BIOMOLEKYLER: KLASSIFICERING OCH HUVUDFUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

De biomolekyler är molekyler som genereras i levande varelser. Prefixet "bio" betyder liv; därför är en biomolekyl en molekyl som produceras av ett levande varelse. Levande varelser består av olika typer av molekyler som utför olika funktioner som är nödvändiga för livet.

I naturen finns det biotiska (levande) och abiotiska (icke-levande) system som interagerar och i vissa fall utbyter element. En egenskap som alla levande saker har gemensamt är att de är organiska, vilket innebär att deras beståndsdelande molekyler består av kolatomer.

Biomolekyler har också andra atomer gemensamt förutom kol. Dessa atomer inkluderar huvudsakligen väte, syre, kväve, fosfor och svavel. Dessa element kallas också bioelement eftersom de är huvudkomponenten i biologiska molekyler.

Det finns dock andra atomer som också finns i vissa biomolekyler, även om de är i mindre mängder. Dessa är vanligtvis metalljoner såsom kalium, natrium, järn och magnesium, bland andra. Följaktligen kan biomolekyler vara av två typer: organiska eller oorganiska.

Således består organismer av många typer av kolbaserade molekyler, till exempel: socker, fett, proteiner och nukleinsyror. Men det finns andra föreningar som också är kolbaserade och inte ingår i biomolekyler.

Dessa kolinnehållande molekyler som inte finns i biologiska system kan hittas i jordskorpan, i sjöar, hav och hav och i atmosfären. Rörelsen av dessa element i naturen beskrivs i vad som kallas biogeokemiska cykler.

Man tror att dessa enkla organiska molekyler som finns i naturen var de som gav upphov till de mest komplexa biomolekylerna som är en del av den grundläggande strukturen för livet: cellen. Detta är vad som kallas teorin för abiotisk syntes.

Klassificering och funktioner för biomolekyler

Biomolekyler är olika i storlek och struktur, vilket ger dem unika egenskaper för utförandet av olika funktioner som är nödvändiga för livet. Således fungerar biomolekyler som informationslagring, energikälla, support, cellulär metabolism, bland andra.

Biomolekyler kan klassificeras i två stora grupper, baserat på närvaron eller frånvaron av kolatomer.

Oorganiska biomolekyler

De är alla de molekyler som finns i levande varelser och som inte innehåller kol i deras molekylstruktur. Oorganiska molekyler finns också i andra (icke-levande) system i naturen.

Typerna av oorganiska biomolekyler är följande:

Vatten

Det är den huvudsakliga och grundläggande komponenten i levande varelser, det är en molekyl som bildas av en syreatom kopplad till två väteatomer. Vatten är viktigt för livets existens och är den vanligaste biomolekylen.

Mellan 50 och 95% av vikten av alla levande varelser är vatten, eftersom det är nödvändigt att utföra flera viktiga funktioner, såsom termisk reglering och transport av ämnen.

Mineral salt

Det är enkla molekyler som består av motsatt laddade atomer som skiljer sig helt i vatten. Till exempel: natriumklorid, som består av en kloratom (negativt laddad) och en natriumatom (positivt laddad).

Mineralsalter deltar i bildandet av styva strukturer, såsom ryggradsdjurens ben eller ryggradsdjurens exoskelet. Dessa oorganiska biomolekyler är också nödvändiga för att utföra många viktiga cellfunktioner.

gaser

Det är molekyler som är i form av gas. De är viktiga för andning av djur och fotosyntes i växter.

Exempel på dessa gaser är: molekylärt syre, som består av två syreatomer bundna samman; och koldioxid, som består av en kolatom bunden till två syreatomer. Båda biomolekylerna deltar i gasutbytet som levande varelser utför med sin miljö.

Organiska biomolekyler

Organiska biomolekyler är de molekyler som innehåller kolatomer i deras struktur. Organiska molekyler kan också hittas distribuerade i naturen som en del av icke-levande system, och de utgör vad som kallas biomassa.

Typerna av organiska biomolekyler är följande:

kolhydrater

Kolhydrater är förmodligen de vanligaste och mest utbredda organiska ämnena i naturen, och de är viktiga komponenter i alla levande saker.

Kolhydrater produceras av gröna växter från koldioxid och vatten under fotosyntesprocessen.

Dessa biomolekyler består huvudsakligen av kol-, väte- och syreatomer. De är också kända som kolhydrater eller sackarider, och de fungerar som energikällor och som strukturella komponenter i organismer.

- Monosackarider

Monosackarider är de enklaste kolhydraterna och kallas ofta enkla sockerarter. De är de grundläggande byggstenarna från vilka alla de största kolhydraterna bildas.

Monosackarider har den allmänna molekylformeln (CH2O) n, där n kan vara 3, 5 eller 6. Monosackarider kan således klassificeras enligt antalet kolatomer som finns i molekylen:

Om n = 3 är molekylen en trio. Till exempel: glyceraldehyd.

Om n = 5 är molekylen en pentos. Till exempel: ribos och deoxiribos.

Om n = 6 är molekylen en hexos. Till exempel: fruktos, glukos och galaktos.

Pentoser och hexoser kan existera i två former: cykliska och icke-cykliska. I den icke-cykliska formen visar dess molekylstrukturer två funktionella grupper: en aldehydgrupp eller en ketongrupp.

Monosackarider som innehåller aldehydgruppen kallas aldoser, och de som har en ketongrupp kallas ketoser. Aldoser reducerar sockerarter, medan ketoser är icke-reducerande sockerarter.

I vattenpentoser och hexoser finns emellertid huvudsakligen i cyklisk form, och det är i denna form de kombineras för att bilda större sackaridmolekyler.

- Disaccharides

De flesta sockerarter som finns i naturen är disackarider. Dessa bildas genom bildandet av en glykosidbindning mellan två monosackarider genom en kondensationsreaktion som frigör vatten. Denna bindningsbildningsprocess kräver energi för att hålla de två monosackaridenheterna samman.

De tre viktigaste disackariderna är sackaros, laktos och maltos. De bildas genom kondensation av lämpliga monosackarider. Sackaros är ett icke-reducerande socker, medan laktos och maltos reducerar socker.

Disackarider är lösliga i vatten, men är biomolekyler som är för stora för att korsa cellmembranet genom diffusion. Av denna anledning bryts de ned i tunntarmen under matsmältningen så att deras väsentliga komponenter (dvs monosackarider) passerar in i blodet och andra celler.

Monosackarider används mycket snabbt av celler. Men om en cell inte behöver energi kan den omedelbart lagra den i form av mer komplexa polymerer. Således omvandlas monosackarider till disackarider genom kondensationsreaktioner som inträffar i cellen.

- Oligosackarider

Oligosackarider är mellanliggande molekyler som består av tre till nio enkla sockerenheter (monosackarider). De bildas genom att delvis bryta ned mer komplexa kolhydrater (polysackarider).

De flesta naturliga oligosackarider finns i växter och med undantag av maltotriose är de osmältbara av människor eftersom människokroppen saknar nödvändiga enzymer i tunntarmen för att bryta dem ner.

I tjocktarmen kan gynnsamma bakterier bryta ner oligosackarider genom jäsning; så de omvandlas till absorberbara näringsämnen som ger lite energi. Vissa nedbrytningsprodukter av oligosackarider kan ha en gynnsam effekt på fodret i tjocktarmen.

Exempel på oligosackarider inkluderar raffinos, en trisackarid från baljväxter och vissa spannmål sammansatta av glukos, fruktos och galaktos. Maltotriose, en glukostrisackarid, förekommer i vissa växter och i blod från vissa leddjur.

- Polysackarider

Monosackarider kan genomgå en serie kondensationsreaktioner och lägga till en enhet efter den andra till kedjan tills mycket stora molekyler bildas. Dessa är polysackariderna.

Egenskaperna hos polysackarider beror på flera faktorer i deras molekylstruktur: längd, laterala grenar, veck och om kedjan är "rak" eller "rullad". Det finns flera exempel på polysackarider i naturen.

Stärkelse produceras ofta i växter som ett sätt att lagra energi och består av a-glukospolymerer. Om polymeren är grenad kallas den för amylopektin, och om den inte är grenad kallas den för amylos.

Glykogen är polysackarid i energireserven hos djur och består av amylopektiner. Således bryts stärkelsen av växter ned i kroppen för att producera glukos, som kommer in i cellen och används i ämnesomsättningen. Glukos som inte används polymeriserar och bildar glykogen, energilagret.

lipider

Lipider är en annan typ av organiska biomolekyler vars huvudsakliga kännetecken är att de är hydrofoba (avvisar vatten) och följaktligen är de olösliga i vatten. Beroende på deras struktur kan lipider klassificeras i fyra huvudgrupper:

- Triglycerider

Triglycerider består av en glycerolmolekyl fäst vid tre kedjor av fettsyror. En fettsyra är en linjär molekyl som innehåller en karboxylsyra i ena änden, följt av en kolvätekedja och en metylgrupp i den andra änden.

Beroende på deras struktur kan fettsyror vara mättade eller omättade. Om kolvätekedjan endast innehåller enstaka bindningar är det en mättad fettsyra. Omvänt, om denna kolvätekedja har en eller flera dubbelbindningar, är fettsyran omättad.

Inom denna kategori finns oljor och fetter. De förstnämnda är växternas energireserv, de har omättnader och är flytande vid rumstemperatur. Däremot är fetter energilagren hos djur, de är mättade och fasta molekyler vid rumstemperatur.

fosfolipider

Fosfolipider liknar triglycerider genom att de har en glycerolmolekyl bunden till två fettsyror. Skillnaden är att fosfolipider har en fosfatgrupp på det tredje kolet av glycerol snarare än en annan fettsyramolekyl.

Dessa lipider är mycket viktiga på grund av hur de kan interagera med vatten. Genom att ha en fosfatgrupp i ena änden blir molekylen hydrofil (lockar vatten) i det området. Men det är fortfarande hydrofobt i resten av molekylen.

På grund av deras struktur tenderar fosfolipider att organisera sig på ett sådant sätt att fosfatgrupperna är tillgängliga för att interagera med det vattenhaltiga mediet, medan de hydrofoba kedjorna som de organiserar inuti är långt ifrån vattnet. Fosfolipider är således en del av alla biologiska membran.

- Steroider

Steroider består av fyra smälta kolringar, till vilka olika funktionella grupper är kopplade. En av de viktigaste är kolesterol, eftersom det är viktigt för levande varelser. Det är föregångaren till vissa viktiga hormoner som östrogen, testosteron och kortison, bland andra.

- Vaxar

Vaxar är en liten grupp lipider som har en skyddande funktion. De finns i träden, i fåglarnas fjädrar, i örat på vissa däggdjur och på platser som behöver isoleras eller skyddas från den yttre miljön.

Nukleinsyror

Nukleinsyror är de viktigaste transporterande molekylerna med genetisk information i levande varelser. Dess huvudfunktion är att styra processen för proteinsyntes, som bestämmer de ärvda egenskaperna hos varje levande varelse. De består av atomer av kol, väte, syre, kväve och fosfor.

Nukleinsyror är polymerer som består av upprepningar av monomerer, kallad nukleotider. Varje nukleotid består av en kväveinnehållande aromatisk bas bunden till ett pentossocker (fem kol), som i sin tur är fäst vid en fosfatgrupp.

De två huvudklasserna av nukleinsyror är deoxiribonukleinsyra (DNA) och ribonukleinsyra (RNA). DNA är molekylen som innehåller all information från en art, varför den finns i alla levande varelser och i de flesta virus.

RNA är det genetiska materialet för vissa virus, men det finns också i alla levande celler. Där utför den viktiga funktioner i vissa processer, till exempel tillverkning av proteiner.

Varje nukleinsyra innehåller fyra av fem möjliga kväveinnehållande baser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), tymin (T) och uracil (U). DNA har baserna adenin, guanin, cytosin och tymin, medan RNA har samma baser förutom tymin, som är substituerad med uracil i RNA.

- Deoxyribonukleinsyra (DNA)

DNA-molekylen består av två kedjor av nukleotider förenade med bindningar som kallas fosfodiesterbindningar. Varje kedja har en spiralformad struktur. De två helixerna sammanflätas för att ge en dubbel spiral. Baserna är på insidan av spiralen och fosfatgrupperna är på utsidan.

DNA består av en fosfatbunden deoxiribos-sockerryggraden och de fyra kvävebaserna: adenin, guanin, cytosin och tymin. Baspar bildas i dubbelsträngat DNA: adenin binder alltid till tymin (AT) och guanin till cytosin (GC).

De två spiralerna hålls samman genom att para ihop nukleotidbaserna genom vätebindning. Strukturen beskrivs ibland som en stege där socker- och fosfatkedjorna är sidorna och bas-basbindningarna är rullarna.

Denna struktur, tillsammans med molekylens kemiska stabilitet, gör DNA till det ideala materialet för överföring av genetisk information. När en cell delar sig kopieras dess DNA och överförs från en generation celler till nästa generation.

- Ribonukleinsyra (RNA)

RNA är en nukleinsyrapolymer vars struktur består av en enda nukleotidkedja: adenin, cytosin, guanin och uracil. Liksom i DNA binds cytosin alltid till guanin (CG) men adenin binder till uracil (AU).

Det är den första mellanhanden i överföring av genetisk information i celler. RNA är väsentligt för proteinsyntes, eftersom informationen i den genetiska koden generellt överförs från DNA till RNA, och från denna till proteiner.

Vissa RNA har också direkta funktioner i cellmetabolismen. RNA erhålls genom att kopiera bassekvensen för ett DNA-segment som kallas en gen till en del av ensträngad nukleinsyra. Denna process, kallad transkription, katalyseras av ett enzym som kallas RNA-polymeras.

Det finns flera olika typer av RNA, främst finns det 3. Den första är messenger-RNA, som är den som kopieras direkt från DNA genom transkription. Den andra typen är transfer RNA, som är den som överför korrekta aminosyror för proteinsyntes.

Slutligen är den andra klassen av RNA ribosomalt RNA som tillsammans med vissa proteiner bildar ribosomer, cellulära organeller som är ansvariga för syntes av alla proteiner i cellen.

Protein

Proteiner är stora, komplexa molekyler som utför många viktiga funktioner och gör det mesta av arbetet i celler. De är nödvändiga för strukturen, funktionen och regleringen av levande varelser. De består av kol, väte, syre och kväveatomer.

Proteiner består av mindre enheter som kallas aminosyror, kopplade samman med peptidbindningar och bildar långa kedjor. Aminosyror är små organiska molekyler med mycket speciella fysikalisk-kemiska egenskaper, det finns 20 olika typer.

Aminosyrasekvensen bestämmer den unika tredimensionella strukturen för varje protein och dess specifika funktion. I själva verket är funktionerna för enskilda proteiner lika varierande som deras unika aminosyrasekvenser, som bestämmer interaktioner som genererar komplexa tredimensionella strukturer.

Olika funktioner

Proteiner kan vara strukturella och rörelsekomponenter för cellen, såsom aktin. Andra arbetar genom att påskynda biokemiska reaktioner i cellen, till exempel DNA-polymeras, som är det enzym som syntetiserar DNA.

Det finns andra proteiner vars funktion är att förmedla ett viktigt budskap till kroppen. Till exempel överför vissa typer av hormoner såsom tillväxthormoner signaler för att koordinera biologiska processer mellan olika celler, vävnader och organ.

Vissa proteiner binder samman och bär atomer (eller små molekyler) i cellerna; sådant är fallet med ferritin, som ansvarar för lagring av järn i vissa organismer. En annan grupp viktiga proteiner är antikroppar, som tillhör immunsystemet och ansvarar för att upptäcka toxiner och patogener.

Således är proteiner slutprodukterna av avkodningsprocessen av genetisk information som börjar med cellulärt DNA. Denna otroliga mängd funktioner härstammar från överraskande enkel kod som kan specificera en oerhört olika uppsättning strukturer.

referenser

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