生物分子

生物由四种主要的大分子(molecule)构成:碳水化合物(carbohydrates)、脂质(lipids)、蛋白质(proteins)和核酸(nucleic acids)。你可以用简单的化学测试来查出一个样品中存在哪些种类。

Semi-quantitative Benedict's test

普通的本尼迪特测试只告诉你"是或否"。一个半定量(semi-quantitative)测试给出一个粗略的量。首先你标准化(standardise)这个测试:你在已知浓度(concentration)的溶液上运行它并记录每个的结果。然后你可以用以下之一估计一个未知量:

• 到第一次颜色变化的时间(更多的糖更快变色),或
• 把最终颜色与你的一组颜色标准比较。

Testing for non-reducing sugars

一些糖,如蔗糖,是非还原糖(non-reducing sugar):它们给出一个阴性的本尼迪特测试。要检出它们:

1. 先做一个普通的本尼迪特测试。它保持蓝色(没有还原糖)。
2. 取一个新鲜样品并加稀盐酸(hydrochloric acid),然后加热。这个酸水解把糖分解成更小的还原糖。
3. 冷却,然后用碳酸氢钠中和(neutralise)酸。
4. 现在再做一次本尼迪特测试。一个砖红色显示曾存在一个非还原糖。

例题。 某溶液的本尼迪特试验呈阴性。随后把它与稀盐酸共煮,用碳酸氢钠中和,再用本尼迪特试剂复检 - 这次变成砖红色。原来含有什么?为什么每一步都必需?第一次的阴性结果排除了还原糖。与酸共煮会水解糖苷键,把像蔗糖这样的非还原糖拆成它的还原性单糖。中和这一步必不可少,因为本尼迪特试剂只在碱性条件下起作用 - 省掉它,即使有糖,试验也会失败。因此复检呈阳性说明原来一直存在非还原糖。要把第一次的阴性试验作为答案的一部分写出来:没有它,最后的红色无法把非还原糖与还原糖区分开。

Monomers, polymers and macromolecules

• 一个单体(monomer)是一个作为单一单元的小分子。
• 一个聚合物(polymer)是一个由许多单体连接在一起构成的长分子。
• 一个大分子(macromolecule)是任何非常大的分子。

糖有三种大小:

• 一个单糖(monosaccharide)是一个单一的糖单元,如葡萄糖(glucose)和果糖。
• 一个二糖(disaccharide)是两个单元连接,如麦芽糖和蔗糖。
• 一个多糖(polysaccharide)是许多单元连接成一个聚合物。

葡萄糖、果糖(fructose)和麦芽糖(maltose)是还原糖。蔗糖(sucrose)是一个非还原糖。

Two ring forms of glucose

葡萄糖有六个碳原子并构成一个环。有两种环形式。它们只在碳 1 上不同:

• 在 α-葡萄糖中,碳 1 上的 –OH 基团指下,在环下面。
• 在 β-葡萄糖中,碳 1 上的 –OH 基团指上,在环上面。

这个小差别决定葡萄糖能构建哪种多糖。

Joining and breaking sugars

单体由强的共价键(covalent bonds)连接。当两个糖连接时,它们之间形成一个糖苷键(glycosidic bond)。这通过缩合(condensation)发生:每次一个键形成时移除一个水分子。

反过来是水解(hydrolysis):加一个水分子来打断一个糖苷键。这就是为什么非还原糖测试需要酸和热——它们把蔗糖水解成葡萄糖和果糖。

Storage polysaccharides: starch and glycogen

淀粉是植物中的能量(energy)储存。它由 α-葡萄糖的两种聚合物构成:

• 直链淀粉(amylose)——一条长的、无分支的链,盘绕成一个螺旋。
• 支链淀粉(amylopectin)——一条带许多侧分支的链。

糖原(glycogen)是动物中的能量储存。它像支链淀粉,但有更多的分支,所以在需要能量时它能被快速分解。

这些储存很好地适合它们的工作:它们紧凑、它们不溶(insoluble,所以它们不离开细胞),而且它们不改变细胞的水势(water potential,所以它们不通过渗透(osmosis)把水拉进来)。许多分支给出许多端,所以葡萄糖可以被快速添加或移除。

Cellulose

纤维素(cellulose)由 β-葡萄糖构成。因为 β 形式,每隔一个葡萄糖就翻转过来,所以链是长而直的。许多直链并排躺着,由氢键(hydrogen bonds)保持在一起成为叫微纤丝(microfibrils)的坚固束。这些给植物细胞壁(cell wall)它的强度并阻止细胞胀破。

Triglycerides

一个甘油三酯(triglyceride)是主要的脂肪或油。它是非极性(non-polar)和疏水(hydrophobic,它不与水混合)的。它由一个甘油(glycerol)分子通过酯键(ester bonds)连接三个脂肪酸(fatty acids)构成。每个酯键通过缩合形成,所以移除三个水分子。

脂肪酸有两种:

• 饱和(saturated)——没有碳–碳双键(double bonds);这些脂肪通常是固体。
• 不饱和(unsaturated)——一个或多个双键;这些油通常是液体。

甘油三酯是一个好的长期能量储存:它们每克释放约两倍于碳水化合物的能量、它们不溶,而且它们储存很少的额外质量,因为它们不含水。在皮肤下它们也提供隔热(insulation)并保护器官。

Phospholipids

一个磷脂(phospholipid)像一个甘油三酯,但一个脂肪酸被一个磷酸(phosphate)基团替换。这给这个分子两个行为不同的端:

• 一个亲水(hydrophilic,"爱水")的极性(polar)磷酸头。
• 两条疏水("怕水")的脂肪酸尾。

这种分裂的个性就是为什么磷脂构成细胞周围的膜。

Amino acids and the peptide bond

蛋白质是氨基酸(amino acids)的聚合物。每个氨基酸在一个中心碳原子周围有同样的一般结构:一个氨基(amino group,–NH₂)、一个羧基(carboxyl group,–COOH)、一个氢原子,和一个可变的侧链(side chain,R 基团)。R 基团在每个氨基酸中不同。

两个氨基酸通过缩合连接。在一个的氨基和下一个的羧基之间形成的键是一个肽键(peptide bond),并移除一个水分子。这样连接的许多氨基酸构成一个多肽(polypeptide)。加水(水解)打断一个肽键。

Four levels of protein structure

折叠的形状由 R 基团之间四种相互作用保持在一起:

• 疏水作用(hydrophobic interactions,非极性 R 基团聚集在远离水处)。
• 氢键。
• 离子键(ionic bonds,在带电的 R 基团之间)。
• 共价键,包括强的二硫键(disulfide bonds)。

Globular and fibrous proteins

• 球状蛋白质(globular proteins)折叠成一个圆形,通常可溶(soluble),并在体内做工作(例如酶和血红蛋白)。
• 纤维状蛋白质(fibrous proteins)构成长链,通常不溶,并提供结构和支持(例如胶原蛋白)。

Haemoglobin — a globular protein

血红蛋白(haemoglobin)在红细胞中携带氧气(oxygen)。它有一个由四条多肽链构成的四级结构:两条 alpha(α-珠蛋白)链和两条 beta(β-珠蛋白)链。每条链容纳一个血红素(haem group)。每个血红素的中心是一个铁(iron)原子,而这就是一个氧分子结合的地方。四条链意味着一个血红蛋白分子能携带四个氧分子。

Collagen — a fibrous protein

胶原蛋白(collagen)给皮肤、肌腱(tendons)、骨和血管壁力量。一个胶原蛋白分子是三条多肽链紧紧地相互缠绕成一个三股链,由氢键保持。许多这些分子并排躺着、稍微错开,并交联成粗纤维(fibres)。这种错开、交联的排列使胶原蛋白在被拉时非常坚固。

水是一个小分子,但它的两个 O–H 键是极性的:氧端稍微带负电,而氢端稍微带正电。所以一个水分子吸引它的邻居,在它们之间构成弱氢键。这些氢键解释水的有用性质:

• 溶剂作用——水是一个好的溶剂(solvent),所以许多物质溶解在它里面。这让反应发生并让物质被运送到全身。
• 高比热容(high specific heat capacity)——水需要很多能量来升温,所以它的温度保持稳定。这保护生物免于快速的温度变化。
• 汽化潜热(latent heat of vaporisation)——水需要很多能量来蒸发(evaporate)。所以当水蒸发时(例如汗水变干时),它带走很多热并使身体降温。

• 把每个食物测试记为试剂 + 阳性结果 + 颜色变化(本尼迪特 → 砖红;碘 → 蓝黑;双缩脲 → 紫;乳浊液 → 白)。
• 本尼迪特检出还原糖;对一个非还原糖你必须先用酸水解,然后重测。
• 精确地命名键:糖苷键(碳水化合物)、酯键(脂质)、肽键(蛋白质)——都由缩合(移除水)构成。
• 把结构与功能联系起来:纤维素(直链、氢键 → 坚固)、糖原/淀粉(分支/盘绕 → 紧凑储存)。
• 对于蛋白质,命名每个层次的键:一级(肽键)、二级(氢键)、三级(R 基团相互作用)、四级。