2.1: Введення в біомолекули та клітинні компоненти

Цілі навчання

• 1: Визначте основну структуру біомолекул, таких як: амінокислоти та білки, вуглеводи, жирні кислоти, триацилгліцерин, фосфоліпіди, стероїди та нуклеїнові кислоти.

• 2: Визначте значення та значення незамінних і незамінних амінокислот.

• 3: Зрозумійте функцію ферментів.

• 4: Визначте основну структуру рибонуклеїнової кислоти (РНК) та дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК).

1.1

Амінокислоти і білки

Амінокислоти є основними одиницями білків. Всі амінокислоти, присутні в білках, несуть карбоксил- і аміногрупу, водень і змінні бічні ланцюги (R) при одному α - атомі вуглецю.

Амінокислота Основна структура:

Кожна амінокислота має чотири компоненти, пов'язані разом з центральним атомом вуглецю α - вуглець:

• Аміногрупа (NH2)
• Група карбонових кислот (СООН)
• Атом водню (Н)
• R-група, яка змінюється з кожною амінокислотою (R)

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Базова структура амінокислоти. Кредит: Аліна де Конті

R групи можуть бути:

• Гідрофобні
• Гідрофільні
• Заряджені R-групи: позитивний або негативний заряджений
• Спеціальні R-групи: кон'юговані з іншими молекулами

Амінокислоти класифікуються на дві групи.

Основні: Люди не можуть синтезувати їх і повинні бути отримані безпосередньо з їжі (фенілаланін, валін, треонін, триптофан, метіонін, лейцин, ізолейцин, лізин, гістидин, цистеїн та аргінін).

Несуттєві: Людський організм здатний виробляти їх (гліцин, аланін, серин, аспарагін, глютанін, тирозин, аспарагінова кислота, глютанова кислота та пролін).

Нижче ви можете побачити різні структури найбільш поширених амінокислот у людини. Амінокислоти зв'язуються разом, в реакції, відомої як пептидний зв'язок, утворюють білки.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Пептидний зв'язок. Кредит: Аліна де Конті

Рівні структури білка

Первинна (1°) Структура

Послідовність амінокислот в білку називається первинною структурою. Амінокислоти пов'язані за допомогою пептидних зв'язків, утворених з групою карбонових кислот однієї амінокислоти і аміногрупою іншої амінокислоти.

Вторинна (2°) Структура

Вторинна структура - це спосіб, як поліпептид складається, утворюючи α-спіраль, β-нитку або β-поворот.

Третинна (3°) Структура

Третинна структура - це спосіб котушок поліпептидного ланцюга і перетворюється, утворюючи складну молекулярну форму. Крім того, третинна структура починає розвивати активні ділянки білків, де будуть відбуватися критичні дії та взаємодії.

Четвертинна (4°) Структура

Четвертинна структура являє собою поєднання множинних білкових субодиниць, які взаємодіють з утворенням одного, більшого, біологічно активного білка.

білкові функції

Білки мають кілька функцій в організмі людини, включаючи гормональні, ферменти, структурні білки в клітинних мембранах, білки також отримують сигнали ззовні клітини і мобілізують внутрішньоклітинну відповідь, і вони є частиною імунної системи.

Ферменти - це спеціалізовані білки, які прискорюють хімічну реакцію, виступаючи біологічним каталізатором. Каталізуючи ці реакції, ферменти змушують їх протікати в мільйон і більше разів швидше, ніж при їх відсутності. Кілька біохімічних реакцій, важливих для утримання клітин, відбуваються завдяки активності ферментів. Наприклад: екологічна реакція та метаболічні шляхи.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ферменти та енергія активації - © 2010 Освіта природи

1.2

Вуглеводи

Вуглеводи складаються з молекул вуглецю (C), водню (H) та кисню (O) і складаються з повторюваних мономерів, які називаються моносахаридами (які зазвичай утворюють кільцеві структури). Поширена назва мономерів і димерів - «цукор».

Вуглеводи класифікуються на три підтипи.

1. Моносахариди: 1 одиниця мономера. Приклади: фруктоза, глюкоза, галактоза.

Присутній у фруктах і т.д.

2. Дисахариди: 2 одиниці моносахаридів. Приклади: лактоза, мальтоза, сахароза.

Присутній в молоці і т.д.

3. Полісахариди: Багато моносахаридних одиниць. Приклади: целюлоза, глікоген, крохмаль.

Присутній у хлібці, траві тощо.

Вуглеводи - це група макромолекул, які є важливим джерелом енергії, необхідним для різних обмінних заходів. Вуглеводи можуть зв'язуватися з білками та ліпідами, які відіграють важливу роль у взаємодії клітин, наприклад, молекули рецепторів та імунної системи, наприклад антигени.

1.3

Ліпіди

Молекули ліпідів - це переважно гідрофобні молекули, тобто знаходяться в областях, віддалених від молекул води, але також мають менші гідрофільні частини, важливі для його біологічної функції. Основні ролі ліпідних молекул полягають у тому, щоб служити зберіганням біологічної енергії (приклад: триацилгліцерини) та забезпечувати будівельні блоки для біологічних мембран (приклад: фосфоліпіди та холестерин). Хоча існують і інші види ліпідів, в цій темі ми обговоримо будову і функції цих основних груп ліпідів.

триацилгліцерини

Триацилгліцерини складаються з жирних кислот і гліцерину.

• Гліцерин являє собою просту тривуглецеву молекулу з гідроксильними групами на кожному вуглеці.
• Жирні кислоти - це ланцюги молекул вуглецю з карбоновою кислотою (СООН) в першому вуглеці і СН3 (метил) групою на кінці ланцюга.

Жирні кислоти можуть бути...

Насичені: жирні кислоти містять лише поодинокі вуглецево-вуглецеві зв'язки, і всі молекули вуглецю пов'язані з максимальною кількістю молекул водню.

Ненасичені: Жирні кислоти мають принаймні один подвійний вуглецево-вуглецевий зв'язок з потенціалом додаткового зв'язку атомів водню, який все ще існує для деяких атомів вуглецю в магістральному ланцюзі. Якщо присутній більше однієї подвійної зв'язку, використовується термін поліненасичені.

незамінні жирні кислоти

Приклади двох незамінних жирних кислот, лінолевої кислоти (відомої як омега-6; ω-6) та ліноленової кислоти (відомої як омега-3; ω-3). Ці жирні кислоти представляють подвійні зв'язки на шостому і третьому атомах вуглецю відповідно, відраховуючи від метильного кінця їх ланцюгів. Вони вважаються важливими, оскільки люди не мають здатності виробляти подвійні зв'язки в цих місцях і, отже, повинні отримувати ці дві жирні кислоти з рослинних олій.

Фосфоліпіди

Фосфоліпіди є основним компонентом клітинних мембран. Вони утворюють ліпідні бішари через їх амфіфільної характеристики.

Структура молекули фосфоліпідів, як правило, складається з двох «хвостів» гідрофобних жирних кислот і гідрофільної «головки», що складається з фосфатної групи (PO4−3), прикріпленої до третього гліцеринового вуглецю. Ця головна група зазвичай заряджається, створюючи частину ліпідів, яка є гідрофільною, і хоче бути поруч з водою, якість, яка має важливе значення для формування біологічних мембран та багатьох ліпідних функцій.

Стероїди

Стероїди є ліпіди, які мають чотири кільця з атомів вуглецю - три кільця мають шість сторін і один має п'ять сторін - з шестивуглецевим кільцем хвоста. Приклади: жовчні солі, холестерин, статеві гормони естроген, прогестерон і тестостерон, кортикостероїди і провітамін D.

Холестерин

Холестерин - важлива молекула, що зустрічається тільки в еукаріотичних організмах з різноманітними функціями. Холестерин також є компонентом біологічних мембран і його основною функцією є контроль плинності мембран. Холестерин не любить піддаватися впливу водного середовища, вважаючи за краще захищатися іншими гідрофобними молекулами, такими як ліпіди або гідрофобні частини білків.

Холестерин також служить первинним джерелом для вироблення стероїдних гормонів, жовчних солей, вітаміну D.

1.4

Нуклеозиди і нуклеотиди беруть участь у збереженні і передачі генетичної інформації всієї живої істоти. Крім того, вони відіграють роль у накопиченні та передачі біологічної енергії, сигналізації та регуляції різних аспектів метаболізму.

Ці молекули можна розділити на два основних сімейства.

Пурини: Вони являють собою двокільцеві структури: аденін і гуанін.

Піримідини: Це однокільцеві структури: тимін, цитозин та урацил.

Унікальна структура та взаємодія цих молекул служать основним будівельним блоком молекул РНК та ДНК і дозволяють відбуватися фундаментальним процесам реплікації ДНК та синтезу білка.

компоненти нуклеотидів

• Азотиста основа: азотиста основа нуклеозиду або нуклеотиду може бути або пурином, або піримідином.
• Вуглеводи: Вуглеводний компонент нуклеозидів та нуклеотидів, як правило, є цукровою рибозою для молекул РНК та дезоксирибозою для молекули ДНК
• Фосфатна група: Одна або кілька фосфатних груп (PO4−3) можуть бути приєднані до вуглецю 5 молекули вуглецю.

1.5

ДНК

ДНК позначає дезоксирибонуклеїнової кислоти.
Це надзвичайно довга молекула, яка утворює подвійну спіраль.

Компоненти ДНК:

- Цукор - Дезоксирибоза

- Фосфати - (PO4−3)

- Основа - цитозин (С), гуанін (G), аденін (А) і тимін (Т).

ДНК складається з двох ниток, прикріплених один до одного водневим зв'язком, створеним нуклеотидним сполученням (A-T і C-G).

Структура ДНК з подвійною спіраллю важлива для її функції, оскільки ці дві зв'язані нитки можуть тимчасово відокремлюватися, щоб забезпечити реплікацію ДНК.

Послідовності нуклеотидів (A, C, T, G) в молекулі ДНК складуть гени, а згодом білки називаються «вираженими послідовностями» або «екзонами». Послідовності, які не кодують білок, називаються «втручаються послідовностями» або «інтронами».

Геном людини Геном людини,

за оцінками, містить приблизно 20 000—25 000 різних генів, розташованих на декількох хромосомах.

Двадцять три пари хромосом:
Двадцять дві пари (аутосоми).
Одна пара (статева хромосома) (xx) (жіноча) або (xy) (чоловіча).

У людини є 23 пари хромосоми в кожній клітині (крім зрілих еритроцитів); Гамети або статеві клітини (сперматозоїди та яйцеклітини) мають половину нормального доповнення хромосом.

1.6

РНК

РНК позначає Рибонуклеїнова кислота.
Молекули РНК - поодинокі нитки.

Компоненти РНК:

• Цукор - рибоза
• Фосфати - (PO4−3)
• Основа: цитозин (С), гуанін (G), аденин (А) і урацил (U)

Молекули РНК часто утворюють вторинні (2°) структури і можуть взаємодіяти з ДНК, іншими молекулами РНК та білками. Ці взаємодії допомагають визначити конкретну функцію кожного типу РНК.

Типи молекул і функції РНК:

РНК месенджера (мРНК):

Молекули, які функціонують як передавач генетичної інформації від генетичного коду ДНК до отриманого білка.

Перенесення РНК (тРНК)

Молекули, які несуть амінокислоти і поєднують їх із певною послідовністю мРНК під час синтезу білка.

Рибосомна РНК (рРНК)

Молекули пов'язані з білками і відповідають за синтез білкових молекул.

регуляторна РНК

Молекули беруть участь у регуляції експресії ДНК, посттранскрипційної обробці мРНК та активності транскрибованого повідомлення мРНК.

Основна структура ДНК і РНК схожі, однак з 3 основними відмінностями:

Азотисті основи: Три азотисті основи однакові в ДНК та РНК: аденін, цитозин та гуанін. Четвертою основою для ДНК є тимін, тоді як для РНК - урацил. Тимін і урацил обидва зв'язуються з аденином.

Кількість ниток: Молекула ДНК, як правило, дволанцюгова, і більшість клітинних молекул РНК є одноланцюговими.

Тип цукру: У молекулі ДНК цукор є дезоксирибозою, а в молекулі РНК цукор є рибозою.

Тема 1: Ключові моменти

У цьому розділі ми вивчили наступні основні моменти:

• 1: Амінокислоти зв'язуються разом, в реакції, відомої як пептидний зв'язок, утворюють білки.

• 2: Однією з важливих функцій білка є діяти як ферменти для прискорення хімічних реакцій.

• 3: Вуглеводи є важливим джерелом енергії, необхідним для різних метаболічних заходів, і можуть зв'язуватися з білками та ліпідами, які відіграють важливу роль у взаємодії клітин

• 4: Молекули ліпідів служать сховищем біологічної енергії та забезпечують будівельні блоки для біологічних мембран

• 5: Структури ДНК та РНК мають 3 основні відмінності. Азотисті основи (ДНК має тимін, а РНК - урацил). Молекула ДНК, як правило, дволанцюгова, і більшість молекул РНК є одноланцюговими. У молекулі ДНК цукор є дезоксирибозою, а в молекулі РНК цукор - рибоза.

Перевірка знань

1. До якого типу нуклеїнової кислоти належить тимін?

Відповідь

ДНК

2. Урацил?

Відповідь

РНК

3. Ферменти - це...

спеціалізовані білки, які прискорюють хімічну реакцію, виступаючи біологічним каталізатором.

спеціалізовані білки, які зупиняють хімічну реакцію.

Відповідь

спеціалізовані білки, які прискорюють хімічну реакцію, виступаючи біологічним каталізатором.

4. Нуклеотид складається з...

Перевірте все, що застосовується.

• Цукор (або дезоксирибоза, або рибоза)

• Урацил як азотна основа

• Фосфатна група

• Одна з чотирьох азотних основ

Відповідь

Цукор, фосфатна група, і одна з чотирьох азотних основ

5. Молекули ліпідів - це переважно гідрофільні молекули. Правда чи брехня?

Відповідь

помилкові