BIOMOLEKYYLIT: LUOKITTELU JA PÄÄTOIMINNOT - BIOLOGIA

Biomolekyylien ovat molekyylejä, joita syntyy eläviä olentoja. Etuliite "bio" tarkoittaa elämää; siksi biomolekyyli on molekyyli, jonka tuottaa elävä olento. Elävät olennot koostuvat erityyppisistä molekyyleistä, jotka suorittavat erilaisia elämän kannalta välttämättömiä toimintoja.

Luonnossa on bioottisia (eläviä) ja abioottisia (elottomia) järjestelmiä, jotka ovat vuorovaikutuksessa ja joissain tapauksissa vaihtavat elementtejä. Yksi ominaisuus, joka kaikilla elävillä olennoilla on yhteistä, on, että ne ovat orgaanisia, mikä tarkoittaa, että niiden ainesosamolekyylit koostuvat hiiliatomeista.

Biomolekyyleillä on hiilen lisäksi myös muita yhteisiä atomeja. Näitä atomeja ovat pääasiassa vety, happi, typpi, fosfori ja rikki. Näitä elementtejä kutsutaan myös bioelementeiksi, koska ne ovat biologisten molekyylien pääkomponentti.

On kuitenkin muita atomeja, joita on myös joissain biomolekyyleissä, vaikkakin pienemmissä määrin. Nämä ovat yleensä metalli-ioneja, kuten kalium, natrium, rauta ja magnesium, mm. Tämän seurauksena biomolekyylit voivat olla kahta tyyppiä: orgaanisia tai epäorgaanisia.

Siten organismit koostuvat monen tyyppisistä hiilipohjaisista molekyyleistä, esimerkiksi: sokereista, rasvoista, proteiineista ja nukleiinihapoista. On kuitenkin muita yhdisteitä, jotka ovat myös hiilipohjaisia eivätkä ole osa biomolekyylejä.

Nämä hiiltä sisältävät molekyylit, joita ei löydy biologisista järjestelmistä, löytyvät maankuoresta, järvistä, meristä ja valtamerestä sekä ilmakehästä. Näiden elementtien liikettä luonnossa kuvataan ns. Biogeokemiallisissa sykleissä.

Uskotaan, että nämä luonnossa löydetyt yksinkertaiset orgaaniset molekyylit olivat ne, jotka johtivat monimutkaisimpiin biomolekyyleihin, jotka ovat osa elämän perusrakennetta: solua. Tätä kutsutaan abiottisen synteesin teoriaksi.

Biomolekyylien luokittelu ja toiminnot

Biomolekyylit ovat kooltaan ja rakenteeltaan erilaisia, mikä antaa niille ainutlaatuiset ominaisuudet elämän kannalta välttämättömien erilaisten toimintojen suorittamiseksi. Siten biomolekyylit toimivat mm. Tiedon varastointina, energialähteenä, tukena, solujen aineenvaihdunnana.

Biomolekyylit voidaan luokitella kahteen suureen ryhmään hiiliatomien läsnäolon tai puuttumisen perusteella.

Epäorgaaniset biomolekyylit

Ne ovat kaikki niitä molekyylejä, joita on läsnä elävissä olennoissa ja jotka eivät sisällä hiiliä molekyylirakenteessaan. Epäorgaanisia molekyylejä voi löytyä myös luonnon muista (elottomista) järjestelmistä.

Epäorgaanisten biomolekyylien tyypit ovat seuraavat:

vesi

Se on elävien olentojen pää- ja perustakomponentti, se on molekyyli, jonka muodostaa happiatomi, joka on kytketty kahteen vetyatomiin. Vesi on välttämätöntä elämän olemassaololle ja on yleisin biomolekyyli.

50 - 95% kaikkien elävien olentojen painosta on vettä, koska on tarpeen suorittaa useita tärkeitä toimintoja, kuten lämmön säätely ja aineiden kuljetus.

Mineraalisuolat

Ne ovat yksinkertaisia molekyylejä, jotka koostuvat vastakkaisesti varautuneista atomeista, jotka eroavat kokonaan vedessä. Esimerkiksi: natriumkloridi, joka koostuu klooriatomista (negatiivisesti varautunut) ja natriumatomista (positiivisesti varautunut).

Mineraalisuolat osallistuvat jäykien rakenteiden, kuten selkärankaisten luiden tai selkärangattomien eksoskeleton, muodostumiseen. Nämä epäorgaaniset biomolekyylit ovat tarpeen myös monien tärkeiden solutoimintojen suorittamiseksi.

kaasut

Ne ovat kaasun muodossa olevia molekyylejä. Ne ovat välttämättömiä eläinten hengitykselle ja kasvien fotosynteesille.

Esimerkkejä näistä kaasuista ovat: molekyylin happi, joka koostuu kahdesta happiatomista, jotka on sidottu toisiinsa; ja hiilidioksidi, joka koostuu hiiliatomista, joka on sitoutunut kahteen happiatomiin. Molemmat biomolekyylit osallistuvat kaasunvaihtoon, jonka elävät olennot tekevät ympäristönsä kanssa.

Orgaaniset biomolekyylit

Orgaaniset biomolekyylit ovat niitä molekyylejä, joiden rakenteessa on hiiliatomeja. Orgaanisia molekyylejä voidaan myös löytää jakautuneena luonnossa osana elottomia järjestelmiä, ja ne muodostavat niin kutsutun biomassan.

Orgaanisten biomolekyylien tyypit ovat seuraavat:

hiilihydraatit

Hiilihydraatit ovat luultavasti yleisimpiä ja laajimmin käytettyjä orgaanisia aineita luonnossa, ja ne ovat olennaisia komponentteja kaikissa elävissä asioissa.

Vihreät kasvit tuottavat hiilihydraatteja hiilidioksidista ja vedestä fotosynteesin aikana.

Nämä biomolekyylit koostuvat pääasiassa hiili-, vety- ja happiatomeista. Ne tunnetaan myös hiilihydraateina tai sakkarideina ja ne toimivat energianlähteinä ja organismien rakenneosina.

- Monosakkaridit

Monosakkaridit ovat yksinkertaisimpia hiilihydraatteja, ja niitä kutsutaan usein yksinkertaisiksi sokereiksi. Ne ovat elementtisiä rakennuspalikoita, joista kaikki suuret hiilihydraatit muodostuvat.

Monosakkarideilla on yleinen molekyylikaava (CH2O) n, missä n voi olla 3, 5 tai 6. Siten monosakkaridit voidaan luokitella molekyylissä olevien hiiliatomien lukumäärän perusteella:

Jos n = 3, molekyyli on trioosi. Esimerkiksi: glyseryaldehydi.

Jos n = 5, molekyyli on pentoosi. Esimerkiksi: riboosi ja deoksiriboosi.

Jos n = 6, molekyyli on heksoosi. Esimerkiksi: fruktoosi, glukoosi ja galaktoosi.

Pentoosit ja heksoosit voivat esiintyä kahdessa muodossa: sykliset ja epäsykliset. Ei-syklisessä muodossa sen molekyylirakenteilla on kaksi funktionaalista ryhmää: aldehydiryhmä tai ketoniryhmä.

Aldehydiryhmää sisältäviä monosakkarideja kutsutaan aldooseiksi, ja niitä, joissa on ketoniryhmä, kutsutaan ketoosiksi. Aldoosit ovat pelkistäviä sokereita, kun taas ketoosit ovat pelkistämättömiä sokereita.

Vedessä pentoosit ja heksoosit esiintyvät kuitenkin pääasiassa syklisessä muodossa, ja juuri tässä muodossa ne yhdistyvät muodostaen suurempia sakkaridimolekyylejä.

- Disakkaridit

Suurin osa luonnossa löydetyistä sokereista on disakkarideja. Ne muodostuvat muodostamalla glykosidinen sidos kahden monosakkaridin välillä kondensaatioreaktion kautta, joka vapauttaa vettä. Tämä sidoksenmuodostusprosessi vaatii energiaa kahden monosakkaridiyksikön pitämiseksi yhdessä.

Kolme tärkeintä disakkaridia ovat sakkaroosi, laktoosi ja maltoosi. Ne muodostuvat sopivien monosakkaridien kondensaatiosta. Sakkaroosi on pelkistämätön sokeri, kun taas laktoosi ja maltoosi ovat pelkistäviä sokereita.

Disakkaridit liukenevat veteen, mutta ovat biomolekyylejä, jotka ovat liian suuria läpäisemään solukalvon diffuusion avulla. Tästä syystä ne hajoavat ohutsuolessa ruuansulatuksen aikana siten, että niiden olennaiset komponentit (ts. Monosakkaridit) kulkeutuvat vereen ja muihin soluihin.

Solut käyttävät monosakkarideja erittäin nopeasti. Jos solu ei tarvitse energiaa, se voi kuitenkin varastoida sen heti monimutkaisempien polymeerien muodossa. Siten monosakkaridit muuttuvat disakkarideiksi solussa tapahtuvien kondensaatioreaktioiden kautta.

- Oligosakkaridit

Oligosakkaridit ovat välimolekyylejä, jotka koostuvat kolmesta yhdeksään yksinkertaista sokeriyksikköä (monosakkaridit). Ne muodostuvat hajottamalla osittain monimutkaisempia hiilihydraatteja (polysakkaridit).

Useimpia luonnossa esiintyviä oligosakkarideja löytyy kasveista, ja maltotrioosia lukuun ottamatta, ne ovat sulavia ihmisissä, koska ihmiskehosta puuttuu ohutsuolessa tarvittavat entsyymit niiden hajottamiseksi.

Ohutsuolessa hyödylliset bakteerit voivat hajottaa oligosakkarideja käymisen avulla; siten ne muuttuvat imeytyviksi ravinteiksi, jotka tarjoavat jonkin verran energiaa. Tietyillä oligosakkaridien hajoamistuotteilla voi olla hyödyllinen vaikutus paksusuolen limakalvoon.

Esimerkkejä oligosakkarideista ovat raffinoosi, palkokasvien trisakkaridi ja jotkut glukoosista, fruktoosista ja galaktoosista koostuvat viljat. Maltotrioosia, glukoositrisakkaridia, esiintyy joissakin kasveissa ja tiettyjen niveljalkaisten veressä.

- Polysakkaridit

Monosakkaridit voivat läpikäydä sarjan kondensaatioreaktioita lisäämällä ketjua yksikkö toisensa jälkeen, kunnes muodostuu erittäin suuria molekyylejä. Nämä ovat polysakkaridit.

Polysakkaridien ominaisuudet riippuvat niiden molekyylirakenteen useista tekijöistä: pituudesta, sivuhaaroista, laskosta ja siitä, onko ketju "suora" tai "käämitty". Luonnossa on useita esimerkkejä polysakkarideista.

Tärkkelystä tuotetaan kasveissa usein energian varastointitapana, ja se koostuu a-glukoosipolymeereistä. Jos polymeeri on haarautunut, sitä kutsutaan amylopektiiniksi, ja jos se ei ole haaroittunut, sitä kutsutaan amyloosiksi.

Glykogeeni on eläinten energiavarannon polysakkaridi ja koostuu amylopektiineistä. Siten kasvien tärkkelys hajoaa kehossa tuottamaan glukoosia, joka tulee soluun ja jota käytetään aineenvaihdunnassa. Käytetty glukoosi polymeroi ja muodostaa glykogeenin, energiavaraston.

lipidejä

Lipidit ovat toisen tyyppisiä orgaanisia biomolekyylejä, joiden pääominaisuus on, että ne ovat hydrofobisia (ne hylkivät vettä) ja näin ollen ne eivät liukene veteen. Lipidit voidaan rakenteestaan riippuen luokitella neljään pääryhmään:

- Triglyseridit

Triglyseridit koostuvat glyserolimolekyylistä, joka on kiinnittynyt kolmeen rasvahappoketjuun. Rasvahappo on lineaarinen molekyyli, joka sisältää karboksyylihapon toisessa päässä, jota seuraa hiilivetyketju ja metyyliryhmä toisessa päässä.

Rasvahapot voivat rakenteestaan riippuen olla tyydyttyneitä tai tyydyttymättömiä. Jos hiilivetyketju sisältää vain yksittäisiä sidoksia, se on tyydyttynyt rasvahappo. Ja päinvastoin, jos tässä hiilivetyketjussa on yksi tai useampia kaksoissidoksia, rasvahappo on tyydyttymätön.

Tähän luokkaan kuuluvat öljyt ja rasvat. Ensin mainitut ovat kasvien energiavarantoa, niissä on tyydyttymättömyyttä ja ne ovat huoneenlämpötilassa nestemäisiä. Sitä vastoin rasvat ovat eläinten energiavarastoja, ne ovat tyydyttyneitä ja kiinteitä molekyylejä huoneenlämpötilassa.

fosfolipidit

Fosfolipidit ovat samanlaisia kuin triglyseridit siinä mielessä, että glyserolimolekyyli on kiinnittynyt kahteen rasvahappoon. Ero on siinä, että fosfolipideissä on fosfaattiryhmä glyserolin kolmannessa hiilessä kuin toinen rasvahappomolekyyli.

Nämä lipidit ovat erittäin tärkeitä, koska ne voivat olla vuorovaikutuksessa veden kanssa. Koska toisessa päässä on fosfaattiryhmä, molekyylistä tulee hydrofiilistä (houkuttelee vettä) tällä alueella. Se on kuitenkin edelleen hydrofobinen muussa molekyylissä.

Rakenteestaan johtuen fosfolipideillä on taipumus organisoitua itselleen siten, että fosfaattiryhmät ovat käytettävissä vuorovaikutuksessa vesipitoisen väliaineen kanssa, kun taas niiden sisällä organisoimat hydrofobiset ketjut ovat kaukana vedestä. Siten fosfolipidit ovat osa kaikkia biologisia kalvoja.

- Steroidit

Steroidit koostuvat neljästä sulatetusta hiilirenkaasta, joihin on kiinnitetty erilaisia funktionaalisia ryhmiä. Yksi tärkeimmistä on kolesteroli, koska se on välttämätöntä eläville olennoille. Se on joidenkin tärkeiden hormonien, kuten estrogeenin, testosteronin ja kortisonin, edeltäjä.

- Vahat

Vahat ovat pieni ryhmä lipidejä, joilla on suojaava tehtävä. Niitä löytyy puiden lehdistä, lintujen höyhenistä, joidenkin nisäkkäiden korvista ja paikoista, jotka on eristettävä tai suojattava ulkoiselta ympäristöltä.

Nukleiinihapot

Nukleiinihapot ovat tärkeimmät elävien olentojen geneettisen tiedon kuljettavat molekyylit. Sen päätehtävänä on ohjata proteiinisynteesiä, joka määrittelee kunkin elävän olennon perinnölliset ominaisuudet. Ne koostuvat hiilen, vedyn, hapen, typen ja fosforin atomeista.

Nukleiinihapot ovat polymeerejä, jotka koostuvat monomeerien toistoista, joita kutsutaan nukleotideiksi. Jokainen nukleotidi koostuu typpeä sisältävästä aromaattisesta emäksestä, joka on kiinnittynyt pentoosisokeriin (viisi hiiltä), joka puolestaan on kiinnittynyt fosfaattiryhmään.

Kaksi nukleiinihappojen pääluokkaa ovat deoksiribonukleiinihappo (DNA) ja ribonukleiinihappo (RNA). DNA on molekyyli, joka sisältää kaiken lajin tiedot, minkä vuoksi sitä on läsnä kaikissa elävissä olennoissa ja useimmissa viruksissa.

RNA on tiettyjen virusten geneettinen materiaali, mutta sitä löytyy myös kaikista elävistä soluista. Siellä se suorittaa tärkeitä toimintoja tietyissä prosesseissa, kuten proteiinien valmistuksessa.

Jokainen nukleiinihappo sisältää neljä viidestä mahdollisesta typpeä sisältävästä emäksestä: adeniini (A), guaniini (G), sytosiini (C), tymiini (T) ja urasiili (U). DNA: lla on emäkset adeniini, guaniini, sytosiini ja tymiini, kun taas RNA: lla on samat emäkset paitsi tymiinillä, joka korvaa urasiilin RNA: ssa.

- deoksiribonukleiinihappo (DNA)

DNA-molekyyli koostuu kahdesta nukleotidiketjusta, jotka on kytketty sidoksilla, joita kutsutaan fosfodiesterisidoksiksi. Jokaisella ketjulla on helix-muotoinen rakenne. Kaksi heliksiä kietoutuvat toisiinsa muodostaen kaksoiskierre. Emäkset ovat kierukan sisäpuolella ja fosfaattiryhmät ulkopuolella.

DNA koostuu fosfaattiin sitoutuneesta deoksiribosokerirungosta ja neljästä typpipohjaisesta emäksestä: adeniini, guaniini, sytosiini ja tymiini. Emäsparit muodostuvat kaksijuosteiseen DNA: han: adeniini sitoutuu aina tymiiniin (AT) ja guaniini sitosiiniin (GC).

Kaksi heliksiä pidetään yhdessä parittamalla nukleotidiemäkset vety-sidoksella. Rakennetta kuvataan toisinaan tikkaita, joissa sokeri- ja fosfaattiketjut ovat sivut ja pohja-emäsidokset ovat alaosaa.

Tämä rakenne yhdessä molekyylin kemiallisen stabiilisuuden kanssa tekee DNA: sta ihanteellisen materiaalin geneettisen tiedon välittämiseen. Kun solu jakaa, sen DNA kopioidaan ja siirretään yhdestä sukupolvesta seuraavaan sukupolveen.

- Ribonukleiinihappo (RNA)

RNA on nukleiinihappopolymeeri, jonka rakenne koostuu yhdestä nukleotidiketjusta: adeniini, sytosiini, guaniini ja urasiili. Kuten DNA: ssa, sytosiini sitoutuu aina guaniiniin (CG), mutta adeniini sitoutuu urasiiliin (AU).

Se on ensimmäinen välittäjä solujen geneettisen tiedon siirtämisessä. RNA on välttämätön proteiinisynteesille, koska geneettisen koodin sisältämä tieto siirtyy yleensä DNA: sta RNA: hon ja tästä proteiineihin.

Joillakin RNA: issa on myös suorat toiminnot solujen metaboliassa. RNA saadaan kopioimalla DNA-segmentin emässekvenssi, jota kutsutaan geeniksi, osaan yksijuosteista nukleiinihappoa. Tätä prosessia, jota kutsutaan transkriptioksi, katalysoi entsyymi, nimeltään RNA-polymeraasi.

RNA: ta on useita erityyppisiä, pääasiassa niitä on 3. Ensimmäinen on lähetti-RNA, joka kopioidaan suoraan DNA: sta transkription kautta. Toinen tyyppi on siirto-RNA, joka siirtää oikeat aminohapot proteiinisynteesiä varten.

Lopuksi, toinen RNA-luokka on ribosomaalinen RNA, joka yhdessä joidenkin proteiinien kanssa muodostaa ribosomeja, soluorgaanioita, jotka vastaavat kaikkien solun proteiinien syntetisoinnista.

proteiini

Proteiinit ovat suuria, monimutkaisia molekyylejä, jotka suorittavat monia tärkeitä toimintoja ja tekevät suurimman osan työstä soluissa. Ne ovat välttämättömiä elävien olentojen rakenteelle, toiminnalle ja säätelylle. Ne koostuvat hiili-, vety-, happi- ja typpiatomeista.

Proteiinit koostuvat pienemmistä yksiköistä, joita kutsutaan aminohapoiksi, jotka on kytketty toisiinsa peptidisidoksilla ja muodostaen pitkiä ketjuja. Aminohapot ovat pieniä orgaanisia molekyylejä, joilla on erittäin erityiset fysikaalis-kemialliset ominaisuudet, ja niitä on 20 eri tyyppiä.

Aminohapposekvenssi määrittää kunkin proteiinin ainutlaatuisen kolmiulotteisen rakenteen ja sen spesifisen toiminnan. Itse asiassa yksittäisten proteiinien toiminnot ovat yhtä monimuotoisia kuin niiden ainutlaatuiset aminohapposekvenssit, jotka määrittävät vuorovaikutukset, jotka tuottavat monimutkaisia kolmiulotteisia rakenteita.

Eri toimintoja

Proteiinit voivat olla solun rakenne- ja liikekomponentit, kuten aktiini. Toiset toimivat nopeuttamalla solun biokemiallisia reaktioita, kuten DNA-polymeraasi, joka on DNA: ta syntetisoiva entsyymi.

On myös muita proteiineja, joiden tehtävänä on välittää tärkeä viesti keholle. Esimerkiksi jotkut hormonit, kuten kasvuhormonit, välittävät signaaleja biologisten prosessien koordinoimiseksi eri solujen, kudosten ja elinten välillä.

Jotkut proteiinit sitoutuvat yhdessä ja kuljettavat atomeja (tai pieniä molekyylejä) soluissa; tällainen on tapaus ferritiinistä, joka vastaa raudan varastoinnista joihinkin organismeihin. Toinen ryhmä tärkeitä proteiineja ovat vasta-aineet, jotka kuuluvat immuunijärjestelmään ja vastaavat toksiinien ja patogeenien havaitsemisesta.

Siten proteiinit ovat lopputuotteita geneettisen informaation dekoodausprosessissa, joka alkaa solu-DNA: lla. Tämä uskomattoman monipuolinen funktio on johdettu yllättävän yksinkertaisesta koodista, joka pystyy määrittelemään erittäin monipuolisen joukon rakenteita.

Viitteet

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Solun molekyylibiologia (6. painos). Garland Science.
Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokemia (8. painos). WH Freeman ja yritys.
Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologia (2. painos) Pearson Education.
Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. ja Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8. painos). WH Freeman ja yritys.
Solomon, E., Berg, L. ja Martin, D. (2004). Biologia (7. painos) Cengage Learning.
Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Biokemian perusteet: Elämä molekyylitasolla (5. painos). Wiley.

BIOMOLEKYYLIT: LUOKITTELU JA PÄÄTOIMINNOT - BIOLOGIA - 2026