BIOMOLEKÜLE: KLASSIFIKATION UND HAUPTFUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die Biomoleküle sind Moleküle, die in Lebewesen erzeugt werden. Das Präfix "bio" bedeutet Leben; Daher ist ein Biomolekül ein Molekül, das von einem Lebewesen produziert wird. Lebewesen bestehen aus verschiedenen Arten von Molekülen, die verschiedene für das Leben notwendige Funktionen erfüllen.

In der Natur gibt es biotische (lebende) und abiotische (nicht lebende) Systeme, die interagieren und in einigen Fällen Elemente austauschen. Ein Merkmal, das alle Lebewesen gemeinsam haben, ist, dass sie organisch sind, was bedeutet, dass ihre Molekülbestandteile aus Kohlenstoffatomen bestehen.

Biomoleküle haben neben Kohlenstoff auch andere Atome gemeinsam. Diese Atome umfassen hauptsächlich Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. Diese Elemente werden auch Bioelemente genannt, da sie der Hauptbestandteil biologischer Moleküle sind.

Es gibt jedoch auch andere Atome, die in einigen Biomolekülen vorhanden sind, wenn auch in geringeren Mengen. Dies sind im Allgemeinen Metallionen wie unter anderem Kalium, Natrium, Eisen und Magnesium. Folglich können Biomoleküle von zwei Arten sein: organisch oder anorganisch.

So bestehen Organismen aus vielen Arten von Molekülen auf Kohlenstoffbasis, zum Beispiel: Zucker, Fette, Proteine ​​und Nukleinsäuren. Es gibt jedoch auch andere Verbindungen, die ebenfalls auf Kohlenstoff basieren und nicht Teil von Biomolekülen sind.

Diese kohlenstoffhaltigen Moleküle, die in biologischen Systemen nicht vorkommen, befinden sich in der Erdkruste, in Seen, Meeren und Ozeanen sowie in der Atmosphäre. Die Bewegung dieser Elemente in der Natur wird in sogenannten biogeochemischen Kreisläufen beschrieben.

Es wird angenommen, dass diese einfachen organischen Moleküle, die in der Natur gefunden wurden, diejenigen waren, die die komplexesten Biomoleküle hervorgebracht haben, die Teil der Grundstruktur für das Leben sind: die Zelle. Dies ist die sogenannte Theorie der abiotischen Synthese.

Klassifikation und Funktionen von Biomolekülen

Biomoleküle sind in Größe und Struktur unterschiedlich, was ihnen einzigartige Eigenschaften für die Erfüllung der verschiedenen lebensnotwendigen Funktionen verleiht. So dienen Biomoleküle unter anderem als Informationsspeicher, Energiequelle, Unterstützung und Zellstoffwechsel.

Biomoleküle können basierend auf der Anwesenheit oder Abwesenheit von Kohlenstoffatomen in zwei große Gruppen eingeteilt werden.

Anorganische Biomoleküle

Sie sind all jene Moleküle, die in Lebewesen vorhanden sind und in ihrer Molekülstruktur keinen Kohlenstoff enthalten. Anorganische Moleküle können auch in anderen (nicht lebenden) Systemen in der Natur gefunden werden.

Die Arten von anorganischen Biomolekülen sind wie folgt:

Wasser

Es ist der Haupt- und Grundbestandteil von Lebewesen, es ist ein Molekül, das von einem Sauerstoffatom gebildet wird, das mit zwei Wasserstoffatomen verbunden ist. Wasser ist essentiell für die Existenz des Lebens und das häufigste Biomolekül.

Zwischen 50 und 95% des Gewichts eines Lebewesens ist Wasser, da mehrere wichtige Funktionen wie die Wärmeregulierung und der Transport von Substanzen erfüllt werden müssen.

Mineralsalze

Es sind einfache Moleküle, die aus entgegengesetzt geladenen Atomen bestehen, die sich im Wasser vollständig trennen. Zum Beispiel: Natriumchlorid, bestehend aus einem Chloratom (negativ geladen) und einem Natriumatom (positiv geladen).

Mineralsalze sind an der Bildung starrer Strukturen beteiligt, wie z. B. der Knochen von Wirbeltieren oder des Exoskeletts von Wirbellosen. Diese anorganischen Biomoleküle sind auch notwendig, um viele wichtige zelluläre Funktionen zu erfüllen.

Gase

Sie sind Moleküle, die in Form von Gas vorliegen. Sie sind wichtig für die Atmung von Tieren und die Photosynthese in Pflanzen.

Beispiele für diese Gase sind: molekularer Sauerstoff, der aus zwei miteinander verbundenen Sauerstoffatomen besteht; und Kohlendioxid, bestehend aus einem Kohlenstoffatom, das an zwei Sauerstoffatome gebunden ist. Beide Biomoleküle nehmen am Gasaustausch teil, den Lebewesen mit ihrer Umwelt durchführen.

Organische Biomoleküle

Organische Biomoleküle sind solche Moleküle, die Kohlenstoffatome in ihrer Struktur enthalten. Organische Moleküle sind auch in der Natur als Teil nicht lebender Systeme verteilt und bilden die sogenannte Biomasse.

Die Arten von organischen Biomolekülen sind die folgenden:

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind wahrscheinlich die am häufigsten vorkommenden und am weitesten verbreiteten organischen Substanzen in der Natur und sie sind wesentliche Bestandteile aller Lebewesen.

Kohlenhydrate werden von grünen Pflanzen während des Photosyntheseprozesses aus Kohlendioxid und Wasser hergestellt.

Diese Biomoleküle bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen. Sie sind auch als Kohlenhydrate oder Saccharide bekannt und fungieren als Energiequellen und als strukturelle Bestandteile von Organismen.

- Monosaccharide

Monosaccharide sind die einfachsten Kohlenhydrate und werden oft als einfache Zucker bezeichnet. Sie sind die elementaren Bausteine, aus denen die größten Kohlenhydrate gebildet werden.

Monosaccharide haben die allgemeine Summenformel (CH 2 O) n, wobei n 3, 5 oder 6 sein kann. Somit können Monosaccharide nach der Anzahl der im Molekül vorhandenen Kohlenstoffatome klassifiziert werden:

Wenn n = 3 ist, ist das Molekül eine Triose. Zum Beispiel: Glycerinaldehyd.

Wenn n = 5 ist, ist das Molekül eine Pentose. Zum Beispiel: Ribose und Desoxyribose.

Wenn n = 6 ist, ist das Molekül eine Hexose. Zum Beispiel: Fructose, Glucose und Galactose.

Pentosen und Hexosen können in zwei Formen vorliegen: zyklisch und nicht zyklisch. In der nichtcyclischen Form zeigen seine Molekülstrukturen zwei funktionelle Gruppen: eine Aldehydgruppe oder eine Ketongruppe.

Monosaccharide, die die Aldehydgruppe enthalten, werden Aldosen genannt, und solche, die eine Ketongruppe haben, werden Ketosen genannt. Aldosen sind reduzierende Zucker, während Ketosen nicht reduzierende Zucker sind.

In Wasser existieren Pentosen und Hexosen jedoch hauptsächlich in cyclischer Form, und in dieser Form verbinden sie sich, um größere Saccharidmoleküle zu bilden.

- Disaccharide

Die meisten in der Natur vorkommenden Zucker sind Disaccharide. Diese entstehen durch Bildung einer glykosidischen Bindung zwischen zwei Monosacchariden durch eine Kondensationsreaktion, die Wasser freisetzt. Dieser Bindungsbildungsprozess erfordert Energie, um die beiden Monosaccharideinheiten zusammenzuhalten.

Die drei wichtigsten Disaccharide sind Saccharose, Lactose und Maltose. Sie entstehen durch Kondensation der entsprechenden Monosaccharide. Saccharose ist ein nicht reduzierender Zucker, während Laktose und Maltose Zucker reduzieren.

Disaccharide sind wasserlöslich, aber Biomoleküle, die zu groß sind, um die Zellmembran durch Diffusion zu durchqueren. Aus diesem Grund werden sie während der Verdauung im Dünndarm abgebaut, so dass ihre essentiellen Bestandteile (dh Monosaccharide) in das Blut und andere Zellen gelangen.

Monosaccharide werden von Zellen sehr schnell verwendet. Wenn eine Zelle jedoch keine Energie benötigt, kann sie diese sofort in Form komplexerer Polymere speichern. Somit werden Monosaccharide durch Kondensationsreaktionen, die in der Zelle auftreten, in Disaccharide umgewandelt.

- Oligosaccharide

Oligosaccharide sind Zwischenmoleküle, die aus drei bis neun einfachen Zuckereinheiten (Monosacchariden) bestehen. Sie entstehen durch teilweisen Abbau komplexerer Kohlenhydrate (Polysaccharide).

Die meisten natürlich vorkommenden Oligosaccharide kommen in Pflanzen vor und sind mit Ausnahme von Maltotriose für den Menschen unverdaulich, da dem menschlichen Körper die notwendigen Enzyme im Dünndarm fehlen, um sie abzubauen.

Im Dickdarm können nützliche Bakterien Oligosaccharide durch Fermentation abbauen. So werden sie in absorbierbare Nährstoffe umgewandelt, die etwas Energie liefern. Bestimmte Abbauprodukte von Oligosacchariden können sich günstig auf die Auskleidung des Dickdarms auswirken.

Beispiele für Oligosaccharide umfassen Raffinose, ein Trisaccharid aus Hülsenfrüchten, und einige Getreide, die aus Glucose, Fructose und Galactose bestehen. Maltotriose, ein Glukosetrisaccharid, kommt in einigen Pflanzen und im Blut bestimmter Arthropoden vor.

- Polysaccharide

Monosaccharide können eine Reihe von Kondensationsreaktionen eingehen, wobei eine Einheit nach der anderen zur Kette hinzugefügt wird, bis sehr große Moleküle gebildet werden. Dies sind die Polysaccharide.

Die Eigenschaften von Polysacchariden hängen von mehreren Faktoren ihrer Molekülstruktur ab: Länge, Seitenverzweigungen, Falten und ob die Kette "gerade" oder "gewickelt" ist. Es gibt mehrere Beispiele für Polysaccharide in der Natur.

Stärke wird häufig in Pflanzen hergestellt, um Energie zu speichern, und besteht aus α-Glucose-Polymeren. Wenn das Polymer verzweigt ist, heißt es Amylopektin, und wenn es nicht verzweigt ist, heißt es Amylose.

Glykogen ist das Energiereservepolysaccharid bei Tieren und besteht aus Amylopektinen. So wird die Stärke von Pflanzen im Körper abgebaut, um Glukose zu produzieren, die in die Zelle gelangt und im Stoffwechsel verwendet wird. Nicht verwendete Glukose polymerisiert und bildet Glykogen, den Energiespeicher.

Lipide

Lipide sind eine andere Art von organischen Biomolekülen, deren Hauptmerkmal darin besteht, dass sie hydrophob sind (sie stoßen Wasser ab) und folglich in Wasser unlöslich sind. Lipide können je nach Struktur in 4 Hauptgruppen eingeteilt werden:

- Triglyceride

Triglyceride bestehen aus einem Glycerinmolekül, das an drei Ketten von Fettsäuren gebunden ist. Eine Fettsäure ist ein lineares Molekül, das an einem Ende eine Carbonsäure enthält, gefolgt von einer Kohlenwasserstoffkette und einer Methylgruppe am anderen Ende.

Fettsäuren können je nach Struktur gesättigt oder ungesättigt sein. Wenn die Kohlenwasserstoffkette nur Einfachbindungen enthält, handelt es sich um eine gesättigte Fettsäure. Wenn umgekehrt diese Kohlenwasserstoffkette eine oder mehrere Doppelbindungen aufweist, ist die Fettsäure ungesättigt.

Innerhalb dieser Kategorie sind Öle und Fette. Ersteres ist die Energiereserve von Pflanzen, sie sind ungesättigt und bei Raumtemperatur flüssig. Im Gegensatz dazu sind Fette die Energiespeicher von Tieren, sie sind bei Raumtemperatur gesättigte und feste Moleküle.

Phospholipide

Phospholipide sind Triglyceriden insofern ähnlich, als sie ein Glycerinmolekül aufweisen, das an zwei Fettsäuren gebunden ist. Der Unterschied besteht darin, dass Phospholipide eher eine Phosphatgruppe am dritten Glycerinkohlenstoff als ein anderes Fettsäuremolekül aufweisen.

Diese Lipide sind sehr wichtig, da sie mit Wasser interagieren können. Durch das Vorhandensein einer Phosphatgruppe an einem Ende wird das Molekül in dieser Region hydrophil (zieht Wasser an). Im Rest des Moleküls ist es jedoch immer noch hydrophob.

Aufgrund ihrer Struktur neigen Phospholipide dazu, sich so zu organisieren, dass die Phosphatgruppen zur Wechselwirkung mit dem wässrigen Medium zur Verfügung stehen, während die hydrophoben Ketten, die sie im Inneren organisieren, weit vom Wasser entfernt sind. Somit sind Phospholipide Teil aller biologischen Membranen.

- Steroide

Steroide bestehen aus vier kondensierten Kohlenstoffringen, an die verschiedene funktionelle Gruppen gebunden sind. Eines der wichtigsten ist Cholesterin, da es für Lebewesen essentiell ist. Es ist der Vorläufer einiger wichtiger Hormone wie Östrogen, Testosteron und Cortison, unter anderem.

- Wachse

Wachse sind eine kleine Gruppe von Lipiden, die eine Schutzfunktion haben. Sie kommen in den Blättern von Bäumen, in den Federn von Vögeln, in den Ohren einiger Säugetiere und an Orten vor, die isoliert oder vor der äußeren Umgebung geschützt werden müssen.

Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind die Haupttransportmoleküle genetischer Information in Lebewesen. Seine Hauptfunktion besteht darin, den Prozess der Proteinsynthese zu steuern, der die vererbten Eigenschaften jedes Lebewesens bestimmt. Sie bestehen aus Atomen von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor.

Nukleinsäuren sind Polymere, die aus Wiederholungen von Monomeren bestehen, die als Nukleotide bezeichnet werden. Jedes Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen aromatischen Base, die an einen Pentosezucker (fünf Kohlenstoffe) gebunden ist, der wiederum an eine Phosphatgruppe gebunden ist.

Die zwei Hauptklassen von Nukleinsäuren sind Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). DNA ist das Molekül, das alle Informationen einer Spezies enthält, weshalb es in allen Lebewesen und in den meisten Viren vorhanden ist.

RNA ist das genetische Material bestimmter Viren, kommt aber auch in allen lebenden Zellen vor. Dort erfüllt es wichtige Funktionen in bestimmten Prozessen, beispielsweise bei der Herstellung von Proteinen.

Jede Nukleinsäure enthält vier von fünf möglichen stickstoffhaltigen Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U). DNA hat die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, während RNA die gleichen Basen hat, mit Ausnahme von Thymin, das Uracil in RNA ersetzt.

- Desoxyribonukleinsäure (DNA)

Das DNA-Molekül besteht aus zwei Ketten von Nukleotiden, die durch Bindungen verbunden sind, die als Phosphodiesterbindungen bezeichnet werden. Jede Kette hat eine helixförmige Struktur. Die beiden Helixe verflechten sich zu einer Doppelhelix. Die Basen befinden sich auf der Innenseite der Helix und die Phosphatgruppen auf der Außenseite.

Die DNA besteht aus einem phosphatgebundenen Desoxyribose-Zuckergerüst und vier stickstoffhaltigen Basen: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Basenpaare werden in doppelsträngiger DNA gebildet: Adenin bindet immer an Thymin (AT) und Guanin an Cytosin (GC).

Die beiden Helices werden zusammengehalten, indem die Nukleotidbasen durch Wasserstoffbrückenbindung gepaart werden. Die Struktur wird manchmal als Leiter beschrieben, bei der die Zucker- und Phosphatketten die Seiten und die Base-Base-Bindungen die Sprossen sind.

Diese Struktur macht zusammen mit der chemischen Stabilität des Moleküls DNA zum idealen Material für die Übertragung genetischer Informationen. Wenn sich eine Zelle teilt, wird ihre DNA kopiert und von einer Generation von Zellen an die nächste Generation weitergegeben.

- Ribonukleinsäure (RNA)

RNA ist ein Nukleinsäurepolymer, dessen Struktur aus einer einzigen Nukleotidkette besteht: Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil. Wie in der DNA bindet Cytosin immer an Guanin (CG), Adenin jedoch an Uracil (AU).

Es ist der erste Vermittler bei der Übertragung genetischer Informationen in Zellen. RNA ist für die Proteinsynthese essentiell, da die im genetischen Code enthaltenen Informationen im Allgemeinen von DNA zu RNA und von dieser zu Proteinen übertragen werden.

Einige RNAs haben auch direkte Funktionen im Zellstoffwechsel. RNA wird erhalten, indem die Basensequenz eines DNA-Segments, das als Gen bezeichnet wird, auf einen Teil der einzelsträngigen Nukleinsäure kopiert wird. Dieser als Transkription bezeichnete Prozess wird durch ein Enzym namens RNA-Polymerase katalysiert.

Es gibt verschiedene Arten von RNA, hauptsächlich drei. Die erste ist Messenger-RNA, die durch Transkription direkt von der DNA kopiert wird. Der zweite Typ ist die Transfer-RNA, die die richtigen Aminosäuren für die Proteinsynthese überträgt.

Schließlich ist die andere Klasse von RNA ribosomale RNA, die zusammen mit einigen Proteinen Ribosomen bildet, zelluläre Organellen, die für die Synthese aller Proteine ​​in der Zelle verantwortlich sind.

Protein

Proteine ​​sind große, komplexe Moleküle, die viele wichtige Funktionen erfüllen und den größten Teil der Arbeit in Zellen erledigen. Sie sind notwendig für die Struktur, Funktion und Regulierung von Lebewesen. Sie bestehen aus Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffatomen.

Proteine ​​bestehen aus kleineren Einheiten, sogenannten Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind und lange Ketten bilden. Aminosäuren sind kleine organische Moleküle mit ganz besonderen physikochemischen Eigenschaften, es gibt 20 verschiedene Arten.

Die Aminosäuresequenz bestimmt die einzigartige dreidimensionale Struktur jedes Proteins und seine spezifische Funktion. Tatsächlich sind die Funktionen einzelner Proteine ​​so unterschiedlich wie ihre einzigartigen Aminosäuresequenzen, die die Wechselwirkungen bestimmen, die komplexe dreidimensionale Strukturen erzeugen.

Verschiedene Funktionen

Proteine ​​können Struktur- und Bewegungskomponenten für die Zelle sein, wie z. B. Aktin. Andere beschleunigen biochemische Reaktionen in der Zelle, beispielsweise die DNA-Polymerase, das Enzym, das DNA synthetisiert.

Es gibt andere Proteine, deren Funktion es ist, dem Körper eine wichtige Botschaft zu übermitteln. Beispielsweise übertragen einige Arten von Hormonen wie Wachstumshormone Signale, um biologische Prozesse zwischen verschiedenen Zellen, Geweben und Organen zu koordinieren.

Einige Proteine ​​binden zusammen und tragen Atome (oder kleine Moleküle) in Zellen; Dies ist der Fall bei Ferritin, das in einigen Organismen für die Speicherung von Eisen verantwortlich ist. Eine weitere Gruppe wichtiger Proteine ​​sind Antikörper, die zum Immunsystem gehören und für den Nachweis von Toxinen und Krankheitserregern verantwortlich sind.

Somit sind Proteine ​​die Endprodukte des Dekodierungsprozesses genetischer Information, der mit zellulärer DNA beginnt. Diese unglaubliche Vielfalt an Funktionen basiert auf überraschend einfachem Code, der in der Lage ist, eine enorm vielfältige Reihe von Strukturen zu spezifizieren.

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