Biologi - eller informellt, själva livet - kännetecknas av eleganta makromolekyler som har utvecklats under hundratals miljoner år för att tjäna en rad kritiska funktioner. Dessa kategoriseras ofta i fyra grundtyper: kolhydrater (eller polysackarider), lipider, proteiner och nukleinsyror. Om du har någon bakgrund inom näring, kommer du att känna igen de tre första av dessa som de tre vanliga makronäringsämnena (eller "makroer", i bantningssvårigheter) som anges på näringsinformationens etiketter. Den fjärde avser två nära besläktade molekyler som fungerar som grund för lagring och översättning av genetisk information i alla levande saker.

Var och en av dessa fyra makromolekyler i livet, eller biomolekyler, utför en mängd olika uppgifter; som du kan förvänta dig är deras olika roller utsökt relaterade till deras olika fysiska komponenter och arrangemang.
Macromolecules

A macromolecule
är en mycket stor molekyl, vanligtvis bestående av upprepade underenheter som kallas < em> monomerer
, som inte kan reduceras till enklare beståndsdelar utan att offra elementet "byggsten". Även om det inte finns någon standarddefinition på hur stor en molekyl måste vara för att tjäna prefixet "makro" har de i allmänhet minst ett antal tusentals atomer. Du har nästan säkert sett den här typen av konstruktion i den icke-naturliga världen; till exempel, många typer av tapeter består av närliggande underenheter som ofta är mindre än en kvadratfot eller så i storlek när de är utarbetade i design och fysiskt expansiva i stort. Ännu mer uppenbart kan en kedja betraktas som en makromolekyl där de enskilda länkarna är "monomererna." <<> En viktig punkt för biologiska makromolekyler är att deras monomerenheter är polära, med undantag för lipider, vilket betyder att de har en elektrisk laddning som inte distribueras symmetriskt. Schematiskt har de "huvuden" och "svansar" med olika fysikaliska och kemiska egenskaper. Eftersom monomererna kopplas samman mot varandra är makromolekylerna själva också polära.

Dessutom har alla biomolekyler stora mängder av elementet kol. Du kanske har hört den typen av liv på jorden (med andra ord, den enda typen som vi känner med säkerhet finns någonstans) kallas "kolbaserat liv" och med goda skäl. Men och kväve, syre, väte och fosfor är oumbärliga för levande saker, och en mängd andra element är i blandningen i mindre grad.
Kolhydrater

Det är en nästan säkerhet att när du ser eller hör ordet "kolhydrat", det första du tänker på är "mat", och kanske mer specifikt, "något i mat som många människor är avsedda att bli av med." "Lo-carb" och "no-carb" blev båda viktminskningssymboler i början av 2000-talet, och termen "carbo-loading" har funnits runt uthållighets-sportsamhället sedan 1970-talet. Men i själva verket är kolhydrater mycket mer än bara en energikälla för levande saker.

Kolhydratmolekyler har alla formeln (CH _{2O) n, där n är antalet kolatomer närvarande. Detta betyder att förhållandet C: H: O är 1: 2: 1. Till exempel har de enkla sockerarterna glukos, fruktos och galaktos formeln C 12O 6 (atomerna i dessa tre molekyler är naturligtvis arrangerade annorlunda).}

Kolhydrater klassificeras som monosackarider, disackarider och polysackarider. En monosackarid är monomerenheten av kolhydrater, men vissa kolhydrater består endast av en monomer, såsom glukos, fruktos och galaktos. Vanligtvis är dessa monosackarider mest stabila i en ringform, som visas schematiskt som en hexagon.

Disackarider är sockerarter med två monomera enheter, eller ett par monosackarider. Dessa underenheter kan vara desamma (som i maltos, som består av två sammanfogade glukosmolekyler) eller olika (som i sackaros, eller bordsocker, som består av en glukosmolekyl och en fruktosmolekyl. Bindningar mellan monosackarider kallas glykosidbindningar.

Polysackarider innehåller tre eller fler monosackarider. Ju längre dessa kedjor är, desto mer troligt är de att ha grenar, det vill säga att inte bara vara en rad monosackarider från slut till slut. Exempel på polysackarider inkluderar stärkelse, glykogen , cellulosa och kitin.

Stärkelse tenderar att bildas i spiralform eller spiralform; detta är vanligt i biomolekyler med hög molekylvikt i allmänhet. Cellulosa är däremot linjär, bestående av en lång kedja av glukosmonomerer med vätebindningar varandra mellan kolatomer med jämna mellanrum. Cellulosa är en komponent av växtceller och ger dem deras styvhet. Människor kan inte smälta cellulosa, och i kosten kallas det vanligen "fiber." Chitin är en anot strukturella kolhydrater, som finns i de yttre kropparna hos leddjur som insekter, spindlar och krabbor. Chitin är ett modifierat kolhydrat, eftersom det är "förfalskat" med gott om kväveatomer. Glykogen är kroppens lagringsform av kolhydrat; avlagringar av glykogen finns i både lever- och muskelvävnad. Tack vare enzymanpassningar i dessa vävnader kan utbildade idrottare lagra mer glykogen än stillasittande människor som ett resultat av deras höga energibehov och näringspraxis. Proteiner

Liksom kolhydrater är proteiner en del av de flesta människors vardagliga ordförråd på grund av att de fungerar som en så kallad makronäringsämne. Men proteiner är oerhört mångsidiga, mycket mer än kolhydrater. I själva verket, utan proteiner, skulle det inte finnas några kolhydrater eller lipider eftersom enzymerna som behövs för att syntetisera (såväl som att smälta) dessa molekyler är själva proteiner.

Monomererna av proteiner är aminosyror. Dessa inkluderar en karboxylsyra- (-COOH) -grupp och en aminogrupp (-NH <2). När aminosyror förenas med varandra är det via en vätebindning mellan karboxylsyragruppen på en av aminosyrorna och den andra aminogruppen, med en vattenmolekyl (H _{2O) frigjord i processen. En växande kedja av aminosyror är en polypeptid, och när den är tillräckligt lång och antar sin tredimensionella form, är det ett fullskaligt protein. Till skillnad från kolhydrater, visar proteiner aldrig grenar; de är bara en kedja av karboxylgrupper förenade med aminogrupper. Eftersom denna kedja måste ha en början och ett slut, har den ena änden en fri aminogrupp och kallas N-terminalen, medan den andra har en fri aminogrupp och kallas C-terminalen. Eftersom det finns 20 aminosyror, och dessa kan ordnas i valfri ordning, är proteinsammansättningen extremt varierad även om ingen grening inträffar.}

Proteiner har det som kallas primär, sekundär, tertiär och kvartär struktur. Primär struktur hänvisar till sekvensen av aminosyror i proteinet, och den är genetiskt bestämd. Sekundärstruktur avser böjning eller knäckning i kedjan, vanligtvis på repetitivt sätt. Vissa konformationer inkluderar en alfa-helix och ett beta-veckat ark, och är resultatet av svaga vätebindningar mellan sidokedjor med olika aminosyror. Tertiär struktur är vridningen och curling av proteinet i tredimensionellt utrymme och kan involvera disulfidbindningar (svavel till svavel) och vätebindningar, bland andra. Slutligen hänvisar kvartärstrukturen till mer än en polypeptidkedja i samma makromolekyl. Detta inträffar i kollagen, som består av tre kedjor tvinnade och lindade ihop som ett rep.

Proteiner kan fungera som enzymer, som katalyserar biokemiska reaktioner i kroppen; som hormoner, såsom insulin och tillväxthormon; som strukturella element; och som cellmembrankomponenter.
Lipider

Lipider är en mångfaldig uppsättning makromolekyler, men de delar alla kännetecknet av att vara hydrofoba; det vill säga de löses inte upp i vatten. Detta beror på att lipider är elektriskt neutrala och därför icke-polära, medan vatten är en polär molekyl. Lipider inkluderar triglycerider (fetter och oljor), fosfolipider, karotenoider, steroider och växer. De är främst involverade i cellmembranbildning och stabilitet, bildar delar av hormoner och används som lagrat bränsle. Fetter, en typ av lipid, är den tredje typen av makronäringsämne, med kolhydrater och proteiner som diskuterats tidigare. Via oxidation av deras så kallade fettsyror levererar de 9 kalorier per gram i motsats till de 4 kalorierna per gram som levereras av både kolhydrater och fetter.

Lipider är inte polymerer, så de finns i olika former . Liksom kolhydrater består de av kol, väte och syre. Triglycerider består av tre fettsyror förenade med en molekyl glycerol, en alkohol med tre kol. Dessa fettsyrasidokedjor är långa, enkla kolväten. Dessa kedjor kan ha dubbelbindningar, och om de gör det gör det fettsyran omättad
. Om det bara finns en sådan dubbelbindning är fettsyran enomättad
. Om det finns två eller flera, är det fleromättade
. Dessa olika typer av fettsyror har olika hälsoeffekter för olika människor på grund av deras effekter på väggarna i blodkärlen. Mättade fetter, som inte har dubbelbindningar, är fasta vid rumstemperatur och är vanligtvis djurfetter; dessa tenderar att orsaka artärplack och kan bidra till hjärtsjukdomar. Fettsyror kan manipuleras kemiskt, och omättade fetter som vegetabiliska oljor kan göras mättade så att de är fasta och praktiska att använda vid rumstemperatur, som margarin.

Fosfolipider, som har en hydrofob lipid i ena änden och ett hydrofilt fosfat vid den andra är en viktig komponent i cellmembranen. Dessa membran består av ett fosfolipid-tvåskikt. De två lipiddelarna, som är hydrofoba, ansikte mot utsidan och insidan av cellen, medan de hydrofila svansarna av fosfat möts i mitten av tvåskiktet.

Andra lipider inkluderar steroider, som fungerar som hormoner och hormonprekursorer (t.ex. kolesterol) och innehåller en serie av distinkta ringstrukturer; och vaxer, som inkluderar binvax och lanolin.
Nukleinsyror

Nukleinsyror inkluderar deoxiribonukleinsyra (DNA) och ribonukleinsyra (RNA). Dessa är väldigt lika strukturellt eftersom båda är polymerer där de monomera enheterna är nukleotider och. Nukleotider består av en pentosesockergrupp, en fosfatgrupp och en kvävehaltig basgrupp. I både DNA och RNA kan dessa baser vara en av fyra typer; annars är alla DNA-nukleotider identiska, liksom RNA: s.

DNA och RNA skiljer sig på tre huvudsakliga sätt. Den ena är att i DNA är pentosesockret deoxiribos, och i RNA är det ribos. Dessa sockerarter skiljer sig exakt med en syreatom. Den andra skillnaden är att DNA vanligtvis är dubbelsträngat och bildar den dubbla spiralen som upptäcktes på 1950-talet av Watson och Cricks team, men RNA är enkelsträngat. Den tredje är att DNA innehåller kvävebaserna adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T), men RNA har uracil (U) ersatt tymin.

DNA lagrar ärftlig information . Längder av nukleotider utgör gener
, som innehåller information via kvävebas-sekvenserna för att tillverka specifika proteiner. Många gener utgör kromosomer,
och summan av en organisms kromosomer (människor har 23 par) är dess genom genom. DNA används i processen för transkription för att skapa en form av RNA som kallas messenger RNA (mRNA). Detta lagrar den kodade informationen på något annorlunda sätt och flyttar den ut ur cellkärnan där DNA är och in i cellcytoplasma eller matris. Här inleder andra typer av RNA processen med translation, där proteiner tillverkas och skickas över hela cellen.