Biokemia: määritelmä, biomolekyylit ja solun kemialliset prosessit

Biokemia: perusteellinen opas biomolekyyleihin, entsyymeihin, proteiineihin, nukleiinihappoihin ja solun kemiallisiin prosesseihin — ymmärrä aineenvaihdunta ja energiansaanti.

Biokemia tutkii elävien organismien kemiallisia perusteita: kemiallisten reaktioiden mekanismeja, biologisten molekyylien rakennetta ja funktiota sekä reaktioiden säätelyä soluissa. Biokemia on keskeinen osa solubiologian ja fysiologian ymmärtämistä, koska se kertoo, miten elintoiminnot syntyvät molekyylitasolla.

Mitkä kuuluvat biokemian tutkimuskohteisiin?

Biokemian tärkeimpiin kohteisiin kuuluvat erilaiset biomolekyylit ja niiden vuorovaikutukset. Keskeisiä esimerkkejä ovat:

• entsyymit – biologiset katalyytit, jotka nopeuttavat reaktioita ja säätelevät aineenvaihduntaa;
• nukleiinihapot – DNA ja RNA, jotka kantavat geneettistä informaatiota ja ohjaavat proteiinisynteesiä;
• hiilihydraatit ja sokerit – energianlähteitä, rakenneosia ja solupintojen tunnistusmolekyylejä;
• proteiinit – monikäyttöisiä molekyylejä, jotka toimivat entsyymeinä, rakenteina, kuljettajina ja signaalivälittäjinä;
• lipidit – solukalvojen rakennusosia sekä energian varastoja ja signaalimolekyylejä.

Polymeerit ja pienemmät rakennusosat

Monet biologiset makromolekyylit ovat polymeerejä, jotka muodostuvat toistuvista yksiköistä eli monomeereistä. Esimerkiksi proteiinit rakentuvat aminohapoista, nukleiinihapot nukleotideista ja polysakkaridit monosakkarideista. Lipidit sen sijaan eivät aina muodosta lineaarisia polymeerejä, mutta ne järjestäytyvät membraaneiksi ja erikoisiksi kompleksiyhdisteiksi.

Solun kemialliset prosessit: aineenvaihdunta ja energia

Solun aineenvaihdunta (metabolia) koostuu katabolisista reaktioista, jotka hajottavat ravintoa ja tuottavat energiaa, sekä anabolisista reaktioista, jotka rakentavat solun komponentteja. Energian välittäjänä toimii usein ATP, ja reaktioiden elektroninsiirroissa keskeisiä ovat redox-prosessit. Biokemia selittää myös, miten ravinnon kemiallinen energia muunnetaan solun käyttöön ja miten välituotteet kulkevat reaktoreittain reaktioketjuissa (esim. glykolyysi, sitruunahappokierto, oksidatiivinen fosforylaatio).

Entsyymien rooli ja säätely

Entsyymit alentavat reaktion aktivaatioenergiaa ja tekevät biokemiallisista reaktioista nopeasti tapahtuvia ja spesifisiä. Niiden toiminta riippuu aktiivisen kohdan rakenteesta, kofaktoreista (esim. metalli-ioneista tai koentsyymistä) sekä olosuhteista kuten pH:sta ja lämpötilasta. Solu säätelee entsyymiaktiivisuutta mm. allosteerisella säätelyllä, palautteen kautta tapahtuvalla inhibitiolla ja post-translationaalisilla muutoksilla (fosforylaatio ym.). Lääkkeet ja myrkyt voivat vaikuttaa entsyymeihin estämällä tai aktivoimalla niitä.

Tutkimusmenetelmät ja sovellukset

Biokemia käyttää monipuolisia menetelmiä biomolekyylien erotteluun, tunnistukseen ja rakenteen selvittämiseen: kromatografia, elektroforeesi, massaspektrometria, NMR- ja röntgenkristallografia sekä erilaiset spektroskopian muodot. Moderni biokemia yhdistyy molekyylibiologiaan ja bioteknologiaan, ja sen sovelluksia ovat mm. lääkekehitys, diagnoositestit, geenitekniikka, teollinen entsyymituotanto ja kasvien sekä eläinten paranneltu tuotanto. Biokemian ymmärrys on myös ratkaisevaa sairauksien mekanismien, kuten metabolisten häiriöiden ja syövän, tutkimuksessa.

Koulutus ja ammatti

Biokemiaa opiskellut tai opiskeleva henkilö voi erikoistua tutkimukseen, teollisuuteen, lääkekehitykseen tai opetukseen. Yleisesti käytetty nimike on biokemisti: Biokemiaa opiskelevaa henkilöä kutsutaan biokemistiksi.

Makromolekyylit

Biologisissa polymeereissä voi olla kymmenistä tuhansista kymmeniin miljooniin atomeihin tai enemmänkin. Nämä polymeerit koostuvat monista pienistä molekyyleistä, joissa kussakin on enintään viisikymmentä atomia. Nämä pienet molekyylit koostuvat lähes yksinomaan hiilestä, vedystä, hapesta ja typestä. Ne sisältävät myös rikkiä, fosforia ja muutamia muita atomeja, jotka ovat kriittisiä näiden polymeerien biologisen toiminnan kannalta.

Makromolekyylejä on neljää eri tyyppiä.

Nukleiinihapot

Nukleiinihapot ovat pitkäketjuisia molekyylejä, joita on kahdenlaisia: DNA ja RNA. Niiden rakennusaineita kutsutaan nukleotideiksi.

DNA:ta on jokaisessa solussa. Se sisältää tiedot, joita tarvitaan kaikkien nukleiinihappojen ja kaikkien proteiinien valmistamiseen. Se on yhdistetty kaksoiskierteeksi. Se on perinnöllisyyden aine, ja se sisältää tiedon, jota elämä siirtää sukupolvelta toiselle.

RNA:n tehtävänä on saada DNA:n sisältämä tieto toimimaan kehon soluissa. Tietyn proteiinin valmistamiseksi DNA:ssa oleva tieto siirretään RNA-molekyyliin. Toinen RNA-molekyyli käyttää tätä ohjeistuksena proteiinin valmistamiseksi. Proteiinia valmistavaa RNA:ta kutsutaan ribosomiksi, ja se toimii ribotsyyminä, joka lisää huomattavasti nopeutta, jolla yksittäiset aminohapot yhdistyvät toisiinsa proteiinin muodostamiseksi.

Proteiinit

Proteiinit ovat aminohappojen polymeerejä. Aminohappoja on kaksikymmentä eri tyyppiä.

Yleisesti ottaen proteiineilla on kahdenlaisia toimintoja. Ensimmäinen on rakenteellinen: ne muodostavat monia solujen ja kudosten keskeisiä rakenteita. Lihakset, hiukset ja iho koostuvat pääasiassa proteiineista. Toinen on toiminnallinen: entsyymeinä ne nopeuttavat huomattavasti elävän solun kemiallisia reaktioita. Kaikki soluelämä koostuu tuhannesta tai useammasta kemiallisesta reaktiosta, joita kutsutaan aineenvaihdunnaksi ja joissa syödyt molekyylit muutetaan energiaksi tai muiksi molekyyleiksi, joita solu tarvitsee selviytyäkseen. Proteiinien tehtävänä on nopeuttaa näitä reaktioita, usein yli miljoona kertaa nopeammin. Lisäksi ne saavat aikaan kemiallisia reaktioita, joita ei tapahtuisi ilman proteiinin vaikutusta.

Hiilihydraatit

Hiilihydraatteja ovat sokerit ja tärkkelys.

Sokerit ovat yksinkertaisimpia hiilihydraatteja. Monosakkaridit ovat "yksittäisiä sokereita", kuten glukoosi ja fruktoosi. Disakkaridit ovat kahta monosakkaridia, jotka on yhdistetty toisiinsa. Pöytäsokeri (ruokosokeri) on glukoosin ja fruktoosin disakkaridi. Polysakkaridit koostuvat monista monosakkarideista, jotka on yhdistetty toisiinsa. Valtaosa polysakkarideista on glukoosin polymeerejä, ja niitä on kahta tyyppiä: tärkkelystä ja selluloosaa. Tärkkelys on viljan, perunoiden, omenoiden ja leivän valkoista ainesta, ja se on elimistölle helposti saatavilla oleva energianlähde. Selluloosa on rakennemateriaali, josta kaikki kasvit koostuvat. Puolet puun valmistusmateriaalista on selluloosaa.

Hiilihydraateilla on elimistössä useita tehtäviä, mutta tärkein niistä on toimia solujen aineenvaihdunnan valmiina energianlähteenä. Hajottamalla hiilihydraattien kemialliset sidokset vapautuu energiaa, jonka elimistö voi käyttää.

Lipidit

Lipidejä ovat rasvat ja vahat. Tyydyttyneet lipidit sisältävät yksittäisiä sidoksia, ja niitä on voissa ja laardissa. Tyydyttymättömissä lipideissä on yksi tai useampi kaksoissidos, ja niitä esiintyy usein öljyissä. Ihmiskeho varastoi lipidejä energianlähteeksi. Kun elimistö tarvitsee suuren määrän energiaa, lipidimolekyylit hajotetaan energian vapauttamiseksi.

 

Nauhakaavio on yksi tapa, jolla biokemistit kuvaavat proteiinien muotoa. Tämä nauhadiagrammi on proteiinista hemoglobiini, joka on veren punainen aine. Se vastaa hapen kuljettamisesta.  


DNA, nukleiinihappo, koostuu kaksoiskierteestä.  

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on biokemia?

K: Miksi biokemia on tärkeää?

K: Millaisia molekyylejä biokemiassa tutkitaan?

K: Miten useimmat elimistön molekyylit rakentuvat?

K: Mitä biokemia tutkii?

K: Keneksi kutsutaan biokemiaa opiskellutta henkilöä?

Hae kirjaimella