The Four Macromolecules: Structure and Function

Slide1SC.912.L.18.1 Describe the basic molecular structure  and   primary function  of the  four macromolecules  Carbohydrates  Proteins  Lipids  Nucleic acids

Slide2living things including cells, depend on a variety of biochemicalprocesses for their survival. Most biochemical processes that take place within cells make use of macromolecules (large molecules) Large molecules that form when smaller compounds are joined together by chemicals bonds are known as  macromolecules . Kinds of macromolecules 1. Carbohydrates 2. Proteins 3. Lipids 4. Nucleic acids All these macromolecules are  organic compounds. Organic compounds contain  chemical bonds between carbon and hydrogen atoms.

Slide33ORGANIC  COMPOUNDS ORGANIC  COMPOUNDS  Compounds CARBON organic  Compounds  that contain  CARBON are called  organic .  Macromolecules organic molecules  Macromolecules  are large  organic molecules . copyright cmassengale

Slide44CARBON  (C) CARBON  (C)  Carbon 4  electrons  Carbon  has  4  electrons  in outer shell.  Carbon covalent  bonds 4   Carbon  can form  covalent  bonds with as many as  4  other atoms (elements). C,  H,  O  or  N  Usually with  C,  H,  O  or  N .  Example: CH 4 (methane)  Example: CH 4 (methane) copyright cmassengale

Slide55MACROMOLECULES MACROMOLECULES  Large  organic  molecules.  Large  organic  molecules. POLYMERS  Also called  POLYMERS . MONOMERS  Made up of smaller “building blocks” called  MONOMERS .  Examples:  Examples: 1.   Carbohydrates 1.   Carbohydrates 2.   Lipids 2.   Lipids 3.   Proteins 3.   Proteins 4.   Nucleic  acids  (DNA  and  RNA) 4.   Nucleic  acids  (DNA  and  RNA) copyright cmassengale

Slide66QUESTION: HOW  ARE MACROMOLECULE S  FORMED? QUESTION: HOW  ARE MACROMOLECULE S  FORMED? copyright cmassengale

Slide77ANSWER:   DEHYDRATION  SYNTHESIS ANSWER:   DEHYDRATION  SYNTHESIS polymers monomers “removing  water”  Forms  polymers  by combining monomers  by  “removing  water” . HO H HO HO H H H 2 O copyright cmassengale

Slide88QUESTION:   HOW  ARE MACROMOLECULES SEPARATED  OR DIGESTED? QUESTION:   HOW  ARE MACROMOLECULES SEPARATED  OR DIGESTED? copyright cmassengale

Slide99ANSWER:   HYDROLYSIS ANSWER:   HYDROLYSIS monomers “adding water”  Separates  monomers  by  “adding water” HO HO H H HO H H 2 O copyright cmassengale

Slide1010CARBOHYDRATES CARBOHYDRATES  Small  sugar  molecules large sugar  molecules  Small  sugar  molecules  to  large sugar  molecules .  Saccharide means “sugar”  Examples:  Examples: A. monosaccharide A. monosaccharide B. disaccharide B. disaccharide C. polysaccharide C. polysaccharide copyright cmassengale

Slide1111CARBOHYDRATES CARBOHYDRATES Monosaccharide:   one  sugar  unit Monosaccharide:   one  sugar  unit Examples: glucose  ( Examples: glucose  ( C 6 H 12 O 6 ) Fructose Fructose Galactose Galactose glucose glucose copyright cmassengale

Slide1212CARBOHYDRATES CARBOHYDRATES Disaccharide:  two  sugar  unit Disaccharide:  two  sugar  unit Examples: Examples:  Sucrose  (glucose+fructose)  Sucrose  (glucose+fructose)  Lactose  (glucose+galactose)  Lactose  (glucose+galactose)  Maltose  (glucose+glucose)  Maltose  (glucose+glucose) glucose glucose glucose glucose copyright cmassengale

Slide1313CARBOHYDRATES CARBOHYDRATES Polysaccharide:  many  sugar  units Polysaccharide:  many  sugar  units Examples: starch  (bread,  potatoes) Examples: starch  (bread,  potatoes) glycogen  (found  in  liver and   muscle) glycogen  (found  in  liver and     muscle) cellulose  (lettuce,  corn) cellulose  (lettuce,  corn) glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose glucose cellulose cellulose copyright cmassengale

Slide14Molecular Structure Carbon  Hydrogen  Oxygen Ratio 1:2:1         C 6 H 12 O 6 Glucose (Monosaccharide) Sucrose (Disaccharide) Starch (Polysaccharide) Function  Primary energy source  of most organisms. Energy for cellular respiration  Structural support  to organisms. For example cellulose in plant’s cell walls.

Slide15Each carbohydrate molecule contains many carbonbonds. Organisms get energy by breaking these Bonds. Carbohydrates provide QUICK Energy, but the energy is USED UP QUICKLY  ( short-term energy )

Slide16MacromoleculeComposition Function Carbohydrates Carbon Hydrogen Oxygen (form sugars) Main source  of energy  for cells Short term  energy storage Structural support : cellulose in plant cell’s walls

Slide1717LIPIDS LIPIDS  Organic compounds composed of  Carbon,  Hydrogen and  Oxygen not soluble  in  water  General term for compounds which are  not soluble  in  water .  Remember: “stores  the  most  energy”  Remember:    “stores  the  most  energy” Use for  long -term energy storage  Examples: 1.   Fats  Examples: 1.   Fats 2.   Oils 2.   Oils 3.   Waxes 3.   Waxes copyright cmassengale

Slide18Molecular Structure Carbon  Hydrogen  Oxygen  More carbon-hydrogen bonds than carbohydrates and fewer oxygen atoms  Do Not dissolve in water   Examples:   Examples: 1.   Fats 1.   Fats 2.   Oils 2.   Oils 3.   Waxes 3.   Waxes Function 1.  Use for  long -term energy storage 2. Protection  against  heat  loss (insulation) 2. Protection  against  heat  loss (insulation) 3.  Protection  against  physical shock 3.  Protection  against  physical shock 4.  Protection  against  water  loss (waterproof  an  organism) 4.  Protection  against  water  loss (waterproof  an  organism) 5.  Major  component  of  cell membranes   (phospholipids) 5.  Major  component  of  cell membranes   (phospholipids)

Slide1919LIPIDS LIPIDS Triglycerides: c 1  glycerol 3 fatty  acids Triglycerides: c omposed of  1  glycerol  and  3 fatty  acids .     H H-C----O H-C----O H-C----O     H glycerol O C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 = fatty acids O C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 = O C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH =CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 = copyright cmassengale

Slide2020FATTY  ACIDS FATTY  ACIDS fatty  acids There are two kinds of  fatty  acids  you may see these on food labels: 1. Saturated  fatty  acids:    no  double  bonds  (bad) 1. Saturated  fatty  acids:    no  double  bonds  (bad) 2. Unsaturated  fatty  acids:    double  bonds  (good) 2. Unsaturated  fatty  acids:    double  bonds  (good) O C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 = saturated saturated O C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH =CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 - CH 3 = unsaturated copyright cmassengale

Slide21MacromoleculeComposition Function Lipids Carbon Hydrogen Oxygen (form  fats, oils and waxes) Use  for  long -term energy storage I nsulate  and  waterproof  an organism Main substance that  makes up biological membranes .

Slide2222PROTEINS PROTEINS  Large organic molecules composed of  Carbon,  Hydrogen, Oxygen  and   Nitrogen peptide  bonds  Made of Amino acids (20 different kinds of aa)  bonded together by  peptide  bonds  Amino  acids  contain  an  amino  group  (-NH 2 )on  one  end  an carboxyl  group  (-COOH)  on  the  other  end.  Amino  acids  contain  an  amino  group  (-NH 2 )on  one  end  an carboxyl  group  (-COOH)  on  the  other  end.  Each  protein  has  a  characteristic  three-dimensional  shape. The  sequence  and  arrangement  of  amino  acids  determine the  shape  of  the  protein  and  its  function  in  the  cell.  Each  protein  has  a  characteristic  three-dimensional  shape. The  sequence  and  arrangement  of  amino  acids  determine the  shape  of  the  protein  and  its  function  in  the  cell. copyright cmassengale

Slide23aa1aa2 aa3 aa4 aa5 aa6 Peptide Bonds Amino Acids (aa)

Slide24Molecular Structure Carbon  Hydrogen  Oxygen  Nitrogen Made  of amino acids  Peptide bonds  hold two amino acids together Function  Structural: Serve as the building  and connecting material of living  things Collagen forms bones, ligaments, tendons etc.  Functional:  Control the rate of chemical reactions and transport materials. Examples of  Functional proteins : Hormones, antibodies ,enzymes . Enzymes control the rate of chemical  reaction.  Enzymes   speed up chemical reactions by decreasing the activation energy

Slide25proteins are worker molecules that are necessary for virtually every activity in your body.                                                                                                                                                                                                                                                              

Slide26MacromoleculeComposition Function Proteins (made  of amino acids) Carbon Hydrogen Oxygen Nitrogen (form amino Acids) Peptide bonds  hold two amino acids together Structural:  Serve  as the building and connecting material of living things Collagen forms bones, ligaments, tendons etc. Functional: 1. Some  control the rate of chemical reactions.  Enzymes are proteins that control the rate of chemical reaction. Enzymes  decrease the activation energy speeding up chemical reactions 2. Some  Transport materials into and out of the cell. Protein carriers on the cell membrane. Hemoglobin  transport oxygen. 3.  Antibodies  are proteins that fight diseases. 4.  Hormones   carry messenges

Slide27Composed of  Carbon,  Hydrogen,  Oxygen,  Nitrogen  and Phosphorous  Nucleic  acids  nucleotides  Nucleic  acids  are composed of long chains of nucleotides Nucleotide  include:  A  Nucleotide  include: phosphate  group phosphate  group pentose  sugar  (5-carbon) pentose  sugar  (5-carbon) nitrogenous  bases: nitrogenous  bases: adenine  (A) adenine  (A) thymine  (T)  DNA  only thymine  (T)  DNA  only uracil  (U)  RNA  only uracil  (U)  RNA  only cytosine  (C) cytosine  (C) guanine  (G) guanine  (G)

Slide2828NUCLEOTIDE NUCLEOTIDE        O O=P-O      O Phosphate Phosphate      Group      Group N Nitrogenous  base Nitrogenous  base      (A,  G,  C,  or  T)      (A,  G,  C,  or  T) CH2 O C 1 C 4 C 3 C 2 5        Sugar        Sugar (deoxyribose) (deoxyribose) copyright cmassengale

Slide2929NUCLEIC  ACIDS NUCLEIC  ACIDS  Two  types:  Two  types: a.  Deoxyribonucleic  acid  (DNA-     double  helix) a.  Deoxyribonucleic  acid  (DNA-     double  helix)     b.  Ribonucleic  acid  (RNA-single     strand)     b.  Ribonucleic  acid  (RNA-single     strand)  Nucleic  acids  nucleotides.  Nucleic  acids  are composed of long chains of  nucleotides. copyright cmassengale

Slide3131DNA  -  DOUBLE  HELIX DNA  -  DOUBLE  HELIX P P P O O O 1 2 3 4 5 5 3 3 5 P P P O O O 1 2 3 4 5 5 3 5 3 G C T A copyright cmassengale

Slide32Molecular Structure Carbon  Hydrogen  Oxygen  Nitrogen  Phosphorous Nucleic  acids  Nucleic  acids  are nucleotides composed of  nucleotides Nucleotide  include: A  Nucleotide  include: phosphate  group phosphate  group pentose  sugar  (5-carbon) pentose  sugar  (5-carbon) a  nitrogenous  base a  nitrogenous  base Types  DNA  and  RNA Types  DNA  and  RNA Function 1.Store and transmit information in the form of a code . 2. Genetic information is stored in DNA 3.  Information in DNA  is then translated by RNA and  use to direct the production of proteins .

Slide33MacromoleculeComposition Function Nucleic  Acids (made up nucleotides) Carbon Hydrogen Oxygen Nitrogen Phosphorous (form DNA and RNA) Store  and transmit information in the form of a code . The most important nucleic acids are  DNA and RNA Genetic information is stored in DNA Information in DNA  is then translated by RNA and  use to direct the production of proteins. SUMMARY OF NUCLEOTIDES

Slide34Carbohydrates, proteins, and lipids can all serve as energy sources for cells . Carbohydrates and proteins yield only four calories per gram. Lipids nine calories per gram. Carbohydrates are the best source of quick energy . Proteins are broken down more slowly than carbohydrates . As a result,  proteins are a longer- lasting source of energy. Organisms convert carbohydrates  and proteins that  are not needed for energy into lipids. Cells store energy  in these lipids

Slide35MacromoleculeComposition Function Carbohydrates Carbon Hydrogen Oxygen (form sugars) Main source  of energy  for cells Short term  energy storage Structural support : cellulose in plant cell’s walls Lipids Carbon Hydrogen Oxygen (form  fats, oils and waxes) Use  for  long term energy storage I nsulate  and  waterproof  an organism Main substance that  makes up biological membranes .

Slide36MacromoleculeComposition Function Proteins (made  of amino acids Carbon Hydrogen Oxygen Nitrogen Peptide bonds hold two amino acids together Structural:  Serve  as the building and connecting material of living things Collagen forms bones, ligaments, tendons etc. Functional:  Play a role in chemical reactions and transport of materials. Hormones, antibodies ,enzymes. Enzymes control the rate of chemical reaction.  Enzymes  decrease the activation energy speeding up chemical reactions Nucleic  Acids Carbon Hydrogen Oxygen Nitrogen Phosphorous (form DNA and RNA) Store  and transmit information in the form of a code . The most important nucleic acids are  DNA and RNA Genetic information is store in DNA Information in DNA  is then translated by RNA and  use to direct the production of proteins.

Slide371.  Animals breathe in oxygen (O 2 ). This O 2  is used in their bodies in the breakdown of the glucose and fatty acids. The main function of the breakdown of glucose and fatty acids is to provide energy for chemical reactions by producing which of the following? a. enzymes b. deoxyribonucleic acid c. adenosine triphosphate d. proteins

Slide382.What biological macromolecule isgenerally insoluble in water and functions in an important role in biological membranes? a. carbohydrates b. proteins c. nucleic acid d. lipids

Slide393. Proteins are one of four classes ofbiological macromolecules. Which of the following statements about proteins  is NOT correct? a.  Enzymes are specific types of proteins. b.  There are 20 different amino acids that make up proteins. c.  All R chains on the amino acids that make up proteins are polar and acidic. d.  Peptide bonds form between amino acids in a dehydration reaction, creating proteins

Slide404.Both lipids & carbohydrates are important inthe cell because both a.  provide insulation. b.  store energy. c.  contain nitrogen. d.  contain cell walls

Slide415.The diagram below shows two amino acids.  What would biochemists call the result of  chaining two or more of these molecules together ? a.  carbohydrate b.  lipid c.  nucleic acid d.  protein ?  

Slide426.Which of the following best describes themajor function of the biological macromolecule DNA? a. provides the energy required by the cell b. synthesizes RNA c. stores information that translates into making proteins d. decreases the activation energy required for a reaction

Slide437. Which answer best describes howcarbohydrates and lipids are similar? a. Both contain fats and oils and have an important structural function within the cell. b. Both are polymers that are linked by peptide bonds. c. Both are nucleic acids involved in making ATP. d. Both contain carbon, hydrogen, and oxygen, and are broken down as a source of energy.

Slide448. Which biological molecule transportssubstances, speeds up reactions, makes hormones, and provides structural support? a. carbohydrates b. proteins c. deoxyribonucleic acid d. adenosine triphosphate

Slide459. Nucleotides consist of a phosphate group, anitrogenous base, and which of the following? a. fatty acids b. an amino acid c. a 5-carbon sugar d. glycerol