“生物大分子”概念及包含的物質種類辨析

汪銀芳 張敏 周長發

（南京師范大學生命科學學院 江蘇南京 210023）

1 引言

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

2 高中生物教材對生物大分子的不同定義

現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、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、蛋白質、核酸是組成生物體重要的生物大分子”（必修1，P.18）；浙科版教材認為在所有的生物體內，存在3類生物大分子，糖類、蛋白質和核酸，有時為了方便把脂質也歸為生物大分子（必修1，P.8）；蘇教版教材卻提到：“糖類、脂質和蛋白質等都是細胞中的生物大分子”（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”在所有定義中都出現，而其他物質卻不統一。其中的焦點則是“糖類”和“脂質”。眾所周知，糖類包含單糖、寡糖和多糖，它們在組成、性質等方面都有所不同，類似氨基酸與多肽、蛋白質的關系，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。脂質的情況與之類似。

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合物（high molecular compounds）一詞用于描述由共價鍵連接的原子數目大于1 000的巨型有機鏈式分子。1924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），為更好區別，我們建議稱它們為大分子（Makromolekül，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，多用于化學中。“polymer”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S3O9），同時一些大分子在構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”對應的英文詞為“biomacromolecule”，可以理解為由生物體產生或制造的有機大分子，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聚合而成的復合物（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、核酸等物質，是一種或多種小分子物質如單糖、氨基酸、核苷酸靠共價鍵連接而成的聚合體”。

一般認為，蛋白質分子應由50個以上的氨基酸殘基組成，部分蛋白質還有多條肽鏈，相對分子質量大約為5 000到幾百萬，已知最小的天然蛋白質是胰島素，相對分子質量達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量330計算，則核酸的相對分子質量大于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。

結構生物學指出，一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質或多糖，在發揮生物學功能時，必須具有特定的空間結構（三維結構），而且在發揮生物學功能的過程中必須存在著結構和構象的變化。

由上可以看出，生物大分子應該具有以下特點：不強調小分子物質特別是相同單體的長鏈聚合，但它的相對分子質量至少應在5 000以上，原子數目至少應在1 000以上，并且擁有特定的空間結構。

5 生物大分子的種類

根據以上對生物大分子的討論與定義，蛋白質、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。

有文獻就脂質是否為生物大分子進行過探討，但也只是簡單地將不同人的各種不同說法進行了列舉。石振華等提出分子量在1 500以上的脂質就可稱為大分子，但沒有提供具體依據。脂質可以分為三大類。單純脂：包括脂酰甘油酯和蠟；復合脂：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，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構，但相對分子質量小，嚴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，它們都不屬于生物大分子。

衍生脂中的萜類是由不同數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，常見的代表性物質有胡蘿卜素、天然橡膠等。按所含異戊二烯單位的數目，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，根據定義分析，脂質中的多萜屬于生物大分子。所以大部分脂質都不是生物大分子，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，環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和一個很長的脂肪烴側鏈組成，分子量約為907；維生素B12由鈷和4個吡咯環連在一起形成，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，所以它們不應該被稱作生物大分子。

6 結論

生物大分子大多不是由統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格劃分來看，常見的生物大分子應該只包括蛋白質、核酸、多糖、脂質中的多萜。高中教材中介紹的單糖、二糖和脂質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都稱為生物大分子的說法似乎不夠嚴密科學。綜合各家觀點，似乎可將原子數目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聚合成的、且具有特定空間結構的大型生物分子才可稱為生物大分子。