当前课程知识点：现代生物学导论 > 第二讲 生命的化学基础 > 2.4 大生物分子 > 2.4 大生物分子
大生物大分子主要有4类：核酸、蛋白质、糖类和脂类
其中核酸、蛋白质和糖类被成为高分子（或者聚合物分子）
聚合物一般是由相同或相似的单体通过共价键组成长链分子
单体间通过失水反应实现的
当两个单体形成共价键时
一个单体提供-OH，另一个单体提供-H
来组成水分子
多聚体是通过水解反应分解成单体的
我们体内消化食物，吸收营养的过程就是多聚体被水解成单体的过程
因为多聚体太大，无法直接进入我们的细胞
所以这些多聚体在我们的消化系统内被各种各样的酶所催化
加速水解反应
在这一小节中，我们介绍这几种大分子的结构和功能
糖类，也叫做碳水化合物
糖类可以给生物体提供能量
糖类也提供结构支持
比如说纤维素，是组成植物细胞壁的主要成分
还有几丁质，常见于真菌细胞壁和昆虫的外骨骼，起结构支持作用
在生物学中，我们把Sugar叫做Saccharides
像图中这样把糖分子用六边形来表示
是因为大多数糖分子是以这种形式聚合在一起的
如果只有一个糖分子，叫做单糖
我们最熟悉的单糖就是葡萄糖了
如果有两个糖分子连接在一起，叫做二糖
二糖的例子是蔗糖，是由一个葡萄糖分子和一个果糖分子组成
如果有3-10个糖分子连接在一起，叫做寡糖，也叫做低聚糖
如果有一长串糖分子连接，叫做多糖，糖原就属于多糖
这是糖类的分子式
碳原子、氧原子和氢原子以这样的比例来组成
我们以典型的单糖，葡萄糖为例，这个是葡萄糖的分子式
由于碳环周围有氧原子，所以葡萄糖能很快地溶解于水中
葡萄糖通过光合作用被植物生产出来，被用于细胞呼吸产生能量
我们这里讨论的很多糖类都是从葡萄糖生成的
果糖和半乳糖也是单糖
这三种单糖都可以直接在血液中运输
这个是二糖，分子式是这样的
比如蔗糖，是由葡萄糖和果糖结合形成的
我们体内有一种蔗糖酶，需要先把蔗糖分解，才能供身体代谢使用
同样，牛奶中的乳糖也是二糖
下一个是寡糖，普遍存在于动物细胞的细胞膜上
胡萝卜中含有寡糖，这些寡糖需要通过加热烹饪才能释放出来
下面我们再来看多糖，淀粉是典型的多糖
植物产生多糖是为了储存能量
在我们人体内也有类似的多糖：糖原，糖原被储存在肝脏中
当体内摄入的葡萄糖多于需求时，这些葡萄糖会以糖原的方式储存
当需要时，糖原进行分解产生葡萄糖
多糖也起到结构支持的作用，比如纤维素
是由8000-10000左右的葡萄糖组成的
而且分子间通过氢键相连，使得纤维素较坚韧
蛋白质 ---几乎所有活的生物都需要蛋白质
蛋白质的英文是protein
这是从希腊文来的，意思是“第一的”，“基本的”
蛋白质是由氨基酸组成的，图中是常见的20种氨基酸
氨基酸是从哪里来的？基本上是从我们的饮食中来
氨基酸的化学组成主要有这么几个部分
第一个是碳原子和氢原子连接，这个碳我们经常叫做alpha-碳
第二个是和这个碳连接的有氨基基团
第三个是和碳连接的另一边有羧基基团
所有的氨基酸都含有这三部分
决定了每个氨基酸的不同的是其侧链
那么每个氨基酸是如何结合的呢
一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基发生脱水反应
形成共价键：肽键
多个氨基酸连接而成叫做多肽
由于每个氨基酸的侧链不同
组成的多肽由于侧链不同而有差异
我们来看这个例子
这个侧链是极性的，而这个侧链是非极性的
那么在水中，极性的倾向于和水分子结合
而非极性的则躲避水分子
再来看这个侧链是带正电荷，而这个侧链带负电荷
所以这两个氨基酸倾向于互相靠近
所以，多肽由于氨基酸侧链的化学性质不同
倾向于折叠成有三维结构的蛋白质
蛋白质一共有4级结构
一级结构就是蛋白质中氨基酸的顺序
二级结构就是依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键
形成的稳定结构
主要为α螺旋和β折叠
三级结构主要是通过氨基酸侧链之间的反应
导致多个二级结构元素在三维空间的排列
所形成的一个蛋白质分子的三维结构
四级结构用于描述由不同多肽链（亚基）间
相互作用形成具有功能的蛋白质复合物分子
人类的血红蛋白就是一个很好的例子
蛋白质的结构由氨基酸的侧链决定
但是蛋白质的结构和物理化学条件也密切相关
比如pH值，盐浓度，温度等
都会影响蛋白质内的弱化学键，导致其断裂，从而破坏蛋白质的结构
那么破坏蛋白质的二级、三级、四级结构的过程就叫做蛋白质的变性
我们以鸡蛋的例子来说明
生鸡蛋到煮熟的过程中蛋白质发生了变形，也就是里面的蛋白质发生了变形
那么我们通过这种形式来表达蛋白质由正常形状变为变形形状
蛋白质结构的改变也改变其功能
蛋白质的功能：（1）催化（酶）（2）防御（抗体）
（3）储藏氨基酸（母乳中的蛋白）（4）运输（转运蛋白）
（5）激素（胰岛素）（6）受体
（7）动力蛋白 （8）结构支持
脂类 --- 多样的疏水分子
我们平时看到的植物油和动物油中的脂肪
在生物学上叫做三酸甘油酯
三酸甘油酯的结构是有一个甘油分子的头部
尾部有三条脂肪酸链，储存大量的能量
当我们摄入脂肪时
我们体内有脂肪酶可以把其分解，产生能量
脂类中能量的产生主要是从脂肪酸的碳氢链的断裂产生的
这里要注意的是脂肪酸的链有两种
一种叫做饱和的链
即链的周围都有氢原子包围，链被氢原子饱和
饱和的链可以紧密被包裹在一起
在室温下成固体的形状，比如黄油
另一种是不饱和链，即长链中有双键的形成
长链倾向于弯曲
如果是饱和链，就是这样
如果是不饱和链，就会是这样
有弯曲的链不容易被包裹在一起
无法形成固态，一般在室温下是液态形式
我们常见的植物油都是不饱和的
除了提供能量外，脂类还参与了生物组成
细胞膜的最重要成分是磷脂
磷脂有两条脂肪酸长链
头部是磷酸基团，携带负电荷
当我们把油加在水中，两者会分开，因为脂类是非极性的
但由于磷脂携带磷酸基团
所以磷脂在水中会形成这种双层结构
保护憎水基团远离水分子
在细胞表面，磷脂也是形成这种双层结构
亲水基团向外，和细胞外部的液体环境接触
憎水基团向内，远离水分子
磷脂双分子层在细胞和外界环境间形成一个边界
我们介绍的另外一种脂类是类固醇
在生物体中最重要的角色就是作为激素
胆固醇是类固醇的一种，参与动物细胞膜的组成
它在细胞膜中的作用是保证细胞膜的流动性
同时，胆固醇也是很多植物激素的前体
核酸 --- 储藏、传递和帮助表达遗传信息
我们前面讲到氨基酸序列决定蛋白质的一级结构
那么什么决定了多肽的氨基酸序列呢
基因是DNA的一部分，而DNA是核酸的一种
核酸就是由单体核苷酸聚合而成的高分子
核苷酸主要由三部分组成
磷酸基团、五碳糖和含氮碱基
核酸分为两种：DNA，即脱氧核糖核酸；和RNA，即核糖核酸
在DNA中，有四种含氮碱基
腺嘌呤，A，鸟嘌呤，G，胞嘧啶，C，和胸腺嘧啶，T
在RNA中，也有四种碱基
唯一和DNA不同的是RNA中有尿嘧啶，U
而不是胸腺嘧啶，T
DNA和RNA的区别有什么呢
（1）DNA是双链，RNA是单链
（2）含氮碱基不同
（3）DNA含有脱氧核糖，RNA含有核糖
DNA是双链的
首先，核苷酸通过聚合形成核苷酸长链
两条DNA链之间通过碱基间形成氢键结合在一起的
我们在后面的课程中会具体介绍DNA的结构
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
