BIOMOLEKULÁK: OSZTÁLYOZÁS ÉS FŐ FUNKCIÓK - BIOLÓGIA - 2025

A biomolekulák olyan molekulák, amelyeket az élőlények generálnak. A "bio" előtag az életet jelenti; ezért a biomolekula egy élőlény által termelt molekula. Az élő lények különféle típusú molekulákból állnak, amelyek az élethez szükséges különféle funkciókat látják el.

A természetben vannak olyan biotikus (élő) és abiotikus (nem élő) rendszerek, amelyek kölcsönhatásba lépnek, és bizonyos esetekben cserélnek elemeket. Az egyik jellemző, hogy az összes élőlény közös, hogy szervesek, ami azt jelenti, hogy alkotó molekuláik szénatomokból állnak.

A biomolekuláknak a szén mellett más közös atom is van. Ezek az atomok elsősorban a hidrogént, az oxigént, a nitrogént, a foszfort és a ként tartalmaznak. Ezeket az elemeket bioelemeknek is nevezik, mivel a biológiai molekulák fő alkotóelemei.

Vannak más atomok, amelyek szintén vannak jelen egyes biomolekulákban, bár kisebb mennyiségben. Ezek általában fémionok, például kálium, nátrium, vas és magnézium. Következésképpen a biomolekulák kétféle lehetnek: szerves vagy szervetlen.

Így az organizmusok sokféle szén-alapú molekulából állnak, például: cukrok, zsírok, fehérjék és nukleinsavak. Vannak azonban más vegyületek, amelyek szintén szén-alapúak, és nem képezik részét a biomolekuláknak.

Ezek a széntartalmú molekulák, amelyek nem találhatók meg a biológiai rendszerekben, megtalálhatók a földkéregben, a tavakban, a tengerekben és az óceánokban, valamint a légkörben. Ezen elemek mozgását a természetben a biogeokémiai ciklusok ismertetik.

Úgy gondolják, hogy ezek a természetben található egyszerű szerves molekulák azok, amelyek a legösszetettebb biomolekulákat eredményezték, amelyek az élet alapvető szerkezetének részét képezik: a sejt. Ezt hívják az abiotikus szintézis elméletének.

A biomolekulák osztályozása és funkciói

A biomolekulák méretük és szerkezetük változatos, ami egyedülálló tulajdonságokat kölcsönöz az élethez szükséges különféle funkciók végrehajtásához. Így a biomolekulák információ tárolására, energiaforrásra, hordozóra, sejtes anyagcserére szolgálnak, többek között.

A biomolekulákat két nagy csoportba lehet sorolni, szénatomok jelenléte vagy hiánya alapján.

Szervetlen biomolekulák

Ezek mind azok a molekulák, amelyek jelen vannak az élőlényekben, és amelyek molekuláris szerkezetükben nem tartalmaznak szénat. A szervetlen molekulák a természetben más (nem élő) rendszerekben is megtalálhatók.

A szervetlen biomolekulák típusai a következők:

Víz

Ez az élőlények fő és alapvető összetevője, egy molekula, amelyet két hidrogénatomhoz kapcsolódó oxigénatom alkot. A víz nélkülözhetetlen az élet létezéséhez, és a leggyakoribb biomolekula.

Bármely élő lény tömegének 50–95% -a víz, mivel számos fontos funkciót kell elvégeznie, például hőszabályozást és az anyagok szállítását.

Ásványi sók

Egyszerű molekulák, amelyek ellentétesen töltött atomokból állnak, amelyek teljesen elválnak a vízben. Például: nátrium-klorid, amelyet klóratom (negatív töltésű) és nátrium-atom (pozitív töltésű) alkot.

Az ásványi sók részt vesznek a merev struktúrák kialakulásában, például gerinces csontokban vagy gerinctelenek exoskeletonjában. Ezek a szervetlen biomolekulák szintén szükségesek számos fontos sejtfunkció elvégzéséhez.

gázok

Ezek olyan molekulák, amelyek gáz formájában vannak. Alapvető fontosságúak az állatok légzéséhez és a növények fotoszintéziséhez.

Példák ezekre a gázokra: molekuláris oxigén, amely két összekapcsolt oxigénatomból áll; és szén-dioxid, amelyet két oxigénatomhoz kötött szénatom alkot. Mindkét biomolekula részt vesz a gázcserében, amelyet az élőlények folytatnak a környezetükkel.

Szerves biomolekulák

A szerves biomolekulák azok a molekulák, amelyek szerkezetükben szénatomokat tartalmaznak. A szerves molekulák a természetben is megoszlanak az élettelen rendszerek részeként, és ezek alkotják az úgynevezett biomasszát.

A szerves biomolekulák típusai a következők:

Szénhidrát

A szénhidrátok valószínűleg a leggazdagabb és legszélesebb körben elterjedt szerves anyagok a természetben, és nélkülözhetetlen alkotóelemei minden élőlénynek.

A szénhidrátokat a zöld növények szén-dioxidból és vízből állítják elő a fotoszintézis során.

Ezek a biomolekulák főleg szén-, hidrogén- és oxigénatomokból állnak. Szénhidrátok vagy szacharidokként is ismertek, és energiaforrásként, valamint az organizmusok szerkezeti alkotóelemeiként működnek.

- Monoszacharidok

A monoszacharidok a legegyszerűbb szénhidrátok, amelyeket gyakran egyszerű cukroknak hívnak. Ezek azok az alapvető építőelemek, amelyekből az összes legnagyobb szénhidrát képződik.

A monoszacharidok általános molekulaképlete (CH2O) n, ahol n lehet 3, 5 vagy 6. Tehát a monoszacharidokat a molekulában jelen lévő szénatomszám alapján lehet besorolni:

Ha n = 3, akkor a molekula trióz. Például: gliceráldehid.

Ha n = 5, akkor a molekula pentóz. Például: ribóz és dezoxiribóz.

Ha n = 6, akkor a molekula hexóz. Például: fruktóz, glükóz és galaktóz.

A pentózok és a hexózok kétféle formában létezhetnek: ciklikus és nem ciklikus. Nem ciklikus formában molekuláris szerkezete két funkcionális csoportot mutat: aldehidcsoportot vagy ketoncsoportot.

Az aldehidcsoportot tartalmazó monoszacharidokat aldózoknak, és ketoncsoportot tartalmazó csoportoknak ketózoknak nevezzük. Az alldózok redukáló cukrok, míg a ketózok nem redukáló cukrok.

A vízben azonban a pentózok és a hexózok elsősorban ciklikus formában léteznek, és ebben a formában egyesülnek, és nagyobb szacharid molekulákat képeznek.

- Diszacharidok

A természetben található cukrok többsége diszacharidok. Ezeket két monoszacharid közötti glikozid-kötés kialakításával képezik, kondenzációs reakció útján, amely vizet szabadít fel. Ez a kötésképző folyamat energiát igényel a két monoszacharid egység egymáshoz tartásához.

A három legfontosabb diszacharid a szacharóz, a laktóz és a maláta. A megfelelő monoszacharidok kondenzációjából képződnek. A szacharóz nem redukáló cukor, míg a laktóz és a maltóz redukáló cukrok.

A diszacharidok oldódnak vízben, de biomolekulák, amelyek túl nagyok ahhoz, hogy diffúzió útján átjuthassanak a sejtmembránon. Ezért az emésztés során lebontódnak a vékonybélben, így alapvető alkotóelemeik (azaz monoszacharidok) átjutnak a vérbe és más sejtekbe.

A monoszacharidokat a sejtek nagyon gyorsan használják. Ha azonban a sejtnek nincs szüksége energiára, akkor azonnal tárolhatja összetettebb polimerek formájában. Így a monoszacharidok a sejtben zajló kondenzációs reakciók révén diszacharidokká alakulnak.

- Oligoszacharidok

Az oligoszacharidok közbenső molekulák, amelyek három-kilenc egyszerű cukor egységből állnak (monoszacharidok). Ezek összetettebb szénhidrátok (poliszacharidok) részleges lebontásával képződnek.

A legtöbb természetben előforduló oligoszacharid a növényekben található, és a maltotrióz kivételével az emberek emészthetők, mert az emberi testnek hiányoznak a vékonybélben szükséges enzimek ezek lebontásához.

A vastagbélben a jótékony baktériumok az oligoszacharidokat fermentáció útján lebontják; így átalakulnak felszívódó tápanyagokká, amelyek energiát szolgáltatnak. Az oligoszacharidok bizonyos bomlástermékei jótékony hatással lehetnek a vastagbél nyálkahártyájára.

Az oligoszacharidokra példa a raffinóz, a hüvelyesekből származó triszacharid és néhány gabonafélék, amelyek glükózból, fruktózból és galaktózból állnak. A malotrióz, egy glükóz-triszacharid, előfordul néhány növényben és bizonyos ízeltlábúak vérében.

- Poliszacharidok

A monoszacharidok kondenzációs reakciók sorozatán mennek keresztül, az egységet egymás után adva a láncnak, amíg nagyon nagy molekulák képződnek. Ezek a poliszacharidok.

A poliszacharidok tulajdonságai molekuláris szerkezetük számos tényezőjétől függnek: hosszúságtól, oldalirányú elágazásoktól, redőktől és attól, hogy a lánc "egyenes" vagy "tekercselt". A természetben számos példa létezik a poliszacharidokra.

A keményítőt gyakran növényekben termelik az energiatárolás céljából, és α-glükózpolimerekből áll. Ha a polimer elágazó, akkor amilopektinnek hívják, és ha nem elágazó, akkor amilóznak nevezik.

A glikogén az energiatartalék poliszacharid állatokban és amilopektinekből áll. Így a növények keményítője lebontódik a testben glükóz előállításához, amely belép a sejtbe és felhasználásra kerül az anyagcserében. A nem használt glükóz polimerizálódik és glikogént képez, az energiatárolót.

lipidek

A lipidek a szerves biomolekulák egy másik típusa, amelyek fő jellemzője, hogy hidrofóbok (taszítják a vizet), következésképpen vízben nem oldódnak. Szerkezetüktől függően a lipideket négy fő csoportba lehet sorolni:

- Trigliceridek

A triglicerideket egy glicerin-molekula alkotja, amely három zsírsavlánchoz kapcsolódik. A zsírsav egy lineáris molekula, amelynek egyik végén karbonsavat tartalmaz, ezt követi szénhidrogén lánc és a másik végén metilcsoport.

Szerkezetüktől függően a zsírsavak telítettek vagy telítetlenek lehetnek. Ha a szénhidrogénlánc csak egyes kötéseket tartalmaz, akkor ez egy telített zsírsav. Ezzel szemben, ha ezen a szénhidrogénláncon egy vagy több kettős kötés van, a zsírsav telítetlen.

Ebben a kategóriában vannak az olajok és a zsírok. Az előbbiek a növények energiatartalékát képezik, telítetlenek és szobahőmérsékleten folyékonyak. Ezzel szemben a zsírok az állatok energiatárolói, telített és szilárd molekulák szobahőmérsékleten.

A foszfolipidek

A foszfolipidek hasonlóak a trigliceridekhöz, mivel glicerin-molekulájuk kapcsolódik két zsírsavhoz. A különbség az, hogy a foszfolipidek foszfátcsoportot tartalmaznak a glicerin harmadik szénén, nem pedig egy másik zsírsavmolekulát.

Ezek a lipidek nagyon fontosak, mivel kölcsönhatásba lépnek a vízzel. Ha az egyik végén foszfátcsoport van, a molekula abban a régióban hidrofil (vonzza a vizet). A molekula többi részében azonban még mindig hidrofób.

Szerkezetük miatt a foszfolipidek hajlamosak úgy szerveződni, hogy a foszfátcsoportok kölcsönhatásba lépjenek a vizes közeggel, miközben a hidrofób láncok, melyeket belül szerveznek, távol vannak a víztől. Így a foszfolipidek az összes biológiai membrán részét képezik.

- Szteroidok

A szteroidok négy olvasztott széngyűrűből állnak, amelyekhez különböző funkcionális csoportok kapcsolódnak. Az egyik legfontosabb a koleszterin, mivel nélkülözhetetlen az élőlények számára. Néhány fontos hormon, például az ösztrogén, a tesztoszteron és a kortizon előfutára.

- viaszok

A viaszok egy lipidek egy kis csoportja, amelyek védő funkcióval bírnak. A fák leveleiben, a madarak tollában, egyes emlősök fülében és olyan helyeken található meg, amelyeket el kell szigetelni vagy meg kell védeni a külső környezettől.

Nukleinsavak

Az nukleinsavak az élőlények genetikai információjának fő szállítómolekulái. Fő feladata a fehérje szintézis folyamatának irányítása, amely meghatározza az egyes élőlények öröklött tulajdonságait. Szén-, hidrogén-, oxigén-, nitrogén- és foszforatomokból állnak.

A nukleinsavak olyan polimerek, amelyek monomer ismétlésekből állnak, úgynevezett nukleotidok. Mindegyik nukleotid egy nitrogéntartalmú aromás bázist tartalmaz, amely egy pentózcukorhoz (öt szénatomhoz) kapcsolódik, amely viszont egy foszfátcsoporthoz kapcsolódik.

A nukleinsavak két fő osztálya a dezoxiribonukleinsav (DNS) és a ribonukleinsav (RNS). A DNS az a molekula, amely a faj összes információját tartalmazza, ezért jelen van minden élőlényben és a legtöbb vírusban.

Az RNS bizonyos vírusok genetikai anyaga, de az összes élő sejtben megtalálható. Itt fontos funkciókat lát el bizonyos folyamatokban, például a fehérjék előállításában.

Minden nukleinsav öt lehetséges nitrogéntartalmú bázist tartalmaz: adenint (A), guanint (G), citozint (C), timint (T) és uracilot (U). A DNS-nek az adenin, guanin, citozin és timin bázisai vannak, míg az RNS ugyanazon bázisokkal rendelkezik, kivéve a timint, amely az RNS-ben az uracil helyettesíti.

- Dezoxiribonukleinsav (DNS)

A DNS-molekula két nukleotidláncból áll, amelyeket foszfodiészter-kötéseknek nevezett kötések kapcsolnak össze. Mindegyik lánc spirál alakú szerkezettel rendelkezik. A két spirál összefonódik, és így dupla spirál képződik. Az alapok a spirál belsejében, a foszfátcsoportok kívül vannak.

A DNS egy foszfáthoz kötött dezoxiribózcukor gerincből és négy nitrogénbázisból áll: adenin, guanin, citozin és timin. Bázispárok képződnek kettős szálú DNS-ben: az adenin mindig kötődik a timinhez (AT) és a guanin a citozinhoz (GC).

A két hellyel együtt tartják a nukleotidbázisok hidrogénkötéssel történő párosítását. A szerkezetet néha létraként írják le, ahol a cukor- és foszfátláncok az oldalak, az alap-bázis kötések pedig a lépcsők.

Ez a szerkezet és a molekula kémiai stabilitása ideális anyagvá teszi a DNS-t a genetikai információk továbbítására. Amikor egy sejt osztódik, DNS-jét lemásolja, és az egyik sejtgenerációból a következő generációra továbbítja.

- Ribonukleinsav (RNS)

Az RNS egy nukleinsavpolimer, amelynek szerkezete egyetlen nukleotidláncból áll: adenin, citozin, guanin és uracil. A DNS-hez hasonlóan a citozin mindig kötődik guaninhoz (CG), az adenin pedig az uracilhoz (AU).

Ez az első közvetítő a genetikai információk sejtekben történő továbbításában. Az RNS elengedhetetlen a fehérje szintézishez, mivel a genetikai kódban szereplő információkat általában átjuttatják a DNS-ből az RNS-be, és ebből a fehérjékbe.

Néhány RNS-nek közvetlen funkciója van a sejtek metabolizmusában is. Az RNS-t úgy állítják elő, hogy egy DNS-szegmens génnek nevezett szegmensének bázisszekvenciáját másolják az egyszálú nukleinsav egy részére. Ezt a transzkripciónak nevezett folyamatot egy RNS-polimeráz nevű enzim katalizálja.

Különböző típusú RNS létezik, főleg három. Az első a hírvivő RNS, melyet közvetlenül a DNS-ből másolnak át transzkripció útján. A második típus a transzfer RNS, amely átadja a helyes aminosavakat a fehérje szintéziséhez.

Végül az RNS másik osztálya a riboszómális RNS, amely néhány fehérjével együtt riboszómákat, celluláris organellákat képez, amelyek felelősek a sejtben lévő összes protein szintetizálásáért.

Fehérje

A fehérjék nagy, összetett molekulák, amelyek számos fontos funkciót látnak el, és a munka nagy részét a sejtekben végzik. Szükségesek az élőlények felépítéséhez, működéséhez és szabályozásához. Szén-, hidrogén-, oxigén- és nitrogénatomokból állnak.

A proteinek kisebb aminosavakból álló egységekből állnak, amelyeket peptidkötések kötnek össze és hosszú láncokat képeznek. Az aminosavak kicsi szerves molekulák, nagyon különleges fizikai-kémiai tulajdonságokkal, 20 különféle típus van.

Az aminosav-szekvencia meghatározza az egyes fehérjék egyedi háromdimenziós szerkezetét és specifikus funkcióját. Valójában az egyes fehérjék funkciói ugyanolyan változatosak, mint azok egyedi aminosavszekvenciái, amelyek meghatározzák azokat a kölcsönhatásokat, amelyek összetett háromdimenziós struktúrákat hoznak létre.

Különféle funkciók

A fehérjék lehetnek a sejt szerkezeti és mozgási komponensei, például aktin. Mások úgy működnek, hogy felgyorsítják a sejten belüli biokémiai reakciókat, például a DNS-polimeráz, amely az a enzim, amely a DNS-t szintetizálja.

Vannak más fehérjék is, amelyeknek az a feladata, hogy fontos üzenetet közvetítsenek a testnek. Például bizonyos típusú hormonok, például növekedési hormonok továbbítják a jeleket a biológiai folyamatok összehangolására a különféle sejtek, szövetek és szervek között.

Néhány fehérje kötődik egymáshoz és atomokat (vagy kis molekulákat) hordoz a sejtekben; ilyen a ferritin, amely felelős a vas tárolásában bizonyos szervezetekben. A fontos fehérjék egy másik csoportja az antitestek, amelyek az immunrendszerhez tartoznak és felelősek a toxinok és kórokozók kimutatásáért.

Így a fehérjék a genetikai információ dekódolási folyamatának végtermékei, amelyek a sejtes DNS-vel kezdődnek. Ez a hihetetlenül sokféle funkció a meglepően egyszerű kódból származik, amely rendkívül változatos struktúrákat képes meghatározni.

Irodalom

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. és Walter, P. (2014). A sejt molekuláris biológiája (6. kiadás). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. és Strayer, L. (2015). Biokémia (8. kiadás). WH Freeman és társaság.
3. Campbell, N. és Reece, J. (2005). Biológia (2. kiadás) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. és Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8. kiadás). WH Freeman és társaság.
5. Solomon, E., Berg, L. és Martin, D. (2004). Biológia (7. kiadás) Cengage Learning.
6. Voet, D., Voet, J. és Pratt, C. (2016). A biokémia alapjai: Az élet molekuláris szinten (5. kiadás). Wiley.