مطالعه‌ی ملکول‌های سازنده‌ی پیکر جانداران و واکنش‌هایی که درون جانداران رخ می‌دهد، خودش دانشی است به نام زیست‌شیمی (بیوشیمی). زیست‌شیمی‌دانان در پی آن هستند که با مطالعه‌ی چگونگی برهم کنش ملکول‌های درون سلول‌های جانداران دریابند که آن‌ها چگونه کار می‌کنند. در این جا ما به معرفی کربوهیدرات‌ها، لیپیدها و پروتیین‌ها می‌پردازیم و  و اسید نوکلئیک‌ها را در جای دیگر معرفی خواهیم کرد.

   کربوهیدرات‌ها  
  کربوهیدرات‌ها ملکول‌ها آلی هستند که سه عنصر در ساختمان آن‌ها وجود دارد: کربن، هیدروژن و اکسیژن. کربوهیدرات‌ها شامل قندها و مواد نشاسته‌ای هستند. سه نوع ملکول کربوهیدرات اصلی وجود دارد. که برپایه‌ی ساختمان و اندازه نام گذاری شده‌اند:
    1) منوساکاریدها قندهای ساده هستند.
    2) دی‌ساکاریدها از دو منوساکارید درست شده‌اند.
    3) پلی‌ساکاریدها از چند منوساکارید درست شده‌اند.
کربوهیدرات‌ها نخستین فراورده‌های فتوسنتز هستند. لیپیدها، پروتیین‌ها و اسید نوکلییک‌ها از کربوهیدرات‌ها ساخته می‌شوند.

     منوساکاریدها و دی‌ساکاریدها  
  منوساکاریدها و دی‌ساکاریدها به عنوان قندها طبقه‌بندی می‌شوند و به طور معمول نام‌ آن‌ها با «اُز» پایان می‌یابد، مثل سوکروز، که در ایران به ساکارز مشهور شده است، و لاکتوز. در منوساکاریدها، همیشه سه عنصر کرین، هیدروژن و اکسیژن به یک نسبت وجود دارد و فرمول پایه‌ای آن‌ها (CH2On) است. منوساکاریدها برپایه‌ی تعداد اتم‌های کربنی که دارند، طبقه‌بندی می‌شوند، 3، 5 و 6 کربنی از همه معمول‌تر‌اند. برای مثال، n در گلوکز 6 است. بنابراین، فرمول آن 6(CH2O) یا C6H12O6 است.
    منوساکاریدهای اصلی: گلوکز، فروکتور و گالاکتوز
    دی‌ساکاریدهای اصلی: مالتوز (گلوکز + گلوکز)، ساکارز (گلوکز + فروکتوز) و گالاکتوز (گلوکز + گالاکتوز) 

     پلی‌ساکاریدها  
  پلی‌ساکاریدها از شمار بسیاری منوساکارید ساخته شده‌اند. نشاسته، گلیکوژن، سلولز و کیتین فراوان‌ترین پلی‌ساکاریدها هستند.
    1) نشاسته
نشاسته فراوان‌ترین ملکول اندوخته‌ای در گیاهان است و به تنهایی بزرگ‌ترین فراهم کنده‌ی انرژی بیش‌تر جانداران جهان است. نشاسته سه ویژگی دارد که آن را به عنوان یک ترکیب اندوخته‌ای مناسب می‌سازد: متراکم، نامحلول، در دسترس.
نشاسته مخلوطی از دو ترکیب است، آمیلوز و آمیلوپکتین. آمیلوز بسپاری بدون شاخه است که گلوکزها در آن با اتصال 1و4-آلفا-گلیکوزیدی به هم وصل شده‌اند. این پیوندها منومرها را با زاویه‌ی اندک کنار هم نگه می‌دارند و زمانی که بارها تکرار شوند، یک ملکول مارپیچی به وجود می‌آید. در آمیلوز شش گلوکز در هر دور مارپیچ وجود دارد.
زنجیره‌های گلوکز در ملکول آمیلوپکتین اتصال‌های 1و4-آلفا گلیکوزیدی و 1و6-آلفا-گلیکوزیدی دارند. بنابراین، ملکول آمیلوپکتین شاخه‌دار می‌شود.
    2) گلیکوژن
گلیکوژن کربوهیدارت اندوخته‌ای جانوران، از جمله انسان، است. ساختمان آن به آمیلوپکتین شباهت بسیار دارد، فقط شاخه‌های بیش‌تری دارد. در انسان، گلیکوژن به مقدار فراوان در کبد و ماهیچه‌ها اندوخته می‌شود. در فعالیت بدنی طولانی، وقتی اندوخته‌ی دم دستی گلوکز به مصرف رسید، بدن با شکست گلیکوژن جای آن‌ها را پر می‌کند. اگر به یک فرد میان‌سال غذا نرسد، ذخیره‌ی گلیکوژن او پس از حدود یک روز به پایان می‌رسد. اما کسانی که به مدت طولانی فعالیت بدنی شدید دارند، مانند دوندگان ماراتن، در کم‌تر از دو ساعت اندوخته‌ی گلیکوژنی خود را به پایان می‌رسانند. وقتی گلیکوژن پایان یافت، بدن به استفاده از اندوخته‌های چربی روی می‌آورد. از این رو، کم خوردن و ورزش کردن سریع‌ترین راه برای کاهش وزن است.
یکی از تغییرهای اصلی که با بهبود مهارت ورزشی ارتباط دارد، افزایش مقدار آنزیم گلیکوژن‌سنتاز در ماهیچه‌ها است. این آنزیم این امکان را فراهم می‌سازد که گلیکوژن پس از مصرف به سرعت بیش‌تر ساخته شود.
    3) سلولز
سلوز یک بسپار ساختمانی است که به دیوراه‌ی سلولی گیاهان قدرت و سختی می‌بخشد. ملکول‌ها سلولز زنجیره‌های دراز بدون شاخه‌ای هستند که تعداد بسیاری اتصال 1و4-بتا-گلیکوزیدی دارند. این ملکول‌ها خطی کنار هم قرار می‌گیرند و با پیوندهای هیدروژنی که در سرتاسر طول خود با هم برقرار می‌کنند، دسته‌های محکمی به نام میکروفیبریل می‌سازند.
سلولز به احتمال بسیار فراوان‌ترین ماده‌ی شیمیایی ساختمانی روی زمین است، اما تعداد اندکی از جانوران می‌توانند آن را مصرف کنند و بیش‌تر جانوران آنزیم لازم برای گوارش آن، یعنی سلولاز، را تولید نمی‌کنند. جانوران گیاه‌خوار، که رژیم غذایی آن‌ها مقدار فراوان سلولز دارد، به این دلیل می‌توانند از  آن بهره ببرند که جاندران تولید کننده‌ی سلولاز را در دستگاه گوارش خود دارند. انسان نمی‌تواند سلولز را گوارش دهد، اما به روش‌های دیگری از آن بهره‌برداری می‌کند. این ماده برای تولید کاغذ، پنبه، لاک نخن و لیکرا (نوعی پارچه برای لباس ورزش‌کاران) به کار می‌رود.
    4) کیتین
اسکلت بیرونی بندپایانی مانند حشره‌ها و عنکبوت‌ها وزن اندکی دارد، اما بسیار محکم و ضد آب است. این ویژگی‌ها را از کیتین دارد، بسپاری که از واحدهای گلوکزآمین ساخته شده است. گلوکزآمین هنگامی تشکیل می‌شود که یک گروه آمین (NH2) به ملکول گلوکز وصل شود.

     لیپیدها  
لیپیدها گروه متنوعی از ترکیبات هستند که چربی‌ها و روغن‌ها از آن‌ها هستند. لیپیدها ملکول‌ها ناقطبی هستند و از این رو بیش‌تر آن‌ها در آب حل نمی‌شوند و در حلال‌های ناقطبی مانند الکل و اتر به خوبی حل می‌شوند. فسفولیپیدها، که سرهای قطبی دارند، استثنا هستند. لیپیدها عنصرهای کربن، هیدروژن، اکسیژن و گاهی فسفر و نیتروژن را در خود دارند. آن‌ها ملکول‌هایی با اندازه‌ی میانه هستند که به بزرگی ملکول‌های درشتی مانند پلی‌ساکاریدها، پلی‌پپتیدها و اسیدنوکلئیک‌ها نمی‌رسند.

    1) تری‌گلیسریدها
تری‌گلیسیریدها، که اندوخته‌ی انرژی در گیاهان و جانوران هستند، گروه بزرگ و مهمی از لیپیدها هستند. تری‌گلیسریدها از یک ملکول گلیسرول و سه ملکول اسید چرب ساخته شده‌اند. این چهار ترکیب با واکنش تراکمی به هم وصل می‌شوند تا ملکول E شکلی را بسازند. ملکول گلیسرول در همه‌ی گلیسیریدها وجود دارد و بنابراین ویژگی‌های تری‌گلیسیریدهای مختلف به ماهیت اسیدچرب‌های آن‌ها بستگی دارد.
    2) اسیدهای چرب
اسید چرب‌ها از نظر طول زنجیره‌شان و میزان اشباع شدن با هم تفاوت دارند. زنجیره‌هایی با 14 تا 16 اتم کربن از همه معمول‌تر هستند، اما تعداد کربن‌ها از 4 تا 28 متغیر است. اسید چرب اشباع بیش‌ترین مقدار هیدروژن را دارد و بنابراین پیوند دوگانه ندارد. اسیدهای چرب اشباع نشده یک یا چند پیوند دوگانه‌ی C=C دارند.
   3) فسفولیپیدها
فسفولیپیدها ساختمانی شبیه تری‌گلیسیریدها دارند، اما به جای یکی از اسیدهای چرب، یک فسفوریک اسید قطبی دارند. این جابه‌جایی باعث می‌شود این ملکول‌ها یک سر قطبی و یک دم ناقطبی داشته باشند. وقتی فسفولیپیدها در آب قرار می‌گیرند، دم‌های آبگریز آن‌ها به درون و سرهای آبدوست آن‌ها به بیرون جهت‌گیری می‌کنند. این آرایش نقش بسیار مهمی دارد، زیرا باعث شکل‌گیری لایه‌های دوتایی می‌شود که به طور معمول دولایه نامیده می‌شوند. دولایه‌های فسفولیپیدی اساس غشاهای زیستی هستند.
    4) کلسترول
بسیاری از مردم کلسترول را با بیماری قلبی مرتبط می‌دانند، اما این لیپید در واقع یکی از اجزای عادی هر سلول بدن ما است. افزون بر کلسترولی که از راه غذا به بدن ما وارد می‌شود، کبد ما نیز کلسترول می‌سازد. هر چه مقدار آن در رژیم غذایی بیش‌تر باشد، کبد کلسترول کم‌تری می‌سازد. گیاه‌خواران که فراورده‌های جانوری نمی‌خورند، همه‌ی کلسترول مورد نیاز خود را می‌سازند.
    5) هورمون‌های استروییدی
هورمون‌های استروییدی ساختمانی شبیه کلسترول دارند و در واقع از آن ساخته می‌شوند. این هورمون‌ها شامل تستوسترون، پروژسترون و استروژن‌ها هستند.
    6) موم‌ها
موم‌ها لیپیدهایی هستند که به عنوان مواد ضد آب به کار می‌روند، بنابراین، از هدر رفتن آب جلوگیری می‌کنند. کوتیکول برگ و پوشش حفاظتی بدن حشره‌ها از موم است. موم‌ها از اسیدهای چرب دراز زنجیر درست شده‌اند که به یک ملکول الکل (غیر از گلیسرول که در تری‌گلیسیریدها وجود دارد) متصل هستند. آن‌ها ارزش غذایی ندارند، زیرا لیپازها (آنزیم‌ها گوارنده‌ی لیپیدها) نمی‌توانند آن‌ها را هضم کنند. 

     پروتیین‌ها  
  پروتیین‌ها نقش بنیادی در ساختار و سوخت و ساز همه‌ی جاندارن بازی می‌کنند. ملکول‌های پروتیینی از لحاظ شکل و اندازه، گوناگونی بسیار دارند (گوناگونی ساختاری کربوهیدارت‌ها و لیپیدها در مقایسه با پروتتین‌ها بسیار محدود است). این گوناگونی در شکل برای نقش پروتیین‌ها در سلول‌ها بسیار کلیدی است.

    اهمیت پروتیین‌ها برای جاندارن
با نگاه کردن به پراکنش پروتیین‌ها در بدن انسان می‌توانیم گستردگی کارکرد پروتیین‌ها را در بدن جاندارن درک کنیم. برخی از کارهایی که برای انجام آن‌ها به پروتیین‌ها نیاز هست، عبارت‌اند از:
    • هر واکنش سوخت‌وسازی در سول با آنزیم متفاوتی آسان می‌شود.
    • بیش‌تر موادی که از  غشای سلول می‌گذرد به ملکول پروتیینی ویژه‌ای به نام ترابر (ترانسپورتر) نیاز دارد.
    • برای رویارویی با مواد شیمیایی که پیوسته از سوی جاندارن بیماری‌زا مانند باکتری‌ها و ویروس‌ها، تولید می‌شوند، به پادتن (آنتی‌بادی) متفاوتی نیاز هست.
آنزیم‌ها، ملکول‌های ترابر و پادتن‌ها همه ملکول‌های پروتیینی هستند که ویژه‌ی برآورده کردن این نیازها طراحی شده‌اند.

    ساختمان پروتیین‌ها
پروتیین‌ها ملکول‌های بزرگ و پیچیده‌ای هستند. اگر یک ملکول آب (با وزن مولکولی نسبی= 18) به اندازه‌ی یک آجر بود، پروتیین‌ها به اندازه‌ی یک ساختمان کامل بودند.
پروتیین‌ها افزون بر عنصرهای کربن، هیدروژن و اکسیژن، همیشه نیتروژن و گاهی گوگرد دارند. واحد سازنده‌ی پروتیین‌ها آمینو اسید نام دارند. همین طور که از نامشان برداشت می‌شود، همه‌ی این ملکول‌ها یک گروه اسید کربوکسیلیک (COOH-) و یگ گروه آمین (NH2-) دارند. همه‌ی این گروه‌ها به یک اتم کربن مرکزی، به نام کربن آلفا، متصل هستند. بنابراین، اسکلت یک اسیدآمینه از سه اتم C-C-N درست شده‌ است. گروه R در اسیدآمینه‌های گوناگون متفاوت است.

   پپتید، پلی‌پپتید یا پروتیین‌ها
مفهوم دقیق واژه‌های پپتید، پلی‌پپتید و پروتیین تا اندازهای گیج‌کننده است و قانونی که در همه‌ی جهان پذیرفته شده باشد، وجود ندارد. وقتی اسیدآمینه‌ها به صورت زنجیره‌های کوتاهی به هم وصل ‌شوند، یک پپتید تشکیل می‌شود. زنجیره‌های دراز‌تر را پلی‌پپتید می‌گویند. واژه‌ی پروتیین را برای ملکول پایانی که کاری انجام می‌دهد، به کار می‌بریم. برخی از پروتیین‌ها از یک پلی‌پپتید و برخی از دو یا چند پلی‌پپتید ساخته شده‌اند. برای مثال، هموگلوبین چهار پلی‌پپتید دارد. 

    ساختمان اول
ساختمان اول یک پروتیین به توالی یا ترتیب اسیدآمینه‌های آن پروتیین گفته می‌شود.
ساختمان اول یک پروتیین کوچک را به سادگی به صورت زیر نشان می‌دهند:
آلانین- هیستیدین- فنیل‌آلانین- گلوتامین- سیستیین

پروتیین‌های واقعی به طور معمول از تعداد بیش‌تری اسیدآمینه ساخته شده‌اند. برای مثال، هورمون انسولین، که پروتیین به نسبت کوچکی است، 51 اسیدآمینه دارد.
رمز ساختمان اول هر پروتیینی در ژن یا ژن‌های آن پروتیین نهفته است. این رمز، ترتیب دقیق پیوند شدن اسیدآمینه‌ها را به هم و این که چه اسید‌آمینه‌هایی در پروتیین وجود داشته باشند، تعیین می‌کند. سپس این ترتیب مشخص می‌کند که پلی‌پپتید چگونه چین‌وتا بخورد تا شکل سه بعدی دقیق و خاص هر پروتیین به وجود آید و این شکل سه بعدی است که به پروتیین اجازه می‌دهد نقش ویژه‌ی خود را در بدن بازی کند. نخستین سطح چین‌وتا خوردن سه بعدی در ساختمان دوم پروتیین توصیف می‌شود.
    ساختمان دوم  
وقتی آمینواسید‌های مختلف زنجیروار به هم پیوند شدند، تمایل پیدا می‌کنند که در برخی جاها به صورت شکل و الگوی خاصی ( برای مثال، به صورت مارپیچ) چین و تا بخورند. این شکل‌ها به این دلیل پدید می‌آیند که آمینواسیدها برای به دست آوردن پایدارترین آرایش از پیوندهای هیدروژنی به این سو و آن سو گرایش پیدا می‌کند. ساختمان دوم پروتیین به الگوهای موجود در زنجیره‌ی اسیدآمینه گفته می‌شود. چنین الگوهایی در پروتیین‌های مختلف در جاهای مختلف وجود دارند و بنابراین، گوناگونی بسیار از شکل‌های ملکولی را پدید می‌آورند.
نوع‌های اصلی ساختمان دوم در پروتیین‌ها عبارتند از:
    • مارپیچ آلفا، معمول‌ترین نوع ساختمان دوم است. در این مارپیچ، آمینواسید‌ها روی محورشان پیچ می‌خورند و هر آمینواسید با آمینواسید دیگر (آمینواسید چهارم در طول رشته‌ی پلی‌پپتید) پیوند هیدروژنی برقرار می‌کند. این پیوندهای هیدروژنی ساختمان دوم را پایدار می‌کنند.
    • صفحه‌های بتا، ساختمان مسطحی که از دو یا چند زنجیره‌ی پلی‌پپتیدی درست شده است که موازی هم قرار گرفته و با پیوندهای هیدروژنی به هم وصل شده‌اند.
ساختمان دوم یک پروتیین به ترتیب آمینواسید‌های آن بستگی دارد: برخی آمینواسید‌ها (یا ترکیبی از آن‌ها) به تولید مارپیچ‌ آلفا گرایش دارند و برخی به تولید صفحه‌های بتا روی می‌آورند. چند امینواسید خم‌شدگی‌های تندی در زنجیره به وجود می‌آورند که برای تا خوردن زنجیره روی خودش بسیار مهم است و این نوع تاخوردگی نقش بنیادی در ساختمان و کار پروتیین دارد.
    ساختمان سوم  
ساختمان سوم پروتیین شکل سه بعدی کلی آن است که در نتیجه‌ی عامل‌های زیر پدید می‌آید:
    • توالی آمینواسیدهایی که مارپیچ‌های آلفا، صفحه‌های بتا و خمیدگی‌ها را در جاهای خاصی در طول زنجیره‌ی پلی‌پپتیدی به وجود می‌آورند.
    • ماهیت آبگریزی بسیاری از گروه‌های جانبی آمینواسیدها. پروتیین‌های کروی را آب فرامی‌گیرد و بنابراین گروه‌های جانبی آبگریز گرایش دارند درون پروتیین جای گیرند.
ساختمان سوم را نیروهای جذب‌کننده‌ای که اغلب پس از چین‌وتا خوردن زنجیره‌ی پلی‌پپتیدی پدید می‌آیند و اتصال‌های دی‌سولفیدی، پیوندهای کووالانسی‌که بین دو اسیدآمینه‌ی دارای گوگرد به وجود می‌آیند، حفظ می‌کنند. اتصال‌های دی‌سولفیدی اغلب در پروتیین‌های ساختمانی به وجود می‌آیند، یعنی در جایی که به قدرت نیاز هست.
ما نمی‌توانیم از اهمیت ساختمان سوم برای کارکرد پروتیین‌ها به سادگی بگذریم. پروتیین‌های کارکردی، یعنی پروتیین‌هایی مانند آنزیم‌ها وپادتن‌ها (آنتی‌بادی‌ها) که نقش‌های فعالی در بدن بازی می‌کنند، باید شکل دقیقی (و گاهی توانایی تغییر شکل بسیار اندکی و حساب‌شده) داشته باشند تا بتوانند نقش خود را در بدن به درستی انجام دهند. محکمی بسیاری از پروتیین‌های ساختمانی به ساختمان سوم آن‌ها بستگی دارد. برای مثال، تعداد بسیار از اتصال‌های دی‌سولفیدی در کراتین باعث محکمی ساختارهایی مانند مو، ناخن می‌شود.

    ساختمان چهارم  
بیش‌تر پروتیین‌ها از بیش از یک رشته‌ی پلی‌پپتیدی ساخته شده‌اند. برای مثال، هموگلوبین انسان از چهار زنجیره‌ی پلی‌پپیتیدی ساخته شده است. اگر این زنجیره‌ها با آرایش درست در کنار هم جای گیرند، پروتیین به درستی کار می‌کند. اگر هر یک از این زتجیره‌ها به علت قرار گرفتن یک آمینواسید نادرست در جایی از رشته‌ی پلی‌پپیتیدی، ساختمان اول، دوم یا سوم غیرعادی داشته باشند، ممکن است هموگلوبینی پدید آید که نتواند اکسیژن را به مبزان کافی در گردش خون جابه‌جا کند. فقط تغییر یک آمینواسید خاص از 146 آمینواسید یک تک زنجیره‌ی هموگلوبین سبب بیماری کم‌خونی می‌شود.

منبع: پایگاه علمی جزیره دانش