碳、氢、氧和氮是生物体中四种最丰富的元素，占生物体内发现的原子总数的 99% 以上。碳存在于所有有机分子中，碳原子可以连接在一起形成链或环状结构。

聚合物和大分子

宏是指大的东西，所以大分子就是指大分子，只有三种类型——多糖、蛋白质（多肽）和核酸（多核苷酸）（多表示“许多”）。大分子之所以被称为大分子，是因为它们是由许多重复的亚基组成的，这些亚基相互连接。

碳水化合物

所有碳水化合物都含有碳、氢和氧，并且氢氧比分别为 2:1。

单糖

单糖是糖，并且是可溶的——这意味着它们溶解在水中，形成甜的溶液。单是指一个，糖是指糖——所以单糖是指单糖。单糖根据每个分子中碳原子的数量进行分类——三碳糖（3 个碳原子）、戊糖（5 个碳原子）和己糖（6 个碳原子）。

最常见的单糖葡萄糖的结构，包括左边的α异构体和右边的β异构体（同一种化学物质的两种形式称为异构体）：[1].

关于戊糖和己糖结构的一个重要说明是，碳原子链足够长，可以闭合自身并形成稳定的环状结构，如上图所示。

单糖的作用

简单的糖，如葡萄糖，通常在生物体中用作呼吸作用的能量来源——它们内部的碳氢键很容易被分解，释放大量的能量，进而帮助从 ADP 和磷酸盐中产生 ATP。其次，单糖可以用作较大分子（多糖）的构建块。

糖苷键

如果您查看上面葡萄糖的图像，您将在图像右上角看到一个红色突出显示的羟基（-OH）基团。当两个葡萄糖分子结合在一起时，两个羟基基团会并排排列：一个与另一个的氢原子结合形成水，进而形成跨越两个分子的氧桥，将它们连接起来并形成二糖——这种键被称为糖苷键。该反应被称为缩合反应，而逆反应——添加水是一种水解反应，将二/多糖分解成它们的原始单糖。

糖苷键的形成：[2]

多糖

正如我们之前所见，单糖通过缩合反应中的糖苷键连接起来形成二糖，但如果两个以上的单糖连接在一起，则被称为多糖。重要的是要注意，多糖不是糖，多糖的例子包括淀粉、糖原和纤维素，所有这些多糖都是由葡萄糖制成的。

葡萄糖被转化为这些多糖的原因是储存——如果在细胞中自由存在，葡萄糖将溶解并影响细胞的渗透势，使其过于浓缩。通过缩合反应将其转化为多糖（紧凑的、惰性的、不溶的）——当再次需要葡萄糖时，储存分子（植物中的淀粉，动物中的糖原）可以在酶控制的反应中快速水解。

动物储存分子

糖原 [3] 是动物的主要储存分子。如上图所示，糖原由许多 1,4 连接的α-葡萄糖分子组成（1,4 连接表示它们由连续葡萄糖单元的 1 和 4 号碳原子连接）。这些链向侧面分支，分支由 1,6 连接形成。这些链也盘绕成螺旋结构，使其最终结构更加紧凑（便于储存）。

植物储存分子

淀粉是两种物质的混合物，直链淀粉和支链淀粉。支链淀粉与糖原非常相似，因为它由许多 1,4 连接的α-葡萄糖分子组成，并通过 1,6 连接分支——主要区别在于支链淀粉的分支比糖原少。另一方面，直链淀粉是数千个 1,4 连接的葡萄糖分子的非常长、不分支的链，与糖原和支链淀粉一样，这些链弯曲盘绕成螺旋结构，以实现紧凑性。直链淀粉链通常比支链淀粉长。

纤维素是另一种重要的多糖——并且是地球上最丰富的有机分子。这部分是由于它在细胞壁中的结构作用，部分是由于它的分解速度很慢。纤维素与您所看到的另外两种储存分子之间的主要区别在于，纤维素是β-葡萄糖的聚合物，而另外两种则是α-葡萄糖的聚合物。如果您还记得，葡萄糖的两种异构体仅在 -OH 和 -HO 基团的位置不同，分别位于 1 号和 4 号碳原子上。查看此图片[4]了解更多详细信息。这意味着要形成糖苷键，后续的葡萄糖分子必须相对于彼此处于 180 度的位置，或者换句话说，每个分子必须相对于另一个分子上下颠倒，以便 -OH 和 -HO 基团能够结合。您可以在此处查看纤维素的分子结构：[5]

这些键导致形成牢固的分子，因为氢原子与同一葡萄糖分子和其他相邻葡萄糖分子中的氧原子形成氢键。虽然这些氢键在个体上很弱，但由于大量的 -OH 基团，它们在总体上会产生巨大的强度。此外，在 60 到 70 个纤维素分子之间会紧密交联，形成称为微纤维的束，这些束又通过进一步的氢键结合在一起，形成称为纤维的束，使整个结构更加牢固。

细胞壁中的纤维素

纤维素约占平均细胞壁的 20% 到 40%，其他分子有助于交联纤维素纤维。这是因为纤维素纤维的抗拉强度几乎与钢相当，这意味着纤维素很难断裂，这种非常坚固的细胞壁使植物细胞能够承受很大的渗透压——如果没有它，细胞在稀释溶液中会破裂。对高压的这种允许有助于通过使组织坚硬来为植物提供支撑，并在生长过程中负责细胞膨胀。尽管纤维素具有很高的强度，但它也（非常有用地）是自由渗透的。

脂类

您需要了解的最常见的脂类是甘油三酯，通常被称为脂肪和油。

甘油三酯

所有甘油三酯都由一个甘油“头部”和 3 个脂肪酸“尾部”组成。甘油是一种醇。脂肪酸是有机分子，它们都具有连接到烃尾部的 -COOH 基团。脂肪酸通过缩合反应连接到甘油上。

它们的一个重要特性是它们不溶于水——但溶于某些有机溶剂，包括乙醚、乙醇和氯仿。这是由于脂肪酸的烃尾部——这基本上意味着尾部只有碳与氢结合，不会产生不均匀的电荷分布（不像水分子，水分子是极性的）。这意味着它们不能与水分子自由混合，因此是疏水的和非极性的。

它们的作用通常是作为极好的能量储备——正如您将在接下来的段落中看到的那样，它们富含准备被氧化以产生能量的碳氢键。相同质量的脂类比相同质量的碳水化合物含有更多的能量。脂肪还可以为海生哺乳动物提供浮力，以 blubber 的形式——同时提供绝缘，就像它为所有哺乳动物提供的那样。在特殊情况下，它们也可以用作水的代谢来源——氧化它们以获取能量会将其转化为二氧化碳，然后转化为水。这对生活在沙漠中没有太多水或没有水的动物很有用。

饱和脂肪和不饱和脂肪

不饱和脂肪酸 [6] 由于 C-C=C-C 键（C=C 部分很重要）导致的扭结（见图），因此被称为不饱和脂肪酸，它不包含最大可能的氢含量，从而形成不饱和脂类。双键 (C=C) 使脂肪酸更容易熔化，例如，大多数油都是不饱和的（并且通常在室温下是液体） - 这也使它们更容易消化。一个以上扭结被称为多不饱和，一个扭结被称为单不饱和。

另一方面，饱和脂肪酸 [7]，如您在图片中看到的，包含最大量的碳氢化合物且没有扭结。

动物脂类通常是饱和的，因此是脂肪，而植物脂类通常是不饱和的，例如橄榄油和葵花籽油 - 通常是油。

磷脂

这些是一种特殊的脂类，通常存在于细胞的质膜中（见第一章等）。每个分子都有一端可溶于水，另一端不可溶于水。这是因为其中一个脂肪酸被一个极性的磷酸基团取代，该磷酸基团可以溶解在水中，使其成为亲水性的。其余两个尾部仍然是疏水的，但头部是亲水性的。

蛋白质

概述

蛋白质在生物体中具有许多重要的功能 - 并且大多数细胞的干质量超过 50% 是蛋白质。它们的功能可能包括；

所有酶都是蛋白质
抗体是蛋白质
细胞膜的重要组成部分（糖蛋白、转运蛋白等）
胶原蛋白形式的结构支撑

氨基酸

尽管有上述各种功能（绝不是详尽无遗的），但所有蛋白质都是由 20 种不同的氨基酸制成的。所有氨基酸都具有相同的基本结构 - 一个中心碳原子，它与一个“胺”基团 -NH2（图中左侧）和一个羧酸基团 -COOH（图中右侧）键合。与碳基团的第三个键总是氢原子（以紫色显示）。剩下的“R”基团（以黄色显示）是与中心碳原子键合的第四个可变基团。这就是使氨基酸彼此不同的原因 - 并且正是这些 R 基团改变了蛋白质分子的形状，从而改变了它们的功能。见图：[8]

肽键

肽键是在两个氨基酸在缩合反应中相互连接后形成的键 - 一个从羧酸基团（见上图）失去一个羟基，这使得第一个氨基酸的碳原子可以与第二个氨基酸的氮原子键合 - 肽键。这个分子现在被称为二肽 - 但可以通过额外的缩合反应扩展，形成多肽。

结构

一级结构

蛋白质的一级结构仅指多肽链中氨基酸的类型以及它们连接的顺序。正如您所料，由于有 20 种不同的氨基酸，并且有许多不同的组合，因此有许多不同的可能的一级结构。

二级结构

蛋白质的二级结构是氨基酸对多肽链的影响，即使它们不直接相邻，例如我们之前看到的 α-螺旋，这是由于一个氨基酸的 -CO 基团的氧与 -NH 基团的氢之间的吸引力造成的链中任何其他地方的氨基酸，形成氢键。另一种形状是 β-折叠片，它是一种更松散但更直的形状。有时没有规则的排列 - 这取决于存在的氨基酸。

三级结构

蛋白质的三级结构是蛋白质盘绕成精确的 3D 形状的方式。这可能是由于二级结构中盘绕或折叠后的氢键造成的，但也可能形成其他键，例如半胱氨酸氨基酸之间的二硫键。离子键发生在带正电和带负电的“R”基团之间。多肽的疏水部分位于多肽链的中心（远离水），而多肽的亲水部分位于多肽链的外部（靠近水）。所有这些都影响着多肽的三级结构。

四级结构

四级结构被称为一个蛋白质内不同多肽链的结合。与三级结构相同的键将不同的多肽链连接在一起（氢键、二硫键和离子键）。血红蛋白和胶原蛋白是具有四级结构的蛋白质的两个例子。

球状蛋白和纤维状蛋白

球状蛋白只是一个看起来卷成球的蛋白质 - 这通常是为了使蛋白质的非极性疏水 R 基团指向分子的中心，使其可溶于水，因为水会聚集在它们的向外指向的亲水基团周围，但水不能进入分子。酶总是球状蛋白，因此球状蛋白参与代谢反应。但是，不卷成球的蛋白质而是形成长链的蛋白质被称为纤维状蛋白质，并且大多不溶于水。角蛋白和胶原蛋白就是这种情况。

血红蛋白

您必须了解的球状蛋白的一个例子是血红蛋白。它是一种携带氧气的色素，存在于红细胞中。它有四条多肽链，两条 α 链，两条 β 链，并且几乎呈球形。每条多肽链都包含一个血红素基团，它是一个重要的并且是蛋白质分子不可分割的一部分，它不是由氨基酸组成，被称为辅基。每个血红素基团都包含一个铁离子 Fe²⁺，一个氧分子可以与每个铁离子结合。一个完整的血红蛋白分子有四个血红素基团，因此一次可以携带四个氧分子。血红素基团也负责血红蛋白的颜色 - 如果血红蛋白与氧气结合（氧合血红蛋白），它呈鲜红色，否则呈紫色。

与所有球状蛋白一样，向外指向的亲水 R 基团保持了它在水中的溶解度 - 但是这可能会受到一种称为镰状细胞性贫血的疾病的影响。在这种情况下，一条 β 多肽链中一个亲水区域的一个氨基酸被一个不同的氨基酸取代，原始氨基酸是极性氨基酸，而替换氨基酸是非极性的。正如您将在水部分看到的那样，这会导致问题。它使血红蛋白的溶解度大大降低，对于所有血红蛋白都是这种有缺陷类型的任何人来说都是令人不快和危险的。

胶原蛋白

如前所述，胶原蛋白是一种纤维状蛋白质，存在于皮肤、肌腱、骨骼、牙齿、软骨中，重要的是存在于血管壁中，它在许多动物中是一种普遍重要的结构蛋白。胶原蛋白如此坚固的原因是它由三条多肽链组成，每条多肽链都呈螺旋状，相互缠绕形成三股“绳索”。链中几乎每一个氨基酸都是甘氨酸，它很小，并且允许三股紧密地排列在一起并形成紧密的螺旋，并且氢键连接了这些股。

胶原蛋白（完整的 3 股胶原蛋白分子）之间的交联形成纤维，使其具有巨大的抗拉强度（承受巨大的拉力）。

水

水是每个细胞的主要成分，通常占细胞质量的 70-95%，人体约 60% 是水。如果没有它是偶极子（见下文的“偶极子和氢键”），水将在正常的地球温度下是一种气体。

溶解性

水是极性分子和离子的良好溶剂，因为水会聚集在它们的亲水边缘并将它们分开。这就是溶解过程中发生的事情 - 因此化学物质可以自由移动并与水中的其他化学物质反应。非极性分子不溶于水，如果被水包围，会被水推到一起，例如脂类。

当水用作运输介质时，它的溶解性也很有用 - 在动物的血液、淋巴、排泄和消化系统中，以及植物的维管组织中。

热性能

水中形成的氢键意味着改变水的温度需要相对大量的能量，这意味着大型水体温度变化缓慢，因此是更稳定的栖息地。这在动物体内很有用，因为水的比例很高，因此更容易获得稳定的体温。同样在体内也很有用的是，蒸发过程会转移大量的能量，这就是为什么出汗对降低体温有效的原因。

将水转化为冰需要大量的能量，因此水不太可能结冰。此外，冰的密度小于水，因此例如当河流的一部分结冰时 - 冰会浮到顶部并充当其他水的绝缘体。这意味着水生生物仍然可以生存，因为整条河流不太可能结冰。

内聚力

水分子，部分由于它们的极性，具有粘在一起的趋势，这种性质被称为内聚力。这提供了很高的表面张力，使非常轻的动物能够将水表面用作栖息地。这也意味着水可以通过植物中的维管组织以长而不断的柱体移动，并且是细胞中重要的特性。

偶极子和氢键

分子中的原子结合在一起是因为它们相互共享电子。一对共享的电子形成共价键 - 例如在水分子中，两个氢原子分别与一个氧原子共享一对电子。但是，正如这 [9] 图所示，电荷分布不均匀，氧气获得的份额超过了它的份额，并获得了少量负电荷，而两个氢原子获得的份额都少于它们应得的份额，从而产生了正电荷。

这种电荷的不均匀分布被称为偶极。在水中，氧原子的负电荷被氢原子的正电荷吸引，这种吸引力被称为氢键 - 虽然比共价键弱，但足以产生显著的影响。含有偶极基团 (-OH, -C=0 或 >N-H) 的分子被称为极性分子，因为它们会被水分子吸引（因为水也是一个偶极分子）。这些极性分子是亲水的，并且倾向于溶解在水中。那些非极性分子不会被水吸引，因此是疏水的。

其他

不适合其他部分的信息，或者最好分组的信息。

食物测试

这些是重要的食物测试 - 可以告诉你溶液中是否存在某些分子。

**表格 1：食物测试**
测试对象	使用什么	方法	结果
蛋白质	双缩脲试剂	向溶液中加入双缩脲试剂。	紫色表示存在蛋白质。
脂类	乙醇 - 乳化测试	向溶液中加入乙醇，摇晃，然后加入水。	如果在乙醇和水之间出现浑浊的白色溶液，则表示存在脂类。
淀粉	碘溶液	将碘溶液添加到可能含有淀粉的物质中。	如果与淀粉接触，会迅速产生蓝黑色。
还原糖	斐林试剂	将斐林试剂加入要测试的溶液中，并在水浴中加热。	如果存在还原糖，物质将变为砖红色。
非还原糖	斐林试剂	将糖溶液与稀盐酸一起加热，然后加入氢氧化钠使其中和，然后进行还原糖测试。	如果存在还原糖，物质将变为砖红色。

关于斐林测试的补充说明 - 它需要过量的斐林试剂才能与所有存在的糖反应。对于非还原糖测试，将糖溶液与稀盐酸一起加热的原因是为了水解任何存在的糖苷键，使糖成为还原糖，以便它可以还原斐林试剂并引起颜色变化。然而，斐林试剂只在碱性环境中起作用，因此必须加入氢氧化钠使其中和。

无机离子

分子不是生物体结构和代谢中唯一重要的物质类型 - 它们还需要各种各样的离子（参见下表）。离子是由单个原子通过获得或失去一个或多个电子而形成的，因此带负电荷或正电荷。

**表格 2：八种重要的无机离子及其功能**
离子	在生物体中的功能
钙，Ca²⁺	骨骼和牙齿的重要结构成分（与磷酸盐结合时）。钙离子用于跨突触传递电脉冲。还在肌肉收缩过程中使用。
氯，Cl^-	与钠一起，维持亨利氏环（肾脏）中的浓度梯度。还有助于平衡细胞内外其他离子的正电荷。
铁，Fe²⁺	血红蛋白的辅基血红素，它是氧结合的离子。
镁，Mg²⁺	光合作用 - 叶绿素分子含有镁。
硝酸盐，NO₃-	植物利用硝酸盐中的氮来制造氨基酸和核苷酸。
磷酸盐，PO₄^3-	用于制造核苷酸，包括 ATP。与钙结合形成磷酸钙。
钾，K⁺	动物神经冲动传导。在植物中，保卫细胞的膨压，因此也参与气孔的开闭。
钠，Na⁺	神经冲动传导，也维持亨利氏环（肾脏）中的浓度梯度。