Биомолекула или биологическая молекула в широком смысле определяется как молекула, вырабатываемая живым организмом и необходимая для одного или нескольких типичных биологических процессов . [1] Биомолекулы включают в себя большие макромолекулы , такие как белки , углеводы , липиды и нуклеиновые кислоты , а также небольшие молекулы , такие как витамины и гормоны. Общее название для этого класса материалов — биологические материалы. Биомолекулы являются важным элементом живых организмов, эти биомолекулы часто являются эндогенными , [2] вырабатываемыми внутри организма, [3] но для выживания организмам обычно нужны экзогенные биомолекулы, например, определенные питательные вещества .
Биология и ее подотрасли биохимия и молекулярная биология изучают биомолекулы и их реакции . Большинство биомолекул являются органическими соединениями , и всего четыре элемента — кислород , углерод , водород и азот — составляют 96% массы человеческого тела . Но многие другие элементы, такие как различные биометаллы , также присутствуют в небольших количествах.
Единообразие как конкретных типов молекул (биомолекул), так и определенных метаболических путей являются инвариантными чертами среди широкого разнообразия форм жизни; таким образом, эти биомолекулы и метаболические пути называются «биохимическими универсалиями» [4] или «теорией материального единства живых существ», объединяющей концепцией в биологии, наряду с клеточной теорией и теорией эволюции . [5]
Существует разнообразный спектр биомолекул, в том числе:
Нуклеозиды — это молекулы, образованные путем присоединения нуклеинового основания к кольцу рибозы или дезоксирибозы . Примерами таких молекул являются цитидин (C), уридин (U), аденозин (A), гуанозин (G) и тимидин (T).
Нуклеозиды могут фосфорилироваться специфическими киназами в клетке, производя нуклеотиды . И ДНК , и РНК являются полимерами , состоящими из длинных линейных молекул, собранных ферментами полимеразами из повторяющихся структурных единиц, или мономеров, мононуклеотидов. ДНК использует дезоксинуклеотиды C, G, A и T, в то время как РНК использует рибонуклеотиды (которые имеют дополнительную гидроксильную (ОН) группу на пентозном кольце) C, G, A и U. Модифицированные основания довольно распространены (например, с метильными группами на кольце оснований), как это обнаружено в рибосомальной РНК или транспортных РНК или для различения новых и старых цепей ДНК после репликации. [6]
Каждый нуклеотид состоит из ациклического азотистого основания , пентозы и одной-трех фосфатных групп . Они содержат углерод, азот, кислород, водород и фосфор. Они служат источниками химической энергии ( аденозинтрифосфат и гуанозинтрифосфат ), участвуют в клеточной сигнализации ( циклический гуанозинмонофосфат и циклический аденозинмонофосфат ) и включены в важные кофакторы ферментативных реакций ( кофермент А , флавинадениндинуклеотид , флавинмононуклеотид и никотинамидадениндинуклеотидфосфат ). [7]
Структура ДНК доминирует над хорошо известной двойной спиралью, образованной спариванием оснований Уотсона-Крика C с G и A с T. Это известно как B-форма ДНК и является подавляющим большинством наиболее благоприятного и распространенного состояния ДНК; ее высокоспецифичное и стабильное спаривание оснований является основой надежного хранения генетической информации. ДНК иногда может встречаться в виде отдельных цепей (часто требующих стабилизации одноцепочечными связывающими белками) или в виде спиралей A-формы или Z-формы , а иногда и в более сложных трехмерных структурах, таких как кроссовер в соединениях Холлидея во время репликации ДНК. [7]
РНК, напротив, образует большие и сложные трехмерные третичные структуры, напоминающие белки, а также свободные одиночные нити с локально сложенными областями, которые составляют молекулы информационной РНК . Эти структуры РНК содержат много участков двойной спирали А-формы, соединенных в определенные трехмерные структуры одноцепочечными петлями, выпуклостями и соединениями. [8] Примерами являются тРНК, рибосомы, рибозимы и рибопереключатели . Эти сложные структуры облегчаются тем фактом, что остов РНК имеет меньшую локальную гибкость, чем ДНК, но большой набор различных конформаций, по-видимому, из-за как положительных, так и отрицательных взаимодействий дополнительной ОН на рибозе. [9] Структурированные молекулы РНК могут осуществлять высокоспецифическое связывание других молекул и сами могут быть распознаны специфически; кроме того, они могут выполнять ферментативный катализ (когда они известны как « рибозимы », как первоначально обнаружили Том Чех и коллеги). [10]
Моносахариды являются простейшей формой углеводов , содержащей только один простой сахар. По сути, они содержатв своей структуре альдегидную или кетонную группу. [11] Наличие альдегидной группы в моносахариде обозначается префиксом альдо- . Аналогично, кетонную группу обозначают префиксом кето- . [6] Примерами моносахаридов являются гексозы , глюкоза , фруктоза , триозы , тетрозы , гептозы , галактоза , пентозы , рибоза и дезоксирибоза. Потребляемые фруктоза и глюкоза имеют разные скорости опорожнения желудка, дифференцированно всасываются и имеют разные метаболические судьбы, предоставляя двум разным сахаридам множество возможностей дифференцированно влиять на потребление пищи. [11] Большинство сахаридов в конечном итоге обеспечивают топливо для клеточного дыхания.
Дисахариды образуются, когда два моносахарида или два отдельных простых сахара образуют связь с удалением воды. Их можно гидролизовать, чтобы получить их строительные блоки сахарина, кипячением с разбавленной кислотой или взаимодействием с соответствующими ферментами. [6] Примерами дисахаридов являются сахароза , мальтоза и лактоза .
Полисахариды — это полимеризованные моносахариды или сложные углеводы. Они содержат несколько простых сахаров. Примерами являются крахмал , целлюлоза и гликоген . Они, как правило, большие и часто имеют сложную разветвленную связь. Из-за своего размера полисахариды не растворяются в воде, но их многочисленные гидроксильные группы гидратируются по отдельности при воздействии воды, а некоторые полисахариды образуют густые коллоидные дисперсии при нагревании в воде. [6] Более короткие полисахариды, с 3–10 мономерами, называются олигосахаридами . [12] Для различения сахаридов был разработан датчик молекулярного импринтинга с флуоресцентным индикатором смещения. Он успешно различил три марки апельсинового сока. [13] Изменение интенсивности флуоресценции полученных сенсорных пленок напрямую связано с концентрацией сахарида. [14]
Лигнин — это сложная полифенольная макромолекула, состоящая в основном из бета-O4-арильных связей. После целлюлозы лигнин является вторым по распространенности биополимером и одним из основных структурных компонентов большинства растений. Он содержит субъединицы, полученные из p -кумарилового спирта , кониферилового спирта и синапилового спирта , [15] и необычен среди биомолекул тем, что является рацемическим . Отсутствие оптической активности обусловлено полимеризацией лигнина, которая происходит посредством реакций свободнорадикальной связи, в которых нет предпочтения ни одной из конфигураций в хиральном центре .
Липиды (маслянистые) в основном являются эфирами жирных кислот и являются основными строительными блоками биологических мембран . Другая биологическая роль — хранение энергии (например, триглицериды ). Большинство липидов состоят из полярной или гидрофильной головки (обычно глицерина) и от одного до трех неполярных или гидрофобных жирнокислотных хвостов, и поэтому они амфифильные . Жирные кислоты состоят из неразветвленных цепей атомов углерода, которые соединены только одинарными связями ( насыщенные жирные кислоты) или как одинарными, так и двойными связями ( ненасыщенные жирные кислоты). Цепи обычно имеют длину 14-24 углеродных групп, но это всегда четное число.
Для липидов, присутствующих в биологических мембранах, гидрофильная головка относится к одному из трех классов:
Другие липиды включают простагландины и лейкотриены , которые являются 20-углеродными жирными ацильными единицами, синтезированными из арахидоновой кислоты . Они также известны как жирные кислоты.
Аминокислоты содержат как амино- , так и карбоксильные функциональные группы . (В биохимии термин «аминокислота» используется для обозначения тех аминокислот, в которых амино- и карбоксилатные группы присоединены к одному и тому же атому углерода, а также пролина , который на самом деле не является аминокислотой).
Модифицированные аминокислоты иногда наблюдаются в белках; обычно это результат ферментативной модификации после трансляции ( синтез белка ). Например, фосфорилирование серина киназами и дефосфорилирование фосфатазами является важным механизмом контроля в клеточном цикле . Известно, что только две аминокислоты, кроме стандартных двадцати, включаются в белки во время трансляции в некоторых организмах:
Помимо аминокислот, используемых в синтезе белка , к другим биологически важным аминокислотам относятся карнитин (используется для транспорта липидов внутри клетки), орнитин , ГАМК и таурин .
Конкретная серия аминокислот, образующих белок, известна как первичная структура этого белка . Эта последовательность определяется генетическим составом индивидуума. Она определяет порядок групп боковых цепей вдоль линейного полипептидного «остова».
Белки имеют два типа хорошо классифицированных, часто встречающихся элементов локальной структуры, определяемых определенным рисунком водородных связей вдоль остова: альфа-спираль и бета-слои . Их количество и расположение называется вторичной структурой белка. Альфа-спирали представляют собой регулярные спирали, стабилизированные водородными связями между группой CO остова ( карбонил ) одного аминокислотного остатка и группой NH остова ( амид ) остатка i+4. Спираль имеет около 3,6 аминокислот на виток, а боковые цепи аминокислот выступают из цилиндра спирали. Бета-складчатые слои образованы водородными связями остова между отдельными бета-нитями, каждая из которых находится в «расширенной» или полностью вытянутой конформации. Нити могут лежать параллельно или антипараллельно друг другу, а направление боковой цепи чередуется над и под листом. Гемоглобин содержит только спирали, натуральный шелк образован бета-складчатыми листами, а многие ферменты имеют структуру чередующихся спиралей и бета-тяжей. Элементы вторичной структуры связаны областями «петли» или «катушки» неповторяющейся конформации, которые иногда довольно подвижны или неупорядочены, но обычно принимают четко определенную, стабильную структуру. [16]
Общая, компактная, 3D- структура белка называется его третичной структурой или его «складкой». Она образуется в результате различных сил притяжения, таких как водородные связи , дисульфидные мостики , гидрофобные взаимодействия , гидрофильные взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса и т. д.
Когда две или более полипептидных цепей (с одинаковой или разной последовательностью) объединяются в кластер, образуя белок, образуется четвертичная структура белка. Четвертичная структура является атрибутом полимерных (с одинаковой последовательностью цепей) или гетеромерных (с разной последовательностью цепей) белков, таких как гемоглобин , который состоит из двух «альфа» и двух «бета» полипептидных цепей.
Апофермент (или, в общем, апопротеин ) — это белок без каких-либо связанных с ним низкомолекулярных кофакторов, субстратов или ингибиторов. Он часто важен как неактивная форма хранения, транспортировки или секреторная форма белка. Это требуется, например, для защиты секреторной клетки от активности этого белка. Апоферменты становятся активными ферментами при добавлении кофактора . Кофакторы могут быть как неорганическими (например, ионы металлов и железо-серные кластеры ), так и органическими соединениями (например, [группа флавина|флавин] и гем ). Органические кофакторы могут быть либо простетическими группами , которые прочно связаны с ферментом, либо коферментами , которые высвобождаются из активного центра фермента во время реакции.
Изоферменты , или изоферменты, представляют собой множественные формы фермента с несколько отличающейся последовательностью белка и близко похожими, но обычно не идентичными функциями. Они являются либо продуктами разных генов , либо различными продуктами альтернативного сплайсинга . Они могут либо вырабатываться в разных органах или типах клеток для выполнения одной и той же функции, либо несколько изоферментов могут вырабатываться в одном и том же типе клеток при дифференциальной регуляции в соответствии с потребностями изменяющегося развития или окружающей среды. ЛДГ ( лактатдегидрогеназа ) имеет несколько изоферментов, в то время как фетальный гемоглобин является примером регулируемой развитием изоформы неферментативного белка. Относительные уровни изоферментов в крови можно использовать для диагностики проблем в органе секреции.
