Биомолекула - Biomolecule

Изображение трехмерной структуры миоглобина , показывающее альфа-спирали , представленные лентами. Этот белок был первым , чтобы ее структура решена рентгеновской кристаллографии на Макса Перуцем и сэр Джон Каудери Кендрю в 1958 году, за что они получили Нобелевскую премию по химии

Биомолекулы или биологическая молекула представляет собой свободно используемый термин для молекул , присутствующих в организмах , которые необходимы для одного или более типично биологических процессов , таких как деление клеток , морфогенез , или развитие . Биомолекулы включают большие макромолекулы (или полианионы), такие как белки , углеводы , липиды и нуклеиновые кислоты , а также небольшие молекулы, такие как первичные метаболиты , вторичные метаболиты и природные продукты . Более общее название этого класса материалов - биологические материалы. Биомолекулы являются важным элементом живых организмов, эти биомолекулы часто являются эндогенными , производятся внутри организма, но для выживания организмам обычно нужны экзогенные биомолекулы, например, определенные питательные вещества .

Биология и ее разделы биохимии и молекулярной биологии изучают биомолекулы и их реакции . Большинство биомолекул представляют собой органические соединения , 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.

Однородность как конкретных типов молекул (биомолекул), так и определенных метаболических путей - неизменные черты среди широкого разнообразия форм жизни; Таким образом , эти биомолекулы и метаболические пути, называют «биохимические универсалиями» или «теорией материального единства живых существ», понятия объединяющего в биологии, наряду с клеточной теорией и теорией эволюции .

Типы биомолекул

Существует широкий спектр биомолекул, в том числе:

Биомономеры Био-олиго Биополимеры Процесс полимеризации Название ковалентной связи между мономерами
Аминокислоты Олигопептиды Полипептиды , белки ( гемоглобин ...) Поликонденсация Пептидная связь
Моносахариды Олигосахариды Полисахариды ( целлюлоза ...) Поликонденсация Гликозидная связь
Изопрен Терпены Политерпены: цис-1,4-полиизопрен натуральный каучук и транс-1,4-полиизопрен гуттаперча. Полиприсоединение
Нуклеотиды Олигонуклеотиды Полинуклеотиды , нуклеиновые кислоты ( ДНК , РНК ) Фосфодиэфирная связь

Нуклеозиды и нуклеотиды

Нуклеозиды - это молекулы, образованные путем присоединения азотистого основания к рибозному или дезоксирибозному кольцу. Их примеры включают цитидин (C), уридин (U), аденозин (A), гуанозин (G) и тимидин (T).

Нуклеозиды могут фосфорилироваться специфическими киназами клетки с образованием нуклеотидов . И ДНК, и РНК представляют собой полимеры , состоящие из длинных линейных молекул, собранных ферментами полимеразы 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 (OH) группу на пентозном кольце) C, G, A и U. Модифицированные основания довольно распространены (например, с метильными группами в основном кольце), как обнаружено в рибосомной РНК или РНК переноса, или для отличия новой цепи ДНК от старой после репликации.

Каждый нуклеотид состоит из ациклического азотистого основания , пентозы и одной-трех фосфатных групп . Они содержат углерод, азот, кислород, водород и фосфор. Они служат в качестве источников химической энергии ( аденозинтрифосфат и гуанозинтрифосфат ), участвуют в клеточной сигнализации ( циклического гуанозинмонофосфата и циклического аденозинмонофосфата ), и включены в важные кофакторов ферментативных реакций ( коэнзима А , флавинадениндинуклеотид , флавинмононуклеотид , и никотинамидадениндинуклеотидфосфат ).

Структура ДНК и РНК

В структуре ДНК преобладает хорошо известная двойная спираль, образованная спариванием оснований Уотсона-Крика C с G и A с T. Это известно как B-форма ДНК и в подавляющем большинстве случаев является наиболее благоприятным и распространенным состоянием ДНК; его высокоспецифичная и стабильная пара оснований является основой надежного хранения генетической информации. ДНК может иногда встречаться в виде одиночных 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.

Стерео трехмерное изображение рибозима интрона группы I (файл PDB 1Y0Q); серые линии показывают пары оснований; ленточные стрелки показывают области двойной спирали, от синего до красного от конца 5 до 3 футов; белая лента - продукт РНК.

РНК, напротив, образует большие и сложные трехмерные третичные структуры, напоминающие белки, а также отдельные рыхлые цепи с локально сложенными участками, которые составляют молекулы матричной РНК . Эти структуры РНК содержат множество участков двойной спирали А-формы, соединенных в определенные трехмерные структуры однонитевыми петлями, выпуклостями и соединениями. Примерами являются тРНК, рибосомы, рибозимы и рибопереключатели . Этим сложным структурам способствует тот факт, что остов РНК имеет меньшую локальную гибкость, чем ДНК, но большой набор различных конформаций, по-видимому, из-за как положительных, так и отрицательных взаимодействий дополнительных ОН с рибозой. Структурированные молекулы РНК могут связываться с другими молекулами с высокой степенью специфичности и сами могут специфически распознаваться; кроме того, они могут выполнять ферментативный катализ (когда они известны как « рибозимы », как первоначально обнаружили Том Чех и его коллеги).

Сахариды

Моносахариды - это простейшая форма углеводов, состоящая только из одного простого сахара. По существу, они содержат в своей структуре альдегидную или кетоновую группу. Присутствие альдегидной группы в моносахариде обозначается приставкой альдо- . Точно так же кетоновая группа обозначается префиксом кето- . Примерами моносахаридов являются гексозы , глюкоза , фруктоза , триоз , Tetroses , гептозы , галактозы , пентозы , рибоза, дезоксирибоза и. Потребляемые фруктоза и глюкоза имеют разную скорость опорожнения желудка, по-разному всасываются и имеют разные метаболические судьбы, что дает 2 разных сахарида возможности по-разному влиять на потребление пищи. Большинство сахаридов в конечном итоге обеспечивают топливо для клеточного дыхания.

Дисахариды образуются, когда два моносахарида или два простых сахара образуют связь при удалении воды. Их можно гидролизовать для получения строительных блоков сахарина путем кипячения с разбавленной кислотой или их реакции с соответствующими ферментами. Примеры дисахаридов включают сахарозу , мальтозу и лактозу .

Полисахариды - это полимеризованные моносахариды или сложные углеводы. В них есть несколько простых сахаров. Примеры: крахмал , целлюлоза и гликоген . Они, как правило, большие и часто имеют сложную разветвленную связь. Из-за своего размера полисахариды не растворимы в воде, но их многие гидроксильные группы гидратируются индивидуально при воздействии воды, а некоторые полисахариды образуют густые коллоидные дисперсии при нагревании в воде. Более короткие полисахариды, содержащие от 3 до 10 мономеров, называются олигосахаридами . Для различения сахаридов был разработан флуоресцентный датчик молекулярного импринтинга замещения индикатора. Он успешно выделил три марки напитка из апельсинового сока. Изменение интенсивности флуоресценции получаемых сенсорных пленок напрямую связано с концентрацией сахарида.

Лигнин

Лигнин представляет собой сложную полифенольную макромолекулу, состоящую 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 п- кумарилового спирта , кониферилового спирта и синапилового спирта, и необычен среди биомолекул, поскольку является рацемическим . Отсутствие оптической активности происходит из-за полимеризации лигнина, которая происходит через реакции свободнорадикального сочетания, в которых нет предпочтения какой-либо конфигурации в хиральном центре .

Липид

Липиды (маслянистые) представляют собой в основном сложные эфиры жирных кислот и являются основными строительными блоками биологических мембран . Другая биологическая роль - хранение энергии (например, триглицеридов ). Большинство липидов состоят из полярной или гидрофильной головки (обычно глицерина) и от одного до трех неполярных или гидрофобных хвостов жирных кислот, и поэтому они являются амфифильными . Жирные кислоты состоят из неразветвленных цепочек атомов углерода, которые связаны одинарными связями ( насыщенные жирные кислоты) или как одинарными, так и двойными связями ( ненасыщенные жирные кислоты). Цепи обычно состоят из 14-24 углеродных групп, но это всегда четное число.

Для липидов, присутствующих в биологических мембранах, гидрофильная головка относится к одному из трех классов:

  • Гликолипиды , головки которых содержат олигосахарид с 1-15 сахаридными остатками.
  • Фосфолипиды , головы которых содержат положительно заряженную группу, которая связана с хвостом отрицательно заряженной фосфатной группой.
  • Стерины , головки которых содержат плоское стероидное кольцо, например холестерин .

Другие липиды включают простагландины и лейкотриены, которые представляют собой 20-углеродные жирные ацильные единицы, синтезированные из арахидоновой кислоты . Они также известны как жирные кислоты.

Аминокислоты

Аминокислоты содержат функциональные группы как амино, так и карбоновых кислот . (В биохимии термин «аминокислота» используется для обозначения тех аминокислот, в которых функциональные аминогруппы и карбоксилаты присоединены к одному и тому же атому углерода, плюс пролин, который на самом деле не является аминокислотой).

Модифицированные аминокислоты иногда встречаются в белках; Обычно это результат ферментативной модификации после трансляции ( синтез белка ). Например, фосфорилирование серина киназами и дефосфорилирование фосфатазами является важным механизмом контроля клеточного цикла . Известно, что только две аминокислоты, кроме стандартных двадцати, включаются в белки во время трансляции у некоторых организмов:

Помимо тех, которые используются в синтезе белка , другие биологически важные аминокислоты включают карнитин (используемый для транспорта липидов внутри клетки), орнитин , ГАМК и таурин .

Белковая структура

Конкретный ряд аминокислот, образующих белок, известен как первичная структура этого белка . Эта последовательность определяется генетическим составом человека. Он определяет порядок групп боковых цепей вдоль «остова» линейного полипептида.

Белки имеют два типа хорошо классифицированных, часто встречающихся элементов локальной структуры, определяемых особым паттерном водородных связей вдоль основной цепи: альфа-спираль и бета-лист . Их количество и расположение называется вторичной структурой белка. Альфа-спирали представляют собой регулярные спирали, стабилизированные водородными связями между основной группой CO ( карбонил ) одного аминокислотного остатка и основной группой NH ( амид ) остатка i + 4. Спираль содержит около 3,6 аминокислот на виток, а боковые цепи аминокислот выступают из цилиндра спирали. Бета-складчатые листы образованы водородными связями основной цепи между отдельными бета-нитями, каждая из которых находится в «вытянутой» или полностью вытянутой конформации. Пряди могут лежать параллельно или антипараллельно друг другу, а направление боковой цепи чередуется выше и ниже листа. Гемоглобин содержит только спирали, натуральный шелк состоит из бета-складок, а многие ферменты имеют структуру чередующихся спиралей и бета-цепей. Элементы вторичной структуры соединены областями «петли» или «спирали» неповторяющейся конформации, которые иногда бывают довольно подвижными или неупорядоченными, но обычно принимают четко определенное, стабильное расположение.

Общая компактная трехмерная структура белка называется его третичной структурой или «складкой». Он образуется в результате различных сил притяжения, таких как водородные связи , дисульфидные мостики , гидрофобные взаимодействия , гидрофильные взаимодействия, сила Ван-дер-Ваальса и т. Д.

Когда две или более полипептидных цепей (одинаковых или разных последовательностей) группируются с образованием белка, образуется четвертичная структура белка. Четвертичная структура - это атрибут полимерных (цепи с одинаковой последовательностью) или гетеромерных (цепи с разными последовательностями) белков, таких как гемоглобин , который состоит из двух «альфа» и двух «бета» полипептидных цепей.

Апоферменты

Апофермент (или, в общем, апобелка) представляет собой белок , без каких - либо низкомолекулярных кофакторов, субстратов или ингибиторов связанных. Он часто важен как неактивная форма хранения, транспорта или секретирования белка. Это требуется, например, для защиты секреторной клетки от активности этого белка. Апоферменты становятся активными ферментами при добавлении кофактора . Кофакторы могут быть неорганическими (например, ионы металлов и кластеры железо-сера ) или 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

Изоферменты , или изоферменты, представляют собой несколько форм фермента с немного различающейся последовательностью белков и очень похожими, но обычно не идентичными функциями. Это либо продукты разных генов , либо разные продукты альтернативного сплайсинга . Они могут либо продуцироваться в разных органах или типах клеток для выполнения одной и той же функции, либо несколько изоферментов могут продуцироваться в одном и том же типе клеток при дифференциальной регуляции в соответствии с потребностями изменения развития или окружающей среды. ЛДГ ( лактатдегидрогеназа ) имеет несколько изоферментов, в то время как фетальный гемоглобин является примером регулируемой в процессе развития изоформы неферментативного белка. Относительные уровни изоферментов в крови можно использовать для диагностики проблем в органе секреции.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки

  • Общество биомолекулярных наук предоставляет форум для обучения и обмена информацией между профессионалами в области открытия лекарств и смежных дисциплин.