BIOMOLEKULAS: KLASIFIKĀCIJA UN GALVENĀS FUNKCIJAS - BIOLOĢIJA - 2025

The biomolekulas ir molekulas, kas rodas dzīvo būtņu. Prefikss "bio" nozīmē dzīvību; tāpēc biomolekula ir molekula, ko ražo dzīva būtne. Dzīvas būtnes veido dažāda veida molekulas, kas veic dažādas dzīvībai nepieciešamās funkcijas.

Dabā pastāv biotiskas (dzīvas) un abiotiskas (nedzīvas) sistēmas, kas mijiedarbojas un dažos gadījumos apmainās ar elementiem. Viena no visām dzīvajām būtnēm ir raksturīga īpašība, ka tās ir organiskas, kas nozīmē, ka to sastāvā esošās molekulas sastāv no oglekļa atomiem.

Biomolekulām bez oglekļa ir arī citi kopīgi atomi. Šie atomi galvenokārt satur ūdeņradi, skābekli, slāpekli, fosforu un sēru. Šos elementus sauc arī par bioelementiem, jo ​​tie ir galvenā bioloģisko molekulu sastāvdaļa.

Tomēr ir arī citi atomi, kas atrodas arī dažās biomolekulēs, kaut arī mazākos daudzumos. Tie parasti ir metāla joni, piemēram, kālijs, nātrijs, dzelzs un magnijs. Līdz ar to biomolekulas var būt divu veidu: organiskas vai neorganiskas.

Tādējādi organismus veido daudzu veidu oglekļa molekulas, piemēram: cukuri, tauki, olbaltumvielas un nukleīnskābes. Tomēr ir arī citi savienojumi, kuru pamatā ir arī ogleklis un kas neietilpst biomolekulās.

Šīs oglekli saturošās molekulas, kas nav atrodamas bioloģiskajās sistēmās, ir atrodamas zemes garozā, ezeros, jūrās un okeānos, kā arī atmosfērā. Šo elementu kustība dabā ir aprakstīta tā sauktajos bioģeoķīmiskajos ciklos.

Tiek uzskatīts, ka šīs dabā atrodamās vienkāršās organiskās molekulas bija tās, kas radīja vissarežģītākās biomolekulas, kas ir dzīvības pamatstruktūras daļa: šūna. Tas ir tas, kas ir pazīstams kā abiotiskās sintēzes teorija.

Biomolekulu klasifikācija un funkcijas

Biomolekulas ir dažāda lieluma un struktūras, kas tām piešķir unikālas īpašības dažādu dzīvībai nepieciešamo funkciju veikšanai. Tādējādi biomolekulas cita starpā darbojas kā informācijas uzkrāšana, enerģijas avots, atbalsts, šūnu metabolisms.

Biomolekulas var iedalīt divās lielās grupās, pamatojoties uz oglekļa atomu esamību vai neesamību.

Neorganiskas biomolekulas

Tās ir visas molekulas, kuras atrodas dzīvās būtnēs un kuru molekulārajā struktūrā nav oglekļa. Neorganiskās molekulas dabā var atrast arī citās (nedzīvās) sistēmās.

Neorganisko biomolekulu veidi ir šādi:

Ūdens

Tā ir dzīvo būtņu galvenā un pamatelements, tā ir molekula, ko veido skābekļa atoms, kas savienots ar diviem ūdeņraža atomiem. Ūdens ir būtisks dzīvības pastāvēšanai un ir visizplatītākā biomolekulē.

No 50 līdz 95% jebkuras dzīvās būtnes svara ir ūdens, jo tas ir nepieciešams, lai veiktu vairākas svarīgas funkcijas, piemēram, termisko regulēšanu un vielu pārvadāšanu.

Minerālsāļi

Tās ir vienkāršas molekulas, kas sastāv no pretēji uzlādētiem atomiem, kuri ūdenī pilnībā atdalās. Piemēram: nātrija hlorīds, ko veido hlora atoms (negatīvi lādēts) un nātrija atoms (pozitīvi lādēts).

Minerālsāļi piedalās stingru struktūru veidošanā, piemēram, mugurkaulnieku kaulos vai bezmugurkaulnieku eksoskeletos. Šīs neorganiskās biomolekulas ir vajadzīgas arī daudzu svarīgu šūnu funkciju veikšanai.

Gāzes

Tās ir molekulas, kas ir gāzes formā. Tie ir nepieciešami dzīvnieku elpošanai un fotosintēzei augos.

Šo gāzu piemēri ir: molekulārais skābeklis, kas sastāv no diviem kopā savienotiem skābekļa atomiem; un oglekļa dioksīds, ko veido oglekļa atoms, kas savienots ar diviem skābekļa atomiem. Abas biomolekulas piedalās gāzu apmaiņā, ko dzīvās būtnes veic ar savu vidi.

Organiskās biomolekulas

Organiskās biomolekulas ir tās molekulas, kuru struktūrā ir oglekļa atomi. Organiskās molekulas var atrast arī dabā izplatītas kā nedzīvo sistēmu daļa, un tās veido tā saukto biomasu.

Organisko biomolekulu veidi ir šādi:

Ogļhidrāti

Ogļhidrāti, iespējams, ir dabā visizplatītākās un izplatītākās organiskās vielas, un tie ir visu dzīvo lietu būtiskas sastāvdaļas.

Ogļhidrātus fotosintēzes procesā zaļie augi ražo no oglekļa dioksīda un ūdens.

Šīs biomolekulas galvenokārt sastāv no oglekļa, ūdeņraža un skābekļa atomiem. Tos sauc arī par ogļhidrātiem vai saharīdiem, un tie darbojas kā enerģijas avoti un kā organismu strukturālās sastāvdaļas.

- monosaharīdi

Monosaharīdi ir vienkāršākie ogļhidrāti, un tos bieži sauc par vienkāršiem cukuriem. Tie ir elementi, no kuriem veidojas visi lielākie ogļhidrāti.

Monosaharīdiem ir vispārējā molekulārā formula (CH2O) n, kur n var būt 3, 5 vai 6. Tādējādi monosaharīdus var klasificēt pēc molekulā esošo oglekļa atomu skaita:

Ja n = 3, molekula ir triose. Piemēram: glicerraldehīds.

Ja n = 5, molekula ir pentoze. Piemēram: riboze un dezoksiriboze.

Ja n = 6, molekula ir heksoze. Piemēram: fruktoze, glikoze un galaktoze.

Pentozes un heksozes var pastāvēt divās formās: cikliskā un necikliskā. Necikliskajā formā tā molekulārajām struktūrām ir divas funkcionālās grupas: aldehīdu grupa vai ketonu grupa.

Monosaharīdus, kas satur aldehīdu grupu, sauc par aldozēm, un tos, kuriem ir ketonu grupa, sauc par ketozēm. Aldozes ir reducējošie cukuri, savukārt ketozes ir reducējošie cukuri.

Tomēr ūdenī pentozes un heksozes eksistē galvenokārt cikliskā formā, un tieši šādā formā tās apvienojas, veidojot lielākas saharīdu molekulas.

- disaharīdi

Lielākā daļa dabā atrodamo cukuru ir disaharīdi. Tos veido, veidojot glikozīdisko saiti starp diviem monosaharīdiem, izmantojot kondensācijas reakciju, kas atbrīvo ūdeni. Šis saišu veidošanās process prasa enerģiju, lai abus monosaharīdu vienības noturētu kopā.

Trīs vissvarīgākie disaharīdi ir saharoze, laktoze un maltoze. Tie veidojas no atbilstošo monosaharīdu kondensācijas. Saharoze ir nesamazinošs cukurs, savukārt laktoze un maltoze ir reducējošie cukuri.

Disaharīdi šķīst ūdenī, bet ir biomolekulas, kas ir pārāk lielas, lai difūzijas ceļā šķērsotu šūnu membrānu. Šī iemesla dēļ tie tiek sašķelti tievās zarnās gremošanas laikā, lai to būtiskie komponenti (ti, monosaharīdi) nonāk asinīs un citās šūnās.

Šūnas ļoti ātri izmanto monosaharīdus. Tomēr, ja šūnai nav vajadzīga enerģija, tā var to nekavējoties uzglabāt sarežģītāku polimēru veidā. Tādējādi monosaharīdi tiek pārveidoti par disaharīdiem, izmantojot kondensācijas reakcijas, kas notiek šūnā.

- oligosaharīdi

Oligosaharīdi ir starpposma molekulas, kas sastāv no trim līdz deviņām vienkāršām cukura vienībām (monosaharīdi). Tie veidojas, daļēji sadalot sarežģītākus ogļhidrātus (polisaharīdus).

Lielākā daļa dabisko oligosaharīdu ir atrodami augos, un, izņemot maltotriozi, tie ir cilvēku nesagremojami, jo cilvēka ķermenī tievajās zarnās trūkst nepieciešamo enzīmu, lai tos sadalītu.

Resnajā zarnā labvēlīgās baktērijas fermentācijas procesā var sadalīt oligosaharīdus; tādējādi tie tiek pārveidoti par absorbējamām barības vielām, kas nodrošina zināmu enerģiju. Daži oligosaharīdu sabrukšanas produkti var labvēlīgi ietekmēt resnās zarnas gļotādu.

Oligosaharīdu piemēri ir rafinoze, pākšaugu trisaharīds un dažas labības, kas sastāv no glikozes, fruktozes un galaktozes. Maltotrioze, glikozes trisaharīds, rodas dažos augos un noteiktu posmkāju asinīs.

- polisaharīdi

Monosaharīdi var iziet virkni kondensācijas reakciju, pievienojot ķēdei vienu vienību pēc otras, līdz veidojas ļoti lielas molekulas. Tie ir polisaharīdi.

Polisaharīdu īpašības ir atkarīgas no vairākiem to molekulārās struktūras faktoriem: garuma, sānu zariem, krokām un no tā, vai ķēde ir "taisna" vai "satīta". Dabā ir vairāki polisaharīdu piemēri.

Cietes augos bieži ražo kā enerģijas uzkrāšanas veidu, un to veido α-glikozes polimēri. Ja polimērs ir sazarots, to sauc par amilopektīnu, un, ja tas nav sazarots, to sauc par amilozi.

Glikogēns ir enerģijas rezerves polisaharīds dzīvniekiem un sastāv no amilopektīniem. Tādējādi augu ciete organismā tiek sadalīta, lai iegūtu glikozi, kas nonāk šūnā un tiek izmantota metabolismā. Nelietojamā glikoze polimerizējas un veido glikogēnu, enerģijas krātuvi.

Lipīdi

Lipīdi ir vēl viens organisko biomolekuļu veids, kuru galvenā īpašība ir tāda, ka tie ir hidrofobiski (tie atgrūž ūdeni) un attiecīgi ūdenī nešķīst. Atkarībā no to struktūras lipīdus var iedalīt 4 galvenajās grupās:

- triglicerīdi

Triglicerīdus veido glicerīna molekula, kas piestiprināta pie trim taukskābju ķēdēm. Taukskābe ir lineāra molekula, kuras vienā galā ir karbonskābe, kam seko ogļūdeņražu ķēde un metilgrupa otrā galā.

Atkarībā no to struktūras taukskābes var būt piesātinātas vai nepiesātinātas. Ja ogļūdeņražu ķēdē ir tikai vienas saites, tā ir piesātināta taukskābe. Un otrādi, ja šai ogļūdeņraža ķēdei ir viena vai vairākas dubultās saites, taukskābe ir nepiesātināta.

Šajā kategorijā ietilpst eļļas un tauki. Pirmie ir augu enerģijas rezerves, tiem ir nepiesātināti un istabas temperatūrā tie ir šķidri. Turpretī tauki ir dzīvnieku enerģijas krājumi, tie ir piesātinātas un cietas molekulas istabas temperatūrā.

Fosfolipīdi

Fosfolipīdi ir līdzīgi triglicerīdiem, jo ​​tiem ir glicerīna molekula, kas piestiprināta pie divām taukskābēm. Atšķirība ir tāda, ka fosfolipīdiem ir fosfātu grupa uz glicerīna trešā oglekļa, nevis cita taukskābes molekula.

Šie lipīdi ir ļoti svarīgi, jo tie var mijiedarboties ar ūdeni. Tā kā vienā galā ir fosfātu grupa, molekula šajā reģionā kļūst hidrofila (piesaista ūdeni). Tomēr pārējā molekulā tā joprojām ir hidrofobiska.

Savas struktūras dēļ fosfolipīdiem ir tendence organizēties tā, lai fosfātu grupas būtu pieejamas mijiedarbībai ar ūdens vidi, savukārt hidrofobās ķēdes, kuras tās organizē iekšpusē, atrodas tālu no ūdens. Tādējādi fosfolipīdi ir visu bioloģisko membrānu daļa.

- Steroīdi

Steroīdi sastāv no četriem kausētiem oglekļa gredzeniem, kuriem ir pievienotas dažādas funkcionālās grupas. Viens no vissvarīgākajiem ir holesterīns, jo tas ir būtisks dzīvām būtnēm. Tas ir citu svarīgu hormonu, piemēram, estrogēna, testosterona un kortizona, priekštecis.

- Vaski

Vaski ir neliela lipīdu grupa, kurai ir aizsargājoša funkcija. Tie ir sastopami koku lapās, putnu spalvās, dažu zīdītāju ausīs un vietās, kuras nepieciešams izolēt vai aizsargāt no ārējās vides.

Nukleīnskābes

Nukleīnskābes ir galvenās ģenētiskās informācijas transportēšanas molekulas dzīvās būtnēs. Tās galvenā funkcija ir vadīt olbaltumvielu sintēzes procesu, kas nosaka katras dzīvās būtnes iedzimtas īpašības. Tie sastāv no oglekļa, ūdeņraža, skābekļa, slāpekļa un fosfora atomiem.

Nukleīnskābes ir polimēri, ko veido monomēru atkārtojumi, ko sauc par nukleotīdiem. Katru nukleotīdu veido slāpekli saturoša aromātiskā bāze, kas piestiprināta pie pentozes cukura (pieci oglekļi), kas savukārt ir pievienota fosfātu grupai.

Divas galvenās nukleīnskābju klases ir dezoksiribonukleīnskābe (DNS) un ribonukleīnskābe (RNS). DNS ir molekula, kas satur visu informāciju par sugu, tāpēc tā atrodas visās dzīvās būtnēs un lielākajā daļā vīrusu.

RNS ir noteiktu vīrusu ģenētiskais materiāls, bet tas ir atrodams arī visās dzīvajās šūnās. Tur tas veic svarīgas funkcijas noteiktos procesos, piemēram, olbaltumvielu ražošanā.

Katra nukleīnskābe satur četras no piecām iespējamām slāpekli saturošām bāzēm: adenīnu (A), guanīnu (G), citozīnu (C), timīnu (T) un uracilu (U). DNS pamatā ir adenīns, guanīns, citozīns un timīns, savukārt RNS ir vienādas bāzes, izņemot timīnu, kas RNS aizstāj ar uracilu.

- dezoksiribonukleīnskābe (DNS)

DNS molekulu veido divas nukleotīdu ķēdes, kas savienotas ar saitēm, kuras sauc par fosfodiesteru saitēm. Katrai ķēdei ir spirāles formas struktūra. Abas spirāles savijas, lai iegūtu dubultu spirāli. Bāzes atrodas spirāles iekšpusē, un fosfātu grupas atrodas ārpusē.

DNS veido no fosfātiem saistītā dezoksiribozes cukura mugurkauls un četras slāpekļa bāzes: adenīns, guanīns, citozīns un timīns. Bāzes pāri veidojas divpavedienu DNS: adenīns vienmēr saistās ar timīnu (AT) un guanīns - ar citozīnu (GC).

Abas spirāles tiek turētas kopā, saista nukleotīdu bāzes, savienojot ar ūdeņradi. Dažreiz struktūru apraksta kā kāpnes, kur cukura un fosfāta ķēdes ir malas, bet pamatnes un pamatnes saites ir kāpšļi.

Šī struktūra kopā ar molekulas ķīmisko stabilitāti padara DNS par ideālu materiālu ģenētiskās informācijas pārnešanai. Kad šūna dalās, tās DNS tiek kopēta un nodota no vienas šūnu paaudzes nākamajai paaudzei.

- Ribonukleīnskābe (RNS)

RNS ir nukleīnskābju polimērs, kura struktūru veido viena nukleotīdu virkne: adenīns, citozīns, guanīns un uracils. Tāpat kā DNS, citozīns vienmēr saistās ar guanīnu (CG), bet adenīns saistās ar uracilu (AU).

Tas ir pirmais starpnieks ģenētiskās informācijas nodošanā šūnās. RNS ir būtiska olbaltumvielu sintēzē, jo ģenētiskajā kodā ietvertā informācija parasti tiek pārsūtīta no DNS uz RNS un no tā uz proteīniem.

Dažām RNS ir arī tiešas funkcijas šūnu metabolismā. RNS iegūst, kopējot DNS segmenta, ko sauc par gēnu, bāzes secību uz vienas virknes nukleīnskābes daļas. Šo procesu, ko sauc par transkripciju, katalizē enzīms, ko sauc par RNS polimerāzi.

Pastāv vairāki dažādi RNS veidi, galvenokārt ir 3. Pirmais ir Messenger MNS, kas tiek tieši kopēts no DNS, izmantojot transkripciju. Otrais veids ir pārnešanas RNS, kas ir tas, kurš proteīnu sintēzei nodod pareizās aminoskābes.

Visbeidzot, otra RNS klase ir ribosomu RNS, kas kopā ar dažiem olbaltumvielām veido ribosomas, šūnu organellus, kas ir atbildīgi par visu olbaltumvielu sintezēšanu šūnā.

Olbaltumvielas

Olbaltumvielas ir lielas, sarežģītas molekulas, kas pilda daudzas svarīgas funkcijas un lielāko daļu darba veic šūnās. Tie ir nepieciešami dzīvo būtņu uzbūvei, funkcijām un regulēšanai. Tos veido oglekļa, ūdeņraža, skābekļa un slāpekļa atomi.

Olbaltumvielas sastāv no mazākām vienībām, ko sauc par aminoskābēm, kuras savstarpēji savienotas ar peptīdu saitēm un veido garas ķēdes. Aminoskābes ir mazas organiskas molekulas ar ļoti īpašām fizikāli ķīmiskajām īpašībām, ir 20 dažādi veidi.

Aminoskābju secība nosaka katra proteīna unikālo trīsdimensiju struktūru un tā īpašo funkciju. Faktiski atsevišķu olbaltumvielu funkcijas ir tikpat dažādas kā to unikālās aminoskābju sekvences, kas nosaka mijiedarbību, kas rada sarežģītas trīsdimensiju struktūras.

Dažādas funkcijas

Olbaltumvielas var būt šūnas struktūras un kustības komponenti, piemēram, aktīns. Citi darbojas, paātrinot bioķīmiskās reakcijas šūnā, piemēram, DNS polimerāze, kas ir ferments, kas sintezē DNS.

Ir arī citi proteīni, kuru funkcija ir nodot svarīgu vēstījumu ķermenim. Piemēram, daži hormonu veidi, piemēram, augšanas hormoni, pārraida signālus, lai koordinētu bioloģiskos procesus starp dažādām šūnām, audiem un orgāniem.

Daži proteīni saistās kopā un šūnās pārnēsā atomus (vai mazas molekulas); tāds ir feritīns, kas ir atbildīgs par dzelzs uzkrāšanos dažos organismos. Vēl viena svarīgu olbaltumvielu grupa ir antivielas, kas pieder imūnsistēmai un ir atbildīgas par toksīnu un patogēnu noteikšanu.

Tādējādi olbaltumvielas ir ģenētiskās informācijas dekodēšanas procesa gala produkti, kas sākas ar šūnu DNS. Šī neticami daudzveidīgā funkcija ir iegūta no pārsteidzoši vienkārša koda, kas spēj noteikt ļoti daudzveidīgu struktūru kopu.

Atsauces

1. Alberts, B., Džonsons, A., Lūiss, J., Morgans, D., Rafs, M., Roberts, K. un Valters, P. (2014). Šūnas molekulārā bioloģija (6. izdevums). Garland zinātne.
2. Bergs, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Bioķīmija (8. izdevums). WH Freeman un uzņēmums.
3. Kempbela, N. un Reece, J. (2005). Bioloģija (2. red.) Pīrsona izglītība.
4. Lodish, H., Berks, A., Kaizers, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molekulāro šūnu bioloģija (8. izdevums). WH Freeman un uzņēmums.
5. Zālamans, E., Bergs, L. un Martins, D. (2004). Bioloģija (7. izdevums) Cengage mācīšanās.
6. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Bioķīmijas pamati: dzīve molekulārā līmenī (5. izdevums). Vilejs.