BIOMOLEKULY: KLASIFIKACE A HLAVNÍ FUNKCE - BIOLOGIE

Tyto biomolekuly jsou molekuly, které jsou generovány v živých bytostí. Předpona „bio“ znamená život; biomolekula je tedy molekula produkovaná živou bytostí. Živé bytosti jsou tvořeny různými typy molekul, které vykonávají různé funkce nezbytné pro život.

V přírodě existují biotické (živé) a abiotické (neživé) systémy, které interagují a v některých případech si vyměňují prvky. Jedna vlastnost, kterou mají všechny živé věci, je to, že jsou organické, což znamená, že jejich základní molekuly jsou tvořeny atomy uhlíku.

Biomolekuly mají kromě uhlíku také společné jiné atomy. Tyto atomy zahrnují hlavně vodík, kyslík, dusík, fosfor a síru. Tyto prvky se také nazývají bioelementy, protože jsou hlavní složkou biologických molekul.

V některých biomolekulách jsou však i jiné atomy, i když v menším množství. Jedná se obecně o kovové ionty, jako je draslík, sodík, železo a hořčík. V důsledku toho mohou být biomolekuly dvou typů: organické nebo anorganické.

Organismy jsou tedy tvořeny mnoha typy molekul na bázi uhlíku, například: cukry, tuky, proteiny a nukleové kyseliny. Existují však i jiné sloučeniny, které jsou také na bázi uhlíku a nejsou součástí biomolekul.

Tyto molekuly obsahující uhlík, které se nenacházejí v biologických systémech, se nacházejí v zemské kůře, v jezerech, mořích a oceánech a v atmosféře. Pohyb těchto prvků v přírodě je popsán v tzv. Biogeochemických cyklech.

Tyto jednoduché organické molekuly nalezené v přírodě jsou považovány za ty, které daly vzniknout nejsložitějším biomolekulám, které jsou součástí základní struktury života: buňce. To je známé jako teorie abiotické syntézy.

Klasifikace a funkce biomolekul

Biomolekuly mají různou velikost a strukturu, což jim dává jedinečné vlastnosti pro výkon různých funkcí nezbytných pro život. Biomolekuly tak fungují mimo jiné jako ukládání informací, zdroj energie, podpora, buněčný metabolismus.

Biomolekuly lze rozdělit do dvou velkých skupin na základě přítomnosti nebo nepřítomnosti atomů uhlíku.

Anorganické biomolekuly

Jsou to všechny molekuly, které jsou přítomny v živých bytostech a neobsahují uhlík ve své molekulární struktuře. Anorganické molekuly lze také nalézt v jiných (neživých) systémech v přírodě.

Typy anorganických biomolekul jsou následující:

Voda

Je to hlavní a základní složka živých bytostí, je to molekula tvořená atomem kyslíku spojeným se dvěma atomy vodíku. Voda je nezbytná pro existenci života a je nejčastější biomolekula.

Mezi 50 a 95% hmotnosti každé živé bytosti je voda, protože je nutné vykonávat několik důležitých funkcí, jako je tepelná regulace a transport látek.

Minerální soli

Jsou to jednoduché molekuly tvořené opačně nabitými atomy, které se zcela oddělují ve vodě. Například: chlorid sodný, tvořený atomem chloru (záporně nabitý) a atomem sodíku (kladně nabitý).

Minerální soli se podílejí na tvorbě tuhých struktur, jako jsou kosti obratlovců nebo exoskeleton bezobratlých. Tyto anorganické biomolekuly jsou také nezbytné k provádění mnoha důležitých buněčných funkcí.

Plyny

Jsou to molekuly, které jsou ve formě plynu. Jsou nezbytné pro dýchání zvířat a fotosyntézu v rostlinách.

Příklady těchto plynů jsou: molekulární kyslík, složený ze dvou atomů kyslíku, které jsou vzájemně spojeny; a oxid uhličitý, tvořený atomem uhlíku vázaným ke dvěma atomům kyslíku. Obě biomolekuly se účastní výměny plynů, které živé bytosti provádějí se svým prostředím.

Organické biomolekuly

Organické biomolekuly jsou molekuly, které ve své struktuře obsahují atomy uhlíku. Organické molekuly lze také nalézt distribuované v přírodě jako součást neživých systémů a tvoří to, co se nazývá biomasa.

Typy organických biomolekul jsou následující:

Sacharidy

Sacharidy jsou pravděpodobně nejrozšířenější a nejrozšířenější organické látky v přírodě a jsou nezbytnou součástí všech živých věcí.

Sacharidy jsou produkovány zelenými rostlinami z oxidu uhličitého a vody během procesu fotosyntézy.

Tyto biomolekuly jsou tvořeny hlavně atomy uhlíku, vodíku a kyslíku. Jsou také známé jako uhlohydráty nebo sacharidy a fungují jako zdroje energie a jako strukturální složky organismů.

- Monosacharidy

Monosacharidy jsou nejjednodušší uhlohydráty a často se nazývají jednoduché cukry. Jsou to základní stavební kameny, ze kterých se tvoří všechny největší uhlohydráty.

Monosacharidy mají obecný molekulární vzorec (CH2O) n, kde n může být 3, 5 nebo 6. Monosacharidy lze tedy klasifikovat podle počtu atomů uhlíku přítomných v molekule:

Pokud n = 3, jedná se o triosu. Například: glyceraldehyd.

Pokud n = 5, jedná se o pentózu. Například: ribóza a deoxyribóza.

Pokud n = 6, jedná se o hexózu. Například: fruktóza, glukóza a galaktóza.

Pentózy a hexózy mohou existovat ve dvou formách: cyklické a necyklické. V necyklické formě vykazují její molekulární struktury dvě funkční skupiny: aldehydovou skupinu nebo ketonovou skupinu.

Monosacharidy, které obsahují aldehydovou skupinu, se nazývají aldózy a ty, které mají ketonovou skupinu, se nazývají ketózy. Aldózy redukují cukry, zatímco ketózy neredukující cukry.

Ve vodě však pentózy a hexózy existují hlavně v cyklické formě a právě v této formě se kombinují za vzniku větších sacharidových molekul.

- Disacharidy

Většina cukrů vyskytujících se v přírodě jsou disacharidy. Ty se vytvářejí tvorbou glykosidické vazby mezi dvěma monosacharidy kondenzační reakcí, která uvolňuje vodu. Tento proces vytváření vazby vyžaduje energii k udržení dvou monosacharidových jednotek pohromadě.

Tři nejdůležitější disacharidy jsou sacharóza, laktóza a maltóza. Vznikají kondenzací vhodných monosacharidů. Sacharóza je neredukující cukr, zatímco laktóza a maltóza redukují cukry.

Disacharidy jsou rozpustné ve vodě, ale jsou to biomolekuly, které jsou příliš velké na to, aby procházely buněčnou membránou difúzí. Z tohoto důvodu se během trávení rozkládají v tenkém střevě, takže jejich základní složky (tj. Monosacharidy) přecházejí do krve a dalších buněk.

Monosacharidy se v buňkách používají velmi rychle. Pokud však buňka nepotřebuje energii, může ji okamžitě uložit ve formě složitějších polymerů. Monosacharidy se tedy přeměňují na disacharidy kondenzačními reakcemi, ke kterým dochází v buňce.

- Oligosacharidy

Oligosacharidy jsou meziprodukty tvořené ze tří až devíti jednoduchých cukerných jednotek (monosacharidů). Vznikají částečným rozkladem složitějších uhlohydrátů (polysacharidy).

Nejčastěji se vyskytující oligosacharidy se vyskytují v rostlinách a, s výjimkou maltotriózy, jsou člověkem nestrávitelné, protože lidskému tělu chybí potřebné enzymy v tenkém střevě, které je rozloží.

Ve tlustém střevě mohou prospěšné bakterie degradovat oligosacharidy fermentací; tak jsou přeměněny na vstřebatelné živiny, které poskytují určitou energii. Některé produkty rozkladu oligosacharidů mohou mít příznivý účinek na výstelku tlustého střeva.

Příklady oligosacharidů zahrnují rafinózu, trisacharid ze luštěnin a některé obiloviny složené z glukózy, fruktózy a galaktózy. Maltotriose, glukózový trisacharid, se vyskytuje v některých rostlinách a v krvi určitých členovců.

- Polysacharidy

Monosacharidy mohou podstoupit řadu kondenzačních reakcí, přičemž do řetězce přidávají jednu jednotku za druhou, dokud se nevytvoří velmi velké molekuly. Jedná se o polysacharidy.

Vlastnosti polysacharidů závisí na několika faktorech jejich molekulární struktury: délka, boční větve, záhyby a to, zda je řetězec „rovný“ nebo „stočený“. V přírodě existuje několik příkladů polysacharidů.

Škrob je často produkován v rostlinách jako způsob ukládání energie a je tvořen polymery a-glukózy. Pokud je polymer rozvětvený, nazývá se amylopektin, a pokud není rozvětvený, nazývá se amylóza.

Glykogen je energetický rezervní polysacharid u zvířat a je tvořen amylopektiny. Škrob rostlin se tedy v těle rozkládá na glukózu, která vstupuje do buňky a používá se v metabolismu. Glukóza, která se nepoužívá, polymerizuje a vytváří glykogen, což je zásoba energie.

Lipidy

Lipidy jsou dalším typem organických biomolekul, jejichž hlavní charakteristikou je, že jsou hydrofobní (odpuzují vodu), a proto jsou ve vodě nerozpustné. Podle jejich struktury lze lipidy rozdělit do 4 hlavních skupin:

- Triglyceridy

Triglyceridy jsou tvořeny glycerolovou molekulou navázanou na tři řetězce mastných kyselin. Mastná kyselina je lineární molekula, která obsahuje karboxylovou kyselinu na jednom konci, následovanou uhlovodíkovým řetězcem a methylovou skupinou na druhém konci.

V závislosti na jejich struktuře mohou být mastné kyseliny nasycené nebo nenasycené. Pokud uhlovodíkový řetězec obsahuje pouze jednoduché vazby, jedná se o nasycenou mastnou kyselinu. Naopak, pokud tento uhlovodíkový řetězec obsahuje jednu nebo více dvojných vazeb, mastná kyselina je nenasycená.

Do této kategorie patří oleje a tuky. První z nich jsou energetickou rezervou rostlin, mají nenasycení a jsou kapalné při pokojové teplotě. Naproti tomu tuky jsou zásoby energie zvířat, jsou nasycené a pevné molekuly při pokojové teplotě.

Fosfolipidy

Fosfolipidy jsou podobné triglyceridům v tom, že mají glycerolovou molekulu navázanou na dvě mastné kyseliny. Rozdíl je v tom, že fosfolipidy mají na třetím uhlíku glycerolu fosfátovou skupinu, než jinou molekulu mastné kyseliny.

Tyto lipidy jsou velmi důležité kvůli způsobu, jakým mohou interagovat s vodou. Díky fosfátové skupině na jednom konci se molekula v této oblasti stává hydrofilní (přitahuje vodu). Ve zbytku molekuly je však stále hydrofobní.

Vzhledem ke své struktuře mají fosfolipidy tendenci se organizovat takovým způsobem, že fosfátové skupiny jsou k dispozici pro interakci s vodným médiem, zatímco hydrofobní řetězce, které se uvnitř organizují, jsou daleko od vody. Fosfolipidy jsou tedy součástí všech biologických membrán.

- Steroidy

Steroidy jsou tvořeny čtyřmi kondenzovanými uhlíkovými kruhy, ke kterým jsou připojeny různé funkční skupiny. Jedním z nejdůležitějších je cholesterol, protože je nezbytný pro živé bytosti. Je to předchůdce některých důležitých hormonů, jako jsou estrogen, testosteron a kortizon.

- Vosky

Vosky jsou malá skupina lipidů, které mají ochrannou funkci. Nacházejí se v listech stromů, v peří ptáků, v uších některých savců a na místech, která je třeba izolovat nebo chránit před vnějším prostředím.

Nukleové kyseliny

Nukleové kyseliny jsou hlavními transportními molekulami genetické informace v živých bytostech. Jeho hlavní funkcí je řídit proces syntézy proteinů, který určuje dědičné vlastnosti každé živé bytosti. Skládají se z atomů uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku a fosforu.

Nukleové kyseliny jsou polymery vytvořené z opakování monomerů, nazývaných nukleotidy. Každý nukleotid sestává z aromatické báze obsahující dusík připojené k pentózovému cukru (pět uhlíků), který je zase připojen k fosfátové skupině.

Dvě hlavní třídy nukleových kyselin jsou deoxyribonukleová kyselina (DNA) a ribonukleová kyselina (RNA). DNA je molekula, která obsahuje všechny informace o druhu, a proto je přítomna ve všech živých bytostech a ve většině virů.

RNA je genetický materiál určitých virů, ale nachází se také ve všech živých buňkách. Tam plní důležité funkce v určitých procesech, jako je výroba proteinů.

Každá nukleová kyselina obsahuje čtyři z pěti možných bází obsahujících dusík: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), thymin (T) a uracil (U). DNA má báze adenin, guanin, cytosin a thymin, zatímco RNA má stejné báze kromě thyminu, který je v RNA nahrazen uracilem.

- kyselina deoxyribonukleová (DNA)

Molekula DNA se skládá ze dvou řetězců nukleotidů spojených vazbami nazývanými fosfodiesterové vazby. Každý řetěz má strukturu ve tvaru šroubovice. Obě spirály se vzájemně prolínají, aby vytvořily dvojitou spirálu. Báze jsou na vnitřní straně šroubovice a fosfátové skupiny jsou na vnější straně.

DNA je tvořena fosfátem vázanou kostrou deoxyribosového cukru a čtyřmi dusíkatými bázemi: adenin, guanin, cytosin a thymin. Dvojice bází se tvoří ve dvouvláknové DNA: adenin se vždy váže na thymin (AT) a guanin na cytosin (GC).

Tyto dvě spirály jsou drženy pohromadě spárováním nukleotidových bází vodíkovou vazbou. Struktura je někdy popisována jako žebřík, kde jsou po stranách řetězce cukru a fosfátu a vazby mezi bázemi jsou příčky.

Tato struktura spolu s chemickou stabilitou molekuly činí z DNA ideální materiál pro přenos genetické informace. Když se buňka rozdělí, její DNA se zkopíruje a předá z jedné generace buněk do další generace.

- Ribonukleová kyselina (RNA)

RNA je polymer nukleové kyseliny, jehož struktura je tvořena jediným nukleotidovým řetězcem: adenin, cytosin, guanin a uracil. Stejně jako v DNA se cytosin vždy váže na guanin (CG), ale adenin se váže na uracil (AU).

Je to první zprostředkovatel přenosu genetických informací v buňkách. RNA je nezbytná pro syntézu proteinů, protože informace obsažené v genetickém kódu jsou obecně přenášeny z DNA na RNA a z toho na proteiny.

Některé RNA mají také přímé funkce v buněčném metabolismu. RNA je získána zkopírováním sekvence bází segmentu DNA nazývaného gen na část jednořetězcové nukleové kyseliny. Tento proces, nazývaný transkripce, je katalyzován enzymem zvaným RNA polymeráza.

Existuje několik různých typů RNA, zejména pak 3. První je messengerová RNA, která je kopírována přímo z DNA pomocí transkripce. Druhým typem je přenosová RNA, která přenáší správné aminokyseliny pro syntézu proteinů.

Konečně další třídou RNA je ribozomální RNA, která spolu s některými proteiny tvoří ribozomy, buněčné organely odpovědné za syntézu všech proteinů v buňce.

Protein

Proteiny jsou velké, komplexní molekuly, které vykonávají mnoho důležitých funkcí a vykonávají většinu práce v buňkách. Jsou nezbytné pro strukturu, funkci a regulaci živých bytostí. Jsou tvořeny atomy uhlíku, vodíku, kyslíku a dusíku.

Proteiny se skládají z menších jednotek nazývaných aminokyseliny, které jsou spojeny peptidovými vazbami a vytvářejí dlouhé řetězce. Aminokyseliny jsou malé organické molekuly s velmi zvláštními fyzikálně-chemickými vlastnostmi, existuje 20 různých typů.

Aminokyselinová sekvence určuje jedinečnou trojrozměrnou strukturu každého proteinu a jeho specifickou funkci. Ve skutečnosti jsou funkce jednotlivých proteinů stejně rozmanité jako jejich jedinečné aminokyselinové sekvence, které určují interakce, které vytvářejí komplexní trojrozměrné struktury.

Různé funkce

Proteiny mohou být strukturální a pohybové komponenty buňky, jako je aktin. Jiní pracují tak, že urychlují biochemické reakce v buňce, jako je DNA polymeráza, což je enzym, který syntetizuje DNA.

Existují i jiné bílkoviny, jejichž funkcí je zprostředkovat tělu důležitou zprávu. Například některé typy hormonů, jako jsou růstové hormony, přenášejí signály ke koordinaci biologických procesů mezi různými buňkami, tkáněmi a orgány.

Některé proteiny se vážou a nesou atomy (nebo malé molekuly) v buňkách; takový je případ ferritin, který je zodpovědný za ukládání železa v některých organismech. Další skupinou důležitých proteinů jsou protilátky, které patří do imunitního systému a jsou zodpovědné za detekci toxinů a patogenů.

Proteiny jsou tedy konečnými produkty procesu dekódování genetické informace, která začíná buněčnou DNA. Tato neuvěřitelná řada funkcí je odvozena z překvapivě jednoduchého kódu, který je schopen specifikovat nesmírně rozmanitou sadu struktur.

Reference

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molekulární biologie buňky (6. vydání). Věnec věnec.
Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (8. ed.). WH Freeman and Company.
Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biology (2nd ed.) Pearson Education.
Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8. ed.). WH Freeman and Company.
Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologie (7. vydání) Cengage Learning.
Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Základy biochemie: Život na molekulární úrovni (5. vydání). Wiley.

BIOMOLEKULY: KLASIFIKACE A HLAVNÍ FUNKCE - BIOLOGIE - 2026