Biomolekul

Prikaz 3D strukture mioglobinа koja prikazuje obojane alfa helikse. Ovo je prvi protein čiju su strukturu uz pomoć rendgendske kristalografije otkrili Maks Perutz i Džon Kendru 1958. godine, i za to dostignuće dobili Nobelovu nagradu za hemiju.

Biomolekul ili biološki molekul je svaki organski molekul koju proizvodi živi organizam, that are essential to one or more typically biological processes, such as cell division, morphogenesis, or development. Biomolekuli obuhvataju velike polimerske molekule, kao što su proteini, polisaharidi i nukleinske kiseline, kao i male molekuli poput primarnih metabolita, sekundarnih metabolita i prirodnih proizvoda. A more general name for this class of material is biological materials. Biomolecules are an important element of living organisms, those biomolecules are often endogenous, produced within the organism but organisms usually need exogenous biomolecules, for example certain nutrients, to survive.

Biology and its subfields of biochemistry and molecular biology study biomolecules and their reactions. Most biomolecules are organic compounds, and just four elements—oxygen, carbon, hydrogen, and nitrogen—make up 96% of the human body's mass. But many other elements, such as the various biometals, are present in small amounts.

The uniformity of both specific types of molecules (the biomolecules) and of certain metabolic pathways are invariant features among the wide diversity of life forms; thus these biomolecules and metabolic pathways are referred to as "biochemical universals" or "theory of material unity of the living beings", a unifying concept in biology, along with cell theory and evolution theory.

Sastav biomolekula

Od svih hemijskih elemenata koji se nalaze u prirodi, samo 27 ulazi u sastav hemijskih jedinjenja koja čine živi svet. Ovi elementi se nazivaju biogenim ili biomolekulskim. Najzastupljeniji bioelementi u građi organskih molekula su: C (ugljenik), H (vodonik), O (kiseonik), N (azot), P (fosfor) i S (sumpor).

Drugu grupu elemenata koja ulazi u sastav živih bića čine: Ca (kalcijum), Mg (magnezijum), Na (natrijum), K (kalijum) i Cl (hlor). Ovi elementi se u telesnim tečnostima nalaze u obliku jona, te se nazivaju elektroliti.

Pored ove dve grupe bioelemenata, postoji i grupa esencijalnih elemenata, koji su ništa manje važni iako se nalaze u tragovima (minimalnim količinama). Ima ih 16: gvožđe, bakar, cink, mangan, kobalt, hrom, selen, molibden, jod, fluor, bor, arsen, nikl, kalaj, vanadijum i silicijum.

Struktura i funkcija

Tipične biomolekule, kao što su proteini, nukleinske kiseline, masti i karbohidarti, su građene od specifičnih gradivnih dijelova. Funkcija svake biomolekule je posebna, ali ista u svim organizmima. Gradivni dijelovi mogu biti promijenjeni u različitim biomolekulama, kako bi doprinijeli njihovoj osnovnoj funkciji.

Na primjer, gradivni dijelovi proteina su aminokiseline, nukleinskih kiselina - nukleotidi, masti - glicerol i više masne kiseline, a šećera - α-D-glukoza.

Proteini (bjelančevine)

Proteini su velike molekule složenog sastava koji čine osnovu strukture i organizacije živih sistema. To su polimeri dugih lanaca, izgrađeni od monomera aminokiselina, koji su povezani peptidnim vezama. Svaki protein sadrži kombinaciju 20 vrsta aminokiselina (koje nazivamo α- aminokiseline), već unaprijed određenu genetičkim kodom. Različite kombinacije aminokiselina omogućavaju proteinima da budu najraznovrsnije i najrasprostranjenije biomolekule u organizmu. Aminokiseline su osnovni gradivni dijelovi proteina. Po hemijskom sastavu imaju jednu amino skupinu, karboksilnu skupinu, vodikov atom i različitu R skupinu koja je vezana za α- ugljikov atom i funkcionalnu grupu (reaktivno dio molekule). Struktura proteina je podijeljena na više nivoa:

1. Primarna struktura: Različita kombinacija 20 α-aminokiselina utječe na stvaranje velikih lanaca proteina. Primarna struktura određuje funkciju i biološke osobine proteina.
2. Sekundarna struktura: Javlja se u polipeptidnim lancima kada se –CO i amino grupa spajaju vodikovom vezom. Tu postoje dvije strukture: α- zavojnica i β- nabrana ploča, koje su međusobno povezane vodikovom vezom.
3. Tercijarna struktura: To je 3D struktura proteina koja se javlja sklapanjem α i β strukture. Na osnovu ove strukture, proteini se dijele na fibrilarne i globularne.
4. Kvartarna struktura: Kombinacijom jednostavnih proteina i različitih ili istih polipeptidnih lanaca, se stvaraju kompleksniji proteini.

Jedna od bitnih karakteristika proteina je denaturacija, do koje dolazi raskidanjem vodikovih veza. Vodikove veze su jako slabe i osjetljive i lahko pucaju pri najmanjoj promjeni temperature ili pH vrijednosti okoline. Proteini se uglavnom vezuju u složenije molekule sa lipidima, ugljikohidratima, nukleinskim kiselinama i hem grupom. Imaju različite funkcije u organizmu: 75% ćelijske mase je izgrađeno od proteina, a imaju veliku ulogu i kao gradivne jedinice ćelijske plazme i organela. Također djeluju kao biohemijski katalizatori- enzimi. Neki od najpoznatijih hormona su proteini (inzulin, glukagon). Učestvuju u rastu i obnavljanju tkiva.

Lipidi (masti)

Lipidi su velika skupina masti i ulja karakteristični po netopivosti u vodi i topivosti u organskim rastvaračima (kao što su aceton, eter, karbon tetrahlorid). Kao i ugljikohidrati, lipidi su uglavnom sastavljeni od C, H i O atoma, a složeni mogu imati i N, P i S atome.. Nastaju u reakciji masnih kiselina sa alkoholima ili aminima.

Gradivni dijelovi lipida su više masne kiseline, koje su uglavnom monokarboksilne organske kiseline sa brojem C atoma većim od četiri. Više masne kiseline mogu biti: zasićene (nerazgranate i najraširenije u prirodi) i nezasićene (sa jednom ili više dvostrukih veza).

Na osnovu njihove molekularne strukture, lipidi su podijeljeni u tri skupine:

1. Jednostavni lipidi: U jednostavne lipide se ubrajaju esteri, koji se mogu podijeliti u dvije skupine. Po strukturi, masti i ulja su trigliceridi, koji su esteri glicerola i masnih kiselina. Njihove karakteristike zavise od vrste i količine masnih kiselina. Dugi lanci masnih kiselina mogu imati različit broj C atoma (između 12 i 24) i dvostruke veze ukoliko su nezasićeni. Masti su trigliceridi koji su na sobnoj temperaturi u čvrstom stanju, a ulja u tečnom. Dvostruka veza nezasićenih masnih kiselina lahko podliježe hidrogenizaciji, što utječe na stvaranje zasićenih triglicerida ili masti. Netopivi su u vodi. Voskovi su esteri masnih kiselina sa dugim lancima monohidroksidnih alkohola sa 26-34 C atoma. Rašireni su u prirodi u raznim spojevima. Često su dijelom zaštitnih slojeva na površinama životinja i biljaka, a neki insekti i luče vosak (kao pčele). Trigliceridi podliježu procesu saponifikacije i imaju veliku primjenu u kozmetičkoj industriji.
2. Složeni lipidi: Složeni lipidi su esteri masnih kiselina i alkohola, sa različitim primjesama proteina, fosfornih kiselina, šećera itd. Postoji više skupina ovih lipida, a najpoznatiji su fosfolipidi i glikolipidi. Složeni lipidi u svojoj hemijskoj strukturi imaju polarni i nepolarni dio. Najvažniju funkciju imaju u izgradnji bioloških membrana.
3. Dobijeni lipidi: Steroidi su posebna grupa lipida koji se stvaraju u tijelu tokom metabolizma. Ne ubrajaju se u grupu estera. Holesterol je jedan od najpoznatijih steroida u ljudskom i životinjskom tkivu.

Osnovna funkcija lipida je učestvovanje u izgradnji svih ćelijskih membrana, kao i rezerva hranjivih sastojaka (u trigliceridima) za energetske potrebe organizma.

Ugljenohidrati

Ugljenohidrati formiraju veliku skupinu organskih jedinjenja, koji imaju važnu ulogu u svakodnevnom životu. Nastaju u biljkama kao produkt procesa fotosinteze. Najrasprostranjeniji ugljikohidrati su glukoza, fruktoza, saharoza, škrob i celuloza. Mnogi ugljikohidrati su slatkastog okusa i zato se nazivaju šećerima. Svi ugljikohidrati imaju zajedničku formulu Cx(H2O)y. Osnovni gradivni dijelovi njihovih lanaca se nazivaju monosaharidi (jednostavni šećeri). Lanac je nerazgranat i svaki C atom nosi –OH grupu, a po jedan aldehidnu ili keto skupinu.

Na osnovu ponašanja pri hidrolizi, ugljikohidrati se mogu podijeliti u tri skupine:

1. Monosaharidi su jednostavni ugljikohidrati koji se ne mogu hidrolizom rastaviti na jednostavnije jedinice ketona. Poznato je 20 vrsta monosaharida koji se nalaze u prirodi. Oni su dalje podijeljeni na osnovu broja C atoma i funkcionalne grupe. Ako sadrže aldehidnu grupu, nazivaju se aldozama, a ako sadrže keto grupu- ketozama. Svi imaju bijelu boju i topivi su u vodi. Imaju slatkast okus.
2. Oligosaharidi su ugljikohidrati koji sadrže 2- 10 monosaharidnih jedinica dobivenih hidrolizom. Oni se mogu dalje podijeliti na disaharide, trisaharide, tetrasaharide, itd. Monosaharidne jedinice od kojih su sastavljeni kompleksniji ugljikohidrati mogu, ali i ne moraju biti iste u određenom ugljikohidratu. Na primjer, saharoza hidrolizom daje jednu molekulu glukoze i jednu molekulu fruktoze.
3. Polisaharidi su dugi lanci monosaharida, koji su najrasprostranjeniji ugljikohidrati u prirodi. Služe kao rezerva hrane kod životinja (glikogen) i biljaka (škrob) i kao gradivni materijal (uglavnom kod biljaka).

Monosaharidi uglavnom imaju cikličnu strukturu, jer aldehidna i keto skupina nisu potpuno slobodne, što je dokazano Haworth-ovim eksperimentom.

Ugljikohidrati imaju više funkcija od kojih su najpoznatije da služi kao gradivni materijal (celuloza) za izgradnju ćelijskih zidova bakterija i biljaka, te da su povezani sa mnogim lipidima i proteinima i grade spojeve koji imaju važnu funkciju u organizmu (kao glikolipidi i glikoproteini).

Nukleinske kiseline

Nukleinske kiseline su biološke molekule, esencijalne za sve oblike živih organizama. To su linearni polimeri, koji se sastoje od različitih nukleotida, poredanih u genetski predodređenom slijedu. Nukleotidi su osnovne gradivne jedinice (monomeri) nukleinskih kiselina i međusobno su povezani preko fosfatne grupe. Kondenzacijom hidroksilnih skupina, dolazi do uspostavljanja 3'- 5' fosfodiesterske veze. Svaki nukleotid se sastoji od baze, petougljičnog šećera (pentoze) i fosfatne grupe.

Na osnovu različite strukture nukleotida, dolazi do stvaranja polimera sa različitom građom i funkcijom, pri čemu razlikujemo dva osnovna tipa:

1. DNK - deoksiribonukleinska kiselina- koja sadrži petougljični šećer deoksiribozu. Nosilac je genetičke informacije u jedru i koda za sintezu specifičnih proteina. Sadrži i do 250 miliona nukleotidnih parova.
2. RNK - ribonukleinska kiselina- sadrži petougljični šećer ribozu (koja ima jednu više –OH grupu na petougljičnom šećeru). Učestvuje u transkripciji i translaciji genetičke informacije tokom sinteze proteina. Sadrži nekoliko hiljada nukleotida. Postoje tri tipa RNK molekule: iRNK (informaciona RNK- učestvuje u transkripciji genetičkog koda u jedru), rRNK (ribosomska RNK- sa ribosomskim proteinima predstavlja gradivne komponente ribosoma) i tRNK (transportna RNK- prenosi aminokiseline do ribosoma).

Različita struktura nukleotida je uzrokovana različitim bazama, kojih postoje 4 vrste: adenin, guanin, citozin i timin (kod RNK uracil).

Struktura DNK i RNK

Nakon što su Watson i Crick otkrili Heliks strukturu DNK- utvrđeno je da je to dvostruka zavojnica dva polunukleotidna lanca, čije se baze na suprotnim lancima uparaju uvijek kao adenin (A) sa timinom (T) i guanin (G) sa citozinom (C), koji su međusobno povezani slabim vodikovim vezama.

Osnovna funkcija DNK je čuvanje informacije o genetičkom materijalu. Pri dijeljenju ćelije, sa osnovne molekule DNK dolazi do prepisivanja genetičkog koda (replikacija DNK), pri čemu se stvaraju novi lanci sa identičnim genetičkim kodom. DNK je smještena u posebno organizovanim strukturama koje se nazivaju hromosomi.

Literatura

• Voet, Donald; Voet, Judith G. (2005). Biochemistry (3 изд.). Wiley. ISBN 9780471193500. Архивирано из оригинала 11. 9. 2007. г. Приступљено 9. 2. 2017. 
• McNaught AD (1997). Compendium of Chemical Terminology (2nd изд.). Oxford: Blackwell Scientific Publications. ISBN 978-0-9678550-9-7. 
• Enzyme nomenclature, 1978 recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry on the nomenclature and classification of enzymes. New York: Academic Press. 1979. ISBN 9780323144605. 
• Clarke, Jeremy M. Berg; John L. Tymoczko; Lubert Stryer. Web content by Neil D. (2002). „Section 3.5Quaternary Structure: Polypeptide Chains Can Assemble Into Multisubunit Structures”. Biochemistry (5. ed., 4. print. изд.). New York, NY [u.a.]: W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-3051-4. 
• Linderstrøm-Lang KU (1952). Lane Medical Lectures: Proteins and Enzymes. Stanford University Press. стр. 115. ASIN B0007J31SC. 
• Krauss, G. (2003). „The Regulations of Enzyme Activity”. Biochemistry of Signal Transduction and Regulation (3rd изд.). Weinheim: Wiley-VCH. стр. 89—114. ISBN 9783527605767. 
• Fersht, A. (1985). Enzyme Structure and Mechanism. San Francisco: W.H. Freeman. стр. 50–2. ISBN 978-0-7167-1615-0. 
• Costanzo, Linda S. (2007). Physiology. Hagerstwon, MD: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0781773119. 
• Maton, Anthea; Hopkins, Jean; McLaughlin, Charles William; Johnson, Susan; Warner, Maryanna Quon; LaHart, David; Wright, Jill D. (1993). Human Biology and Health. Englewood Cliffs, New Jersey, US: Prentice Hall. ISBN 978-0139811760. 
• Campbell, Neil A.; Williamson, Brad; Heyden, Robin J. (2006). Biology: Exploring Life. Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-13-250882-7. 
• Hardin, Jeff; Bertoni, Gregory; Kleinsmith, Lewis J. (2015). Becker's World of the Cell (8th изд.). New York: Pearson. стр. 422—446. ISBN 978013399939-6. 
• Evert RF, Eichhorn SE (2006). Esau's Plant Anatomy: Meristems, Cells, and Tissues of the Plant Body: Their Structure, Function, and Development. John Wiley & Sons. ISBN 9780471738435. 
• Sagan, Dorion, ур. (2012). Lynn Margulis: The Life and Legacy of a Scientific Rebel. White River Junction: Chelsea Green. ISBN 978-1603584470. 
• Campbell NA, Williamson B, Heyden RJ (2006). Biology: Exploring Life. Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-13-250882-7. 
• Pavelk M, Mironov AA (2008). The Golgi Apparatus: State of the art 110 years after Camillo Golgi's discovery. Berlin: Springer. стр. 580. ISBN 978-3-211-76310-0. 
• Cooper, Geoffrey M. (2000). „Ch. 1: Section: Electron Microscopy”. The Cell — A Molecular Approach (2nd изд.). Sunderland MA: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-106-4. 
• Marsh, Mark (2001). Endocytosis. Oxford University Press. стр. vii. ISBN 978-0-19-963851-2. 
• Schoener, Thomas W (2009). „§I.1 Ecological niche”. Ур.: Levin, Simon A.; Carpenter, Stephen R.; H. Charles J. Godfray; Kinzig, Ann P.; Loreau, Michel; Losos, Jonathan B.; Walker, Brian; Wilcove, David S. The Princeton Guide to Ecology. Princeton University Press. стр. 3. ISBN 9781400833023. 
• Schulze, Ernst-Detlef; Mooney, Harold A. (1993). Biodiversity and ecosystem function. Springer-Verlag. стр. 88—90. 
• Oparin, A. I. (1967). Bernal, John Desmond, ур. The origin of life. World Pub. Co. стр. 199—234. 

Spoljašnje veze

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