生物分子

生物分子是生物体内存在的一类分子的广义术语，它们是细胞分裂、形态发生或发育等一种或多种常见生物过程所必需的。它也经常被称为生物分子。生物分子由大型生物大分子（也称为聚电解质），包括蛋白质、碳水化合物、脂质和核酸，以及维生素和激素等微小分子组成。这类物质也称为生物材料。生物分子是所有生物体的重要组成部分；这些生物分子通常是内源性的，这意味着它们在生物体内产生；尽管如此，生物体通常需要外源性的生物分子，例如某些营养素，才能生存。

生物分子及其相互作用的研究是在分子生物学和生物化学这两个生物学子领域中进行的。构成人体的元素只有四种：氧、碳、氢和氮。绝大多数生物分子是有机物。还有微量的其他元素，包括类金属。

“生化通用性”或“生命物质统一性理论”是指在生命形式的巨大多样性中，某些类型的分子（生物分子）和某些代谢途径的统一性是不变的特征。该理论与细胞理论和进化论一起，是生物学中的一个统一概念。

生物分子类型

生物分子包括以下内容

• 微分子

脂质、脂肪酸、糖脂、甾醇和单糖都是脂质的例子。

• 维生素和矿物质

激素和神经递质是两个例子。

• 代谢

聚合物、寡聚物和单体

核苷和核苷酸

核苷是有机化合物，当一个核碱基与核糖或脱氧核糖环连接时形成。一些例子包括胞苷 (C)、尿苷 (U)、腺苷 (A)、鸟苷 (G) 和胸苷 (T)。

细胞中的某些激酶可以磷酸化核苷，从而生成核苷酸。聚合酶从单核苷酸的重复结构单元（或单体）合成聚合物，如 DNA 和 RNA。聚合物是长链分子。RNA 使用的核苷酸是 C、G、A 和 U（它们在戊糖环上有一个额外的羟基 (OH)），而 DNA 使用的是脱氧核苷酸 C、G、A 和 T。在复制后区分新旧 DNA 链或在核糖体 RNA 或转运 RNA 中，通常使用修饰的碱基，特别是那些在碱基环上有甲基的碱基。

每个核苷酸由一个无环含氮碱基、一个戊糖和一到三个磷酸基团组成。存在磷、氧、氢、氮和碳。它们被整合到酶促反应的重要辅因子中（辅酶 A、黄素腺嘌呤二核苷酸、黄素单核苷酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），作为化学能的来源（三磷酸腺苷和三磷酸鸟苷），并参与细胞信号传导（环磷酸鸟苷和环磷酸腺苷）。

DNA 和 RNA

沃森-克里克方法中 C 与 G、A 与 T 的碱基配对形成的著名双螺旋在 DNA 结构中占主导地位。最常见和理想的 DNA 形式称为 B 型，正是这种形式因其精确一致的碱基配对而成为可靠遗传信息存储的基础。DNA 可以形成 A 型或 Z 型螺旋、单链（通常需要单链结合蛋白的稳定）或更复杂的 3D 结构，例如 DNA 复制过程中霍利迪交叉处的交叉。

另一方面，RNA 形成松散的单链，其中信使 RNA 分子具有局部折叠的区域，以及巨大的复杂 3D 三级结构，如蛋白质。这些 RNA 结构由多个 A 型双螺旋片段组成，通过单链环、凸起和连接形成不同的三维构象。核糖体、核酶和核开关就是其中的一些例子。RNA 骨架比 DNA 表现出更多的构象多样性，同时具有较少的局部柔韧性。这可能是因为核糖上的额外 OH 具有正负相互作用，有助于形成这些复杂的结构。结构化 RNA 分子可以非常选择性地结合和识别其他分子；它们也可以进行酶催化（当被称为“核酶”时，由 Tom Cech 及其同事发现）。

糖类

考虑到它们只含有一个简单的糖，单糖是碳水化合物最基本的类型。它们中的每一个在结构上都有一个酮或醛基。aldo-前缀表示单糖中存在醛基。keto-前缀是识别酮基的另一种方法。单糖包括己糖、葡萄糖、果糖、三碳糖、四碳糖、七碳糖、半乳糖、戊糖、核糖和脱氧核糖。摄入的果糖和葡萄糖有不同的胃排空率，吸收方式不同，代谢去向也不同，为两种不同的糖改变食物摄入提供了多种机会。大多数糖类最终在细胞内为呼吸产生能量。

当两个单糖或单个简单糖在不使用水的情况下结合时，会形成二糖。它们可以与合适的酶反应，或在稀酸中煮沸以水解它们并释放出糖精的构建模块。乳糖、麦芽糖和蔗糖是二糖的例子。

聚合的单糖，或多糖，是复杂的碳水化合物。它们富含简单的糖。一些例子包括淀粉、纤维素和糖原。它们通常很大，具有复杂的支链连接。多糖的重量使其不溶于水，但当它们遇到水时，其不同的羟基会单独水合，并且其中一些在水中加热时可以形成浓稠的胶体分散体。寡糖是由 3 到 10 个单体组成的多糖。开发了一种发光指示剂置换分子印迹传感器来区分糖类。它成功地区分了三种橙汁饮料品牌。糖的量决定了传感膜的荧光强度如何变化。

木质素

木质素是一种多酚类大分子，主要由 β-O-4-芳基键组成。木质素是仅次于纤维素的第二大生物聚合物，是大多数植物的主要结构元素。它是一种外消旋的生物分子，其亚基由丁香基醇、松柏基醇和对香豆基醇组成。木质素聚合通过自由基偶联过程发生，在手性中心没有特定构型偏好，从而产生无旋光性。

脂质

脂质（油性）主要由脂肪酸酯组成，是生物膜的基本成分。另一种生物功能是能量储存，例如甘油三酯。大多数脂质是两亲性的，因为它们有一个到三个非极性或疏水性的脂肪酸尾部和一个极性或亲水性的头部（通常是甘油）。不分支的碳原子链，由单键或双键连接——不饱和脂肪酸的情况——或单键和双键——构成脂肪酸。通常含有偶数碳原子的链长为 14-24 个碳原子。

• 糖脂，在它们的头部包含 1-15 个糖残基的寡糖，并具有生物膜中的亲水性头部。
• 磷脂，在它们的头部有一个带正电荷的基团和一个带负电荷的磷酸基团连接其与尾部。
• 甾醇，如胆固醇，在它们的头部有一个平面类固醇环。

前列腺素和白三烯是另外两种脂质，它们是由花生四烯酸产生的 20 碳脂肪酰基单位。它们另一个名称是脂肪酸。

氨基酸

氨基酸的官能团是氨基和羧酸基。（在生物学中，氨基酸一词指的是同时具有氨基和羧酸活性的氨基酸，以及脯氨酸，它不是氨基酸）。

由于翻译（蛋白质合成）过程中的酶促修饰，蛋白质中偶尔会发现修饰的氨基酸。例如，激酶对丝氨酸的磷酸化和磷酸酶对丝氨酸的去磷酸化是细胞周期调控过程中的关键。在二十种氨基酸中，在某些生物体中，只有两种氨基酸在翻译过程中添加到蛋白质中：

• 在某些蛋白质的 UGA 密码子上存在硒代半胱氨酸，UGA 密码子通常是终止密码子。
• 在一些蛋白质（如甲烷细菌中用于产生甲烷的酶）中，吡咯赖氨酸被整合到 UAG 密码子中。

蛋白质

构成蛋白质的氨基酸的确切排列顺序是其基本结构。这个顺序由个体的遗传组成决定。它控制着侧链基团在多肽链“骨架”上的排列方式。

α 螺旋和 β 折叠是蛋白质中两种不同的、经常出现的局部结构单元，它们通过氢键的排列方式沿着其骨架以不同的方式排列。蛋白质的数目和顺序被称为其二级结构。一个氨基酸残基的骨架 C=O（羰基）和 i+4 位残基的骨架 N-H（酰胺）形成规则的螺旋，通过氢键稳定。氨基酸的侧链从螺旋的圆柱体延伸出来，每个螺旋约有 3.6 个氨基酸。骨架氢键存在于“伸展”或完全拉伸构象中的单个 β 链之间，形成 β 折叠片。链可以是平行的或反平行的，侧链的方向在片上方和下方交替。天然丝绸完全由 β 折叠片组成，许多酶具有 β 链和 α 螺旋交替的模式。血红蛋白完全由 α 螺旋组成。二级结构元件通过非重复的“环”或“卷曲”区域连接，这些区域可以非常动态或混乱，但通常会呈现出明确的、稳定的构象。

蛋白质的整体、紧凑的三维形状被称为其三级结构或“折叠”。许多吸引因素，包括氢键、二硫键、疏水性接触、亲水性相互作用、范德华力等，都对其形成有贡献。

当两个或多个多肽链——具有相同或不同序列——组合形成蛋白质时，就会产生四级结构。多聚体（相同序列链）和异聚体（不同序列链）蛋白质，例如由两个“α”和两个“β”多肽链组成的血红蛋白，表现出四级结构。

• 酶原

缺乏底物、抑制剂或小分子辅因子的蛋白质称为酶原，或更广义地称为载脂蛋白。它通常用于表示蛋白质的非活性形式，用于储存、运输或分泌。例如，这对于保护分泌细胞免受该蛋白质的作用是必要的。当酶原获得辅因子时，它们会变成活性的酶。有机辅因子的例子有血红素和黄素基团[黄素]，而无机辅因子的例子有金属离子和铁硫簇。牢固连接到酶的辅助基团或在活性期间从酶活性位点去除的辅酶都可以被认为是有机辅因子。

• 同工酶

同工酶，也称为异酶，是蛋白质序列略有不同但活性相似但不完全相同的酶变体。它们是不同基因或选择性剪接的结果。可以在多个器官或细胞类型中产生相同的功能，或在相同细胞类型中根据不同的控制产生，以满足不断发展的生长或环境的需求。LDH（乳酸脱氢酶）有多种同工酶，而胎儿血红蛋白是发育调控的非酶蛋白亚型的例子。血液中同工酶的相对量可用于检测分泌器官功能障碍。