NộI Dung
Sinh học - hay chính thức là sự sống - được đặc trưng bởi các đại phân tử thanh lịch đã phát triển qua hàng trăm triệu năm để phục vụ một loạt các chức năng quan trọng. Chúng thường được phân loại thành bốn loại cơ bản: carbohydrate (hoặc polysacarit), lipid, protein và axit nucleic. Nếu bạn có bất kỳ nền tảng nào về dinh dưỡng, bạn sẽ nhận ra ba trong số này là ba chất dinh dưỡng đa lượng tiêu chuẩn (hay "macro", theo cách ăn kiêng) được liệt kê trên nhãn thông tin dinh dưỡng. Phần thứ tư liên quan đến hai phân tử liên quan chặt chẽ làm cơ sở cho việc lưu trữ và dịch thông tin di truyền trong tất cả các sinh vật sống.
Mỗi trong số bốn đại phân tử của sự sống, hay các phân tử sinh học, thực hiện một loạt các nhiệm vụ; như bạn có thể mong đợi, các vai trò khác nhau của chúng có liên quan đến các thành phần vật lý và sự sắp xếp khác nhau của chúng.
Các đại phân tử
Một đại phân tử là một phân tử rất lớn, thường bao gồm các tiểu đơn vị lặp đi lặp lại được gọi là đơn phân, không thể giảm thành các thành phần đơn giản hơn mà không phải hy sinh phần tử "khối xây dựng". Mặc dù không có định nghĩa chuẩn về việc một phân tử phải lớn đến mức nào để kiếm được tiền tố "vĩ mô", nhưng chúng thường có tối thiểu hàng nghìn nguyên tử. Bạn gần như chắc chắn đã nhìn thấy loại công trình này trong thế giới phi tự nhiên; ví dụ, nhiều loại hình nền, trong khi được thiết kế tỉ mỉ và mở rộng về mặt vật lý, bao gồm các tiểu đơn vị liền kề thường có kích thước nhỏ hơn một feet vuông. Thậm chí rõ ràng hơn, một chuỗi có thể được coi là một đại phân tử trong đó các liên kết riêng lẻ là "đơn phân".
Một điểm quan trọng về các đại phân tử sinh học là, ngoại trừ lipit, các đơn vị monome của chúng là cực, có nghĩa là chúng có điện tích không được phân phối đối xứng. Theo sơ đồ, chúng có "đầu" và "đuôi" với các tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Bởi vì các monome nối đầu với nhau, các đại phân tử cũng là cực.
Ngoài ra, tất cả các phân tử sinh học có lượng carbon nguyên tố cao. Bạn có thể đã nghe thấy loại sự sống trên Trái đất (nói cách khác, loại duy nhất chúng ta biết chắc chắn tồn tại ở bất cứ đâu) được gọi là "cuộc sống dựa trên carbon", và với lý do chính đáng. Nhưng nitơ, oxy, hydro và phốt pho cũng không thể thiếu đối với các sinh vật sống, và một loạt các yếu tố khác được trộn lẫn ở mức độ thấp hơn.
Carbohydrate
Một điều gần như chắc chắn rằng khi bạn nhìn thấy hoặc nghe thấy từ "carbohydrate", điều đầu tiên bạn nghĩ đến là "thực phẩm", và có lẽ cụ thể hơn, "một thứ gì đó trong thực phẩm rất nhiều người đang có ý định loại bỏ". "Lo-carb" và "no-carb" đều trở thành từ thông dụng giảm cân vào đầu thế kỷ 21, và thuật ngữ "nạp carbo" đã xuất hiện trong cộng đồng thể thao bền bỉ từ những năm 1970. Nhưng trên thực tế, carbohydrate không chỉ là nguồn năng lượng cho các sinh vật sống.
Các phân tử carbohydrate đều có công thức (CH2Ô)viết sai rồi, trong đó n là số lượng nguyên tử carbon có mặt. Điều này có nghĩa là tỷ lệ C: H: O là 1: 2: 1. Ví dụ, các loại đường đơn giản là glucose, fructose và galactose đều có công thức C6H12Ôi6 (các nguyên tử của ba phân tử này, tất nhiên, được sắp xếp khác nhau).
Carbonhydrate được phân loại là monosacarit, disacarit và polysacarit. Một monosacarit là đơn vị monome của carbohydrate, nhưng một số carbohydrate chỉ bao gồm một monome, chẳng hạn như glucose, fructose và galactose. Thông thường, các monosacarit này ổn định nhất ở dạng vòng, được mô tả sơ đồ như một hình lục giác.
Disacarit là các loại đường có hai đơn vị đơn phân, hoặc một cặp monosacarit. Các tiểu đơn vị này có thể giống nhau (như trong maltose, bao gồm hai phân tử glucose tham gia) hoặc khác nhau (như trong sucrose, hoặc đường, bao gồm một phân tử glucose và một phân tử fructose. Liên kết giữa các monosacarit được gọi là liên kết glycosid.
Polysacarit chứa ba hoặc nhiều monosacarit. Các chuỗi này càng dài thì càng có nhiều khả năng có các nhánh, nghĩa là, không chỉ đơn giản là một dòng monosacarit từ đầu đến cuối. Ví dụ về polysacarit bao gồm tinh bột, glycogen, cellulose và chitin.
Tinh bột có xu hướng hình thành trong một hình xoắn ốc, hoặc hình xoắn ốc; điều này là phổ biến trong các phân tử sinh học có trọng lượng phân tử cao nói chung. Ngược lại, cellulose là tuyến tính, bao gồm một chuỗi dài các monome glucose với các liên kết hydro xen kẽ giữa các nguyên tử carbon đều đặn. Cellulose là một thành phần của tế bào thực vật và cung cấp cho chúng độ cứng của chúng. Con người không thể tiêu hóa cellulose, và trong chế độ ăn kiêng, nó thường được gọi là "chất xơ". Chitin là một loại carbohydrate cấu trúc khác, được tìm thấy trong các cơ thể bên ngoài của động vật chân đốt như côn trùng, nhện và cua. Chitin là một carbohydrate biến đổi, vì nó được "pha trộn" với các nguyên tử nitơ dồi dào. Glycogen là hình thức lưu trữ cơ thể của carbohydrate; tiền gửi glycogen được tìm thấy trong cả mô gan và cơ. Nhờ sự thích nghi của enzyme trong các mô này, các vận động viên được đào tạo có thể lưu trữ nhiều glycogen hơn những người ít vận động do nhu cầu năng lượng cao và thực hành dinh dưỡng của họ.
Protein
Giống như carbohydrate, protein là một phần của hầu hết các từ vựng hàng ngày của mọi người vì chúng phục vụ như là một chất dinh dưỡng đa lượng. Nhưng protein rất linh hoạt, hơn rất nhiều so với carbohydrate. Trên thực tế, không có protein, sẽ không có carbohydrate hoặc lipid vì các enzyme cần thiết để tổng hợp (cũng như tiêu hóa) các phân tử này chính là protein.
Các monome của protein là axit amin. Chúng bao gồm một nhóm axit cacboxylic (-COOH) và một amino (-NH2) nhóm. Khi các axit amin kết hợp với nhau, nó thông qua một liên kết hydro giữa nhóm axit cacboxylic trên một trong các axit amin và nhóm amin khác, với một phân tử nước (H2O) phát hành trong quá trình. Một chuỗi axit amin đang phát triển là một polypeptide, và khi nó đủ dài và giả định hình dạng ba chiều của nó, nó là một protein đầy đủ. Không giống như carbohydrate, protein không bao giờ hiển thị các nhánh; chúng chỉ là một chuỗi các nhóm carboxyl tham gia vào các nhóm amino. Bởi vì chuỗi này phải có điểm đầu và điểm cuối, một đầu có nhóm amin tự do và được gọi là đầu N, trong khi đầu kia có nhóm amin tự do và được gọi là đầu C. Do có 20 axit amin và chúng có thể được sắp xếp theo bất kỳ thứ tự nào, nên thành phần của protein rất đa dạng mặc dù không xảy ra sự phân nhánh.
Protein có những gì được gọi là cấu trúc sơ cấp, thứ cấp, thứ ba và bậc bốn. Cấu trúc sơ cấp đề cập đến chuỗi axit amin trong protein và được xác định về mặt di truyền. Cấu trúc thứ cấp liên quan đến uốn cong hoặc xoắn trong chuỗi, thường theo kiểu lặp đi lặp lại. Một số sự phù hợp bao gồm một chuỗi xoắn alpha và một tấm xếp nếp beta, và kết quả từ các liên kết hydro yếu giữa các chuỗi bên của các axit amin khác nhau. Cấu trúc bậc ba là sự xoắn và cuộn protein trong không gian ba chiều và có thể liên quan đến liên kết disulfide (lưu huỳnh với lưu huỳnh) và liên kết hydro, trong số những người khác. Cuối cùng, cấu trúc bậc bốn đề cập đến nhiều hơn một chuỗi polypeptide trong cùng một đại phân tử. Điều này xảy ra trong collagen, bao gồm ba chuỗi xoắn và cuộn lại với nhau như một sợi dây.
Protein có thể phục vụ như các enzyme, xúc tác các phản ứng sinh hóa trong cơ thể; như hormone, chẳng hạn như insulin và hormone tăng trưởng; như các yếu tố cấu trúc; và như các thành phần màng tế bào.
Lipid
Lipid là một tập hợp các đại phân tử đa dạng, nhưng tất cả chúng đều có chung đặc điểm là kỵ nước; nghĩa là chúng không tan trong nước. Điều này là do lipit trung hòa về điện và do đó không phân cực, trong khi nước là một phân tử phân cực. Lipid bao gồm triglyceride (chất béo và dầu), phospholipids, carotenoids, steroid và sáp. Chúng tham gia chủ yếu vào sự hình thành và ổn định màng tế bào, hình thành các phần của hormone và được sử dụng làm nhiên liệu dự trữ. Chất béo, một loại lipid, là loại chất dinh dưỡng đa lượng thứ ba, với carbohydrate và protein đã thảo luận trước đây. Thông qua quá trình oxy hóa các axit béo được gọi là của chúng, chúng cung cấp 9 calo mỗi gram trái ngược với 4 calo mỗi gram được cung cấp bởi cả carbohydrate và chất béo.
Lipid không phải là polymer, vì vậy chúng có nhiều dạng khác nhau. Giống như carbohydrate, chúng bao gồm carbon, hydro và oxy. Triglyceride bao gồm ba axit béo được nối với một phân tử glycerol, một loại rượu ba carbon. Các chuỗi bên axit béo là hydrocarbon dài, đơn giản. Những chuỗi này có thể có liên kết đôi, và nếu có, điều đó tạo ra axit béo chưa bão hòa. Nếu chỉ có một liên kết đôi như vậy, axit béo là không bão hòa đơn. Nếu có hai hoặc nhiều hơn, đó là không bão hòa đa. Những loại axit béo khác nhau này có ý nghĩa sức khỏe khác nhau đối với những người khác nhau do tác động của chúng lên thành mạch máu. Chất béo bão hòa, không có liên kết đôi, rắn ở nhiệt độ phòng và thường là chất béo động vật; những thứ này có xu hướng gây ra các mảng động mạch và có thể góp phần gây ra bệnh tim. Các axit béo có thể được xử lý hóa học và các chất béo không bão hòa như dầu thực vật có thể được bão hòa để chúng rắn chắc và thuận tiện để sử dụng ở nhiệt độ phòng, như bơ thực vật.
Phospholipids, có một lipid kỵ nước ở một đầu và một phosphat ưa nước ở đầu kia, là một thành phần quan trọng của màng tế bào. Những màng này bao gồm một lớp kép phospholipid. Hai phần lipid, kỵ nước, hướng ra bên ngoài và bên trong tế bào, trong khi đuôi ưa nước của phosphate gặp nhau ở trung tâm của lớp kép.
Các lipit khác bao gồm steroid, đóng vai trò là hormone và tiền chất của hormone (ví dụ: cholesterol) và chứa một loạt các cấu trúc vòng đặc biệt; và sáp, bao gồm sáp ong và lanolin.
Axit nucleic
Axit nucleic bao gồm axit deoxyribonucleic (DNA) và axit ribonucleic (RNA). Đây là những cấu trúc rất giống nhau vì cả hai đều là các polyme trong đó các đơn vị là nucleotide. Nucleotide bao gồm một nhóm đường pentose, một nhóm phốt phát và một nhóm bazơ nitơ. Trong cả DNA và RNA, các bazơ này có thể là một trong bốn loại; mặt khác, tất cả các nucleotide của DNA đều giống hệt như RNA.
DNA và RNA khác nhau theo ba cách chính. Một là trong DNA, đường pentose là deoxyribose và trong RNA nó là ribose. Những loại đường này khác nhau bởi chính xác một nguyên tử oxy. Sự khác biệt thứ hai là DNA thường có chuỗi kép, tạo thành chuỗi xoắn kép được phát hiện vào những năm 1950 bởi nhóm Watson và Cricks, nhưng RNA là chuỗi đơn. Thứ ba là DNA chứa các bazơ nitơ adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và thymine (T), nhưng RNA có uracil (U) thay thế cho thymine.
DNA lưu trữ thông tin di truyền. Độ dài của nucleotide tạo nên gen, có chứa thông tin, thông qua các chuỗi cơ sở nitơ, để sản xuất các protein cụ thể. Rất nhiều gen tạo nên nhiễm sắc thể, và tổng số nhiễm sắc thể của sinh vật (con người có 23 cặp) là bộ gen. DNA được sử dụng trong quá trình phiên mã để tạo ra một dạng RNA gọi là RNA thông tin (mRNA). Điều này lưu trữ thông tin được mã hóa theo một cách hơi khác và di chuyển nó ra khỏi nhân tế bào nơi DNA ở và vào tế bào chất của tế bào, hoặc ma trận. Ở đây, các loại RNA khác bắt đầu quá trình dịch mã, trong đó protein được tạo ra và gửi đi khắp tế bào.