מולקולות ביולוגיות: סיווג ותפקודים עיקריים - ביולוגיה - 2025

Biomolecules הם מולקולות אשר נוצרות היצורים החיים. הקידומת "ביו" פירושה חיים; לכן ביולוגיה היא מולקולה המיוצרת על ידי יצור חי. יצורים חיים מורכבים מסוגים שונים של מולקולות המבצעות פונקציות שונות הנחוצות לחיים.

בטבע ישנן מערכות ביוטיות (חיות) ואביוטיות (שאינן חיות) אשר מקיימות אינטראקציה ובמקרים מסוימים מחליפות אלמנטים. מאפיין אחד המשותף לכל היצורים החיים הוא שהם אורגניים, מה שאומר שמולקולות המרכיב שלהם מורכבות מאטומי פחמן.

ביולוגיות יש גם אטומים אחרים המשותפים מלבד פחמן. אטומים אלו כוללים בעיקר מימן, חמצן, חנקן, זרחן וגופרית. אלמנטים אלה נקראים גם ביו-אלמנטים מכיוון שהם המרכיב העיקרי במולקולות ביולוגיות.

עם זאת, ישנם אטומים אחרים המצויים גם בכמה ביומולקולות, אם כי בכמויות קטנות יותר. בדרך כלל מדובר ביוני מתכת כמו אשלגן, נתרן, ברזל ומגנזיום. כתוצאה מכך, ביומולקולות יכולות להיות משני סוגים: אורגני או אורגני.

כך, אורגניזמים מורכבים מסוגים רבים של מולקולות מבוססות פחמן, למשל: סוכרים, שומנים, חלבונים וחומצות גרעין. עם זאת, ישנם תרכובות אחרות שגם הן מבוססות על פחמן ואינן חלק מהביומולקולות.

מולקולות המכילות פחמן אלה שאינן נמצאות במערכות ביולוגיות ניתן למצוא בקרום כדור הארץ, באגמים, בים ובאוקיאנוסים ובאטמוספירה. התנועה של אלמנטים אלה בטבע מתוארת במה שמכונה מחזורים ביוגאוכימיים.

מולקולות אורגניות פשוטות אלה שנמצאות בטבע נחשבות לאלו שהולידו את הבי-מולקולות הביולוגיות המורכבות ביותר המהוות חלק מהמבנה הבסיסי לחיים: התא. זה מה שמכונה תיאוריית הסינתזה האביוטית.

סיווג ופונקציות ביומולקולות

מולקולות ביו מגוונות בגודלן ובמבנהן, מה שנותן להם מאפיינים ייחודיים לביצוע הפונקציות השונות הנחוצות לחיים. כך, ביו-מולקולות משמשות כאחסון מידע, מקור אנרגיה, תמיכה, חילוף חומרים סלולרי, בין היתר.

ניתן לסווג ביומולקולות לשתי קבוצות גדולות, על בסיס נוכחות או היעדר אטומי פחמן.

מולקולות אורגניות

כולם מולקולות אלה שנמצאים ביצורים חיים ואינם מכילים פחמן במבנה המולקולרי שלהם. מולקולות אורגניות ניתן למצוא גם במערכות אחרות (שאינן חיות) בטבע.

הסוגים של ביומולקולות אורגניות הם כדלקמן:

מים

זהו המרכיב העיקרי והבסיסי של יצורים חיים, זוהי מולקולה הנוצרת על ידי אטום חמצן המקושר לשני אטומי מימן. מים חיוניים לקיומם של החיים והם הבי-מולקולה הנפוצה ביותר.

בין 50 ל- 95% ממשקלו של כל יצור חי הם מים, מכיוון שיש לבצע מספר תפקידים חשובים, כמו ויסות תרמי והובלת חומרים.

מלח מינרלי

מדובר במולקולות פשוטות המורכבות מאטומים טעונים מנוגדים המופרדים לחלוטין במים. לדוגמא: נתרן כלוריד, המורכב מאטום כלור (טעון שלילי) ואטום נתרן (טעון חיובי).

מלחים מינרליים משתתפים ביצירת מבנים קשיחים, כמו עצמות חוליות או שלד הרחם של חסרי חוליות. ביומולקולות אורגניות אלה נחוצות גם כדי לבצע פונקציות תאיות חשובות רבות.

גזים

מדובר במולקולות שנמצאות בצורת גז. הם חיוניים להנשמת בעלי חיים ופוטוסינתזה בצמחים.

דוגמאות לגזים אלה הם: חמצן מולקולרי, המורכב משני אטומי חמצן הקשורים זה לזה; ופחמן דו חמצני, המורכב מאטום פחמן הקשור לשני אטומי חמצן. שתי הבי-מולקולות משתתפות בחילופי הגזים שביצורים חיים מבצעים עם סביבתם.

מולקולות אורגניות

מולקולות אורגניות הן אותן מולקולות המכילות אטומי פחמן במבנה שלהן. ניתן למצוא מולקולות אורגניות המופצות בטבע כחלק ממערכות שאינן חיות, והן מהוות מה שמכונה ביומסה.

הסוגים של ביומולקולות אורגניות הם הבאים:

פחמימות

פחמימות הן ככל הנראה החומרים האורגניים השכיחים והנפוצים ביותר בטבע, והם מרכיבים חיוניים בכל היצורים החיים.

פחמימות מיוצרות על ידי צמחים ירוקים מפחמן דו חמצני ומים בתהליך הפוטוסינתזה.

ביומולקולות אלה מורכבות בעיקר מאטומי פחמן, מימן וחמצן. הם ידועים גם כפחמימות או סכרידים, והם מתפקדים כמקורות אנרגיה וכמרכיבים מבניים של אורגניזמים.

- מונוסכרידים

מונוסכרידים הם הפחמימות הפשוטות ביותר ולעיתים קרובות נקראים סוכרים פשוטים. הם אבני הבניין היסודיות מהן נוצרים כל הפחמימות הגדולות ביותר.

למונוסכרידים הנוסחה המולקולרית הכללית (CH2O) n, כאשר n יכולה להיות 3, 5 או 6. לפיכך, ניתן לסווג מונוסכרידים לפי מספר אטומי הפחמן שנמצאים במולקולה:

אם n = 3, המולקולה היא שלישייה. לדוגמא: גליצראלדהיד.

אם n = 5, המולקולה היא מחומש. לדוגמא: ריבוז ודוקסיריבוזה.

אם n = 6, המולקולה היא משושה. לדוגמא: פרוקטוז, גלוקוז וגלקטוז.

חמושים ומשושים יכולים להתקיים בשתי צורות: מחזוריות ולא מחזוריות. בצורה הלא מחזורית, המבנים המולקולריים שלה מראים שתי קבוצות פונקציונליות: קבוצת אלדהיד או קבוצת קטון.

מונוסכרידים המכילים את קבוצת האלדהיד נקראים אלדוזים, ואלה שיש להם קבוצת קטון נקראים קטוזות. אלדוזות מקטינות סוכרים ואילו קטוזות אינן מפחיתות סוכרים.

עם זאת, בפנטוזות והמשושים במים קיימים בעיקר בצורה מחזורית, ובצורה זו הם מתחברים ליצירת מולקולות סכרידיות גדולות יותר.

- דיסכרידים

מרבית הסוכרים הנמצאים בטבע הם דיסכרידים. אלה נוצרים על ידי יצירת קשר גליקוזידי בין שני מונוסכרידים, דרך תגובת עיבוי המשחררת מים. תהליך היווצרות קשר זה דורש אנרגיה כדי להחזיק את שתי יחידות המונוסכריד יחד.

שלושת הדיסכרידים החשובים ביותר הם סוכרוז, לקטוז ומלטוז. הם נוצרים מעיבוי המונוסכרידים המתאימים. סוכרוז הוא סוכר שאינו מפחית, ואילו לקטוז ומלטוז מפחיתים סוכרים.

דיסכרידים מסיסים במים, אך הם ביומולקולות גדולות מכדי לחצות את קרום התא על ידי דיפוזיה. מסיבה זו הם מתפרקים במעי הדק במהלך העיכול כך שהמרכיבים החיוניים שלהם (כלומר מונוסכרידים) עוברים לדם ולתאים אחרים.

תאים משמשים במהירות רבה במונוסכרידים. עם זאת, אם תא אינו זקוק לאנרגיה הוא יכול לאחסן אותו מייד בצורה של פולימרים מורכבים יותר. לפיכך, מונוסכרידים מומרים לדיסכרידים באמצעות תגובות עיבוי המתרחשות בתא.

- אוליגוסכרידים

אוליגוסכרידים הם מולקולות ביניים המורכבות משלוש עד תשע יחידות סוכר פשוטות (מונוסכרידים). הם נוצרים על ידי פירוק פחמימות מורכבות יותר (פוליסכרידים) באופן חלקי.

רוב האוליגוסכרידים הטבעיים נמצאים בצמחים, פרט למלטוטריוז, הם אינם ניתנים לעיכול על ידי בני אדם מכיוון שגוף האדם חסר את האנזימים הדרושים במעי הדק כדי לפרק אותם.

במעי הגס, חיידקים מועילים יכולים לפרק אוליגוסכרידים באמצעות תסיסה; וכך הם הופכים לחומרים מזינים נספגים המספקים אנרגיה מסוימת. מוצרי פירוק מסוימים של אוליגוסכרידים יכולים להשפיע לטובה על רירית המעי הגס.

דוגמאות לאוליגוסכרידים כוללות רפינוזה, טריזכריד מקטניות, וכמה דגנים המורכבים מגלוקוז, פרוקטוז וגלקטוז. Maltotriose, טריזכריד גלוקוז, מופיע בכמה צמחים ובדם של פרוקי רגליים מסוימים.

- פוליסכרידים

מונוסכרידים יכולים לעבור סדרה של תגובות עיבוי, להוסיף יחידה אחת אחרי השנייה לשרשרת עד שנוצרות מולקולות גדולות מאוד. אלה הם הפוליסכרידים.

תכונותיהם של הפוליסכרידים תלויים במספר גורמים במבנה המולקולרי שלהם: אורך, ענפי צד, קפלים והאם השרשרת "ישר" או "מפותלת". ישנן כמה דוגמאות לפוליסכרידים בטבע.

עמילן מיוצר לרוב בצמחים כדרך לאגירת אנרגיה, והוא מורכב מפולימרים α-גלוקוזיים. אם הפולימר מסועף הוא נקרא עמילופקטין, ואם הוא לא מסתעף הוא נקרא עמילוז.

גליקוגן הוא פוליסכריד עתודה באנרגיה בבעלי חיים ומורכב מעמילופקטינים. כך, עמילן הצמחים נשבר בגוף כדי לייצר גלוקוז, שנכנס לתא ומשמש בחילוף חומרים. גלוקוז שאינו משמש מפולימר ויוצר גליקוגן, חנות האנרגיה.

ליפידים

ליפידים הם סוג נוסף של ביומולקולות אורגניות שהמאפיין העיקרי שלהן הוא שהן הידרופוביות (הן דוחפות מים), וכתוצאה מכך הן אינן מסיסות במים. בהתאם למבנה שלהם, ניתן לסווג ליפידים ל -4 קבוצות עיקריות:

- טריגליצרידים

הטריגליצרידים מורכבים ממולקולת גליצרול המחוברת לשלוש שרשראות של חומצות שומן. חומצה שומנית היא מולקולה ליניארית המכילה חומצה קרבוקסילית בקצה האחד, ואחריה שרשרת פחמימנית וקבוצה מתיל בקצה השני.

בהתאם למבנה שלהם, חומצות שומן יכולות להיות רוויות או בלתי רוויות. אם שרשרת הפחמימנים מכילה קשרים בודדים בלבד, מדובר בחומצת שומן רוויה. לעומת זאת, אם לשרשרת הפחמימנים הזו קשרים כפולים אחד או יותר, חומצת השומן אינה רוויה.

בתוך קטגוריה זו נמצאים שמנים ושומנים. הראשונים הם עתודת האנרגיה של צמחים, יש להם בלתי רוויות והם נוזלים בטמפרטורת החדר. לעומת זאת, שומנים הם מאגרי האנרגיה של בעלי חיים, הם מולקולות רוויות ומוצקות בטמפרטורת החדר.

פוספוליפידים

פוספוליפידים דומים לטריגליצרידים בכך שיש להם מולקולת גליצרול המחוברת לשתי חומצות שומן. ההבדל הוא שלפוספוליפידים יש קבוצת פוספטים על הפחמן השלישי של גליצרול, ולא מולקולה אחרת של חומצות שומן.

ליפידים אלה חשובים מאוד בגלל האופן בו הם יכולים לתקשר עם מים. בכך שיש קבוצת פוספטים בקצה אחד, המולקולה הופכת להיות הידרופילית (מושכת מים) באזור זה. עם זאת, הוא עדיין הידרופובי בשאר המולקולה.

בשל מבנהם, פוספוליפידים נוטים להתארגן בצורה כזו שקבוצות הפוספט זמינות לקיום אינטראקציה עם המדיום המימי, ואילו השרשראות ההידרופוביות שהם מארגנים בתוכן רחוקות מהמים. לפיכך, פוספוליפידים הם חלק מכל הממברנות הביולוגיות.

- סטרואידים

סטרואידים מורכבים מארבע טבעות פחמן התמזגו, אליהן מחוברות קבוצות פונקציונליות שונות. אחד החשובים שבהם הוא כולסטרול, מכיוון שהוא חיוני עבור יצורים חיים. זהו מבשרם של כמה הורמונים חשובים כמו אסטרוגן, טסטוסטרון וקורטיזון.

- שעווה

שעווה היא קבוצה קטנה של שומנים בעלי תפקיד מגן. הם נמצאים בעלים של עצים, בנוצות של ציפורים, באוזניים של כמה יונקים ובמקומות שצריכים להיות מבודדים או מוגנים מהסביבה החיצונית.

חומצות גרעין

חומצות גרעין הן המולקולות המובילות העיקריות של מידע גנטי ביצורים חיים. תפקידו העיקרי הוא לכוון את תהליך סינתזת החלבון, הקובעת את המאפיינים התורשתיים של כל יצור חי. הם מורכבים מאטומים של פחמן, מימן, חמצן, חנקן וזרחן.

חומצות גרעין הן פולימרים המורכבים מחזרות של מונומרים, הנקראים נוקלאוטידים. כל נוקלאוטיד מורכב מבסיס ארומטי המכיל חנקן המחובר לסוכר פנטוזה (חמש פחמימות), שבתורו מחובר לקבוצת פוספטים.

שתי המחלקות העיקריות של חומצות גרעין הן חומצה deoxyribonucleic (DNA) וחומצה ribonucleic (RNA). DNA הוא המולקולה המכילה את כל המידע של מין, וזו הסיבה שהיא קיימת בכל היצורים החיים וברוב הנגיפים.

RNA הוא החומר הגנטי של נגיפים מסוימים, אך הוא נמצא גם בכל התאים החיים. שם הוא מבצע פונקציות חשובות בתהליכים מסוימים, כמו ייצור חלבונים.

כל חומצה גרעין מכילה ארבעה מתוך חמישה בסיסים אפשריים המכילים חנקן: אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C), תימין (T) ואורציל (U). ל- DNA יש את הבסיסים אדנין, גואנין, ציטוזין ותימין, בעוד של- RNA יש את אותם בסיסים למעט תימין, אשר מחליף אורציל ב- RNA.

- חומצה דהוקסיריבונוקלאית (DNA)

מולקולת ה- DNA מורכבת משתי שרשראות של נוקלאוטידים שמצטרפות אליהן קשרים הנקראים קשרי פוספודיאסטר. לכל שרשרת מבנה בצורת סליל. שני הסלילים שזורים זה בזה בכדי לתת סליל כפול. הבסיסים נמצאים בחלק הפנימי של הסליל וקבוצות הפוספט נמצאות מבחוץ.

ה- DNA מורכב מעמוד סוכר deoxyribose שקשור לפוספט ומארבעת הבסיסים החנקניים: אדנין, גואנין, ציטוזין ותאמין. זוגות בסיס נוצרים ב- DNA עם גדיל כפול: אדנין נקשר תמיד לתאמין (AT) וגואנין לציטוזין (GC).

שני הסלילים מוחזקים זה בזה על ידי התאמת בסיסי הנוקלאוטידים על ידי קשירת מימן. המבנה מתואר לעיתים כסולם בו שרשראות הסוכר והפוספט הן הצדדים וקשרי הבסיס-הבסיס הם הקווים.

מבנה זה, יחד עם היציבות הכימית של המולקולה, הופך את ה- DNA לחומר האידיאלי להעברת מידע גנטי. כאשר תא מתחלק, ה- DNA שלו מועתק ומועבר מדור אחד של תאים לדור הבא.

- Ribonucleic acid (RNA)

RNA הוא פולימר חומצה גרעין שמבנהו מורכב משרשרת נוקלאוטידים יחידה: אדנין, ציטוזין, גואנין ואורציל. כמו ב- DNA, ציטוזין נקשר תמיד לגואנין (CG) אך אדנין נקשר לאורציל (AU).

זהו המתווך הראשון בהעברת מידע גנטי בתאים. RNA חיוני לסינתזת חלבונים, מכיוון שהמידע הכלול בקוד הגנטי מועבר בדרך כלל מ- DNA ל- RNA, ומזה לחלבונים.

לחלק מה- RNA יש גם פונקציות ישירות במטבוליזם של התא. RNA מתקבל על ידי העתקת רצף הבסיס של קטע של DNA המכונה גן, על חלק של חומצה גרעינית חד-גדילית. תהליך זה, המכונה תעתיק, מזרז אנזים הנקרא פולימראז RNA.

ישנם כמה סוגים שונים של RNA, בעיקר ישנם 3. הראשון הוא RNA שליח, שהוא זה שמועתק ישירות מ- DNA דרך תמלול. הסוג השני הוא העברת RNA, שהיא זו שמעבירה את חומצות האמינו הנכונות לסינתזת חלבון.

לבסוף, המעמד האחר של RNA הוא RNA ריבוזומלי שיוצר יחד עם כמה חלבונים ריבוזומים, אברונים תאיים האחראים על סינתזת כל החלבונים בתא.

חֶלְבּוֹן

חלבונים הם מולקולות גדולות ומורכבות המבצעות פונקציות רבות וחשובות ועושות את מרבית העבודה בתאים. הם הכרחיים למבנה, לתפקוד ולוויסות של יצורים חיים. הם מורכבים מאטומי פחמן, מימן, חמצן וחנקן.

חלבונים מורכבים מיחידות קטנות יותר הנקראות חומצות אמינו, המקושרות זו לזו באמצעות קשרי פפטיד ויוצרים שרשראות ארוכות. חומצות אמינו הן מולקולות אורגניות קטנות עם תכונות פיזיוכימיות מאוד מסוימות, ישנם 20 סוגים שונים.

רצף חומצות האמינו קובע את המבנה התלת ממדי הייחודי של כל חלבון ואת תפקודו הספציפי. למעשה, תפקידיהם של חלבונים בודדים הם מגוונים כמו רצפי חומצות האמינו הייחודיים שלהם, שקובעים את האינטראקציות המייצרות מבנים תלת ממדיים מורכבים.

פונקציות שונות

חלבונים יכולים להיות מרכיבים מבניים ותנועתיים לתא, כמו אקטין. אחרים פועלים באמצעות האצת תגובות ביוכימיות בתא, כמו למשל פולימראז DNA, שהוא האנזים המסנתז את ה- DNA.

ישנם חלבונים נוספים שתפקידם להעביר מסר חשוב לגוף. לדוגמא, סוגים מסוימים של הורמונים כמו הורמוני גדילה משדרים אותות לתיאום תהליכים ביולוגיים בין תאים, רקמות ואיברים שונים.

ישנם חלבונים שקושרים זה לזה ונושאים אטומים (או מולקולות קטנות) בתוך תאים; זהו המקרה של פריטין, האחראי לאגירת ברזל באורגניזמים מסוימים. קבוצה נוספת של חלבונים חשובים הם נוגדנים, השייכים למערכת החיסון ואחראים על גילוי רעלים ופתוגנים.

לפיכך, חלבונים הם תוצרי הסיום של תהליך הפענוח של מידע גנטי המתחיל ב- DNA תאי. מגוון מדהים זה של פונקציות נגזר מקוד פשוט להפליא המסוגל לציין מערכת מבנים מגוונת להפליא.

הפניות

1. אלברטס, ב., ג'ונסון, א., לואיס, ג'יי, מורגן, ד., רף, מ., רוברטס, ק. וולטר, פ. (2014). ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה 6). גרלנד מדע.
2. ברג, ג ', טימוצ'קו, ג', גאטו, ג' ו סטרייר, ל '(2015). ביוכימיה (מהדורה 8). WH פרימן וחברה.
3. קמפבל, נ. & Reece, J. (2005). ביולוגיה (מהדורה שנייה) חינוך פירסון.
4. לודיש, ה., ברק, א., קייזר, סי, קריגר, מ., ברצ'ר, א., פלוג, ה., אמון, א. ומרטין, ק. (2016). ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה 8). WH פרימן וחברה.
5. סולומון, א., ברג, ל. ומרטין, ד. (2004). ביולוגיה (מהדורה 7) למידת Cengage.
6. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). יסודות הביוכימיה: החיים ברמה המולקולרית (מהדורה חמישית). וויילי.