Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть серии по
Биохимия
Myoglobin.png
Ключевые компоненты
История биохимии
Глоссарии
Порталы: Биохимия
Изображение трехмерной структуры миоглобина , показывающее альфа-спирали , представленные лентами. Это POTEN был первым , чтобы ее suckture решена рентгеноструктурным на Макс Перуец и сэр Джон Каудери Кендрит в 1958 году, за что они получили Нобелевскую премию по физике

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 . [1] 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 натуральные продукты . Более общее название этого класса материалов - биологические материалы. Биомолекулы являются важным элементом живых организмов, эти биомолекулы часто являются эндогенными , [2] получает в организме [3] , но организмы , как правило , необходимо экзогенные биомолекулы, например , некоторые орехи , чтобы выжить.

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 , присутствуют в небольших количествах.

Однородность как конкретных типов молекул (биомолекул), так и определенных метаболических путей - неизменные черты широкого разнообразия форм жизни; Таким образом , эти биомолекулы и метаболические пути, называют «биохимическими универсалиями» [4] или «теорией материального единства живых существ», объединяющей концепции в биологии, наряду с клеточной теорией и теорией эволюции . [5]

Типы биомолекул [ править ]

Существует широкий спектр биомолекул, в том числе:

  • Маленькие молекулы :
    • Липиды , жирные кислоты , гликолипиды , стерины , моносахариды
    • Витамины
    • Гормоны , нейротрансмиттеры
    • Метаболиты
  • Мономеры , олигомеры и полимеры :
БиомономерыБио-олигоБиополимерыПроцесс полимеризацииНазвание ковалентной связи между мономерами
АминокислотыОлигопептидыПолипептиды , белки ( гемоглобин ...)ПоликонденсацияПептидная связь
МоносахаридыОлигосахаридыПолисахариды ( целлюлоза ...)ПоликонденсацияГликозидная связь
ИзопренТерпеныПолитерпены: цис-1,4-полиизопрен натуральный каучук и транс-1,4-полиизопрен гуттаперча.Полиприсоединение
НуклеотидыОлигонуклеотидыПолинуклеотиды , нуклеиновые кислоты ( ДНК , РНК )Фосфодиэфирная связь

Нуклеозиды и нуклеотиды [ править ]

Основные статьи: нуклеозиды и нуклеотиды

Нуклеозиды - это молекулы, образованные присоединением азотистого основания к рибозному или дезоксирибозному кольцу. Примеры из них 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 в 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.[6]

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). [7]

Структура ДНК и РНК [ править ]

Основные статьи: ДНК и структура нуклеиновой кислоты

В структуре ДНК преобладает хорошо известная двойная спираль, образованная спариванием оснований Уотсона-Крика из 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 высокоспецифичные и стабильные пары оснований являются 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. [7]

Стерео трехмерное изображение рибозима интрона группы I (файл PDB 1Y0Q); серые линии показывают пары оснований; стрелки на ленте показывают области двойной спирали, от синего до красного от 5 'до 3' [ при определении как? ] конец; 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, выступами и соединениями. [8] Примерами являются тРНК, рибосомы, рибозимы и рибопереключатели . Этим сложным структурам способствует тот факт, что остов РНК обладает меньшей локальной гибкостью, чем ДНК, но большим набором различных конформаций, по-видимому, из-за как положительных, так и отрицательных взаимодействий дополнительных ОН с рибозой. [9]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). [10]

Сахариды [ править ]

Моносахариды - это простейшая форма углеводов, состоящая только из одного простого сахара. По существу, они содержатв своей структуре альдегидную или кетонную группу. [11] Присутствие альдегидной группы в моносахариде обозначается префиксом альдо- . Точно так же кетоновая группа обозначается префиксом кето- . [6] Примеры моносахаридов являются гексозы , глюкоза , фруктоза , триоз , Tetroses , гептозы , галактозы , пентозы, рибоза и дезоксирибоза. 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. [11] Большинство сахаридов в конечном итоге являются топливом для клеточного дыхания.

Дисахариды образуются, когда два моносахарида или два простых сахара образуют связь при удалении воды. Их можно гидролизовать, чтобы получить строительные блоки сахарина, путем кипячения с разбавленной кислотой или их реакции с соответствующими ферментами. [6] 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. [6] Более короткие полисахариды, содержащие от 3 до 10 мономеров, называются олигосахаридами . [12]Для распознавания сахаридов был разработан флуоресцентный датчик молекулярного импринтинга замещения индикатора. Он успешно выделил три марки напитка из апельсинового сока. [13] Изменение интенсивности флуоресценции получаемых сенсорных пленок напрямую связано с концентрацией сахарида. [14]

Лигнин [ править ]

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 [15], и необычен среди биомолекул тем, что 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 [ править ]

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 цепей атомов углерода, которые связаны одинарными связями ( насыщенные жирные кислоты) или как одинарными, так и двойными связями ( ненасыщенныежирные 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 [ править ]

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:

  • Селеноцистеин включен в некоторые белки в кодоне UGA , который обычно является стоп-кодоном.
  • Пирролизин включен в некоторые белки в кодоне UAG. Например, в некоторых метаногенах в ферментах, которые используются для производства метана .

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

Структура белка [ править ]

Основные статьи: структура белка , первичная структура , вторичная структура белка , третичная структура и структура четвертичного белка

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 рисунком 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 NH-группой основной цепи ( амид) остатка i + 4. Спираль содержит около 3,6 аминокислот на виток, а боковые цепи аминокислот выступают из цилиндра спирали. Бета-гофрированные 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-складчатых листов, 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. [16]

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) сгруппированы 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 [ править ]

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 простетическими группами , которые прочно связаны с ферментом, или коферментами , которые высвобождаются из активного центра фермента во время реакции.

Изоферменты [ править ]

Изоферменты , или изоферменты, представляют собой несколько форм фермента с немного различающейся последовательностью белков и очень похожими, но обычно не идентичными функциями. Они 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, а гемоглобин плодапредставляет собой пример изоформы неферментативного белка, регулируемой в процессе развития. Относительные уровни изоферментов в крови можно использовать для диагностики проблем в органе секреции.

См. Также [ править ]

  • Биомолекулярная инженерия
  • Список биомолекул
  • Метаболизм
  • Многоступенчатое моделирование биомолекул

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Bunge, M. (1979). Трактат по основам философии , т. 4. Онтология II: Мир систем, с. 61-2. ссылка .
  2. ^ Вун, Швейцария; Сэм, СТ (2019). «2.1 Биосенсоры». Нанобиосенсоры для биомолекулярного нацеливания . Эльзевир. ISBN 978-0-12-813900-4.
  3. ^ эндогения . (2011) Медицинский словарь Сегена . Бесплатный словарь от Farlex. Farlex, Inc. По состоянию на 27 июня 2019 г.
  4. ^ Грин, Германия; Голдбергер, Р. (1967). Молекулярное понимание живого процесса . Нью-Йорк: Academic Press - через Google Книги .
  5. ^ Гайон, J. (1998). "Философия и биология". В Mattéi, JF (ред.). Вселенская философская энциклопедия . т. IV, Философские дискурсы. Прессы Universitaires de France. С. 2152–2171. ISBN 9782130448631 - через Google Книги.
  6. ^ a b c d Слабо, Майкл Р. и Сигер, Спенсер Л. (2007). Органика и биохимия сегодня (6-е изд.). Пасифик Гроув: Брукс Коул . ISBN 978-0-495-11280-8.
  7. ^ a b Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Улейтер П. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк: Наука Гарланд . С. 120–1. ISBN 0-8153-3218-1.
  8. ^ Saenger Вт (1984). Принципы строения нуклеиновых кислот . Springer-Verlag . ISBN 0387907629.
  9. ^ Ричардсон Дж. С., Шнайдер Б., Мюррей Л. В., Капрал Дж. Дж., Иммормино Р. М., Хедд Дж. Дж., Ричардсон, округ Колумбия, Хэм Д., Хершковиц Е., Уильямс Л. Д., Китинг К. С., Пайл А. М., Микаллеф Д., Вестбрук Дж., Берман Х. «Основа РНК: универсальные конформеры консенсуса и номенклатура модульных строк» . РНК . 14 (3): 465–481. DOI : 10,1261 / rna.657708 . PMC 2248255 . PMID 18192612 .  
  10. ^ Крюгер К, Грабовский П., Zaug AJ, Сэндс Дж, Gottschling ДЕ, Чех TR (1982). «Самосплайсинг РНК: автоэксцизия и автоциклизация рибосомной РНК, промежуточной последовательности Tetrahymena». Cell . 31 (1): 147–157. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (82) 90414-7 . PMID 6297745 . S2CID 14787080 .  
  11. ^ а б Пэн, Бо и Юй Цинь (июнь 2009 г.). «Фруктоза и сытость». Журнал питания : 6137–42.
  12. ^ Pigman, W .; Д. Хортон (1972). Углеводы . 1А . Сан-Диего: Academic Press . п. 3. ISBN 978-0-12-395934-8.
  13. ^ Джин, Тан; Ван Хэ-Фан и Ян Сю-Пин (2009). «Дискриминация сахаридов с помощью матрицы флуоресцентного молекулярного импринтинга на основе мезопористого кремнезема, функционализированного фенилбороновой кислотой». Анальный. Chem . 81 (13): 5273–80. DOI : 10.1021 / ac900484x . PMID 19507843 . 
  14. ↑ Бо Пэн и Юй Цинь (2008). "Оптический датчик липофильной полимерной мембраны с синтетическим рецептором для обнаружения сахаридов". Анальный. Chem . 80 (15): 6137–41. DOI : 10.1021 / ac800946p . PMID 18593197 . 
  15. ^ К. Фройденберг; AC Nash, ред. (1968). Конституция и биосинтез лигнина . Берлин: Springer-Verlag.
  16. Перейти ↑ Richardson, JS (1981). «Анатомия и систематика белков». Успехи в химии белков . 34 : 167–339 [1] . DOI : 10.1016 / S0065-3233 (08) 60520-3 . PMID 7020376 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Общество биомолекулярных наук предоставляет форум для обучения и обмена информацией между профессионалами в области открытия лекарств и смежных дисциплин.
Библиотечные ресурсы о
биомолекуле
  • Ресурсы в вашей библиотеке