Macromolecules

درشت مولکول های زیستی را می‌شناسید؟

همه ما می‌دانیم که کوچک ترین واحد سازنده بدن موجودات زنده سلول ها هستند. اما خود سلول ها از چه چیزی ساخته شده‌اند؟ بله! درشت مولکول های زیستی. این مولکول ها کنار هم قرار میگیرند و سلول‌های زنده را ایجاد می‌کنند و نقش های اساسی در بدن انسان ها و دیگر موجودات زنده بر عهده دارند.

درشت مولکول(ماکرومولکول) هایی که طی صدها میلیون سال برای ارائه خدمات حیاتی تکامل یافته‌اند، واحد های سازنده حیات هستند. این مولکول ها معمولا در چهار گروه اصلی دسته بندی می‌شوند: کربوهیدرات ها (یا پلی ساکارید ها)، لیپید ها، پروتئین ها و نوکلئیک اسید ها. اگر در زمینه تغذیه اطلاعاتی داشته باشید احتمالا میدانید که سه دسته‌ی اول نام برده شده، جز عناصر غذایی پر مصرف هستند. دسته چهارم نیز که خود از دو مولکول مشابه به هم تشکیل شده، اساس ذخیره و ترجمه‌ی اطلاعات ژنتیکی در تمام موجودات زنده را بر عهده دارند. [DNA و RNA]

درشت مولکول ها

درشت مولکول، مولکول بسیار بزرگی است که معمولا از زیر واحد های تکرار شونده‌ای به نام مونومر تشکیل شده است. مونومر ها نمی‌توانند به زیر واحد های ساده تبدیل شوند. یعنی مونومر ها کوچک‌ترین زیر واحد ماکرومولکول ها هستند. برای آنکه بتوانیم بگوییم یک مولکول باید چه اندازه بزرگ باشد تا به آن ماکرومولکول گفته شود هیچ مقدار مشخصی تعریف نشده است. ماکرومولکول ها معمولا دست کم هزاران اتم دارند. به احتمال زیاد این گونه ساختار هارا در دنیای غیر طبیعی دیده‌اید. برای مثال، بسیاری از انواع کاغذ دیواری. این ماکرومولکول از پیوستن زیر واحد هایی به هم تشکیل شده که معمولا کمتر از یک دهم متر مربع هستند.

نکته مهم راجع به درشت مولکول های زیستی این است که مونومرهای همه آن‌ها به غیر از لیپید ها، دارای خاصیت قطبی هستند. یعنی آن ها یک نیروی الکتریکی دارند که به صورت متقارن تقسیم نشده است. [بار مثبت مولکول در یک سمت و بار منفی در سمت دیگر تجمع یافته.] آنها دارای سر و دم، با خاصیت های شیمیایی و فیزیکی متفاوت هستند. به دلیل اینکه مونومرها به صورت “سر به دم” به یکدیگر متصل می شوند ینی سر یک مونومر به دم دیگری متصل می‌شود، خود درشت مولکول ها نیز دارای خاصیت قطبی هستند.

همچنین تمام مولکول های زیستی دارای مقدار زیادی از عنصر کربن هستند. شاید شنیده باشید که زندگی روی زمین (یا به عبارت دیگر تنها نوع زندگی که تا به حال میشناسیم)، به عنوان “زندگی بر اساس کربن شناخته می شود. این عبارت نشان دهنده نقش اساسی کربن در ساختار مولکول های زیستی می‌باشد. ولی نیتروژن، اکسیژن و هیدروژن نیز در ساختار مولکول های زیستی نقش مهمی دارند. نقش بقیه عناصر در مولکول های زیستی کمتر می‌باشد.

کربوهیدرات‌ها

به احتمال زیاد هنگامی که نام کربوهیدرات‌ها را می‌شنوید به یاد غذا می‌افتید یا اگر تا به حال برای کاهش وزن تلاش کرده‌اید می‌دانید که باید از خوردن بیش از حد آن‌ها خودداری کنید اما در حقیقت کربوهیدرات‌ها  خیلی بیشتر از یک منبع انرژی برای موجودات زنده هستند.
کربوهیدرات‌ها  به سه گروه اصلی زیر تقسیم می‌شوند:

  • مونوساکارید ها
  • دی‌ساکارید ها
  • پلی‌ساکارید ها

مونوساکارید ها واحدهای مونومری کربوهیدرات ها هستند و بعضی از کربوهیدرات‌ها  فقط از یک مونومر تشکیل شده اند مانند: گلوکز، فروکتوز و گالاکتوز.
دی‌ساکارید ها قند هایی با دو واحد مونومری هستند. این زیر واحد ها می توانند از یک نوع باشند مانند مالتوز که از به هم پیوستن دو مولکول گلوکز ایجاد می‌شود. یا این که می‌توانند از دو زیر واحد متفاوت تشکیل شده‌باشد مانند: ساکارز که قند سازنده شکر می‌باشد، از یک مولکول گلوکز و یک مولکول فروکتوز به وجود آمده. پیوندهای میان مونوساکاریدها پیوندهای گلیکوزیدی نامیده می‌شود.
اگر سه یا تعداد بیشتری از مونوساکارید ها به یکدیگر متصل شوند، پلیساکارید ها را به وجود می‌آورند. هرچه زنجیره پلی‌ساکاریدی درازتر باشد احتمال داشتن شاخه بیشتر خواهد بود. نشاسته، گلیکوژن، سلولز و کیتین مثال هایی از پلی ساکارید ها هستند.

نشاسته تمایل دارد تا ساختاری مارپیچی تشکیل دهد که این تمایل در بین مولکول‌های زیستی دارای وزن زیاد، شایع است.

سلولز برخلاف نشاسته دارای ساختار خطی است و متشکل از زنجیره‌ی درازی از گلوکز ها است. سلولز یکی از اجزاء سلول های گیاهی است که به آن‌ها  ساختاری محکم می‌بخشد. انسان‌ها توانایی هضم سلولز را ندارند. معمولا در رژیم غذایی به سلولز، فیبر گفته می‌شود.

کیتین یک کربوهیدرات ساختاری دیگر است که در قسمت خارجی بدن بندپایان مانند حشرات عنکبوت ها و خرچنگ ها یافت می‌شود.

گلیکوژن، فرم ذخیره شده‌ی کربوهیدرات در بدن است. محل ذخیره آن در بافت کبد و ماهیچه می‌باشد. افراد ورزشکار می‌توانند گلیکوژن بیشتری نسبت به افراد معمولی ذخیره کنند. دلیل این آن نیاز بالای آن‌ها به انرژی می‌باشد.

پروتئین‌ها

نام پروتئین ها نیز مانند کربوهیدرات ها مرتب به گوش افراد می‌رسد. این به دلیل قرار گرفتن این مولکول ها در دسته عناصر غذایی رایج می‌باشد. ولی پروتئین ها اهمیت خیلی بالاتری نسبت به کربوهیدرات ها دارند. در حقیقت بدون پروتئین ها هیچ کربوهیدرات یا لیپیدی نمی‌توانست وجود داشته باشد زیرا آنزیم هایی که برای تولید (و حتی تجزیه آن‌ها) مورد نیاز است، از جنس پروتئین می‌باشد.
آمینو اسید ها، مونومر پروتئین ها هستند. به یک زنجیره از آمینو اسید ها پلی پپتید گفته می شود. هنگامی که این زنجیره (پلی پپتید) به اندازه کافی طویل شود ساختار سه بعدی ویژه ای به خود می گیرد. در این هنگام میگوییم پروتئین کامل به وجود آمده است. پروتئین ها بر خلاف پلی ساکاریدها دارای انشعاب نیستند. به دلیل وجود ۲۰ نوع آمینو اسید متفاوت، زجیره پلی پپتیدی می‌تواند در حالات بسیار متفاوتی شکل بگیرد به همین دلیل پروتئین‌ها با وجود اینکه در ساختار خود انشعاب ندارند، تنوع بسیار بالایی دارند.
پروتئین ها دارای ساختار اول، دوم، سوم و چهارم هستند. ساختار اولیه به توالی آمینو اسیدها در پروتئین اشاره دارد که این ساختار ژنتیکی است و توسط ژن ها تعیین می شود. ساختار ثانویه، به پیچ و خم های زنجیره اشاره دارد که معمولا تکرار شونده هستند. ساختار سوم پیچ و تاب های پروتئین در فضای سه بعدی است. ساختار چهارم مربوط به پروتئین هایی است که دارای دو یا چند زنجیره پلی پپتیدی هستند. برای مثال کلاژن دارای ساختار چهارم است. کلاژن از سه زنجیره پلی پپتیدی که به دور هم پیچ و تاب خورده اند و ساختاری مانند یک طناب ایجاد کرده‌اند ساخته شده است.
برخی از پروتئین ها به عنوان آنزیم عمل می کنند و واکنش های بیوشیمیایی را در بدن کاتالیز می کنند. برخی دیگر به عنوان هورمون ها عمل می کنند مانند هورمون انسولین و هورمون رشد و برخی به عنوان اجزای ساختاری عمل می کند مثل اجزاء غشای سلولی.

لیپیدها

لیپیدها یک مجموعه متنوع از درشت مولکول ها هستند. همه آن‌ها  یک ویژگی مشترک دارند و آن هم آب گریز بودن است. یعنی نمی توانند در آب حل شوند. این مولکول ها از نظر الکتریکی خنثی می‌باشند در نتیجه غیرقطبی اند و از آن‌جایی که مولکول آب، قطبی می‌باشد، لیپید ها آب گریز هستند. لیپیدها شامل تری گلیسیریدها ( چربی‌ها و روغن‌ها)، فسفولیپیدها، کاروتنوئیدها، استروئیدها و موم ها هستند. لیپید ها به طور عمده در ساختار و استحکام غشای سلول نقش دارند، هورمون ها را می سازند و به عنوان سوخت ذخیره شده استفاده می‌شود. چربی ها که نوعی لیپید به حساب می آیند، سومین دسته از عناصر رایج غذایی هستند.
لیپیدها پلیمر نیستند در نتیجه می تواند در ساختارهای متنوعی ظاهر شود.
تری گلیسیریدها شامل سه اسید چرب متصل به یک مولکول گلیسرول هستند. اگر در یکی از زنجیرهای اسید چرب مولکول تری گلیسرید پیوند دوگانه وجود داشته باشد به این مولکول سیر نشده گفته می شود که در دمای اتاق به حالت مایع دیده می شود که این نوع تری گلیسیرید در گیاهان دیده می‌شود. اگر اسیدهای چرب بین مولکول فاقد پیوند دوگانه باشند به آنها سیر شده گفته می شود، در حیوانات یافت می‌شوند و در دمای اتاق به صورت جامد هستند. مصرف غذایی این نوع تری گلیسیرید باعث ایجاد پلاک شریان ها [انسداد عروق]  می‌شود و ممکن است بیماری قلبی ایجاد کند.
فسفولیپیدها که دارای یک سر آب گریز و یک سر آب دوست هستند یک بخش مهم از غشای سلولی هستند.
لیپید های دیگر مانند استروئیدها به عنوان هورمون ها و موم ها به عنوان موم زنبور عسل نقش دارند.

نوکلئیک اسیدها

نوکلئیک اسید ها دو نوع هستند؛ دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) و ریبونوکلئیک اسید(RNA). این دو از نظر ساختار بسیار به یکدیگر مشابه هستند و مونومر های آن‌ها نوکلئتیدها هستند. نوکلئوتیدها شامل یک قند پنتوز، یک گروه فسفات و یک باز آلی نیتروژن‌دار هستند.

‏DNA و RNA در سه چیز تفاوت دارند. قند پنج کربنه در نوکلئوتید های DNA دئوکسی ریبوز و در نوکلئوتید های RNA ریبوز است. تفاوت این دو قند دقیقاً در یک اتم اکسیژن است. [دئوکسی ریبوز یک مولکول اکسیژن کمتر از ریبوز دارد.] تفاوت دوم این است که DNA معمولاً دو رشته‌ای و RNA تک رشته ای است. تفاوت سوم در انواع باز های آلی نیتروژن‌دار به کار رفته در مونومر های این دو نوکلئیک اسید دیده می‌شود. در ساختار نوکلئوتید های DNA یکی از ۴ باز آلی آدنین(A) سیتوزین(C) گوانین(G) و تیمین(T) وجود دارد در حالی که در نوکلئتیدهای RNA به جای تیمین یوراسیل(U) وجود دارد.

‏DNA اطلاعات موروثی را ذخیره می‌کند. توالی هایی از نوکلئوتید ها، ژن ها را می‌سازند. ژن‌ها در اصل کدهایی هستند که حروف سازنده آن ها ۴ باز آلی نیتروژن دار نام برده شده می‌باشند.  این کدها با مشخص کردن توالی آمینو اسیدی خاص، ساختار پروتئین هارا مشخص می‌کنند. چندین ژن کروموزوم ها را شکل می‌دهد. و مجموعه کروموزوم‌های یک موجود زنده (که در انسان ۲۳ جفت می‌باشد) ژنوم [همه ماده ژنتیکی] آن موجود زنده را تشکیل می‌دهد.