BIOMOLEKULY: KLASIFIKÁCIA A HLAVNÉ FUNKCIE - BIOLÓGIE - 2026

Tieto biomolekuly sú molekuly, ktoré sú generované v živých bytostí. Predpona „bio“ znamená život; preto biomolekula je molekula produkovaná živou bytosťou. Živé bytosti sú tvorené rôznymi typmi molekúl, ktoré vykonávajú rôzne funkcie potrebné pre život.

V prírode existujú biotické (živé) a abiotické (neživé) systémy, ktoré interagujú a v niektorých prípadoch si vymieňajú prvky. Jedna charakteristika, ktorú majú všetky živé veci, je, že sú organické, čo znamená, že ich základné molekuly sú tvorené atómami uhlíka.

Biomolekuly majú okrem uhlíka spoločné aj ďalšie atómy. Tieto atómy zahŕňajú najmä vodík, kyslík, dusík, fosfor a síru. Tieto prvky sa tiež nazývajú bioelementy, pretože sú hlavnou zložkou biologických molekúl.

V niektorých biomolekulách sú prítomné aj iné atómy, aj keď v menšom množstve. Všeobecne sú to okrem iného ióny kovov, ako je draslík, sodík, železo a horčík. V dôsledku toho môžu byť biomolekuly dvoch typov: organické alebo anorganické.

Organizmy sa tak skladajú z mnohých typov molekúl na báze uhlíka, napríklad: cukrov, tukov, proteínov a nukleových kyselín. Existujú však aj iné zlúčeniny, ktoré sú tiež na báze uhlíka a nie sú súčasťou biomolekúl.

Tieto molekuly obsahujúce uhlík, ktoré sa nenachádzajú v biologických systémoch, sa nachádzajú v zemskej kôre, v jazerách, moriach a oceánoch a v atmosfére. Pohyb týchto prvkov v prírode je opísaný v tzv. Biogeochemických cykloch.

Predpokladá sa, že tieto jednoduché organické molekuly nachádzajúce sa v prírode boli také, ktoré viedli k vzniku najkomplexnejších biomolekúl, ktoré sú súčasťou základnej štruktúry života: bunky. Toto je známe ako teória abiotickej syntézy.

Klasifikácia a funkcie biomolekúl

Biomolekuly majú rôznu veľkosť a štruktúru, čo im dáva jedinečné vlastnosti na vykonávanie rôznych funkcií potrebných pre život. Biomolekuly tak pôsobia okrem iného ako ukladanie informácií, zdroj energie, podpora, bunkový metabolizmus.

Biomolekuly možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín na základe prítomnosti alebo neprítomnosti atómov uhlíka.

Anorganické biomolekuly

Sú to všetky tie molekuly, ktoré sú prítomné v živých bytostiach a neobsahujú uhlík vo svojej molekulárnej štruktúre. Anorganické molekuly sa nachádzajú aj v iných (neživých) systémoch v prírode.

Typy anorganických biomolekúl sú tieto:

voda

Je to hlavná a základná zložka živých bytostí, je to molekula tvorená atómom kyslíka spojeným s dvoma atómami vodíka. Voda je nevyhnutná pre existenciu života a je najbežnejšou biomolekulou.

Medzi 50 až 95% hmotnosti každej živej bytosti je voda, pretože je potrebné vykonávať niekoľko dôležitých funkcií, ako je tepelná regulácia a preprava látok.

Minerálne soli

Sú to jednoduché molekuly tvorené opačne nabitými atómami, ktoré sa úplne oddelia vo vode. Napríklad: chlorid sodný pozostávajúci z atómu chlóru (negatívne nabitý) a atómu sodíka (pozitívne nabitý).

Minerálne soli sa podieľajú na tvorbe tuhých štruktúr, ako sú kosti stavovcov alebo exoskelet bezstavovcov. Tieto anorganické biomolekuly sú tiež potrebné na vykonávanie mnohých dôležitých bunkových funkcií.

plyny

Sú to molekuly, ktoré sú vo forme plynu. Sú nevyhnutné na dýchanie zvierat a fotosyntézu rastlín.

Príklady týchto plynov sú: molekulárny kyslík pozostávajúci z dvoch atómov kyslíka viazaných spolu; a oxid uhličitý, tvorený atómom uhlíka viazaným na dva atómy kyslíka. Obidve biomolekuly sa podieľajú na výmene plynu, ktorú živé bytosti vykonávajú so svojím prostredím.

Organické biomolekuly

Organické biomolekuly sú tie molekuly, ktoré vo svojej štruktúre obsahujú atómy uhlíka. Organické molekuly sa tiež nachádzajú v prírode distribuované ako súčasť neživých systémov a tvoria takzvanú biomasu.

Typy organických biomolekúl sú tieto:

sacharidy

Sacharidy sú pravdepodobne najrozšírenejšou a najrozšírenejšou organickou látkou v prírode a sú nevyhnutnou súčasťou všetkých živých vecí.

Sacharidy sú produkované zelenými rastlinami z oxidu uhličitého a vody počas procesu fotosyntézy.

Tieto biomolekuly sú tvorené hlavne atómami uhlíka, vodíka a kyslíka. Sú známe aj ako uhľohydráty alebo sacharidy a fungujú ako zdroje energie a ako štruktúrne zložky organizmov.

- Monosacharidy

Monosacharidy sú najjednoduchšie uhľohydráty a často sa nazývajú jednoduché cukry. Sú to základné stavebné kamene, z ktorých sa tvoria všetky najväčšie uhľohydráty.

Monosacharidy majú všeobecný molekulový vzorec (CH2O) n, kde n môže byť 3, 5 alebo 6. Monosacharidy sa teda dajú klasifikovať podľa počtu atómov uhlíka prítomných v molekule:

Ak n = 3, molekula je trióza. Napríklad: glyceraldehyd.

Ak n = 5, ide o pentózu. Napríklad: ribóza a deoxyribóza.

Ak n = 6, ide o hexózu. Napríklad: fruktóza, glukóza a galaktóza.

Pentózy a hexózy môžu existovať v dvoch formách: cyklické a necyklické. V necyklickej forme vykazujú jej molekulárne štruktúry dve funkčné skupiny: aldehydovú skupinu alebo ketónovú skupinu.

Monosacharidy, ktoré obsahujú aldehydovú skupinu, sa nazývajú aldózy a tie, ktoré majú ketónovú skupinu, sa nazývajú ketózy. Aldózy redukujú cukry, zatiaľ čo ketózy neredukujú cukry.

Avšak vo vode pentózy a hexózy existujú hlavne v cyklickej forme a práve v tejto forme sa kombinujú za vzniku väčších sacharidových molekúl.

- Disacharidy

Väčšina cukrov nachádzajúcich sa v prírode sú disacharidy. Tvoria sa tvorbou glykozidovej väzby medzi dvoma monosacharidmi kondenzačnou reakciou, ktorá uvoľňuje vodu. Tento proces vytvárania väzby vyžaduje energiu na udržanie dvoch monosacharidových jednotiek pohromade.

Tri najdôležitejšie disacharidy sú sacharóza, laktóza a maltóza. Vznikajú kondenzáciou vhodných monosacharidov. Sacharóza je neredukujúci cukor, zatiaľ čo laktóza a maltóza redukujú cukry.

Disacharidy sú rozpustné vo vode, ale sú to biomolekuly, ktoré sú príliš veľké na to, aby prešli difúziou cez bunkovú membránu. Z tohto dôvodu sa počas trávenia trávia v tenkom čreve, takže ich základné zložky (tj monosacharidy) prechádzajú do krvi a ďalších buniek.

Monosacharidy sa v bunkách používajú veľmi rýchlo. Ak však bunka nepotrebuje energiu, môže ju okamžite uložiť vo forme komplexnejších polymérov. Monosacharidy sa teda premieňajú na disacharidy kondenzačnými reakciami, ktoré sa vyskytujú v bunke.

- Oligosacharidy

Oligosacharidy sú medziprodukty tvorené tromi až deviatimi jednoduchými jednotkami cukru (monosacharidy). Tvoria sa čiastočne rozložením zložitejších uhľohydrátov (polysacharidy).

Väčšina prírodných oligosacharidov sa nachádza v rastlinách a, s výnimkou maltotriózy, sú ľuďmi nestráviteľné, pretože ľudskému telu chýba v enzýme tenkého čreva potrebné enzýmy, ktoré ich rozložia.

V hrubom čreve môžu prospešné baktérie fermentáciou degradovať oligosacharidy; tak sa premieňajú na absorbovateľné živiny, ktoré dodávajú určitú energiu. Niektoré produkty rozkladu oligosacharidov môžu mať priaznivý účinok na výstelku hrubého čreva.

Príklady oligosacharidov zahŕňajú rafinózu, trisacharid zo strukovín a niektoré obilniny zložené z glukózy, fruktózy a galaktózy. Maltotrióza, glukózový trisacharid, sa vyskytuje v niektorých rastlinách av krvi určitých článkonožcov.

- Polysacharidy

Monosacharidy môžu podstúpiť sériu kondenzačných reakcií, pričom do reťazca pridávajú jednu jednotku za druhou, až kým sa nevytvoria veľmi veľké molekuly. Sú to polysacharidy.

Vlastnosti polysacharidov závisia od niekoľkých faktorov ich molekulárnej štruktúry: dĺžka, bočné vetvy, záhyby a to, či je reťazec „priamy“ alebo „stočený“. V prírode existuje niekoľko príkladov polysacharidov.

Škrob sa v rastlinách často vyrába ako spôsob ukladania energie a je vyrobený z a-glukózových polymérov. Ak je polymér rozvetvený, nazýva sa amylopektín a ak nie je rozvetvený, nazýva sa amylóza.

Glykogén je energetický rezervný polysacharid u zvierat a je tvorený amylopektínmi. Škrob z rastlín sa teda v tele rozloží na glukózu, ktorá vstupuje do bunky a používa sa v metabolizme. Glukóza, ktorá sa nepoužíva, polymerizuje a tvorí glykogén, zásobu energie.

lipidy

Lipidy sú ďalším typom organických biomolekúl, ktorých hlavnou charakteristikou je, že sú hydrofóbne (odpudzujú vodu), a preto sú vo vode nerozpustné. V závislosti od ich štruktúry možno lipidy rozdeliť do 4 hlavných skupín:

- triglyceridy

Triglyceridy sú tvorené molekulou glycerolu pripojenou k trom reťazcom mastných kyselín. Mastná kyselina je lineárna molekula, ktorá obsahuje karboxylovú kyselinu na jednom konci, za ktorou nasleduje uhľovodíkový reťazec a metylová skupina na druhom konci.

Mastné kyseliny môžu byť podľa svojej štruktúry nasýtené alebo nenasýtené. Ak uhľovodíkový reťazec obsahuje iba jednoduché väzby, ide o nasýtenú mastnú kyselinu. Naopak, ak má tento uhľovodíkový reťazec jednu alebo viac dvojitých väzieb, mastná kyselina je nenasýtená.

Do tejto kategórie patria oleje a tuky. Tie prvé sú energetickou rezervou rastlín, majú nenasýtenia a sú kvapalné pri izbovej teplote. Na rozdiel od toho tuky sú zásobami energie zvierat, sú nasýtené a tuhé molekuly pri izbovej teplote.

fosfolipidy

Fosfolipidy sú podobné triglyceridom tým, že majú glycerínovú molekulu pripojenú k dvom mastným kyselinám. Rozdiel je v tom, že fosfolipidy majú na treťom atóme uhlíka glycerolu skôr fosfátovú skupinu ako inú molekulu mastnej kyseliny.

Tieto lipidy sú veľmi dôležité kvôli spôsobu, akým môžu interagovať s vodou. Tým, že má fosfátová skupina na jednom konci, molekula sa stáva hydrofilnou (priťahuje vodu) v tejto oblasti. Vo zvyšku molekuly je však stále hydrofóbny.

Vzhľadom na svoju štruktúru majú fosfolipidy tendenciu sa organizovať takým spôsobom, že fosfátové skupiny sú k dispozícii na interakciu s vodným médiom, zatiaľ čo hydrofóbne reťazce, ktoré sa vo vnútri organizujú, sú ďaleko od vody. Fosfolipidy sú teda súčasťou všetkých biologických membrán.

- Steroidy

Steroidy sú tvorené štyrmi kondenzovanými uhlíkovými kruhmi, ku ktorým sú pripojené rôzne funkčné skupiny. Jedným z najdôležitejších je cholesterol, pretože je nevyhnutný pre živé bytosti. Je to predchodca niektorých dôležitých hormónov, ako sú estrogén, testosterón a kortizón.

- Vosky

Vosky sú malou skupinou lipidov, ktoré majú ochrannú funkciu. Nachádzajú sa v listoch stromov, v perie vtákov, v ušiach niektorých cicavcov a na miestach, ktoré je potrebné izolovať alebo chrániť pred vonkajším prostredím.

Nukleové kyseliny

Nukleové kyseliny sú hlavnými transportnými molekulami genetických informácií v živých bytostiach. Jeho hlavnou funkciou je riadiť proces syntézy proteínov, ktorý určuje dedičné vlastnosti každej živej bytosti. Pozostávajú z atómov uhlíka, vodíka, kyslíka, dusíka a fosforu.

Nukleové kyseliny sú polyméry tvorené repetíciami monomérov, ktoré sa nazývajú nukleotidy. Každý nukleotid pozostáva z aromatickej bázy obsahujúcej dusík pripojenej k pentózovému cukru (päť uhlíkov), ktorý je zase pripojený k fosfátovej skupine.

Dve hlavné triedy nukleových kyselín sú kyselina deoxyribonukleová (DNA) a kyselina ribonukleová (RNA). DNA je molekula, ktorá obsahuje všetky informácie o druhu, a preto je prítomná vo všetkých živých bytostiach a vo väčšine vírusov.

RNA je genetický materiál určitých vírusov, ale vyskytuje sa aj vo všetkých živých bunkách. Tam plní dôležité funkcie v určitých procesoch, ako je výroba proteínov.

Každá nukleová kyselina obsahuje štyri z piatich možných báz obsahujúcich dusík: adenín (A), guanín (G), cytozín (C), tymín (T) a uracil (U). DNA má bázy adenín, guanín, cytozín a tymín, zatiaľ čo RNA má rovnaké bázy s výnimkou tymínu, ktorý je v RNA nahradený uracilom.

- kyselina deoxyribonukleová (DNA)

Molekula DNA sa skladá z dvoch reťazcov nukleotidov spojených väzbami nazývanými fosfodiesterové väzby. Každá reťaz má štruktúru v tvare špirály. Tieto dve špirály sa vzájomne preplietajú, aby vytvorili dvojitú špirálu. Bázy sú na vnútornej strane špirály a fosfátové skupiny sú na vonkajšej strane.

DNA sa skladá z fosfátového reťazca deoxyribózového cukru a štyroch dusíkatých báz: adenín, guanín, cytozín a tymín. Páry báz sa tvoria v dvojreťazcovej DNA: adenín sa vždy viaže na tymín (AT) a guanín na cytozín (GC).

Tieto dve helixy sú držané pohromade spárovaním nukleotidových báz vodíkovou väzbou. Štruktúra je niekedy opísaná ako rebrík, kde sú strany cukru a fosfátové reťazce a väzbami báza a bázy sú priečky.

Táto štruktúra spolu s chemickou stabilitou molekuly robí z DNA ideálny materiál na prenos genetickej informácie. Keď sa bunka delí, jej DNA sa skopíruje a prechádza z jednej generácie buniek na ďalšiu generáciu.

- kyselina ribonukleová (RNA)

RNA je polymér nukleovej kyseliny, ktorého štruktúra je tvorená jedným nukleotidovým reťazcom: adenín, cytozín, guanín a uracil. Rovnako ako v DNA sa cytozín vždy viaže na guanín (CG), ale adenín sa viaže na uracil (AU).

Je to prvý sprostredkovateľ prenosu genetických informácií v bunkách. RNA je nevyhnutná pre syntézu proteínov, pretože informácie obsiahnuté v genetickom kóde sa všeobecne prenášajú z DNA na RNA az nej na proteíny.

Niektoré RNA majú tiež priame funkcie v bunkovom metabolizme. RNA sa získa skopírovaním bázovej sekvencie segmentu DNA nazývaného gén na časť jednovláknovej nukleovej kyseliny. Tento proces, nazývaný transkripcia, je katalyzovaný enzýmom nazývaným RNA polymeráza.

Existuje niekoľko rôznych typov RNA, hlavne ich je 3. Prvou je messengerová RNA, ktorá je kopírovaná priamo z DNA transkripciou. Druhým typom je transferová RNA, ktorá prenáša správne aminokyseliny na syntézu proteínov.

Nakoniec ďalšou triedou RNA je ribozomálna RNA, ktorá spolu s niektorými proteínmi tvorí ribozómy, bunkové organely zodpovedné za syntézu všetkých proteínov v bunke.

proteín

Bielkoviny sú veľké, komplexné molekuly, ktoré vykonávajú mnoho dôležitých funkcií a vykonávajú väčšinu práce v bunkách. Sú nevyhnutné pre štruktúru, funkciu a reguláciu živých bytostí. Pozostávajú z atómov uhlíka, vodíka, kyslíka a dusíka.

Proteíny sa skladajú z menších jednotiek nazývaných aminokyseliny, ktoré sú vzájomne spojené peptidovými väzbami a vytvárajú dlhé reťazce. Aminokyseliny sú malé organické molekuly s veľmi osobitnými fyzikálno-chemickými vlastnosťami, existuje 20 rôznych typov.

Aminokyselinová sekvencia určuje jedinečnú trojrozmernú štruktúru každého proteínu a jeho špecifickú funkciu. V skutočnosti sú funkcie jednotlivých proteínov také rozmanité ako ich jedinečné aminokyselinové sekvencie, ktoré určujú interakcie, ktoré vytvárajú zložité trojrozmerné štruktúry.

Rôzne funkcie

Proteíny môžu byť štruktúrnymi a pohybovými zložkami bunky, ako je aktín. Iní pracujú tak, že urýchľujú biochemické reakcie v bunke, ako je DNA polymeráza, čo je enzým, ktorý syntetizuje DNA.

Existujú aj iné bielkoviny, ktorých funkciou je prenášať do tela dôležitú správu. Napríklad niektoré typy hormónov, ako sú rastové hormóny, prenášajú signály na koordináciu biologických procesov medzi rôznymi bunkami, tkanivami a orgánmi.

Niektoré proteíny sa navzájom viažu a nesú atómy (alebo malé molekuly) v bunkách; to je prípad feritínu, ktorý je zodpovedný za ukladanie železa v niektorých organizmoch. Ďalšou skupinou dôležitých proteínov sú protilátky, ktoré patria do imunitného systému a sú zodpovedné za detekciu toxínov a patogénov.

Proteíny sú teda konečnými produktmi procesu dekódovania genetickej informácie, ktorá začína bunkovou DNA. Táto neuveriteľná škála funkcií je odvodená z prekvapivo jednoduchého kódu, ktorý je schopný špecifikovať nesmierne rozmanitú množinu štruktúr.

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of Cell (6. vydanie). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (8. vydanie). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biológia (2. vydanie) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Celí Biology (8. vydanie). WH Freeman and Company.
5. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biológia (7. vydanie) Cengage Learning.
6. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Základy biochémie: Život na molekulárnej úrovni (5. vydanie). Wiley.