Биомолекули: класификация и основни функции
Биомолекулите са молекули, които се генерират в живите същества. Представката "био" означава живот; следователно, биомолекулата е молекула, произведена от живо същество. Живите същества са съставени от различни видове молекули, които изпълняват различни функции, необходими за живота.
В природата съществуват биотични (живи) и абиотични (неживи) системи, които взаимодействат и в някои случаи обменят елементи. Характерно за общото между всички живи същества е, че те са органични, което означава, че съставните им молекули се образуват от въглеродни атоми.
Биомолекулите също имат други общи атоми освен въглерода. Тези атоми включват главно водород, кислород, азот, фосфор и сяра. Тези елементи се наричат още биоелементи, защото те са основният компонент на биологичните молекули.
Има обаче и други атоми, които също присъстват в някои биомолекули, макар и в по-малки количества. Обикновено това са метални йони като калий, натрий, желязо и магнезий. Съответно, биомолекулите могат да бъдат два вида: органични или неорганични.
Така организмите са съставени от много видове молекули, базирани на въглерод, например: захари, мазнини, протеини и нуклеинови киселини. Обаче има и други съединения, които също са въглеродни и които не са част от биомолекулите.
Тези молекули, които съдържат въглерод, но не се срещат в биологичните системи, могат да бъдат открити в земната кора, в езерата, моретата и океаните и в атмосферата. Движението на тези елементи в природата е описано в биогеохимичните цикли.
Смята се, че тези прости органични молекули, открити в природата, са тези, които са довели до най-сложните биомолекули, които са част от основната структура на живота: клетката. Горното е това, което е известно като теория на абиотичния синтез.
Класификация и функции на биомолекули
Биомолекулите са разнообразни по размер и структура, което им дава уникални характеристики за изпълнението на различните функции, необходими за живота. По този начин, биомолекулите действат като съхранение на информация, източник на енергия, поддръжка, клетъчен метаболизъм, наред с други.
Биомолекулите могат да бъдат класифицирани в две големи групи, основани на наличието или отсъствието на въглеродни атоми.
Неорганични биомолекули
Те са всички тези молекули, които присъстват в живите същества и които не съдържат въглерод в тяхната молекулярна структура. Неорганичните молекули могат да бъдат открити и в други (неживи) системи на природата.
Видовете неорганични биомолекули са следните:
вода
Тя е основният и основен компонент на живите същества, тя е молекула, образувана от кислороден атом, свързан с два водородни атома. Водата е от съществено значение за съществуването на живота и е най-често срещаната биомолекула.
Между 50 и 95% от теглото на всяко живо същество е вода, тъй като е необходимо да се изпълняват няколко важни функции, като топлинна регулация и транспорт на вещества.
Минерални соли
Те са прости молекули, образувани от атоми с противоположен заряд, които се отделят напълно във водата. Например: натриев хлорид, образуван от хлорен атом (отрицателно заредена) и натриев атом (положително заредена).
Минералните соли участват в образуването на твърди структури, като костите на гръбначни животни или екзоскелет на безгръбначни. Тези неорганични биомолекули също са необходими за осъществяване на много важни клетъчни функции.
газове
Те са молекули, които са под формата на газ. Те са фундаментални за дишането на животни и фотосинтезата в растенията.
Примери за тези газове са: молекулен кислород, образуван от два кислородни атома, свързани помежду си; и въглероден диоксид, образуван от въглероден атом, свързан с два кислородни атома. И двете биомолекули участват в газовия обмен, който живите същества правят с околната среда.
Органични биомолекули
Органичните биомолекули са тези молекули, които съдържат въглеродни атоми в тяхната структура. Органичните молекули могат да бъдат намерени и разпределени в природата като част от неживите системи и представляват това, което е известно като биомаса.
Видовете органични биомолекули са следните:
въглехидрати
Въглехидратите са вероятно най-разпространените и широко разпространени органични вещества в природата и са съществени компоненти на всички живи същества.
Въглехидратите се произвеждат от зелени растения от въглероден диоксид и вода по време на процеса на фотосинтеза.
Тези биомолекули се образуват главно от въглеродни, водородни и кислородни атоми. Те са известни също като въглехидрати или захариди и функционират като енергийни източници и като структурни компоненти на организмите.
- Монозахариди
Монозахаридите са най-простите въглехидрати и често се наричат прости захари. Те са елементарните градивни елементи, от които се образуват най-големите въглехидрати.
Монозахаридите имат обща молекулна формула (CH2O) n, където n може да бъде 3, 5 или 6. По този начин монозахаридите могат да бъдат класифицирани според броя на въглеродните атоми, присъстващи в молекулата:
Ако n = 3, молекулата е триоза. Например: глицералдехид.
Ако n = 5, молекулата е пентоза. Например: рибоза и дезоксирибоза.
Ако n = 6, молекулата е хексоза. Например: фруктоза, глюкоза и галактоза.
Пентозите и хексозите могат да съществуват в две форми: циклични и нециклични. В нецикличната форма техните молекулни структури показват две функционални групи: алдехидна група или кетонна група.
Монозахаридите, които съдържат алдехидната група, се наричат алдози, а тези, които имат кетонна група, се наричат кетози. Алдозите са редуциращи захари, докато кетозите са нередуциращи захари.
Във вода обаче пентозите и хексозите съществуват главно в циклична форма и именно в тази форма те се комбинират, за да образуват по-големи захаридни молекули.
- Дисахариди
Повечето от съдържащите се в природата захари са дизахариди. Те се образуват чрез образуването на гликозидна връзка между два монозахарида, чрез реакция на кондензация, която освобождава вода. Този процес на образуване на връзка изисква енергия, за да се задържат двете монозахаридни единици.
Трите най-важни дизахарида са захароза, лактоза и малтоза. Те се образуват от кондензацията на подходящите монозахариди. Захарозата е нередуцираща захар, докато лактозата и малтозата са редуциращи захари.
Дизахаридите са разтворими във вода, но те са много големи биомолекули, които пресичат клетъчната мембрана чрез дифузия. Поради тази причина те се разграждат в тънките черва по време на храносмилането, така че техните основни компоненти (т.е. монозахаридите) преминават в кръвта и в другите клетки.
Монозахаридите се използват много бързо от клетките. Ако обаче клетката не се нуждае веднага от енергията, тя може да я съхранява под формата на по-сложни полимери. По този начин, монозахаридите се превръщат в дизахариди чрез кондензационни реакции, които се случват в клетката.
- Олигозахариди
Олигозахаридите са междинни молекули, образувани от три до девет единици прости захари (монозахариди). Те се образуват чрез частично разграждане на по-сложни въглехидрати (полизахариди).
Повечето естествени олигозахариди се срещат в растенията и, с изключение на малтотриозата, са несмилаеми от хората, защото човешкото тяло няма необходимите ензими в тънките черва, за да ги разруши.
В дебелото черво полезните бактерии могат да разрушат олигозахаридите чрез ферментация; по този начин те се трансформират в абсорбируеми хранителни вещества, които осигуряват някаква енергия. Някои продукти на разграждане на олигозахариди могат да имат благоприятен ефект върху лигавицата на дебелото черво.
Примери за олигозахариди включват рафиноза, тризахарид от бобови растения и някои житни растения, съставени от глюкоза, фруктоза и галактоза. Малтотриоза, глюкозен трисахарид, се произвежда в някои растения и в кръвта на някои членестоноги.
- Полизахариди
Монозахаридите могат да претърпят серия от кондензационни реакции, добавяйки една единица след друга към веригата, докато се образуват много големи молекули. Това са полизахаридите.
Свойствата на полизахаридите зависят от няколко фактора от тяхната молекулна структура: дължина, странични разклонения, сгъване и ако веригата е "права" или "фънки". Има няколко примера за полизахариди в природата.
Често нишестето се произвежда в растенията като начин за съхраняване на енергия и се състои от α-глюкозни полимери. Ако полимерът е разклонен, той се нарича амилопектин и ако не е разклонен, той се нарича амилоза.
Гликогенът е полизахаридът на енергийния резерв при животните и се състои от амилопектини. Така нишестето в растенията се разгражда в организма, за да произвежда глюкоза, която влиза в клетката и се използва в метаболизма. Глюкозата, която не се използва, полимеризира и образува гликоген, енергийния депозит.
липиди
Липидите са друг вид органични биомолекули, чиято основна характеристика е, че те са хидрофобни (те отблъскват водата) и следователно са неразтворими във вода. В зависимост от тяхната структура, липидите могат да бъдат класифицирани в 4 основни групи:
- Триглицериди
Триглицеридите се образуват от молекула глицерол, свързана с три вериги на мастни киселини. Мастната киселина е линейна молекула, която съдържа в единия край карбоксилна киселина, последвана от въглеводородна верига и метилова група на другия край.
В зависимост от тяхната структура мастните киселини могат да бъдат наситени или ненаситени. Ако въглеводородната верига съдържа само единични връзки, тя е наситена мастна киселина. Обратно, ако тази въглеводородна верига има една или повече двойни връзки, мастната киселина е ненаситена.
В тази категория са маслата и мазнините. Първите са енергийният резерв на растенията, те имат инсатурации и са течни при стайна температура. Обратно, мазнините са енергийните запаси на животни, те са наситени и твърди молекули при стайна температура.
фосфолипиди
Фосфолипидите са подобни на триглицеридите, тъй като притежават молекула на глицерол, свързана с две мастни киселини. Разликата е, че фосфолипидите имат фосфатна група в третия въглерод на глицерола, вместо друга молекула на мастна киселина.
Тези липиди са много важни поради начина, по който могат да взаимодействат с водата. Като притежава фосфатна група в единия край, молекулата става хидрофилна (привлича вода) в тази област. Въпреки това, тя остава хидрофобна в останалата част на молекулата.
Поради тяхната структура, фосфолипидите са склонни да бъдат организирани по такъв начин, че фосфатните групи да могат да взаимодействат с водната среда, докато хидрофобните вериги, които организират вътре, са далеч от водата. По този начин, фосфолипидите са част от всички биологични мембрани.
- Стероиди
Стероидите се състоят от четири стопени въглеродни пръстена, които са свързани с различни функционални групи. Един от най-важните е холестеролът, той е от съществено значение за живите същества. Той е предшественик на някои важни хормони като естроген, тестостерон и кортизон.
- Восъци
Восъците са малка група липиди, които имат защитна функция. Те се срещат в листата на дърветата, в перата на птиците, в ушите на някои бозайници и на места, които трябва да бъдат изолирани или защитени от външната среда.
Нуклеинови киселини
Нуклеиновите киселини са основните транспортни молекули на генетичната информация в живите същества. Неговата основна функция е да насочва процеса на синтеза на протеини, който определя наследените характеристики на всяко живо същество. Те са съставени от атоми въглерод, водород, кислород, азот и фосфор.
Нуклеиновите киселини са полимери, образувани от повторения на мономери, наречени нуклеотиди. Всеки нуклеотид се състои от ароматна база, съдържаща азот, прикрепен към пентозна захар (пет въглеродни атома), която на свой ред е прикрепена към фосфатна група.
Двете основни класове нуклеинови киселини са дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) и рибонуклеинова киселина (РНК). ДНК е молекулата, която съдържа цялата информация за даден вид, поради което присъства във всички живи същества и в повечето вируси.
РНК е генетичният материал на някои вируси, но се среща и във всички живи клетки. Там той играе важна роля в някои процеси, като производството на протеини.
Всяка нуклеинова киселина съдържа четири от пет възможни бази, съдържащи азот: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). ДНК има базите аденин, гуанин, цитозин и тимин, докато РНК има същото, с изключение на тимин, който се замества с урацил в РНК.
- Дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК)
ДНК молекулата е съставена от две вериги от нуклеотиди, свързани с връзки, наречени фосфодиестерни връзки. Всяка верига има структура под формата на спирала. Двете спирали се преплитат, за да се получи двойна спирала. Основите са вътре в спиралата и фосфатните групи са отвън.
ДНК е съставена от основната верига на захарната дезоксирибоза, свързана с фосфат и четирите азотни бази: аденин, гуанин, цитозин и тимин. В двойно-верижната ДНК се образуват базови двойки: аденинът винаги се свързва с тимин (АТ) и гуанин с цитозин (GC).
Двете спирали се държат заедно чрез съвпадение на базите на нуклеотидите с водородни връзки. Структурата понякога се описва като стълба, където захарните и фосфатните вериги са страни, а базовите връзки са стъпалата.
Тази структура, заедно с химическата стабилност на молекулата, прави ДНК идеалния материал за предаване на генетична информация. Когато една клетка се дели, нейната ДНК се копира и преминава от едно поколение клетки към следващо поколение.
- Рибонуклеинова киселина (РНК)
РНК е полимер на нуклеинова киселина, чиято структура се формира от единична верига от нуклеотиди: аденин, цитозин, гуанин и урацил. Както при ДНК, цитозинът винаги се свързва с гуанин (CG), но аденинът се свързва с урацил (AU).
Той е първият посредник в трансфера на генетична информация в клетките. РНК е от съществено значение за синтеза на протеини, тъй като информацията, съдържаща се в генетичния код, обикновено се предава от ДНК към РНК и от нея към протеини.
Някои РНК също имат директни функции в клетъчния метаболизъм. РНК се получава чрез копиране на основната последователност на ДНК сегмент, наречен ген, в част от едноверижна нуклеинова киселина. Този процес, наречен транскрипция, се катализира от ензим, наречен РНК полимераза.
Има няколко различни вида РНК, предимно три, първата е информационната РНК, която е копирана директно от ДНК чрез транскрипция. Вторият тип е трансферната РНК, която пренася правилните аминокиселини за синтеза на протеини.
Накрая, другият клас РНК е рибозомната РНК, която заедно с някои протеини образува рибозоми, клетъчни органели, отговорни за синтеза на всички протеини на клетката.
протеин
Протеините са големи, сложни молекули, които изпълняват много важни функции и извършват по-голямата част от работата в клетките. Те са необходими за структурата, функцията и регулирането на живите същества. Те са съставени от въглеродни, водородни, кислородни и азотни атоми.
Протеините са съставени от по-малки единици, наречени аминокиселини, свързани помежду си чрез пептидни връзки и образуващи дълги вериги. Аминокиселините са малки органични молекули с много специфични физикохимични свойства, има 20 различни вида.
Аминокиселинната последователност определя уникалната триизмерна структура на всеки протеин и неговата специфична функция. В действителност, функциите на отделните протеини са толкова разнообразни, колкото и техните уникални аминокиселинни последователности, които определят взаимодействията, които генерират сложни триизмерни структури.
Различни функции
Протеините могат да бъдат структурни и движещи се компоненти за клетката, като актин. Други работят чрез ускоряване на биохимичните реакции в клетката, като ДНК полимераза, която е ензимът, който синтезира ДНК.
Има и други протеини, чиято функция е да предадат важно послание към организма. Например, някои видове хормони, такива като растежен хормон, предават сигнали за координиране на биологични процеси между различни клетки, тъкани и органи.
Някои протеини свързват и транспортират атоми (или малки молекули) вътре в клетките; Такъв е случаят с феритин, който е отговорен за съхранението на желязото в някои организми. Друга група важни протеини са антителата, които принадлежат към имунната система и са отговорни за откриването на токсини и патогени.
По този начин, протеините са крайните продукти на процеса на декодиране на генетична информация, която започва с клетъчната ДНК. Това невероятно разнообразие от функции е извлечено от изненадващо прост код, който е способен да определи изключително разнообразен набор от структури.
