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主要内容

大分子介绍

大生物分子的种类。单体、聚合物、脱水缩合、和水解。

介绍

回想一下你午餐吃了什么。你的午餐背面有没有“营养成分”的标签?如果有,而且如果你看了食物的蛋白质、碳水化合物、或脂肪含量,你可能已经熟悉了我们将在这里讨论的几种大的生物分子。如果你想知道像“生物大分子”这样听起来奇怪的东西在你的食物中起着什么作用,答案是它们为你提供了维持身体所需的构造块——因为你的身体也是由生物大分子构成的!
正如你可以被认为是各种各样的原子走路,说话的水袋,你也可以被看作是四种主要类型的大型生物分子的集合:碳水化合物(如糖)、脂类(如脂肪)、蛋白质和核酸(如DNA和RNA)。这并不是说这些是你体内仅有的分子,而是说,你最重要的大分子可以被分成这些组。总之,四组大生物分子构成了大部分的细胞干重。(水是一种小分子,占湿重的大部分)。
大生物分子在生物体中起着广泛的作用。一些碳水化合物储存燃料以满足未来的能量需求,一些脂质是细胞膜的关键结构成分。核酸储存和传递遗传信息,其中大部分为蛋白质的制造提供指导。蛋白质本身可能具有最广泛的功能:一些蛋白质提供结构支持,但许多蛋白质就像在细胞中执行特定任务的小型机器,例如催化代谢反应或接收和发送信号。
我们将在接下来的几篇文章中详细介绍碳水化合物、脂类、核酸和蛋白质。在这里,我们将更深入地研究建造或分解这些分子的关键化学反应。

单体和聚合物

大多数大的生物分子是聚合物——由重复分子亚单位,即被称为单体的构建基块,所组成的长链。如果你认为一个单体就像一个珠子,那么你可以认为一个聚合物就像一条项链,由一系列的珠子串在一起。
碳水化合物、核酸和蛋白质在自然界中常作为长聚合物存在。因为他们的聚合性质和他们的大(有时巨大!)的尺寸,它们被分类为 大分子,大(macro)分子是由较小的亚单位连接而成。脂质通常不是聚合物且比其他三种都小,因此某些资料认为它们不是大分子1,2。然而,许多其他资料来源使用“大分子”这个术语更为宽松,把它作为四种大生物分子的总称3,4。 这只是一个命名差异,所以不要太在意它。你只需记住,脂质是四种主要的大生物分子之一,但它们一般不会形成聚合物。

脱水合成

你如何用单体合成聚合物?大型生物分子通常通过脱水合成反应进行组装,其中一个单体与另一个单体(或不断变长的单体链)形成共价键,在此过程中释放出一个水分子。你可以这样来记反应的名称:脱水——水分子的损失,合成——形成新的键。
在上述脱水合成反应中,两个糖葡萄糖分子(单体)结合形成一分子的麦芽糖。其中一个葡萄糖分子失去一个H,另一个失去一个OH基团,一个水分子在两个葡萄糖分子之间形成一个新共价键时被释放。随着其他单体通过相同的过程连接,链会变得越来越长,形成聚合物。
尽管聚合物是由重复单体单元组成,但在形状和组成上仍有很大的变化空间。碳水化合物、核酸和蛋白质都可以包含多种不同类型的单体,它们的组成和序列对它们的功能很重要。例如,在你身体的 DNA中有四种类型的核苷酸单体,以及你身体常见的 蛋白质中有二十种氨基酸单体。甚至一种单体也可以形成不同性质的聚合物。例如,淀粉、糖原和纤维素都是由葡萄糖单体组成的 碳水化合物,但它们具有不同的成键和形成支链的模式。

水解

聚合物是如何被转化为单体的(例如,当身体需要循环利用一种分子来制造另一种分子时)? 聚合物通过水解反应分解为单体,其中通过添加水分子破坏或溶解键。
在水解反应中,由多个亚单位组成的分子被分成两部分:一个新分子获得氢原子,另一个获得羟基(-OH),这两个都是由水提供的。这与脱水合成反应相反,它释放出一个单体,其可用于构建一种新的聚合物。 例如,在下面的水解反应中,一个水分子分裂麦芽糖以释放两种葡萄糖单体。该反应与上述脱水合成反应相反。
脱水合成反应生成分子并通常需要能量,而水解反应分解分子并通常释放能量。碳水化合物、蛋白质和核酸通过这些类型的反应被建立和分解,尽管在每种情况下涉及的单体是不同的。(在细胞中,核酸实际上不是通过脱水合成聚合的;我们将在核酸一文中研究它们是如何组装的。某些类型的脂类的组装中也涉及到脱水合成反应,即使脂类不是聚合物3
在体内,酶催化或加速脱水合成和水解反应。参与断键的酶通常被命名为以 - 酶 (ase) 结尾:例如,麦芽糖酶分解麦芽糖,脂肪酶分解脂质,肽酶分解蛋白质(也被称为多肽,我们将在有关蛋白质的文章中看到)。当食物通过你的消化系统时——事实上,从它接触到你的唾液的那一刻起——它就被这些酶所破坏。这些酶分解了大的生物分子,释放出较小的单体,这些结构块很容易被人体吸收和利用。

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