čtyři hlavní třídy molekul v biochemii (často nazýván biomolekul), jsou sacharidy, lipidy, bílkoviny a nukleové kyseliny. Mnoho biologických molekul jsou polymery: v této terminologii jsou monomery relativně malé makromolekuly, které jsou spojeny dohromady a vytvářejí velké makromolekuly známé jako polymery. Když jsou monomery spojeny dohromady, aby syntetizovaly biologický polymer, podstoupí proces nazývaný syntéza dehydratace. Různé makromolekuly se mohou shromažďovat ve větších komplexech, často potřebných pro biologickou aktivitu.,
CarbohydratesEdit
Two of the main functions of carbohydrates are energy storage and providing structure., Jedním z běžných cukrů známých jako glukóza je uhlohydrát, ale ne všechny sacharidy jsou cukry. Existuje více sacharidů na Zemi, než jakýkoli jiný známý typ molekuly; jsou používány pro ukládání energie a genetické informace, stejně jako hrají důležitou roli v buněčné buněčné interakce a komunikace.
nejjednodušší typ sacharid je monosacharid, který mezi další vlastnosti obsahuje uhlík, vodík a kyslík, většinou v poměru 1:2:1 (zobecněný vzorec CnH2nOn, kde n je alespoň 3)., Glukóza (C6H12O6) je jedním z nejdůležitějších sacharidů; jiné zahrnují fruktózu (C6H12O6), cukr běžně spojený se sladkou chutí ovoce a deoxyribózu (C5H10O4), složku DNA. Monosacharid může přepínat mezi acyklickou (otevřenou řetězovou) formou a cyklickou formou. Forma otevřeného řetězce může být přeměněna na kruh atomů uhlíku přemostěný atomem kyslíku vytvořeným z karbonylové skupiny jednoho konce a hydroxylové skupiny druhého. Cyklická molekula má hemiacetální nebo hemiketální skupinu, v závislosti na tom, zda lineární forma byla aldóza nebo ketóza.,
v těchto cyklických formách má kruh obvykle 5 nebo 6 atomů. Tyto formy se nazývají furanoses a pyranózy, respektive—obdobně jako u furanu a pyran, nejjednodušší sloučeniny se stejným uhlík-kyslík prsten (i když jim chybí uhlík-uhlík dvojné vazby těchto dvou molekul). Například, aldohexose glukózy může tvořit hemiacetal vazba mezi hydroxyl na uhlíku 1 a kyslík na uhlík 4, čímž se získá molekula s 5-členný kruh, tzv. glucofuranose., Stejná reakce může probíhat mezi atomy uhlíku 1 a 5 tvoří molekuly s 6-ti členný kruh, tzv. glucopyranose. Cyklické formy se 7-atomovým prstencem nazývaným heptózy jsou vzácné.
Dva monosacharidy mohou být spojeny glykosidickou nebo éter dluhopisů do disacharid přes dehydratace reakce, během které molekula vody je propuštěn. Reverzní reakce, při které je glykosidická vazba disacharidu rozdělena na dva monosacharidy, se nazývá hydrolýza., Nejznámějším disacharidem je sacharóza nebo běžný cukr, který se skládá z molekuly glukózy a molekuly fruktózy spojené dohromady. Dalším důležitým disacharid laktózu v mléce nalezeno, skládající se z molekuly glukózy a molekuly galaktózy. Laktóza může být hydrolyzována laktázou a nedostatek tohoto enzymu vede k intoleranci laktózy.
když se spojí několik (asi tři až šest) monosacharidů, nazývá se oligosacharid (oligo – což znamená „málo“). Tyto molekuly mají tendenci být použity jako markery a signály, stejně jako některé další použití., Mnoho monosacharidů dohromady tvoří polysacharid. Mohou být spojeny dohromady v jednom dlouhém lineárním řetězci, nebo mohou být rozvětvené. Dva z nejběžnějších polysacharidů jsou celulóza a glykogen, oba se skládají z opakujících se monomerů glukózy. Celulóza je důležitou konstrukční složkou buněčných stěn rostliny a glykogen se používá jako forma skladování energie u zvířat.
cukr lze charakterizovat tím, že má redukční nebo nesnižující konce. Redukční konci sacharidů je atom uhlíku, který může být v rovnováze s open-řetěz aldehyd (aldóza) nebo keto formu (ketóza)., Pokud spojování monomerů probíhá na takový atom uhlíku, volné hydroxy skupiny pyranosové nebo furanose forma je vyměnili s OH-side-chain jiného cukru, čímž se získá plné acetal. To zabraňuje otevření řetězce na aldehydovou nebo keto formě a činí upravené zbytky neredukující. Laktóza obsahuje redukční konec ve své glukózové skupině, zatímco galaktózová část tvoří plný acetal se skupinou glukózy C4-OH. Sacharóza nemá redukční konec kvůli úplné tvorbě acetalu mezi aldehydovým uhlíkem glukózy (C1) a keto uhlíkem fruktózy (C2).,
LipidsEdit
Struktury některé společné lipidů. Nahoře jsou cholesterol a kyselina olejová. Střední struktura je triglycerid složený z oleoyl, stearoyl, a palmitoyl řetězce připojené k glycerolu páteře. Ve spodní části je běžný fosfolipid, fosfatidylcholin.,
Lipidy tvoří pestrou škálu molekul, a do jisté míry je ovládána relativně vodě nerozpustné nebo nepolární sloučeniny biologického původu, včetně vosky, mastné kyseliny, mastné kyseliny, fosfolipidy odvozené, sphingolipids, glykolipidů, a terpenoidy (např. retinoidy a steroidy). Některé lipidy jsou lineární, alifatické molekuly s otevřeným řetězcem, zatímco jiné mají prstencové struktury. Některé jsou aromatické (s cyklickou a rovinnou strukturou), zatímco jiné nejsou. Některé jsou flexibilní, zatímco jiné jsou tuhé.,
lipidy se obvykle vyrábějí z jedné molekuly glycerolu v kombinaci s jinými molekulami. U triglyceridů, hlavní skupiny sypkých lipidů, existuje jedna molekula glycerolu a tři mastné kyseliny. Mastné kyseliny jsou v tomto případě považovány za monomer a mohou být nasycené (žádné dvojité vazby v uhlíkovém řetězci) nebo nenasycené (jedna nebo více dvojných vazeb v uhlíkovém řetězci).
většina lipidů má kromě toho, že jsou převážně nepolární, nějaký polární charakter., Obecně platí, že většina jejich struktury je nepolární nebo hydrofobní („strach z vody“), což znamená, že nereaguje dobře s polárními rozpouštědly, jako je voda. Další část jejich struktury je polární nebo hydrofilní („milující vodu“) a bude mít tendenci se spojovat s polárními rozpouštědly, jako je voda. To z nich činí amfifilní molekuly (které mají hydrofobní i hydrofilní části). V případě cholesterolu je polární skupina pouhá – oh (hydroxyl nebo alkohol). V případě fosfolipidů jsou polární skupiny podstatně větší a polárnější, jak je popsáno níže.,
lipidy jsou nedílnou součástí naší každodenní stravy. Většina olejů a mléčných výrobků, které používáme k vaření a jídlu, jako je máslo,sýr, ghee atd., jsou složeny z tuků. Rostlinné oleje jsou bohaté na různé polynenasycené mastné kyseliny (PUFA). Potraviny obsahující lipidy procházejí trávením v těle a jsou rozděleny na mastné kyseliny a glycerol, což jsou konečné produkty degradace tuků a lipidů. Lipidy, zejména fosfolipidy, se také používají v různých farmaceutických výrobcích, a to buď jako koolubilizátory (např. v parenterálních infuzích), nebo jako složky nosiče léčiv (např.,, v liposomu nebo transfersome).
ProteinsEdit
obecné struktury z α-aminokyseliny s aminoskupinou na levé a karboxylové skupiny na pravé straně.
proteiny jsou velmi velké molekuly-makro-biopolymery-vyrobené z monomerů nazývaných aminokyseliny., Aminokyseliny se skládá z alfa atom uhlíku, připojené k aminoskupinou, –NH2, karboxylová skupina –COOH (i když existují jako –NH3+ a –COO− za fyziologických podmínek), jednoduchý atom vodíku a postranní řetězec běžně označován jako „–R“. Boční řetězec „R“ se liší pro každou aminokyselinu, z nichž je 20 standardních. Právě tato skupina “ R “ učinila každou aminokyselinu odlišnou a vlastnosti postranních řetězců výrazně ovlivňují celkovou trojrozměrnou konformaci proteinu., Některé aminokyseliny mají funkce samy o sobě nebo v modifikované formě; například glutamát funguje jako důležitý neurotransmiter. Aminokyseliny mohou být spojeny pomocí peptidové vazby. Při této dehydratační syntéze se odstraní molekula vody a peptidová vazba spojí dusík aminoskupiny jedné aminokyseliny s uhlíkem skupiny karboxylových kyselin druhé. Výsledná molekula se nazývá dipeptid, a krátké úseky aminokyselin (obvykle méně než třicet), se nazývají peptidy a polypeptidy. Delší úseky si zaslouží titul., Jako příklad, důležitý protein albumin v krevním séru obsahuje 585 aminokyselinových zbytků.
generické aminokyseliny (1) v neutrální formě, (2), protože existují fyziologicky a (3) se spojily jako dipeptid.
schéma hemoglobinu. Červené a modré stuhy představují protein globin; zelené struktury jsou heme skupiny.
proteiny mohou mít strukturální a/nebo funkční role., Například pohyby proteinů aktin a myosin jsou nakonec zodpovědné za kontrakci kosterního svalu. Jedna vlastnost, kterou mnoho proteinů má, je, že se specificky váží na určitou molekulu nebo třídu molekul—mohou být extrémně selektivní v tom, co se váží. Protilátky jsou příkladem proteinů, které se připojují k jednomu specifickému typu molekuly. Protilátky se skládají z těžkých a lehkých řetězců. Dva těžké řetězce by byly spojeny se dvěma lehkými řetězci prostřednictvím disulfidových vazeb mezi jejich aminokyselinami., Protilátky jsou specifické variací na základě rozdílů v N-terminální doméně.
enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), který používá protilátky, je jedním z nejcitlivějších testů moderní medicína používá k detekci různých biomolekul. Pravděpodobně nejdůležitějšími bílkovinami jsou však enzymy. Prakticky každá reakce v živé buňce vyžaduje enzym ke snížení aktivační energie reakce. Tyto molekuly rozpoznávají specifické molekuly reaktantu nazývané substráty; pak katalyzují reakci mezi nimi., Snížením aktivační energie, enzym urychluje že reakce výši 1011 nebo více; reakce, která by za normálních okolností trvat více než 3000 let k dokončení spontánně může trvat méně než jednu sekundu s enzym. Samotný enzym se v procesu nevyužívá a může katalyzovat stejnou reakci s novou sadou substrátů. Pomocí různých modifikátorů může být aktivita enzymu regulována, což umožňuje kontrolu biochemie buňky jako celku.
struktura proteinů je tradičně popsána v hierarchii čtyř úrovní., Primární struktura proteinu, který se skládá z jeho lineární sekvence aminokyselin; například, „alanin-glycin-tryptofan-serin glutamát-asparagin-glycin-lysin-…“. Sekundární struktura se zabývá lokální morfologií (morfologie je studium struktury). Některé kombinace aminokyselin budou mít tendenci se stočit do cívky zvané α-šroubovice nebo do listu nazývaného β-list; některé α-šroubovice lze vidět ve schématu hemoglobinu výše. Terciární struktura je celý trojrozměrný tvar proteinu. Tento tvar je určen sekvencí aminokyselin., Ve skutečnosti může jediná změna změnit celou strukturu. Alfa řetězec hemoglobinu obsahuje 146 aminokyselinových zbytků; substituce glutamátu zbytky na pozici 6 s valin zbytky změny chování hemoglobinu tolik, že to výsledky v srpkovitá nemoc. Konečně, kvartérní struktura se zabývá strukturou proteinu s více peptidovými podjednotkami, jako je hemoglobin se čtyřmi podjednotkami. Ne všechny proteiny mají více než jednu podjednotku.,
Příklady bílkovin struktury z Protein Data Bank
Členové proteinové rodiny, reprezentované struktury izomeráza domén
Požití bílkovin jsou obvykle rozděleny do jednotlivých aminokyselin, dipeptidů nebo do tenkého střeva, a pak absorbován. Pak mohou být spojeny za vzniku nových proteinů., Meziprodukty glykolýzy, citrátového cyklu, a pentózového cyklu mohou být použity k vytvoření všech dvacet aminokyselin, a většina bakterií a rostlin mají všechny potřebné enzymy k syntéze. Lidé a další savci však mohou syntetizovat pouze polovinu z nich. Nemohou syntetizovat isoleucin, leucin, lysin, methionin, fenylalanin, threonin, tryptofan a valin. Protože musí být požívány, jedná se o esenciální aminokyseliny., Savci mají enzymy syntetizovat alanin, asparagin, aspartát, cystein, glutamát, glutamin, glycin, prolin, serin, a tyrosin, nepodstatné aminokyseliny. Zatímco mohou syntetizovat arginin a histidin, nemohou ho produkovat v dostatečném množství pro mladé, rostoucí zvířata, a proto jsou často považovány za esenciální aminokyseliny.
Pokud je aminoskupina odstraněna z aminokyseliny, zanechává za sebou uhlíkovou kostru nazývanou kyselina α – keto., Enzymy nazývané transaminázy mohou snadno přenést aminokyselinu z jedné aminokyseliny (což z ní činí kyselinu α-keto) na jinou kyselinu α-keto (což z ní činí aminokyselinu). To je důležité při biosyntéze aminokyselin, protože u mnoha cest se meziprodukty z jiných biochemických cest přeměňují na kostru α – keto kyseliny a poté se přidá aminokyselinová skupina, často transaminací. Aminokyseliny pak mohou být spojeny dohromady za vzniku proteinu.
podobný proces se používá k rozkladu proteinů. Nejprve se hydrolyzuje do své složky aminokyselin., Volný amoniak (NH3), existující jako amonný iont (NH4+) v krvi, je toxický pro formy života. Proto musí existovat vhodná metoda pro vylučování. Různé taktiky se vyvinuly u různých zvířat, v závislosti na potřebách zvířat. Jednobuněčné organismy jednoduše uvolňují amoniak do životního prostředí. Stejně tak mohou kostnaté ryby uvolnit amoniak do vody, kde se rychle zředí. Obecně savci přeměňují amoniak na močovinu prostřednictvím cyklu močoviny.,
aby bylo možné určit, zda dva proteiny jsou příbuzné, nebo jinými slovy rozhodnout, zda jsou homologní, nebo ne, vědci používají sekvence-srovnání metod. Metody jako posloupnost zarovnání a strukturální zarovnání jsou mocné nástroje, které pomáhají vědcům identifikovat homologie mezi příbuznými molekulami. Význam nalezení homologií mezi proteiny přesahuje vytvoření evolučního vzoru proteinových rodin. Tím, že zjistíme, jak podobné jsou dvě proteinové sekvence, získáváme znalosti o jejich struktuře, a tedy o jejich funkci.,
Nukleové acidsEdit
struktura deoxyribonukleové kyseliny (DNA), obrázek ukazuje monomery, že dát dohromady.
nukleové kyseliny, takzvané kvůli jejich prevalenci v buněčných jádrech, je obecný název rodiny biopolymerů. Jsou to složité biochemické makromolekuly s vysokou molekulovou hmotností, které mohou přenášet genetickou informaci ve všech živých buňkách a virech., Monomery jsou tzv. nukleotidy, a každý se skládá ze tří složek: dusíkaté heterocyklické báze (purin nebo pyrimidin), pentóza cukru a fosfátové skupiny.
strukturální prvky běžných složek nukleové kyseliny. Protože obsahují alespoň jednu fosfátovou skupinu, sloučenin značených nukleosidů monofosfát, nukleosidů difosfát a nukleosidovými trifosfát jsou všechny nukleotidy (ne jen fosfát-chybí nukleosidy).,
nejčastějšími nukleovými kyselinami jsou deoxyribonukleová kyselina (DNA) a ribonukleová kyselina (RNA). Fosfátová skupina a cukr každého nukleotidu se navzájem spojují, aby vytvořily páteř nukleové kyseliny, zatímco sekvence dusíkatých bází ukládá informace. Nejběžnější dusíkaté báze jsou adenin, cytosin, guanin, thymin a uracil. Dusíkaté báze každého řetězce nukleové kyseliny vytvoří vodíkové vazby s určitými jinými dusíkatými bázemi v komplementárním řetězci nukleové kyseliny (podobně jako zip)., Adenin se váže na thymin a uracil, thymin se váže pouze na adenin a cytosin a guanin se mohou vázat pouze mezi sebou. Adenin a Thymin & Adenin a Uracil obsahuje dva vodíkové můstky ,zatímco Vodíkové Vazby tvoří mezi cytosin a guanin jsou tři v řadě.
Kromě genetického materiálu buňky, nukleových kyselin, často hrají roli jako druhé posly, stejně jako tvoří základ molekuly pro adenosin trifosfátu (ATP), primární energie-carrier molekuly nalezené ve všech živých organismech., Také, dusíkatých bází možné ve dvou nukleových kyselin jsou různé: adenin, cytosin a guanin se vyskytují v obou RNA a DNA, zatímco thymin se vyskytuje pouze v DNA a uracil se vyskytuje v RNA.