BIOMOLECULEN: CLASSIFICATIE EN HOOFDFUNCTIES - BIOLOGIE - 2026

De biomoleculen zijn moleculen die worden gegenereerd in levende wezens. Het voorvoegsel "bio" betekent leven; daarom is een biomolecuul een molecuul dat door een levend wezen wordt geproduceerd. Levende wezens bestaan ​​uit verschillende soorten moleculen die verschillende functies vervullen die nodig zijn voor het leven.

In de natuur zijn er biotische (levende) en abiotische (niet-levende) systemen die op elkaar inwerken en in sommige gevallen elementen uitwisselen. Een kenmerk dat alle levende wezens gemeen hebben, is dat ze organisch zijn, wat betekent dat hun samenstellende moleculen uit koolstofatomen bestaan.

Biomoleculen hebben naast koolstof ook andere atomen gemeen. Deze atomen omvatten voornamelijk waterstof, zuurstof, stikstof, fosfor en zwavel. Deze elementen worden ook wel bio-elementen genoemd omdat ze het hoofdbestanddeel zijn van biologische moleculen.

Er zijn echter andere atomen die ook in sommige biomoleculen aanwezig zijn, zij het in kleinere hoeveelheden. Dit zijn over het algemeen metaalionen zoals onder andere kalium, natrium, ijzer en magnesium. Bijgevolg kunnen biomoleculen van twee soorten zijn: organisch of anorganisch.

Organismen bestaan ​​dus uit vele soorten koolstofgebaseerde moleculen, bijvoorbeeld suikers, vetten, eiwitten en nucleïnezuren. Er zijn echter andere verbindingen die ook op koolstof zijn gebaseerd en geen deel uitmaken van biomoleculen.

Deze koolstofhoudende moleculen die niet in biologische systemen voorkomen, zijn te vinden in de aardkorst, in meren, zeeën en oceanen en in de atmosfeer. De beweging van deze elementen in de natuur wordt beschreven in zogenaamde biogeochemische cycli.

Aangenomen wordt dat deze eenvoudige organische moleculen die in de natuur worden gevonden, de aanleiding waren voor de meest complexe biomoleculen die deel uitmaken van de fundamentele structuur van het leven: de cel. Dit is wat bekend staat als de theorie van abiotische synthese.

Classificatie en functies van biomoleculen

Biomoleculen zijn divers in grootte en structuur, waardoor ze unieke kenmerken hebben voor de uitvoering van de verschillende functies die nodig zijn voor het leven. Biomoleculen fungeren dus onder andere als informatieopslag, energiebron, ondersteuning, cellulair metabolisme.

Biomoleculen kunnen worden ingedeeld in twee grote groepen, op basis van de aan- of afwezigheid van koolstofatomen.

Anorganische biomoleculen

Het zijn al die moleculen die in levende wezens aanwezig zijn en die geen koolstof bevatten in hun moleculaire structuur. Anorganische moleculen komen ook voor in andere (niet-levende) systemen in de natuur.

De soorten anorganische biomoleculen zijn als volgt:

Water

Het is de belangrijkste en fundamentele component van levende wezens, het is een molecuul dat wordt gevormd door een zuurstofatoom dat is gekoppeld aan twee waterstofatomen. Water is essentieel voor het bestaan ​​van leven en is het meest voorkomende biomolecuul.

Tussen de 50 en 95% van het gewicht van een levend wezen is water, aangezien het nodig is om verschillende belangrijke functies uit te voeren, zoals thermische regulering en het transport van stoffen.

Minerale zouten

Het zijn eenvoudige moleculen die bestaan ​​uit tegengesteld geladen atomen die zich volledig in water scheiden. Bijvoorbeeld: natriumchloride, bestaande uit een chlooratoom (negatief geladen) en een natriumatoom (positief geladen).

Minerale zouten nemen deel aan de vorming van starre structuren, zoals de botten van gewervelde dieren of het exoskelet van ongewervelde dieren. Deze anorganische biomoleculen zijn ook nodig om veel belangrijke cellulaire functies uit te voeren.

Gassen

Het zijn moleculen die in de vorm van gas zijn. Ze zijn essentieel voor de ademhaling van dieren en fotosynthese in planten.

Voorbeelden van deze gassen zijn: moleculaire zuurstof, bestaande uit twee aan elkaar gebonden zuurstofatomen; en kooldioxide, bestaande uit een koolstofatoom gebonden aan twee zuurstofatomen. Beide biomoleculen nemen deel aan de gasuitwisseling die levende wezens met hun omgeving uitvoeren.

Organische biomoleculen

Organische biomoleculen zijn die moleculen die koolstofatomen in hun structuur bevatten. Organische moleculen zijn ook verspreid in de natuur te vinden als onderdeel van niet-levende systemen, en ze vormen de zogenaamde biomassa.

De soorten organische biomoleculen zijn de volgende:

Koolhydraten

Koolhydraten zijn waarschijnlijk de meest voorkomende en wijdverbreide organische stoffen in de natuur, en ze zijn essentiële componenten van alle levende wezens.

Koolhydraten worden door groene planten geproduceerd uit kooldioxide en water tijdens het fotosyntheseproces.

Deze biomoleculen bestaan ​​voornamelijk uit koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen. Ze staan ​​ook bekend als koolhydraten of sachariden en ze fungeren als energiebronnen en als structurele componenten van organismen.

- Monosacchariden

Monosacchariden zijn de eenvoudigste koolhydraten en worden vaak eenvoudige suikers genoemd. Het zijn de elementaire bouwstenen waaruit alle grootste koolhydraten worden gevormd.

Monosacchariden hebben de algemene molecuulformule (CH2O) n, waarbij n 3, 5 of 6 kan zijn. Monosacchariden kunnen dus worden geclassificeerd op basis van het aantal koolstofatomen dat in het molecuul aanwezig is:

Als n = 3, is het molecuul een triose. Bijvoorbeeld: glyceraldehyde.

Als n = 5, is het molecuul een pentose. Bijvoorbeeld: ribose en deoxyribose.

Als n = 6, is het molecuul een hexose. Bijvoorbeeld: fructose, glucose en galactose.

Pentosen en hexosen kunnen in twee vormen voorkomen: cyclisch en niet-cyclisch. In de niet-cyclische vorm vertonen de moleculaire structuren twee functionele groepen: een aldehydegroep of een ketongroep.

Monosacchariden die de aldehydegroep bevatten, worden aldosen genoemd, en die met een ketongroep worden ketosen genoemd. Aldoses zijn reducerende suikers, terwijl ketosen niet-reducerende suikers zijn.

In water komen pentosen en hexosen echter voornamelijk voor in cyclische vorm, en het is in deze vorm dat ze combineren om grotere saccharidemoleculen te vormen.

- Disachariden

De meeste suikers die in de natuur worden aangetroffen, zijn disachariden. Deze worden gevormd door de vorming van een glycosidebinding tussen twee monosacchariden, door een condensatiereactie waarbij water vrijkomt. Dit proces van bindingsvorming vereist energie om de twee monosaccharide-eenheden bij elkaar te houden.

De drie belangrijkste disachariden zijn sucrose, lactose en maltose. Ze worden gevormd door de condensatie van de juiste monosacchariden. Sucrose is een niet-reducerende suiker, terwijl lactose en maltose reducerende suikers zijn.

Disachariden zijn oplosbaar in water, maar het zijn biomoleculen die te groot zijn om door diffusie het celmembraan te passeren. Om deze reden worden ze tijdens de spijsvertering in de dunne darm afgebroken, zodat hun essentiële componenten (dwz monosacchariden) in het bloed en andere cellen terechtkomen.

Monosacchariden worden door cellen zeer snel gebruikt. Als een cel echter geen energie nodig heeft, kan deze deze direct opslaan in de vorm van complexere polymeren. Monosacchariden worden dus omgezet in disacchariden door condensatiereacties die in de cel plaatsvinden.

- Oligosacchariden

Oligosacchariden zijn tussenliggende moleculen die bestaan ​​uit drie tot negen enkelvoudige suikereenheden (monosacchariden). Ze worden gevormd door meer complexe koolhydraten (polysacchariden) gedeeltelijk af te breken.

De meeste van nature voorkomende oligosacchariden worden in planten aangetroffen en zijn, met uitzondering van maltotriose, onverteerbaar voor mensen omdat het menselijk lichaam de noodzakelijke enzymen in de dunne darm mist om ze af te breken.

In de dikke darm kunnen gunstige bacteriën oligosacchariden afbreken door fermentatie; zo worden ze omgezet in opneembare voedingsstoffen die wat energie leveren. Bepaalde afbraakproducten van oligosacchariden kunnen een gunstig effect hebben op het slijmvlies van de dikke darm.

Voorbeelden van oligosacchariden zijn onder meer raffinose, een trisaccharide van peulvruchten en sommige granen die zijn samengesteld uit glucose, fructose en galactose. Maltotriose, een glucosetrisaccharide, komt voor in sommige planten en in het bloed van bepaalde geleedpotigen.

- Polysacchariden

Monosacchariden kunnen een reeks condensatiereacties ondergaan, waarbij de ene eenheid na de andere aan de ketting wordt toegevoegd totdat er zeer grote moleculen zijn gevormd. Dit zijn de polysacchariden.

De eigenschappen van polysacchariden zijn afhankelijk van verschillende factoren van hun moleculaire structuur: lengte, zijtakken, vouwen en of de ketting "recht" of "opgerold" is. Er zijn verschillende voorbeelden van polysacchariden in de natuur.

Zetmeel wordt vaak in planten geproduceerd als een manier om energie op te slaan, en het bestaat uit α-glucosepolymeren. Als het polymeer vertakt is, wordt het amylopectine genoemd, en als het niet vertakt is, wordt het amylose genoemd.

Glycogeen is de energiereserve polysaccharide bij dieren en bestaat uit amylopectines. Zo wordt het zetmeel van planten in het lichaam afgebroken om glucose te produceren, dat de cel binnenkomt en wordt gebruikt bij het metabolisme. Glucose die niet wordt gebruikt, polymeriseert en vormt glycogeen, de energieopslag.

Lipiden

Lipiden zijn een ander type organische biomoleculen waarvan het belangrijkste kenmerk is dat ze hydrofoob zijn (ze stoten water af) en bijgevolg zijn ze onoplosbaar in water. Afhankelijk van hun structuur kunnen lipiden worden onderverdeeld in 4 hoofdgroepen:

- Triglyceriden

Triglyceriden bestaan ​​uit een glycerolmolecuul dat is bevestigd aan drie ketens van vetzuren. Een vetzuur is een lineair molecuul dat aan het ene uiteinde een carbonzuur bevat, gevolgd door een koolwaterstofketen en een methylgroep aan het andere uiteinde.

Afhankelijk van hun structuur kunnen vetzuren verzadigd of onverzadigd zijn. Als de koolwaterstofketen alleen enkele bindingen bevat, is het een verzadigd vetzuur. Omgekeerd, als deze koolwaterstofketen een of meer dubbele bindingen heeft, is het vetzuur onverzadigd.

Binnen deze categorie vallen oliën en vetten. De eerste zijn de energiereserve van planten, ze hebben onverzadigingen en zijn vloeibaar bij kamertemperatuur. Vetten daarentegen zijn de energiereserves van dieren, het zijn verzadigde en vaste moleculen bij kamertemperatuur.

Fosfolipiden

Fosfolipiden lijken op triglyceriden doordat ze een glycerolmolecuul hebben dat aan twee vetzuren is gehecht. Het verschil is dat fosfolipiden een fosfaatgroep hebben op de derde koolstof van glycerol, in plaats van een ander vetzuurmolecuul.

Deze lipiden zijn erg belangrijk vanwege de manier waarop ze met water kunnen omgaan. Door aan het ene uiteinde een fosfaatgroep te hebben, wordt het molecuul hydrofiel (trekt water aan) in dat gebied. Het is echter nog steeds hydrofoob in de rest van het molecuul.

Door hun structuur hebben fosfolipiden de neiging om zichzelf zo te organiseren dat de fosfaatgroepen beschikbaar zijn voor interactie met het waterige medium, terwijl de hydrofobe ketens die ze binnenin organiseren zich ver van het water bevinden. Fosfolipiden maken dus deel uit van alle biologische membranen.

- Steroïden

Steroïden bestaan ​​uit vier gefuseerde koolstofringen, waaraan verschillende functionele groepen zijn bevestigd. Een van de belangrijkste is cholesterol, aangezien het essentieel is voor levende wezens. Het is de voorloper van enkele belangrijke hormonen, zoals oestrogeen, testosteron en cortison.

- Wassen

Wassen zijn een kleine groep lipiden die een beschermende functie hebben. Ze worden aangetroffen in de bladeren van bomen, in de veren van vogels, in de oren van sommige zoogdieren en op plaatsen die geïsoleerd of beschermd moeten worden tegen de externe omgeving.

Nucleïnezuren

Nucleïnezuren zijn de belangrijkste transporterende moleculen van genetische informatie in levende wezens. De belangrijkste functie is om het proces van eiwitsynthese te sturen, dat de erfelijke eigenschappen van elk levend wezen bepaalt. Ze zijn samengesteld uit koolstofatomen, waterstof, zuurstof, stikstof en fosfor.

Nucleïnezuren zijn polymeren die zijn opgebouwd uit herhalingen van monomeren, nucleotiden genaamd. Elke nucleotide bestaat uit een stikstofhoudende aromatische base die is bevestigd aan een pentosesuiker (vijf koolstofatomen), die op zijn beurt is bevestigd aan een fosfaatgroep.

De twee belangrijkste klassen van nucleïnezuren zijn deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). DNA is het molecuul dat alle informatie van een soort bevat, daarom is het aanwezig in alle levende wezens en in de meeste virussen.

RNA is het genetisch materiaal van bepaalde virussen, maar het wordt ook in alle levende cellen aangetroffen. Daar vervult het belangrijke functies in bepaalde processen, zoals de aanmaak van eiwitten.

Elk nucleïnezuur bevat vier van de vijf mogelijke stikstofhoudende basen: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T) en uracil (U). DNA heeft de basen adenine, guanine, cytosine en thymine, terwijl RNA dezelfde basen heeft behalve thymine, dat in RNA wordt vervangen door uracil.

- Deoxyribonucleïnezuur (DNA)

Het DNA-molecuul bestaat uit twee ketens van nucleotiden die zijn verbonden door bindingen die fosfodiësterbindingen worden genoemd. Elke ketting heeft een helixvormige structuur. De twee helixen verstrengelen zich om een ​​dubbele helix te geven. De bases zitten aan de binnenkant van de helix en de fosfaatgroepen aan de buitenkant.

DNA bestaat uit een fosfaatgebonden deoxyribosesuikerruggengraat en de vier stikstofhoudende basen: adenine, guanine, cytosine en thymine. Basenparen worden gevormd in dubbelstrengs DNA: adenine bindt altijd aan thymine (AT) en guanine aan cytosine (GC).

De twee helices worden bij elkaar gehouden door de nucleotidebasen te paren door waterstofbinding. De structuur wordt soms beschreven als een ladder waarbij de suiker- en fosfaatketens de zijkanten zijn en de basis-basisverbindingen de sporten.

Deze structuur, samen met de chemische stabiliteit van het molecuul, maakt van DNA het ideale materiaal om genetische informatie over te brengen. Wanneer een cel zich deelt, wordt zijn DNA gekopieerd en van de ene generatie cellen naar de volgende generatie doorgegeven.

- Ribonucleïnezuur (RNA)

RNA is een nucleïnezuurpolymeer waarvan de structuur bestaat uit een enkele nucleotideketen: adenine, cytosine, guanine en uracil. Net als bij DNA bindt cytosine altijd aan guanine (CG), maar adenine aan uracil (AU).

Het is de eerste tussenpersoon bij de overdracht van genetische informatie in cellen. RNA is essentieel voor eiwitsynthese, aangezien de informatie in de genetische code over het algemeen wordt overgedragen van DNA naar RNA en van daaruit naar eiwitten.

Sommige RNA's hebben ook directe functies in het celmetabolisme. RNA wordt verkregen door de basesequentie van een DNA-segment dat een gen wordt genoemd, te kopiëren naar een deel van enkelstrengs nucleïnezuur. Dit proces, transcriptie genaamd, wordt gekatalyseerd door een enzym dat RNA-polymerase wordt genoemd.

Er zijn verschillende soorten RNA, voornamelijk 3. De eerste is boodschapper-RNA, dat rechtstreeks uit het DNA wordt gekopieerd door middel van transcriptie. Het tweede type is transfer-RNA, dat de juiste aminozuren voor eiwitsynthese overbrengt.

Ten slotte is de andere klasse van RNA ribosomaal RNA dat, samen met sommige eiwitten, ribosomen vormt, cellulaire organellen die verantwoordelijk zijn voor de synthese van alle eiwitten in de cel.

Eiwit

Eiwitten zijn grote, complexe moleculen die veel belangrijke functies vervullen en het meeste werk in cellen doen. Ze zijn nodig voor de structuur, functie en regulering van levende wezens. Ze zijn opgebouwd uit koolstof-, waterstof-, zuurstof- en stikstofatomen.

Eiwitten bestaan ​​uit kleinere eenheden, aminozuren genaamd, die met elkaar verbonden zijn door peptidebindingen en lange ketens vormen. Aminozuren zijn kleine organische moleculen met zeer bijzondere fysisch-chemische eigenschappen, er zijn 20 verschillende soorten.

De aminozuursequentie bepaalt de unieke driedimensionale structuur van elk eiwit en zijn specifieke functie. In feite zijn de functies van individuele eiwitten net zo gevarieerd als hun unieke aminozuursequenties, die de interacties bepalen die complexe driedimensionale structuren genereren.

Diverse functies

Eiwitten kunnen structurele en bewegingscomponenten voor de cel zijn, zoals actine. Anderen werken door biochemische reacties in de cel te versnellen, zoals DNA-polymerase, het enzym dat DNA synthetiseert.

Er zijn andere eiwitten waarvan de functie is om een ​​belangrijke boodschap aan het lichaam over te brengen. Sommige soorten hormonen, zoals groeihormonen, zenden bijvoorbeeld signalen uit om biologische processen tussen verschillende cellen, weefsels en organen te coördineren.

Sommige eiwitten binden aan elkaar en dragen atomen (of kleine moleculen) in cellen; dat is het geval met ferritine, dat verantwoordelijk is voor de opslag van ijzer in sommige organismen. Een andere groep belangrijke eiwitten zijn antilichamen, die tot het immuunsysteem behoren en verantwoordelijk zijn voor het opsporen van gifstoffen en ziekteverwekkers.

Eiwitten zijn dus de eindproducten van het decoderingsproces van genetische informatie dat begint met cellulair DNA. Deze ongelooflijke verscheidenheid aan functies is afgeleid van verrassend eenvoudige code die een enorm diverse reeks structuren kan specificeren.

Referenties

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Moleculaire biologie van de cel (6e ed.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemie (8e ed.). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologie (2e ed.) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Moleculaire celbiologie (8e ed.). WH Freeman and Company.
5. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologie (7e ed.) Cengage Learning.
6. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (5e ed.). Wiley.