Bioloģisko makromolekulu pamatklases Lielāko daļu no dzīvas šūnas sausā atlikuma masas sastāda bioloģiskās makromolekulas. Izšķir četras bioloģisko makromolekulu pamatklases: proteīnus, ogļhidrātus, lipīdus un nukleīnskābes.
Proteīni ir biopolimēri, kuri sastāv no kovalenti savienotām aminoskābēm. Vispārīgā gadījumā aminoskābes ir ķīmiski savienojumi, kuru sastāvā ir aminogrupa (-NH2) un karboksilgrupa (-COOH). Proteīnu sastāvā ietilpst 20 dažādas proteinogēnās aminoskābes. Visas proteinogēnās aminoskābes ir α-aminoskābes, t. i., aminogrupa un karboksilgrupa ir pievienotas pie viena un tā paša oglekļa atoma. Pie tā paša oglekļa atoma pievienots arī ūdeņraža atoms un t. s. sānu ķēde, kura katrai no 20 proteinogēnajām aminoskābēm ir atšķirīga (1. attēls).

1. attēls. Aminoskābes.
Autors: Kaspars Tārs.
Sānu ķēde var saturēt dažādas funkcionālās grupas, kuras nosaka aminoskābes īpašības. Aminoskābes var viena ar otru kovalenti savienoties, savstarpēji reaģējot to aminogrupām un karboksilgrupām. Reakcijas rezultātā veidojas peptīda saite, kas ķīmiski identiska amīda saitei. Savienojoties vairākām aminoskābēm, veidojas polipeptīda ķēde (2. attēls).

2. attēls. Polipeptīdu ķēde.
Autors: Kaspars Tārs.
Par peptīdu sauc savienojumu, kurš sastāv no nedaudzām (aptuveni 2–100) aminoskābēm. Proteīniem parasti ir garākas polipeptīdu ķēdes, kuras sastāv no 100 līdz pat vairākiem tūkstošiem aminoskābju. Proteīniem izšķir vairākus strukturālās organizācijas līmeņus (3. attēls).

3. attēls. Proteīnu strukturālās organizācijas līmeņi.
Autors: Kaspars Tārs.
Proteīna pirmējā struktūra ir lineāra aminoskābju sekvence polipeptīda ķēdē. Polipeptīda ķēdes sastāvā esošās amīda grupas un karbonilgrupas savstarpēji var veidot ūdeņraža saites, rezultātā veidojot otrējās struktūras elementus. Polipeptīdu ķēdes rajons var izveidot spirālveida vai izstieptas struktūras, kuras sauc attiecīgi par α-spirālēm un β-virknēm. Otrējās struktūras elementiem vienam ar otru mijiedarbojoties, izveidojas proteīna trešējā struktūra, t. i., attiecīgās polipeptīda ķēdes trīsdimensionālā struktūra. Visbeidzot vairākas vienādas vai atšķirīgas polipeptīdu ķēdes ar izveidotu trešējo struktūru var savstarpēji apvienoties, veidojot proteīnu ceturtējo struktūru. Daudzi proteīni sastāv no vienas polipeptīda ķēdes, un tiem ceturtējā struktūra neveidojas. Funkcionāli proteīni ir ļoti daudzveidīgi biopolimēri. Strukturālie proteīni pilda noteiktas mehāniskas funkcijas organismā vai šūnā. Piemēram, kolagēns nodrošina dažādu saistaudu – skrimšļu, kaulu un ādas – strukturālās īpašības. Transportproteīni transportē dažādas vielas organismā – piemēram, hemoglobīns transportē skābekli. Receptori iesaistīti atbildēs uz dažādiem signāliem. Iespējams, visnozīmīgākie proteīni ir enzīmi, kuri katalizē gandrīz visas organismā notiekošās ķīmiskās reakcijas.
Ogļhidrāti ir organiski savienojumi, kuru monomēru sastāvā ietilpst hidroksil- (-OH) un karbonil- (C=O) funkcionālās grupas. Vienkāršākie ogļhidrāti ir monosaharīdi. Vienkāršāko monosaharīdu vispārējā formula ir Cn(H2O)n, kur n=3...7. Tipiski monosaharīdi satāv no oglekļa atomu virknes, kur viens no oglekļiem ir karbonilgrupas sastāvā, bet pie katra no pārējiem oglekļiem ir piesaistīta viena hidroksilgrupa (4. attēls).

4. attēls. Monosaharīdu struktūra.
Autors: Kaspars Tārs.
Papildus monosaharīdi var saturēt arī citas funkcionālās grupas. Monosaharīdi var pastāvēt kā lineāras virknes, bet bieži viena no hidroksilgrupām reaģē ar tajā pašā molekulā esošo karbonilgrupu, veidojot dažādus cikliskus izomērus (4. attēls). Divu vai vairāku monosaharīdu hidroksilgrupas var savstarpēji reaģēt, veidojot di-, tri-, oligo- vai poli- saharīdus (5. attēls).

5. attēls. Monosaharīdu dimerizācija un polimerizācija.
Autors: Kaspars Tārs.
Ja polimēra virknē ir mazāk par 20 monosaharīdu vienībām, savienojumu sauc par oligosaharīdu, ja vairāk par 20 – par polisaharīdu. Ogļhidrāti kalpo kā enerģijas avoti, arī kā izejmateriāli citu savienojumu biosintēzei. Glikoze ir dabā visizplatītākais monosaharīds, kuru enerģijas ieguvei un biosintēzei izmanto lielākā daļa dzīvo organismu. Ciete un glikogēns ir polimēri, kuri sastāv no glikozes monomēriem un tiek izmantoti kā organisma barības vielu rezerve. Celuloze arī ir glikozes polimērs, kurš veic galvenokārt strukturālas funkcijas. Nozīmīgi monosaharīdi ir riboze un dezoksiriboze (6. attēls), kuras ietilpst nukleīnskābju sastāvā.

6. attēls. Riboze un dezoksiriboze.
Autors: Kaspars Tārs.
Nukleīnkābes ir biopolimēri, kuri kodē organisma ģenētisko informāciju un nodrošina ģenētiskā koda pārnesi uz proteīniem. Nukleīnskābju monomērus sauc par nukleotīdiem. Katrs nukleotīds sastāv no ribozes vai dezoksiribozes monosaharīda, kuram pievienota fosfāta grupa un slāpekļa bāze (7. attēls).

7. attēls. Nukleotīdu struktūra.
Autors: Kaspars Tārs.
Nukleotīdus bez fosfāta grupas sauc par nukleozīdiem. Slāpekļa bāzes ir heterocikliski, aromātiski savienojumi. Dezoksiribonukleīnskābju (DNS) nukleozīdi sastāv no dezoksiribozes un timīna, citozīna, adenīna un guanīna slāpekļa bāzēm, bet ribonukleīnskābju (RNS) nukleozīdi – no ribozes un uracila, citozīna, adenīna un guanīna slāpekļa bāzēm. Tādējādi gan DNS, gan RNS sastāvā ir četras atšķirīgas slāpekļa bāzes. Attiecīgos nukleozīdus sauc par adenozīnu (A), guanozīnu (G), citidīnu (C), timidīnu (T) un uridīnu (U), bet attiecīgos nukleotīdus – par adenilātu, guanilātu, citidilātu, timidilātu un uridilātu (8. attēls).

8. attēls. DNS un RNS sastopamie nukleozīdi un nuleotīdi.
Autors: Kaspars Tārs.
Nukleotīdu un nukleozīdu DNS formām bieži pievieno priedēkli dezoksi-, piemēram, dezoksiadenozīns (dA). Nukleīnskābju sastāvā katram nukleotīdam ir tikai viena fosfāta grupa, bet brīviem nukleotīdiem var būt viena, divas vai trīs virknē savienotas fosfāta grupas. Savienojumu nosaukumus darina no attiecīgo nukleozīdu nosaukuma, minot fosfāta grupu skaitu, piemēram, adenozīna trifosfāts (ATF, 9. attēls) vai dezoksiguanozīna difosfāts (dGDF).

9. attēls. Adenozīns un tā fosfāti.
Autors: Kaspars Tārs.
Svarīga slāpekļa bāzu īpašība ir to spēja veidot savstarpējas specifiskas ūdeņraža saites. DNS dubultspirāle satāv no diviem komplementāriem DNS pavedieniem. Katra pavediena slāpekļa bāzes veido ūdeņraža saites ar otra pavediena slāpekļa bāzēm, turklāt adenīns vienmēr veido ūdeņraža saites ar timīnu un citozīns – ar guanīnu (10. attēls).

10. attēls. Bāzu pāru veidošanās DNS.
Autors: Kaspars Tārs.
Bāzu pāru komplimentaritātes princips nodrošina ģenētiskās informācijas nodošanu nākamajām paaudzēm. Nukleotīdiem, it sevišķi ATF, ir būtiska nozīme šūnas bioenerģētikā. No ATF atšķeļoties vienai fosfāta grupai, veidojas adenozīna difosfāts (ADF) un atbrīvojas ievērojams enerģijas daudzums (9. attēls). Iegūto enerģiju enzīmi izmanto dažādu enderogēnu reakciju veikšanai.
Lipīdi ir mazmolekulāri, hidrofobi, ūdenī nešķīstoši savienojumi, kuri pieder pie dažādām ķīmisko savienojumu klasēm. Bieži lipīdus uzskata par sinonīmiem taukiem, bet tauki (taukskābju un glicerīna esteri) ir tikai viens no lipīdu veidiem. Lipīdi neveido kovalenti saistītu polimēru struktūras, tāpēc tie nav klasiskas makromolekulas. Tomēr daži lipīdi var veidot milzīgus, nekovalenti saistītus kompleksus, piemēram, šūnu membrānas. Funkcionāli lipīdus iedala vairākās klasēs. Enerģijas uzkrājēji – taukskābju un glicerīna esteri – kalpo kā barības vielu rezerves. Vaski – taukskābju un garķēžu spirtu esteri – veic mehāniskas un aizsardzības funkcijas. Dzīvības procesiem nozīmīgākie ir šūnu membrānas veidojošie fosfolipīdi, glikolipīdi, sfingolipīdi un steroli. Membrānu lipīdu molekulām ir hidrofoba “aste” un polāra “galva”. Hidrofobajām “astes” daļām ir tendence mijiedarboties vienai ar otru, bet polārā “galva” mijiedarbojas ar ūdens vidi, tādējādi veidojot micellas, bislāņus un liposomas (11. attēls). Citi lipīdu veidi darbojas kā signālmolekulas, hormoni, pigmenti un enzīmu kofaktori.

11. attēls. Micellas, bislāņi un liposomas.
Autors: Kaspars Tārs.