БИОМОЛЕКУЛЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

Эти биомолекулы представляют собой молекулы, которые образуются в живых существ. Приставка «био» означает жизнь; следовательно, биомолекула - это молекула, производимая живым существом. Живые существа состоят из различных типов молекул, которые выполняют различные функции, необходимые для жизни.

В природе существуют биотические (живые) и абиотические (неживые) системы, которые взаимодействуют, а в некоторых случаях обмениваются элементами. Одной из общих черт всех живых существ является то, что они являются органическими, а это означает, что составляющие их молекулы состоят из атомов углерода.

Помимо углерода биомолекулы имеют и другие общие атомы. Эти атомы включают в основном водород, кислород, азот, фосфор и серу. Эти элементы также называют биоэлементами, потому что они являются основным компонентом биологических молекул.

Однако есть и другие атомы, которые также присутствуют в некоторых биомолекулах, хотя и в меньших количествах. Как правило, это ионы металлов, например, калия, натрия, железа и магния. Следовательно, биомолекулы могут быть двух типов: органические и неорганические.

Таким образом, организмы состоят из многих типов молекул на основе углерода, например: сахаров, жиров, белков и нуклеиновых кислот. Однако есть и другие соединения, которые также имеют углеродную основу и не входят в состав биомолекул.

Эти углеродсодержащие молекулы, которых нет в биологических системах, можно найти в земной коре, в озерах, морях и океанах, а также в атмосфере. Движение этих элементов в природе описывается так называемыми биогеохимическими циклами.

Считается, что эти простые органические молекулы, встречающиеся в природе, породили самые сложные биомолекулы, которые являются частью фундаментальной структуры жизни: клетки. Это то, что известно как теория абиотического синтеза.

Классификация и функции биомолекул

Биомолекулы разнообразны по размеру и структуре, что придает им уникальные характеристики для выполнения различных функций, необходимых для жизни. Таким образом, биомолекулы действуют как хранилище информации, источник энергии, поддержка клеточного метаболизма, среди прочего.

Биомолекулы можно разделить на две большие группы в зависимости от наличия или отсутствия атомов углерода.

Неорганические биомолекулы

Это все те молекулы, которые присутствуют в живых существах и не содержат углерода в своей молекулярной структуре. Неорганические молекулы также можно найти в других (неживых) системах в природе.

Типы неорганических биомолекул следующие:

вода

Это главный и фундаментальный компонент живых существ, это молекула, образованная атомом кислорода, связанным с двумя атомами водорода. Вода необходима для существования жизни и является наиболее распространенной биомолекулой.

От 50 до 95% веса любого живого существа составляет вода, поскольку она необходима для выполнения нескольких важных функций, таких как регулирование температуры и транспортировка веществ.

Минеральные соли

Это простые молекулы, состоящие из противоположно заряженных атомов, которые полностью разделяются в воде. Например: хлорид натрия, состоящий из атома хлора (заряженный отрицательно) и атом натрия (заряженный положительно).

Минеральные соли участвуют в образовании жестких структур, таких как кости позвоночных или экзоскелет беспозвоночных. Эти неорганические биомолекулы также необходимы для выполнения многих важных клеточных функций.

газов

Это молекулы в форме газа. Они необходимы для дыхания животных и фотосинтеза растений.

Примеры этих газов: молекулярный кислород, состоящий из двух связанных вместе атомов кислорода; и диоксид углерода, состоящий из атома углерода, связанного с двумя атомами кислорода. Обе биомолекулы участвуют в газообмене, который живые существа осуществляют с окружающей средой.

Органические биомолекулы

Органические биомолекулы - это те молекулы, которые содержат в своей структуре атомы углерода. Органические молекулы также могут быть обнаружены распределенными в природе как часть неживых систем, и они составляют то, что известно как биомасса.

Типы органических биомолекул следующие:

углеводы

Углеводы, вероятно, являются наиболее распространенными и распространенными органическими веществами в природе, и они являются важными компонентами всего живого.

Углеводы производятся зелеными растениями из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза.

Эти биомолекулы состоят в основном из атомов углерода, водорода и кислорода. Они также известны как углеводы или сахариды и функционируют как источники энергии и как структурные компоненты организмов.

- Моносахариды

Моносахариды - это простейшие углеводы, которые часто называют простыми сахарами. Они являются элементарными строительными блоками, из которых образуются самые большие углеводы.

Моносахариды имеют общую молекулярную формулу (CH2O) n, где n может быть 3, 5 или 6. Таким образом, моносахариды можно классифицировать по количеству атомов углерода, присутствующих в молекуле:

Если n = 3, молекула представляет собой триозу. Например: глицеральдегид.

Если n = 5, молекула пентоза. Например: рибоза и дезоксирибоза.

Если n = 6, молекула представляет собой гексозу. Например: фруктоза, глюкоза и галактоза.

Пентозы и гексозы могут существовать в двух формах: циклических и нециклических. В нециклической форме его молекулярные структуры содержат две функциональные группы: альдегидную группу или кетонную группу.

Моносахариды, содержащие альдегидную группу, называются альдозами, а те, которые имеют кетоновую группу, называются кетозами. Альдозы восстанавливают сахар, а кетозы - невосстанавливающие сахара.

Однако в воде пентозы и гексозы существуют в основном в циклической форме, и именно в этой форме они объединяются с образованием более крупных молекул сахаридов.

- Дисахариды

Большинство сахаров, встречающихся в природе, являются дисахаридами. Они образуются путем образования гликозидной связи между двумя моносахаридами в результате реакции конденсации, в результате которой выделяется вода. Этот процесс образования связи требует энергии для удержания двух моносахаридных единиц вместе.

Три наиболее важных дисахарида - это сахароза, лактоза и мальтоза. Они образуются в результате конденсации соответствующих моносахаридов. Сахароза - это невосстанавливающий сахар, а лактоза и мальтоза - восстанавливающие сахара.

Дисахариды растворимы в воде, но представляют собой биомолекулы, которые слишком велики, чтобы проникнуть через клеточную мембрану путем диффузии. По этой причине они расщепляются в тонком кишечнике во время пищеварения, так что их основные компоненты (то есть моносахариды) переходят в кровь и другие клетки.

Моносахариды очень быстро используются клетками. Однако, если клетке не нужна энергия, она может немедленно накапливать ее в виде более сложных полимеров. Таким образом, моносахариды превращаются в дисахариды в результате реакций конденсации, которые происходят в клетке.

- Олигосахариды

Олигосахариды - это промежуточные молекулы, состоящие из трех-девяти простых сахарных единиц (моносахаридов). Они образуются при частичном расщеплении более сложных углеводов (полисахаридов).

Большинство встречающихся в природе олигосахаридов содержится в растениях и, за исключением мальтотриозы, не перевариваются людьми, потому что человеческому организму не хватает ферментов, необходимых для их расщепления в тонкой кишке.

В толстом кишечнике полезные бактерии могут расщеплять олигосахариды путем ферментации; таким образом они превращаются в усваиваемые питательные вещества, которые обеспечивают некоторую энергию. Некоторые продукты распада олигосахаридов могут благотворно влиять на слизистую оболочку толстой кишки.

Примеры олигосахаридов включают рафинозу, трисахарид из бобовых культур и некоторые злаки, состоящие из глюкозы, фруктозы и галактозы. Мальтотриоза, трисахарид глюкозы, содержится в некоторых растениях и в крови некоторых членистоногих.

- полисахариды

Моносахариды могут претерпевать серию реакций конденсации, добавляя одну единицу за другой к цепи, пока не образуются очень большие молекулы. Это полисахариды.

Свойства полисахаридов зависят от нескольких факторов их молекулярной структуры: длины, боковых ответвлений, складок и того, является ли цепь «прямой» или «спиральной». В природе существует несколько примеров полисахаридов.

Крахмал часто вырабатывается растениями как способ хранения энергии, и он состоит из полимеров α-глюкозы. Если полимер разветвленный, он называется амилопектин, а если он не разветвленный, он называется амилозой.

Гликоген является полисахаридом запаса энергии у животных и состоит из амилопектинов. Таким образом, крахмал растений расщепляется в организме с образованием глюкозы, которая попадает в клетку и используется в обмене веществ. Глюкоза, которая не используется, полимеризуется и образует гликоген, запас энергии.

Липиды

Липиды - это еще один тип органических биомолекул, основная характеристика которых состоит в том, что они гидрофобны (отталкивают воду) и, следовательно, нерастворимы в воде. В зависимости от структуры липиды можно разделить на 4 основные группы:

- триглицериды

Триглицериды состоят из молекулы глицерина, присоединенной к трем цепям жирных кислот. Жирная кислота - это линейная молекула, которая содержит карбоновую кислоту на одном конце, за которой следуют углеводородная цепь и метильная группа на другом конце.

В зависимости от структуры жирные кислоты могут быть насыщенными или ненасыщенными. Если углеводородная цепь содержит только одинарные связи, это насыщенная жирная кислота. И наоборот, если эта углеводородная цепь имеет одну или несколько двойных связей, жирная кислота является ненасыщенной.

В эту категорию входят масла и жиры. Первые являются запасом энергии растений, имеют ненасыщенность и жидкие при комнатной температуре. Напротив, жиры являются запасами энергии животных, они представляют собой насыщенные и твердые молекулы при комнатной температуре.

Фосфолипиды

Фосфолипиды похожи на триглицериды в том, что они имеют молекулу глицерина, присоединенную к двум жирным кислотам. Разница в том, что фосфолипиды имеют фосфатную группу на третьем углероде глицерина, а не другую молекулу жирной кислоты.

Эти липиды очень важны из-за того, что они могут взаимодействовать с водой. Имея фосфатную группу на одном конце, молекула становится гидрофильной (притягивает воду) в этой области. Однако остальная часть молекулы остается гидрофобной.

Из-за своей структуры фосфолипиды имеют тенденцию организовываться таким образом, что фосфатные группы доступны для взаимодействия с водной средой, в то время как гидрофобные цепи, которые они организуют внутри, находятся далеко от воды. Таким образом, фосфолипиды входят в состав всех биологических мембран.

- стероиды

Стероиды состоят из четырех конденсированных углеродных колец, к которым присоединены различные функциональные группы. Один из самых важных - холестерин, так как он необходим для живых существ. Это предшественник некоторых важных гормонов, таких как эстроген, тестостерон и кортизон, среди других.

- воски

Воски - это небольшая группа липидов, выполняющих защитную функцию. Они обнаруживаются в листьях деревьев, в перьях птиц, в ушах некоторых млекопитающих и в местах, которые необходимо изолировать или защитить от внешней среды.

Нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты являются основными переносчиками генетической информации у живых существ. Его основная функция - управлять процессом синтеза белка, который определяет унаследованные характеристики каждого живого существа. Они состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора.

Нуклеиновые кислоты - это полимеры, состоящие из повторов мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из азотсодержащего ароматического основания, присоединенного к пентозному сахару (пять атомов углерода), которое, в свою очередь, присоединено к фосфатной группе.

Двумя основными классами нуклеиновых кислот являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК - это молекула, которая содержит всю информацию о виде, поэтому она присутствует во всех живых существах и в большинстве вирусов.

РНК - это генетический материал некоторых вирусов, но она также присутствует во всех живых клетках. Там он выполняет важные функции в определенных процессах, таких как производство белков.

Каждая нуклеиновая кислота содержит четыре из пяти возможных азотсодержащих оснований: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C), тимин (T) и урацил (U). ДНК имеет основания аденин, гуанин, цитозин и тимин, в то время как РНК имеет те же основания, за исключением тимина, который заменяет урацил в РНК.

- дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

Молекула ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, соединенных связями, называемыми фосфодиэфирными связями. Каждая цепочка имеет спиралевидную структуру. Две спирали переплетаются, образуя двойную спираль. Основания находятся внутри спирали, а фосфатные группы - снаружи.

ДНК состоит из фосфатно-связанной сахарной основы дезоксирибозы и четырех азотистых оснований: аденина, гуанина, цитозина и тимина. Пары оснований образуются в двухцепочечной ДНК: аденин всегда связывается с тимином (AT), а гуанин - с цитозином (GC).

Две спирали удерживаются вместе за счет спаривания нуклеотидных оснований водородными связями. Структуру иногда описывают как лестницу, где сахарные и фосфатные цепи являются сторонами, а связи основание-основание - ступенями.

Эта структура вместе с химической стабильностью молекулы делает ДНК идеальным материалом для передачи генетической информации. Когда клетка делится, ее ДНК копируется и передается от одного поколения клеток к следующему поколению.

- Рибонуклеиновая кислота (РНК)

РНК представляет собой полимер нуклеиновой кислоты, структура которого состоит из одной нуклеотидной цепи: аденина, цитозина, гуанина и урацила. Как и в ДНК, цитозин всегда связывается с гуанином (CG), но аденин связывается с урацилом (AU).

Это первый посредник в передаче генетической информации в клетках. РНК необходима для синтеза белка, поскольку информация, содержащаяся в генетическом коде, обычно передается от ДНК к РНК, а от нее к белкам.

Некоторые РНК также выполняют прямые функции в метаболизме клеток. РНК получают путем копирования последовательности оснований сегмента ДНК, называемого геном, на часть одноцепочечной нуклеиновой кислоты. Этот процесс, называемый транскрипцией, катализируется ферментом, называемым РНК-полимеразой.

Существует несколько различных типов РНК, в основном их 3. Первый - это информационная РНК, которая копируется непосредственно из ДНК посредством транскрипции. Второй тип - это транспортная РНК, которая переносит правильные аминокислоты для синтеза белка.

Наконец, другой класс РНК - это рибосомная РНК, которая вместе с некоторыми белками образует рибосомы, клеточные органеллы, ответственные за синтез всех белков в клетке.

белка

Белки - это большие сложные молекулы, которые выполняют множество важных функций и большую часть работы в клетках. Они необходимы для строения, функционирования и регулирования живых существ. Они состоят из атомов углерода, водорода, кислорода и азота.

Белки состоят из более мелких единиц, называемых аминокислотами, связанных вместе пептидными связями и образующих длинные цепи. Аминокислоты - это небольшие органические молекулы с очень особыми физико-химическими свойствами, их 20 различных типов.

Аминокислотная последовательность определяет уникальную трехмерную структуру каждого белка и его конкретную функцию. Фактически, функции отдельных белков столь же разнообразны, как и их уникальные аминокислотные последовательности, которые определяют взаимодействия, которые создают сложные трехмерные структуры.

Различные функции

Белки могут быть структурными и двигательными компонентами клетки, такими как актин. Другие работают, ускоряя биохимические реакции внутри клетки, например ДНК-полимераза, которая является ферментом, синтезирующим ДНК.

Есть и другие белки, функция которых заключается в передаче телу важных сообщений. Например, некоторые типы гормонов, такие как гормоны роста, передают сигналы для координации биологических процессов между различными клетками, тканями и органами.

Некоторые белки связываются вместе и несут атомы (или небольшие молекулы) внутри клеток; Так обстоит дело с ферритином, который отвечает за хранение железа в некоторых организмах. Еще одна группа важных белков - это антитела, которые принадлежат иммунной системе и отвечают за обнаружение токсинов и патогенов.

Таким образом, белки являются конечными продуктами процесса декодирования генетической информации, который начинается с клеточной ДНК. Это невероятное разнообразие функций происходит из удивительно простого кода, способного определять чрезвычайно разнообразный набор структур.

Ссылки

1. Альбертс, Б., Джонсон, А., Льюис, Дж., Морган, Д., Рафф, М., Робертс, К., Уолтер, П. (2014). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Наука о гирляндах.
2. Берг, Дж., Тимочко, Дж., Гатто, Г., Страйер, Л. (2015). Биохимия (8-е изд.). WH Freeman and Company.
3. Кэмпбелл, Н. и Рис, Дж. (2005). Биология (2-е изд.) Pearson Education.
4. Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, К., Кригер, М., Бретчер, А., Плоег, Х., Амон, А. и Мартин, К. (2016). Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). WH Freeman and Company.
5. Соломон, Э., Берг, Л., Мартин, Д. (2004). Биология (7-е изд.) Cengage Learning.
6. Воет Д., Воет Дж. И Пратт К. (2016). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (5-е изд.). Wiley.