БИОМОЛЕКУЛИ: КЛАСИФИКАЦИЯ И ОСНОВНИ ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На биомолекули са молекули, които се генерират в живи същества. Префиксът „био“ означава живот; следователно, биомолекулата е молекула, произведена от живо същество. Живите същества са изградени от различни видове молекули, които изпълняват различни функции, необходими за живота.

В природата съществуват биотични (живи) и абиотични (неживи) системи, които си взаимодействат и в някои случаи обменят елементи. Една характеристика, която всички живи същества имат общо, е, че те са органични, което означава, че съставните им молекули са изградени от въглеродни атоми.

Биомолекулите имат и други общи атоми, освен въглерода. Тези атоми включват главно водород, кислород, азот, фосфор и сяра. Тези елементи се наричат ​​също 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. Това обикновено са метални йони като калий, натрий, желязо и магнезий. Следователно, биомолекулите могат да бъдат от два вида: органични или неорганични.

Така организмите се състоят от много видове молекули на въглеродна основа, например: захари, мазнини, протеини и нуклеинови киселини. Съществуват обаче и други съединения, които също са на въглеродна основа и не са част от биомолекулите.

Тези молекули, съдържащи въглерод, които не се намират в биологичните системи, могат да бъдат намерени 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 били тези, които са породили най-сложните биомолекули, които са част от основната структура на живота: клетката. Това е това, което е известно като теория на абиотичния синтез.

Класификация и функции на биомолекулите

Биомолекулите са разнообразни по размер и структура, което им дава уникални характеристики за изпълнение на различните функции, необходими за живота. По този начин биомолекулите действат като съхранение на информация, източник на енергия, поддръжка, клетъчен метаболизъм и други.

Биомолекулите могат да бъдат класифицирани в две големи групи въз основа на наличието или отсъствието на въглеродни атоми.

Неорганични биомолекули

Те са всички онези молекули, които присъстват в живите същества и които не съдържат въглерод в молекулната си структура. Неорганичните молекули могат да се намерят и в други (неживи) системи в природата.

Видовете неорганични биомолекули са както следва:

вода

Той е основният и основен компонент на живите същества, това е молекула, образувана от кислороден атом, свързан с два водородни атома. Водата е от съществено значение за съществуването на живота и е най-разпространената биомолекула.

Между 50 и 95% от теглото на всяко живо същество е водата, тъй като е необходимо да се изпълняват няколко важни функции, като термична регулация и транспорт на вещества.

Минерални соли

Те са прости молекули, съставени от противоположно заредени атоми, които се разделят напълно във вода. Например: натриев хлорид, съставен от хлорен атом (отрицателно зареден) и натриев атом (положително зареден).

Минералните соли участват във формирането на твърди структури, като костите на гръбначните животни или екзоскелета на безгръбначни. Тези неорганични биомолекули също са необходими за извършване на много важни клетъчни функции.

Газове

Те са молекули, които са под формата на газ. Те са от съществено значение за дишането на животните и фотосинтезата в растенията.

Примери за тези газове са: молекулен кислород, съставен от два кислородни атома, свързани заедно; и въглероден диоксид, съставен от въглероден атом, свързан към два кислородни атома. И двете биомолекули участват в обмена на газ, който живите същества осъществяват със своята среда.

Органични биомолекули

Органичните биомолекули са тези молекули, които съдържат въглеродни атоми в структурата си. Органичните молекули също могат да бъдат открити разпространени в природата като част от неживите системи и те представляват това, което е известно като биомаса.

Видовете органични биомолекули са следните:

Въглехидрати

Въглехидратите са може би най-обилните и широко разпространени органични вещества в природата и те са основни компоненти на всички живи същества.

Въглехидратите се получават от зелени растения от въглероден диоксид и вода по време на процеса на фотосинтеза.

Тези биомолекули са изградени главно от въглеродни, водородни и кислородни атоми. Те са известни също като въглехидрати или захариди и функционират като източници на енергия 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 всички най-големи въглехидрати.

Монозахаридите имат общата 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 триосна. 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 под две форми: циклична и нециклична. В нецикличната форма молекулните му структури показват две функционални групи: алдехидна група или кетонова 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 водните пентози и хексозите обаче съществуват главно в циклична форма и именно в тази форма те се комбинират, за да образуват по-големи захаридни молекули.

- Дизахариди

Повечето от съдържащите се в природата захари са дизахариди. Те се образуват при образуването на гликозидна връзка между два монозахарида чрез реакция на кондензация, която освобождава водата. Този процес на образуване на връзка изисква енергия, за да държи двете монозахаридни единици заедно.

Трите най-важни дизахариди са захароза, лактоза и малтоза. Те се образуват от кондензацията на съответните монозахариди. Захарозата е нередуцираща захар, докато лактозата и малтозата са редуциращи захари.

Дисахаридите са разтворими във вода, но са биомолекули, които са твърде големи, за да преминат през клетъчната мембрана чрез дифузия. Поради тази причина те се разграждат в тънките черва по време на храносмилането, така че техните основни компоненти (т.е. монозахариди) да преминат в кръвта и други клетки.

Монозахаридите се използват много бързо от клетките. Ако обаче клетката не се нуждае от енергия, тя може незабавно да я съхранява под формата на по-сложни полимери. По този начин монозахаридите се превръщат в дизахариди чрез реакции на кондензация, които протичат в клетката.

- Олигозахариди

Олигозахаридите са междинни молекули, съставени от три до девет прости захарни единици (монозахариди). Те се образуват чрез частично разграждане на по-сложни въглехидрати (полизахариди).

Повечето естествено срещащи се олигозахариди се намират в растенията и, с изключение на малтотриозата, са несмилаеми от хората, тъй като човешкото тяло няма необходимите ензими в тънките черва, за да ги разгради.

В дебелото черво полезните бактерии могат да разграждат олигозахаридите чрез ферментация; по този начин те се трансформират в усвоими хранителни вещества, които осигуряват малко енергия. Някои продукти на разпадане на олигозахариди могат да имат благоприятен ефект върху лигавицата на дебелото черво.

Примери за олигозахариди включват рафиноза, трисахарид от бобови растения и някои зърнени култури, съставени от глюкоза, фруктоза и галактоза. Малтотриоза, глюкозен трисахарид, се среща в някои растения и в кръвта на някои членестоноги.

- Полизахариди

Монозахаридите могат да претърпят поредица от реакции на кондензация, добавяйки една единица след друга към веригата, докато се образуват много големи молекули. Това са полизахаридите.

Свойствата на полизахаридите зависят от няколко фактора на молекулната им структура: дължина, странични клони, гънки и дали веригата е "права" или "навита". Има няколко примера на полизахариди в природата.

Нишестето често 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, а ако не е разклонен, се нарича амилоза.

Гликогенът е енергийният резерв полизахарид при животни и се състои от амилопектини. Така нишестето на 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, запаса на енергия.

Липидите

Липидите са друг вид органични биомолекули, чиято основна характеристика е, че те са хидрофобни (отблъскват водата) и следователно те са неразтворими във вода. В зависимост от тяхната структура липидите могат да бъдат класифицирани в 4 основни групи:

- Триглицериди

Триглицеридите се състоят от молекула на глицерол, свързана с три вериги мастни киселини. Мастната киселина е линейна молекула, която съдържа карбоксилна киселина в единия край, последвана от въглеводородна верига и метилова група в другия край.

В зависимост от тяхната структура мастните киселини могат да бъдат наситени или ненаситени. Ако въглеводородната верига съдържа само единични връзки, това е наситена мастна киселина. И обратно, ако тази въглеводородна верига има една или повече двойни връзки, мастната киселина е ненаситена.

В тази категория са масла и мазнини. Първите са енергийният резерв на растенията, имат ненаситени състояния и са течни при стайна температура. За разлика от тях мазнините са запасите на енергия на животните, те са наситени и твърди молекули при стайна температура.

Фосфолипидите

Фосфолипидите са подобни на триглицеридите по това, че имат молекула глицерол, свързана с две мастни киселини. Разликата е, че фосфалипидите имат фосфатна група на третия въглерод от глицерол, а не друга молекула на мастни киселини.

Тези липиди са много важни поради начина, по който могат да взаимодействат с водата. Имайки фосфатна група в единия край, молекулата става хидрофилна (привлича вода) в този регион. Въпреки това, той все още е хидрофобен в останалата част от молекулата.

Поради своята структура фосфолипидите са склонни да се организират по такъв начин, че фосфатните групи да са на разположение за взаимодействие с водната среда, докато хидрофобните вериги, които те организират вътре, са далеч от водата. Така фосфолипидите са част от всички биологични мембрани.

- Стероиди

Стероидите са съставени от четири кондензирани въглеродни пръстена, към които са прикрепени различни функционални групи. Един от най-важните е холестеролът, тъй като 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 намират 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.

Нуклеинова киселина

Нуклеиновите киселини са основните транспортни молекули на генетична информация в живите същества. Основната му функция е да ръководи процеса на синтеза на протеини, които определят наследствените характеристики на всяко живо същество. Те са съставени от атоми на въглерод, водород, кислород, азот и фосфор.

Нуклеиновите киселини са полимери, съставени от повторения на мономери, наречени нуклеотиди. Всеки нуклеотид се състои от азотсъдържаща ароматна основа, прикрепена към пентозна захар (пет въглерода), която от своя страна е прикрепена към фосфатна група.

Двата основни класа нуклеинови киселини са дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) и рибонуклеиновата киселина (РНК). ДНК е молекулата, която съдържа цялата информация на един вид, поради което тя присъства във всички живи същества и в повечето вируси.

РНК е генетичният материал на определени вируси, но той се намира и във всички живи клетки. Там той изпълнява важни функции в определени процеси, като например производството на протеини.

Всяка нуклеинова киселина съдържа четири от пет възможни азотосъдържащи основи: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). ДНК има бази аденин, гуанин, цитозин и тимин, докато РНК има същите бази с изключение на тимин, който е заместен с урацил в РНК.

- Деоксирибонуклеинова киселина (ДНК)

ДНК молекулата е изградена от две вериги нуклеотиди, съединени от връзки, наречени фосфодиестерни връзки. Всяка верига има структура във формата на спирала. Двете спирали се преплитат, за да дадат двойна спирала. Основите са от вътрешната страна на спиралата, а фосфатните групи са от външната страна.

ДНК се състои от фосфатно свързана дезоксирибоза захарна основа и четирите азотни основи: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Базовите двойки се формират в двуверижна ДНК: аденинът винаги се свързва с тимин (AT), а гуанинът с цитозин (GC).

Двете спирали се държат заедно чрез сдвояване на нуклеотидните бази чрез водородна връзка. Структурата понякога се описва като стълба, където захарната и фосфатната вериги са страни, а връзките на основата - основата.

Тази структура, заедно с химическата стабилност на молекулата, прави ДНК идеалният материал за предаване на генетична информация. Когато клетката се раздели, нейната ДНК се копира и се предава от едно поколение клетки на следващо поколение.

- Рибонуклеинова киселина (РНК)

РНК е полимер на нуклеинова киселина, чиято структура е изградена от единична нуклеотидна верига: аденин, цитозин, гуанин и урацил. Както в ДНК, цитозинът винаги се свързва с гуанин (CG), но аденинът се свързва с урацил (UA).

Той е първият посредник в преноса 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 в РНК и от това към протеини.

Някои РНК също имат директни функции в клетъчния метаболизъм. РНК се получава чрез копиране на основната последователност на сегмент от ДНК, наречен ген, върху част от едноверижна нуклеинова киселина. Този процес, наречен транскрипция, се катализира от ензим, наречен РНК полимераза.

Има няколко различни типа РНК, главно има 3. Първият е пратеник РНК, който е този, който се копира директно от ДНК чрез транскрипция. Вторият тип е трансферна РНК, която е тази, която прехвърля правилните аминокиселини за синтеза на протеини.

И накрая, другият клас на РНК е рибозомна РНК, която заедно с някои протеини образува рибозоми, клетъчни органели, отговорни за синтеза на всички протеини в клетката.

протеин

Протеините са големи, сложни молекули, които изпълняват много важни функции и вършат по-голямата част от работата в клетките. Те са необходими за структурата, функцията и регулирането на живите същества. Те се състоят от въглеродни, водородни, кислородни и азотни атоми.

Протеините се състоят от по-малки единици, наречени аминокиселини, свързани заедно с пептидни връзки и образуващи дълги вериги. Аминокиселините са малки органични молекули с много специфични физикохимични свойства, има 20 различни типа.

Аминокиселинната последователност определя уникалната триизмерна структура на всеки протеин и неговата специфична функция. Всъщност 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 компоненти за клетката, като актин. Други работят като ускоряват биохимичните реакции в клетката, като ДНК полимераза, която е ензимът, който синтезира ДНК.

Има и други протеини, чиято функция е да предадат важно послание на тялото. Например, някои видове хормони като хормони на растежа предават сигнали за координиране на биологичните процеси между различни клетки, тъкани и органи.

Някои протеини се свързват заедно и носят атоми (или малки молекули) в клетките; такъв е случаят с феритин, който е отговорен за съхраняването на желязо в някои организми. Друга група от 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, който започва с клетъчната ДНК. Това невероятно разнообразие от функции се извлича от изненадващо прост код, който е в състояние да конкретизира изключително разнообразен набор от структури.

Препратки

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Молекулярна биология на клетката (6-то изд.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Биохимия (8-мо изд.). WH Freeman и компания.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Биология (2-ро изд.) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Молекулярна клетъчна биология (8-мо изд.). WH Freeman и компания.
5. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Биология (7-мо изд.) Учебно обучение.
6. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Основи на биохимията: живот на молекулярно ниво (5-то изд.). Уайли.