. The difference between the sugars is the presence of the hydroxyl group ...

ATP Energy Storage and Release

ATP and Macromolecule Synthesis

Biological macromolecules are organic compounds, predominantly composed of carbon atoms. The carbon atoms are covalently bonded with hydrogen, oxygen, ...

Construct an explanation to illustrate relationships between structure and function of major macromolecules essential for life.

Introduction to Enzymes

The use of enzymes by humans dates to 7000 BCE. Humans first used enzymes to ferment sugars and produce alcohol without knowing that this was an ...

Enzymes and Activation Energy

The activation energy (or free energy of activation), abbreviated as Ea, is the small amount of energy input necessary for all chemical reactions to ...

Introduction to Enzyme Kinetics

Enzyme kinetics studies the rates of biochemical reactions. Scientists monitor the reaction rates for a particular enzymatic reaction at various substrate ...

Turnover Number and Catalytic Efficiency

The turnover number of an enzyme is the maximum number of substrate molecules it can transform per unit time. Turnover numbers for most enzymes range from ...

Catalytically Perfect Enzymes

The theory of catalytically perfect enzymes was first proposed by W.J. Albery and J. R. Knowles in 1976. These enzymes catalyze biochemical reactions at ...

introduction-to-mechanisms-of-enzyme-catalysis

Introduction to Mechanisms of Enzyme Catalysis

For many years, scientists thought that enzyme-substrate binding took place in a simple &#34;lock-and-key&#34; fashion. This model stated that the enzyme ...

Ligand Binding and Linkage

Cooperative Allosteric Transitions

Ribozymes

Carry out investigations to illustrate how enzymes act as catalysts for biochemical reactions and how environmental factors affect enzyme activity.

LS.Bio.1.2

What are Cells?

Cells are the smallest and basic units of life, whether it is a single cell that forms the entire organism, e.g., in a bacterium or trillions of them, ...

Cell Size

Cell sizes vary widely among and within organisms. Bacterial cells range between 1-10 micrometers (&#x3BC;m)and are considerably smaller than most ...

Eukaryotic Compartmentalization

One of the distinguishing features of eukaryotic cells is that they contain membrane-bound organelles, such as the nucleus and mitochondria, that carry ...

Prokaryotic Cells

Prokaryotes are small unicellular organisms that include the domains&#x2014;Archaea and Bacteria. Bacteria include many common organisms, such as ...

Cytoplasm

The cytoplasm consists of organelles and a framework of protein scaffolds called the cytoskeleton suspended in an aqueous solution, the cytosol. The ...

The Nucleus

The nucleus is a membrane-bound organelle that acts as a control center in a eukaryotic cell. It contains chromosomal DNA, which controls gene expression ...

Endoplasmic Reticulum

Endoplasmic ReticulumThe endoplasmic reticulum (ER) is an extensive network of membranous sacs and tubules in eukaryotic cells, continuous with the outer ...

Ribosomes

Ribosomes translate genetic information encoded by messenger RNA (mRNA) into proteins. Both prokaryotic and eukaryotic cells have ribosomes. Cells that ...

Golgi Apparatus

As they leave the Endoplasmic Reticulum (ER), properly folded and assembled proteins are selectively packaged into vesicles. These vesicles are ...

Lysosomes

Lysosomes are membrane-enclosed spherical sacs derived from the Golgi apparatus. The most important function of the lysosome is degrading macromolecules ...

Peroxisomes

Peroxisomes and mitochondria are two important oxygen-utilizing organelles in eukaryotic cells. Mitochondria carry out cellular respiration&#x2014;the ...

Introduction to the Cytoskeleton

Overview of the Cytoskeleton
The cytoskeleton is a network of protein filaments present within the cell, having three distinct filaments ...

Introduction to Actin

Actin is a highly conserved cytoskeletal protein found abundantly in eukaryotic cells. It constitutes 10% weight of the total cellular protein in muscle ...

Cell Structure

Background
Cells represent the most basic biological units of all organisms, whether it be simple, single-celled organisms like bacteria, or large, ...

overview-of-myosin-structure-and-function

Overview of Myosin Structure and Function

Myosins are a family of molecular motor proteins, first identified in the skeletal muscles, where they are responsible for muscle contraction. Along with ...

Visualizing Onion and Cheek Cells
ExpandImmediately before the experiment, wash and peel onion bulbs for the class.
Remove the entire brown outer skin and ...

Microtubules

Microtubules are the thickest cytoskeletal filaments with a diameter of 25 nm. In prokaryotic organisms, microtubules are commonly found in locomotory ...

The Structure of Intermediate Filaments

The intermediate filaments are one of three widely studied cytoskeletal filaments. They are so named as their diameter (10 nm) is in between that of ...

Types of Intermediate Filaments

The intermediate filaments are an essential component of the cytoskeleton. Presently six types of intermediate filament have been identified. Type I and ...

Gap Junctions

Multicellular organisms employ a variety of ways for cells to communicate with each other. Gap junctions are specialized proteins that form pores between ...

The Extracellular Matrix

In order to maintain tissue organization, many animal cells are surrounded by structural molecules that make up the extracellular matrix (ECM). Together, ...

Tissues

Cells with similar structure and function are grouped into tissues. A group of tissues with a specialized function is called an organ. There are four main ...

Plant Cell Wall

The plant cell wall gives plant cells shape, support, and protection. As a cell matures, its cell wall specializes according to the cell type. For ...

Plasmodesmata

The organs in a multicellular organism&#x2019;s body are made up of tissues formed by cells. To work together cohesively, cells must communicate. One way ...

Use models to explain how the structure of organelles determines its function and supports overall cell processes.

LS.Bio.1.3

Cells are the smallest and basic units of life, whether it is a single cell that forms the entire organism, e.g., in a bacterium, or trillions of them, ...

the-tree-of-life-bacteria-archaea-and-eukaryotes

The Tree of Life - Bacteria, Archaea, and Eukaryotes

Prokaryotes are small unicellular organisms that include the domains &#8212; Archaea and Bacteria. Bacteria include many common microorganisms, such as ...

Prokaryotic vs. Eukaryotic Cells

Prokaryotic and eukaryotic cells represent two fundamental types of cellular organization, differing significantly in structure, complexity, and function. ...

Construct explanations to compare prokaryotic and eukaryotic cells in terms of structures and degree of complexity.

LS.Bio.1.4

The DNA Helix

Deoxyribonucleic acid, or DNA, is the genetic material responsible for passing traits from generation to generation in all organisms and most viruses. DNA ...

The Central Dogma

The central dogma explains the flow of genetic information from DNA nucleotides to the amino acid sequence of proteins.
RNA is the Missing Link Between ...

What is Gene Expression?

A gene is a stretch of DNA that serves as the blueprint for functional RNAs and proteins. Since DNA is comprised&#160; of nucleotides and proteins are ...

RNA Structure

The basic structure of RNA consists of a string of ribonucleotides attached by phosphodiester bonds. Although most RNA is single-stranded, it can form ...

Types of RNA

Three main types of RNA are involved in protein synthesis: messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA). These RNAs perform diverse ...

Transcription

Transcription is the synthesis of RNA from a DNA sequence by RNA polymerase. It is the first step in producing a protein from a gene sequence. ...

Bacterial RNA Polymerase

Eukaryotic RNA Polymerases

General Transcription Factors

Tissue-specific transcription factors contribute to diverse cellular functions in mammals. For example, the gene for beta globin, a major component of ...

RNA Polymerase II Accessory Proteins

Transcription Elongation Factors

Alternative RNA Splicing

Nuclear Export of mRNA

Transfer RNA Synthesis

Construct an explanation to summarize how DNA and RNA direct the synthesis of proteins.

LS.Bio.1.5

Analyze how the relationship between structure and function supports life processes within organisms.

Biomolecules and Their Tests

Description

Transcript

More videos by Standards