生物大分子

生物大分子(biomacromolecule)與低相對分子量的生物有機化合物相比，高相對分子量的有機化合物具有更高級的物質羣 。它們是由低相對分子量的有機化合物經過聚合而成的多分子體系。生物大分子大多數是由簡單的組成結構聚合而成的，蛋白質的組成單位是氨基酸，核酸的組成單位是核苷酸……像氨基酸、脂肪酸等都叫做生物單分子，是與生命有着密切關係的物質，它們是構成大分子的基本物質。從化學結構而言，蛋白質是由α-L-氨基酸脱水縮合而成的，核酸是由嘌呤和嘧啶鹼基，與糖D-核糖或2-脱氧-D-核糖、磷酸脱水縮合而成，多糖是由單糖脱水縮合而成。由此可知，由低相對分子量的生物有機化合物變為高相對分子量的生物有機化合物的化學反應都是脱水縮合反應。指的是作為生物體內主要活性成分的各種分子量達到上萬或更多的有機分子。高相對分子量的生物有機化合物（生物大分子）主要是指蛋白質、核酸以及高相對分子量的碳氫化合物。常見的生物大分子包括蛋白質、核酸、多糖。這個定義只是概念性的，與生物大分子對立的是小分子物質（二氧化碳、甲烷等）和無機物質。

實際上生物大分子的特點在於其表現出的各種生物活性和在生物新陳代謝中的作用。生物大分子是構成生命的基礎物質。比如：某些多肽和某些脂類物質的分子量並未達到驚人的地步，但其在生命過程中同樣表現出了重要的生理活性。與一般的生物大分子並無二致 ^[2]  。

在原始地球條件下，有兩條路徑可以達到脱水縮合以形成高分子：其一是通過加熱，將低相對分子量的構成物質加熱使之脱水而聚合；其二是利用存在於原始地球上的脱水劑來縮合。前者常常是在近於無水的火山環境中進行，後者則可以在水的環境中進行。

生物大分子都可以在生物體內由簡單的結構合成，也都可以在生物體內經過分解作用被分解為簡單結構，一般在合成的過程中消耗能量，分解的過程中釋放能量。

生物大分子是生物體的重要組成成份，不但有生物功能，而且分子量較大，其結構也比較複雜。在生物大分子中除主要的蛋白質與核酸外，另外還有糖、脂類和它們相互結合的產物。如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等。它們的分子量往往比一般的無機鹽類大百倍或千倍以上。蛋白質的分子量在一萬至數萬左右，核酸的分子量有的竟達上百萬。這些生物大分子的複雜結構決定了它們的特殊性質，它們在體內的運動和變化體現着重要的生命功能。如進行新陳代謝供給維持生命需要的能量與物質、傳遞遺傳信息、控制胚胎分化、促進生長髮育、產生免疫功能等。

人類對生物大分子的研究經歷了近兩個世紀的漫長曆史。由於生物大分子的結構複雜，又易受温度、酸、鹼的影響而變性，給研究工作帶來很大的困難。在20世紀末之前，主要研究工作是生物大分子物質的提取、性質、化學組成和初步的結構分析等。

19世紀30年代以來，當細胞學説建立的時候，有人已經研究蛋白質了。蛋白質命名始於1836年，當時著名的瑞典化學家柏爾採留斯(J．Berzelius)和正在研究雞蛋蛋白類化合物的荷蘭化學家穆爾德(G．J．Mulder)就提出用“蛋白質”命名這類化合物。並且把它列為生命系統中最重要的物質。到20世紀初，組成蛋白質的20種氨基酸已被發現了12種，1940年陸續發現了其餘的氨基酸。19世紀末，有機化學家們就開始探討蛋白質的結構。德國有機化學家費舍爾(E．Fischer)與別人合作提出了氨基酸之間的肽鍵相連接而形成蛋白質的論點，1907年費舍爾又合成了一個由15個甘氨酸和3個亮氨酸組成的18個肽的長鏈。同時英國晶體分析學派中的貝爾納(J．D．Bernal)和阿斯特伯理(W．T．Astbury)等曾用X射線衍射分析方法分析羊毛、頭髮等蛋白的結構，證明它們是摺疊捲曲纖維狀物質。隨着研究的逐步深入，科學家們搞清了蛋白質是肌肉、血液、毛髮等的主要成份，有多方面的功能。

核酸的發現要比蛋白質晚得多。1868年在德國工作的24歲的瑞士化學家米歇爾(F．Miescher)從病人傷口膿細胞中提取出當時稱為“核質”的物質。這就是被後來公認的核酸的最早發現。後來科賽爾(A．Kssel)及他的兩個學生瓊斯(W．Jones)和列文(P．A．Levene)弄清了核酸的基本化學結構，證實核酸是由許多核苷酸組成的大分子。核苷酸是由鹼基、核糖和磷酸構成。其中鹼基有4種(腺瞟呤、鳥瞟呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶)，核糖有2種(即核糖與脱氧核糖)。據此核酸分成兩類：核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。他們根據當時比較粗糙的分析認為，4種鹼基在核酸中的量相等，從而錯誤地推導出核酸的基本結構是由4個含不同鹼基的核苷酸連接成四核苷酸，以此為基礎聚合成核酸，這就是較著名的“四核苷酸假説”。這個假説從20年代後起統治了核酸結構的研究大約20多年的時間，對認識複雜的核酸結構和功能起了相當大的阻礙作用。核酸當時雖然是在細胞核中發現的，但由於它的結構過於簡單，也就很難想象它能在異常複雜多變的遺傳現象中起什麼作用。甚至有些科學家在當時蛋白質的結構被闡明之後，認為很可能是蛋白質在遺傳中起主要作用。

酶的闡明是1897年德國化學家布希納(E．Buchner)從磨碎的酵母細胞中提取出了能使酒精發酵的釀酶開始的。布希納研究表明，從活體內提取出來的酶能同在活體內一樣起作用。不但打擊了當時流行的活力論，而且使生物化學的研究進入瞭解細胞內的化學變化的階段。後來英國的生物化學家哈登(A．Harden)等對酒精發酵的具體化學步驟作了許多研究。到20年代大量實驗結果表明，酵母使糖發酵產生酒精同肌肉收縮時使糖變為乳酸這兩個過程基本上是一致的，又稱糖酵解作用。到30年代經許多科學家的研究，最後由德國的生物化學家克雷布斯(H．A．Krebs)綜合，提出了生物呼吸作用最後產生CO2和H2O及能量(ATP)的三羧酸循環。在此期間還有許多科學家研究了脂肪和氨基酸等的代謝以及糖、脂肪及蛋白質在代謝中相互轉化和它們的生物合成等。這些過程均是在酶的催化下完成的。

無機物與生物大分子的作用主要體現在金屬離子及其配合物與生物大分子的作用。主要包括金屬離子對生物大分子的探針和識別、配體與生物大分子對金屬離子的競爭反應、離子和電子在生物大分子內或生物大分子間的傳遞等。金屬離子與生物大分子結合後，常常會發生明顯的生物化學效應。如一些金屬氯化物和葡萄糖酸鹽對葡萄糖氧化酶的活性具有激活和抑制作用。金屬離子及其配合物與蛋白質的作用主要包括金屬結合引起的構象變化，締合及裝配等引起的後續生物效應。此外。金屬離子及其配合與DNA作用的研究可以幫助人們從分子水平上了解生命現象的本質，為合理設計和尋找有效的治療藥物提供理論指導。如用小分子過渡金屬配合物與大分子DNA的相互作用可以探索大分子DNA的結構、作用機理及功能 ^[2]  。