BIOMOLEKYLER: KLASSIFICERING OG HOVEDFUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

De biomolekyler er molekyler, der genereres i levende væsener. Præfikset "bio" betyder liv; derfor er et biomolekyle et molekyle produceret af et levende væsen. Levende væsener består af forskellige typer molekyler, der udfører forskellige funktioner, der er nødvendige for livet.

I naturen er der biotiske (levende) og abiotiske (ikke-levende) systemer, som interagerer og i nogle tilfælde udveksler elementer. En egenskab, som alle levende ting har til fælles, er, at de er organiske, hvilket betyder, at deres bestanddelsmolekyler består af carbonatomer.

Biomolekyler har også andre atomer til fælles foruden kulstof. Disse atomer inkluderer hovedsageligt brint, ilt, nitrogen, fosfor og svovl. Disse elementer kaldes også bioelementer, fordi de er hovedkomponenten i biologiske molekyler.

Der er dog andre atomer, der også findes i nogle biomolekyler, skønt i mindre mængder. Disse er generelt metalioner, såsom kalium, natrium, jern og magnesium, blandt andre. Følgelig kan biomolekyler være af to typer: organisk eller uorganisk.

Således består organismer af mange typer kulstofbaserede molekyler, for eksempel: sukker, fedt, proteiner og nukleinsyrer. Der er imidlertid andre forbindelser, der også er carbonbaserede og ikke er en del af biomolekyler.

Disse kulstofholdige molekyler, der ikke findes i biologiske systemer, kan findes i jordskorpen, i søer, hav og oceaner og i atmosfæren. Bevægelsen af ​​disse elementer i naturen er beskrevet i såkaldte biogeokemiske cyklusser.

Det menes, at disse enkle organiske molekyler, der findes i naturen, var dem, der gav anledning til de mest komplekse biomolekyler, der er en del af den grundlæggende struktur for livet: cellen. Dette er, hvad der er kendt som teorien om abiotisk syntese.

Klassificering og funktioner af biomolekyler

Biomolekyler er forskellige i størrelse og struktur, hvilket giver dem unikke egenskaber for udførelsen af ​​de forskellige funktioner, der er nødvendige for livet. Biomolekyler fungerer således som informationslagring, energikilde, understøtning, cellulær metabolisme, blandt andre.

Biomolekyler kan klassificeres i to store grupper, baseret på tilstedeværelsen eller fraværet af carbonatomer.

Uorganiske biomolekyler

De er alle de molekyler, der findes i levende væsener, og som ikke indeholder kulstof i deres molekylstruktur. Uorganiske molekyler kan også findes i andre (ikke-levende) systemer i naturen.

Typerne af uorganiske biomolekyler er som følger:

Vand

Det er den vigtigste og grundlæggende komponent i levende væsener, det er et molekyle dannet af et iltatom knyttet til to hydrogenatomer. Vand er vigtigt for livets eksistens og er den mest almindelige biomolekyle.

Mellem 50 og 95% af vægten af ​​et levende væsen er vand, da det er nødvendigt at udføre flere vigtige funktioner, såsom termisk regulering og transport af stoffer.

Mineralsalte

Det er enkle molekyler, der består af modsat ladede atomer, der adskiller sig fuldstændigt i vand. For eksempel: natriumchlorid, der består af et kloratom (negativt ladet) og et natriumatom (positivt ladet).

Mineralsalte deltager i dannelsen af ​​stive strukturer, såsom knoglerne i hvirveldyrene eller hvirvelløse eksoskeletter. Disse uorganiske biomolekyler er også nødvendige for at udføre mange vigtige cellulære funktioner.

gasser

Det er molekyler, der er i form af gas. De er essentielle for respirering af dyr og fotosyntesen i planter.

Eksempler på disse gasser er: molekylært ilt, der består af to oxygenatomer bundet sammen; og carbondioxid, der består af et carbonatom bundet til to iltatomer. Begge biomolekyler deltager i den gasudveksling, som levende væsener udfører med deres miljø.

Organiske biomolekyler

Organiske biomolekyler er de molekyler, der indeholder carbonatomer i deres struktur. Organiske molekyler kan også findes distribueret i naturen som en del af ikke-levende systemer, og de udgør det, der kaldes biomasse.

Typerne af organiske biomolekyler er følgende:

Kulhydrater

Kulhydrater er sandsynligvis de mest rigelige og mest udbredte organiske stoffer i naturen, og de er essentielle bestanddele i alt levende.

Kolhydrater produceres af grønne planter fra kuldioxid og vand under fotosynteseprocessen.

Disse biomolekyler består hovedsageligt af kulstof-, brint- og iltatomer. De er også kendt som kulhydrater eller saccharider, og de fungerer som energikilder og som strukturelle komponenter i organismer.

- Monosaccharider

Monosaccharider er de enkleste kulhydrater og kaldes ofte enkle sukkerarter. Det er de elementære byggesten, hvorfra de største kulhydrater dannes.

Monosaccharider har den generelle molekylformel (CH20) n, hvor n kan være 3, 5 eller 6. Monosaccharider kan således klassificeres efter antallet af carbonatomer, der er til stede i molekylet:

Hvis n = 3, er molekylet en triose. For eksempel: glyceraldehyd.

Hvis n = 5, er molekylet en pentose. For eksempel: ribose og deoxyribose.

Hvis n = 6, er molekylet en hexose. For eksempel: fruktose, glukose og galactose.

Pentoser og hexoser kan eksistere i to former: cykliske og ikke-cykliske. I den ikke-cykliske form viser dens molekylstrukturer to funktionelle grupper: en aldehydgruppe eller en ketonogruppe.

Monosaccharider, der indeholder aldehydgruppen kaldes aldoser, og dem, der har en ketongruppe, kaldes ketoser. Aldoser reducerer sukker, mens ketoser er ikke-reducerende sukker.

I vand findes pentoser og hexoser imidlertid hovedsageligt i cyklisk form, og det er i denne form, at de kombineres til dannelse af større saccharidmolekyler.

- Disaccharider

De fleste af de sukkerarter, der findes i naturen, er disaccharider. Disse dannes ved dannelse af en glykosidbinding mellem to monosaccharider gennem en kondensationsreaktion, der frigiver vand. Denne bindingsdannelsesproces kræver energi til at holde de to monosaccharidenheder sammen.

De tre vigtigste disaccharider er sucrose, lactose og maltose. De dannes ved kondensation af de passende monosaccharider. Sucrose er et ikke-reducerende sukker, mens lactose og maltose reducerer sukker.

Disaccharider er opløselige i vand, men er biomolekyler, der er for store til at krydse cellemembranen ved diffusion. Af denne grund nedbrydes de i tyndtarmen under fordøjelsen, så deres essentielle komponenter (dvs. monosaccharider) passerer i blodet og andre celler.

Monosaccharider bruges meget hurtigt af celler. Hvis en celle imidlertid ikke har brug for energi, kan den øjeblikkeligt opbevare den i form af mere komplekse polymerer. Monosaccharider omdannes således til disaccharider gennem kondensationsreaktioner, der forekommer i cellen.

- Oligosaccharider

Oligosaccharider er mellemliggende molekyler, der består af tre til ni enkle sukkerenheder (monosaccharider). De dannes ved delvist nedbrydning af mere komplekse kulhydrater (polysaccharider).

De fleste naturlige oligosaccharider findes i planter, og med undtagelse af maltotriose er de ufordøjelige af mennesker, fordi den menneskelige krop mangler de nødvendige enzymer i tyndtarmen for at nedbryde dem.

I tyktarmen kan gavnlige bakterier nedbryde oligosaccharider gennem gæring; således omdannes de til absorberbare næringsstoffer, der giver lidt energi. Visse nedbrydningsprodukter af oligosaccharider kan have en gavnlig effekt på slimhinden i tyktarmen.

Eksempler på oligosaccharider inkluderer raffinose, et trisaccharid fra bælgfrugter og nogle korn sammensat af glukose, fruktose og galactose. Maltotriose, et glucosetrisaccharid, forekommer i nogle planter og i blodet fra visse leddyr.

- Polysaccharider

Monosaccharider kan gennemgå en række kondensationsreaktioner og tilføje den ene enhed efter den anden til kæden, indtil der dannes meget store molekyler. Dette er polysacchariderne.

Egenskaberne ved polysaccharider afhænger af flere faktorer i deres molekylstruktur: længde, sidegrener, folder og om kæden er "lige" eller "opviklet". Der er adskillige eksempler på polysaccharider i naturen.

Stivelse produceres ofte i planter som en måde at lagre energi på, og den består af α-glukosepolymerer. Hvis polymeren er forgrenet kaldes den amylopectin, og hvis den ikke er forgrenet kaldes den amylose.

Glycogen er energireservets polysaccharid i dyr og består af amylopectiner. Stivelsen af ​​planter nedbrydes således i kroppen for at producere glukose, der kommer ind i cellen og bruges i stofskifte. Glukose, der ikke bruges, polymeriserer og danner glycogen, energilagret.

Lipider

Lipider er en anden type organiske biomolekyler, hvis vigtigste egenskab er, at de er hydrofobe (de afviser vand), og de er derfor uopløselige i vand. Afhængigt af deres struktur kan lipider klassificeres i 4 hovedgrupper:

- Triglycerider

Triglycerider består af et glycerolmolekyle bundet til tre kæder af fedtsyrer. En fedtsyre er et lineært molekyle, der indeholder en carboxylsyre i den ene ende, efterfulgt af en carbonhydridkæde og en methylgruppe i den anden ende.

Afhængig af deres struktur kan fedtsyrer være mættede eller umættede. Hvis carbonhydridkæden kun indeholder enkeltbindinger, er det en mættet fedtsyre. Omvendt, hvis denne carbonhydridkæde har en eller flere dobbeltbindinger, er fedtsyren umættet.

Inden for denne kategori er olier og fedtstoffer. Førstnævnte er planteres energireserve, de har umættede og er flydende ved stuetemperatur. I modsætning hertil er fedtstoffer energilagrene for dyr, de er mættede og faste molekyler ved stuetemperatur.

fosfolipider

Phospholipider ligner triglycerider, idet de har et glycerolmolekyle bundet til to fedtsyrer. Forskellen er, at phospholipider har en phosphatgruppe på det tredje carbonhydrid af glycerol snarere end et andet fedtsyremolekyle.

Disse lipider er meget vigtige på grund af den måde, de kan interagere med vand på. Ved at have en phosphatgruppe i den ene ende bliver molekylet hydrofil (tiltrækker vand) i det område. Imidlertid er det stadig hydrofobt i resten af ​​molekylet.

På grund af deres struktur har phospholipider en tendens til at organisere sig på en sådan måde, at phosphatgrupperne er tilgængelige til at interagere med det vandige medium, mens de hydrofobe kæder, de organiserer indeni, er langt fra vandet. Således er phospholipider en del af alle biologiske membraner.

- Steroider

Steroider består af fire sammensmeltede carbonringe, som forskellige funktionelle grupper er knyttet til. En af de vigtigste er kolesterol, da det er vigtigt for levende væsener. Det er forløberen for nogle vigtige hormoner såsom østrogen, testosteron og kortison, blandt andre.

- Voks

Voks er en lille gruppe af lipider, der har en beskyttende funktion. De findes i bladene på træer, i fuglernes fjer, i ørerne på nogle pattedyr og på steder, der skal isoleres eller beskyttes mod det ydre miljø.

Nukleinsyrer

Nukleinsyrer er de vigtigste transporterende molekyler med genetisk information i levende væsener. Dets vigtigste funktion er at styre processen med proteinsyntese, der bestemmer de arvelige egenskaber ved hvert levende væsen. De er sammensat af atomer af kulstof, brint, ilt, nitrogen og fosfor.

Nukleinsyrer er polymerer, der består af gentagelser af monomerer, kaldet nukleotider. Hvert nukleotid består af en nitrogenholdig aromatisk base bundet til et pentosesukker (fem carbonatomer), som igen er bundet til en fosfatgruppe.

De to hovedklasser af nukleinsyrer er deoxyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). DNA er molekylet, der indeholder al information om en art, hvorfor det er til stede i alle levende væsener og i de fleste vira.

RNA er genetisk materiale fra visse vira, men det findes også i alle levende celler. Der udfører den vigtige funktioner i visse processer, såsom fremstilling af proteiner.

Hver nukleinsyre indeholder fire af fem mulige nitrogenholdige baser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), thymin (T) og uracil (U). DNA har baserne adenin, guanin, cytosin og thymin, mens RNA har de samme baser undtagen thymin, som er substitueret med uracil i RNA.

- Deoxyribonukleinsyre (DNA)

DNA-molekylet består af to kæder af nukleotider forbundet med bindinger kaldet phosphodiesterbindinger. Hver kæde har en spiralformet struktur. De to helixer flettes sammen for at give en dobbelt helix. Baserne er på indersiden af ​​helixen, og phosphatgrupperne er på ydersiden.

DNA består af en phosphatbundet deoxyribosesukkerrygge og de fire nitrogenholdige baser: adenin, guanin, cytosin og thymin. Basispar dannes i dobbeltstrenget DNA: adenin binder altid til thymin (AT) og guanin til cytosin (GC).

De to helixer holdes sammen ved at parre nukleotidbaserne ved hydrogenbinding. Strukturen beskrives undertiden som en stige, hvor sukker- og fosfatkæderne er siderne og basis-basebindingerne er trinene.

Denne struktur sammen med molekylets kemiske stabilitet gør DNA til det ideelle materiale til transmission af genetisk information. Når en celle deler sig, kopieres dens DNA og overføres fra en generation af celler til den næste generation.

- Ribonukleinsyre (RNA)

RNA er en nukleinsyrepolymer, hvis struktur består af en enkelt nukleotidkæde: adenin, cytosin, guanin og uracil. Som i DNA binder cytosin altid til guanin (CG), men adenin binder til uracil (AU).

Det er den første formidler i overførslen af ​​genetisk information i celler. RNA er essentiel for proteinsyntese, da informationen indeholdt i den genetiske kode generelt overføres fra DNA til RNA og herfra til proteiner.

Nogle RNA'er har også direkte funktioner i cellemetabolismen. RNA opnås ved at kopiere basesekvensen af ​​et segment af DNA kaldet et gen til en del af enkeltstrenget nukleinsyre. Denne proces, kaldet transkription, katalyseres af et enzym kaldet RNA-polymerase.

Der er flere forskellige typer RNA, hovedsageligt der er 3. Den første er messenger-RNA, som er den, der kopieres direkte fra DNA gennem transkription. Den anden type er transfer-RNA, som er den, der overfører de korrekte aminosyrer til proteinsyntese.

Endelig er den anden klasse af RNA ribosomalt RNA, der sammen med nogle proteiner danner ribosomer, cellulære organeller, der er ansvarlige for syntese af alle proteiner i cellen.

Protein

Proteiner er store, komplekse molekyler, der udfører mange vigtige funktioner og udfører det meste af arbejdet i celler. De er nødvendige for strukturer, funktion og regulering af levende væsener. De består af kulstof, brint, ilt og nitrogenatomer.

Proteiner består af mindre enheder, der kaldes aminosyrer, bundet sammen af ​​peptidbindinger og danner lange kæder. Aminosyrer er små organiske molekyler med meget bestemte fysisk-kemiske egenskaber, der er 20 forskellige typer.

Aminosyresekvensen bestemmer den unikke tredimensionelle struktur for hvert protein og dets specifikke funktion. Faktisk er funktionerne af individuelle proteiner lige så forskellige som deres unikke aminosyresekvenser, der bestemmer interaktioner, der genererer komplekse tredimensionelle strukturer.

Forskellige funktioner

Proteiner kan være strukturelle og bevægelseskomponenter for cellen, såsom actin. Andre arbejder ved at fremskynde biokemiske reaktioner i cellen, såsom DNA-polymerase, som er det enzym, der syntetiserer DNA.

Der er andre proteiner, hvis funktion er at formidle et vigtigt budskab til kroppen. For eksempel overfører nogle typer hormoner, såsom væksthormoner signaler til koordinering af biologiske processer mellem forskellige celler, væv og organer.

Nogle proteiner binder sammen og bærer atomer (eller små molekyler) inde i celler; sådan er tilfældet med ferritin, der er ansvarlig for opbevaring af jern i nogle organismer. En anden gruppe vigtige proteiner er antistoffer, der hører til immunsystemet og er ansvarlige for påvisning af toksiner og patogener.

Proteiner er således slutprodukterne ved afkodningsprocessen med genetisk information, der begynder med cellulært DNA. Denne utrolige mangfoldighed af funktioner stammer fra overraskende enkel kode, der er i stand til at specificere et enormt forskelligt sæt strukturer.

Referencer

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of the Cell (6. udg.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokemi (8. udg.). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologi (2. udgave) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molekylær cellebiologi (8. udgave). WH Freeman and Company.
5. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologi (7. udg.) Cengage Learning.
6. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life on the Molecular Level (5. udg.). Wiley.