Биомолекул

Биомолекул или биолошки молекул је сваки органски молекул коју производи живи организам, који је од значаја за један или више типично биолошких процеса, попут деобе ћелија, морфогенезе или развоја. Биомолекули обухватају велике полимерске молекуле, као што су протеини, полисахариди и нуклеинске киселине, као и мале молекули попут примарних метаболита, секундарних метаболита и природних производа. Општији назив за ову класу материјала је биолошки материјал. Биомолекули су важан елемент живих организама. Они су често ендогени, произведени у организму, мада су организмима обично неопходни и егзогени биомолекули, на пример одређене хранљиве материје, да би преживели.

Приказ 3Д структуре миоглобина која приказује обојене алфа хеликсе. Ово је први протеин чију су структуру уз помоћ рендгендске кристалографије открили Макс Перуц и Џон Кендру 1958. године, и за то достигнуће добили Нобелову награду за хемију.

Биологија и њена потпоља биохемије и молекуларне биологије проучавају биомолекуле и њихове реакције. Већина биомолекула су органска једињења, а само четири елемента - кисеоник, угљеник, водоник и азот - чине 96% масе људског тела. Многи други елементи, попут различитих биометала, присутни су у малим количинама.

Униформност оба специфична типа молекула (биомолекула) и одређених метаболичких путева су непроменљиве особине међу широком разноликошћу животних облика; стога се ови биомолекули и метаболички путеви називају „биохемијским универзалима“ или „теоријом материјалног јединства живих бића“, обједињујућим концептом у биологији, заједно са теоријом ћелија и теоријом еволуције.

Састав биомолекула

Од свих хемијских елемената који се налазе у природи, само 27 улази у састав хемијских једињења која чине живи свет. Ови елементи се називају биогеним или биомолекулским. Најзаступљенији биоелементи у грађи органских молекула су: C (угљеник), H (водоник), O (кисеоник), N (азот), P (фосфор) и S (сумпор).

Другу групу елемената која улази у састав живих бића чине: Ca (калцијум), Mg (магнезијум), Na (натријум), K (калијум) и Cl (хлор). Ови елементи се у телесним течностима налазе у облику јона, те се називају електролити.

Поред ове две групе биоелемената, постоји и група есенцијалних елемената, који су ништа мање важни иако се налазе у траговима (минималним количинама). Има их 16: гвожђе, бакар, цинк, манган, кобалт, хром, селен, молибден, јод, флуор, бор, арсен, никл, калај, ванадијум и силицијум.

Структура и функција

Типични биомолекули, као што су протеини, нуклеинске киселине, масти и угљени хидрати, су грађени од специфичних градивних делова. Функција сваког биомолекула је засебна, али слина у свим организмима. Градивни делови могу бити промењени у различитим биомолекулама, како би допринели њиховој основној функцији.

На пример, градивни делови протеина су аминокиселине, нуклеинских киселина - нуклеотиди, масти - глицерол и више масне киселине, а шећера - α-D-глукоза.

Протеини (беланчевине)

Протеини су велики молекули сложеног састава који чине основу структуре и организације живих система. То су полимери дугих ланаца, изграђени од мономера аминокиселина, који су повезани пептидним везама. Сваки протеин садржи комбинацију 20 врста аминокиселина (који се називају α-аминокиселине), већ унапред одређене генетичким кодом. Различите комбинације аминокиселина омогућавају протеинима да буду најразноврснији и најраспрострањенији биомолекули у организму.

Аминокиселине су основни градивни делови протеина. По хемијском саставу имају једну амино групу, карбоксилну групу, водоников атом и различиту Р групу која је везана за α-угљеников атом и функционалну групу (реактивни део молекула). Структура протеина је подељена на више нивоа:

1. Примарна структура: Различита комбинација 20 α-аминокиселина утиче на стварање великих ланаца протеина. Примарна структура одређује функцију и биолошке особине протеина.
2. Секундарна структура: Јавља се у полипептидним ланцима када се –CO и амино група спајају водониковом везом. Ту постоје две структуре: α-завојница и β-набрана плоча, које су међусобно повезане водоничним везама.
3. Терцијарна структура: То је 3Д структура протеина која се јавља склапањем α и β структура. На основу ове структуре, протеини се деле на фибриларне и глобуларне.
4. Кватернарна структура: Комбинацијом једноставних протеина и различитих или истих полипептидних ланаца, се стварају комплекснији протеини.

Једна од битних карактеристика протеина је денатурација, до које долази раскидањем водоничних веза. Водоничне везе су јако слабе и осетљиве и лако пуцају при најмањој промени температуре или pH вредности околине. Протеини се углавном везују у сложеније молекуле са липидима, угљеним хидратима, нуклеинским киселинама и хем групом. Имају различите функције у организму: 75% ћелијске масе је изграђено од протеина, а имају велику улогу и као градивне јединице ћелијске плазме и органела. Такође делују као биохемијски катализатори- ензими. Неки од најпознатијих хормона су протеини (инсулин, глукагон). Учествују у расту и обнављању ткива.

Липиди (масти)

Липиди су велика група масти и уља карактеристични по нерастворљивости у води и растворљивости у органским растварачима (као што су ацетон, етер, угљен тетрахлорид). Као и угљени хидрати, липиди су углавном састављени од C, H и O атома, а сложени могу имати и N, P и S атоме. Настају у реакцији масних киселина са алкохолима или аминима.

Градивни делови липида су више масне киселине, које су углавном монокарбоксилне органске киселине са бројем C атома већим од четири. Више масне киселине могу бити: засићене (неразгранате и најраширеније у природи) и незасићене (са једном или више двоструких веза).

На основу њихове молекуларне структуре, липиди су подељени у три групе:

1. Једноставни липиди: У једноставне липиде се убрајају естери, који се могу поделити у две групе. По структури, масти и уља су триглицериди, који су естери глицерола и масних киселина. Њихове карактеристике зависе од врсте и количине масних киселина. Дуги ланци масних киселина могу имати различити број C атома (између 12 и 24) и двоструке везе уколико су незасићени. Масти су триглицериди који су на собној температури у чврстом стању, а уља у течном. Двострука веза незасићених масних киселина лако подлеже хидрогенизацији, што утиче на стварање засићених триглицерида или масти. Нерастворне су у води. Воскови су естери масних киселина са дугим ланцима монохидроксидних алкохола са 26-34 C атома. Раширени су у природи у разним једињењима. Често су део заштитних слојева на површинама животиња и биљака, а неки инсекти и луче восак (као пчеле). Триглицериди подлежу процесу сапонификације и имају велику примену у козметичкој индустрији.
2. Сложени липиди: Сложени липиди су естери масних киселина и алкохола, са различитим примесама протеина, фосфорних киселина, шећера итд. Постоји више група ових липида, а најпознатији су фосфолипиди и гликолипиди. Сложени липиди у својој хемијској структури имају поларни и неполарни део. Најважнију функцију имају у изградњи биолошких мембрана.
3. Добијени липиди: Стероиди су посебна група липида који се стварају у телу током метаболизма. Не убрајају се у групу естера. Холестерол је један од најпознатијих стероида у људском и животињском ткиву.

Основна функција липида је учествовање у изградњи свих ћелијских мембрана, као и резерва храњивих састојака (у триглицеридима) за енергетске потребе организма.

Угљени хидрати

Угљени хидрати формирају велику групу органских једињења, који имају важну улогу у свакодневном животу. Настају у биљкама као продукт процеса фотосинтезе. Најраспрострањенији угљено хидрати су глукоза, фруктоза, сахароза, скроб и целулоза. Многи угљено хидрати су слаткастог укуса и зато се називају шећерима. Сви угљени хидрати имају заједничку формулу Cx(H2O)y. Основни градивни делови њихових ланаца се називају моносахариди (једноставни шећери). Ланац је неразгранат и сваки C атом носи –OH групу, а по једну алдехидну или кето групу.

На основу понашања при хидролизи, угљени хидрати се могу поделити у три групе:

1. Моносахариди су једноставни угљени хидрати који се не могу хидролизом раставити на једноставније јединице кетона. Познато је 20 врста моносахарида који се налазе у природи. Они су даље подељени на основу броја C атома и функционалне групе. Ако садрже алдехидну групу, називају се алдозама, а ако садрже кето групу - кетозама. Сви имају белу боју и растворни су у води. Имају слаткаст укус.
2. Олигосахариди су угљени хидрати који садрже 2-10 моносахаридних јединица добијених хидролизом. Они се могу даље поделити на дисахариде, трисахариде, тетрасахариде, итд. Моносахаридне јединице од којих су састављени комплекснији угљени хидрати могу, али и не морају бити исте у одређеном угљеном хидрату. На пример, сахароза хидролизом даје један молекул глукозе и један молекул фруктозе.
3. Полисахариди су дуги ланци моносахарида, који су најраспрострањенији угљени хидрати у природи. Служе као резерва хране код животиња (гликоген) и биљака (скроб), и као градивни материјал (углавном код биљака).

Моносахариди углавном имају цикличну структуру, јер алдехидна и кето група нису потпуно слободне, што је доказано Хавортовим експериментом.

Угљени хидрати имају више функција од којих су најпознатије да служи као градивни материјал (целулоза) за изградњу ћелијских зидова бактерија и биљака, те да су повезани са многим липидима и протеинима и граде једињења која имају важну функцију у организму (као гликолипиди и гликопротеини).

Нуклеинске киселине

Нуклеинске киселине су биолошки молекули, есенцијални за све облике живих организама. То су линеарни полимери, који се састоје од различитих нуклеотида, пореданих у генетски предодређеном редоследу. Нуклеотиди су основне градивне јединице (мономери) нуклеинских киселина и међусобно су повезани преко фосфатне групе. Кондензацијом хидроксилних група, долази до успостављања 3'- 5' фосфодиестерске везе. Сваки нуклеотид се састоји од базе, петоугљеничног шећера (пентозе) и фосфатне групе.

На основу различите структуре нуклеотида, долази до стварања полимера са различитом грађом и функцијом, при чему разликују два основна типа:

1. ДНК - дезоксирибонуклеинска киселина, која садржи петоугљенични шећер дезоксирибозу. Носилац је генетичке информације у једру и кода за синтезу специфичних протеина. Садржи и до 250 милиона нуклеотидних парова.
2. РНК - рибонуклеинска киселина, садржи петоугљенични шећер рибозу (која има једну више –OH групу на петоугљеничном шећеру). Учествује у транскрипцији и транслацији генетичке информације током синтезе протеина. Садржи неколико хиљада нуклеотида. Постоје три типа РНК молекула: иРНК (информациона РНК - учествује у транскрипцији генетичког кода у једру), рРНК (рибозомска РНК - са рибозомским протеинима представља градивне компоненте рибосома) и тРНК (транспортна РНК - преноси аминокиселине до рибосома).

Различита структура нуклеотида је узрокована различитим базама, којих постоје 4 врсте: аденин, гуанин, цитозин и тимин (код РНК урацил).

Структура ДНК и РНК

Након што су Вотсон и Крик открили хеликсну структуру ДНК - утврђено је да је то двострука завојница два полунуклеотидна ланца, чије се базе на супротним ланцима упарају увек као аденин (А) са тимином (Т) и гуанин (Г) са цитозином (C), који су међусобно повезани слабим водоничним везама.

Основна функција ДНК је чување информације о генетичком материјалу. При дељењу ћелије, са основног молекула ДНК долази до преписивања генетичког кода (репликација ДНК), при чему се стварају нови ланци са идентичним генетичким кодом. ДНК је смештен у посебно организованим структурама које се називају хромозоми.

Литература

• Воет, Доналд; Воет, Јудитх Г. (2005). Биоцхемистрy (3 изд.). Wилеy. ИСБН 9780471193500. Архивирано из оригинала 11. 9. 2007. г. Приступљено 9. 2. 2017. 
• МцНаугхт АД (1997). Цомпендиум оф Цхемицал Терминологy (2нд изд.). Оxфорд: Блацкwелл Сциентифиц Публицатионс. ИСБН 978-0-9678550-9-7. 
• Ензyме номенцлатуре, 1978 рецоммендатионс оф тхе Номенцлатуре Цоммиттее оф тхе Интернатионал Унион оф Биоцхемистрy он тхе номенцлатуре анд цлассифицатион оф ензyмес. Неw Yорк: Ацадемиц Пресс. 1979. ИСБН 9780323144605. 
• Цларке, Јеремy M. Берг; Јохн L. Тyмоцзко; Луберт Стрyер. Wеб цонтент бy Неил D. (2002). „Сецтион 3.5Qуатернарy Струцтуре: Полyпептиде Цхаинс Цан Ассембле Инто Мултисубунит Струцтурес”. Биоцхемистрy (5. ед., 4. принт. изд.). Неw Yорк, НY [у.а.]: W. Х. Фрееман. ИСБН 978-0-7167-3051-4. 
• Линдерстрøм-Ланг КУ (1952). Лане Медицал Лецтурес: Протеинс анд Ензyмес. Станфорд Университy Пресс. стр. 115. АСИН Б0007Ј31СЦ. 
• Краусс, Г. (2003). „Тхе Регулатионс оф Ензyме Ацтивитy”. Биоцхемистрy оф Сигнал Трансдуцтион анд Регулатион (3рд изд.). Wеинхеим: Wилеy-ВЦХ. стр. 89—114. ИСБН 9783527605767. 
• Ферсхт, А. (1985). Ензyме Струцтуре анд Мецханисм. Сан Францисцо: W.Х. Фрееман. стр. 50–2. ИСБН 978-0-7167-1615-0. 
• Цостанзо, Линда С. (2007). Пхyсиологy. Хагерстwон, MD: Липпинцотт Wиллиамс & Wилкинс. ИСБН 978-0781773119. 
• Матон, Антхеа; Хопкинс, Јеан; МцЛаугхлин, Цхарлес Wиллиам; Јохнсон, Сусан; Wарнер, Марyанна Qуон; ЛаХарт, Давид; Wригхт, Јилл D. (1993). Хуман Биологy анд Хеалтх. Енглеwоод Цлиффс, Неw Јерсеy, УС: Прентице Халл. ИСБН 978-0139811760. 
• Цампбелл, Неил А.; Wиллиамсон, Брад; Хеyден, Робин Ј. (2006). Биологy: Еxплоринг Лифе. Бостон, Массацхусеттс: Пеарсон Прентице Халл. ИСБН 978-0-13-250882-7. 
• Хардин, Јефф; Бертони, Грегорy; Клеинсмитх, Леwис Ј. (2015). Бецкер'с Wорлд оф тхе Целл (8тх изд.). Неw Yорк: Пеарсон. стр. 422–446. ИСБН 978013399939-6. 
• Еверт РФ, Еицххорн СЕ (2006). Есау'с Плант Анатомy: Меристемс, Целлс, анд Тиссуес оф тхе Плант Бодy: Тхеир Струцтуре, Фунцтион, анд Девелопмент. Јохн Wилеy & Сонс. ИСБН 9780471738435. 
• Саган, Дорион, ур. (2012). Лyнн Маргулис: Тхе Лифе анд Легацy оф а Сциентифиц Ребел. Wхите Ривер Јунцтион: Цхелсеа Греен. ИСБН 978-1603584470. 
• Цампбелл НА, Wиллиамсон Б, Хеyден РЈ (2006). Биологy: Еxплоринг Лифе. Бостон, Массацхусеттс: Пеарсон Прентице Халл. ИСБН 978-0-13-250882-7. 
• Павелк M, Миронов АА (2008). Тхе Голги Аппаратус: Стате оф тхе арт 110 yеарс афтер Цамилло Голги'с дисцоверy. Берлин: Спрингер. стр. 580. ИСБН 978-3-211-76310-0. 
• Цоопер, Геоффреy M. (2000). „Цх. 1: Сецтион: Елецтрон Мицросцопy”. Тхе Целл — А Молецулар Аппроацх (2нд изд.). Сундерланд МА: Синауер Ассоциатес. ИСБН 978-0-87893-106-4. 
• Марсх, Марк (2001). Ендоцyтосис. Оxфорд Университy Пресс. стр. вии. ИСБН 978-0-19-963851-2. 
• Сцхоенер, Тхомас W (2009). „§И.1 Ецологицал ницхе”. Ур.: Левин, Симон А.; Царпентер, Степхен Р.; Х. Цхарлес Ј. Годфраy; Кинзиг, Анн П.; Лореау, Мицхел; Лосос, Јонатхан Б.; Wалкер, Бриан; Wилцове, Давид С. Тхе Принцетон Гуиде то Ецологy. Принцетон Университy Пресс. стр. 3. ИСБН 9781400833023. 
• Сцхулзе, Ернст-Детлеф; Моонеy, Харолд А. (1993). Биодиверситy анд ецосyстем фунцтион. Спрингер-Верлаг. стр. 88—90. 
• Опарин, А. I. (1967). Бернал, Јохн Десмонд, ур. Тхе оригин оф лифе. Wорлд Пуб. Цо. стр. 199—234. 

Спољашње везе

• Society for Biomolecular Sciences provider of a forum for education and information exchange among professionals within drug discovery and related disciplines.