Кіріспе
Тірі организм өндіретін молекула. Биомолекула немесе биологиялық молекула – тірі организм өндіретін және әдетте бірыңғай биологиялық процестерге қажетті молекула ретінде анықталады. Биомолекулаларға протеиндер, көмірсулар, липидтер және нуклеин қышқылдары сияқты ірі макромолекулалар, сондай-ақ витаминдер мен гормондар сияқты шағын молекулалар жатады. Бұл материалдың жалпы атауы – биологиялық материалдар. Биомолекулалар тірі организмдердің маңызды құрауы болып табылады, олар көбінесе эндогенді, яғни организм ішінде өндіріледі, бірақ организмдер тіршілік ету үшін кейбір экзогенді биомолекулаларға, мысалы, белгілі бір қоректік заттарға мұқтаж болады. Биология және оның биохимия мен молекулалық биология салалары биомолекулаларды және олардың реакцияларын зерттейді. Биомолекулалардың көпшілігі органикалық қосылыстар, ал төрт элемент – оттегі, көміртек, сутегі және азот – адам денесінің массасының 96% құрайды. Дегенмен, биометалдар сияқты көптеген басқа элементтер де аз мөлшерде кездеседі. Молекулалардың екі ерекше түрінің (биомолекулалардың) және белгілі бір метаболизм жолдарының біркелкілігі тіршілік формаларының кең ауқымындағы өзгермейтін қасиеттер болып табылады; сондықтан бұл биомолекулалар мен метаболизм жолдары «биохимиялық универсалдар» немесе «тірі жандардың материалдық бірлігі теориясы» деп аталады, бұл клеткалық теория мен эволюциялық теориямен қатар биологиядағы біріктіруші ұғым болып табылады.
A biomolecule or biological molecule is loosely defined as a molecule produced by a living organism and essential to one or more typically biological processes. Biomolecules include large macromolecules such as proteins, carbohydrates, lipids, and nucleic acids, as well as small molecules such as vitamins and hormones. A more general name for this class of material is biological materials. Biomolecules are an important element of living organisms, those biomolecules are often endogenous, produced within the organism but organisms usually need exogenous biomolecules, for example certain nutrients, to survive. Biology and its subfields of biochemistry and molecular biology study biomolecules and their reactions. Most biomolecules are organic compounds, and just four elements—oxygen, carbon, hydrogen, and nitrogen—make up 96% of the human body's mass. But many other elements, such as the various biometals, are also present in small amounts. The uniformity of both specific types of molecules (the biomolecules) and of certain metabolic pathways are invariant features among the wide diversity of life forms; thus these biomolecules and metabolic pathways are referred to as "biochemical universals" or "theory of material unity of the living beings", a unifying concept in biology, along with cell theory and evolution theory.
Нуклеозидтер мен нуклеотидтер
Нуклеозидтер – нуклеобазаны рибоза немесе дезоксирибоза сақинасына қосу арқылы түзілетін молекулалар. Мысалдары: цитидин (С), уридин (U), аденозин (А), гуанозин (G) және тимидин (Т). Нуклеозидтер клеткадағы белгілі бір киназалардың әрекетімен фосфорилденіп, нуклеотидтерге айналады. ДНК және РНК – бұл мономерлерден, яғни мононуклеотидтердің қайталанатын құрылымдық бірліктерінен полимераза ферменттері құрастырған ұзын, тікелей молекулалардан тұратын полимерлер. ДНК C, G, A және T дезоксинуклеотидтерін пайдаланса, РНК C, G, A және U рибонуклеотидтерін (оларда пентоза сақинасында қосымша гидроксил (OH) тобы бар) пайдаланады. Өзгертілген негіздер жиі кездеседі (мысалы, негіз сақинасындағы метил топтары), олар рибосомалық РНК-да немесе трансферттік РНК-да табылса, сондай-ақ репликациядан кейін ДНК-ның жаңа және ескі тізбектерін ажырату үшін де қолданылады. Әрбір нуклеотид ациклді азотты негізден, пентозадан және бірден үшке дейін фосфат топтарынан тұрады. Олардың құрамында көміртек, азот, оттек, сутек және фосфор болады. Олар химиялық энергияның көзі ретінде (аденозин трифосфаты және гуанозин трифосфаты), жасушалық сигнализацияға қатысады (циклді гуанозин монофосфаты және циклді аденозин монофосфаты), сондай-ақ ферменттік реакциялардың маңызды кофакторларының құрамына енеді (кофермент А, флавин аденоин динуклеотиді, флавин мононуклеотиді және никотинамид аденоин динуклеотид фосфаты).
ДНК және РНК құрылымы
ДНҚ құрылымында Ватсон-Крик жұптасуы арқылы C-мен G және A-мен T жұптасуымен қалыптасқан белгілі бір қос спираль басымдық етеді. Бұл B формасы ДНҚ деп аталады және ДНҚ-ның ең қолайлы және кең таралған түрі болып табылады; оның өте нақты және тұрақты негіздер жұптасуы сенімді генетикалық ақпаратты сақтаудың негізі болып табылады. ДНҚ кейде жеке жіптер түрінде (көбінесе жеке жіптерді тұрақтандырушы ақуыздармен тұрақтандырылуы қажет) немесе А немесе Z формасындағы спиральдар түрінде, сондай-ақ ДНҚ көшіру кезінде Холлидей түйіспелеріндегі кроссовер сияқты күрделі 3D құрылымдарда кездесуі мүмкін. Мысалдарға тРНК, рибосомалар, рибозималар және рибосвичи жатады. Бұл күрделі құрылымдар РНК тірегінің ДНҚ-ға қарағанда жергілікті икемділігі аз болғанымен, әртүрлі конформациялардың кең спектрін қамтиды, бұл рибозадағы қосымша ОН тобының оң және теріс өзара әрекеттерімен байланысты. Құрылымдық РНК молекулалары басқа молекулалармен өте нақты байланысқа түсе алады және өздері де нақты таныла алады; сонымен қатар, олар ферменттік катализді жүзеге асыра алады (алғаш Том Чех және оның әріптестері тапқандай).
Сахаридтер
Моносахаридтер – бір ғана қарапайым қанттан тұратын көмірсулардың ең қарапайым түрі. Олардың құрамында альдегид немесе кетон тобы болады. Моносахаридте альдегид тобының болуы «альдо» префиксімен көрсетіледі. Ал кетон тобы «кето» префиксімен белгіленеді. Сахаридтерді ажыратуға арналған флуоресцентті индикатордың орын ауыстыру принципіне негізделген молекулалық импринтинг сенсоры жасалды. Ол апельсин сусынын үш маркасын сәтті ажыратты. Сенсорлық қабықшалардың флуоресценция интенсивтілігінің өзгеруі сахаридтің концентрациясына тікелей байланысты.
Лигнин
Лигнин – негізінен бета-O4 арил байланыстарынан тұратын күрделі полифенолды макромолекула. Целлюлозадан кейін лигнин екінші ең көп кездесетін биополимер және көптеген өсімдіктердің негізгі құрылымдық компоненттерінің бірі. Оның құрамында p-кумарил спирті, кониферил спирті және синапил спиртінен алынған бөлікшелер бар және ол биомолекулалардың арасында сирек кездесетін рацемиялық қасиетке ие. Оптикалық белсенділіктің болмауы лигниннің полимерленуімен байланысты, ол еркін радикалдардың қосылу реакциялары арқылы жүзеге асады, онда хиральдық орталықтағы конфигурацияның ешқайсысы басымдық танытпайды.
Амино қышқылдар
Аминқышқылдары амин және карбоксил қышқылының функционалдық топтарын қамтиды. (Биохимияда аминқышқыл термині амин және карбоксилат функционалдық топтары бір көміртек атомына бекітілген аминқышқылдарына, сондай-ақ аминқышқыл емес пролинге қатысты қолданылады). Өзгертілген аминқышқылдары кейде ақуыздарда кездеседі; мұның себебі көбінесе трансляциядан кейін ферменттік модификация (ақуыз синтезі) болып табылады. Мысалы, серинді киназалармен фосфорилирлеу және фосфатазалармен дефосфорилирлеу жасуша циклындағы маңызды реттеу механизмі болып табылады. Белгілі бір организмдерде трансляция кезінде ақуыздарға стандартты жиырмадан өзге екі ғана аминқышқылы енгізілетіні белгілі: Селеноцистеин кейбір ақуыздарға UGA кодоны арқылы енгізіледі, бұл кодон әдетте тоқтату кодоны болып табылады. Пирролизин кейбір ақуыздарға UAG кодоны арқылы енгізіледі. Мысалы, кейбір метаногендерде, метан өндіруге қатысатын ферменттерде. Ақуыз синтезінде қолданылатындарынан басқа, биологиялық маңызды аминқышқылдарына карнитин (жасуша ішінде липидтерді тасымалдау үшін қолданылады), орнитин, ГАМК және таурин жатады.
Selenocysteine is incorporated into some proteins at a UGA codon, which is normally a stop codon. Pyrrolysine is incorporated into some proteins at a UAG codon. For instance, in some methanogens in enzymes that are used to produce methane. Besides those used in protein synthesis, other biologically important amino acids include carnitine (used in lipid transport within a cell), ornithine, GABA and taurine.
Белоктың құрылымы
Аминқышқылдарының белгілі бір тізбегі белсендің біріншілік құрылымы деп аталады. Бұл тізбек жеке адамның генетикалық құрамымен анықталады. Ол сызықтық полипептидтің «негізі» бойымен радикалдық топтардың реттілігін көрсетеді. Белоктардың құрылымындағы жергілікті құрылымның екі жақсы жіктелген, жиі кездесетін түрі бар, олар негіз бойындағы сутекті байланыстардың ерекше үлгісімен анықталады: альфа-спираль және бета-парақ. Олардың саны мен орналасуы белсендің екіншілік құрылымы деп аталады. Альфа-спираль – бір аминқышқылының CO тобы (карбонил) мен i+4 қалдығының NH тобы (амид) арасындағы сутекті байланыстармен тұрақталған тұрақты спираль. Спиральдың бір толық айналымында шамамен 3,6 аминқышқылы болады, ал аминқышқылының радикалдық тізбектері спиральдың цилиндрінен сыртқа қарай бағытталған. Бета-парақтар жеке бета-жіптер арасындағы негіздік сутекті байланыстар арқылы қалыптасады, олардың әрқайсысы «созылған» немесе толыққанды түрінде болады. Жіптер бір-біріне параллель немесе антипараллель орналасуы мүмкін, ал радикалдық тізбектердің бағыты парақтың үстінен және астынан кезектесіп орналасады. Гемоглобин тек спиральдардан, ал табиғи жібек бета-парақтардан тұрады, ал көптеген ферменттерде спиральдар мен бета-жіптер кезектесіп орналасады. Екіншілік құрылым элементтері қайталанбайтын конформациядағы «ілмек» немесе «орам» аймақтарымен байланысқан, олар кейде өте жылдам немесе ретсіз болады, бірақ көбінесе жақсы анықталған, тұрақты орналасуға ие болады. Белсендің жалпы, тығыз, үш өлшемді құрылымы оның үшіншілік құрылымы немесе «жиылуы» деп аталады. Ол сутекті байланыстар, дисульфидтік көпірлер, гидрофобтық, гидрофильді өзара әрекеттесулер, Ван дер Ваальс күштері сияқты әртүрлі тартымды күштердің нәтижесінде қалыптасады. Екі немесе одан көп полипептидтік тізбек (бірдей немесе әртүрлі тізбек) белсенді құрастыру үшін бірігіп, белсендің төртіншілік құрылымын қалыптастырады. Төртіншілік құрылым – екі «альфа» және екі «бета» полипептидтік тізбектерден тұратын гемоглобин сияқты полимерлік (бірдей тізбекті тізбектер) немесе гетеромерлік (әр түрлі тізбекті тізбектер) белсендердің қасиеті.
Апоферменттер
Апофермент (немесе, жалпы, апопротеин) – ешқандай шағын молекулалық кофакторлар, субстраттар немесе тежеушілер байланысқан жоқ ақуыз. Ол көбінесе ақуыздың белсенді емес сақтау, тасымалдау немесе секрециялану түрі ретінде маңызды. Мысалы, бұл секреторлық жасушаны сол ақуыздың әрекетінен қорғау үшін қажет. Апоферменттер кофактор қосылғанда белсенді ферментке айналады. Кофакторлар бейорганикалық (мысалы, металл иондары және темір-күкірт кластерлері) немесе органикалық қосылыстар (мысалы, флавин және гем) болуы мүмкін. Органикалық кофакторлар ферментке берік байланысқан протездік топтар немесе реакция барысында ферменттің белсенді орынынан бөлінетін коферменттер болуы мүмкін.
Изоферменттер
Изоферменттер немесе изоэзимдер – бір ферменттің әртүрлі формалары, ақуыз тізбегінде шамалы айырмашылықтары бар, бірақ функциялары өте ұқсас, әдетте толық бірдей емес. Олар әртүрлі гендердің өнімдері болуы мүмкін, немесе альтернативті сплайсингтің әртүрлі нәтижелері. Олар бір функцияны орындау үшін әртүрлі органдарда немесе жасуша түрлерінде өндірілуі мүмкін, немесе дамудың немесе қоршаған ортаның өзгеруіне байланысты бір жасуша түрінде әртүрлі реттеу арқылы бірнеше изофермент өндірілуі мүмкін. ЛДГ (лактат дегидрогеназа) бірнеше изоэзимге ие, ал ұрықтық гемоглобин – фермент емес ақуыздың дамумен реттелетін изоформасының мысалы. Қандағы изоферменттердің салыстырмалы деңгейлері секрецияланатын органның проблемаларын диагностикалау үшін қолданылуы мүмкін.