Класифікація біомолекул і основні функції



The біомолекули це молекули, які утворюються в живих істотах. Префікс "біо" означає життя; отже, біомолекула є молекулою, що виробляється живою істотою. Живі істоти утворюються різними типами молекул, які виконують різні функції, необхідні для життя.

У природі існують біотичні (живі) і абіотичні (неживі) системи, які взаємодіють і, в деяких випадках, обмінюються елементами. Характерним для всіх живих істот є те, що вони є органічними, а це означає, що складові їх молекули утворені атомами вуглецю.

Біомолекули також мають інші спільні атоми, крім вуглецю. Ці атоми включають головним чином водень, кисень, азот, фосфор і сірку. Ці елементи також називаються біоелементами, оскільки вони є головним компонентом біологічних молекул.

Однак є й інші атоми, які також присутні в деяких біомолекулах, хоча і в менших кількостях. Зазвичай такі іони металів, як калій, натрій, залізо і магній, серед інших. Тому біомолекули можуть бути двох типів: органічні або неорганічні.

Таким чином, організми складаються з багатьох типів молекул на основі вуглецю, наприклад: цукру, жири, білки і нуклеїнові кислоти. Однак існують і інші сполуки, які також є основою вуглецю і які не є частиною біомолекул.

Ці молекули, які містять вуглець, але не зустрічаються в біологічних системах, можна знайти в земній корі, в озерах, морях і океанах, а також в атмосфері. Рух цих елементів в природі описується в так званих біогеохімічних циклах.

Вважається, що ці прості органічні молекули, знайдені в природі, були такими, що породжували найскладніші біомолекули, які є частиною фундаментальної структури для життя: клітини. Вищезгадане те, що відомо як теорія абіотичного синтезу.

Індекс

  • 1 Класифікація та функції біомолекул
    • 1.1 Неорганічні біомолекули 
    • 1.2 Органічні біомолекули
  • 2 Посилання

Класифікація та функції біомолекул

Біомолекули різноманітні за розміром і структурою, що надає їм унікальні характеристики для виконання різних функцій, необхідних для життя. Таким чином, біомолекули виступають як сховище інформації, джерело енергії, опори, клітинний метаболізм, серед інших.

Біомолекули можна класифікувати на дві великі групи, засновані на наявності або відсутності атомів вуглецю.

Неорганічні біомолекули 

Всі ці молекули присутні в живих істотах і не містять вуглецю в молекулярній структурі. Неорганічні молекули також можна знайти в інших (неживих) системах природи.

Типи неорганічних біомолекул такі:

Вода

Це головна і фундаментальна складова живих істот, це молекула, утворена атомом кисню, пов'язаним з двома атомами водню. Вода необхідна для існування життя і є найбільш поширеною біомолекулою.

Від 50 до 95% ваги будь-якої живої істоти - вода, оскільки необхідно виконувати кілька важливих функцій, таких як теплова регуляція та транспортування речовин.

Мінеральні солі

Вони являють собою прості молекули, утворені атомами з протилежним зарядом, які повністю розділяються у воді. Наприклад: хлорид натрію, утворений атомом хлору (негативно заряджений) і атом натрію (позитивно заряджений).

Мінеральні солі беруть участь у формуванні жорстких структур, таких як кістки хребетних або екзоскелет безхребетних. Ці неорганічні біомолекули також необхідні для виконання багатьох важливих клітинних функцій.

Гази

Це молекули, що знаходяться у вигляді газу. Вони є фундаментальними для дихання тварин і фотосинтезу в рослинах.

Прикладами таких газів є: молекулярний кисень, утворений двома атомами кисню, пов'язаними між собою; і діоксид вуглецю, утворений атомом вуглецю, приєднаним до двох атомів кисню. Обидві біомолекули беруть участь у газовому обміні, який живі істоти роблять зі своїм середовищем.

Органічні біомолекули

Органічними біомолекулами є ті молекули, які містять атоми вуглецю у своїй структурі. Органічні молекули також можуть бути розподілені в природі як частина неживих систем і становлять те, що відомо як біомаса.

Типи органічних біомолекул такі:

Вуглеводи

Вуглеводи - це, мабуть, найпоширеніші і широко поширені органічні речовини в природі, і є важливими компонентами всього живого.

Вуглеводи виробляються зеленими рослинами з вуглекислого газу та води під час процесу фотосинтезу.

Ці біомолекули в основному складаються з атомів вуглецю, водню і кисню. Вони також відомі як вуглеводи або сахариди, і вони функціонують як джерела енергії і як структурні компоненти організмів.

- Моносахариди

Моносахариди є найпростішими вуглеводами і часто називаються простими цукрами. Вони є елементарними будівельними блоками, з яких утворюються всі найбільші вуглеводи.

Моносахариди мають загальну молекулярну формулу (CH2O) n, де n може бути 3, 5 або 6. Таким чином, моносахариди можуть бути класифіковані за кількістю атомів вуглецю, присутніх в молекулі:

Якщо n = 3, то молекула є триозою. Наприклад: гліцеральдегід.

Якщо n = 5, то молекула являє собою пентозу. Наприклад: рибоза і дезоксирибоза.

Якщо n = 6, то молекула являє собою гексозу. Наприклад: фруктоза, глюкоза і галактоза.

Пентози і гексози можуть існувати у двох формах: циклічних і нециклічних. У нециклічній формі їх молекулярні структури показують дві функціональні групи: альдегідну групу або кетонну групу.

Моносахариди, що містять альдегідну групу, називаються альдозами, а ті, що мають кетонову групу, називаються кетозами. Альдози є редукуючими цукрами, в той час як кетози є нередукуючими цукрами.

Однак у воді пентози і гексози існують переважно в циклічній формі, і саме в цій формі вони поєднуються з утворенням великих молекул сахаридів..

- Дисахариди

Більшість цукрів, що містяться в природі, є дисахаридами. Вони утворюються шляхом утворення глікозидного зв'язку між двома моносахаридами через реакцію конденсації, що вивільняє воду. Цей процес утворення зв'язків вимагає енергії для утримання двох моносахаридних одиниць.

Три найбільш важливі дисахариди - сахароза, лактоза і мальтоза. Вони утворюються при конденсації відповідних моносахаридів. Сахароза є нередукуючим цукром, тоді як лактоза і мальтоза є відновлюючими цукрами.

Дисахариди розчинні у воді, але вони є дуже великими біомолекулами для перетину клітинної мембрани шляхом дифузії. З цієї причини вони розщеплюються в тонкому кишечнику під час травлення, так що їх основні компоненти (тобто моносахариди) переходять у кров і в інші клітини.

Моносахариди використовуються дуже швидко клітинами. Однак, якщо клітина не потребує енергії негайно, вона може зберігати її у вигляді більш складних полімерів. Таким чином, моносахариди перетворюються в дисахариди шляхом реакцій конденсації, що відбуваються в клітці.

- Олігосахариди

Олігосахариди - це проміжні молекули, утворені від трьох до дев'яти одиниць простих цукрів (моносахаридів). Вони утворюються шляхом часткового розкладання більш складних вуглеводів (полісахаридів).

Більшість природних олігосахаридів зустрічаються в рослинах, і, за винятком мальтотріози, вони не перетравлюються людьми, тому що в організмі людини відсутні необхідні ферменти в тонкому кишечнику, щоб розбити їх.

У товстій кишці корисні бактерії можуть розщеплювати олігосахариди шляхом ферментації; таким чином, вони перетворюються на поглинаються поживні речовини, які забезпечують деяку енергію. Певні продукти деградації олігосахаридів можуть надавати сприятливий вплив на слизову оболонку товстої кишки.

Приклади олігосахаридів включають рафінозу, трисахарид з бобових і деякі злаки, що складаються з глюкози, фруктози і галактози. Мальтотриоза, трисахарид глюкози, виробляється в деяких рослинах і в крові деяких членистоногих.

- Полісахариди

Моносахариди можуть проходити ряд реакцій конденсації, додаючи один ланцюг за іншим до ланцюга, поки не утворюються дуже великі молекули. Це полісахариди.

Властивості полісахаридів залежать від декількох факторів їх молекулярної структури: довжини, бічних гілок, складчастості і якщо ланцюг «прямий» або «фанк». Є кілька прикладів полісахаридів в природі.

Крохмаль часто виробляють у рослинах як спосіб зберігання енергії і складається з α-глюкозних полімерів. Якщо полімер розгалужений, то його називають амілопектином, і якщо він не розгалужений, його називають амілозою.

Глікоген є запасом енергії полісахариду у тварин і складається з амілопектинів. Таким чином, крохмаль у рослинах деградує в організмі з отриманням глюкози, яка надходить у клітку і використовується в обміні речовин. Глюкоза, що не використовується, полімеризується і утворює глікоген, енергетичний резервуар.

Ліпіди

Ліпіди - ще один тип органічних біомолекул, основною характеристикою яких є гідрофобність (вони відштовхують воду) і, отже, вони нерозчинні у воді. Залежно від їх структури ліпіди можна класифікувати за 4 основні групи:

- Тригліцериди

Тригліцериди утворюються молекулою гліцерину, пов'язаної з трьома ланцюгами жирних кислот. Жирна кислота є лінійною молекулою, яка на одному кінці містить карбонову кислоту, за якою слідує вуглеводнева ланцюг і метильна група на іншому кінці..

В залежності від їх структури жирні кислоти можуть бути насиченими або ненасиченими. Якщо вуглеводнева ланцюг містить тільки одиничні зв'язки, то вона є насиченою жирною кислотою. І навпаки, якщо ця вуглеводнева ланцюг має одну або більше подвійних зв'язків, то жирна кислота ненасичена.

До цієї категорії відносяться олії та жири. Першими є енергетичний запас рослин, вони мають інсатурації і є рідкими при кімнатній температурі. Навпаки, жири є енергетичними запасами тварин, вони є насиченими і твердими молекулами при кімнатній температурі.

Фосфоліпіди

Фосфоліпіди схожі з тригліцеридами тим, що вони мають молекулу гліцерину, пов'язану з двома жирними кислотами. Відмінність полягає в тому, що фосфоліпіди мають фосфатну групу в третьому вуглеці гліцерину, замість іншої молекули жирної кислоти..

Ці ліпіди дуже важливі через те, як вони можуть взаємодіяти з водою. Маючи фосфатну групу на одному кінці, молекула стає гідрофільною (притягує воду) у цій області. Однак вона залишається гідрофобною в решті молекули.

Через їхню структуру фосфоліпіди мають тенденцію бути організованими таким чином, що фосфатні групи можуть взаємодіяти з водним середовищем, тоді як гідрофобні ланцюги, які вони організують, знаходяться далеко від води. Таким чином, фосфоліпіди є частиною всіх біологічних мембран.

- Стероїди

Стероїди складаються з чотирьох розплавлених вуглецевих кілець, які з'єднані різними функціональними групами. Одним з найважливіших є холестерин, він необхідний живим істотам. Він є попередником деяких важливих гормонів, таких як естроген, тестостерон і кортизон, серед інших.

- Віск

Воски - це невелика група ліпідів, які мають захисну функцію. Вони зустрічаються в листі дерев, у пір'ях птахів, у вухах деяких ссавців і в місцях, які повинні бути ізольовані або захищені від зовнішнього середовища..

Нуклеїнові кислоти

Нуклеїнові кислоти є основними транспортними молекулами генетичної інформації в живих істотах. Її головна функція полягає в тому, щоб керувати процесом синтезу білка, який визначає успадковані характеристики кожної живої істоти. Вони складаються з атомів вуглецю, водню, кисню, азоту і фосфору.

Нуклеїнові кислоти є полімерами, утвореними повторами мономерів, званих нуклеотидами. Кожен нуклеотид складається з ароматичної основи, що містить азот, приєднаний до пентозному цукру (п'ять атомів вуглецю), який у свою чергу приєднаний до фосфатної групи.

Двома основними класами нуклеїнових кислот є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) і рибонуклеїнова кислота (РНК). ДНК - це молекула, яка містить всю інформацію про вид, тому вона присутня у всіх живих істотах і в більшості вірусів.

РНК є генетичним матеріалом певних вірусів, але вона також зустрічається у всіх живих клітинах. Там він відіграє важливу роль у певних процесах, таких як виробництво білків.

Кожна нуклеїнова кислота містить чотири з п'яти можливих підстав, що містять азот: аденін (A), гуанін (G), цитозин (C), тимін (T) і урацил (U). ДНК має підстави аденін, гуанін, цитозин і тимін, тоді як РНК має таку ж, за винятком тиміну, який замінюється урацилом в РНК.

- Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)

Молекула ДНК складається з двох ланцюжків нуклеотидів, пов'язаних між собою зв'язками, які називаються фосфодіефірними зв'язками. Кожна ланцюг має структуру у вигляді спіралі. Дві спіралі переплітаються, щоб дати подвійну спіраль. Основи розташовані всередині пропелера, а фосфатні групи - ззовні.

ДНК складається з основного ланцюга цукрової дезоксирибози, пов'язаної з фосфатом і чотирма азотистими основами: аденіном, гуаніном, цитозином і тиміном. У дволанцюжкової ДНК утворюються пари підстав: аденін завжди зв'язується з тиміном (A-T) і гуаніном з цитозином (G-C).

Дві спіралі утримуються разом шляхом узгодження основ нуклеотидів водневими зв'язками. Структура іноді описується як драбина, де цукрові та фосфатні ланцюги є сторонами, а зв'язки базової бази - перемичками.

Ця структура, разом з хімічною стабільністю молекули, робить ДНК ідеальним матеріалом для передачі генетичної інформації. Коли клітина ділиться, її ДНК копіюється і переходить від одного покоління клітин до наступного покоління.

- Рибонуклеїнова кислота (РНК)

РНК є полімером нуклеїнової кислоти, структура якої утворена єдиним ланцюгом нуклеотидів: аденін, цитозин, гуанін і урацил. Як і в ДНК, цитозин завжди зв'язується з гуаніном (C-G), але аденін зв'язується з урацилом (A-U).

Вона є першим посередником у передачі генетичної інформації в клітинах. РНК необхідна для синтезу білків, оскільки інформація, що міститься в генетичному коді, зазвичай передається від ДНК до РНК, а від неї до білків..

Деякі РНК також мають прямі функції в клітинному метаболізмі. РНК отримують копіюванням послідовності підстав сегмента ДНК, який називається геном, в частину одноланцюгової нуклеїнової кислоти. Цей процес, який називається транскрипцією, каталізується ферментом, який називається РНК-полімеразою.

Існує кілька різних типів РНК, в основному три, перша - це РНК, що копіюється безпосередньо з ДНК транскрипцією. Другий тип - це переносна РНК, яка передає правильні амінокислоти для синтезу білків.

Нарешті, інший клас РНК - рибосомна РНК, яка разом з деякими білками утворює рибосоми, клітинні органели, відповідальні за синтез всіх білків клітини..

Білки

Білки є великими, складними молекулами, які виконують багато важливих функцій і виконують більшу частину роботи в клітинах. Вони необхідні для структури, функції і регулювання живих істот. Вони складаються з атомів вуглецю, водню, кисню і азоту.

Білки складаються з менших одиниць, які називаються амінокислотами, пов'язаних між собою пептидними зв'язками і утворюють довгі ланцюги. Амінокислоти являють собою невеликі органічні молекули з дуже особливими фізико-хімічними властивостями, є 20 різних типів.

Амінокислотна послідовність визначає унікальну тривимірну структуру кожного білка і його специфічну функцію. Фактично, функції окремих білків так само різноманітні, як їх унікальні амінокислотні послідовності, які визначають взаємодії, які генерують складні тривимірні структури.

Різні функції

Білки можуть бути структурними і рухливими компонентами для клітини, такими як актин. Інші працюють за рахунок прискорення біохімічних реакцій всередині клітини, таких як ДНК-полімераза, яка є ферментом, який синтезує ДНК.

Є й інші білки, функція яких полягає в передачі важливого повідомлення організму. Наприклад, деякі типи гормонів, такі як гормон росту, передають сигнали для координації біологічних процесів між різними клітинами, тканинами і органами.

Деякі білки зв'язують і транспортують атоми (або малі молекули) всередині клітин; Такий випадок є феритином, який відповідає за зберігання заліза в деяких організмах. Іншою групою важливих білків є антитіла, які належать до імунної системи і відповідають за виявлення токсинів і патогенів.

Таким чином, білки є кінцевими продуктами процесу декодування генетичної інформації, що починається з клітинної ДНК. Це неймовірне розмаїття функцій випливає з дивно простого коду, який здатний задати надзвичайно різноманітний набір структур.

Список літератури

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Молекулярна біологія клітини (6-е изд.). Гірлянди наука.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Біохімія (8-е изд.). W. H. Freeman and Company.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Біологія (2-е изд.) Освіта Пірсона.
  4. Лодіш, Х., Берк А., Кайзер, К., Крігер, М., Bretscher, А., Ploegh, Х., Амон, А. & Мартін, К. (2016). Молекулярна клітинна біологія (8-е изд.). W. H. Freeman and Company.
  5. Соломон, Е., Берг, Л. і Мартін, Д. (2004). Біологія (7-е изд.) Cengage Learning.
  6. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Основи біохімії: життя на с Молекулярний рівень (5-е изд.). Wiley.