“生物大分子”概念及包含的物質(zhì)種類辨析

汪銀芳 張敏 周長發(fā)

（南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 210023）

1 引言

生物大分子是生物學(xué)中的重要概念，在我國的高中生物教材中就已出現(xiàn)，是學(xué)習(xí)物質(zhì)代謝、能量代謝和信息傳遞等生命活動的基礎(chǔ)。然而，對生物大分子的準(zhǔn)確定義以及其所包含的物質(zhì)種類不同教材卻說法不一，給教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)帶來一定的困擾，有必要進(jìn)行辨析和考證。已有文獻(xiàn)提及過此問題，但似乎沒有給出準(zhǔn)確的定義和標(biāo)準(zhǔn)，多是成分羅列，也沒有提供詳細(xì)的文獻(xiàn)依據(jù)和物質(zhì)種類，更沒有對概念的準(zhǔn)確把握，故有必要再進(jìn)行深入討論。

2 高中生物教材對生物大分子的不同定義

現(xiàn)行高中生物主要教材對生物大分子的說法和定義不一。如人教版教材中說“多糖、蛋白質(zhì)、核酸等都是生物大分子”（必修1，P.33）；而北師大版教材中則說“糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸是組成生物體重要的生物大分子”（必修1，P.18）；浙科版教材認(rèn)為在所有的生物體內(nèi)，存在3類生物大分子，糖類、蛋白質(zhì)和核酸，有時為了方便把脂質(zhì)也歸為生物大分子（必修1，P.8）；蘇教版教材卻提到：“糖類、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等都是細(xì)胞中的生物大分子”（必修1，P.13）。從以上四種教材對生物大分子的提法來看，只有“蛋白質(zhì)”在所有定義中都出現(xiàn)，而其他物質(zhì)卻不統(tǒng)一。其中的焦點則是“糖類”和“脂質(zhì)”。眾所周知，糖類包含單糖、寡糖和多糖，它們在組成、性質(zhì)等方面都有所不同，類似氨基酸與多肽、蛋白質(zhì)的關(guān)系，而生物大分子到底是包含全部糖類或僅是多糖似乎需要確認(rèn)。脂質(zhì)的情況與之類似。

3“大分子”一詞的來源和定義

第一個明確提出大分子概念的是施陶丁格，他于1922年提出了類似于大分子的高分子復(fù)合物（high molecular compounds）一詞用于描述由共價鍵連接的原子數(shù)目大于1 000的巨型有機(jī)鏈?zhǔn)椒肿印?924年，他給“大分子”下了一個明確的定義：“對于這種膠體顆粒（其主要組成成分是分子，而膠體分子的原子間通過共價鍵連接），為更好區(qū)別，我們建議稱它們?yōu)榇蠓肿樱∕akromolekül，macromolecule）”。

與大分子一詞相近甚至混用的另外兩個詞為“多聚物（polymer）”和“高分子”。后者也是“macromolecule”一詞的翻譯，多用于化學(xué)中?！皃olymer”由永斯·貝采利烏斯于1833年首次提出，用來稱呼由多個相同單體組成的聚合物。

可見，從原義上看，“大分子”與“多聚物”是不同的。一些多聚體不是大分子（如SO3的三聚體環(huán)S3O9），同時一些大分子在構(gòu)成上也不符合多聚物的形成方式（例如由兩種以上的單體構(gòu)成的聚合物，像丁苯橡膠是丁二烯和苯乙烯的共聚物，以及縮聚體）。

然而，無論是外文還是中文，“大分子、高分子、多聚物”三個詞匯都有不同程度的混淆或混同，給理解造成一定的困難。

4 生物大分子的定義

“生物大分子”對應(yīng)的英文詞為“biomacromolecule”，可以理解為由生物體產(chǎn)生或制造的有機(jī)大分子，并不一定是多聚物。同時，生物大分子不都是由單一的單體重復(fù)聚合而成的復(fù)合物（如常見的核苷酸有4種，氨基酸有20多種），且它們或多或少都有其他物質(zhì)的加入（如蛋白上有糖、核苷酸上有磷等）。有詞典提出：“生物大分子是指蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)，是一種或多種小分子物質(zhì)如單糖、氨基酸、核苷酸靠共價鍵連接而成的聚合體”。

一般認(rèn)為，蛋白質(zhì)分子應(yīng)由50個以上的氨基酸殘基組成，部分蛋白質(zhì)還有多條肽鏈，相對分子質(zhì)量大約為5 000到幾百萬，已知最小的天然蛋白質(zhì)是胰島素，相對分子質(zhì)量達(dá)5 733，由51個氨基酸組成。核酸是由50個以上核苷酸組成多聚核苷酸，以核苷酸的平均相對分子質(zhì)量330計算，則核酸的相對分子質(zhì)量大于16 000。多糖是由20個以上單糖聚合成的糖類，各種多糖的分子量從幾萬到幾百萬不等。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)指出，一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)或多糖，在發(fā)揮生物學(xué)功能時，必須具有特定的空間結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)），而且在發(fā)揮生物學(xué)功能的過程中必須存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化。

由上可以看出，生物大分子應(yīng)該具有以下特點：不強(qiáng)調(diào)小分子物質(zhì)特別是相同單體的長鏈聚合，但它的相對分子質(zhì)量至少應(yīng)在5 000以上，原子數(shù)目至少應(yīng)在1 000以上，并且擁有特定的空間結(jié)構(gòu)。

5 生物大分子的種類

根據(jù)以上對生物大分子的討論與定義，蛋白質(zhì)、核酸和多糖是生物大分子。

糖類包括單糖、寡糖和多糖。單糖如葡萄糖分子量較小，不具備生物大分子的特征，所以單糖不是生物大分子。寡糖由2～20個單糖殘基聚合成，多數(shù)寡糖為二糖，包括麥芽糖、蔗糖和乳糖等，它們所擁有的分子量也不足將它們稱作生物大分子。

有文獻(xiàn)就脂質(zhì)是否為生物大分子進(jìn)行過探討，但也只是簡單地將不同人的各種不同說法進(jìn)行了列舉。石振華等提出分子量在1 500以上的脂質(zhì)就可稱為大分子，但沒有提供具體依據(jù)。脂質(zhì)可以分為三大類。單純脂：包括脂酰甘油酯和蠟；復(fù)合脂：包括磷脂、糖脂和硫脂；衍生脂：主要包括萜類和類固醇，其中類固醇類又包括固醇類和固醇衍生物。常見脂質(zhì)，如三酰甘油（脂肪）、甘油磷脂、鞘氨醇磷脂、膽固醇和膽汁酸，它們具有一定的空間結(jié)構(gòu)，但相對分子質(zhì)量小，嚴(yán)格意義上并不能將它們稱作生物大分子。所以高中教材中介紹的脂肪、磷脂和固醇三大類脂質(zhì)，它們都不屬于生物大分子。

衍生脂中的萜類是由不同數(shù)目的異戊二烯聚合而成的聚合物及其飽和程度不同的含氧衍生物，常見的代表性物質(zhì)有胡蘿卜素、天然橡膠等。按所含異戊二烯單位的數(shù)目，分為單萜、倍半萜、二萜、三萜、四萜和多萜6類。其中，多萜由幾千個異戊二烯聚合而成，根據(jù)定義分析，脂質(zhì)中的多萜屬于生物大分子。所以大部分脂質(zhì)都不是生物大分子，只有極少的可以稱作生物大分子。

有些生物分子，如血紅素分子由四個吡咯類亞基組成一個環(huán)，環(huán)中心為一個亞鐵離子，分子量約為616；葉綠素分子由一個卟啉環(huán)和一個很長的脂肪烴側(cè)鏈組成，分子量約為907；維生素B12由鈷和4個吡咯環(huán)連在一起形成，分子量約為1 355。有些人將它們看作是“生物大分子”，但它們的分子量和前面所說生物大分子的定義是不符的，所以它們不應(yīng)該被稱作生物大分子。

6 結(jié)論

生物大分子大多不是由統(tǒng)一的單體分子聚合而成的，有的由多種成分鏈接而成，且種類繁多、形式各異。因而，它們只能稱為生物大分子，而不能稱為高分子或多聚體。從生物大分子的原始定義和嚴(yán)格劃分來看，常見的生物大分子應(yīng)該只包括蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂質(zhì)中的多萜。高中教材中介紹的單糖、二糖和脂質(zhì)都不屬于生物大分子，因而部分高中生物教材將糖類和脂質(zhì)都稱為生物大分子的說法似乎不夠嚴(yán)密科學(xué)。綜合各家觀點，似乎可將原子數(shù)目1 000以上或相對分子量5 000以上的、由一種或多種小分子物質(zhì)聚合成的、且具有特定空間結(jié)構(gòu)的大型生物分子才可稱為生物大分子。