生物分子

生物分子是对存在于生物体中的分子的广泛使用的术语，这些分子对于一个或多个典型的生物过程（例如细胞分裂、形态发生或发育）是必不可少的。生物分子包括大分子（或聚阴离子），如蛋白质、碳水化合物、脂质和核酸，以及小分子，如初级代谢物、次级代谢物和天然产物。此类材料的更通用名称是生物材料。生物分子是生物体的重要元素，这些生物分子通常是内源性的，在生物体内产生，但生物体通常需要外源性生物分子，例如某些营养物质才能生存。生物学及其生物化学和分子生物学的子领域研究生物分子及其反应。大多数生物分子是有机化合物，只有四种元素——氧、碳、氢和氮——构成了人体质量的96%。但许多其他元素，如各种生物金属，也少量存在。特定类型的分子（生物分子）和某些代谢途径的一致性是广泛多样的生命形式中不变的特征；因此，这些生物分子和代谢途径与细胞理论和进化论一起被称为生物化学普遍性或生物物质统一理论，这是生物学中的一个统一概念。

存在多种生物分子，包括：

• 小分子：
  • 脂质、脂肪酸、糖脂、甾醇、单糖
  • 维生素
  • 激素、神经递质
  • 代谢物
• 单体、低聚物和聚合物：

核苷是通过将核碱基连接到核糖或脱氧核糖环上形成的分子。这些的例子包括胞苷(C)、尿苷(U)、腺苷(A)、鸟苷(G)和胸苷(T)。核苷可以被细胞中的特定激酶磷酸化，产生核苷酸。DNA和RNA都是聚合物，由聚合酶从单核苷酸的重复结构单元或单体组装而成的长线性分子组成。DNA使用脱氧核苷酸C、G、A和T，而RNA使用核糖核苷酸（在戊糖环上有一个额外的羟基(OH)基团）C、G、A和U。修饰碱基相当常见（例如基环上带有甲基），如在核糖体RNA或转移RNA中发现的，或用于在复制后区分新的和旧的DNA链。每个核苷酸由无环含氮碱基、戊糖和一到三个磷酸基团组成。它们含有碳、氮、氧、氢和磷。它们作为化学能的来源（三磷酸腺苷和三磷酸鸟苷），参与细胞信号传导（环磷酸鸟苷和环磷酸腺苷），并被纳入酶促反应的重要辅助因子（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盐）。

DNA结构以著名的双螺旋结构为主，该双螺旋结构由C与G和A与T的Watson-Crick碱基配对形成。这被称为B型DNA，绝大多数是最有利和最常见的DNA状态；其高度特异性和稳定的碱基配对是可靠的遗传信息存储的基础。DNA有时会以单链（通常需要通过单链结合蛋白来稳定）或A型或Z型螺旋的形式出现，并且偶尔会以更复杂的3D结构出现，例如DNA复制过程中霍利迪交界处的交叉。相反，RNA形成大而复杂的3D三级结构，让人联想到蛋白质，以及具有构成信使RNA分子的局部折叠区域的松散单链。这些RNA结构包含许多A型双螺旋链，通过单链环、凸起和连接点连接成明确的3D排列。例如tRNA、核糖体、核酶和核糖开关。这些复杂的结构是由于RNA骨架比DNA具有更少的局部灵活性，但有大量不同的构象，显然是因为核糖上额外的OH的正负相互作用。结构化的RNA分子可以与其他分子进行高度特异性结合，并且自身可以被特异性识别；此外，它们可以进行酶催化（当它们被称为核酶时，

单糖是碳水化合物的最简单形式，只有一种单糖。它们的结构中基本上包含醛基或酮基。单糖中醛基的存在由前缀aldo-表示。类似地，酮基由前缀keto-表示。单糖的例子是己糖、葡萄糖、果糖、丙糖、丁糖、庚糖、半乳糖、戊糖、核糖和脱氧核糖。食用的果糖和葡萄糖具有不同的胃排空率、不同的吸收和不同的代谢命运，为两种不同的糖类提供了多种机会来不同地影响食物摄入。大多数糖类最终为细胞呼吸提供燃料。当两个单糖或两个单糖在除去水的情况下形成键时，就会形成二糖。它们可以通过与稀酸一起煮沸或与适当的酶反应来水解以产生它们的糖精构件。二糖的例子包括蔗糖、麦芽糖和乳糖。多糖是聚合的单糖或复合碳水化合物。它们有多种单糖。例子是淀粉、纤维素和糖原。它们通常很大并且通常具有复杂的分支连接。由于它们的大小，多糖不溶于水，但它们的许多羟基在暴露于水中时会单独水合，一些多糖在水中加热时会形成粘稠的胶态分散体。具有3-10个单体的较短多糖称为寡糖。开发了一种用于识别糖类的荧光指示剂-位移分子印迹传感器。成功判别三个品牌的橙汁饮料。所得传感膜的荧光强度变化与糖类浓度直接相关。

木质素是一种复杂的多酚大分子，主要由β-O4-芳基键组成。在纤维素之后，木质素是第二丰富的生物聚合物，是大多数植物的主要结构成分之一。它包含衍生自对香豆醇、松柏醇和芥子醇的亚基，并且在生物分子中是不寻常的，因为它是外消旋的。缺乏旋光性是由于通过自由基偶联反应发生的木质素聚合，其中在手性中心对任一构型均无偏好。

脂质（油质）主要是脂肪酸酯，是生物膜的基本组成部分。另一个生物学作用是能量储存（例如甘油三酯）。大多数脂质由一个极性或亲水性头部（通常是甘油）和一到三个非极性或疏水性脂肪酸尾部组成，因此它们是两亲性的。脂肪酸由未支链的碳原子链组成，这些碳原子链仅通过单键（饱和脂肪酸）或通过单键和双键（不饱和脂肪酸）连接。链通常有14-24个碳基团长，但总是偶数。对于生物膜中存在的脂质，亲水性头部来自以下三类之一：

• 糖脂，其头部含有具有1-15个糖残基的寡糖。
• 磷脂，其头部包含一个带正电荷的基团，该基团通过带负电荷的磷酸基团与尾部相连。
• 甾醇，其头部包含一个平面类固醇环，例如胆固醇。

其他脂质包括前列腺素和白三烯，它们都是由花生四烯酸合成的20碳脂肪酰基单元。它们也被称为脂肪酸

氨基酸含有氨基和羧酸官能团。（在生物化学中，术语氨基酸用于指氨基和羧酸官能团连接到相同碳的氨基酸，加上实际上不是氨基酸的脯氨酸）。有时在蛋白质中观察到修饰的氨基酸；这通常是翻译后酶促修饰（蛋白质合成）的结果。例如，激酶对丝氨酸的磷酸化和磷酸酶的去磷酸化是细胞周期中的重要控制机制。在某些生物体中，除了标准的20种氨基酸之外，只有两种氨基酸在翻译过程中被掺入蛋白质中：

• 硒代半胱氨酸以UGA密码子并入某些蛋白质中，该密码子通常是终止密码子。
• 吡咯赖氨酸以UAG密码子并入一些蛋白质中。例如，在用于产生甲烷的酶中的一些产甲烷菌。

除了用于蛋白质合成的氨基酸外，其他生物学上重要的氨基酸包括肉碱（用于细胞内的脂质转运）、鸟氨酸、GABA和牛磺酸。

形成蛋白质的特定氨基酸系列被称为该蛋白质的一级结构。这个序列是由个体的基因组成决定的。它指定了沿线性多肽骨架的侧链基团的顺序。蛋白质具有两种类型分类明确、经常出现的局部结构元素，这些元素由沿着主链的特定氢键模式定义：α螺旋和β折叠。它们的数量和排列方式称为蛋白质的二级结构。α螺旋是由一个氨基酸残基的主链CO基团（羰基）和i+4残基的主链NH基团（酰胺）之间的氢键稳定的规则螺旋。螺旋每圈大约有3.6个氨基酸，氨基酸侧链从螺旋的圆柱体中伸出。β褶皱片由各个β链之间的主链氢键形成，每个β链都处于延伸或完全延伸的构象。这些股线可以彼此平行或反平行，并且侧链方向在片材上下交替。血红蛋白仅包含螺旋，天然丝由β折叠片形成，许多酶具有交替螺旋和β链的模式。二级结构元素通过非重复构象的环或线圈区域连接，这些区域有时非常移动或无序，但通常采用明确定义的稳定排列。蛋白质的整体、紧凑的3D结构称为其三级结构或折叠。它是由氢键、二硫键、疏水相互作用、亲水相互作用、范德华力等各种吸引力的结果形成的。当两条或多条多肽链（序列相同或不同）聚集形成一个蛋白质时，就形成了蛋白质的四级结构。四级结构是聚合（相同序列链）或异聚（不同序列链）蛋白质的属性，如血红蛋白，由两条α和两条β多肽链组成。

脱辅基酶（或通常是脱辅基蛋白）是没有结合任何小分子辅因子、底物或抑制剂的蛋白质。它通常作为蛋白质的非活性储存、运输或分泌形式很重要。例如，这是保护分泌细胞免受该蛋白质活性影响所必需的。添加辅因子后，脱辅基酶成为活性酶。辅因子可以是无机的（例如，金属离子和铁硫簇）或有机化合物（例如，[黄素基团|黄素]和血红素）。有机辅因子可以是与酶紧密结合的辅酶基团，也可以是在反应过程中从酶的活性位点释放的辅酶。

同工酶或同工酶是酶的多种形式，蛋白质序列略有不同，功能非常相似但通常不相同。它们要么是不同基因的产物，要么是可变剪接的不同产物。它们可以在不同的器官或细胞类型中产生以执行相同的功能，也可以在不同的调节下在相同的细胞类型中产生几种同工酶，以适应不断变化的发育或环境的需要。LDH（乳酸脱氢酶）具有多种同工酶，而胎儿血红蛋白是发育受调控的非酶蛋白同工型的一个例子。血液中同工酶的相对水平可用于诊断分泌器官的问题。