מולקולות ביולוגיות

בעלי חיים בנויים מארבעה סוגים עיקריים של מולקולות גדולות: פחמימות, ליפידים, חלבונים וחומרים גנטיים. ניתן להשתמש בבדיקות כימיות פשוטות כדי לקבוע אילו סוגים נמצאים בדגימה.

מבחן בנדיקט סמי-כמותי

המבחן הרגיל של בנדיקט מספק רק תשובה "כן או לא". מבחן סמי-כמותי מעניק הערכה לגודל המופיע. קודם יש לתקן את המבחן: לבצע אותו על פתרונות בעלי ריכוז ידוע ולרשום את התוצאה עבור כל אחד. לאחר מכן ניתן להעריך דוגמה לא ידועה באמצעות אחת משתי הדרכים הבאות:

• הזמן עד לשינוי הצבע הראשון (כמות סוכר גבוהה יותר משנה צבע מהר יותר), או
• השוואת הצבע הסופי לערכת תקני הצבע שלך.

בדיקת נוכחות סוכרים לא-מחלצים

חלק מהסוכרים, כמו סוכרוז, הם סוכר לא-מחלץ: הם נותנים תוצאה שלילית במבחן בנדיקט. כדי לזהות אותם:

1. בצע מבחן בנדיקט רגיל תחילה. הצבע נותר כחול (אין סוכר מחלץ).
2. קח דוגמה טריות והוסף חומצה הידרוכלורית מעודנת, ולאחר מכן חמם. ההידרוליזה החומצית זו שוברת את הסוכר לסוכרים מחלצים קטנים יותר.
3. קרר, ולאחר מכן נטרל את החומצה עם נתרן הידרוגנפוספט.
4. כעת בצע את מבחן בנדיקט שוב. צבע אדום-אדמדם מצביע על כך שהיו נוכחים סוכרים לא-מחלצים.

דוגמה מופת. פתרון נותן תוצאה שלילית במבחן בנדיקט. הוא מוזר עם חומצה הידרוכלורית מעודנת, מוטראל עם נתרן הידרוגנפוספט, ומובדק שוב עם בנדיקט - הפעם הוא הופך לאדום-אדמדם. מה היה נוכח, ולמה נדרשת כל שלב? התוצאה השלילית הראשונה שוללת סוכר מחלץ. הזרחה עם חומצה מבצעת הידרוליזה לקשר הגליקוזידי, ומפרדת סוכר לא-מחלץ כמו סוכרוז למonosaccharides מחלצים שלו. שלב הניטרול הכרחי כי בנדיקט עובד רק בתנאים בסיסיים - אם מתעברים עליו, המבחן נכשל גם כאשר סוכר נוכח. לכן, תוצאת המבחן החיובית מאשרת שסוכר לא-מחלץ היה נוכח לאורך כל הדרך. ציין את המבחן הראשון, השלילי, כחלק מתשובה: ללא זאת, צבע האדום הסופי אינו יכול להבדיל בין סוכר לא-מחלץ לסוכר מחלץ.

מונומרים, פולימרים ומקרומולקולות

• מונומר הוא מולקולה קטנה המהווה יחידה בודדת.
• פולימר הוא מולקולה ארוכה הנוצרת מכמה מונומרים המחוברים זה לזה.
• מקרומולקולה היא כל מולקולה גדולה מאוד.

סוכרים מגיעים בשלושה גדלים:

• מונו-סכריד הוא יחידת סוכר בודדת, כמו גלוקוז ופרוקטוז.
• די-סכריד שתי יחידות המחוברות זו לזו, כמו maltose (מלטוז) וsucrose (סוכרוז).
• פולי-סכריד הוא הרבה יחידות המחוברות לפולימר.

גלוקוז, פרוקטוז ו-מלטוז הם סוכרים מיישרים. סוכרוז הוא סוכר לא-מייצר.

שתי צורות טבעת של גלוקוז

לגלוקוז יש שישה אטומי פחמן והוא יוצר טבעת. ישנן שתי צורות טבעת. הן נבדקות רק באטום הפחמן 1:

• ב-α-גלוקוז, קבוצת ה–OH על הפחמן 1 מצביעה למטה, מתחת לטבעת.
• ב-β-גלוקוז, קבוצת ה–OH על הפחמן 1 מצביעה למעלה, מעל הטבעת.

ההבדל הקטן הזה קובע איזה פולי-סכריד הגלוקוז יכול לבנות.

חיבור ושבירת סוכרים

מונומרים מחוברים על ידי קשרים קוולנטיים חזקים. כאשר שני סוכרים נמצאים ביחד, נוצר ביניהם קשר גליקוזידי. תהליך זה מתרחש באמצעות התכווצות: כל פעם שנוצר קשר, מולקולת מים נשלפת.

התהליך ההפוך הוא הידרוליזה: מולקולת מים מוסיפה כדי לשבור קשר גליקוזידי. סיבה זו היא מדוע מבחן הסוכר הלא-מייצר דורש חומצה וחום — הם מבצעים הידרוליזה של סוכרוז לגלוקוז ולפרוקטוז.

פוליסכרידים לאגירה: עמילן וגליקוגן

עמילן הוא מאגר האנרגיה בצמחים. הוא מורכב משני פולימרים של α-גלוקוז:

• אמילוז — שרשרת ארוכה וללא ветвление (בלתי מעורעת) המתגלגלת לספירלה.
• אמילופקטין — שרשרת עם הרבה ענפים צדדיים.

גליקוגן הוא מאגר האנרגיה בבעלי חיים. הוא דומה לאמילופקטין אך בעל עוד יותר ענפים, כך שהוא ניתן לפירוק מהיר כאשר נדרש אנרגיה.

מאגרים אלו מתאימים היטב למשימתם: הם קומפקטיים, הם בלתי מסיסים (וכך אינם עוברים החוצה מהתא), והם אינם משנים את ה-פוטנציאל המים בתא (וכך אינם גורמים לכניסת מים על ידי אוסמוזה). הענפים הרבים מספקים סוף רב, כך שגלוקוז יכול להיוסף או להיפטר ממנו במהירות.

תאית

תאית מורכבת מ-β-גלוקוז. בשל הצורה ה-β, כל גלוקוז שני מתהפך, כך שהשרשראות הן ארוכות וישרות. שרשראות ישרות רבות נמצאות ליד אחת את השנייה ומחוברות על ידי קשרי מימן לחבילות חזקות הנקראות מיקרופיבריליות. אלו מעניקות לקיר התא צמחי את חוזקו ומונעות מהתא להתפוצץ.

*הצורה מתאימה למשימה: אמילוז מתגלגל ואמילופקטין/גליקוגן מעורעים (למערכות אגירה קומפקטיות), בעוד ששרשראות תאית ישרות נעטפות סיבים חזקים

טריגליצרידים

טריגליצריד הוא השמן או השומן העיקרי. הוא לא מקוטב והידרופובי (אינו מתערבב עם מים). הוא מורכב ממולקולה אחת של גליצרול מחוברת לשלושה חומצות שומן באמצעות קשרי אסטר. כל קשר אסטר נוצר באמצעות תגובת התייבשות, כך שנשלפים שלושה מולקולות מים.

חומצות שומן הן משני סוגים:

• רוויות — אין להן קשרים כפולים פחמן-פחמן; שומנים אלו הם בדרך כלל מוצקים.
• לא רוויות — יש להן קשר כפול אחד או יותר; שמנים אלו הם בדרך כלל נוזליים.

טריגליצרידים מהווים מאגר אנרגיה ארוך טווח טוב: הם משחררים פי שתי אנרגיה לערך בכל גרם בהשוואה לפחמימות, הם בלתי מסיסים במים, ואינם מעמיסים מסה נוספת רבה משום שהם אינם מכילים מים. מתחת לעור הם גם מספקים בידוד תרמי ומגנים על האיברים.

פוספוליפידים

פוספוליפיד דומה לטריגליצריד, אך חומצה שומנית אחת מחולפת על ידי קבוצת פוספט. הדבר נותן למולקולה שני קצוות עם התנהגות שונה:

• ראש קוטבי (פולארי) של פוספט הידרופילי ("אהוב מים").
• שני זנבות חומצות שומן הידרופוביים ("חושדי מים").

המאפיין הכפול הזה הוא הסיבה לכך שפוספוליפידים יוצרים את הממברנות סביב התאים.

חומצות אמינו וקשר הפפטידי

חלבונים הם פולימרים של חומצות אמינו. לכל חומצה אמינו אותה מבנה כללי סביב אטום פחמן מרכזי: קבוצת אמינו (–NH₂), קבוצת קרבוקסיל (–COOH), אטום מימן, ושרשרת צד משתנה (להקראת R). ה-R שונה בכל חומצה אמינו.

שתי חומצות אמינו מתחברות באמצעות תגובת עיבוי. הקשר שנוצר בין קבוצת האמינו של אחת לקבוצת הקרבוקסיל של הבאה הוא קשר פפטידי, ומולקולת מים משתחררת. חיבור של הרבה חומצות אמינו בצורה זו יוצר פוליפפטיד. הוספת מים (הידרוליזה) שוברת קשר פפטידי.

ארבע רמות של מבנה החלבון

הצורה המתקפלת מושתמרת על ידי ארבעה סוגי אינטראקציות בין קבוצות R:

• אינטראקציות הידרופוביות (קבוצות R לא-קוטביות מצטברות הרחק מהמים).
• קישור מימן.
• קשרים יוניים (בין קבוצות R טעונות).
• קישור קוולנטי, כולל קשרי דיסולפידי חזקים.

חלבונים גלובולריים וסיביים

• חלבונים גלובולריים מתקפלים לצורה עגולה, הם בדרך כלל מתמוסים, ומבצעים פונקציות בגוף (למשל אנזימים והמוגלובין).
• חלבונים סיביים יוצרים סיבים ארוכים, הם בדרך כלל לא מתמוסים, ומספקים מבנה ותמיכה (למשל קולגן).

המוגלובין — חלבון גלובולי

המוגלובין מעביר חמצן בתוך תאי הדם האדומים. יש לו מבנה רביעי המורכב מארבע שרשראות פוליפפטידיות: שתי שרשראות אלפא (אלפא-גלובין) ושתי שרשראות בטא (בטא-גלובין). כל שרשרת מכילה קבוצת הלם. במרכז כל קבוצת הלם נמצא אטום ברזל, ובמקום זה נקשרת מולקולת חמצן אחת. ארבע שרשראות פירושו שמולקולת המוגלובין אחת יכולה לשאת ארבע מולקולות חמצן.

קולגן — חלבון סיבי

קולגן מעניק חוזק לעור, ** guest tendons**, עצם ולחליפת כלי הדם. מולקולת קולגן אחת היא שלושה שרשראות פוליפפטידיות הנעטפות בחוזקה זו על זו בשרשרת משולשת, המושתמרות על ידי קשרים מימניים. מספר רב של מולקולות אלו מונחות זה לצד זה, מעט זזות, ומקושרות בצורה צולבת לסיבים עבים. הסידור הזז והמקושר בצורה צולבת גורם לקולגן להיות חזק מאוד כאשר נמשך.

מים הם מולקולה קטנה, אך שני הקשרים O–H שלה הם קוטביים: הצד של החמצן הוא מעט שלילי וצדדי ההידרוגן הם מעט חיוביים. כך שמולקולת מים אחת מושכת את שכנותיה, ויוצרת ביניהן קשרים מימניים חלשים. קשרים מימניים אלו מסבירים את התכונות המועילות של המים:

• פעולת ממס — מים הם ממס טוב, ולכן חומses רבות מתמוסים בהם. זאת מאפשרת תגובות להתרחש ומאפשרת לחומses להעברת בגוף.
• קיבולת חום ספציפית גבוהה — מים דורשים הרבה אנרגיה להתחמם, ולכן הטמפרטורה שלהם נשארת יציבה. זה מגן על בעלי חיים מפני שינויי טמפרטורה מהירים.
• חום אידוי — למים נדרשת כמות רבה של אנרגיה כדי להתאדות. לכן, כאשר מים מתאדים (למשל כשזיעה מתייבשת), הם נושאים עמם כמות גדולה של חום ומקררים את הגוף.

*מים הם קוטביים (חמצן δ−, הידרוגנים δ+), ולכן המולקולות שלהן נמשכות זו לזו באמצעות קשרי מימן — זהו הסיבה לכל התכונות הנ"ל

• ללמוד כל מבחן מזון כתרכובת תגובה + תוצאה חיובית + שינוי צבע (בנדיקט → לבני-אדום; יוד → כחול-שחור; ביואורט → סגול; אמולסיה → לבן).
• בנדיקט זיהוי סוכרים מחדשים; עבור סוכר לא-מחדש יש לפרק חומצית תחילה, ולאחר מכן לבצע בדיקה מחודשת.
• לקרוא לקשר במדויק: גליקוזידי (פחמימות), אסטרי (ליפידים), פפטידי (חלבונים) — כולם נוצרים באמצעות התכנסות (הסרת מים).
• לקשר מבנה לפונקציה: תאית (שרשראות ישרות, קשרי H → חזק), גליקוגן/עמילן (מסועפים/סלולים → אחסון דחוס).
• עבור חלבונים, לקרוא לקשר בכל רמה: ראשונית (פפטידי), משנית (מימן), משולשית (אינטראקציות K-קבוצה), רביעית.