Biomoleküle: Klassifikation und Hauptfunktionen

Biomoleküle sind Moleküle, die in Lebewesen erzeugt werden. Das Präfix "bio" bedeutet Leben; Daher ist ein Biomolekül ein Molekül, das von einem Lebewesen produziert wird. Lebewesen bestehen aus verschiedenen Arten von Molekülen, die verschiedene Funktionen erfüllen, die für das Leben notwendig sind.

In der Natur gibt es biotische (lebende) und abiotische (nicht lebende) Systeme, die miteinander interagieren und in einigen Fällen Elemente austauschen. Allen Lebewesen ist gemeinsam, dass sie organisch sind, was bedeutet, dass ihre konstituierenden Moleküle von Kohlenstoffatomen gebildet werden.

Biomoleküle haben neben Kohlenstoff auch andere Atome gemeinsam. Diese Atome umfassen hauptsächlich Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. Diese Elemente werden auch als Bioelemente bezeichnet, da sie den Hauptbestandteil biologischer Moleküle darstellen.

Es gibt jedoch auch andere Atome, die in einigen Biomolekülen vorhanden sind, wenn auch in geringeren Mengen. Dies sind in der Regel Metallionen wie Kalium, Natrium, Eisen und Magnesium. Dementsprechend können Biomoleküle von zwei Arten sein: organisch oder anorganisch.

So bestehen Organismen aus vielen Arten von Molekülen auf Kohlenstoffbasis, zum Beispiel: Zucker, Fette, Proteine ​​und Nukleinsäuren. Es gibt jedoch auch andere Verbindungen auf Kohlenstoffbasis, die nicht Teil der Biomoleküle sind.

Diese Moleküle, die Kohlenstoff enthalten, sich aber nicht in biologischen Systemen befinden, kommen in der Erdkruste, in Seen, Meeren und Ozeanen sowie in der Atmosphäre vor. Die Bewegung dieser Elemente in der Natur wird in sogenannten biogeochemischen Kreisläufen beschrieben.

Es wird angenommen, dass diese einfachen organischen Moleküle, die in der Natur vorkommen, die komplexesten Biomoleküle hervorgebracht haben, die Teil der Grundstruktur des Lebens sind: die Zelle. Das Obige ist als Theorie der abiotischen Synthese bekannt.

Klassifikation und Funktionen von Biomolekülen

Biomoleküle unterscheiden sich in Größe und Struktur, was ihnen einzigartige Eigenschaften für die Erfüllung der verschiedenen lebensnotwendigen Funktionen verleiht. So wirken Biomoleküle unter anderem als Informationsspeicher, Energiequelle, Unterstützung, Zellstoffwechsel.

Biomoleküle können basierend auf der Anwesenheit oder Abwesenheit von Kohlenstoffatomen in zwei große Gruppen eingeteilt werden.

Anorganische Biomoleküle

Dies sind all jene Moleküle, die in Lebewesen vorhanden sind und die in ihrer Molekülstruktur keinen Kohlenstoff enthalten. Anorganische Moleküle können auch in anderen (nicht lebenden) Systemen der Natur gefunden werden.

Die Arten von anorganischen Biomolekülen sind die folgenden:

Wasser

Es ist der Haupt- und Grundbestandteil von Lebewesen. Es ist ein Molekül, das aus einem Sauerstoffatom besteht, das an zwei Wasserstoffatome gebunden ist. Wasser ist lebensnotwendig und das häufigste Biomolekül.

Zwischen 50 und 95% des Gewichts eines Lebewesens besteht aus Wasser, da mehrere wichtige Funktionen wie Wärmeregulierung und Stofftransport ausgeführt werden müssen.

Mineralsalze

Es sind einfache Moleküle, die von Atomen mit entgegengesetzter Ladung gebildet werden und sich vollständig im Wasser trennen. Zum Beispiel: Natriumchlorid, gebildet aus einem Chloratom (negativ geladen) und einem Natriumatom (positiv geladen).

Mineralsalze sind an der Bildung starrer Strukturen beteiligt, z. B. der Knochen von Wirbeltieren oder des Exoskeletts von Wirbellosen. Diese anorganischen Biomoleküle sind auch notwendig, um viele wichtige Zellfunktionen zu erfüllen.

Gase

Sie sind Moleküle, die in Form von Gas vorliegen. Sie sind von grundlegender Bedeutung für die Atmung von Tieren und die Photosynthese in Pflanzen.

Beispiele für diese Gase sind: molekularer Sauerstoff, der durch zwei miteinander verbundene Sauerstoffatome gebildet wird; und Kohlendioxid, gebildet durch ein Kohlenstoffatom, das an zwei Sauerstoffatome gebunden ist. Beide Biomoleküle sind am Gasaustausch beteiligt, den Lebewesen mit ihrer Umwelt eingehen.

Organische Biomoleküle

Organische Biomoleküle sind solche Moleküle, deren Struktur Kohlenstoffatome enthält. Organische Moleküle sind auch in der Natur als Teil nicht lebender Systeme verbreitet und bilden die sogenannte Biomasse.

Die Arten von organischen Biomolekülen sind die folgenden:

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind wahrscheinlich die am häufigsten vorkommenden und am weitesten verbreiteten organischen Substanzen in der Natur und wesentliche Bestandteile aller Lebewesen.

Kohlenhydrate werden bei der Photosynthese von grünen Pflanzen aus Kohlendioxid und Wasser hergestellt.

Diese Biomoleküle werden hauptsächlich von Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen gebildet. Sie sind auch als Kohlenhydrate oder Saccharide bekannt und fungieren als Energiequellen und als strukturelle Bestandteile von Organismen.

- Monosaccharide

Monosaccharide sind die einfachsten Kohlenhydrate und werden oft als einfache Zucker bezeichnet. Sie sind die Grundbausteine, aus denen alle größten Kohlenhydrate gebildet werden.

Monosaccharide haben die allgemeine Molekülformel (CH 2 O) n, wobei n 3, 5 oder 6 sein kann. Somit können Monosaccharide gemäß der Anzahl der im Molekül vorhandenen Kohlenstoffatome klassifiziert werden:

Wenn n = 3 ist, ist das Molekül eine Triose. Zum Beispiel: Glycerinaldehyd.

Wenn n = 5 ist, ist das Molekül eine Pentose. Zum Beispiel: Ribose und Desoxyribose.

Wenn n = 6 ist, ist das Molekül eine Hexose. Zum Beispiel: Fructose, Glucose und Galactose.

Pentosen und Hexosen können in zwei Formen vorliegen: zyklisch und nicht zyklisch. In der nichtcyclischen Form zeigen ihre Molekülstrukturen zwei funktionelle Gruppen: eine Aldehydgruppe oder eine Ketongruppe.

Monosaccharide, die die Aldehydgruppe enthalten, werden Aldosen genannt, und solche, die eine Ketongruppe aufweisen, werden Ketosen genannt. Aldosen sind reduzierende Zucker, während Ketosen nicht reduzierende Zucker sind.

In Wasser existieren Pentosen und Hexosen jedoch hauptsächlich in zyklischer Form, und in dieser Form verbinden sie sich, um größere Saccharidmoleküle zu bilden.

- Disaccharide

Die meisten in der Natur vorkommenden Zucker sind Disaccharide. Diese entstehen durch die Bildung einer glykosidischen Bindung zwischen zwei Monosacchariden durch eine Kondensationsreaktion, bei der Wasser freigesetzt wird. Dieser Bindungsbildungsprozess erfordert Energie, um die zwei Monosaccharideinheiten zusammenzuhalten.

Die drei wichtigsten Disaccharide sind Saccharose, Lactose und Maltose. Sie entstehen aus der Kondensation der entsprechenden Monosaccharide. Saccharose ist ein nicht reduzierender Zucker, während Lactose und Maltose Zucker reduzieren.

Die Disaccharide sind in Wasser löslich, aber es handelt sich um sehr große Biomoleküle, die durch Diffusion durch die Zellmembran gelangen. Aus diesem Grund werden sie während der Verdauung im Dünndarm abgebaut, so dass ihre Grundbestandteile (dh die Monosaccharide) in das Blut und in die anderen Zellen gelangen.

Monosaccharide werden von Zellen sehr schnell verwendet. Wenn eine Zelle die Energie jedoch nicht sofort benötigt, kann sie sie in Form komplexerer Polymere speichern. Somit werden Monosaccharide durch Kondensationsreaktionen, die in der Zelle auftreten, in Disaccharide umgewandelt.

- Oligosaccharide

Oligosaccharide sind Zwischenmoleküle, die aus drei bis neun Einheiten einfacher Zucker (Monosaccharide) bestehen. Sie entstehen durch teilweisen Abbau komplexerer Kohlenhydrate (Polysaccharide).

Die meisten natürlichen Oligosaccharide kommen in Pflanzen vor und sind mit Ausnahme von Maltotriose für den Menschen unverdaulich, da dem menschlichen Körper die zum Abbau erforderlichen Enzyme im Dünndarm fehlen.

Im Dickdarm können nützliche Bakterien die Oligosaccharide durch Fermentation abbauen; So werden sie in absorbierbare Nährstoffe umgewandelt, die etwas Energie liefern. Bestimmte Abbauprodukte von Oligosacchariden können sich günstig auf die Auskleidung des Dickdarms auswirken.

Beispiele für Oligosaccharide umfassen Raffinose, ein Trisaccharid aus Hülsenfrüchten und einige Getreide aus Glucose, Fructose und Galactose. Maltotriose, ein Glucosetrisaccharid, wird in einigen Pflanzen und im Blut bestimmter Arthropoden produziert.

- Polysaccharide

Monosaccharide können eine Reihe von Kondensationsreaktionen eingehen, wobei eine Einheit nach der anderen zur Kette hinzugefügt wird, bis sich sehr große Moleküle bilden. Dies sind die Polysaccharide.

Die Eigenschaften von Polysacchariden hängen von mehreren Faktoren ihrer Molekülstruktur ab: Länge, Seitenäste, Faltung und ob die Kette "gerade" oder "funky" ist. Es gibt mehrere Beispiele für Polysaccharide in der Natur.

Stärke wird häufig in Pflanzen als Energiespeicher hergestellt und besteht aus α-Glucose-Polymeren. Wenn das Polymer verzweigt ist, heißt es Amylopektin, und wenn es nicht verzweigt ist, heißt es Amylose.

Glykogen ist das Energiereservepolysaccharid bei Tieren und besteht aus Amylopektinen. So wird die Stärke in Pflanzen im Körper abgebaut, um Glukose zu produzieren, die in die Zelle gelangt und im Stoffwechsel verwendet wird. Die nicht verwendete Glucose polymerisiert und bildet Glykogen, die Energieabscheidung.

Lipide

Lipide sind eine andere Art von organischen Biomolekülen, deren Hauptmerkmal darin besteht, dass sie hydrophob sind (sie stoßen Wasser ab) und folglich in Wasser unlöslich sind. Lipide lassen sich je nach Struktur in 4 Hauptgruppen einteilen:

- Triglyceride

Triglyceride werden durch ein Glycerinmolekül gebildet, das an drei Fettsäureketten gebunden ist. Eine Fettsäure ist ein lineares Molekül, das an einem Ende eine Carbonsäure, gefolgt von einer Kohlenwasserstoffkette und einer Methylgruppe am anderen Ende enthält.

Die Fettsäuren können je nach Struktur gesättigt oder ungesättigt sein. Wenn die Kohlenwasserstoffkette nur Einfachbindungen enthält, handelt es sich um eine gesättigte Fettsäure. Umgekehrt ist die Fettsäure ungesättigt, wenn diese Kohlenwasserstoffkette eine oder mehrere Doppelbindungen aufweist.

In diese Kategorie fallen Öle und Fette. Die ersten sind die Energiereserven der Pflanzen, sie sind ungesättigt und bei Raumtemperatur flüssig. Im Gegensatz dazu sind Fette die Energiereserven von Tieren, sie sind gesättigte und feste Moleküle bei Raumtemperatur.

Phospholipide

Phospholipide sind Triglyceriden insofern ähnlich, als sie ein Glycerinmolekül besitzen, das an zwei Fettsäuren gebunden ist. Der Unterschied besteht darin, dass Phospholipide anstelle eines anderen Fettsäuremoleküls eine Phosphatgruppe im dritten Kohlenstoff des Glycerins aufweisen.

Diese Lipide sind sehr wichtig, da sie mit Wasser in Wechselwirkung treten können. Durch das Vorhandensein einer Phosphatgruppe an einem Ende wird das Molekül in diesem Bereich hydrophil (zieht Wasser an). Es bleibt jedoch im Rest des Moleküls hydrophob.

Aufgrund ihrer Struktur sind Phospholipide in der Regel so organisiert, dass Phosphatgruppen für die Wechselwirkung mit dem wässrigen Medium zur Verfügung stehen, während die von ihnen organisierten hydrophoben Ketten weit entfernt von Wasser sind. Somit sind Phospholipide Teil aller biologischen Membranen.

- Steroide

Steroide bestehen aus vier kondensierten Kohlenstoffringen, die durch verschiedene funktionelle Gruppen verbunden sind. Eines der wichtigsten ist Cholesterin, es ist wichtig für Lebewesen. Es ist der Vorläufer einiger wichtiger Hormone wie Östrogen, Testosteron und Cortison.

- Wachse

Wachse sind eine kleine Gruppe von Lipiden, die eine Schutzfunktion haben. Sie kommen in den Blättern von Bäumen, in den Federn von Vögeln, in den Ohren einiger Säugetiere und an Orten vor, die vor der äußeren Umgebung isoliert oder geschützt werden müssen.

Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind die Haupttransportmoleküle der Erbinformation in Lebewesen. Seine Hauptfunktion ist es, den Prozess der Proteinsynthese zu steuern, der die ererbten Eigenschaften jedes Lebewesens bestimmt. Sie bestehen aus Atomen von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor.

Nukleinsäuren sind Polymere, die durch Wiederholung von Monomeren gebildet werden und als Nukleotide bezeichnet werden. Jedes Nukleotid besteht aus einer aromatischen Base, die Stickstoff an einen Pentosezucker (fünf Kohlenstoffe) gebunden enthält, der wiederum an eine Phosphatgruppe gebunden ist.

Die beiden Hauptklassen von Nukleinsäuren sind Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). DNA ist das Molekül, das alle Informationen einer Art enthält, weshalb es in allen Lebewesen und in den meisten Viren vorhanden ist.

RNA ist das Erbgut bestimmter Viren, kommt aber auch in allen lebenden Zellen vor. Dort spielt er eine wichtige Rolle in bestimmten Prozessen, beispielsweise bei der Herstellung von Proteinen.

Jede Nukleinsäure enthält vier von fünf möglichen Basen, die Stickstoff enthalten: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U). Die DNA enthält die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, während die RNA das gleiche enthält, mit Ausnahme von Thymin, das in der RNA durch Uracil ersetzt wird.

- Desoxyribonukleinsäure (DNA)

Das DNA-Molekül besteht aus zwei Ketten von Nukleotiden, die durch Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden sind. Jede Kette hat eine Struktur in Form einer Helix. Die beiden Helices verflechten sich zu einer Doppelhelix. Die Basen befinden sich innerhalb der Helix und die Phosphatgruppen befinden sich außerhalb.

Die DNA besteht aus einer Hauptkette von Zuckerdesoxyribose, die an ein Phosphat gebunden ist, und den vier stickstoffhaltigen Basen: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. In der doppelsträngigen DNA bilden sich Basenpaare: Adenin bindet immer an Thymin (AT) und Guanin an Cytosin (GC).

Die beiden Helices werden zusammengehalten, indem die Basen der Nukleotide durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengebracht werden. Die Struktur wird manchmal als Leiter bezeichnet, in der die Zucker- und Phosphatketten die Seiten und die Base-Base-Bindungen die Sprossen sind.

Diese Struktur macht zusammen mit der chemischen Stabilität des Moleküls DNA zum idealen Material für die Übertragung genetischer Informationen. Wenn sich eine Zelle teilt, wird ihre DNA kopiert und von einer Zellgeneration zur nächsten weitergegeben.

- Ribonukleinsäure (RNA)

RNA ist ein Polymer aus Nukleinsäuren, dessen Struktur aus einer einzelnen Kette von Nukleotiden besteht: Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil. Wie in der DNA bindet Cytosin immer an Guanin (CG), aber Adenin bindet an Uracil (AU).

Es ist der erste Vermittler bei der Übertragung von genetischer Information in Zellen. RNA ist essentiell für die Synthese von Proteinen, da die im genetischen Code enthaltenen Informationen normalerweise von DNA zu RNA und von dort zu Proteinen übertragen werden.

Einige RNAs haben auch direkte Funktionen im Zellstoffwechsel. RNA wird erhalten, indem die Basensequenz eines als Gen bezeichneten DNA-Segments in einen einzelsträngigen Nukleinsäureteil kopiert wird. Dieser Prozess, Transkription genannt, wird durch ein Enzym namens RNA-Polymerase katalysiert.

Es gibt verschiedene Arten von RNA, hauptsächlich drei: Die erste ist die Messenger-RNA, die durch Transkription direkt von der DNA kopiert wird. Der zweite Typ ist die Transfer-RNA, die die richtigen Aminosäuren für die Proteinsynthese überträgt.

Schließlich ist die andere Klasse von RNA die ribosomale RNA, die zusammen mit einigen Proteinen die Ribosomen bildet, zelluläre Organellen, die für die Synthese aller Proteine ​​der Zelle verantwortlich sind.

Proteine

Proteine ​​sind große, komplexe Moleküle, die viele wichtige Funktionen erfüllen und den größten Teil der Arbeit in Zellen erledigen. Sie sind notwendig für die Struktur, Funktion und Regulation von Lebewesen. Sie bestehen aus Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffatomen.

Proteine ​​bestehen aus kleineren Einheiten, sogenannten Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind und lange Ketten bilden. Aminosäuren sind kleine organische Moleküle mit ganz besonderen physikalisch-chemischen Eigenschaften, es gibt 20 verschiedene Arten.

Die Aminosäuresequenz bestimmt die einzigartige dreidimensionale Struktur jedes Proteins und seine spezifische Funktion. Tatsächlich sind die Funktionen einzelner Proteine ​​so unterschiedlich wie ihre einzigartigen Aminosäuresequenzen, die die Wechselwirkungen bestimmen, die komplexe dreidimensionale Strukturen erzeugen.

Vielfältige Funktionen

Proteine ​​können Struktur- und Bewegungskomponenten für die Zelle sein, beispielsweise Aktin. Andere beschleunigen die biochemischen Reaktionen in der Zelle, beispielsweise die DNA-Polymerase, das Enzym, das die DNA synthetisiert.

Es gibt andere Proteine, die dem Organismus eine wichtige Botschaft übermitteln sollen. Beispielsweise senden einige Arten von Hormonen wie Wachstumshormon Signale, um biologische Prozesse zwischen verschiedenen Zellen, Geweben und Organen zu koordinieren.

Einige Proteine ​​binden und transportieren Atome (oder kleine Moleküle) in Zellen. Dies ist der Fall bei Ferritin, das für die Speicherung von Eisen in einigen Organismen verantwortlich ist. Eine weitere Gruppe wichtiger Proteine ​​sind die Antikörper, die zum Immunsystem gehören und für den Nachweis von Toxinen und Krankheitserregern verantwortlich sind.

Proteine ​​sind somit die Endprodukte des Entschlüsselungsprozesses genetischer Information, der mit zellulärer DNA beginnt. Diese unglaubliche Funktionsvielfalt leitet sich aus einem überraschend einfachen Code ab, der in der Lage ist, unterschiedlichste Strukturen zu spezifizieren.