что такое биологические молекулы
Биомолекулы
Биомолекулы — это органические вещества, которые синтезируются живыми организмами. В состав биомолекул включают белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, а также более мелкие компоненты обмена веществ. Биомолекулы состоят из атомов углерода, водорода, азота, кислорода, а также фосфора и серы. Другие атомы входят в состав биологически значимых веществ значительно реже.
Содержание
Классификация
Среди биомолекул выделяют:
Нуклеозиды и нуклеотиды
Нуклеозиды образуются при присоединении азотистого основания к сахару рибозе, примерами нуклеозидов являются цитидин, уридин, аденозин, гуанозин, тимидин и инозин.
Нуклеозиды в клетках могут быть фосфорилированы киназами, при этом образуются нуклеотиды. ДНК и РНК являются линейными полимерами, состоящими из относительно низкомолекулярных мономеров — нуклеотидов, соединенных между собой фосфодиэфирными связями. [1]
Нуклеотиды могут быть источниками энергии, запасенной в химических связях (АТР), принимать участие в передаче сигнала внутри клетки (cGMP, cAMP), являться компонентами кофакторов ферментов (кофермент А, FAD, NAD). [2]
Сахара
Дисахариды образуются при соединении двух молекул простых сахаров, при этом отщепляется одна молекула воды. Дисахариды могут быть гидролизованы до соответствующих моносахаридов разбавленными растворами кислот или соответствующими ферментами. [1] Представителями дисахаридов являются сахароза, мальтоза и лактоза.
Полисахариды являются сложными сахарами, полимерами моносахаридов. Представителями полисахаридов является крахмал, целлюлоза и гликоген. Молекулы полисахаридов обычно имеют разветвленную структуру. Как правило, полисахариды нерастворимы или малорастворимы в воде, однако может происходить гидратация их гидроксильных групп, в таком случае при нагревании в водной среде полисахарид образует коллоид. [1] Более короткие полисахариды, состоящие из 2-10 мономеров, называют олигосахаридами. [4]
Лигнин
Лигнин — это нерегулярный биополимер, состоящий из ароматических колец, соединенных короткими (от одного до трех атомов углерода) углеродными цепями. Лигнин является вторым по значению биополимером после целлюлозы, и является одним из структурных компонентов растений. [5] Лигнин является рацематом, то есть не обладает оптической активностью, не поляризует свет. Эта особенность лигнина вызвана тем, что его полимеризация происходит по свободно-радикальному механизму.
Липиды
Липиды в основном представлены сложными эфирами жирных кислот и являются важными компонентами клеточных мембран. Также липиды выполняют функцию запаса энергии, например, триглицериды. Большинство молекул липидов состоит из гидрофильной головки и от одного до трех гидрофобных хвостов жирных кислот, поэтому липиды являются амфифильными веществами.
В клеточных мембранах представлены следующие классы липидов:
Также к липидам относят простагландины и лейкотриены, 20-углеродные молекулы, синтезируемые из арахидоновой кислоты.
Аминокислоты
Аминокислоты содержат амино- и карбоксильную группу и являются цвиттер-ионами. Биологически значимые аминокислоты представлены только α-аминокислотами, в которых функциональные группы соединены с одним атомом углерода, а также пролином, который является иминокислотой.
Аминокислоты являются мономерами пептидов (2-10 остатков аминокислот), полипептидов и белков. Белки выполняют различные функции в клетке.
Биологически значимы только 20 аминокислот, они закодированы в генетическом коде, всего известно более пятисот природных аминокислот. Известны как минимум две аминокислоты, которые также встраиваются в полипептиды в ходе трансляции у некоторых организмов:
Другие биологически значимые аминокислоты представлены в том числе карнитином, орнитином, гамма-аминомасляной кислотой и таурином.
Витамины
Витамины — вещества, которые организм не способен синтезировать самостоятельно, но необходимые для жизнедеятельности. Витаминами являются, например, многие коферменты. Витамины должны поступать в организм постоянно, обычно в очень малых количествах.
Примечания
Полезное
Смотреть что такое «Биомолекулы» в других словарях:
Химическая эволюция — или пребиотическая эволюция этап предшествовавший появлению жизни[1][2][3], в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу… … Википедия
Первичный суп — Химическая эволюция или пребиотическая эволюция первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу… … Википедия
Пребиотическая эволюция — Химическая эволюция или пребиотическая эволюция первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу… … Википедия
Биоортогональные реакции — К биоортогональным реакциям относятся любые химические реакции, которые могут протекать внутри живых систем, не мешая естественным биохимическим процессам.[1][2][3] Термин был предложен Каролин Бертоцци (Carolyn R. Bertozzi) в 2003 году.[4] Уже к … Википедия
Биополимеры — Биополимеры класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, лигнин. Биополимеры состоят из одинаковых (или схожих) звеньев мономеров. Мономеры … Википедия
Фосфор — I Фосфор (Phosphorus, Р) химический элемент главной подгруппы V группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Элементарный Ф. известен в нескольких аллотропных модификациях: белый (желтый), красный и черный Ф. Многие соединения Ф.… … Медицинская энциклопедия
РАСПЫЛЕНИЕ — твёрдых тел разрушение твёрдых тел под действием бомбардировки их поверхности заряженными и нейтральными частицами (атомами, ионами, нейтронами, электронами и др.) и фотонами. Впервые наблюдалось как разрушение катода в газовом разряде (отсюда… … Физическая энциклопедия
ХИРАЛЬНОСТЬ — св во объекта быть несовместимым со своим отображением в идеальном плоском зеркале. В химии рассматривается X. индивидуальных молекул и их агрегатов. Противоположное X. св во ахиральность, когда отображение в плоском зеркале совместимо с исходной … Химическая энциклопедия
Платидиам — Действующее вещество ›› Цисплатин* (Cisplatin*) Латинское название Platidiam АТХ: ›› L01XA01 Цисплатин Фармакологическая группа: Алкилирующие средства Нозологическая классификация (МКБ 10) ›› C15 C26 Злокачественные новообразования органов… … Словарь медицинских препаратов
кварцевые микровесы — Термин кварцевые микровесы Термин на английском quartz crystal microbalance Синонимы quartz crystal nanobalance, метод пьезоэлектрического микровзвешивания Аббревиатуры QCM, QCN Связанные термины антитело, биосенсор, иммобилизация, пьезоэффект,… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Классификация биомолекул и основные функции
В природе существуют биотические (живые) и абиотические (неживые) системы, которые взаимодействуют и, в некоторых случаях, обмениваются элементами. Общим для всех живых существ является то, что они являются органическими, что означает, что составляющие их молекулы образованы атомами углерода..
Биомолекулы также имеют другие общие атомы помимо углерода. Эти атомы в основном включают водород, кислород, азот, фосфор и серу. Эти элементы также называют биоэлементами, потому что они являются основным компонентом биологических молекул.
Однако есть и другие атомы, которые также присутствуют в некоторых биомолекулах, хотя и в меньших количествах. Обычно это ионы металлов, такие как калий, натрий, железо и магний. Следовательно, биомолекулы могут быть двух типов: органические или неорганические..
Таким образом, организмы состоят из многих типов молекул на основе углерода, например: сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты. Тем не менее, существуют другие соединения, которые также основаны на углероде и не являются частью биомолекул..
Эти молекулы, которые содержат углерод, но не обнаружены в биологических системах, могут быть найдены в земной коре, в озерах, морях и океанах, а также в атмосфере. Движение этих элементов в природе описывается так называемыми биогеохимическими циклами..
Считается, что эти простые органические молекулы, найденные в природе, были теми, которые дали начало самым сложным биомолекулам, которые являются частью фундаментальной структуры для жизни: клетка. Это то, что известно как теория абиотического синтеза.
Классификация и функции биомолекул
Биомолекулы разнообразны по размеру и структуре, что дает им уникальные характеристики для выполнения различных функций, необходимых для жизни. Таким образом, биомолекулы выступают в качестве хранилища информации, источника энергии, поддержки клеточного метаболизма, среди других.
Биомолекулы могут быть классифицированы на две большие группы, основанные на наличии или отсутствии атомов углерода.
Неорганические биомолекулы
Это все те молекулы, которые присутствуют в живых существах и не содержат углерода в своей молекулярной структуре. Неорганические молекулы также могут быть найдены в других (неживых) системах природы.
Типы неорганических биомолекул следующие:
вода
Это основной и основной компонент живых существ, это молекула, образованная атомом кислорода, связанным с двумя атомами водорода. Вода необходима для существования жизни и является самой распространенной биомолекулой.
От 50 до 95% веса любого живого существа составляет вода, поскольку необходимо выполнять несколько важных функций, таких как терморегуляция и перенос веществ.
Минеральные соли
Это простые молекулы, образованные атомами с противоположным зарядом, которые полностью разделяются в воде. Например: хлорид натрия, образованный атомом хлора (отрицательно заряженный) и атомом натрия (положительно заряженный).
Минеральные соли участвуют в образовании жестких структур, таких как кости позвоночных или экзоскелет беспозвоночных. Эти неорганические биомолекулы также необходимы для выполнения многих важных клеточных функций..
газов
Это молекулы, которые находятся в форме газа. Они имеют основополагающее значение для дыхания животных и фотосинтеза в растениях..
Примерами этих газов являются: молекулярный кислород, образованный двумя атомами кислорода, связанными вместе; и диоксид углерода, образованный атомом углерода, присоединенным к двум атомам кислорода. Обе биомолекулы участвуют в газообразном обмене, который делают живые существа с окружающей средой..
Органические биомолекулы
Типы органических биомолекул следующие:
углеводы
Углеводы, вероятно, являются наиболее распространенными и широко распространенными органическими веществами в природе и являются важными компонентами всего живого..
Углеводы вырабатываются зелеными растениями из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза.
Эти биомолекулы в основном состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Они также известны как углеводы или сахариды, и они функционируют как источники энергии и как структурные компоненты организмов..
— моносахариды
Моносахариды являются простейшими углеводами и их часто называют простыми сахарами. Они являются элементарными строительными блоками, из которых образуются все самые большие углеводы.
Моносахариды имеют общую молекулярную формулу (CH2O) n, где n может быть 3, 5 или 6. Таким образом, моносахариды можно классифицировать в соответствии с числом атомов углерода, присутствующих в молекуле:
Если n = 3, молекула является триозой. Например: глицеральдегид.
Если n = 5, молекула является пентозой. Например: рибоза и дезоксирибоза.
Если n = 6, молекула является гексозой. Например: фруктоза, глюкоза и галактоза.
Пентозы и гексозы могут существовать в двух формах: циклическая и нециклическая. В нециклической форме их молекулярные структуры показывают две функциональные группы: альдегидную группу или кетоновую группу.
Моносахариды, которые содержат альдегидную группу, называются альдозами, а те, которые имеют кетоновую группу, называются кетозами. Альдозы являются редуцирующими сахарами, в то время как кетозы являются нередуцирующими сахарами.
Однако в воде пентозы и гексозы существуют главным образом в циклической форме, и именно в этой форме они объединяются, образуя более крупные молекулы сахаридов..
— дисахариды
Большинство сахаров, встречающихся в природе, являются дисахаридами. Они образуются в результате образования гликозидной связи между двумя моносахаридами в результате реакции конденсации, которая выделяет воду. Этот процесс образования связи требует энергии для удержания вместе двух моносахаридных единиц.
Тремя наиболее важными дисахаридами являются сахароза, лактоза и мальтоза. Они образуются в результате конденсации соответствующих моносахаридов. Сахароза является невосстанавливающим сахаром, в то время как лактоза и мальтоза являются редуцирующими сахарами..
Дисахариды растворимы в воде, но они представляют собой очень большие биомолекулы, которые проникают через клеточную мембрану путем диффузии. По этой причине они расщепляются в тонкой кишке во время пищеварения, так что их основные компоненты (то есть моносахариды) попадают в кровь и в другие клетки..
Моносахариды очень быстро используются клетками. Однако, если клетка не нуждается в энергии немедленно, она может хранить ее в форме более сложных полимеров. Таким образом, моносахариды превращаются в дисахариды в результате реакций конденсации, происходящих в клетке..
— олигосахариды
Большинство природных олигосахаридов содержится в растениях и, за исключением мальтотриозы, усваивается человеком, поскольку человеческому организму не хватает необходимых энзимов в тонкой кишке для их расщепления..
В толстой кишке полезные бактерии могут расщеплять олигосахариды путем ферментации; таким образом они превращаются в усваиваемые питательные вещества, которые обеспечивают некоторую энергию. Некоторые продукты разложения олигосахаридов могут оказывать благотворное влияние на слизистую оболочку толстой кишки..
Примеры олигосахаридов включают рафинозу, трисахарид из бобовых и некоторые злаки, состоящие из глюкозы, фруктозы и галактозы. Мальтотриоза, трисахарид глюкозы, вырабатывается некоторыми растениями и в крови некоторых членистоногих..
— полисахариды
Моносахариды могут подвергаться серии реакций конденсации, добавляя одну цепочку за другой к цепи, пока не образуются очень большие молекулы. Это полисахариды.
Свойства полисахаридов зависят от нескольких факторов их молекулярной структуры: длины, боковых ответвлений, складчатости и того, является ли цепь «прямой» или «в стиле фанк». Есть несколько примеров полисахаридов в природе.
Крахмал часто вырабатывается на растениях как способ накопления энергии и состоит из α-глюкозных полимеров. Если полимер разветвлен, его называют амилопектином, а если он не разветвлен, его называют амилозой..
Гликоген является полисахаридом запаса энергии у животных и состоит из амилопектинов. Таким образом, крахмал у растений разлагается в организме с образованием глюкозы, которая поступает в клетку и используется в обмене веществ. Глюкоза, которая не используется, полимеризуется и образует гликоген, резервуар энергии.
липиды
— триглицериды
Триглицериды образуются молекулой глицерина, связанной с тремя цепями жирных кислот. Жирная кислота представляет собой линейную молекулу, которая содержит на одном конце карбоновую кислоту, за которой следует углеводородная цепь и метильная группа на другом конце.
В зависимости от их структуры, жирные кислоты могут быть насыщенными или ненасыщенными. Если углеводородная цепь содержит только одинарные связи, это насыщенная жирная кислота. И наоборот, если эта углеводородная цепь имеет одну или несколько двойных связей, жирная кислота является ненасыщенной.
фосфолипиды
Фосфолипиды похожи на триглицериды в том, что они содержат молекулу глицерина, связанную с двумя жирными кислотами. Разница в том, что фосфолипиды имеют фосфатную группу в третьем углероде глицерина вместо другой молекулы жирной кислоты.
Эти липиды очень важны из-за того, как они могут взаимодействовать с водой. Имея фосфатную группу на одном конце, молекула становится гидрофильной (притягивает воду) в этой области. Тем не менее, он остается гидрофобным в остальной части молекулы.
Из-за своей структуры фосфолипиды, как правило, организованы таким образом, что фосфатные группы могут взаимодействовать с водной средой, в то время как гидрофобные цепи, которые они организуют внутри, находятся далеко от воды. Таким образом, фосфолипиды являются частью всех биологических мембран.
— стероид
Стероиды состоят из четырех конденсированных углеродных колец, которые соединены различными функциональными группами. Одним из наиболее важных является холестерин, он необходим для живых существ. Он является предшественником некоторых важных гормонов, таких как эстроген, тестостерон и кортизон, среди других.
— восков
Воски представляют собой небольшую группу липидов, которые выполняют защитную функцию. Они встречаются в листьях деревьев, в перьях птиц, в ушах некоторых млекопитающих и в местах, которые необходимо изолировать или защитить от внешней среды..
Нуклеиновые кислоты
Каждая нуклеиновая кислота содержит четыре из пяти возможных оснований, содержащих азот: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C), тимин (T) и урацил (U). ДНК имеет основания аденин, гуанин, цитозин и тимин, в то время как РНК имеет то же самое, за исключением тимина, который заменяется урацилом в РНК..
— Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
Молекула ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, связанных связями, называемыми фосфодиэфирными связями. Каждая цепь имеет структуру в форме спирали. Две спирали переплетаются, образуя двойную спираль. Основания находятся внутри пропеллера, а фосфатные группы находятся снаружи..
ДНК состоит из основной цепи сахарной дезоксирибозы, связанной с фосфатом, и четырех азотистых оснований: аденина, гуанина, цитозина и тимина. Пары оснований образуются в двухцепочечной ДНК: аденин всегда связывается с тимином (A-T), а гуанин с цитозином (G-C).
Две спирали удерживаются вместе путем сопоставления оснований нуклеотидов водородными связями. Структура иногда описывается как лестница, где сахарные и фосфатные цепи являются сторонами, а связи основание-основание являются перекладинами.
Эта структура вместе с химической стабильностью молекулы делает ДНК идеальным материалом для передачи генетической информации. Когда клетка делится, ее ДНК копируется и переходит от одного поколения клеток к следующему поколению.
— Рибонуклеиновая кислота (РНК)
РНК представляет собой полимер нуклеиновой кислоты, структура которого образована одной цепочкой нуклеотидов: аденин, цитозин, гуанин и урацил. Как и в ДНК, цитозин всегда связывается с гуанином (C-G), но аденин связывается с урацилом (A-U).
Это первый посредник в передаче генетической информации в клетках. РНК необходима для синтеза белков, поскольку информация, содержащаяся в генетическом коде, обычно передается от ДНК к РНК и от нее к белкам..
Некоторые РНК также имеют прямые функции в клеточном метаболизме. РНК получают путем копирования последовательности оснований сегмента ДНК, называемого геном, в одноцепочечную часть нуклеиновой кислоты. Этот процесс, называемый транскрипцией, катализируется ферментом, называемым РНК-полимеразой..
белок
Белки состоят из более мелких единиц, называемых аминокислотами, связанных между собой пептидными связями и образующих длинные цепи. Аминокислоты представляют собой небольшие органические молекулы с очень специфическими физико-химическими свойствами, существует 20 различных типов.
Аминокислотная последовательность определяет уникальную трехмерную структуру каждого белка и его специфическую функцию. Фактически, функции отдельных белков так же разнообразны, как и их уникальные аминокислотные последовательности, которые определяют взаимодействия, которые генерируют сложные трехмерные структуры..
Разнообразные функции
Белки могут быть структурными и движущими компонентами клетки, такими как актин. Другие работают, ускоряя биохимические реакции в клетке, такие как ДНК-полимераза, которая является ферментом, который синтезирует ДНК.
Существуют и другие белки, функция которых заключается в передаче важного сообщения организму. Например, некоторые типы гормонов, такие как гормон роста, передают сигналы для координации биологических процессов между различными клетками, тканями и органами.
Некоторые белки связывают и транспортируют атомы (или небольшие молекулы) внутри клеток; Так обстоит дело с ферритином, который ответственен за хранение железа в некоторых организмах. Другой группой важных белков являются антитела, которые принадлежат иммунной системе и отвечают за обнаружение токсинов и патогенов..
Таким образом, белки являются конечными продуктами процесса расшифровки генетической информации, которая начинается с клеточной ДНК. Это невероятное разнообразие функций происходит от удивительно простого кода, который может задавать чрезвычайно разнообразный набор структур..
Биологические молекулы
Биологические молекулы имеют модульное строение. К числу важных классов биологических молекул относятся белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Множество других молекул в клетке играют роль «энергетической валюты».
Жизнь — таинственная, сложная, загадочная — не что иное как совокупность достаточно крупных молекул и довольно простых химических реакций. Если бы вам понадобилось конструировать крупные молекулы, вы пошли бы по одному из двух путей. Либо, как в кустарном ювелирном деле, вы стали строить каждую молекулу «с нуля», проделывая каждый раз уникальную работу. Либо — этот путь используется в современных строительных технологиях — вы бы изготовили набор простых молекул, из которых можно собирать самые разнообразные молекулы большего размера, сочетая модули тем или иным образом. Оказывается, именно такое модульное строение имеют биологические молекулы. Согласно теории эволюции, таким и должен был быть самой простой путь к крупным молекулам, поскольку в начале эволюционного процесса необходимость в конструировании очень сложных молекул отсутствовала. Со временем же могли добавляться новые модули, расширяя коллекцию крупных разнородных элементов, что вполне соответствует духу эволюции.
Основной структурной единицей белков являются молекулы аминокислот. Чтобы понять, что такое аминокислота, представьте себе совокупность атомов, у которых с одной стороны наружу выступает водород, с другой — соединенные между собой кислород и водород, а посередине расположены разнообразные другие компоненты. Подобно тому как бусины нанизываются на нить, из этих аминокислот собираются белки — ион водорода одной аминокислоты объединяется с ионом гидроксила другой аминокислоты с образованием молекулы воды. (Представьте, как каждый раз при соединении двух аминокислотных молекул между ними пробегает капелька воды.) Среди белков самую важную роль играют белки-ферменты (см. Катализаторы и ферменты), регулирующие химические реакции в клетках; но белки также являются важными структурными компонентами живых организмов. Например, ваши волосы и ногти состоят из белков.
Кроме того, в липидах запасается энергия. Липиды могут накапливать примерно вдвое больше энергии на единицу массы, чем углеводы. Вот почему, когда вы переедаете и ваш организм хочет запасти энергию на случай непредвиденных обстоятельств в будущем, когда пищи не будет, он станет запасать ее в форме жира. На этом простом факте строится многомиллиардная индустрия диетических продуктов.
Молекулы ДНК и РНК (см. Центральная догма молекулярной биологии) переносят информацию о химических процессах, идущих в клетке, и участвуют в передаче содержащейся в ДНК информации в цитоплазму клетки. В ДНК живого организма закодированы белки-ферменты, которые катализируют все химические реакции, происходящие в этом организме.
Жизнедеятельность требует затрат энергии. В частности, нужно, чтобы энергия, произведенная в одном месте, могла быть использована в другом. Эту функцию в клетке осуществляет целая армия специализированных молекул. Пожалуй, самые важные из них — аденозин трифосфат (АТФ) и аденозин дифосфат (АДФ). Обе молекулы устроены так: группа из атомов углерода, водорода и азота (она называется аденин) присоединена к молекуле рибозы (это сахар), и все это вместе крепится к хвосту из фосфатов. Из названий молекул понятно, что в хвосте АДФ содержится два фосфата, а в хвосте АТФ — три. Когда в клетке происходит химический процесс, например фотосинтез, образующаяся энергия идет на присоединение третьего фосфата к хвосту АДФ. Полученная молекула АТФ затем переносится в другие части клетки. Там запасенная энергия может быть использована в других химических процессах: она выделяется при отщеплении последнего фосфата от АТФ, в результате чего АТФ вновь превращается в АДФ.
Как мы уже упоминали, существуют и другие молекулы, которые переносят энергию в клетке. Набор таких молекул чем-то напоминает разные варианты оплаты счетов. Вы можете выбрать наличные, банковский перевод, кредитную карту и т. д. — в зависимости от того, какой способ вам удобнее. Так же и клетка для поддержания своей жизнедеятельности может использовать АТФ (эквивалент наличных денег) или любую другую из большого набора более сложных молекул.