生物学、または非公式に言えば、生命そのものは、さまざまな重要な機能を提供するために何億年もかけて進化してきたエレガントな高分子によって特徴付けられます。これらは、多くの場合、炭水化物 (または多糖類)、脂質、タンパク質、および核酸の 4 つの基本的なタイプに分類されます。栄養学のバックグラウンドがあれば、これらのうち最初の 3 つが、栄養情報ラベルに記載されている 3 つの標準的な多量栄養素 (またはダイエット用語で「マクロ」) であることに気付くでしょう。 4 つ目は、すべての生物の遺伝情報の保存と翻訳の基礎となる 2 つの密接に関連した分子に関するものです。
これら 4 つの生命の高分子、つまり生体分子はそれぞれ、さまざまな役割を果たします。ご想像のとおり、それらのさまざまな役割は、さまざまな物理的構成要素と配置に絶妙に関連しています。
高分子
高分子 は非常に大きな分子であり、通常はモノマーと呼ばれるサブユニットの繰り返しで構成されています 、「構成要素」要素を犠牲にすることなく、より単純な構成要素に減らすことはできません。 「マクロ」接頭辞を得るために分子がどのくらいの大きさでなければならないかについての標準的な定義はありませんが、通常、それらは少なくとも数千の原子を持っています.非自然界でこの種の構造をほぼ確実に見たことがあるでしょう。たとえば、多くの種類の壁紙は、デザインが精巧で全体的に物理的に拡張されていますが、多くの場合サイズが 1 平方フィート程度未満の隣接するサブユニットで構成されています。さらに明らかに、鎖は、個々のリンクが「モノマー」である高分子と見なすことができます。
生体高分子に関する重要な点は、脂質を除いて、それらのモノマー単位が極性であり、対称的に分布していない電荷を持っていることです。概略的には、物理的および化学的性質が異なる「頭」と「尾」を持っています。単量体は互いに頭と尾が結合するため、高分子自体も極性があります。
また、すべての生体分子には炭素元素が大量に含まれています。地球上の生命の種類 (つまり、どこにでも確実に存在することがわかっている唯一の種類の生命) を「炭素ベースの生命」と呼び、それには正当な理由があると聞いたことがあるかもしれません。しかし、窒素、酸素、水素、およびリンも生物にとって不可欠であり、他の多くの元素が程度の差こそあれ混在しています.
炭水化物
「炭水化物」という言葉を見たり聞いたりしたときに最初に思い浮かぶのは「食品」であり、おそらくより具体的には、「多くの人が熱心に取り除こうとしている食品中の何か」ということはほぼ確実です. 「ローカーボ」と「ノーカーボ」はどちらも 21 世紀初頭に減量の流行語となり、「カーボローディング」という用語は 1970 年代から持久系スポーツ コミュニティで使われていました。しかし実際には、炭水化物は生物にとって単なるエネルギー源ではありません.
炭水化物分子はすべて式 (CH2 O)n 、ここで、n は存在する炭素原子の数です。これは、C:H:O 比が 1:2:1 であることを意味します。たとえば、単糖のグルコース、フルクトース、ガラクトースはすべて C6 という化学式を持っています。 H12 O6 (もちろん、これら 3 つの分子の原子の配置は異なります)。
炭水化物は、単糖類、二糖類、多糖類に分類されます。単糖は炭水化物の単量体単位ですが、一部の炭水化物は、グルコース、フルクトース、ガラクトースなど、1 つの単量体のみで構成されています。通常、これらの単糖類は、六角形として図式的に描かれているリング形で最も安定しています.
二糖類は、2 つの単量体単位、または一対の単糖類を持つ糖です。これらのサブユニットは、同じ (2 つの結合したグルコース分子からなるマルトースのように) または異なる (スクロース、または 1 つのグルコース分子と 1 つのフルクトース分子からなるテーブル シュガーのように) 場合があります。単糖間の結合は、グリコシド結合と呼ばれます。 /P>
多糖類には、3 つ以上の単糖が含まれています。これらの鎖が長ければ長いほど、分岐を持つ可能性が高くなります。つまり、単純に端から端まで単糖が並んでいるわけではありません。多糖類の例には、デンプン、グリコーゲン、セルロース、キチンなどがあります。
でんぷんは、らせん状またはらせん状に形成される傾向があります。これは、一般に高分子量の生体分子で一般的です。対照的に、セルロースは直鎖状で、一定間隔で炭素原子間に散在する水素結合を持つグルコースモノマーの長鎖で構成されています。セルロースは植物細胞の成分であり、植物細胞に剛性を与えます。人間はセルロースを消化することができず、食事では通常「繊維」と呼ばれます。キチンは、昆虫、クモ、カニなどの節足動物の外体に見られるもう 1 つの構造炭水化物です。キチンは、十分な窒素原子で「混合」されているため、修飾された炭水化物です。グリコーゲンは炭水化物の体の貯蔵形態です。グリコーゲンの沈着は、肝臓と筋肉組織の両方に見られます。これらの組織における酵素の適応のおかげで、トレーニングを受けたアスリートは、高いエネルギー必要量と栄養摂取の結果として、座りっぱなしの人よりも多くのグリコーゲンを蓄えることができます.
タンパク質
炭水化物と同様に、タンパク質は、いわゆる多量栄養素として機能するため、ほとんどの人々の日常語彙の一部です.しかし、タンパク質は炭水化物よりもはるかに用途が広い.実際、タンパク質がなければ、これらの分子を合成 (および消化) するために必要な酵素自体がタンパク質であるため、炭水化物や脂質は存在しません.
タンパク質のモノマーはアミノ酸です。これらには、カルボン酸 (-COOH) 基とアミノ (-NH2 ） グループ。アミノ酸が互いに結合するとき、それはアミノ酸の一方のカルボン酸基と他方のアミノ酸のアミノ基の間の水素結合を介して行われ、水分子 (H2 O) 途中でリリース。成長しているアミノ酸の鎖はポリペプチドであり、それが十分に長く、その三次元形状を呈するとき、それは完全なタンパク質です.炭水化物とは異なり、タンパク質には枝がありません。それらは、アミノ基に結合したカルボキシル基の鎖にすぎません。この鎖には開始と終了が必要であるため、一方の端には遊離アミノ基があり、N 末端と呼ばれ、もう一方の端には遊離アミノ基があり、C 末端と呼ばれます。 20個のアミノ酸があり、これらは任意の順序で配置できるため、タンパク質の組成は分岐がなくても非常に多様です.
タンパク質には、一次、二次、三次、四次構造と呼ばれるものがあります。一次構造とは、タンパク質のアミノ酸の配列を指し、遺伝的に決定されます。二次構造とは、通常は反復的な方法で、チェーンが曲がったりねじれたりすることを指します。いくつかのコンフォメーションには、アルファヘリックスとベータプリーツシートが含まれ、異なるアミノ酸の側鎖間の弱い水素結合から生じます。三次構造は、三次元空間におけるタンパク質のねじれとカールであり、とりわけジスルフィド結合 (硫黄から硫黄へ) および水素結合を含むことができます。最後に、四次構造は、同じ高分子内の複数のポリペプチド鎖を指します。これは、ロープのようにねじれてコイル状になった 3 本の鎖からなるコラーゲンで発生します。
タンパク質は、体内の生化学反応を触媒する酵素として機能します。インスリンや成長ホルモンなどのホルモンとして;構造要素として;および細胞膜成分として。
脂質
脂質は多様な高分子のセットですが、それらはすべて疎水性であるという特徴を共有しています。つまり、水に溶けません。これは、脂質が電気的に中性で非極性であるのに対し、水は極性分子であるためです。脂質には、トリグリセリド（油脂）、リン脂質、カロテノイド、ステロイド、ワックスが含まれます。それらは主に細胞膜の形成と安定性に関与し、ホルモンの一部を形成し、貯蔵燃料として使用されます.脂質の一種である脂肪は、前述の炭水化物とタンパク質とともに、3 番目の多量栄養素です。いわゆる脂肪酸の酸化により、炭水化物と脂肪の両方が 1 グラムあたり 4 カロリー供給するのに対し、それらは 1 グラムあたり 9 カロリーを供給します。
脂質はポリマーではないため、さまざまな形で提供されます。炭水化物と同様に、炭素、水素、酸素で構成されています。トリグリセリドは、3 つの炭素アルコールであるグリセロールの分子に結合した 3 つの脂肪酸で構成されます。これらの脂肪酸側鎖は、長く単純な炭化水素です。これらの鎖には二重結合がある場合があり、二重結合がある場合、脂肪酸は不飽和になります。 .そのような二重結合が 1 つしかない場合、その脂肪酸は一価不飽和です。 . 2 つ以上ある場合は、多価不飽和です。 .これらの異なる種類の脂肪酸は、血管壁への影響により、人によって健康への影響が異なります。二重結合を持たない飽和脂肪は室温で固体で、通常は動物性脂肪です。これらは動脈プラークを引き起こす傾向があり、心臓病の一因となる可能性があります。脂肪酸は化学的に操作することができ、植物油などの不飽和脂肪は飽和状態にできるため、マーガリンのように固体になり、室温で使用するのに便利です.
リン脂質は、一方の端に疎水性の脂質があり、もう一方の端に親水性のリン酸があり、細胞膜の重要な成分です。これらの膜は、リン脂質二重層で構成されています。疎水性である 2 つの脂質部分は、細胞の外側と内側に面していますが、リン酸塩の親水性の尾部は二重層の中心で交わっています。
他の脂質には、ホルモンおよびホルモン前駆体（コレステロールなど）として機能し、一連の特徴的な環構造を含むステロイドが含まれます。蜜蝋とラノリンを含むワックス。
核酸
核酸には、デオキシリボ核酸（DNA）およびリボ核酸（RNA）が含まれます。どちらもモノマー単位がヌクレオチドであるポリマーであるため、これらは構造的に非常に似ています。 .ヌクレオチドは、ペントース糖基、リン酸基、および窒素含有塩基基で構成されています。 DNA と RNA の両方で、これらの塩基は 4 つのタイプのいずれかになります。それ以外の場合、RNA のヌクレオチドと同様に、DNA のヌクレオチドはすべて同一です。
DNA と RNA は、主に 3 つの点で異なります。 1つは、DNAではペントース糖がデオキシリボースであり、RNAではリボースである.これらの糖は、酸素原子が 1 つだけ異なります。 2 つ目の違いは、DNA は通常 2 本鎖であり、ワトソンとクリックのチームによって 1950 年代に発見された二重らせんを形成しますが、RNA は 1 本鎖であることです。 3 つ目は、DNA にはアデニン (A)、シトシン (C)、グアニン (G)、チミン (T) という窒素含有塩基が含まれていますが、RNA ではチミンがウラシル (U) に置換されています。
DNA は遺伝情報を保存します。 遺伝子を構成するヌクレオチドの長さ 、特定のタンパク質を製造するために、窒素塩基配列を介して情報が含まれています。多くの遺伝子が染色体を構成しています。 生物の染色体 (人間は 23 対あります) の合計がその ゲノム です。 . DNA は転写の過程でメッセンジャー RNA (mRNA) と呼ばれる RNA の形を作るために使用されます。これは、コード化された情報をわずかに異なる方法で保存し、DNA が存在する細胞核から細胞の細胞質またはマトリックスに移動させます。ここで、他の種類の RNA が翻訳プロセスを開始し、そこでタンパク質が作られ、細胞全体に送られます。
