BIOMOLEKULE: KLASIFIKACIJA IN GLAVNE FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2026

V biomolekul so molekule, ki so nastale v živih bitjih. Predpona "bio" pomeni življenje; zato je biomolekula molekula, ki jo proizvaja živo bitje. Živa bitja so sestavljena iz različnih vrst molekul, ki opravljajo različne funkcije, potrebne za življenje.

V naravi obstajajo biotični (živi) in abiotični (neživi) sistemi, ki medsebojno vplivajo in v nekaterih primerih izmenjujejo elemente. Ena značilnost skupnega vseh živih bitij je, da so organske, kar pomeni, da so njihove sestavne molekule sestavljene iz ogljikovih atomov.

Biomolekule imajo poleg ogljika tudi druge skupne atome. Ti atomi vključujejo predvsem vodik, kisik, dušik, fosfor in žveplo. Te elemente imenujemo tudi bioelementi, ker so glavna sestavina bioloških molekul.

Vendar obstajajo tudi drugi atomi, ki so prisotni tudi v nekaterih biomolekulah, čeprav v manjših količinah. Na splošno so to med drugim kovinski ioni, kot so kalij, natrij, železo in magnezij. Posledično so lahko biomolekule dveh vrst: organske ali anorganske.

Tako organizme sestavljajo številne vrste molekul na osnovi ogljika, na primer: sladkorji, maščobe, beljakovine in nukleinske kisline. Vendar pa obstajajo tudi druge spojine, ki prav tako temeljijo na ogljiku in niso del biomolekul.

Te molekule, ki vsebujejo ogljik, ki jih ne najdemo v bioloških sistemih, najdemo v zemeljski skorji, v jezerih, morjih in oceanih ter v atmosferi. Gibanje teh elementov v naravi je opisano v tako imenovanih biogeokemičnih ciklih.

Menijo, da so te preproste organske molekule v naravi tiste, ki so ustvarile najbolj zapletene biomolekule, ki so del temeljne strukture za življenje: celica. To je tisto, kar je znano kot teorija abiotske sinteze.

Razvrstitev in funkcije biomolekul

Biomolekule so raznolike po velikosti in strukturi, kar jim daje edinstvene lastnosti za izvajanje različnih funkcij, potrebnih za življenje. Tako biomolekule med drugim delujejo kot shranjevanje informacij, vir energije, podpora, celični metabolizem.

Biomolekule lahko glede na prisotnost ali odsotnost ogljikovih atomov razvrstimo v dve veliki skupini.

Anorganske biomolekule

Vse so tiste molekule, ki so prisotne v živih bitjih in ki v svoji molekularni strukturi ne vsebujejo ogljika. Anorganske molekule lahko najdemo tudi v drugih (neživih) sistemih v naravi.

Vrste anorganskih biomolekul so naslednje:

Voda

Je glavna in temeljna sestavina živih bitij, je molekula, ki jo tvori atom kisika, povezan z dvema atomoma vodika. Voda je bistvena za obstoj življenja in je najpogostejša biomolekula.

Med 50 in 95% teže katerega koli živega bitja predstavlja voda, saj je potrebno opravljati več pomembnih funkcij, kot sta toplotna regulacija in transport snovi.

Mineralne soli

So preproste molekule, sestavljene iz nasprotno nabitih atomov, ki se v vodi popolnoma ločijo. Na primer: natrijev klorid, ki ga sestavljata atom klora (negativno nabit) in natrijev atom (pozitivno nabit).

Mineralne soli sodelujejo pri tvorbi togih struktur, kot so kosti vretenčarjev ali eksoskelet nevretenčarjev. Te anorganske biomolekule so potrebne tudi za izvajanje številnih pomembnih celičnih funkcij.

Plini

So molekule, ki so v obliki plina. So bistvenega pomena za dihanje živali in fotosintezo v rastlinah.

Primeri teh plinov so: molekularni kisik, sestavljen iz dveh kisikovih atomov, povezanih skupaj; in ogljikov dioksid, sestavljen iz ogljikovega atoma, vezanega na dva atoma kisika. Obe biomolekuli sodelujeta pri izmenjavi plinov, ki jih živa bitja izvajajo s svojim okoljem.

Organske biomolekule

Organske biomolekule so tiste molekule, ki v svoji strukturi vsebujejo atome ogljika. Organske molekule lahko najdemo tudi v naravi kot del neživih sistemov in predstavljajo tako imenovano biomaso.

Vrste organskih biomolekul so naslednje:

Ogljikovi hidrati

Ogljikovi hidrati so verjetno najbolj bogate in razširjene organske snovi v naravi in ​​so bistveni sestavni deli vsega živega.

Ogljikove hidrate proizvajajo zelene rastline iz ogljikovega dioksida in vode med postopkom fotosinteze.

Te biomolekule sestavljajo predvsem atomi ogljika, vodika in kisika. Znani so tudi kot ogljikovi hidrati ali saharidi, delujejo pa kot viri energije in kot strukturne sestavine organizmov.

- Monosaharidi

Monosaharidi so najpreprostejši ogljikovi hidrati in jih pogosto imenujemo preprosti sladkorji. So elementarni gradniki, iz katerih nastajajo vsi največji ogljikovi hidrati.

Monosaharidi imajo splošno molekularno formulo (CH2O) n, kjer je n lahko 3, 5 ali 6. Tako lahko monosaharide razvrstimo glede na število ogljikovih atomov, prisotnih v molekuli:

Če je n = 3, je molekula trioza. Na primer: gliceraldehid.

Če je n = 5, je molekula pentoza. Na primer: riboza in deoksiriboza.

Če je n = 6, je molekula heksoza. Na primer: fruktoza, glukoza in galaktoza.

Pentoze in heksoze lahko obstajajo v dveh oblikah: ciklična in neciklična. V neciklični obliki njegove molekularne strukture kažejo dve funkcionalni skupini: aldehidno skupino ali ketonsko skupino.

Monosaharidi, ki vsebujejo aldehidno skupino, imenujemo aldoze, tisti, ki imajo ketonsko skupino, pa ketoze. Aldoze zmanjšujejo sladkorje, ketoze pa so neredukcijske sladkorje.

Vendar pa v vodi pentoze in heksoze obstajajo predvsem v ciklični obliki, in prav v tej obliki se združujejo, da tvorijo večje saharidne molekule.

- disaharidi

Večina sladkorjev, ki jih najdemo v naravi, so disaharidi. Te nastanejo s tvorbo glikozidne vezi med dvema monosaharidoma s pomočjo kondenzacijske reakcije, ki sprošča vodo. Ta postopek tvorbe vezi zahteva energijo, da se dve enozaharidni enoti držita skupaj.

Trije najpomembnejši disaharidi so saharoza, laktoza in maltoza. Nastanejo iz kondenzacije ustreznih monosaharidov. Saharoza je sladkor, ki ne zmanjšuje, laktoza in maltoza pa zmanjšujeta sladkor.

Dizaharidi so topni v vodi, vendar so biomolekule prevelike, da bi z difuzijo prečkale celično membrano. Zaradi tega se med prebavo razgradijo v tankem črevesju, tako da njihove bistvene sestavine (tj. Monosaharidi) prehajajo v kri in druge celice.

Celice zelo hitro uporabljajo monoksaharide. Če pa celica ne potrebuje energije, jo lahko takoj shrani v obliki bolj zapletenih polimerov. Tako se monosaharidi pretvorijo v disaharide s kondenzacijskimi reakcijami, ki se dogajajo v celici.

- Oligosaharidi

Oligosaharidi so vmesne molekule, ki jih sestavljajo tri do devet enostavnih enot sladkorja (monosaharidi). Nastanejo z delnim razgradnjo kompleksnejših ogljikovih hidratov (polisaharidi).

Večina naravnih oligosaharidov najdemo v rastlinah in razen maltotrioze so človek neprebavljivi, saj človeškemu telesu v tankem črevesju manjka potrebnih encimov, da bi jih razgradili.

V debelem črevesju lahko koristne bakterije razgradijo oligosaharide s fermentacijo; tako se spremenijo v absorbbilna hranila, ki zagotavljajo nekaj energije. Določeni produkti razgradnje oligosaharidov lahko ugodno vplivajo na sluznico debelega črevesa.

Primeri oligosaharidov vključujejo rafinozo, triksaharid iz stročnic in nekaj žit, sestavljenih iz glukoze, fruktoze in galaktoze. Maltotrioza, triksaharid glukoze, se pojavlja v nekaterih rastlinah in v krvi nekaterih členonožcev.

- polisaharidi

Monosaharidi lahko doživijo vrsto kondenzacijskih reakcij, ki eno eno za drugo dodajo v verigo, dokler ne nastanejo zelo velike molekule. To so polisaharidi.

Lastnosti polisaharidov so odvisne od več dejavnikov njihove molekularne strukture: dolžine, stranskih vej, pregibov in od tega, ali je veriga "ravna" ali "zvita". V naravi je več primerov polisaharidov.

Škrob se pogosto proizvaja v rastlinah kot način za shranjevanje energije in ga sestavljajo polimeri α-glukoze. Če je polimer razvejen, ga imenujemo amilopektin, če pa ni razvejen, se imenuje amiloza.

Glikogen je energijski rezervni polisaharid pri živalih in ga sestavljajo amilopektini. Tako se v telesu razgradi škrob rastlin, da nastane glukoza, ki vstopi v celico in se uporablja pri presnovi. Glukoza, ki se ne uporablja, polimerizira in tvori glikogen, zalogo energije.

Lipidi

Lipidi so druga vrsta organskih biomolekul, katerih glavna značilnost je, da so hidrofobni (odbijajo vodo) in so zato v vodi netopni. Lipide lahko glede na njihovo strukturo razvrstimo v 4 glavne skupine:

- Trigliceridi

Trigliceridi so sestavljeni iz molekule glicerola, vezane na tri verige maščobnih kislin. Maščobna kislina je linearna molekula, ki na enem koncu vsebuje karboksilno kislino, ki ji sledi ogljikovodikova veriga in na drugem koncu metilna skupina.

Maščobne kisline so lahko glede na njihovo strukturo nasičene ali nenasičene. Če ogljikovodikova veriga vsebuje samo enojne vezi, je to nasičena maščobna kislina. Če ima ogljikovodikova veriga eno ali več dvojnih vezi, je maščobna kislina nenasičena.

V to kategorijo spadajo olja in maščobe. Prve so energetska rezerva rastlin, imajo nenasičenosti in so tekoče pri sobni temperaturi. Nasprotno pa so maščobe zaloge energije živali, so nasičene in trdne molekule pri sobni temperaturi.

Fosfolipidi

Fosfolipidi so podobni trigliceridom, saj imajo molekulo glicerola, ki je vezana na dve maščobni kislini. Razlika je v tem, da imajo fosfolipidi fosfatno skupino na tretjem ogljiku glicerola, ne pa druge molekule maščobnih kislin.

Ti lipidi so zelo pomembni zaradi načina interakcije z vodo. Ker ima fosfatna skupina na enem koncu, molekula postane hidrofilna (v to regijo privabi vodo). Vendar je v preostali molekuli še vedno hidrofobna.

Zaradi svoje strukture se fosfolipidi ponavadi organizirajo tako, da so na voljo fosfatne skupine za interakcijo z vodnim medijem, medtem ko so hidrofobne verige, ki jih organizirajo znotraj, daleč od vode. Tako so fosfolipidi del vseh bioloških membran.

- Steroidi

Steroidi so sestavljeni iz štirih spojenih ogljikovih obročev, na katere so pritrjene različne funkcionalne skupine. Eden najpomembnejših je holesterol, saj je nujen za živa bitja. Je predhodnik nekaterih pomembnih hormonov, kot so estrogen, testosteron in kortizon.

- Voski

Voski so majhna skupina lipidov, ki imajo zaščitno funkcijo. Najdemo jih v listih dreves, v perju ptic, v ušesih nekaterih sesalcev in na mestih, ki jih je treba izolirati ali zaščititi pred zunanjim okoljem.

Nukleinska kislina

Nukleinske kisline so glavne prevozne molekule genske informacije v živih bitjih. Njegova glavna funkcija je usmerjanje procesa sinteze beljakovin, ki določajo dedne lastnosti vsakega živega bitja. Sestavljeni so iz atomov ogljika, vodika, kisika, dušika in fosforja.

Nukleinske kisline so polimeri, ki jih sestavljajo ponavljalci monomerov, imenovani nukleotidi. Vsak nukleotid je sestavljen iz aromatske baze, ki vsebuje dušik, in je pritrjena na pentozni sladkor (pet ogljikov), ki je vezan na fosfatno skupino.

Dva glavna razreda nukleinskih kislin sta deoksiribonukleinska kislina (DNK) in ribonukleinska kislina (RNA). DNK je molekula, ki vsebuje vse informacije vrste, zato je prisotna pri vseh živih bitjih in v večini virusov.

RNA je genetski material nekaterih virusov, vendar ga najdemo tudi v vseh živih celicah. Tam opravlja pomembne funkcije v določenih procesih, na primer pri proizvodnji beljakovin.

Vsaka nukleinska kislina vsebuje štiri od petih možnih baz, ki vsebujejo dušik: adenin (A), gvanin (G), citozin (C), timin (T) in uracil (U). DNK ima baze adenin, gvanin, citozin in timin, medtem ko ima RNA enake baze, razen za timin, ki je v RNK nadomeščen z uracilom.

- deoksiribonukleinska kislina (DNK)

Molekula DNK je sestavljena iz dveh verig nukleotidov, ki ju povezujejo vezi, imenovane fosfodiesterske vezi. Vsaka veriga ima strukturo v obliki vijačnice. Obe vijačnici se prepletata, da dobita dvojno vijačnico. Podnožja so na notranji strani vijačnice, fosfatne skupine pa na zunanji strani.

DNA je sestavljena iz hrbtenice sladkorja, ki je vezana s fosfatom, in štiri dušikove baze: adenin, gvanin, citozin in timin. Osnovni pari so oblikovani v dvoverižni DNK: adenin se vedno veže na timin (AT), gvanin pa na citozin (GC).

Dve vijaki sta združeni s pariranjem nukleotidnih baz z vodikovo vezjo. Zgradba je včasih opisana kot lestev, kjer sta sladkorna in fosfatna veriga strani, osnovna in osnovna vez pa sta prečka.

Ta zgradba skupaj s kemijsko stabilnostjo molekule naredi DNK idealen material za prenos genetskih informacij. Ko se celica deli, se njen DNK kopira in prenaša iz ene generacije v drugo generacijo.

- ribonukleinska kislina (RNA)

RNK je polimer nukleinske kisline, katerega struktura je sestavljena iz ene same nukleotidne verige: adenina, citozina, gvanina in uracila. Tako kot v DNK se tudi citozin veže na gvanin (CG), adenin pa se veže na uracil (AU).

Je prvi posrednik pri prenosu genetskih informacij v celicah. RNA je bistvenega pomena za sintezo beljakovin, saj se informacije, ki jih vsebuje genetski zapis, na splošno prenašajo iz DNK v RNK in iz tega v beljakovine.

Nekatere RNK imajo tudi neposredne funkcije pri celični presnovi. RNA dobimo s kopiranjem osnovnega zaporedja segmenta DNK, imenovanega gen, na del enoverižne nukleinske kisline. Ta postopek, imenovan transkripcija, katalizira encim, imenovan RNA polimeraza.

Obstaja več različnih vrst RNA, v glavnem jih je 3. Prva je messenger RNA, ki je tista, ki se preko transkripcije prekopira direktno iz DNK. Druga vrsta je prenosna RNA, ki je tista, ki prenaša pravilne aminokisline za sintezo beljakovin.

Končno je drugi razred RNA ribosomska RNA, ki skupaj z nekaterimi beljakovinami tvori ribosome, celične organele, odgovorne za sintezo vseh beljakovin v celici.

Beljakovine

Beljakovine so velike, zapletene molekule, ki opravljajo številne pomembne funkcije in večino dela opravljajo v celicah. Potrebni so za zgradbo, delovanje in regulacijo živih bitij. Sestavljajo jih atomi ogljika, vodika, kisika in dušika.

Beljakovine sestavljajo manjše enote, imenovane aminokisline, ki jih med seboj povezujejo peptidne vezi in tvorijo dolge verige. Aminokisline so majhne organske molekule z zelo posebnimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi, obstaja 20 različnih vrst.

Zaporedje aminokislin določa edinstveno tridimenzionalno strukturo vsakega proteina in njegovo specifično funkcijo. Dejansko so funkcije posameznih proteinov tako raznolike kot njihove edinstvene aminokislinske sekvence, ki določajo interakcije, ki ustvarjajo zapletene tridimenzionalne strukture.

Različne funkcije

Proteini so lahko strukturni in gibalni sestavni deli celice, kot je aktin. Drugi delujejo tako, da pospešijo biokemične reakcije v celici, na primer DNK polimerazo, ki je encim, ki sintetizira DNK.

Obstajajo še drugi proteini, katerih funkcija je, da telesu prenašajo pomembno sporočilo. Na primer, nekatere vrste hormonov, kot so rastni hormoni, oddajajo signale za usklajevanje bioloških procesov med različnimi celicami, tkivi in ​​organi.

Nekateri proteini se vežejo skupaj in nosijo atome (ali majhne molekule) znotraj celic; takšen je primer feritina, ki je odgovoren za shranjevanje železa v nekaterih organizmih. Druga skupina pomembnih beljakovin so protitelesa, ki pripadajo imunskemu sistemu in so odgovorna za odkrivanje toksinov in patogenov.

Tako so beljakovine končni produkti procesa dekodiranja genske informacije, ki se začne s celično DNK. Ta neverjetna raznolikost funkcij izhaja iz presenetljivo preproste kode, ki je sposobna določiti izjemno raznolik nabor struktur.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molekularna biologija celice (6. izd.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokemija (8. izd.). WH Freeman in družba.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologija (2. izd.) Pearsonova vzgoja.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molekularna celična biologija (8. izd.). WH Freeman in družba.
5. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologija (7. izd.) Cengage Learning.
6. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Osnove biokemije: življenje na molekularni ravni (5. izd.). Wiley.