Organismele vii au nevoie de hrană pentru a supraviețui, hrană care conține nutrimente esențiale sub formă de macromolecule biologice. Aceste molecule de dimensiuni mari sunt formate, în principal, din șase elemente – sulf, fosfor, oxigen, azot, carbon și hidrogen – în cantități și aranjamente diferite.
Polimerii complecși sunt alcătuiți din combinații de monomeri simpli prin reacția de deshidratare, o reacție chimică prin care este înlăturată o moleculă de apă dintre doi monomeri succesivi. În timpul digestiei, polimerii pot fi degradați prin hidroliză sau adăugarea unei molecule de apă.
Reacțiile de deshidratare și hidroliză din celule sunt catalizate de enzime specifice. De obicei, reacțiile de deshidratare au nevoie de aport de energie pentru formarea noilor legături, în timp ce reacțiile de hidroliză eliberează energie ce poate fi utilizată pentru alimentarea proceselor celulare.
Cele patru categorii de macromolecule biologice sunt carbohidrații, lipidele, proteinele și acizii nucleici. Precursorii organici ai acestor molecule erau prezenți pe Pământul primordial.
Reacția de deshidratare
Macromoleculele biologice sunt molecule de dimensiuni mari necesare vieții și care sunt alcătuite din molecule organice mai mici. Fiecare dintre cele patru tipuri de macromolecule biologice este o componentă celulară importantă și îndeplinește o gamă largă de funcții. Combinate, aceste molecule formează majoritatea masei uscate a celulei (apa reprezintă majoritatea masei totale a celulei).
Macromoleculele biologice sunt organice, adică ele conțin carbon și hidrogen, la care se pot adăuga azotul, oxigenul și alte câteva elemente minore.
Majoritatea macromoleculelor sunt alcătuite din subunități numite monomeri. Acești monomeri se combină între ei cu ajutorul legăturilor covalente pentru a forma molecule de dimensiuni mari denumite polimeri. În urma acestui proces rezultă apa ca produs secundar. Acest tip de reacție se numește reacție de deshidratare (Figura 1).
Figura 1 – În această reacție de deshidratare, două molecule de glucoză se unesc pentru a forma dizaharidul numit maltoză. În urma procesului rezultă o moleculă de apă.
În cadrul unei reacții de deshidratare, atomul de hidrogen al unui monomer se combină cu gruparea hidroxil din alt monomer, eliberând o moleculă de apă. În același timp, monomerii pun în comun electroni și formează legături covalente. Pe măsură ce se alătură mai mulți monomeri, lanțul molecular crește și se formează un polimer.
Diferitele tipuri de monomeri se pot combina în numeroase configurații, ceea ce duce la grupuri diverse de macromolecule. Chiar și același tip de monomer se poate combina în diferite moduri pentru a forma polimeri diferiți. De exemplu, monomerii de glucoză sunt constituenții amidonului, glicogenului și celulozei.
Reacția de hidroliză
Polimerii sunt scindați în monomerii componenți prin reacția de hidroliză, care implică utilizarea unei molecule de apă. În timpul acestor reacții, polimerul este scindat în două componente: o parte preia un atom de hidrogen (H+), iar cealaltă parte preia gruparea hidroxil (OH-) dintr-o moleculă de apă scindată (Figura 2).
Figura 2 – În această reacție de hidroliză, dizaharidul maltoză este scindat în doi monomeri de glucoză prin adăugarea unei molecule de apă. Reacția este inversul reacției de deshidratare prezentate în Figura 1.
Reacțiile de deshidratare și hidroliză sunt catalizate de enzime specifice. Reacțiile de hidroliză rup legăturile chimice și eliberează energie, spre deosebire de reacțiile de deshidratare, care duc la formarea de noi legături chimice și necesită energie.
Reacțiile de hidroliză sunt similare pentru majoritatea macromoleculelor, dar reacția fiecărui monomer și polimer este specifică fiecărei clase. De exemplu, în corpul nostru, hrana este scindată (hidrolizată) în molecule mai mici de către enzimele catalitice din sistemul digestiv. Acest lucru permite absorbția nutrimentelor la nivelule celulelor intestinale.
Fiecare moleculă este scindată de o enzimă specifică. De exemplu, carbohidrații sunt degradați de enzimele denumite amilază, sucrază, lactază sau maltază. Proteinele sunt degradate de pepsină și peptidaze și de către acidul clorhidric. Lipidele sunt scindate de către lipaze. Degradarea acestor macromolecule furnizează energie pentru activitățile celulare.
Sursa (text și ilustrații): Openstax.org (CC BY 4.0)