Introducere în macromolecule

Gândește-te la ce ai mâncat la prânz. A avut vreunul dintre alimente o etichetă cu „Valori nutriționale” pe spate? Dacă da, în cazul în care te-ai uitat la cantitatea de proteine, carbohidrați sau grăsimi, este posibil să îți fie deja familiare câteva dintre tipurile de molecule biologice mari pe care le vom discuta în continuare. Dacă te gândești ce caută în mâncarea ta ceva cu un nume atât de ciudat ca „molecule biologice mari”, răspunsul este că acestea îți oferă elementele de bază de care are nevoie organismul tău — deoarece corpul tău este de asemenea format din molecule biologice mari!

Exact cum tu poți fi privit ca o varietate de atomi sau un sac de apă ambulant și vorbitor, poți fi privit și ca o colecție de patru tipuri majore de molecule biologice mari: carbohidrați (ca zaharurile), lipide (ca grăsimile), proteine și acizi nucleici (ca ADN-ul și ARN-ul). Asta nu înseamnă că sunt singurele molecule din organism, ci, mai degrabă, cele mai importante molecule mari pot fi împărțite în aceste categorii. Împreună, cele patru grupuri de molecule biologice mari formează majoritatea greutății solide dintr-o celulă. (Apa, într-o moleculă mică alcătuiește majoritatea greutății lichide).

Moleculele biologice mari realizează o gamă largă de funcții în organism. Unii carbohidrați depozitează combustibil pentru nevoi viitoare de energie, iar unele lipide sunt componente structurale esențiale ale membranei celulare. Acizii nucleici stochează și transportă informație ereditară, o mare parte din care oferă instrucțiuni pentru formarea proteinelor. Proteinele în sine au, probabil, cea mai mare varietate de funcții: unele oferă suport structural, dar multe altele funcționează ca niște mașinării care au roluri specifice în celulă, precum catalizarea reacțiilor metabolice sau primirea și transmiterea semnalelor.

Vom analiza în detaliu carbohidrații, lipidele, acizii nucleici și proteinele în articolele viitoare. Aici, vom vorbi despre reacțiile chimice esențiale care formează și descompun aceste molecule.

Majoritatea moleculelor biologice mari sunt polimeri, catene lungi formate din subunități moleculare sau elemente de bază care se repetă, numite monomeri. Dacă un monomer ar fi o mărgea, polimerul ar fi colierul, o serie de mărgele înșirate împreună.

Carbohidrații, acizii nucleici și proteinele sunt deseori prezente în natură ca polimeri lungi. Datorită naturii de polimeri și a dimensiunii mari (uneori gigantice!) a acestora, sunt clasificate ca macromolecule, molecule mari (macro-) formate prin unirea subunităților mai mici. În general, lipidele nu sunt polimeri și sunt mai mici decât celelalte trei categorii, așa că nu sunt considerate macromolecule de anumite surse${}^{1,2}$‍. Totuși, multe alte surse folosesc termenul de „macromoleculă” mai vag, ca o denumire generală a celor patru tipuri de molecule biologice mari${}^{3,4}$‍. Aceasta este doar o diferență între denumiri, deci nu te bloca la ea. Doar amintește-ți că lipidele reprezintă una dintre cele patru categorii majore de molecule biologice mari, dar nu formează polimeri de obicei.

Dar cum se construiesc polimeri din monomeri? Moleculele biologice mari construiesc deseori reacții de sinteză prin deshidratare, în cadrul cărora un monomer formează o legătură covalentă cu alt monomer (sau cu o catenă de monomeri în creștere), eliberând o moleculă de apă în proces. Îți poți aminti ce se petrece în cadrul acestui proces după numele reacției: sinteză, pentru formarea unei noi legături, și deshidratare, pentru pierderea moleculei de apă.

În reacția de sinteză prin deshidratare de mai sus, două molecule de glucoză (monomeri) se combină pentru pentru a forma o singură moleculă de maltoză. Una dintre moleculele de glucoză pierde un H, iar cealaltă o grupare OH, iar o moleculă de apă este eliberată în timp ce o legătură covalentă se formează între cele două molecule de glucoză. Pe măsură ce monomeri suplimentari se alătură prin același proces, catena devine din ce în ce mai lungă și formează un polimer.

Deși polimerii sunt alcătuiți din monomeri care se repetă, aceștia sunt variabili din punct de vedere al formei și compoziției. Carbohidrații, acizii nucleici și proteinele pot conține multe feluri diferite de monomeri, iar compoziția și secvența lor sunt importante pentru funcție. De exemplu, există patru tipuri de monomeri nucleotidici in ADN-ul tău, dar și douăzeci de tipuri de monomeri de aminoacizi în proteinele corpului tău. Chiar și un singur tip de monomer poate forma polimeri diferiți cu proprietăți diferite. De exemplu, amidonul, glicogenul și celuloza sunt carbohidrați alcătuiți din monomezi de glucoză, dar fiecare are tipare diferite de legături și ramificație.

Cum se transformă polimerii înapoi în monomeri (de exemplu, când organismul trebuie să refolosească o moleculă pentru a construi alta)? Polimerii se descompun în monomeri prin reacția de hidroliză, în care o legătură este ruptă sau lizată prin adiția unei molecule de apă.

În timpul unei reacții de hidroliză, o moleculă compusă din mai multe subunități este descompusă în două: una dintre moleculele noi primește un atom de hidrogen, pe când cealaltă primește o grupare hidroxil (-OH), ambele provenite din apă. Acest proces este opusul reacției de sinteză prin deshidratare și eliberează un monomer care poate fi folosit în formarea unui nou polimer. De exemplu, în reacția de hidroliză de mai jos, o moleculă de apă descompune maltoza pentru a obține doi monomeri de glucoză. Această reacție este opusă reacției de sinteză prin deshidratare prezentate anterior.

Reacțiile de deshidratare compun molecule și necesită energie în general, în timp ce reacțiile de hidroliză descompun molecule și, de obicei, emit energie. Carbohidrații, proteinele și acizii nucleici sunt compuși și descompuși prin aceste tipuri de reacții, deși monomerii implicați sunt diferiți de la caz la caz. (Într-o celulă, acizii nucleici nu sunt, de fapt, polimerizați prin sinteză prin deshidratare; vom analiza cum sunt asamblați într-un articol despre acizii nucleici. Sinteza prin deshidratare este implicată și în formarea anumitor tipuri de lipide, deși lipidele nu sunt polimeri${}^3$‍.)

În organism, enzimele catalizează, sau grăbesc, reacțiile de sinteză prin deshidratare și de hidroliză. Enzimele implicate în ruperea legăturilor au, în general, denumiri cu sufixul -ază: de exemplu, enzima de maltază descompune maltoza, lipazele descompun lipidele și peptidazele descompun proteinele (cunoscute și sub numele de polipeptide, după cum vom vedea în articolul despre proteine). Pe măsură ce mâncarea este transportată prin sistemul digestiv — chiar din momentul în care atinge saliva — este prelucrată de enzime precum acestea. Enzimele descompun molecule biologice mari, eliberând elementele de bază mai mici care pot fi absorbite și folosite de organism.