什么是生物大分子(biomacromolecules)?有的教科書認為生物大分子包括核酸、蛋白質、糖類和脂質等4類物質,而有的教科書上只提到核酸、蛋白質和糖類等3類物質。那么究竟如何界定生物大分子的涵義呢?
大分子(Macromolecule)這一術語最先是由德國化學家、諾貝爾獎獲得Hermann Staudinger 在1920年首先提出的,專指超過1000個原子組成的化合物稱為大分子。不同的學科中,對大分子的理解也存在差異,根據國際理論與應用化學聯合會(International Union of Pure and AppliedChemistry , IUPAC )推薦的定義,大分子通常是指單個分子通過聚合作用而形成的高分子量的化合物。
生物大分子包括,核酸(多核苷酸)、蛋白質(多肽)、碳水化合物(葡聚糖或多糖)和脂類等,由分子量小于500的單體通過聚合作用形成的大分子。此外,有些分子量很大的環狀分子如血紅素、葉綠素和維生素B12等也統稱為生物大分子。
氨基酸是多肽或蛋白質的建筑模塊,有人認為由 2~10個氨基酸殘基組成的肽鏈稱為寡聚肽(oligopeptides),由10~100個氨基酸組成的肽鏈叫做多肽(polypeptides),超過100個氨基酸組成的肽鏈稱為蛋白質,當然多數蛋白質是由1條以上的肽鏈組成。但也有人認為小于50個氨基酸殘基以下的肽鏈稱為寡聚肽,大于50個氨基酸以上的肽鏈稱為蛋白質。所以從某種意義上來說,盡管蛋白質有時可以看做是多聚氨基酸即多肽的同義語,但是通常將分子量小于10 000的稱為多肽。
按照20種標準氨基酸殘基的平均分子量為110計算,以50個氨基酸殘基組成的肽鏈稱為蛋白質的話,在蛋白質水平上,生物大分子的最小分子量也要在5500以上。也有人認為,生物大分子指的是作為內主要活性成分的各種達到上萬或更多的,這樣看來,至少要100個氨基酸殘基組成的蛋白質才可以稱為生物大分子,如果將分子量大于10 000 的多肽稱為蛋白質,那么從蛋白質水平上來看,10 000就是生物大分子分子量的下限。
核苷酸(或脫氧核苷酸)是構成核酸(或脫氧核酸)的建筑模塊,細胞內的核酸主要分為兩類,即核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)。如以大腸桿菌為例,其細胞內只有一種DNA鏈,由幾百萬個核苷酸組成。而RNA種類多達3000種以上,其分子量差異很大。那么這些核酸分子是不是都可以稱為生物大分子呢?同蛋白質一樣,有人認為由50個以下的核苷酸組成的核酸稱為寡聚核酸(oligonucleotide),多于50個核苷酸組成的核酸稱為多聚核酸(polynucleotide),核酸也可以稱作是多聚核苷酸的同義語。
如果核苷酸的平均分子量以 300計算,作為生物大分子的核酸的最小分子量也應當為15000。這里要強調的是小RNA分子,如微小RNA (microRNA)分子,簡稱miRNA和小干擾 RNA(small interfering RNA),簡稱siRNA,前者是廣泛存在于植物、動物、細菌和真菌中的一類非編碼的自身基因組產物RNA的統稱,后者是指通過病毒感染或轉基因途徑進入細胞中的非自身基因組編碼的 RNA這些小RNA的長度不等,但大都在20~30個核苷酸之間,盡管這些小RNA 具有重要的生理活性和作用,但都不應當稱為生物大分子,只能歸類于寡聚核酸。
糖類是自然界中分布*、含量最為豐富的一類有機化合物,單糖是構成多聚糖(Polysaccharides)的建筑模塊,而多糖也是自然界中分子結構十分復za、種類繁多的生物大分子。
和人類生活密切相關的多糖包括淀粉、糖原、纖維素等,由于組成多聚糖的單糖的種類不同,多聚糖又分為同聚多糖(homopolysaccharides)和za聚多糖(heteropolysaccharides),前者是指由同一種類型的單糖組成如淀粉和纖維素,后者則是指由2種或2種以上的不同類型的單糖組成如粘多糖。
有人將2~6個單糖組成的多聚糖稱為寡聚糖(oligosaccharides),也有人將2~10個單糖組成的多聚糖稱為寡聚糖,寡聚糖的分子量通常在 300~2000之間。盡管多聚糖的分子量也很高如直鏈淀粉的分子量約為10000 ~200000之間,但是通常還是不能像蛋白質一樣準確地確定其分子量,這是因為多聚糖鏈的合成是沒有模板的,且在合成過程中沒有特異性的起始位點和終止位點。
這樣看來,把多糖作為生物大分子,要明確給出其分子量的上限和下限就顯得十分困難了,但是若將超過10個以上單糖組成的多聚糖稱為多糖,那么在糖水平上,作為生物大分子的下限分子量應當是2000。
脂類是脂肪和類脂的總稱,也是結構和組成十分復za的生物大分子,為細胞生物膜的建筑模塊。組成脂類的單體分子不像組成蛋白質、核酸和多聚糖的單體分子那樣簡單,但大部分的脂類都包含一個極性(親水)頭部和 1~ 23個非極性(疏水)的脂肪酸尾部,一般來說脂肪酸多為14~24個的偶數碳鏈,除此之外還有一些不含脂肪酸的脂類如萜類和固醇類等。
與百萬級分子量的蛋白質、核酸或多聚糖相比,一些脂類的分子量較小,通常將分子量在 750~1500范圍內的脂類不歸為生物大分子行列,這樣看來,在脂類水平上,生物大分子的分子量下限應為1500。由于多數脂類的分子量小于這個數值,而且不形成大分子化合物,因此有些教科書中不把脂類列入生物大分子之內。
由此可見,生物大分子是人們用于區別化學高分子,以及體內分子量相對較小的有機分子而提出來的概念性定義。對于蛋白質、核酸,多糖以及脂質等不同的生物大分子,人們對其分子量的下限均沒有設定,而且也很難設定一個統一的標準。
況且,同樣是蛋白質、核酸或多糖,其中也存在很多具有重要生物活性和生物學功能的小分子寡聚體。同時,不少生物大分子是由蛋白質、糖類或脂類形成的,諸如糖蛋白、脂蛋白或糖脂等化合物,且核酸本身就含有核糖或脫氧核糖,這些也都可能是造成人們對生物大分子的定義有不同的理解。