生物大分子

存在于生物体细胞内的分子

生物大分子是指生物体细胞内存在的蛋白质、核酸、多糖等大分子。每个生物大分子内有几千到几十万个原子，分子量从几万到几百万以上。生物大分子的结构很复杂,但其基本的结构单元并不复杂。蛋白质分子是由氨基酸分子以一定的顺序排列成的长链。氨基酸分子是大部分生命物质的组成材料,不同的氨基酸分子有好几十种。生物体内的绝大多数酶就属于蛋白质，是生物体维持正常代谢功能所不可缺少的。

简介

生物大分子(biomacromolecule)与低相对分子量的生物有机化合物相比，高相对分子量的有机化合物具有更高级的物质群。它们是由低相对分子量的有机化合物经过聚合而成的多分子体系。生物大分子大多数是由简单的组成结构聚合而成的，蛋白质的组成单位是氨基酸，核酸的组成单位是核苷酸……像氨基酸、脂肪酸等都叫做生物单分子，是与生命有着密切关系的物质，它们是构成大分子的基本物质。从化学结构而言，蛋白质是由α-L-氨基酸脱水缩合而成的，核酸是由嘌呤和嘧啶碱基，与糖D-核糖或2-脱氧-D-核糖、磷酸脱水缩合而成，多糖是由单糖脱水缩合而成。由此可知，由低相对分子量的生物有机化合物变为高相对分子量的生物有机化合物的化学反应都是脱水缩合反应。指的是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子。高相对分子量的生物有机化合物（生物大分子）主要是指蛋白质、核酸以及高相对分子量的碳氢化合物。常见的生物大分子包括蛋白质、核酸、多糖。这个定义只是概念性的，与生物大分子对立的是小分子物质（二氧化碳、甲烷等）和无机物质。

实际上生物大分子的特点在于其表现出的各种生物活性和在生物新陈代谢中的作用。生物大分子是构成生命的基础物质。比如：某些多肽和某些脂类物质的分子量并未达到惊人的地步，但其在生命过程中同样表现出了重要的生理活性。与一般的生物大分子并无二致。

生物大分子的形成

在原始地球条件下，有两条路径可以达到脱水缩合以形成高分子：其一是通过加热，将低相对分子量的构成物质加热使之脱水而聚合；其二是利用存在于原始地球上的脱水剂来缩合。前者常常是在近于无水的火山环境中进行，后者则可以在水的环境中进行。

生物大分子都可以在生物体内由简单的结构合成，也都可以在生物体内经过分解作用被分解为简单结构，一般在合成的过程中消耗能量，分解的过程中释放能量。

生物大分子概况

生物大分子是生物体的重要组成成份，不但有生物功能，而且分子量较大，其结构也比较复杂。在生物大分子中除主要的蛋白质与核酸外，另外还有糖、脂类和它们相互结合的产物。如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等。它们的分子量往往比一般的无机盐类大百倍或千倍以上。蛋白质的分子量在一万至数万左右，核酸的分子量有的竟达上百万。这些生物大分子的复杂结构决定了它们的特殊性质，它们在体内的运动和变化体现着重要的生命功能。如进行新陈代谢供给维持生命需要的能量与物质、传递遗传信息、控制胚胎分化、促进生长发育、产生免疫功能等。

研究困难

人类对生物大分子的研究经历了近两个世纪的漫长历史。由于生物大分子的结构复杂，又易受温度、酸、碱的影响而变性，给研究工作带来很大的困难。在20世纪末之前，主要研究工作是生物大分子物质的提取、性质、化学组成和初步的结构分析等。

早期研究成果

19世纪30年代以来，当细胞学说建立的时候，有人已经研究蛋白质了。蛋白质命名始于1836年，当时著名的瑞典化学家柏尔采留斯(J．Berzelius)和正在研究鸡蛋蛋白类化合物的荷兰化学家穆尔德(G．J．Mulder)就提出用“蛋白质”命名这类化合物。并且把它列为生命系统中最重要的物质。到20世纪初，组成蛋白质的20种氨基酸已被发现了12种，1940年陆续发现了其余的氨基酸。19世纪末，有机化学家们就开始探讨蛋白质的结构。德国有机化学家费舍尔(E．Fischer)与别人合作提出了氨基酸之间的肽键相连接而形成蛋白质的论点，1907年费舍尔又合成了一个由15个甘氨酸和3个亮氨酸组成的18个肽的长链。同时英国晶体分析学派中的贝尔纳(J．D．Bernal)和阿斯特伯理(W．T．Astbury)等曾用X射线衍射分析方法分析羊毛、头发等蛋白的结构，证明它们是折叠卷曲纤维状物质。随着研究的逐步深入，科学家们搞清了蛋白质是肌肉、血液、毛发等的主要成份，有多方面的功能。

核酸的发现

核酸的发现要比蛋白质晚得多。1868年在德国工作的24岁的瑞士化学家米歇尔(F．Miescher)从病人伤口脓细胞中提取出当时称为“核质”的物质。这就是被后来公认的核酸的最早发现。后来科赛尔(A．Kssel)及他的两个学生琼斯(W．Jones)和列文(P．A．Levene)弄清了核酸的基本化学结构，证实核酸是由许多核苷酸组成的大分子。核苷酸是由碱基、核糖和磷酸构成。其中碱基有4种(腺瞟呤、鸟瞟呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶)，核糖有2种(即核糖与脱氧核糖)。据此核酸分成两类：核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。他们根据当时比较粗糙的分析认为，4种碱基在核酸中的量相等，从而错误地推导出核酸的基本结构是由4个含不同碱基的核苷酸连接成四核苷酸，以此为基础聚合成核酸，这就是较著名的“四核苷酸假说”。这个假说从20年代后起统治了核酸结构的研究大约20多年的时间，对认识复杂的核酸结构和功能起了相当大的阻碍作用。核酸当时虽然是在细胞核中发现的，但由于它的结构过于简单，也就很难想象它能在异常复杂多变的遗传现象中起什么作用。甚至有些科学家在当时蛋白质的结构被阐明之后，认为很可能是蛋白质在遗传中起主要作用。

酶的阐明

酶的阐明是1897年德国化学家布希纳(E．Buchner)从磨碎的酵母细胞中提取出了能使酒精发酵的酿酶开始的。布希纳研究表明，从活体内提取出来的酶能同在活体内一样起作用。不但打击了当时流行的活力论，而且使生物化学的研究进入了解细胞内的化学变化的阶段。后来英国的生物化学家哈登(A．Harden)等对酒精发酵的具体化学步骤作了许多研究。到20年代大量实验结果表明，酵母使糖发酵产生酒精同肌肉收缩时使糖变为乳酸这两个过程基本上是一致的，又称糖酵解作用。到30年代经许多科学家的研究，最后由德国的生物化学家克雷布斯(H．A．Krebs)综合，提出了生物呼吸作用最后产生CO2和H2O及能量(ATP)的三羧酸循环。在此期间还有许多科学家研究了脂肪和氨基酸等的代谢以及糖、脂肪及蛋白质在代谢中相互转化和它们的生物合成等。这些过程均是在酶的催化下完成的。

无机物与生物大分子的作用

无机物与生物大分子的作用主要体现在金属离子及其配合物与生物大分子的作用。主要包括金属离子对生物大分子的探针和识别、配体与生物大分子对金属离子的竞争反应、离子和电子在生物大分子内或生物大分子间的传递等。金属离子与生物大分子结合后，常常会发生明显的生物化学效应。如一些金属氯化物和葡萄糖酸盐对葡萄糖氧化酶的活性具有激活和抑制作用。金属离子及其配合物与蛋白质的作用主要包括金属结合引起的构象变化，缔合及装配等引起的后续生物效应。此外。金属离子及其配合与DNA作用的研究可以帮助人们从分子水平上了解生命现象的本质，为合理设计和寻找有效的治疗药物提供理论指导。如用小分子过渡金属配合物与大分子DNA的相互作用可以探索大分子DNA的结构、作用机理及功能。

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