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人体由大约 30 万亿个细胞组成,这些细胞共同完成生命的基本功能。细胞能够执行这些维持生命的任务,离不开细胞内几种有机分子的帮助。这些有机分子被称为生物大分子。生物大分子的大小和结构多种多样,参与了许多不同的生命功能。生物大分子由超过 25 种天然元素组成,其中主要是碳、氢、氧、磷和硫。
碳化合物在形成生物大分子的过程中发挥着重要作用。碳可以与其他元素共价结合,形成许多不同的化合物。有些生物大分子被认为是碳氢化合物的衍生物,是通过取代功能基团(如醇、胺、醛、酮和羧基)中的氢原子而形成的。
下面列出了这些小单体聚合后形成的小型生物大分子和大分子,为萨塞克斯大学生物化学和新陈代谢课程做好预习。
碳水化合物是健康饮食的重要组成部分。它们提供做功所需的能量。用科学术语来说,它们是多羟基醛或多羟基酮,碳水化合物是地球上最丰富的生物大分子。
碳水化合物的种类及其功能
根据水解后形成的产物数量,碳水化合物可分为三类。
单糖:由一个单位的多羟基醛或酮组成。单糖是完全溶于水的无色结晶固体,参与人体能量的产生。 例如葡萄糖、果糖、核糖和阿拉伯糖。
1.二糖:下面列出了二糖及其单体单元和功能。
2.多糖:由两个以上的单糖单位组成。它们也被称为聚糖。它们分为两种类型:
(1)同源多糖:它们只由一种糖单位组成。
a.结构多糖:为细胞、器官和生物体提供机械稳定性。例如甲壳素和纤维素。甲壳素参与构建真菌的细胞壁,而纤维素则是反刍动物食物的重要成分。
b.贮存多糖:它们是碳水化合物的贮存器,可在人体需要时释放单糖。例如淀粉、糖原。 淀粉可为植物储存能量。在动物体内,淀粉通过淀粉酶(存在于唾液中)的催化作用来满足能量需求。糖原是动物、细菌和真菌的多糖食物储备。
(2)杂多糖:含有两种或两种以上不同类型的糖单位。其中包括糖胺聚糖,如透明质酸、硫酸天门冬酰胺、硫酸角蛋白和软蛋白。这些多糖具有不同的功能。例如,肝素是一种抗凝剂(防止血液凝固,也被称为血液稀释剂),透明质酸是一种减震剂和润滑剂,而肽聚糖或金霉素则存在于细菌的细胞壁中。
1.蛋白质的结构
蛋白质是由氨基酸残基组成的无支链聚合物。根据氨基酸的位置和功能,约有 22 种氨基酸参与蛋白质的合成。蛋白质按其结构组织可分为四类:
一级结构:这是通过氨基酸之间形成肽键而形成的。
二级结构:这是多肽中的折叠结构,由多肽骨架中的酰胺氢和羰基氧之间形成氢键而形成,包括α-螺旋和β-片层等结构。
三级结构:这是由组成蛋白质的氨基酸的 R 基或侧链相互作用形成的三维构象。促成这种结构形成的键包括疏水相互作用、静电作用、氢键和范德华相互作用力。
四元结构:这种结构在两条或两条以上的多肽链之间形成。每条多肽链称为一个亚基。相同或不同的多肽链之间可以形成四元结构。形成这些结构的键包括疏水键、静电键、氢键和共价交联。
2.蛋白质的功能
蛋白质是生物体的重要组成部分。它们几乎参与了细胞的所有过程。它们参与 DNA 复制、细胞信号、催化新陈代谢反应、构建细胞和组织结构以及将分子从一个地方运输到另一个地方等过程。
以下是根据功能特性分类的八类蛋白质。
结构蛋白:它们是纤维状、坚韧、不溶于水的蛋白质。它们是结缔组织、骨骼、肌腱、软骨、指甲、头发和角的结构成分。结构蛋白的例子有胶原蛋白、弹性蛋白和角蛋白。
酶:酶是共轭球蛋白,也被称为生物催化剂。它们通过降低活化能催化新陈代谢反应,从而提高反应速度。蛋白质酶的一些例子包括 DNA 聚合酶、溶菌酶、氮酶和脂肪酶。
激素:激素是由氨基酸长链结合在一起的长多肽。 它们在调节人体生理过程中发挥着重要作用,包括生殖、生长发育、电解质平衡、睡眠等。
呼吸色素:这些是球状蛋白质色素,通常可溶于水。例如,为肌肉提供氧气的肌红蛋白和通过血液将血液输送到所有组织和器官的血红蛋白。
运输蛋白:它们是细胞膜的结构成分。它们在质膜上形成通道,在细胞内传递选择性分子。其中一些还存在于动物的血液和淋巴中。运输蛋白的例子有血清白蛋白(运输血红蛋白和脂肪酸)、通道蛋白和运输蛋白。
运动蛋白: 这些蛋白质参与肌肉的收缩和放松(肌肉运动)。它们包括肌动蛋白、肌球蛋白、驱动蛋白和动力蛋白。
储存蛋白:这些蛋白质是细胞储存氨基酸和金属离子的仓库。它们存在于鸡蛋、种子和豆类中。铁蛋白、卵清蛋白和酪蛋白就是储存蛋白的例子。
毒素:这些蛋白质通常由细菌产生。它们包括白喉毒素、假单胞菌外毒素和核糖体失活蛋白等。它们通过产生细胞毒性帮助细菌攻击和杀死宿主生物。
核酸是存在于细胞和病毒中的大分子,参与遗传信息的储存和传递。核酸最早是由弗里德里希-米舍尔(Friedrich Miesher)在白细胞核中发现的[1]。随后的研究表明,核酸是碱性蛋白质和一种含磷有机酸的混合物。
从结构上讲,核酸是核苷酸(或多核苷酸)的聚合物,是核苷酸的磷酸酯。
含氮碱基:它们是杂环、平面和芳香分子。它们分为两类:嘌呤和嘧啶。嘌呤包括腺嘌呤和鸟嘌呤,存在于 DNA 和 RNA 中。嘧啶包括胸腺嘧啶(仅存在于 DNA 中)、胞嘧啶(存在于 DNA 和 RNA 中)和尿嘧啶(仅存在于 RNA 中)。
五碳糖:核糖(仅存在于 RNA 中)和脱氧核糖(存在于 DNA 中)。这些糖以 D-立体异构构型存在于核酸中。
磷酸离子:这是参与核苷酸聚合的磷酸基团。磷酸二酯键连接两个或多个核苷酸,形成多核苷酸
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