Введение
Молекула, произведенная живым организмом.
Биомолекула, или биологическая молекула, определяется как молекула, произведенная живым организмом и необходимая для одного или нескольких типичных биологических процессов. Биомолекулы включают в себя крупные макромолекулы, такие как белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты, а также небольшие молекулы, такие как витамины и гормоны. Более общее название для этого класса веществ – биологические материалы. Биомолекулы являются важным компонентом живых организмов; эти биомолекулы часто являются эндогенными, то есть вырабатываются внутри организма, но организмы обычно нуждаются в экзогенных биомолекулах, например, в определенных питательных веществах, для выживания. Биология и ее подразделы – биохимия и молекулярная биология – изучают биомолекулы и их реакции. Большинство биомолекул – это органические соединения, и всего четыре элемента – кислород, углерод, водород и азот – составляют 96% массы человеческого тела. Однако многие другие элементы, такие как различные биометаллы, также присутствуют в небольших количествах. Однородность как специфических типов молекул (биомолекул), так и определенных метаболических путей является неизменной характеристикой среди широкого разнообразия форм жизни; таким образом, эти биомолекулы и метаболические пути называют «биохимическими универсалиями» или «теорией материального единства живых организмов» – объединяющей концепцией в биологии, наряду с клеточной теорией и теорией эволюции.
Нуклеозиды и нуклеотиды
Нуклеозиды – это молекулы, образующиеся при присоединении нуклеобазы к кольцу рибозы или дезоксирибозы. Примерами служат цитидин (C), уридин (U), аденозин (A), гуанозин (G) и тимидин (T). Нуклеозиды могут быть фосфорилированы специфическими киназами в клетке, в результате чего образуются нуклеотиды. И ДНК, и РНК являются полимерами, состоящими из длинных линейных молекул, собранных ферментами полимеразами из повторяющихся структурных единиц, или мономеров, – мононуклеотидов. ДНК использует дезоксинуклеотиды C, G, A и T, а РНК – рибонуклеотиды (которые содержат дополнительную гидроксильную (OH) группу на пентозном кольце) C, G, A и U. Модифицированные основания встречаются довольно часто (например, с метильными группами на кольце основания), как это наблюдается в рибосомальной РНК или транспортных РНК, или для различения новых и старых цепей ДНК после репликации. Каждый нуклеотид состоит из ациклического азотистого основания, пентозы и от одной до трех фосфатных групп. Они содержат углерод, азот, кислород, водород и фосфор. Они служат источниками химической энергии (аденозинтрифосфат и гуанозинтрифосфат), участвуют в клеточной сигнализации (циклический гуанозинмонофосфат и циклический аденозинмонофосфат) и входят в состав важных кофакторов ферментативных реакций (кофермент А, флавин аденодиндинуклеотид, флавин мононуклеотид и никотинамид аденодиндинуклеотидфосфат).
Структура ДНК и РНК
Структура ДНК в основном представлена хорошо известной двойной спиралью, образованной комплементарным спариванием оснований по Уотсону и Крику: C с G и A с T. Это известно как B-форма ДНК, и она является наиболее благоприятной и распространенной формой ДНК; её высокоспецифичное и стабильное спаривание оснований лежит в основе надежного хранения генетической информации. ДНК иногда может существовать в виде одноцепочечных молекул (часто требующих стабилизации с помощью белков, связывающих одноцепочечную ДНК) или в виде спиралей A- или Z-форм, а также, реже, в более сложных трехмерных структурах, таких как кроссинговер в точках Холлидея во время репликации ДНК. Примерами служат тРНК, рибосомы, рибозимы и рибопереключатели. Образование этих сложных структур облегчается тем, что у РНК-остова меньше локальной гибкости, чем у ДНК, но при этом существует большое разнообразие конформаций, вероятно, из-за как положительных, так и отрицательных взаимодействий дополнительной OH-группы в рибозе. Структурированные молекулы РНК способны к высокоспецифичному связыванию с другими молекулами и сами могут быть специфически распознаны; кроме того, они могут осуществлять ферментативный катализ (в этом случае их называют "рибозимами", как впервые было обнаружено Томом Чехом и его коллегами).
Сахариды
Моносахариды – это простейшая форма углеводов, состоящая из одного простого сахара. По сути, они содержат альдегидную или кетонную группу в своей структуре. Наличие альдегидной группы в моносахариде указывается приставкой "альдо-", а кетонной группы – приставкой "кето-". Был разработан флуоресцентный индикаторный сенсор с молекулярным импринтингом для различения сахаров. Он успешно различил три марки апельсинового сока. Изменение интенсивности флуоресценции сенсорных пленок напрямую связано с концентрацией сахаров.
Лигнин
Лигнин — это сложная полифенольная макромолекула, состоящая главным образом из β-O4-арильных связей. После целлюлозы лигнин является вторым по распространенности биополимером и одним из основных структурных компонентов большинства растений. Он содержит структурные единицы, производные от п-кумарилового спирта, кониферилового спирта и синапилового спирта, и примечателен среди биомолекул тем, что является рацемическим. Отсутствие оптической активности обусловлено полимеризацией лигнина, которая происходит посредством реакций радикального сочетания, при которых нет предпочтения какой-либо конфигурации в хиральном центре.
Аминокислоты
Аминокислоты содержат как амино-, так и карбоксильные группы. (В биохимии термин "аминокислота" используется для обозначения тех аминокислот, в которых амино- и карбоксилатные функциональные группы присоединены к одному и тому же атому углерода, а также пролина, который фактически не является аминокислотой). Модифицированные аминокислоты иногда встречаются в белках; это обычно результат ферментативной модификации после трансляции (синтеза белка). Например, фосфорилирование серина киназами и дефосфорилирование фосфатазами – важный механизм регуляции в клеточном цикле. Известно лишь две аминокислоты, отличные от стандартного набора из двадцати, которые включаются в белки в процессе трансляции у определенных организмов:
Селеноцистеин включается в некоторые белки по кодону UGA, который обычно является стоп-кодоном. Пирролизин включается в некоторые белки по кодону UAG. Например, у некоторых метаногенов – в ферментах, используемых для производства метана. Помимо используемых в синтезе белка, к другим биологически важным аминокислотам относятся карнитин (используется для транспорта липидов внутри клетки), орнитин, ГАМК и таурин.
Структура белка
Определенная последовательность аминокислот, формирующих белок, известна как первичная структура этого белка. Эта последовательность определяется генетическим составом организма. Она определяет порядок боковых цепей вдоль линейного полипептидного "скелета". Белки имеют два типа хорошо классифицированных, часто встречающихся элементов локальной структуры, определяемых специфическим паттерном водородных связей вдоль скелета: альфа-спираль и бета-лист. Количество и расположение этих элементов называется вторичной структурой белка. Альфа-спирали представляют собой регулярные спирали, стабилизированные водородными связями между карбонильной (CO) группой скелета одного аминокислотного остатка и амидной (NH) группой скелета остатка i+4. В спирали содержится около 3,6 аминокислот на оборот, а боковые цепи аминокислот отходят от цилиндра спирали. Бета-листы формируются водородными связями между отдельными бета-цепями, каждая из которых находится в "растянутой" или полностью развернутой конформации. Цепи могут располагаться параллельно или антипараллельно друг другу, а направление боковых цепей чередуется над и под листом. Гемоглобин содержит только спирали, натуральный шелк состоит из бета-листов, а многие ферменты имеют структуру, состоящую из чередующихся спиралей и бета-цепей. Элементы вторичной структуры соединены "петлями" или "спиралями" – областями неповторяющейся конформации, которые иногда достаточно подвижны или неупорядочены, но обычно принимают четко определенное, стабильное расположение. Общая, компактная, трехмерная структура белка называется его третичной структурой или его "сворачиванием". Она формируется в результате различных сил притяжения, таких как водородные связи, дисульфидные мостики, гидрофобные взаимодействия, гидрофильные взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса и т.д. Когда две или более полипептидных цепей (одинаковых или различных по последовательности) объединяются, образуя белок, формируется четвертичная структура белка. Четвертичная структура является характеристикой полимерных (цепи с одинаковой последовательностью) или гетеромерных (цепи с разной последовательностью) белков, таких как гемоглобин, который состоит из двух "альфа" и двух "бета" полипептидных цепей.
Апоферменты
Апофермент (или, в общем случае, апопротеин) – это белок, не связанный с какими-либо малыми молекулами кофакторов, субстратов или ингибиторов. Он часто играет важную роль как неактивная форма хранения, транспорта или секреции белка. Это необходимо, например, для защиты секреторной клетки от активности этого белка. Апоферменты становятся активными ферментами при добавлении кофактора. Кофакторы могут быть неорганическими (например, ионы металлов и железосерные кластеры) или органическими соединениями (например, флавин и ге́м). Органические кофакторы могут быть либо протезными группами, которые прочно связаны с ферментом, либо коферментами, которые высвобождаются из активного центра фермента в ходе реакции.
Изоферменты
Изоферменты, или изозимы, – это множественные формы фермента, с незначительно различающейся аминокислотной последовательностью и близкими, но обычно не идентичными функциями. Они могут быть продуктами разных генов или различными продуктами альтернативного сплайсинга. Изоферменты могут производиться в разных органах или типах клеток для выполнения одной и той же функции, либо несколько изоферментов могут синтезироваться в одном типе клеток под дифференциальной регуляцией, чтобы адаптироваться к изменяющимся условиям развития или окружающей среды. ЛДГ (лактатдегидрогеназа) имеет несколько изоферментов, а фетальный гемоглобин является примером изоформы неферментного белка, регуляция которой зависит от стадии развития. Относительное содержание изоферментов в крови можно использовать для диагностики проблем с органом, в котором они секретируются.