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9/8/2012

(B) Biological molecules
(B)
Biological Molecules
Chapter 2
Ch t 2

Content
• Structure of carbohydrates, lipids and proteins 
and their roles in living organisms
• Water and living organisms
d li i
i

AICE Biology

Learning Outcomes
(a) [PA] carry out tests for reducing and non‐reducing sugars (including using 
colour standards as a semi‐quantitative use of the Benedict’s test), the 
iodine in potassium iodide solution test for starch, the emulsion test for lipids 
and the biuret test for proteins;
(b) describe the ring forms of α‐glucose and β‐glucose (candidates should be 
familiar with the terms  monomer, polymer and macromolecule);
(c) describe the formation and breakage of a glycosidic bond with reference both 
to polysaccharides and to disaccharides including sucrose;
to polysaccharides and to disaccharides including sucrose;
(d) describe the molecular structure of polysaccharides including starch 
(amylose and amylopectin), glycogen and cellulose and relate these 
structures to their functions in living organisms;
(e) describe the molecular structure of a triglyceride and a phospholipid and 
relate these structures to their functions in living organisms;
(f) describe the structure of an amino acid and the formation and breakage of a 
peptide bond;

Molecular Biology
• Study of structure & function of bio
...
 A haemoglobin molecule is 
composed of 2 alpha (α) chains and 2 beta (β) chains, although when 
describing the chains the terms α‐globin and β‐globin may be used
...


Four most common elements in living 
organisms:
• Hydrogen:
– Hydrocarbons will have more H than C

• Carbon:
– Basis of organic chemistry
– Remarkable ability to form ring and other structures
Remarkable ability to form ring and other structures

• Oxygen:
– Atmospheric and water

• Nitrogen:
– proteins

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Biological Molecules
• Formed from smaller organic molecules 
(polymers) bonded together to form larger 
molecules
– Repeating subunits bonded together end to end; 
p
g
g
;
like beads/pearls on a string

• These larger molecules (macromolecules) may 
be composed of thousands of atoms
– Polysaccharides, proteins (polypeptides) and 
nucleic acids (polynucleotides)
– Process called polymerisation

Carbohydrates
• Sugar & starch  
• All contain carbon
• General formula:     Cx(H20)y

Polymers
• Three of the four classes of 
macromolecules form chainlike 
molecules called polymers
– carbohydrates, proteins, and nucleic acids

• Polymers consist of many similar or 
identical building blocks linked by 
covalent bonds
...
  
This type of rxn is called a condensation  reaction
...


Glucose monomer
Sucrose

2 glucose
Maltose

Condensation Reaction

Functions of 
Monosaccharides & Disaccharides
• Good sources of energy in living organisms
• Used to make  ATP
• Soluble in water, so they are the form in which 
carbohydrates are transported through an 
b h d
d h
h
organism’s body

– process requires 
energy and is aided 
by enzymes
– Removes water molecule 
– One monomer provides 
a hydroxyl group and 
the other provides a 
hydrogen

Hydrolysis Reaction
Process of breaking a polymer with water
– Reverse of condensation rxn
– As the glycosidic bond is broken a hydrogen atom 
and hydroxyl group from a split water molecule 
attaches where the glycosidic bond used to be
– Hydrolysis reactions
Hydrolysis reactions 
dominate the 
digestive process, 
guided by specific 
enzymes

Functions of 
Monosaccharides & Disaccharides
• All monosaccharides and some disaccharides act as 
reducing agents and will reduce blue Benedict’s 
solution to produce an orange‐red precipitate
– They are called reducing sugars
...


– Animals: glucose trans
...
 in phloem sap
(Jones, 2010)

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Polysaccharides

Glycogen

• Substances  whose molecules are made up of 
hundreds or thousands of monosaccharides
linked in long chains
– Due to large size majority don’t dissolve in H20
Due to large size, majority don t dissolve in H
– This makes them good for storing energy (starch 
and glycogen) or forming strong structures 
(cellulose)
...
 
bonds on chain

Amylopectin
• Highly branched with side chains, similar to 
glycogen
– About every 13th unit, short side chain 
attached by glycosidic bond to #6 C (above 
ring)

(Kimball, 2004)

Plants convert excess 
glucose into starch for 
storage

Cellulose
• Most abundant organic molecule
• Major component of plant cell walls
– Uses β glucose  1‐4 linkages 
• Many glucose  molecules linked by glycosidic bonds

– Cellulose difficult to digest
• Few organisms have an enzyme that can break β 1‐4 
glycosidic bonds,  therefore it passes through the intestine

– Many microbes can digest cellulose
• Herbivores (cows and termites) have symbiotic relationships 
with these microbes and can digest cellulose

Cellulose 
• Notice β glucose  1‐4 
• Adjacent glucose molecules 
in chain are upside‐down in 
relation to one another
• Straight chain rather than
Straight chain rather than 
spiral 
• Forms bundles called 
microfibrils
– Very strong
– Excellent for cell walls
– Won’t break when plant cell 
swells with water

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The arrangement of cellulose in plant cell walls

Tests for Carbohydrates
• Reducing sugar
– Benedict’s reagent and heat
– Orange precipitate indicates the presence                    
of reducing sugar

• Non‐reducing sugar
– Test done on solutions known not to          
contain reducing sugars
– Hydrolyze by heating with dilute HCl, then 
neutralize with sodium hydrogen carbonate, 
then carry out the test for reducing sugar

• Starch
– Use iodine in potassium iodide solution
– Blue‐black color indicates the presence of starch

Lipids
• Contain Carbon, hydrogen and oxygen
• Triglycerides and phospholipids
– All insoluble in water

• Excellent energy reserves

Triglycerides
• Most common: Triglycerides
– Three fatty acid molecules (hydrocarbons) 
with one glycerol molecule
– Each fatty acid is joined to glycerol by an 
ester bond
– Joined by condensation reaction

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Triglycerides
• saturated fatty acids have a high melting point and 
tend to be found in warm‐blooded animals
...
g
...
 
– Hydrocarbon with both single and double bonds
– At room temperature they are liquids (oils), e
...
 fish oil, 
vegetable oils

• Used for storage, insulation and protection in fatty tissue 
(adipose tissue) found under the skin (sub‐cutaneous) or 
surrounding organs 
– Cells in adipose tissue contain oil droplets made of triglycerides
– Protects against heat loss
– Low density tissue‐ increases buoyancy; ie
...

• Decant the ethanol into water 
• A milky emulsion indicates the presence of 
ilk
l i i di
h
f
lipid

Proteins: Amino Acids
• Proteins are large molecules made 
of long chains of amino acids
R group: represents a 
• 20 different amino acids
range of different groups
Each has:
Amine 
group
– Amine group
Amine group
– Carboxyl group
– A variable R group (side chain) 

Carboxyl 
group
Central 
Carbon

• The R group determines the 
characteristics of the amino acid

– All are attached to a central carbon

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Amino Acids

Amino Acids

• Two amino acids can link together

• Dipeptide can be broken with hydrolysis 
reaction

– Condensation reaction
– Forms a dipeptide
– Bond is called a peptide bond
Bond is called a peptide bond

– Bond breaks by adding water molecule

Structure of Protein Molecules

Codon Table

• Amino acids are linked together in long 
chains called polypeptides
– May form from a protein molecule on its own 
or associate with other polypeptides to form a 
protein molecule
protein molecule

• Sequence 
– called primary structure
– 3 letters = first 3 letters of amino acid
Val

Leu

Ser

Pro

Ala

Asp

Val

Lys

Thr

– Val is valine, Leu is leucine

• Chain of amino acids 
often folds or curls to 
form a 3D shape
• Secondary structure

Proteins continued

Beta‐

– Alpha helix
– Held together by hydrogen 
bonds

• Tertiary
y
– Held together by hydrogen 
bonds as well as 
• Ionic bonds
• Disulfide bonds
• Hydrophobic interactions

Beta‐

– Globular structure

• Quaternary
– Same bonds as tertiary

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Globular and fibrous proteins
• Globular
– Spherical 3D shape
– Hemoglobin, insulin, enzymes
– Often soluble in water

• Fibrous
– Molecules do not curl up into a ball
– Long thin molecules, lie side by side to form fibres
• Keratin (hair) and collagen (skin, bone)

– Not soluble in water

• Collagen
– fibrous protein of three polypeptides super‐coiled 
like a rope
...


• Hemoglobin
– globular protein  
composed of 
2 alpha (α) chains 
and 2 beta (β) 
chains

Quartnary Structure
Haemoglobin, the oxygen‐carrying protein in red blood cells, consists of four 
globular subunits arranged in a tetrahedral (pyramid) structure
...

Immunoglobulins, the proteins that make antibodies, comprise four 
polypeptide chains arranged in a Y‐shape
...
This shape allows antibodies to link antigens together,
bridges
...

Actin, one of the proteins found in muscles, consists of many globular 
subunits arranged in a double helix to form long filaments
...
 These form part of the cytoskeleton, and make cilia and 

• Bonds involved in structure of proteins

flagella move
...

• Purple color indicates presence of a protein

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Water
• About 80% of an organism’s body 
is water
• Molecule
– Slightly negative 
dipole
– Slightly positive
Slightly positive
– Hydrogen bonds between 
molecules

• Universal solvent
– Dipoles make it an excellent solvent

• Transport medium

Water

Inorganic Ions

• Thermal properties
– Liquid at normal temp
– High latent heat of evaporation
• Kinetic energy
Kinetic energy

– Specific heat capacity
• A lot of heat energy is needed to raise temp of water

– Freezes from top down

• Density & freezing properties
• High surface tension and cohesion
(Jones, 2010)

Resources
Farlex, INC, (2009)
...
 Retrieved September 11, 2009, from Obesity Web site: 
http://medical‐dictionary
...
com/Obesity
Gunin, (2009)
...
 Retrieved September 7, 2009, from Cytology Web site: 
http://www
...
chuvashia
...
htm
Kimball, J
...
 Biology
...
rcn
...
ma
...
html#starches
Jones, M
...
 Cambridge International A/AS‐ Level Revision Guide
...
 Hodder 
Education
...
, Fosbery, R
...
, & Gregory, J
...
 AS Level and A Level Biology, 2nd ed
...


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