Макромолекул

Биомолекулы

Организмы содержат большое разнообразие органических молекул с многочисленными функциями, которые зависят от химической структуры и свойств этих молекул. Все органические молекулы содержат углеродный каркас и атомы водорода. Атом углерода играет центральную роль в формировании огромного разнообразия органических молекул разного размера, формы и сложности; Неорганические молекулы, с другой стороны, обычно имеют более простую структуру. Самая внешняя оболочка свободного атома углерода может вместить восемь электронов, но занята только четырьмя электронами, поэтому она может образовывать четыре ковалентные связи и связываться до четырех атомов. Кроме того, он также может связываться с меньшим количеством атомов, образуя двойные или тройные связи. Такая универсальность атомов углерода позволяет органическим молекулам демонстрировать сложные структуры, такие как цепи, ветви и кольца, среди прочего.

Органические молекулы, которые естественным образом встречаются в организмах, называются биомолекулами. Помимо углерода и водорода, биомолекулы также содержат другие элементы, такие как кислород, азот, фосфор и сера. Как правило, меньшие единицы биомолекул объединяются в виде повторяющихся последовательностей, образуя более крупные биомолекулы. Эти небольшие модульные единицы биомолекул называются мономерами. Два мономера обычно соединяются друг с другом с образованием димера с помощью процесса, известного как синтез дегидратации, который представляет собой простое удаление атома водорода из одного мономера и гидроксильного (OH^-) иона из другого мономера для создания молекулы воды, которая должна быть выброшена, при этом связывая два мономера ковалентной связью. Обратный процесс называется гидролизом, при котором молекула расщепляется на исходные мономеры, при этом молекула воды обеспечивает атом водорода для одного мономера и гидроксильный ион для другого. Многие мономеры могут присоединяться друг к другу путем дегидратации с образованием полимеров. Иногда различные полимеры могут объединяться, образуя еще более крупные и сложные молекулы, которые известны как биологические макромолекулы.

Биомолекулы классифицируются на основе элементов, из которых они состоят, а также их структуры и функций в живых организмах. Почти все биомолекулы можно классифицировать по одной из четырех основных категорий: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Углеводы

Углевод означает просто «углеродная вода», потому что эти молекулы состоят из атомов углерода, водорода и кислорода в соотношении примерно 1:2:1. Углеводные мономеры известны как моносахариды, которые также относятся к простым сахарам. Глюкоза (_С6, Н_{, 12}, О₆) является наиболее распространенным моносахаридом в живых организмах и является субъединицей многих полисахаридов. Многие организмы также синтезируют другие шестиуглеродистые моносахариды с той же химической формулой, что и глюкоза, но немного другие структуры, такие как фруктоза и галактоза. Когда два моносахарида соединяются вместе, они образуют дисахариды. Например, сахароза состоит из глюкозы и фруктозы, тогда как лактоза содержит глюкозу и галактозу. Эти моносахариды и дисахариды используются для кратковременного накопления энергии в живых организмах. Мальтоза — еще один дисахарид, который состоит из двух молекул глюкозы и обычно образуется, когда полисахаридные цепи, такие как крахмал и гликоген, разрушаются во время пищеварения. Крахмал — это полисахарид, который служит молекулой для накопления энергии в растениях и состоит из двух типов полимеров глюкозы: амилозы и амилопектина. Амилоза составляет 10-20% крахмала и представляет собой спиральный полимер глюкозы. Амилопектин составляет основную часть крахмала и представляет собой разветвленный полимер глюкозы. Гликоген практически не отличается от крахмала, однако он синтезируется, хранится и используется в печени и мышечных тканях животных.

Помимо того, что углеводы служат запасами энергии, они выполняют и другие функции в организме. Пятиуглеродные моносахариды, рибоза и дезоксирибоза, интегрированы в структуру нуклеиновых кислот и присутствуют в каждой живой клетке. Кроме того, полисахаридная целлюлоза, представляющая собой длинный полимер, состоящий из глюкозы, служит жестким конструкционным материалом в растениях. У человека нет пищеварительных ферментов для расщепления целлюлозы в пище, которую еще называют пищевыми волокнами. Тем не менее, потребление пищевых волокон помогает поддерживать здоровую кишечную флору, что, в свою очередь, способствует здоровью пищеварительной и иммунной систем¹. Подобно растениям, некоторые животные и грибы используют другой полисахарид, хитин, в качестве структурной молекулы. Членистоногие используют хитин для построения и поддержания своих экзоскелетов, в то время как грибы встраивают его в свои клеточные стенки для поддержания жесткости.

Липидов

Вторым классом биологических макромолекул являются липиды, к которым относятся жиры, масла и воски. Липиды — это гидрофобные молекулы, которые почти полностью состоят из атомов углерода и водорода. Часто липиды группируются в три основные категории; триглицериды, фосфолипиды и стероиды.

Наиболее распространенным типом липидов являются триглицериды, к которым относятся жиры животных и масла растений. Триглицериды обычно служат молекулами долгосрочного хранения энергии, за исключением неперевариваемых восков, которые вместо этого используются в качестве гидроизоляционного вещества как для растений, так и для животных. Триглицериды содержат три цепи жирных кислот, которые могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными, соединенными с молекулой глицерина. Цепи насыщенных жирных кислот представляют собой линейные молекулы с максимальным количеством атомов водорода, где каждый углерод в цепи связан одной связью. С другой стороны, цепи ненасыщенных жирных кислот имеют изломы из-за наличия, по крайней мере, одной двойной связи. Кроме того, ненасыщенные жиры могут быть «транс»-жирами, если водороды вокруг двойной связи противостоят друг другу. В то время как трансжиры встречаются в природе, они образуются при промышленном производстве насыщенных растительных масел с водородом. Подобно насыщенным жирным кислотам, трансжиры очень хорошо складываются благодаря своей относительной линейности. Тем не менее, трансжиры вызывают проблемы для здоровья сердца человека, такие как повреждение слизистой оболочки артерий и вызывание воспаления при переваривании.

Фосфолипиды похожи на триглицериды, однако одна из цепей жирных кислот заменена на фосфатсодержащую полярную группу. Таким образом, фосфолипиды имеют гидрофильную головку и два хвоста гидрофобных жирных кислот. Эти свойства фосфолипидов имеют решающее значение для структуры и функционирования клеточной мембраны.

Стероиды представляют собой липиды, которые состоят из сплавленных углеродных колец с различными функциональными группами. Холестерин – это стероид, который также является компонентом клеточной мембраны. Кроме того, холестерин используется для синтеза других стероидов, в том числе половых гормонов, таких как эстроген и тестостерон. Хотя холестерин необходим для структуры клеточных мембран и синтеза гормонов, высокий уровень холестерина в плазме крови участвует в накоплении бляшек внутри кровеносных сосудов и вызывает ишемическую болезнь^{сердца 3}.

Белки

Третьим классом биологических макромолекул являются белки, которые состоят из цепочек аминокислот. Существует 20 различных аминокислот, все они имеют схожую базовую структуру, но каждая из них имеет уникальную боковую цепь, называемую «R-группой». Одна аминокислота имеет N-концевой конец, который является аминогруппой (NH₃⁺), и С-концевой конец, который является карбоксильной группой (-COOH). Эти группы соединяются друг с другом, N-концевыми и С-концевыми, в цепочку, соединенную пептидными связями. Белки важны для поддержания функций организма в качестве ферментов, гормонов, структурных компонентов и транспортных молекул, а также играют жизненно важную роль в сокращении мышц, иммунитете и свертываемости крови. Тем не менее, могут возникнуть проблемы в структуре и функции белка, и эти проблемы часто являются генетическими. Например, нормальные эритроциты имеют круглую форму, но у людей, страдающих серповидноклеточной анемией, клетки имеют изогнутую форму с обнаженной гидрофобной областью, вызванной мутацией белка под названием гемоглобин S. Такая форма снижает способность переносить кислород и приводит к тому, что клетки застревают в кровеносных сосудах. Это приводит ко многим негативным симптомам для человека, несущего мутацию, и люди, которые наследуют две копии гена серповидноклеточной анемии, часто страдают от негативных последствий или даже, возможно, умирают из-за сниженной способности серповидноклеточных клеток транспортировать кислород. В любом случае, люди, несущие только одну копию гена, устойчивы к малярийной инфекции, поэтому болезнь смогла передаваться и сохраняется в странах с повышенным уровнем малярийных инфекций⁴.

Нуклеиновые кислоты

Четвертым классом биологических макромолекул являются нуклеиновые кислоты, которые состоят из мономеров, известных как нуклеотиды. Эти мономеры состоят из трех частей: фосфатной группы, сахара рибозы и азотного основания. Нуклеотиды отличаются друг от друга азотными основаниями и типом содержащейся в них рибозы. Одиночные нуклеотиды обычно действуют как переносчики энергии внутри клеток, а также функционируют как молекулы-посредники. Тем не менее, нуклеотидные полимеры или нуклеиновые кислоты, такие как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) или рибонуклеиновая кислота (РНК), являются наследственными молекулами, которые содержат генетическую информацию для создания клеточных продуктов.

Обнаружение макромолекул

Биологические макромолекулы в продуктах питания или других веществах могут быть обнаружены по их специфическим химическим свойствам. Например, моносахариды имеют свободные альдегидные (-CHO) или кетоновые (-C=O) группы, которые могут восстанавливать другие соединения, то есть они являются веществами, которые заставляют другие молекулы терять электроны, поэтому моносахариды также известны как редуцирующие сахара. Это свойство используется для обнаружения наличия моносахаридов с помощью индикатора, называемого реактивом Бенедикта. Этот показатель содержит ионы меди (Cu²⁺), которые восстанавливаются моносахаридами, что наблюдается при изменении цвета раствора с синего на красновато-оранжевый, хотя интенсивность цвета изменяется в зависимости от исходной концентрации редуцирующего сахара. Таким образом, наблюдение за зеленым цветом означает, что в растворе присутствует лишь небольшое количество редуцирующих сахаров. Амилоза в крахмале существует в спиральной структуре из-за углов связи в полимерной цепи. Индикатор йода, йод-йодид калия (IKI), вступает в реакцию с этими свернутыми молекулами и окрашивает раствор в темно-голубовато-черный цвет, указывая на наличие амилозы. Однако, если в нем нет амилозы крахмала, реакция не пройдет, и раствор останется желтовато-коричневого цвета. Суданский внутривенный тест проводится для проверки на наличие липидов. Этот краситель является липофильным и растворяется в присутствии липидов, таким образом, красный цвет сохраняется в присутствии липидов. Реактив биурета, индикатор наличия белков, содержит ионы меди (Cu²⁺), которые вступают в реакцию с пептидными связями и окрашивают раствор из синего в темно-фиолетовый. Этот реагент должен вступать в реакцию с достаточным количеством этих пептидных связей, чтобы получить ожидаемый фиолетовый цвет, поэтому розоватый цвет будет получен, если цепочки аминокислот недостаточно длинные.

Ссылки

1. Расник К. Сингх, Синь-Вэнь Чанг, Ди Ян, Кристина М. Ли, Дерья Учмак, Кирстен Вонг, Майкл Абрук, Бенджамин Фарахник, Мио Накамура, Тянь Хао Чжу, Тина Бутани, Уилсон Ляо. Влияние диеты на микробиом кишечника и последствия для здоровья человека. J Transl Med. 2017, Том 15, 73 doi: 10.1186/s12967-017-1175-у.
2. Сири-Тарино.В., Сунь Ць, Ху Ф.Б., Краусс Р.М. Метаанализ проспективных когортных исследований, оценивающих связь насыщенных жиров с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Am J Clin Nutr. 2010, Том 91, 3 (535-46).
3. Джозеф Л. Гольдштейн, Майкл С. Браун. Век холестерина и коронарных артерий: от бляшек до генов и статинов. ячейка. 2015, Том 161, 1 (161-72).
4. Майкл Айду, Дайан Джей Терлоу, Маргарет С. Колчак, Питер Д. МакЭлрой, Фейко О тер Куиле, Саймон Кариуки, Бернард Л. Нален, Алтаф А Лал, Венкатачалам Удхаякумар. Защитные эффекты гена серповидноклеточной анемии против заболеваемости малярией и смертности. ланцет. 2002, Vol. 359, 9314 (1311-1312).