BIOMOLECULE: CLASIFICARE ȘI FUNCȚII PRINCIPALE - BIOLOGIE

Cele biomolecule sunt molecule care sunt generate în ființele vii. Prefixul „bio” înseamnă viață; prin urmare, o biomoleculă este o moleculă produsă de o ființă vie. Ființele vii sunt formate din diferite tipuri de molecule care îndeplinesc diferite funcții necesare vieții.

În natură, există sisteme biotice (vii) și abiotice (non-vii) care interacționează și, în unele cazuri, schimbă elemente. O caracteristică pe care o au toate ființele vii este aceea că sunt organice, ceea ce înseamnă că moleculele lor constitutive sunt formate din atomi de carbon.

Biomoleculele au și alți atomi în comun în afară de carbon. Acești atomi includ, în principal, hidrogen, oxigen, azot, fosfor și sulf. Aceste elemente se mai numesc bioelemente, deoarece sunt componenta principală a moleculelor biologice.

Cu toate acestea, există și alți atomi care sunt prezenți și în unele biomolecule, deși în cantități mai mici. Acestea sunt în general ioni metalici, cum ar fi potasiu, sodiu, fier și magneziu, printre altele. În consecință, biomoleculele pot fi de două tipuri: organice sau anorganice.

Astfel, organismele sunt formate din mai multe tipuri de molecule pe bază de carbon, de exemplu: zaharuri, grăsimi, proteine și acizi nucleici. Cu toate acestea, există și alți compuși care sunt, de asemenea, pe bază de carbon și nu fac parte din biomolecule.

Aceste molecule care conțin carbon care nu se găsesc în sistemele biologice pot fi găsite în scoarța terestră, în lacuri, mări și oceane și în atmosferă. Mișcarea acestor elemente în natură este descrisă în ceea ce este cunoscut sub denumirea de cicluri biogeochemice.

Se crede că aceste molecule organice simple găsite în natură au fost cele care au dat naștere celor mai complexe biomolecule care fac parte din structura fundamentală pentru viață: celula. Aceasta este ceea ce este cunoscută sub numele de teoria sintezei abiotice.

Clasificarea și funcțiile biomoleculelor

Biomoleculele au dimensiuni și structuri diverse, ceea ce le conferă caracteristici unice pentru îndeplinirea diferitelor funcții necesare vieții. Astfel, biomoleculele acționează ca stocare de informații, sursa de energie, suport, metabolismul celular, printre altele.

Biomoleculele pot fi clasificate în două grupe mari, pe baza prezenței sau absenței atomilor de carbon.

Biomolecule anorganice

Sunt toate acele molecule care sunt prezente în ființele vii și care nu conțin carbon în structura lor moleculară. Moleculele anorganice pot fi găsite și în alte sisteme (care nu sunt vii) din natură.

Tipurile de biomolecule anorganice sunt următoarele:

Apă

Este componenta principală și fundamentală a ființelor vii, este o moleculă formată dintr-un atom de oxigen legat de doi atomi de hidrogen. Apa este esențială pentru existența vieții și este cea mai frecventă biomoleculă.

Între 50 și 95% din greutatea oricărei ființe vii este apă, deoarece este necesară îndeplinirea mai multor funcții importante, precum reglarea termică și transportul substanțelor.

Saruri minerale

Sunt molecule simple formate din atomi încărcați opus care se separă complet în apă. De exemplu: clorura de sodiu, formată dintr-un atom de clor (încărcat negativ) și un atom de sodiu (încărcat pozitiv).

Sărurile minerale participă la formarea structurilor rigide, precum oasele vertebratelor sau exoscheletul nevertebratelor. Aceste biomolecule anorganice sunt de asemenea necesare pentru îndeplinirea multor funcții celulare importante.

gaze

Sunt molecule care sunt sub formă de gaz. Sunt esențiale pentru respirația animalelor și fotosinteza la plante.

Exemple de astfel de gaze sunt: oxigenul molecular, format din doi atomi de oxigen legați împreună; și dioxid de carbon, format dintr-un atom de carbon legat la doi atomi de oxigen. Ambele biomolecule participă la schimbul de gaze pe care ființele vii le efectuează cu mediul înconjurător.

Biomolecule organice

Biomoleculele organice sunt acele molecule care conțin atomi de carbon în structura lor. Moleculele organice pot fi, de asemenea, găsite distribuite în natură ca parte a sistemelor care nu sunt vii și constituie ceea ce este cunoscut sub numele de biomasă.

Tipurile de biomolecule organice sunt următoarele:

Carbohidrați

Carbohidrații sunt probabil cele mai abundente și răspândite substanțe organice din natură și sunt componente esențiale ale tuturor viețuitoarelor.

Carbohidrații sunt produși de plantele verzi din dioxid de carbon și apă în timpul procesului de fotosinteză.

Aceste biomolecule sunt formate în principal din atomi de carbon, hidrogen și oxigen. De asemenea, sunt cunoscuți ca carbohidrați sau zaharide și funcționează ca surse de energie și ca componente structurale ale organismelor.

- Monozaharide

Monozaharidele sunt cele mai simple carbohidrați și sunt adesea numite zaharuri simple. Ele sunt elementele de construcție elementare din care se formează toți cei mai mari carbohidrați.

Monozaharidele au formula moleculară generală (CH2O) n, unde n poate fi 3, 5 sau 6. Astfel, monosacharidele pot fi clasificate în funcție de numărul de atomi de carbon prezenți în moleculă:

Dacă n = 3, molecula este o triose. De exemplu: gliceraldehidă.

Dacă n = 5, molecula este o pentoză. De exemplu: riboza și dezoxiriboza.

Dacă n = 6, molecula este o hexoză. De exemplu: fructoză, glucoză și galactoză.

Pentozele și hexozele pot exista sub două forme: ciclică și non-ciclică. În forma non-ciclică, structurile sale moleculare prezintă două grupări funcționale: o grupă aldehidă sau o grupă cetonă.

Monozaharidele care conțin grupa aldehidă se numesc aldoze, iar cele care au o grupă cetonică se numesc cetetoze. Aldozele sunt zaharuri reducătoare, în timp ce ketozele sunt zaharuri ne-reducătoare.

Cu toate acestea, în apa pentozozelor și hexozelor există în principal sub formă ciclică și se formează sub această formă pentru a forma molecule de zaharide mai mari.

- Dizaharide

Majoritatea zaharurilor găsite în natură sunt dizaharide. Acestea sunt formate prin formarea unei legături glicozidice între două monosacharide, printr-o reacție de condensare care eliberează apă. Acest proces de formare a legăturilor necesită energie pentru a ține cele două unități monosacharide împreună.

Cele mai importante trei dizaharide sunt zaharoză, lactoză și maltoză. Ele sunt formate din condensarea monosacharidelor corespunzătoare. Sucroza este un zahăr care nu reduce, în timp ce lactoza și maltoza reduc zaharurile.

Dizaharidele sunt solubile în apă, dar sunt biomolecule care sunt prea mari pentru a traversa membrana celulară prin difuzie. Din acest motiv, acestea sunt descompuse în intestinul subțire în timpul digestiei, astfel încât componentele lor esențiale (adică monosacharide) să treacă în sânge și în alte celule.

Monozaharidele sunt utilizate foarte repede de celule. Cu toate acestea, dacă o celulă nu are nevoie de energie, o poate stoca imediat sub formă de polimeri mai complexi. Astfel, monosacharidele sunt transformate în dizaharide prin reacții de condensare care apar în celulă.

- Oligozaharide

Oligozaharidele sunt molecule intermediare formate din trei până la nouă unități simple de zahăr (monosacharide). Se formează prin descompunerea parțială a carbohidraților mai complexi (polizaharide).

Majoritatea oligozaharidelor naturale se găsesc la plante și, cu excepția maltotriozei, sunt indigestibile de oameni, deoarece corpul uman îi lipsește enzimele necesare în intestinul subțire pentru a le descompune.

În intestinul gros, bacteriile benefice pot descompune oligozaharidele prin fermentare; astfel ele sunt transformate în nutrienți absorbabili care oferă o anumită energie. Anumite produse de descompunere a oligozaharidelor pot avea un efect benefic asupra mucoasei intestinului gros.

Exemple de oligozaharide includ raffinoza, un trisacharid din leguminoase și unele cereale compuse din glucoză, fructoză și galactoză. Maltotrioza, un trisacharid de glucoză, apare la unele plante și în sângele anumitor artropode.

- Polizaharide

Monozaharidele pot suferi o serie de reacții de condensare, adăugând o unitate după alta la lanț până la formarea moleculelor foarte mari. Acestea sunt polizaharidele.

Proprietățile polizaharidelor depind de mai mulți factori ai structurii lor moleculare: lungime, ramuri laterale, pliuri și dacă lanțul este „drept” sau „înfășurat”. Există mai multe exemple de polizaharide în natură.

Amidonul este adesea produs în plante ca o modalitate de stocare a energiei și este format din polimeri α-glucoză. Dacă polimerul este ramificat se numește amilopectină, iar dacă nu este ramificat se numește amiloză.

Glicogenul este polizaharida de rezervă a energiei la animale și este formată din amilopectine. Astfel, amidonul plantelor este descompus în organism pentru a produce glucoză, care intră în celulă și este utilizat în metabolism. Glucoza care nu este utilizată polimerizează și formează glicogen, depozitul de energie.

lipidele

Lipidele sunt un alt tip de biomolecule organice a căror caracteristică principală este aceea că sunt hidrofobe (resping apa) și, în consecință, sunt insolubile în apă. În funcție de structura lor, lipidele pot fi clasificate în 4 grupe principale:

- Trigliceride

Trigliceridele sunt formate dintr-o moleculă de glicerol atașată la trei lanțuri de acizi grași. Un acid gras este o moleculă liniară care conține un acid carboxilic la un capăt, urmată de un lanț de hidrocarburi și o grupare metil la celălalt capăt.

În funcție de structura lor, acizii grași pot fi saturați sau nesaturați. Dacă lanțul de hidrocarburi conține doar legături unice, acesta este un acid gras saturat. În schimb, dacă acest lanț de hidrocarburi are una sau mai multe legături duble, acidul gras este nesaturat.

În această categorie sunt uleiuri și grăsimi. Primele sunt rezerva de energie a plantelor, au nesaturații și sunt lichide la temperatura camerei. În schimb, grăsimile sunt depozitele de energie ale animalelor, sunt molecule saturate și solide la temperatura camerei.

fosfolipidele

Fosfolipidele sunt similare cu trigliceridele, prin faptul că au o moleculă de glicerol atașată de doi acizi grași. Diferența este că fosfolipidele au o grupare fosfat pe al treilea carbon de glicerol, mai degrabă decât o altă moleculă de acizi grași.

Aceste lipide sunt foarte importante datorită modului în care pot interacționa cu apa. Având o grupare fosfat la un capăt, molecula devine hidrofilă (atrage apă) în acea regiune. Cu toate acestea, este în continuare hidrofobă în restul moleculei.

Datorită structurii lor, fosfolipidele tind să se organizeze în așa fel încât grupurile fosfat să fie disponibile pentru a interacționa cu mediul apos, în timp ce lanțurile hidrofobe pe care le organizează sunt departe de apă. Astfel, fosfolipidele fac parte din toate membranele biologice.

- Steroizi

Steroizii sunt alcătuiți din patru inele de carbon topite, la care sunt atașate diferite grupuri funcționale. Unul dintre cele mai importante este colesterolul, deoarece este esențial pentru ființele vii. Este precursorul unor hormoni importanți, cum ar fi estrogenul, testosteronul și cortizonul, printre altele.

- Ceara

Ceara este un grup mic de lipide care au o funcție de protecție. Se găsesc în frunzele copacilor, în penele păsărilor, în urechile unor mamifere și în locuri care trebuie izolate sau protejate de mediul extern.

Acizi nucleici

Acizii nucleici sunt principalele molecule transportatoare de informații genetice la ființele vii. Funcția sa principală este de a direcționa procesul de sinteză de proteine, care determină caracteristicile moștenite ale fiecărei ființe vii. Sunt compuse din atomi de carbon, hidrogen, oxigen, azot și fosfor.

Acizii nucleici sunt polimeri alcătuiți din repetări ale monomerilor, numiți nucleotide. Fiecare nucleotidă constă dintr-o bază aromatică care conține azot atașată la un zahăr pentoza (cinci atomi de carbon), care la rândul său este atașat la o grupare fosfat.

Cele două clase principale de acizi nucleici sunt acidul dezoxiribonucleic (ADN) și acidul ribonucleic (ARN). ADN-ul este molecula care conține toate informațiile unei specii, motiv pentru care este prezent în toate ființele vii și în majoritatea virusurilor.

ARN este materialul genetic al anumitor virusuri, dar se găsește și în toate celulele vii. Acolo îndeplinește funcții importante în anumite procese, cum ar fi fabricarea proteinelor.

Fiecare acid nucleic conține patru din cele cinci baze posibile care conțin azot: adenină (A), guanină (G), citozină (C), timină (T) și uracil (U). ADN-ul are bazele adenină, guanină, citozină și timină, în timp ce ARN are aceleași baze, cu excepția timinei, care este substituită cu uracil în ARN.

- Acid dezoxiribonucleic (ADN)

Molecula de ADN este formată din două lanțuri de nucleotide unite prin legături numite legături de fosfodiester. Fiecare lanț are o structură în formă de elix. Cele două elice se împletesc pentru a da o helixă dublă. Bazele sunt pe interiorul helixului și grupele fosfat sunt la exterior.

ADN-ul este alcătuit dintr-o coloană vertebrală de zahăr dezoxiriboză legată de fosfați și din cele patru baze azotate: adenină, guanină, citozină și timină. Perechile de baze sunt formate în ADN dublu catenar: adenina se leagă întotdeauna de timină (AT) și guanină de citozină (GC).

Cele două elice sunt menținute împreună prin asocierea bazelor nucleotidice prin legarea hidrogenului. Structura este uneori descrisă ca o scară în care lanțurile de zahăr și fosfați sunt părțile laterale, iar legăturile de bază-bază sunt treptele.

Această structură, împreună cu stabilitatea chimică a moleculei, fac din ADN materialul ideal pentru transmiterea informațiilor genetice. Când o celulă se divide, ADN-ul său este copiat și transmis de la o generație de celule la următoarea generație.

- Acidul ribonucleic (ARN)

ARN este un polimer cu acid nucleic a cărui structură este alcătuită dintr-un singur lanț de nucleotide: adenină, citozină, guanină și uracil. Ca și în ADN, citosina se leagă întotdeauna de guanină (CG), dar adenina se leagă de uracil (AU).

Este primul intermediar în transferul informațiilor genetice în celule. ARN-ul este esențial pentru sinteza proteinelor, deoarece informațiile conținute în codul genetic sunt transmise în general de la ADN la ARN, și de la acesta la proteine.

Unele ARN au, de asemenea, funcții directe în metabolismul celular. ARN-ul este obținut prin copierea secvenței de bază a unui segment de ADN numit genă, pe o porțiune de acid nucleic cu o singură catenă. Acest proces, numit transcripție, este catalizat de o enzimă numită ARN polimerază.

Există mai multe tipuri diferite de ARN, în principal există 3. Primul este ARN mesager, care este copiat direct din ADN prin transcriere. Al doilea tip este ARN de transfer, care este cel care transferă aminoacizii corecți pentru sinteza proteinelor.

În cele din urmă, cealaltă clasă de ARN este ARN ribozomal care, împreună cu unele proteine, formează ribozomi, organele celulare responsabile de sinteza tuturor proteinelor din celulă.

Proteină

Proteinele sunt molecule mari, complexe, care îndeplinesc multe funcții importante și fac cea mai mare parte a muncii în celule. Ele sunt necesare pentru structura, funcția și reglarea ființelor vii. Sunt formate din atomi de carbon, hidrogen, oxigen și azot.

Proteinele sunt formate din unități mai mici numite aminoacizi, legate între ele prin legături peptidice și formând lanțuri lungi. Aminoacizii sunt molecule organice mici, cu proprietăți fizico-chimice foarte particulare, există 20 de tipuri diferite.

Secvența de aminoacizi determină structura unidimensională a fiecărei proteine și funcția specifică a acesteia. De fapt, funcțiile proteinelor individuale sunt la fel de variate ca secvențele lor unice de aminoacizi, care determină interacțiunile care generează structuri tridimensionale complexe.

Funcții diverse

Proteinele pot fi componente structurale și de mișcare pentru celulă, cum ar fi actina. Alții lucrează prin accelerarea reacțiilor biochimice din celulă, cum ar fi ADN polimeraza, care este enzima care sintetizează ADN-ul.

Există și alte proteine a căror funcție este aceea de a transmite un mesaj important organismului. De exemplu, unele tipuri de hormoni precum hormonii de creștere transmit semnale pentru a coordona procesele biologice între diferite celule, țesuturi și organe.

Unele proteine se leagă între ele și transportă atomi (sau molecule mici) în interiorul celulelor; acesta este cazul feritinei, care este responsabil de depozitarea fierului în unele organisme. Un alt grup de proteine importante sunt anticorpii, care aparțin sistemului imunitar și sunt responsabili de detectarea toxinelor și a agenților patogeni.

Astfel, proteinele sunt produsele finale ale procesului de decodare a informațiilor genetice care începe cu ADN-ul celular. Această varietate incredibilă de funcții este derivată dintr-un cod surprinzător de simplu, capabil să specifice un set de structuri extrem de divers.

Referințe

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. și Walter, P. (2014). Biologia moleculară a celulei (ediția a 6-a). Garland Science.
Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochimie (ediția a VIII-a). WH Freeman and Company.
Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologie (ediția a II-a) Pearson Education.
Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. și Martin, K. (2016). Biologie celulară moleculară (ediția a VIII-a). WH Freeman and Company.
Solomon, E., Berg, L. și Martin, D. (2004). Biologie (ediția a 7-a) Cengage Learning.
Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentele biochimiei: viața la nivel molecular (ediția a 5-a). Wiley.

BIOMOLECULE: CLASIFICARE ȘI FUNCȚII PRINCIPALE - BIOLOGIE - 2025