מולקולות אורגניות: מאפיינים, פונקציות ודוגמאות - ביולוגיה - 2025

ביומולקולות אורגניות המצויות כל היצורים החיים ואת מאופיינים במבנה המבוסס על אטום פחמן. אם נשווה בינו לבין מולקולות אורגניות, מולקולות אורגניות מורכבות בהרבה מבחינת המבנה שלהן. בנוסף, הם מגוונים הרבה יותר.

הם מסווגים לחלבונים, פחמימות, ליפידים וחומצות גרעין. הפונקציות שלו מגוונות ביותר. חלבונים משתתפים כאלמנטים מבניים, פונקציונליים וקטליטיים. לפחמימות יש גם תפקודים מבניים והם מקור האנרגיה העיקרי עבור יצורים אורגניים.

מקור: pixabay.com

ליפידים הם מרכיבים חשובים בממברנות ביולוגיות וחומרים אחרים, כמו הורמונים. הם גם מתפקדים כאלמנטים לאחסון אנרגיה. לבסוף, חומצות גרעין - DNA ו- RNA - מכילות את כל המידע הדרוש להתפתחות ותחזוקה של יצורים חיים.

מאפיינים כלליים

אחד המאפיינים הרלוונטיים ביותר של ביומולקולות אורגניות הוא הרבגוניות שלהם בכל הקשור ליצירת מבנים. המגוון העצום הזה של גרסאות אורגניות שיכולות להתקיים נובע מהסיטואציה המיוחסת שמספק אטום הפחמן, באמצע התקופה השנייה.

לאטום הפחמן יש ארבעה אלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה. בזכות האלקטרוניטיביות בינונית, הוא מסוגל ליצור קשרים עם אטומי פחמן אחרים, ליצור שרשראות בעלי צורה ואורך שונים, פתוחים או סגורים, עם קשרים יחידים, כפולים או משולשים בפנים.

באותה דרך, האלקטרונגטיביות הממוצעת של אטום הפחמן מאפשרת לו ליצור קשרים עם אטומים אחרים השונים מפחמן, כמו אלקטרופוזיטיביים (מימן) או אלקטרונגטיביים (חמצן, חנקן, גופרית, בין היתר).

מאפיין זה של קשר מאפשר לקבוע סיווג לפחמימות ביסודיות, משניות, שלישוניות או רביעיות, תלוי במספר הפחמן שאליו הוא מקושר. מערכת סיווג זו אינה תלויה במספר הערכיות המעורבות בקישור.

סיווג ופונקציות

מולקולות אורגניות מסווגות לארבע קבוצות גדולות: חלבונים, פחמימות, ליפידים וחומצות גרעין. נתאר אותם בפירוט בהמשך:

חלבונים

חלבונים הם קבוצת המולקולות האורגניות המוגדרות והמאופיינות ביותר על ידי ביולוגים. ידע נרחב זה נובע בעיקר מהקלות המהותית שקיימת כדי להיות מבודדת ומאופיינת - בהשוואה לשאר שלושת המולקולות האורגניות.

חלבונים ממלאים מספר תפקידים ביולוגיים רחבים במיוחד. הם יכולים לשמש כמולקולות נשאות, מבניות ואפילו קטליטיות. קבוצה אחרונה זו מורכבת מאנזימים.

אבני בניין: חומצות אמינו

אבני הבניין של חלבונים הם חומצות אמינו. בטבע אנו מוצאים 20 סוגים של חומצות אמינו, שלכל אחד מהם התכונות הפיזיקו-כימיות המוגדרות היטב.

מולקולות אלה מסווגות כחומצות אלפא-אמיניות, מכיוון שיש להן קבוצת אמינו ראשונית וקבוצת חומצות קרבוקסיליות כתחליף לאותו אטום פחמן. החריג היחיד לכלל זה הוא חומצת האמינו פרולין, המסווגת כחומצה אלפא-אימינו עקב נוכחותה של קבוצת אמינו משנית.

על מנת ליצור חלבונים, "אבני הבניין" הללו חייבות לבצע פילמור, והם עושים זאת על ידי יצירת קשר לפפטיד. היווצרות שרשרת חלבון כוללת הסרת מולקולת מים אחת לכל קשר לפפטיד. קשר זה מיוצג כ CO-NH.

בנוסף להיותם חלק מחלבונים, חלק מחומצות האמינו נחשבות למטבוליטים אנרגיים ורבים מהם הם יסודות תזונתיים חיוניים.

מאפיינים של חומצות אמינו

לכל חומצה אמינית יש את המסה שלה והמראה הממוצע שלה בחלבונים. בנוסף, לכל אחד מהם ערך pK של הקבוצות החומצות אלפא-קרבוקסיליות, אלפא-אמינו וקבוצות צדדיות.

ערכי ה- pK בקבוצות החומצות הקרבוקסיליות הם סביב 2.2; בעוד שקבוצות האלפא-אמינו מציגות ערכי pK קרוב ל 9.4. מאפיין זה מוביל למאפיין מבני טיפוסי של חומצות אמינו: ב- pH פיזיולוגי שתי הקבוצות הן בצורת יונים.

כאשר מולקולה נושאת קבוצות טעונות של קוטביות הפוכות, הם נקראים זוויטרונים או זוויטרונים. לכן, חומצה אמינית יכולה לפעול כחומצה או כבסיס.

לרוב חומצות האלפא-אמינו יש נקודות התכה קרוב ל -300 מעלות צלזיוס. הם מתמוססים ביתר קלות בסביבות קוטביות, בהשוואה למסיסות שלהם בממסים לא קוטביים. רובם מסיסים במים.

מבנה חלבונים

על מנת לציין את תפקודו של חלבון מסוים, יש לקבוע את המבנה שלו, כלומר את הקשר התלת ממדי שקיים בין האטומים המרכיבים את החלבון המדובר. לגבי חלבונים נקבעו ארבע רמות ארגון של מבנהן:

מבנה ראשוני : מתייחס לרצף חומצות האמינו המרכיבות את החלבון, למעט כל קונפורמציה שרשתות הצד שלה עשויות לנקוט.

מבנה משני : הוא נוצר על ידי הסידור המרחבי המקומי של אטומי השלד. שוב, לא מובאים בחשבון קונפורמציה של שרשראות הצד.

מבנה שלישוני : מתייחס למבנה התלת ממדי של החלבון כולו. למרות שזה עשוי להיות קשה לבסס חלוקה ברורה בין המבנה השלישוני והמשני, התאמות מוגדרות (כגון נוכחות של מסוקים, יריעות מקופלות ופיתולים) משמשות לייעוד מבנים משניים באופן בלעדי.

מבנה ריבועי : חל על אותם חלבונים המורכבים ממספר יחידות משנה. כלומר, על ידי שתי שרשרות פוליפפטיד בודדות או יותר. יחידות אלה יכולות ליצור אינטראקציה דרך כוחות קוולנטיים, או באמצעות קשרים דיסולפידים. הסידור המרחבי של יחידות המשנה קובע את המבנה הרבעוני.

פחמימות

פחמימות, פחמימות או סכרידים (מהשורשים היוונים סאצ'רון, שפירושו סוכר) הם המעמד השופע ביותר של מולקולות אורגניות על פני כדור הארץ כולו.

ניתן להסיק את המבנה שלהם מהשם שלהם "פחמימות", שכן הם מולקולות עם הנוסחה (CH ₂ O) _n , שבו n גדול מ 3.

תפקידי הפחמימות מגוונים. אחד העיקרים שבהם הוא מהסוג המבני, בעיקר בצמחים. בממלכת הצומח תאית היא החומר המבני העיקרי שלה, שתואם 80% ממשקלו היבש של הגוף.

פונקציה רלוונטית נוספת היא תפקידו האנרגטי. פוליסכרידים, כמו עמילן וגליקוגן, מייצגים מקורות חשובים בחנויות התזונה.

מִיוּן

היחידות הבסיסיות של הפחמימות הן מונוסכרידים או סוכרים פשוטים. אלה נגזרים מאלדהידים או קטונים משרשראות ישרים ואלכוהולים רב-מימדיים.

הם מסווגים על פי האופי הכימי של קבוצת הפחמן שלהם לאלדוזות וקטוזות. הם מסווגים גם על פי מספר הפחמימות.

מונוסכרידים מקבצים יחד ויוצרים אוליגוסכרידים, הנמצאים לעתים קרובות בשילוב עם סוגים אחרים של מולקולות אורגניות כמו חלבונים וליפידים. אלה מסווגים כהומופוליסכרידים או הטרופוליסכרידים, תלוי אם הם מורכבים מאותם מונוסכרידים (המקרה הראשון) או שהם שונים.

בנוסף, הם מסווגים גם לפי אופיו של המונוסכריד המרכיב אותם. פולימרים גלוקוזיים נקראים גלוקנים, אלה העשויים מגלקטוז נקראים גלקטנים וכן הלאה.

לפוליסכרידים יש את המוזרות של היווצרות שרשראות ישרות ומסועפות, מכיוון שניתן ליצור קשרים גליקוזידיים עם כל אחת מקבוצות ההידרוקסיל המצויות במונוסכריד.

כאשר משויכים מספר רב יותר של יחידות מונוסכרידים, אנו מדברים על פוליסכרידים.

שומנים

ליפידים (מהליפוס היווני שמשמעותו שומן) הם מולקולות אורגניות שאינן מסיסות במים ומסיסות בממסים אורגניים, כמו כלורופורם. אלה מהווים שומנים, שמנים, ויטמינים, הורמונים וממברנות ביולוגיות.

מִיוּן

חומצות שומן : מדובר בחומצות קרבוקסיליות בעלות שרשראות הנוצרות על ידי פחמימנים באורך ניכר. מבחינה פיזיולוגית נדיר למצוא אותם חופשיים, מכיוון שברוב המקרים הם מועתרים.

אצל בעלי חיים וצמחים אנו מוצאים אותם לעיתים קרובות בצורתם הבלתי רוויה (ויוצרים קשרים כפולים בין הפחמימות), ובלתי רוויים (עם שני קשרים כפולים או יותר).

Triacylglycerols : נקראים גם טריגליצרידים או שומנים ניטרליים, הם מהווים את מרבית השומנים והשמנים הקיימים בבעלי חיים וצמחים. תפקידו העיקרי הוא לאגור אנרגיה בבעלי חיים. אלה יש תאים מיוחדים לאחסון.

הם מסווגים לפי זהות ומיקום שאריות חומצות השומן. באופן כללי, שמנים צמחיים נוזלים בטמפרטורת החדר ועשירים יותר בשאריות חומצות שומן עם קשר כפול ומשולש בין הפחמימות שלהם.

לעומת זאת, שומנים מן החי מוצקים בטמפרטורת החדר ומספר הפחמימות הבלתי רוויות נמוך.

גליצרופוספוליפידים : המכונים גם פוספוגליצרידים, הם המרכיבים העיקריים של ממברנות השומנים.

לגליצרופוספוליפידים יש "זנב" בעל מאפיינים אפולאריים או הידרופוביים, ו"ראש "קוטבי או הידרופילי. מבנים אלה מקובצים בשכבה דו-צדדית, כאשר הזנבות מכוונים פנימה, ליצירת הממברנות. באלה מוטבעות סדרת חלבונים.

ספינגוליפידים : הם ליפידים שנמצאים בכמויות נמוכות מאוד. הם גם חלק מהקרומים ומקורם בספינגוזין, דיהידרוספינגוזין והומולוגים שלהם.

כולסטרול : אצל בעלי חיים זהו מרכיב דומיננטי בקרומים, שמשנה את תכונותיהם, כמו נזילותם. הוא ממוקם גם בקרומי האיברונים התאיים. זהו מבשר חשוב של הורמוני סטרואידים, הקשורים להתפתחות מינית.

חומצות גרעין

חומצות גרעין הן DNA והסוגים השונים של RNA שקיימים. ה- DNA אחראי לאחסון כל המידע הגנטי המאפשר התפתחות, צמיחה ותחזוקה של אורגניזמים חיים.

RNA, מצדו, משתתף במעבר מידע גנטי המקודד ב- DNA למולקולות חלבון. באופן קלאסי, שלושה סוגים של RNA נבדלים: מסר, העברה וריבוזומל. עם זאת, ישנם מספר RNAs קטנים שיש להם פונקציות רגולטוריות.

אבני בניין: נוקלאוטידים

אבני הבניין של חומצות גרעין, DNA ו- RNA, הם נוקלאוטידים. מבחינה כימית מדובר באסטרים פוספטיים של פנטוזות, בהם מחובר בסיס חנקני לפחמן הראשון. אנו יכולים להבחין בין ריבונוקליאוטידים לדוקסיריאבונוקליאוטידים.

מולקולות אלה הן שטוחות, ארומטיות והטרוציקליות. כאשר קבוצת הפוספט נעדרת, שם הנוקלאוטיד שונה לשינוי נוקלאוזיד.

בנוסף לתפקידם כמונומרים בחומצות גרעין, מולקולות אלה נמצאות בכל מקום ביולוגית ומשתתפות במספר משמעותי של תהליכים.

נוקלאוזיד טריפוספטים הם מוצרים עשירים באנרגיה, כמו ATP ומשמשים כמטבע האנרגיה של תגובות סלולריות. הם מהווים מרכיב חשוב בקואנזימים NAD ⁺ , NADP ⁺ , FMN, FAD וקואנזים A. לבסוף, הם מרכיבים רגולטוריים של מסלולי מטבוליות שונים.

דוגמאות

יש אינספור דוגמאות למולקולות אורגניות. להלן הבולט והנחקר ביותר על ידי ביוכימאים:

הֵמוֹגלוֹבִּין

המוגלובין, הפיגמנט האדום בדם, הוא אחת הדוגמאות הקלאסיות לחלבונים. בזכות הדיפוזיה הרחבה והבידוד הקל שלו, הוא היה חלבון שנחקר מאז ימי קדם.

זהו חלבון המורכב מארבע יחידות משנה, וזו הסיבה שהוא נופל תחת המיון הטטרי, עם שתי אלפא ושתי יחידות בטא. יחידות המוגלובין קשורות לחלבון קטן האחראי לספיגת החמצן בשריר: מיוגלובין.

קבוצת ההם היא נגזרת של פורפירין. זה מאפיין את המוגלובין והיא אותה קבוצה שנמצאת בציטוכרומים. קבוצת ההאם אחראית על צבעו האדום האופייני של הדם והוא האזור הפיזי בו כל מונומר גלובין נקשר עם חמצן.

תפקידו העיקרי של חלבון זה הוא הובלת חמצן מהאיבר האחראי על חילופי הגזים - קראו לו ריאות, זימים או עור - לנימים, שישמשו בהנשמה.

תָאִית

תאית היא פולימר ליניארי המורכב מיחידות תת-גלוקוז, המקושרות באמצעות קשרים מסוג בטא 1,4. כמו רוב הפוליסכרידים, אין להם גודל מקסימלי מוגבל. עם זאת, בממוצע יש להם כ 15,000 שאריות גלוקוז.

זהו המרכיב של דפנות התא של צמחים. בזכות התאית, אלה הם קשיחים ומאפשרים לעמוד בלחץ אוסמוטי. באופן דומה, בצמחים גדולים יותר, כמו עצים, תאית מספקת תמיכה ויציבות.

למרות שזה בעיקר קשור לירקות, ישנם בעלי חיים המכונים טוניקאטים תאית במבנה שלהם.

ההערכה היא כי בממוצע 10 ¹⁵ קילוגרם של תאית מסונתזות ומושפלות בשנה.

ממברנות ביולוגיות

ממברנות ביולוגיות מורכבות בעיקר משתי מולקולות ביומולקולות, שומנים וחלבונים. התצורה המרחבית של הליפידים היא בצורת דו שכבתי, כאשר הזנבות ההידרופוביים מכוונים פנימה, והראשים ההידרופיליים מכוונים כלפי חוץ.

הממברנה היא ישות דינמית ורכיביה חווים תנועות תכופות.

הפניות

1. Aracil, CB, Rodríguez, MP, Magraner, JP, and Pérez, RS (2011). יסודות הביוכימיה. אוניברסיטת ולנסיה.
2. באטנר אריאס, א '(2014). קומפנדיום של אנזימולוגיה. מהדורות אוניברסיטת סלמנקה.
3. ברג, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). בִּיוֹכִימִיָה. התהפכתי.
4. Devlin, TM (2004). ביוכימיה: ספר לימוד עם יישומים קליניים. התהפכתי.
5. דיאז, איי פי, ופנה, א (1988). בִּיוֹכִימִיָה. לימוזה עריכה.
6. Macarulla, JM, & Goñi, FM (1994). ביוכימיה אנושית: קורס בסיסי. התהפכתי.
7. מולר - אסתרל, וו. (2008). בִּיוֹכִימִיָה. יסודות רפואה ומדעי החיים. התהפכתי.
8. Teijón, JM (2006). יסודות הביוכימיה המבנית. טבר עורך.