BIOMOLEKUŁY: KLASYFIKACJA I GŁÓWNE FUNKCJE - BIOLOGIA - 2026

W biomolekuł są cząsteczkami, które są generowane w istotach żywych. Przedrostek „bio” oznacza życie; dlatego biocząsteczka jest cząsteczką wytwarzaną przez żywą istotę. Istoty żywe składają się z różnych rodzajów cząsteczek, które pełnią różne funkcje niezbędne do życia.

W naturze istnieją systemy biotyczne (żywe) i abiotyczne (nieożywione), które oddziałują ze sobą, a w niektórych przypadkach wymieniają elementy. Cechą wspólną wszystkich żywych istot jest to, że są organiczne, co oznacza, że ​​ich cząsteczki składowe składają się z atomów węgla.

Biomolekuły mają również inne wspólne atomy oprócz węgla. Atomy te obejmują głównie wodór, tlen, azot, fosfor i siarkę. Pierwiastki te nazywane są również biopierwiastkami, ponieważ są głównym składnikiem cząsteczek biologicznych.

Istnieją jednak inne atomy, które są również obecne w niektórych biomolekułach, chociaż w mniejszych ilościach. Są to na ogół jony metali, takie jak między innymi potas, sód, żelazo i magnez. W konsekwencji biocząsteczki mogą być dwojakiego rodzaju: organiczne lub nieorganiczne.

Tak więc organizmy składają się z wielu rodzajów cząsteczek opartych na węglu, na przykład: cukry, tłuszcze, białka i kwasy nukleinowe. Istnieją jednak inne związki, które również są oparte na węglu i nie są częścią biocząsteczek.

Te zawierające węgiel cząsteczki, których nie ma w systemach biologicznych, można znaleźć w skorupie ziemskiej, w jeziorach, morzach i oceanach oraz w atmosferze. Ruch tych pierwiastków w przyrodzie jest opisany w tak zwanych cyklach biogeochemicznych.

Uważa się, że te proste cząsteczki organiczne występujące w naturze były tymi, które dały początek najbardziej złożonym biomolekułom, które są częścią podstawowej struktury życia: komórki. To właśnie jest znane jako teoria syntezy abiotycznej.

Klasyfikacja i funkcje biocząsteczek

Biomolekuły są zróżnicowane pod względem wielkości i struktury, co nadaje im unikalne cechy umożliwiające wykonywanie różnych funkcji niezbędnych do życia. W ten sposób biocząsteczki działają między innymi jako magazyn informacji, źródło energii, wsparcie, metabolizm komórkowy.

Biomolekuły można podzielić na dwie duże grupy na podstawie obecności lub braku atomów węgla.

Nieorganiczne biocząsteczki

Są to wszystkie te cząsteczki, które są obecne w żywych istotach i które nie zawierają węgla w swojej strukturze molekularnej. Cząsteczki nieorganiczne można również znaleźć w innych (nieożywionych) układach w przyrodzie.

Rodzaje nieorganicznych biocząsteczek są następujące:

woda

Jest głównym i podstawowym składnikiem istot żywych, jest cząsteczką utworzoną przez atom tlenu połączony z dwoma atomami wodoru. Woda jest niezbędna do życia i jest najpowszechniejszą biomolekułą.

Od 50 do 95% wagi każdej żywej istoty stanowi woda, ponieważ konieczne jest spełnienie kilku ważnych funkcji, takich jak regulacja termiczna i transport substancji.

Sole mineralne

Są to proste cząsteczki zbudowane z przeciwnie naładowanych atomów, które całkowicie rozdzielają się w wodzie. Na przykład: chlorek sodu złożony z atomu chloru (naładowany ujemnie) i atomu sodu (naładowany dodatnio).

Sole mineralne biorą udział w tworzeniu sztywnych struktur, takich jak kości kręgowców czy egzoszkielet bezkręgowców. Te nieorganiczne biocząsteczki są również niezbędne do wykonywania wielu ważnych funkcji komórkowych.

Gazy

Są to cząsteczki w postaci gazu. Są niezbędne do oddychania zwierząt i fotosyntezy u roślin.

Przykładami takich gazów są: tlen cząsteczkowy, złożony z dwóch połączonych ze sobą atomów tlenu; i dwutlenek węgla, składający się z atomu węgla związanego z dwoma atomami tlenu. Obie biomolekuły uczestniczą w wymianie gazowej, którą żywe istoty dokonują ze swoim otoczeniem.

Biomolekuły organiczne

Biomolekuły organiczne to te cząsteczki, które zawierają w swojej strukturze atomy węgla. Cząsteczki organiczne można również znaleźć w przyrodzie jako część układów nieożywionych i stanowią one tak zwaną biomasę.

Rodzaje organicznych biomolekuł są następujące:

Węglowodany

Węglowodany są prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnionymi w przyrodzie substancjami organicznymi i są niezbędnymi składnikami wszystkich żywych istot.

Węglowodany są produkowane przez rośliny zielone z dwutlenku węgla i wody podczas procesu fotosyntezy.

Te biocząsteczki składają się głównie z atomów węgla, wodoru i tlenu. Nazywane są również węglowodanami lub sacharydami i pełnią funkcję źródeł energii oraz elementów strukturalnych organizmów.

- Monosacharydy

Monosacharydy to najprostsze węglowodany i często nazywane są cukrami prostymi. Są elementarnym budulcem, z którego powstają wszystkie największe węglowodany.

Monosacharydy mają ogólny wzór cząsteczkowy (CH2O) n, gdzie n może wynosić 3, 5 lub 6. Zatem monosacharydy można sklasyfikować według liczby atomów węgla obecnych w cząsteczce:

Jeśli n = 3, cząsteczka jest triozy. Na przykład: gliceraldehyd.

Jeśli n = 5, cząsteczką jest pentoza. Na przykład: ryboza i dezoksyryboza.

Jeśli n = 6, cząsteczką jest heksoza. Na przykład: fruktoza, glukoza i galaktoza.

Pentozy i heksozy mogą występować w dwóch formach: cyklicznej i niecyklicznej. W postaci niecyklicznej jego struktura molekularna zawiera dwie grupy funkcyjne: grupę aldehydową lub grupę ketonową.

Monosacharydy, które zawierają grupę aldehydową, nazywane są aldozami, a te, które mają grupę ketonową, nazywane są ketozami. Aldozy to cukry redukujące, podczas gdy ketozy to cukry nieredukujące.

Jednak w wodzie pentozy i heksozy występują głównie w postaci cyklicznej i to w tej postaci łączą się, tworząc większe cząsteczki sacharydów.

- Disacharydy

Większość cukrów występujących w naturze to disacharydy. Są one tworzone przez tworzenie wiązania glikozydowego między dwoma monosacharydami w wyniku reakcji kondensacji, która uwalnia wodę. Ten proces tworzenia wiązania wymaga energii do utrzymania razem dwóch jednostek monosacharydowych.

Trzy najważniejsze disacharydy to sacharoza, laktoza i maltoza. Powstają w wyniku kondensacji odpowiednich monosacharydów. Sacharoza jest cukrem nieredukującym, podczas gdy laktoza i maltoza są cukrami redukującymi.

Disacharydy są rozpuszczalne w wodzie, ale są to biocząsteczki, które są zbyt duże, aby przeniknąć przez błonę komórkową na drodze dyfuzji. Z tego powodu są rozkładane w jelicie cienkim podczas trawienia, dzięki czemu ich podstawowe składniki (tj. Cukry proste) przedostają się do krwi i innych komórek.

Monosacharydy są bardzo szybko wykorzystywane przez komórki. Jeśli jednak komórka nie potrzebuje energii, może natychmiast ją zmagazynować w postaci bardziej złożonych polimerów. W ten sposób monosacharydy są przekształcane w disacharydy w wyniku reakcji kondensacji, które zachodzą w komórce.

- Oligosacharydy

Oligosacharydy to cząsteczki pośrednie złożone z trzech do dziewięciu jednostek cukru prostego (monosacharydów). Powstają w wyniku częściowego rozkładu bardziej złożonych węglowodanów (polisacharydów).

Większość naturalnych oligosacharydów znajduje się w roślinach i, z wyjątkiem maltotriozy, są one niestrawne przez ludzi, ponieważ organizmowi ludzkiemu brakuje niezbędnych enzymów w jelicie cienkim do ich rozkładu.

W jelicie grubym pożyteczne bakterie mogą rozkładać oligosacharydy na drodze fermentacji; w ten sposób są przekształcane w przyswajalne składniki odżywcze, które dostarczają trochę energii. Niektóre produkty rozkładu oligosacharydów mogą mieć korzystny wpływ na wyściółkę jelita grubego.

Przykłady oligosacharydów obejmują rafinozę, trisacharyd z roślin strączkowych i niektóre zboża złożone z glukozy, fruktozy i galaktozy. Maltotrioza, trisacharyd glukozy, występuje w niektórych roślinach i we krwi niektórych stawonogów.

- Polisacharydy

Monosacharydy mogą podlegać serii reakcji kondensacji, dodając jedną jednostkę po drugiej do łańcucha, aż do powstania bardzo dużych cząsteczek. To są polisacharydy.

Właściwości polisacharydów zależą od kilku czynników ich struktury molekularnej: długości, rozgałęzień bocznych, fałd oraz tego, czy łańcuch jest „prosty” czy „zwinięty”. W naturze występuje kilka przykładów polisacharydów.

Skrobia jest często wytwarzana w roślinach jako sposób na magazynowanie energii i składa się z polimerów α-glukozy. Jeśli polimer jest rozgałęziony, nazywa się go amylopektyną, a jeśli nie jest rozgałęziony, nazywa się amylozą.

Glikogen jest polisacharydem stanowiącym rezerwę energii u zwierząt i składa się z amylopektyn. W ten sposób skrobia roślin jest rozkładana w organizmie do produkcji glukozy, która dostaje się do komórki i jest wykorzystywana w metabolizmie. Niewykorzystana glukoza polimeryzuje i tworzy glikogen, magazyn energii.

Lipidy

Lipidy to kolejny rodzaj organicznych biocząsteczek, których główną cechą jest to, że są hydrofobowe (odpychają wodę), a tym samym są nierozpuszczalne w wodzie. W zależności od struktury lipidy można podzielić na 4 główne grupy:

- Trójglicerydy

Triglicerydy składają się z cząsteczki glicerolu przyłączonej do trzech łańcuchów kwasów tłuszczowych. Kwas tłuszczowy to liniowa cząsteczka zawierająca na jednym końcu kwas karboksylowy, po którym następuje łańcuch węglowodorowy i grupa metylowa na drugim końcu.

W zależności od struktury kwasy tłuszczowe mogą być nasycone lub nienasycone. Jeśli łańcuch węglowodorowy zawiera tylko pojedyncze wiązania, jest to nasycony kwas tłuszczowy. I odwrotnie, jeśli ten łańcuch węglowodorowy ma jedno lub więcej wiązań podwójnych, kwas tłuszczowy jest nienasycony.

W tej kategorii znajdują się oleje i tłuszcze. Te pierwsze stanowią rezerwę energetyczną roślin, mają nienasycenie i są płynne w temperaturze pokojowej. Natomiast tłuszcze są magazynami energii zwierząt, są to nasycone i stałe cząsteczki w temperaturze pokojowej.

Fosfolipidy

Fosfolipidy są podobne do trójglicerydów, ponieważ mają cząsteczkę glicerolu przyłączoną do dwóch kwasów tłuszczowych. Różnica polega na tym, że fosfolipidy mają grupę fosforanową na trzecim atomie węgla glicerolu, a nie inną cząsteczkę kwasu tłuszczowego.

Te lipidy są bardzo ważne ze względu na sposób, w jaki mogą oddziaływać z wodą. Mając grupę fosforanową na jednym końcu, cząsteczka staje się hydrofilowa (przyciąga wodę) w tym regionie. Jednak reszta cząsteczki jest nadal hydrofobowa.

Ze względu na swoją strukturę fosfolipidy mają tendencję do organizowania się w taki sposób, że grupy fosforanowe są dostępne do interakcji z ośrodkiem wodnym, podczas gdy hydrofobowe łańcuchy, które organizują wewnątrz, są daleko od wody. Zatem fosfolipidy są częścią wszystkich błon biologicznych.

- Sterydy

Steroidy składają się z czterech skondensowanych pierścieni węglowych, do których przyłączone są różne grupy funkcyjne. Jednym z najważniejszych jest cholesterol, ponieważ jest niezbędny dla istot żywych. Jest prekursorem niektórych ważnych hormonów, takich jak między innymi estrogen, testosteron i kortyzon.

- woski

Woski to niewielka grupa lipidów, które pełnią funkcję ochronną. Występują w liściach drzew, piórach ptaków, uszach niektórych ssaków oraz w miejscach, które wymagają izolacji lub ochrony przed środowiskiem zewnętrznym.

Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe są głównymi cząsteczkami transportującymi informację genetyczną u istot żywych. Jego główną funkcją jest kierowanie procesem syntezy białek, które determinują odziedziczone cechy każdej żywej istoty. Składają się z atomów węgla, wodoru, tlenu, azotu i fosforu.

Kwasy nukleinowe to polimery zbudowane z powtórzeń monomerów, zwanych nukleotydami. Każdy nukleotyd składa się z aromatycznej zasady zawierającej azot przyłączonej do cukru pentozowego (pięć atomów węgla), który z kolei jest przyłączony do grupy fosforanowej.

Dwie główne klasy kwasów nukleinowych to kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). DNA to cząsteczka zawierająca wszystkie informacje o gatunku, dlatego jest obecna we wszystkich żywych istotach i większości wirusów.

RNA jest materiałem genetycznym niektórych wirusów, ale występuje również we wszystkich żywych komórkach. Tam pełni ważne funkcje w niektórych procesach, takich jak produkcja białek.

Każdy kwas nukleinowy zawiera cztery z pięciu możliwych zasad zawierających azot: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C), tyminę (T) i uracyl (U). DNA zawiera adeninę, guaninę, cytozynę i tyminę, podczas gdy RNA ma te same zasady, z wyjątkiem tyminy, która zastępuje uracyl w RNA.

- Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA)

Cząsteczka DNA składa się z dwóch łańcuchów nukleotydów połączonych wiązaniami zwanymi wiązaniami fosfodiestrowymi. Każdy łańcuch ma strukturę w kształcie helisy. Dwie helisy przeplatają się, tworząc podwójną helisę. Zasady znajdują się wewnątrz helisy, a grupy fosforanowe na zewnątrz.

DNA składa się ze szkieletu cukrowego dezoksyrybozy związanego z fosforanem i czterech zasad azotowych: adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy. Pary zasad powstają w dwuniciowym DNA: adenina zawsze wiąże się z tyminą (AT), a guanina z cytozyną (GC).

Dwie helisy są utrzymywane razem przez parowanie zasad nukleotydów przez wiązanie wodorowe. Struktura jest czasami opisywana jako drabina, w której łańcuchy cukrowe i fosforanowe są bokami, a wiązania zasada-podstawa to szczeble.

Ta struktura, wraz ze stabilnością chemiczną cząsteczki, sprawia, że ​​DNA jest idealnym materiałem do przekazywania informacji genetycznej. Kiedy komórka dzieli się, jej DNA jest kopiowane i przekazywane z jednego pokolenia komórek do następnego.

- kwas rybonukleinowy (RNA)

RNA to polimer kwasu nukleinowego, którego struktura składa się z pojedynczego łańcucha nukleotydowego: adeniny, cytozyny, guaniny i uracylu. Podobnie jak w DNA, cytozyna zawsze wiąże się z guaniną (CG), natomiast adenina wiąże się z uracylem (AU).

Jest pierwszym pośrednikiem w przekazywaniu informacji genetycznej w komórkach. RNA jest niezbędne do syntezy białek, ponieważ informacje zawarte w kodzie genetycznym są na ogół przekazywane z DNA do RNA, a stamtąd do białek.

Niektóre RNA pełnią również bezpośrednie funkcje w metabolizmie komórki. RNA uzyskuje się poprzez skopiowanie sekwencji zasad segmentu DNA zwanego genem na część jednoniciowego kwasu nukleinowego. Ten proces, zwany transkrypcją, jest katalizowany przez enzym zwany polimerazą RNA.

Istnieje kilka różnych typów RNA, głównie 3. Pierwszym jest informacyjny RNA, który jest kopiowany bezpośrednio z DNA poprzez transkrypcję. Drugi typ to transferowy RNA, który przenosi prawidłowe aminokwasy do syntezy białek.

Wreszcie drugą klasą RNA jest rybosomalny RNA, który wraz z niektórymi białkami tworzy rybosomy, organelle komórkowe odpowiedzialne za syntezę wszystkich białek w komórce.

Białko

Białka to duże, złożone cząsteczki, które pełnią wiele ważnych funkcji i wykonują większość pracy w komórkach. Są niezbędne do budowy, funkcji i regulacji istot żywych. Składają się z atomów węgla, wodoru, tlenu i azotu.

Białka składają się z mniejszych jednostek zwanych aminokwasami, połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi i tworzącymi długie łańcuchy. Aminokwasy to małe cząsteczki organiczne o bardzo szczególnych właściwościach fizykochemicznych, jest ich 20 różnych typów.

Sekwencja aminokwasów określa unikalną trójwymiarową strukturę każdego białka i jego specyficzną funkcję. W rzeczywistości funkcje poszczególnych białek są tak zróżnicowane, jak ich unikalne sekwencje aminokwasów, które determinują interakcje, które generują złożone struktury trójwymiarowe.

Różne funkcje

Białka mogą być składnikami strukturalnymi i ruchowymi komórki, takimi jak aktyna. Inne działają poprzez przyspieszenie reakcji biochemicznych w komórce, takich jak polimeraza DNA, która jest enzymem syntetyzującym DNA.

Istnieją inne białka, których funkcją jest przekazanie organizmowi ważnej wiadomości. Na przykład niektóre rodzaje hormonów, takie jak hormony wzrostu, przekazują sygnały koordynujące procesy biologiczne między różnymi komórkami, tkankami i narządami.

Niektóre białka łączą się ze sobą i przenoszą atomy (lub małe cząsteczki) w komórkach; tak jest w przypadku ferrytyny, która jest odpowiedzialna za magazynowanie żelaza w niektórych organizmach. Kolejną grupą ważnych białek są przeciwciała, które należą do układu odpornościowego i są odpowiedzialne za wykrywanie toksyn i patogenów.

Zatem białka są końcowymi produktami procesu dekodowania informacji genetycznej, który zaczyna się od DNA komórkowego. Ta niesamowita różnorodność funkcji wywodzi się z zaskakująco prostego kodu, który jest w stanie określić niezwykle zróżnicowany zestaw struktur.

Bibliografia

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of the Cell (6th ed.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (8th ed.). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. i Reece, J. (2005). Biology (2nd ed.) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8th ed.). WH Freeman and Company.
5. Solomon, E., Berg, L. i Martin, D. (2004). Biology (7th ed.) Cengage Learning.
6. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Podstawy biochemii: Życie na poziomie molekularnym (wyd. 5). Wiley.