生物体内分子

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引言

活细胞包含重要的化学物质，包括水和多种称为生物分子的碳基有机化合物。生物分子是由活生物体产生的有机化合物。这些生物分子主要由碳、氢、氧、磷和硫组成。

生物分子的分类

生物分子可以根据其分子量分为小分子和大分子。小分子是低分子量的分子，例如单糖、氨基酸、核苷酸、脂肪酸等。这些小分子作为单体聚合形成大分子。大分子包括碳水化合物、蛋白质和核酸。

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生物分子的类型

碳水化合物

碳水化合物是多羟基醛（醛糖）或酮（酮糖），或经水解可产生醛糖或酮糖的化合物。碳水化合物进一步分为：

• 单糖——简单的糖，由一个多羟基醛或多羟基酮单元组成。
• 单糖的一般化学式为C_nH_2nO_n。
• 所有己糖和戊糖在水溶液中都以环状结构存在，作为半缩醛或半缩酮。

单糖的例子包括葡萄糖（醛己糖）、果糖（酮戊糖）和半乳糖（醛己糖）。

• 二糖——当两个单糖单元通过脱水反应连接时形成，在它们之间产生O-糖苷键。
  例子：蔗糖（葡萄糖+果糖）、麦芽糖（葡萄糖+葡萄糖）和乳糖（半乳糖+葡萄糖）。
• 多糖——数百到数千个单糖单元。它们可以是同多糖（如糖原、纤维素、几丁质等）或杂多糖。

碳水化合物的功能

• 简单糖如葡萄糖的分解是主要的能量来源，可用于驱动细胞反应。

• 它们也作为其他细胞物质合成的前体。

• 储存多糖（糖原和淀粉）可以随后分解以满足细胞的能量需求。

• 结构多糖（纤维素、肽聚糖等）通过形成细胞的结构成分来提供机械稳定性。

• 多糖参与细胞信号传导活动。

• 碳水化合物也是重要的膳食成分。

蛋白质

蛋白质包含重复的氨基酸单元，这些单元通过一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基之间的肽键连接在一起。22种氨基酸以不同的顺序组合，产生各种各样的蛋白质。

蛋白质的结构在以下四个水平上描述：

• 一级结构——这是构成多肽分子的氨基酸序列，由DNA上携带的遗传密码指定。

• 二级结构——多肽链主链氨基酸的局部空间排列。
  最常见的二级结构是：

• α-螺旋，当多肽链通过-CO和-NH基团之间的氢键扭曲成螺旋构象时形成，以及

• β-折叠片，当多肽链的两个或多个片段或几个多肽链并排排列时形成。

• 三级结构——由多肽的侧链之间的相互作用产生，导致多肽链折叠成球状结构域。

• 四级结构——指的是多聚体蛋白质的组成多肽链的排列，这些多肽链通过共价键和非共价键结合在一起。

蛋白质的功能

• 结构蛋白（角蛋白、胶原蛋白等）为身体和细胞提供支撑和形状。

• 催化蛋白（即酶）对细胞中发生的所有生物反应都至关重要。

• 以及调节代谢过程。

• 运输物质穿过细胞膜（例如水通道蛋白）以及穿过身体（例如血红蛋白）。

• 激素蛋白在细胞之间传递信息并调节代谢过程。

• 防御蛋白如免疫球蛋白对于保护身体免受病原体疾病至关重要。

• 收缩蛋白（肌动蛋白和肌球蛋白）促进肌肉运动以及细胞间的运动。

核酸

核酸是称为核苷酸的单元的聚合物。因此，它们也称为多核苷酸。

• 核酸有两种：双链分子称为脱氧核糖核酸 (DNA)，以及单链分子称为核糖核酸 (RNA)。

• DNA或RNA分子中的每个单体包含：

• 一个含氮碱基（也称为核碱基），可能是嘌呤（腺嘌呤和鸟嘌呤）或嘧啶（胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶）的衍生物。

• 一个核糖（DNA中的脱氧核糖，RNA中的核糖）。

• 一个磷酸基团。

• 这些单体核苷酸通过磷酸二酯键连接在一起，形成多核苷酸。

• DNA以双螺旋分子的形式存在，由两条彼此反向平行的多核苷酸链组成。相比之下，RNA是单链分子。

核酸的功能

• 核酸携带以三联体密码形式编码的遗传信息，存在于其结构中核苷酸的特定序列中。遗传信息被转化为执行体内各种代谢功能的特异性蛋白质。

• 核酸也用于进行指纹分析。

脂类

这是一组多种多样的有机化合物，不溶于水。它们的疏水性是由于它们的结构——脂类主要包含烃链。

根据其结构特征，脂类可以有不同的类型：

• 脂肪酸——最简单的脂类，含有长链烃（通常为12-24个碳原子）。它们可以是不饱和的或饱和的。

• 三酰甘油——三种脂肪酸和甘油的三酯。

• 磷脂——一种两亲性脂类，由两个疏水的脂肪酸尾部和一个亲水的“头部”组成，酯化到磷酸基团。

• 糖脂——含有通过糖苷键连接的糖基的脂类。

• 脂蛋白——这些是脂蛋白复合物，包括LDL和HDL。

脂类的功能

• 三酰甘油是重要的储存能量形式。
• 磷脂是所有生物细胞膜的结构成分。
• 类固醇充当激素，即雌激素和睾酮。
• 它们也充当色素、信号分子、辅因子、洗涤剂等。

结论

• 生物分子是存在于活生物体中的有机化合物，有四种类型：碳水化合物、蛋白质、核酸和脂类。

• 碳水化合物是多羟基醛或酮分子。根据单体单元的数量，它们分为单糖、二糖或多糖。

• 蛋白质是由称为氨基酸的重复单元组成的多肽分子。它们作为酶、激素、免疫球蛋白和转运蛋白，也具有结构功能。

• 核酸是核苷酸的聚合物。它们有两种：DNA和RNA。它们携带遗传信息。

• 脂类是疏水性烃分子，作为能量来源、激素、生物膜的结构成分等。

常见问题

Q1. 最简单的单糖有哪些？

答：最简单的单糖是三碳糖（3C糖），如二羟丙酮和甘油醛。

Q2. 杂多糖的一些例子是什么？

答：硫酸软骨素、硫酸角质素、肝素、透明质酸等。

Q3. 为什么RNA不存在双螺旋结构？

答：RNA在其结构中含有核糖，在2’位含有羟基。因此，与另一个核苷酸形成键会导致空间位阻和分子的不稳定性。

Q4. 脂肪和油有什么区别？

答：在室温下，脂肪以固体形式存在，并含有大量的饱和脂肪酸，而油在室温下以液体形式存在，并含有更多的不饱和脂肪酸。

Q5. 哺乳动物中最丰富的蛋白质是什么？

答：胶原蛋白。