碳、氫、氧和氮是生物體中四種最豐富的元素，佔生物體內發現的原子總數的 99% 以上。碳存在於所有有機分子中，碳原子可以連線在一起形成鏈或環狀結構。

聚合物和大分子

宏是指大的東西，所以大分子就是指大分子，只有三種類型——多糖、蛋白質（多肽）和核酸（多核苷酸）（多表示“許多”）。大分子之所以被稱為大分子，是因為它們是由許多重複的亞基組成的，這些亞基相互連線。

碳水化合物

所有碳水化合物都含有碳、氫和氧，並且氫氧比分別為 2:1。

單糖

單糖是糖，並且是可溶的——這意味著它們溶解在水中，形成甜的溶液。單是指一個，糖是指糖——所以單糖是指單糖。單糖根據每個分子中碳原子的數量進行分類——三碳糖（3 個碳原子）、戊糖（5 個碳原子）和己糖（6 個碳原子）。

最常見的單糖葡萄糖的結構，包括左邊的α異構體和右邊的β異構體（同一種化學物質的兩種形式稱為異構體）：[1].

關於戊糖和己糖結構的一個重要說明是，碳原子鏈足夠長，可以閉合自身並形成穩定的環狀結構，如上圖所示。

單糖的作用

簡單的糖，如葡萄糖，通常在生物體中用作呼吸作用的能量來源——它們內部的碳氫鍵很容易被分解，釋放大量的能量，進而幫助從 ADP 和磷酸鹽中產生 ATP。其次，單糖可以用作較大分子（多糖）的構建塊。

糖苷鍵

如果您檢視上面葡萄糖的影像，您將在影像右上角看到一個紅色突出顯示的羥基（-OH）基團。當兩個葡萄糖分子結合在一起時，兩個羥基基團會並排排列：一個與另一個的氫原子結合形成水，進而形成跨越兩個分子的氧橋，將它們連線起來並形成二糖——這種鍵被稱為糖苷鍵。該反應被稱為縮合反應，而逆反應——新增水是一種水解反應，將二/多糖分解成它們的原始單糖。

糖苷鍵的形成：[2]

多糖

正如我們之前所見，單糖透過縮合反應中的糖苷鍵連線起來形成二糖，但如果兩個以上的單糖連線在一起，則被稱為多糖。重要的是要注意，多糖不是糖，多糖的例子包括澱粉、糖原和纖維素，所有這些多糖都是由葡萄糖製成的。

葡萄糖被轉化為這些多糖的原因是儲存——如果在細胞中自由存在，葡萄糖將溶解並影響細胞的滲透勢，使其過於濃縮。透過縮合反應將其轉化為多糖（緊湊的、惰性的、不溶的）——當再次需要葡萄糖時，儲存分子（植物中的澱粉，動物中的糖原）可以在酶控制的反應中快速水解。

動物儲存分子

糖原 [3] 是動物的主要儲存分子。如上圖所示，糖原由許多 1,4 連線的α-葡萄糖分子組成（1,4 連線表示它們由連續葡萄糖單元的 1 和 4 號碳原子連線）。這些鏈向側面分支，分支由 1,6 連線形成。這些鏈也盤繞成螺旋結構，使其最終結構更加緊湊（便於儲存）。

植物儲存分子

澱粉是兩種物質的混合物，直鏈澱粉和支鏈澱粉。支鏈澱粉與糖原非常相似，因為它由許多 1,4 連線的α-葡萄糖分子組成，並透過 1,6 連線分支——主要區別在於支鏈澱粉的分支比糖原少。另一方面，直鏈澱粉是數千個 1,4 連線的葡萄糖分子的非常長、不分支的鏈，與糖原和支鏈澱粉一樣，這些鏈彎曲盤繞成螺旋結構，以實現緊湊性。直鏈澱粉鏈通常比支鏈澱粉長。

纖維素是另一種重要的多糖——並且是地球上最豐富的有機分子。這部分是由於它在細胞壁中的結構作用，部分是由於它的分解速度很慢。纖維素與您所看到的另外兩種儲存分子之間的主要區別在於，纖維素是β-葡萄糖的聚合物，而另外兩種則是α-葡萄糖的聚合物。如果您還記得，葡萄糖的兩種異構體僅在 -OH 和 -HO 基團的位置不同，分別位於 1 號和 4 號碳原子上。檢視此圖片[4]瞭解更多詳細資訊。這意味著要形成糖苷鍵，後續的葡萄糖分子必須相對於彼此處於 180 度的位置，或者換句話說，每個分子必須相對於另一個分子上下顛倒，以便 -OH 和 -HO 基團能夠結合。您可以在此處檢視纖維素的分子結構：[5]

這些鍵導致形成牢固的分子，因為氫原子與同一葡萄糖分子和其他相鄰葡萄糖分子中的氧原子形成氫鍵。雖然這些氫鍵在個體上很弱，但由於大量的 -OH 基團，它們在總體上會產生巨大的強度。此外，在 60 到 70 個纖維素分子之間會緊密交聯，形成稱為微纖維的束，這些束又透過進一步的氫鍵結合在一起，形成稱為纖維的束，使整個結構更加牢固。

細胞壁中的纖維素

纖維素約佔平均細胞壁的 20% 到 40%，其他分子有助於交聯纖維素纖維。這是因為纖維素纖維的抗拉強度幾乎與鋼相當，這意味著纖維素很難斷裂，這種非常堅固的細胞壁使植物細胞能夠承受很大的滲透壓——如果沒有它，細胞在稀釋溶液中會破裂。對高壓的這種允許有助於透過使組織堅硬來為植物提供支撐，並在生長過程中負責細胞膨脹。儘管纖維素具有很高的強度，但它也（非常有用地）是自由滲透的。

脂類

您需要了解的最常見的脂類是甘油三酯，通常被稱為脂肪和油。

甘油三酯

所有甘油三酯都由一個甘油“頭部”和 3 個脂肪酸“尾部”組成。甘油是一種醇。脂肪酸是有機分子，它們都具有連線到烴尾部的 -COOH 基團。脂肪酸透過縮合反應連線到甘油上。

它們的一個重要特性是它們不溶於水——但溶於某些有機溶劑，包括乙醚、乙醇和氯仿。這是由於脂肪酸的烴尾部——這基本上意味著尾部只有碳與氫結合，不會產生不均勻的電荷分佈（不像水分子，水分子是極性的）。這意味著它們不能與水分子自由混合，因此是疏水的和非極性的。

它們的作用通常是作為極好的能量儲備——正如您將在接下來的段落中看到的那樣，它們富含準備被氧化以產生能量的碳氫鍵。相同質量的脂類比相同質量的碳水化合物含有更多的能量。脂肪還可以為海生哺乳動物提供浮力，以 blubber 的形式——同時提供絕緣，就像它為所有哺乳動物提供的那樣。在特殊情況下，它們也可以用作水的代謝來源——氧化它們以獲取能量會將其轉化為二氧化碳，然後轉化為水。這對生活在沙漠中沒有太多水或沒有水的動物很有用。

飽和脂肪和不飽和脂肪

不飽和脂肪酸 [6] 由於 C-C=C-C 鍵（C=C 部分很重要）導致的扭結（見圖），因此被稱為不飽和脂肪酸，它不包含最大可能的氫含量，從而形成不飽和脂類。雙鍵 (C=C) 使脂肪酸更容易熔化，例如，大多數油都是不飽和的（並且通常在室溫下是液體） - 這也使它們更容易消化。一個以上扭結被稱為多不飽和，一個扭結被稱為單不飽和。

另一方面，飽和脂肪酸 [7]，如您在圖片中看到的，包含最大量的碳氫化合物且沒有扭結。

動物脂類通常是飽和的，因此是脂肪，而植物脂類通常是不飽和的，例如橄欖油和葵花籽油 - 通常是油。

磷脂

這些是一種特殊的脂類，通常存在於細胞的質膜中（見第一章等）。每個分子都有一端可溶於水，另一端不可溶於水。這是因為其中一個脂肪酸被一個極性的磷酸基團取代，該磷酸基團可以溶解在水中，使其成為親水性的。其餘兩個尾部仍然是疏水的，但頭部是親水性的。

蛋白質

概述

蛋白質在生物體中具有許多重要的功能 - 並且大多數細胞的幹質量超過 50% 是蛋白質。它們的功能可能包括；

所有酶都是蛋白質
抗體是蛋白質
細胞膜的重要組成部分（糖蛋白、轉運蛋白等）
膠原蛋白形式的結構支撐

氨基酸

儘管有上述各種功能（絕不是詳盡無遺的），但所有蛋白質都是由 20 種不同的氨基酸製成的。所有氨基酸都具有相同的基本結構 - 一箇中心碳原子，它與一個“胺”基團 -NH2（圖中左側）和一個羧酸基團 -COOH（圖中右側）鍵合。與碳基團的第三個鍵總是氫原子（以紫色顯示）。剩下的“R”基團（以黃色顯示）是與中心碳原子鍵合的第四個可變基團。這就是使氨基酸彼此不同的原因 - 並且正是這些 R 基團改變了蛋白質分子的形狀，從而改變了它們的功能。見圖：[8]

肽鍵

肽鍵是在兩個氨基酸在縮合反應中相互連線後形成的鍵 - 一個從羧酸基團（見上圖）失去一個羥基，這使得第一個氨基酸的碳原子可以與第二個氨基酸的氮原子鍵合 - 肽鍵。這個分子現在被稱為二肽 - 但可以透過額外的縮合反應擴充套件，形成多肽。

結構

一級結構

蛋白質的一級結構僅指多肽鏈中氨基酸的型別以及它們連線的順序。正如您所料，由於有 20 種不同的氨基酸，並且有許多不同的組合，因此有許多不同的可能的一級結構。

二級結構

蛋白質的二級結構是氨基酸對多肽鏈的影響，即使它們不直接相鄰，例如我們之前看到的 α-螺旋，這是由於一個氨基酸的 -CO 基團的氧與 -NH 基團的氫之間的吸引力造成的鏈中任何其他地方的氨基酸，形成氫鍵。另一種形狀是 β-摺疊片，它是一種更鬆散但更直的形狀。有時沒有規則的排列 - 這取決於存在的氨基酸。

三級結構

蛋白質的三級結構是蛋白質盤繞成精確的 3D 形狀的方式。這可能是由於二級結構中盤繞或摺疊後的氫鍵造成的，但也可能形成其他鍵，例如半胱氨酸氨基酸之間的二硫鍵。離子鍵發生在帶正電和帶負電的“R”基團之間。多肽的疏水部分位於多肽鏈的中心（遠離水），而多肽的親水部分位於多肽鏈的外部（靠近水）。所有這些都影響著多肽的三級結構。

四級結構

四級結構被稱為一個蛋白質內不同多肽鏈的結合。與三級結構相同的鍵將不同的多肽鏈連線在一起（氫鍵、二硫鍵和離子鍵）。血紅蛋白和膠原蛋白是具有四級結構的蛋白質的兩個例子。

球狀蛋白和纖維狀蛋白

球狀蛋白只是一個看起來捲成球的蛋白質 - 這通常是為了使蛋白質的非極性疏水 R 基團指向分子的中心，使其可溶於水，因為水會聚集在它們的向外指向的親水基團周圍，但水不能進入分子。酶總是球狀蛋白，因此球狀蛋白參與代謝反應。但是，不捲成球的蛋白質而是形成長鏈的蛋白質被稱為纖維狀蛋白質，並且大多不溶於水。角蛋白和膠原蛋白就是這種情況。

血紅蛋白

您必須瞭解的球狀蛋白的一個例子是血紅蛋白。它是一種攜帶氧氣的色素，存在於紅細胞中。它有四條多肽鏈，兩條 α 鏈，兩條 β 鏈，並且幾乎呈球形。每條多肽鏈都包含一個血紅素基團，它是一個重要的並且是蛋白質分子不可分割的一部分，它不是由氨基酸組成，被稱為輔基。每個血紅素基團都包含一個鐵離子 Fe²⁺，一個氧分子可以與每個鐵離子結合。一個完整的血紅蛋白分子有四個血紅素基團，因此一次可以攜帶四個氧分子。血紅素基團也負責血紅蛋白的顏色 - 如果血紅蛋白與氧氣結合（氧合血紅蛋白），它呈鮮紅色，否則呈紫色。

與所有球狀蛋白一樣，向外指向的親水 R 基團保持了它在水中的溶解度 - 但是這可能會受到一種稱為鐮狀細胞性貧血的疾病的影響。在這種情況下，一條 β 多肽鏈中一個親水區域的一個氨基酸被一個不同的氨基酸取代，原始氨基酸是極性氨基酸，而替換氨基酸是非極性的。正如您將在水部分看到的那樣，這會導致問題。它使血紅蛋白的溶解度大大降低，對於所有血紅蛋白都是這種有缺陷型別的任何人來說都是令人不快和危險的。

膠原蛋白

如前所述，膠原蛋白是一種纖維狀蛋白質，存在於皮膚、肌腱、骨骼、牙齒、軟骨中，重要的是存在於血管壁中，它在許多動物中是一種普遍重要的結構蛋白。膠原蛋白如此堅固的原因是它由三條多肽鏈組成，每條多肽鏈都呈螺旋狀，相互纏繞形成三股“繩索”。鏈中幾乎每一個氨基酸都是甘氨酸，它很小，並且允許三股緊密地排列在一起並形成緊密的螺旋，並且氫鍵連線了這些股。

膠原蛋白（完整的 3 股膠原蛋白分子）之間的交聯形成纖維，使其具有巨大的抗拉強度（承受巨大的拉力）。

水

水是每個細胞的主要成分，通常佔細胞質量的 70-95%，人體約 60% 是水。如果沒有它是偶極子（見下文的“偶極子和氫鍵”），水將在正常的地球溫度下是一種氣體。

溶解性

水是極性分子和離子的良好溶劑，因為水會聚集在它們的親水邊緣並將它們分開。這就是溶解過程中發生的事情 - 因此化學物質可以自由移動並與水中的其他化學物質反應。非極性分子不溶於水，如果被水包圍，會被水推到一起，例如脂類。

當水用作運輸介質時，它的溶解性也很有用 - 在動物的血液、淋巴、排洩和消化系統中，以及植物的維管組織中。

熱效能

水中形成的氫鍵意味著改變水的溫度需要相對大量的能量，這意味著大型水體溫度變化緩慢，因此是更穩定的棲息地。這在動物體內很有用，因為水的比例很高，因此更容易獲得穩定的體溫。同樣在體內也很有用的是，蒸發過程會轉移大量的能量，這就是為什麼出汗對降低體溫有效的原因。

將水轉化為冰需要大量的能量，因此水不太可能結冰。此外，冰的密度小於水，因此例如當河流的一部分結冰時 - 冰會浮到頂部並充當其他水的絕緣體。這意味著水生生物仍然可以生存，因為整條河流不太可能結冰。

內聚力

水分子，部分由於它們的極性，具有粘在一起的趨勢，這種性質被稱為內聚力。這提供了很高的表面張力，使非常輕的動物能夠將水錶面用作棲息地。這也意味著水可以透過植物中的維管組織以長而不斷的柱體移動，並且是細胞中重要的特性。

偶極子和氫鍵

分子中的原子結合在一起是因為它們相互共享電子。一對共享的電子形成共價鍵 - 例如在水分子中，兩個氫原子分別與一個氧原子共享一對電子。但是，正如這 [9] 圖所示，電荷分佈不均勻，氧氣獲得的份額超過了它的份額，並獲得了少量負電荷，而兩個氫原子獲得的份額都少於它們應得的份額，從而產生了正電荷。

這種電荷的不均勻分佈被稱為偶極。在水中，氧原子的負電荷被氫原子的正電荷吸引，這種吸引力被稱為氫鍵 - 雖然比共價鍵弱，但足以產生顯著的影響。含有偶極基團 (-OH, -C=0 或 >N-H) 的分子被稱為極性分子，因為它們會被水分子吸引（因為水也是一個偶極分子）。這些極性分子是親水的，並且傾向於溶解在水中。那些非極性分子不會被水吸引，因此是疏水的。

其他

不適合其他部分的資訊，或者最好分組的資訊。

食物測試

這些是重要的食物測試 - 可以告訴你溶液中是否存在某些分子。

**表格 1：食物測試**
測試物件	使用什麼	方法	結果
蛋白質	雙縮脲試劑	向溶液中加入雙縮脲試劑。	紫色表示存在蛋白質。
脂類	乙醇 - 乳化測試	向溶液中加入乙醇，搖晃，然後加入水。	如果在乙醇和水之間出現渾濁的白色溶液，則表示存在脂類。
澱粉	碘溶液	將碘溶液新增到可能含有澱粉的物質中。	如果與澱粉接觸，會迅速產生藍黑色。
還原糖	斐林試劑	將斐林試劑加入要測試的溶液中，並在水浴中加熱。	如果存在還原糖，物質將變為磚紅色。
非還原糖	斐林試劑	將糖溶液與稀鹽酸一起加熱，然後加入氫氧化鈉使其中和，然後進行還原糖測試。	如果存在還原糖，物質將變為磚紅色。

關於斐林測試的補充說明 - 它需要過量的斐林試劑才能與所有存在的糖反應。對於非還原糖測試，將糖溶液與稀鹽酸一起加熱的原因是為了水解任何存在的糖苷鍵，使糖成為還原糖，以便它可以還原斐林試劑並引起顏色變化。然而，斐林試劑只在鹼性環境中起作用，因此必須加入氫氧化鈉使其中和。

無機離子

分子不是生物體結構和代謝中唯一重要的物質型別 - 它們還需要各種各樣的離子（參見下表）。離子是由單個原子透過獲得或失去一個或多個電子而形成的，因此帶負電荷或正電荷。

**表格 2：八種重要的無機離子及其功能**
離子	在生物體中的功能
鈣，Ca²⁺	骨骼和牙齒的重要結構成分（與磷酸鹽結合時）。鈣離子用於跨突觸傳遞電脈衝。還在肌肉收縮過程中使用。
氯，Cl^-	與鈉一起，維持亨利氏環（腎臟）中的濃度梯度。還有助於平衡細胞內外其他離子的正電荷。
鐵，Fe²⁺	血紅蛋白的輔基血紅素，它是氧結合的離子。
鎂，Mg²⁺	光合作用 - 葉綠素分子含有鎂。
硝酸鹽，NO₃-	植物利用硝酸鹽中的氮來製造氨基酸和核苷酸。
磷酸鹽，PO₄^3-	用於製造核苷酸，包括 ATP。與鈣結合形成磷酸鈣。
鉀，K⁺	動物神經衝動傳導。在植物中，保衛細胞的膨壓，因此也參與氣孔的開閉。
鈉，Na⁺	神經衝動傳導，也維持亨利氏環（腎臟）中的濃度梯度。