БІОМОЛЕКУЛИ: КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ОСНОВНІ ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ

Ці біомолекули представляють собою молекули, які утворюються в живих істот. Приставка "біо" означає життя; отже, біомолекула - це молекула, що виробляється живою істотою. Живі істоти складаються з різних типів молекул, які виконують різні функції, необхідні для життя.

У природі існують біотичні (живі) та абіотичні (неживі) системи, які взаємодіють і, в деяких випадках, обмінюються елементами. Однією з характерних особливостей спільного для всіх живих є те, що вони органічні, це означає, що їх складові молекули складаються з атомів вуглецю.

Біомолекули також мають інші спільні атоми, крім вуглецю. До таких атомів належать, головним чином, водень, кисень, азот, фосфор і сірка. Ці елементи також називають біоелементами, оскільки вони є основним компонентом біологічних молекул.

Однак є й інші атоми, які також присутні в деяких біомолекул, хоча в меншій кількості. Це, як правило, іони металів, такі як калій, натрій, залізо та магній, серед інших. Отже, біомолекули можуть бути двох типів: органічні або неорганічні.

Таким чином, організми складаються з багатьох видів молекул на основі вуглецю, наприклад: цукри, жири, білки та нуклеїнові кислоти. Однак є й інші сполуки, які також на основі вуглецю і не входять до складу біомолекул.

Ці молекули, що містять вуглець, яких немає в біологічних системах, можна знайти в земній корі, в озерах, морях і океанах, в атмосфері. Рух цих елементів у природі описано в так званих біогеохімічних циклах.

Вважається, що ці прості органічні молекули, знайдені в природі, були тими, що породили найскладніші біомолекули, що входять до основної життєвої структури: клітина. Це те, що відомо як теорія абіотичного синтезу.

Класифікація та функції біомолекул

Біомолекули різноманітні за розміром і структурою, що надає їм унікальних характеристик для виконання різних функцій, необхідних для життя. Таким чином, біомолекули діють як зберігання інформації, джерела енергії, підтримки, клітинного метаболізму, серед іншого.

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

Неорганічні біомолекули

Це всі ті молекули, які є у живих істот і які не містять вуглецю у своїй молекулярній структурі. Неорганічні молекули можна знайти і в інших (неживих) системах у природі.

Типи неорганічних біомолекул такі:

Вода

Це головна і основна складова живих істот, це молекула, утворена атомом кисню, пов'язаним з двома атомами водню. Вода важлива для існування життя і є найпоширенішою біомолекулою.

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

Мінеральні солі

Це прості молекули, що складаються з протилежно заряджених атомів, які повністю розділяються у воді. Наприклад: хлорид натрію, що складається з атома хлору (негативно заряджений) та атома 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

Вони є молекулами, які знаходяться у формі газу. Вони необхідні для дихання тварин і фотосинтезу в рослинах.

Прикладами цих газів є: молекулярний кисень, що складається з двох атомів кисню, пов'язаних між собою; і вуглекислий газ, що складається з атома вуглецю, пов'язаного з двома атомами кисню. Обидві біомолекули беруть участь у обміні газом, який живі істоти здійснюють зі своїм оточенням.

Органічні біомолекули

Органічні біомолекули - це ті молекули, які містять у своїй структурі атоми вуглецю. Органічні молекули також можуть бути поширені в природі як частина неживих систем, і вони складають те, що відомо як біомаса.

Види органічних біомолекул наступні:

Вуглеводи

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

Вуглеводи отримують зелені рослини з вуглекислого газу та води в процесі фотосинтезу.

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

- Моносахариди

Моносахариди є найпростішими вуглеводами і їх часто називають 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 можна класифікувати за кількістю атомів вуглецю, присутніх у молекулі:

Якщо n = 3, молекула є тріозою. Наприклад: гліцеральдегід.

Якщо n = 5, молекула - пентоза. Наприклад: рибоза та дезоксирибоза.

Якщо n = 6, молекула - гексоза. Наприклад: фруктоза, глюкоза та галактоза.

Пентози та гексози можуть існувати у двох формах: циклічній та нециклічній. У нециклічній формі його молекулярні структури демонструють дві функціональні групи: альдегідну групу або кетонову групу.

Моносахариди, які містять альдегідну групу, називають альдозами, а ті, які мають кетонову групу, називають кетозами. Альдози - це відновлення цукрів, а кетози - невідновлюючі цукри.

Однак у воді пентози та гексози існують переважно у циклічній формі, і саме в такому вигляді вони поєднуються, утворюючи більші молекули сахаридів.

- Дисахариди

Більшість цукрів, які містяться в природі, є дизахаридами. Вони утворюються утворенням глікозидної зв’язки між двома моносахаридами за рахунок реакції конденсації, яка звільняє воду. Цей процес утворення зв’язку вимагає енергії для утримання двох моносахаридних одиниць разом.

Три найважливіші дисахариди - сахароза, лактоза та мальтоза. Вони утворюються при конденсації відповідних моносахаридів. Сахароза - це невідносний цукор, а лактоза та мальтоза - це відновлення цукру.

Дисахариди розчиняються у воді, але є біомолекулами, які занадто великі, щоб перетинати клітинну мембрану шляхом дифузії. З цієї причини вони розщеплюються в тонкому кишечнику під час травлення, так що їх основні компоненти (тобто моносахариди) переходять у кров та інші клітини.

Моносахариди дуже швидко використовуються клітинами. Однак якщо клітині не потрібна енергія, вона може негайно зберігати її у вигляді більш складних полімерів. Таким чином, моносахариди перетворюються на дисахариди через реакції конденсації, що відбуваються в клітині.

- олігосахариди

Олігосахариди - це проміжні молекули, що складаються з трьох-дев'яти простих одиниць цукру (моносахаридів). Вони утворюються шляхом часткового розщеплення більш складних вуглеводів (полісахаридів).

Більшість природних олігосахаридів містяться в рослинах, і, за винятком мальтотріози, вони не засвоюються людиною, оскільки людському організму не вистачає необхідних ферментів у тонкому кишечнику, щоб їх розщепити.

У товстому кишечнику корисні бактерії можуть розщеплювати олігосахариди шляхом бродіння; таким чином вони перетворюються на поглинаючі поживні речовини, які забезпечують певну енергію. Певні продукти розпаду олігосахаридів можуть сприятливо впливати на слизову оболонку товстої кишки.

Приклади олігосахаридів включають рафінозу, трисахарид бобових та деякі злаки, що складаються з глюкози, фруктози та галактози. Мальтотріоза, трисахарид глюкози, зустрічається у деяких рослин і в крові певних членистоногих.

- Полісахариди

Моносахариди можуть пройти ряд реакцій конденсації, додаючи одну ланцюжок за іншою до ланцюга, поки не утворюються дуже великі молекули. Це полісахариди.

Властивості полісахаридів залежать від кількох факторів їх молекулярної будови: довжини, бічних гілок, складок та того, чи є ланцюг «прямим» чи «згорнутим». У природі є кілька прикладів полісахаридів.

Крохмаль часто виробляється в рослинах як спосіб збереження енергії, і він складається з полімерів α-глюкози. Якщо полімер розгалужений, його називають амілопектином, а якщо він не розгалуженим - він називається амілозою.

Глікоген - це запасний енергетичний полісахарид тварин і складається з амілопектинів. Таким чином, крохмаль рослин розщеплюється в організмі для отримання глюкози, яка надходить в клітину і використовується в обміні речовин. Глюкоза, яка не використовується, полімеризується і утворює глікоген, запас енергії.

Ліпіди

Ліпіди - це ще один тип органічних біомолекул, основна характеристика яких полягає в тому, що вони гідрофобні (вони відштовхують воду) і, отже, нерозчинні у воді. Залежно від їх структури ліпіди можна класифікувати на 4 основні групи:

- Тригліцериди

Тригліцериди складаються з молекули гліцерину, приєднаної до трьох ланцюгів жирних кислот. Жирна кислота - це лінійна молекула, яка містить карбонову кислоту на одному кінці, а потім вуглеводневу ланцюг і метильну групу на іншому кінці.

Залежно від їх структури жирні кислоти можуть бути насиченими або ненасиченими. Якщо вуглеводневий ланцюг містить лише поодинокі зв’язки, це насичена жирна кислота. І навпаки, якщо ця вуглеводнева ланцюг має одну або більше подвійних зв’язків, жирна кислота є ненасиченою.

До цієї категорії відносяться масла та жири. Перші - це запас енергії рослин, вони мають ненасичені речовини і рідкі при кімнатній температурі. На відміну від них жири - це запаси енергії тварин, вони є насиченими і твердими молекулами при кімнатній температурі.

Фосфоліпіди

Фосфоліпіди схожі на тригліцериди тим, що мають молекулу гліцерину, приєднану до двох жирних кислот. Різниця полягає в тому, що фосфоліпіди мають фосфатну групу на третьому вуглеці гліцерину, а не на іншій молекулі 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 цьому регіоні. Однак він все ще гідрофобний в іншій частині молекули.

Завдяки своїй структурі фосфоліпіди мають тенденцію організовуватися таким чином, що фосфатні групи доступні для взаємодії з водним середовищем, тоді як гідрофобні ланцюги, які вони організовують всередині, знаходяться далеко від води. Таким чином, фосфоліпіди є частиною всіх біологічних мембран.

- Стероїди

Стероїди складаються з чотирьох плавлених вуглецевих кілець, до яких приєднані різні функціональні групи. Одним з найважливіших є холестерин, оскільки він важливий для живих істот. Це попередник деяких важливих гормонів, таких як естроген, тестостерон та кортизон, серед інших.

- Воски

Віски - це невелика група ліпідів, які мають захисну функцію. Вони зустрічаються у листках дерев, у пір'ї птахів, у вухах деяких ссавців та в місцях, які потребують ізоляції чи захисту від зовнішнього середовища.

Нуклеїнові кислоти

Нуклеїнові кислоти є основними транспортуючими молекулами генетичної інформації в живих істотах. Основна його функція - керувати процесом синтезу білка, які визначають успадковані характеристики кожної живої істоти. Вони складаються з атомів вуглецю, водню, кисню, азоту та фосфору.

Нуклеїнові кислоти - це полімери, що складаються з повторів мономерів, званих нуклеотидами. Кожен нуклеотид складається з азотовмісної ароматичної основи, приєднаної до пентозного цукру (п’ять вуглецю), який у свою чергу приєднується до фосфатної групи.

Два основні класи нуклеїнових кислот - дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) та рибонуклеїнова кислота (РНК). ДНК - це молекула, яка містить всю інформацію про вид, саме тому вона присутня у всіх живих істот і в більшості вірусів.

РНК є генетичним матеріалом певних вірусів, але він також є у всіх живих клітинах. Там він виконує важливі функції в певних процесах, таких як виготовлення білків.

Кожна нуклеїнова кислота містить чотири з п’яти можливих азотовмісних основ: аденін (A), гуанін (G), цитозин (C), тимін (T) та урацил (U). ДНК має основи аденіну, гуаніну, цитозину та тиміну, тоді як РНК має ті ж підстави, крім тиміну, який заміщений урацилом у РНК.

- дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)

Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, з'єднаних зв'язками, які називаються фосфодіефірними зв'язками. Кожен ланцюг має структуру спіралі. Дві спіралі переплітаються, щоб отримати подвійну спіраль. Основи знаходяться на внутрішній частині спіралі, а фосфатні групи - на зовнішній стороні.

ДНК складається з фосфатно-зв’язаної основи цукру дезоксирибози та чотирьох азотистих основ: аденіну, гуаніну, цитозину та тиміну. Базові пари формуються в ДНК з дволанцюжковим зв'язком: аденін завжди зв'язується з тиміном (АТ), а гуанін - з цитозином (ГХ).

Два спіралі утримуються разом, з'єднуючи нуклеотидні основи водневим зв’язком. Структуру іноді описують як драбину, де цукровий і фосфатний ланцюги - сторони, а основоположні зв’язки - це стулки.

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

- рибонуклеїнова кислота (РНК)

РНК - це полімер нуклеїнової кислоти, структура якого складається з єдиного нуклеотидного ланцюга: аденіну, цитозину, гуаніну та урацилу. Як і в ДНК, цитозин завжди зв'язується з гуаніном (CG), але аденін зв'язується з урацилом (AU).

Це перший посередник у передачі генетичної інформації в клітинах. РНК важлива для синтезу білка, оскільки інформація, що міститься в генетичному коді, зазвичай передається від ДНК до РНК, а від цього - до білків.

Деякі РНК також мають прямі функції в клітинному обміні. РНК отримують шляхом копіювання базової послідовності сегмента ДНК, який називається геном, на частину одноланцюгової нуклеїнової кислоти. Цей процес, званий транскрипцією, каталізується ферментом, який називається РНК-полімеразою.

Існує кілька різних типів РНК, в основному їх є 3. Перший - це месенджерна РНК, яка є тією, яка копіюється безпосередньо з ДНК за допомогою транскрипції. Другий тип - це переносна РНК, яка є тією, яка передає правильні амінокислоти для синтезу білка.

Нарешті, другим класом РНК є рибосомальна РНК, яка разом з деякими білками утворює рибосоми, клітинні органели, відповідальні за синтез усіх білків у клітині.

Білок

Білки - це великі складні молекули, які виконують багато важливих функцій і виконують більшу частину роботи в клітинах. Вони необхідні для будови, функції та регулювання живих істот. Вони складаються з атомів вуглецю, водню, кисню та азоту.

Білки складаються з менших одиниць, званих амінокислотами, пов'язаних між собою пептидними зв’язками і утворюючи довгі ланцюги. Амінокислоти - це невеликі органічні молекули з дуже особливими фізико-хімічними властивостями, їх існує 20 різних типів.

Послідовність амінокислот визначає унікальну тривимірну структуру кожного білка та його специфічну функцію. Насправді функції окремих білків настільки ж різноманітні, як і їх унікальні амінокислотні послідовності, які визначають взаємодії, що генерують складні тривимірні структури.

Різні функції

Білки можуть бути структурними і рухомими компонентами для клітини, такими як актин. Інші працюють, прискорюючи біохімічні реакції всередині клітини, такі як ДНК-полімераза, яка є ферментом, який синтезує ДНК.

Є й інші білки, функція яких - передавати важливе повідомлення організму. Наприклад, деякі типи гормонів, такі як гормони росту, передають сигнали для координації біологічних процесів між різними клітинами, тканинами та органами.

Деякі білки зв'язуються разом і несуть атоми (або невеликі молекули) всередині клітин; такий випадок ферритину, який відповідає за зберігання заліза в деяких організмах. Інша група важливих білків - антитіла, які належать до імунної системи і відповідають за виявлення токсинів і збудників.

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

Список літератури

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Молекулярна біологія клітини (6-е видання). Гарленд Наука.
Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Біохімія (8-е видання). WH Freeman and Company.
Кемпбелл, Н. та Різ, Дж. (2005). Біологія (2-е видання) Пірсонова освіта.
Лодіш, Х., Берк, А., Кайзер, К., Крігер, М., Бретчер, А., Плое, Х., Амон, А. і Мартін, К. (2016). Молекулярна клітинна біологія (8-е видання). WH Freeman and Company.
Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Біологія (7-е вид.) Навчання за участю.
Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Основи біохімії: життя на молекулярному рівні (5-е видання). Вілі.

БІОМОЛЕКУЛИ: КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ОСНОВНІ ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025