生体分子：分類と主な機能 - 生物学 - 2025

生体分子とは、生体内で発生する分子です。接頭辞「bio」は生命を意味します。したがって、生体分子は生物によって生成される分子です。生物は、生命に必要なさまざまな機能を果たすさまざまな種類の分子で構成されています。

自然界には、相互作用し、場合によっては要素を交換する生物（生きている）システムと非生物（非生きている）システムがあります。すべての生物に共通する特徴の1つは、有機物であることです。つまり、構成分子は炭素原子で構成されています。

生体分子には、炭素以外に他の共通の原子もあります。これらの原子には、主に水素、酸素、窒素、リン、硫黄が含まれます。これらの要素は生体分子の主成分であるため、生体要素とも呼ばれます。

しかし、少量ではあるが、いくつかの生体分子にも存在する他の原子があります。これらは一般的に、とりわけカリウム、ナトリウム、鉄、マグネシウムなどの金属イオンです。その結果、生体分子は、有機または無機の2つのタイプになります。

したがって、生物は多くの種類の炭素ベースの分子で構成されています。たとえば、糖、脂肪、タンパク質、核酸などです。ただし、炭素ベースで生体分子の一部ではない他の化合物もあります。

生物系には見られないこれらの炭素含有分子は、地球の地殻、湖、海、海、そして大気中に見られます。自然界におけるこれらの要素の動きは、生物地球化学的サイクルとして知られているもので説明されています。

自然に見られるこれらの単純な有機分子は、生命の基本構造の一部である最も複雑な生体分子、つまり細胞を生み出したものであると考えられています。これは、非生物的合成の理論として知られているものです。

生体分子の分類と機能

生体分子はサイズと構造が多様であり、生命に必要なさまざまな機能を実行するための独自の特性を備えています。したがって、生体分子は、とりわけ、情報ストレージ、エネルギー源、サポート、細胞代謝として機能します。

生体分子は、炭素原子の有無に基づいて、2つの大きなグループに分類できます。

無機生体分子

それらはすべて、生物に存在し、分子構造に炭素を含まない分子です。無機分子は、自然界の他の（非生物）系にも見られます。

無機生体分子の種類は次のとおりです。

水

それは生物の主成分であり、2つの水素原子に結合した酸素原子によって形成される分子です。水は生命の存在に不可欠であり、最も一般的な生体分子です。

温度調節や物質の輸送など、いくつかの重要な機能を実行する必要があるため、生物の重量の50〜95％は水です。

ミネラル塩

それらは、水中で完全に分離する反対に帯電した原子で構成される単純な分子です。例：塩素原子（負に帯電）とナトリウム原子（正に帯電）で構成される塩化ナトリウム。

ミネラル塩は、脊椎動物の骨や無脊椎動物の外骨格などの硬い構造の形成に関与します。これらの無機生体分子は、多くの重要な細胞機能を実行するためにも必要です。

ガス

それらは気体の形をした分子です。それらは動物の呼吸と植物の光合成に不可欠です。

これらのガスの例は次のとおりです。分子酸素。2つの酸素原子が結合して構成されています。2つの酸素原子に結合した炭素原子で構成される二酸化炭素。両方の生体分子は、生物が環境とともに実行するガス交換に参加します。

有機生体分子

有機生体分子は、構造内に炭素原子を含む分子です。有機分子は非生物システムの一部として自然界に分布していることもあり、バイオマスとして知られているものを構成しています。

有機生体分子の種類は次のとおりです。

炭水化物

炭水化物は、おそらく自然界で最も豊富で広範な有機物質であり、すべての生物の必須成分です。

炭水化物は、光合成プロセス中に二酸化炭素と水から緑の植物によって生成されます。

これらの生体分子は主に炭素、水素、酸素原子で構成されています。それらは炭水化物または糖類としても知られており、それらはエネルギー源および生物の構造成分として機能します。

-単糖類

単糖は最も単純な炭水化物であり、しばしば単糖と呼ばれます。それらは、すべての最大の炭水化物が形成される基本的な構成要素です。

単糖類は一般的な分子式（CH2O）nを持ちます。nは3、5、または6です。したがって、単糖類は分子内に存在する炭素原子の数に従って分類できます。

n = 3の場合、分子はトリオースです。例：グリセルアルデヒド。

n = 5の場合、分子はペントースです。例：リボースおよびデオキシリボース。

n = 6の場合、分子はヘキソースです。例：フルクトース、グルコース、ガラクトース。

ペントースとヘキソースは、環状と非環状の2つの形で存在します。非環状形態では、その分子構造は2つの官能基を示します。アルデヒド基またはケトン基です。

アルデヒド基を含む単糖はアルドースと呼ばれ、ケトン基を含む単糖はケトースと呼ばれます。アルドースは還元糖ですが、ケトースは非還元糖です。

しかし、水中ではペントースとヘキソースが主に環状の形で存在し、それらが結合してより大きな糖類分子を形成するのはこの形です。

-二糖類

自然界に見られるほとんどの糖は二糖類です。これらは、水を遊離させる縮合反応を介して、2つの単糖の間のグリコシド結合の形成によって形成されます。この結合形成プロセスには、2つの単糖ユニットを結合するためのエネルギーが必要です。

最も重要な3つの二糖類は、スクロース、ラクトース、およびマルトースです。それらは適切な単糖の縮合から形成されます。スクロースは非還元糖ですが、ラクトースとマルトースは還元糖です。

二糖類は水に溶けますが、拡散によって細胞膜を通過するには大きすぎる生体分子です。このため、消化中に小腸で分解され、必須成分（単糖類）が血液や他の細胞に流れ込みます。

単糖類は細胞によって非常に迅速に使用されます。しかしながら、細胞がエネルギーを必要としない場合、それはより複雑なポリマーの形ですぐにそれを蓄えることができます。したがって、単糖は、細胞内で発生する縮合反応によって二糖に変換されます。

-オリゴ糖

オリゴ糖は、3つから9つの単純な糖単位（単糖）で構成される中間分子です。それらは、より複雑な炭水化物（多糖類）を部分的に分解することによって形成されます。

ほとんどの天然に存在するオリゴ糖は植物に含まれており、マルトトリオースを除いて、人体は小腸でそれらを分解するために必要な酵素を欠いているため、人間は難消化性です。

大腸では、有益な細菌が発酵によってオリゴ糖を分解することができます。従ってそれらはあるエネルギーを提供する吸収可能な栄養素に変換されます。オリゴ糖の特定の分解産物は、大腸の内層に有益な効果をもたらす可能性があります。

オリゴ糖の例には、マメ科植物由来の三糖であるラフィノース、およびグルコース、フルクトース、およびガラクトースから構成されるいくつかのシリアルが含まれます。グルコース三糖であるマルトトリオースは、一部の植物や特定の節足動物の血液に存在します。

-多糖類

単糖類は一連の縮合反応を経て、非常に大きな分子が形成されるまで鎖に次々とユニットを追加します。これらは多糖類です。

多糖類の特性は、分子構造のいくつかの要因に依存します：長さ、側枝、折りたたみ、および鎖が「直線」であるか「コイル状」であるか。自然界には多糖類の例がいくつかあります。

デンプンは、エネルギーを蓄える方法として植物で生産されることが多く、α-グルコースポリマーで構成されています。ポリマーが分岐している場合はアミロペクチンと呼ばれ、分岐していない場合はアミロースと呼ばれます。

グリコーゲンは動物のエネルギー貯蔵多糖類であり、アミロペクチンで構成されています。したがって、植物のデンプンは体内で分解されてグルコースを生成し、グルコースは細胞に入り、代謝に使用されます。使われていないブドウ糖は、エネルギー貯蔵庫であるグリコーゲンを重合して形成します。

脂質

脂質は別のタイプの有機生体分子であり、その主な特徴は、疎水性（水をはじく）であり、その結果、水に不溶性であることです。それらの構造に応じて、脂質は4つの主要なグループに分類できます：

-トリグリセリド

トリグリセリドは、脂肪酸の3本の鎖に結合したグリセロール分子で構成されています。脂肪酸は、一方の端にカルボン酸が含まれ、もう一方の端に炭化水素鎖とメチル基が続く直鎖状分子です。

それらの構造に応じて、脂肪酸は飽和または不飽和であり得る。炭化水素鎖が単結合のみを含む場合、それは飽和脂肪酸です。逆に、この炭化水素鎖に1つ以上の二重結合がある場合、脂肪酸は不飽和です。

このカテゴリには、油脂があります。前者は植物のエネルギー貯蔵であり、不飽和であり、室温で液体です。対照的に、脂肪は動物のエネルギー貯蔵であり、室温では飽和した固体分子です。

リン脂質

リン脂質は、2つの脂肪酸にグリセロール分子が結合しているという点でトリグリセリドに似ています。違いは、リン脂質は別の脂肪酸分子ではなく、グリセロールの3番目の炭素にリン酸基を持っていることです。

これらの脂質は水との相互作用の仕方から非常に重要です。一端にリン酸基を持たせることで、その領域で分子が親水性（水を引き寄せ）になります。しかし、分子の残りの部分はまだ疎水性です。

それらの構造により、リン脂質は、リン酸基が水性媒体と相互作用するために利用できるようにそれら自体を組織化する傾向があり、それらが内部で組織化する疎水性鎖は水から遠く離れています。したがって、リン脂質はすべての生体膜の一部です。

-ステロイド

ステロイドは、異なる官能基が結合した4つの融合炭素環で構成されています。最も重要なものの1つはコレステロールであり、それは生物にとって不可欠です。特にエストロゲン、テストステロン、コルチゾンなどのいくつかの重要なホルモンの前駆体です。

-ワックス

ワックスは、保護機能を持つ脂質の小さなグループです。それらは、木の葉、鳥の羽、一部の哺乳類の耳、および外部環境から隔離または保護する必要のある場所にあります。

核酸

核酸は生物における遺伝情報の主要な輸送分子です。その主な機能は、各生物の遺伝特性を決定するタンパク質合成のプロセスを指示することです。それらは、炭素、水素、酸素、窒素、リンの原子で構成されています。

核酸は、ヌクレオチドと呼ばれるモノマーの繰り返しで構成されるポリマーです。各ヌクレオチドは、ペントース糖（5つの炭素）に結合した窒素含有芳香族塩基で構成されており、リン酸基に結合しています。

核酸の2つの主要なクラスは、デオキシリボ核酸（DNA）とリボ核酸（RNA）です。DNAは種のすべての情報を含む分子です。そのため、DNAはすべての生物やほとんどのウイルスに存在しています。

RNAは特定のウイルスの遺伝物質ですが、すべての生きている細胞にも見られます。そこでは、タンパク質の製造などの特定のプロセスで重要な機能を実行します。

各核酸は、5つの可能な窒素含有塩基のうち4つを含みます。アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、チミン（T）、およびウラシル（U）です。DNAの塩基はアデニン、グアニン、シトシン、チミンですが、RNAの塩基はチミンを除いて同じです。チミンは、RNAのウラシルの代わりに使用されます。

-デオキシリボ核酸（DNA）

DNA分子は、リン酸ジエステル結合と呼ばれる結合によって結合された2本のヌクレオチド鎖で構成されています。各チェーンはらせん状の構造をしています。2つのらせんが絡み合って二重らせんを形成します。塩基はらせんの内側にあり、リン酸基は外側にあります。

DNAは、リン酸結合デオキシリボース糖骨格と4つの窒素含有塩基（アデニン、グアニン、シトシン、チミン）で構成されています。塩基対は二本鎖DNAで形成されます。アデニンは常にチミン（AT）に結合し、グアニンはシトシン（GC）に結合します。

2つのらせんは、水素結合によってヌクレオチド塩基をペアリングすることによって結合されます。構造は、糖鎖とリン酸鎖が側面であり、塩基-塩基結合が横木であるはしごとして説明されることもあります。

この構造と分子の化学的安定性により、DNAは遺伝情報を伝達するための理想的な材料になります。細胞が分裂すると、そのDNAがコピーされ、ある世代の細胞から次の世代に渡されます。

-リボ核酸（RNA）

RNAは、アデニン、シトシン、グアニン、およびウラシルという単一のヌクレオチド鎖で構成される構造を持つ核酸ポリマーです。DNAと同様に、シトシンは常にグアニン（CG）に結合しますが、アデニンはウラシル（AU）に結合します。

これは、細胞内の遺伝情報の伝達における最初の仲介者です。遺伝暗号に含まれる情報は一般にDNAからRNAへ、そしてこれからタンパク質へと伝達されるため、RNAはタンパク質合成に不可欠です。

一部のRNAはまた、細胞代謝に直接的な機能を持っています。RNAは、遺伝子と呼ばれるDNAのセグメントの塩基配列を一本鎖核酸の一部にコピーすることによって得られます。転写と呼ばれるこのプロセスは、RNAポリメラーゼと呼ばれる酵素によって触媒されます。

RNAにはいくつかの異なるタイプがあり、主に3つあります。1つ目は、メッセンジャーRNAです。これは、転写によってDNAから直接コピーされるものです。2番目のタイプはトランスファーRNAです。これは、タンパク質合成のために正しいアミノ酸をトランスファーするものです。

最後に、他のクラスのRNAはリボソームRNAであり、いくつかのタンパク質と一緒に、リボソーム、つまり細胞内のすべてのタンパク質の合成に関与する細胞小器官を形成します。

タンパク質

タンパク質は大きく複雑な分子であり、多くの重要な機能を果たし、細胞内でほとんどの作業を行います。それらは生物の構造、機能、規制に必要です。それらは、炭素、水素、酸素、および窒素原子で構成されています。

タンパク質は、アミノ酸と呼ばれる小さな単位で構成され、ペプチド結合で結合され、長い鎖を形成します。アミノ酸は非常に特定の物理化学的特性を持つ小さな有機分子であり、20の異なるタイプがあります。

アミノ酸配列は、各タンパク質のユニークな三次元構造とその特定の機能を決定します。実際、個々のタンパク質の機能は、複雑な三次元構造を生成する相互作用を決定する独自のアミノ酸配列と同じくらい多様です。

さまざまな機能

タンパク質は、アクチンなどの細胞の構造および運動コンポーネントである可能性があります。DNAを合成する酵素であるDNAポリメラーゼなど、細胞内の生化学反応を高速化することによって機能するものもあります。

身体に重要なメッセージを伝える機能を持つタンパク質は他にもあります。たとえば、成長ホルモンなどのいくつかの種類のホルモンは、異なる細胞、組織、および臓器間の生物学的プロセスを調整する信号を送信します。

いくつかのタンパク質は互いに結合して、細胞内で原子（または小分子）を運びます。これは、一部の生物で鉄を貯蔵する原因となるフェリチンの場合です。重要なタンパク質のもう1つのグループは抗体です。これは免疫系に属し、毒素や病原体の検出を担当します。

したがって、タンパク質は、細胞のDNAで始まる遺伝情報の解読プロセスの最終製品です。この信じられないほど多様な関数は、非常に多様な構造のセットを指定できる驚くほど単純なコードから派生しています。

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