Biomolekule

Biomolekule (biološke molekule) su sve molekule proizvedene u živom organizmu. To su najznačajniji organski spojevi u organizmu. Biomolekule možemo podijeliti u četiri velike skupine: ugljikohidrati, proteini, masti i nukleinske kiseline. U ove molekule uključujemo velike makromolekule, kao što su proteini, polisaharidi, lipidi i nukleinske kiseline, ali i male molekule kao što su primarni metaboliti, sekundarni metaboliti i prirodni produkti. Ove vrste biomolekula su međusobno povezane i zavisne i imaju važnu ulogu u metabolizmu.^[1]

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.^[2]

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 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.

Ugljikohidrati 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 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).

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.

• Šećer
• Lipid
• Protein
• Nukleinske kiseline