“生物大分子”概念及包含的物质种类辨析

汪银芳 张敏 周长发

（南京师范大学生命科学学院 江苏南京 210023）

1 引言

生物大分子是生物学中的重要概念，在我国的高中生物教材中就已出现，是学习物质代谢、能量代谢和信息传递等生命活动的基础。然而，对生物大分子的准确定义以及其所包含的物质种类不同教材却说法不一，给教师教学和学生学习带来一定的困扰，有必要进行辨析和考证。已有文献提及过此问题，但似乎没有给出准确的定义和标准，多是成分罗列，也没有提供详细的文献依据和物质种类，更没有对概念的准确把握，故有必要再进行深入讨论。

2 高中生物教材对生物大分子的不同定义

现行高中生物主要教材对生物大分子的说法和定义不一。如人教版教材中说“多糖、蛋白质、核酸等都是生物大分子”（必修1，P.33）；而北师大版教材中则说“糖类、脂质、蛋白质、核酸是组成生物体重要的生物大分子”（必修1，P.18）；浙科版教材认为在所有的生物体内，存在3类生物大分子，糖类、蛋白质和核酸，有时为了方便把脂质也归为生物大分子（必修1，P.8）；苏教版教材却提到：“糖类、脂质和蛋白质等都是细胞中的生物大分子”（必修1，P.13）。从以上四种教材对生物大分子的提法来看，只有“蛋白质”在所有定义中都出现，而其他物质却不统一。其中的焦点则是“糖类”和“脂质”。众所周知，糖类包含单糖、寡糖和多糖，它们在组成、性质等方面都有所不同，类似氨基酸与多肽、蛋白质的关系，而生物大分子到底是包含全部糖类或仅是多糖似乎需要确认。脂质的情况与之类似。

3“大分子”一词的来源和定义

第一个明确提出大分子概念的是施陶丁格，他于1922年提出了类似于大分子的高分子复合物（high molecular compounds）一词用于描述由共价键连接的原子数目大于1 000的巨型有机链式分子。1924年，他给“大分子”下了一个明确的定义：“对于这种胶体颗粒（其主要组成成分是分子，而胶体分子的原子间通过共价键连接），为更好区别，我们建议称它们为大分子（Makromolekül，macromolecule）”。

与大分子一词相近甚至混用的另外两个词为“多聚物（polymer）”和“高分子”。后者也是“macromolecule”一词的翻译，多用于化学中。“polymer”由永斯·贝采利乌斯于1833年首次提出，用来称呼由多个相同单体组成的聚合物。

可见，从原义上看，“大分子”与“多聚物”是不同的。一些多聚体不是大分子（如SO3的三聚体环S3O9），同时一些大分子在构成上也不符合多聚物的形成方式（例如由两种以上的单体构成的聚合物，像丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯的共聚物，以及缩聚体）。

然而，无论是外文还是中文，“大分子、高分子、多聚物”三个词汇都有不同程度的混淆或混同，给理解造成一定的困难。

4 生物大分子的定义

“生物大分子”对应的英文词为“biomacromolecule”，可以理解为由生物体产生或制造的有机大分子，并不一定是多聚物。同时，生物大分子不都是由单一的单体重复聚合而成的复合物（如常见的核苷酸有4种，氨基酸有20多种），且它们或多或少都有其他物质的加入（如蛋白上有糖、核苷酸上有磷等）。有词典提出：“生物大分子是指蛋白质、核酸等物质，是一种或多种小分子物质如单糖、氨基酸、核苷酸靠共价键连接而成的聚合体”。

一般认为，蛋白质分子应由50个以上的氨基酸残基组成，部分蛋白质还有多条肽链，相对分子质量大约为5 000到几百万，已知最小的天然蛋白质是胰岛素，相对分子质量达5 733，由51个氨基酸组成。核酸是由50个以上核苷酸组成多聚核苷酸，以核苷酸的平均相对分子质量330计算，则核酸的相对分子质量大于16 000。多糖是由20个以上单糖聚合成的糖类，各种多糖的分子量从几万到几百万不等。

结构生物学指出，一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具有特定的空间结构（三维结构），而且在发挥生物学功能的过程中必须存在着结构和构象的变化。

由上可以看出，生物大分子应该具有以下特点：不强调小分子物质特别是相同单体的长链聚合，但它的相对分子质量至少应在5 000以上，原子数目至少应在1 000以上，并且拥有特定的空间结构。

5 生物大分子的种类

根据以上对生物大分子的讨论与定义，蛋白质、核酸和多糖是生物大分子。

糖类包括单糖、寡糖和多糖。单糖如葡萄糖分子量较小，不具备生物大分子的特征，所以单糖不是生物大分子。寡糖由2～20个单糖残基聚合成，多数寡糖为二糖，包括麦芽糖、蔗糖和乳糖等，它们所拥有的分子量也不足将它们称作生物大分子。

有文献就脂质是否为生物大分子进行过探讨，但也只是简单地将不同人的各种不同说法进行了列举。石振华等提出分子量在1 500以上的脂质就可称为大分子，但没有提供具体依据。脂质可以分为三大类。单纯脂：包括脂酰甘油酯和蜡；复合脂：包括磷脂、糖脂和硫脂；衍生脂：主要包括萜类和类固醇，其中类固醇类又包括固醇类和固醇衍生物。常见脂质，如三酰甘油（脂肪）、甘油磷脂、鞘氨醇磷脂、胆固醇和胆汁酸，它们具有一定的空间结构，但相对分子质量小，严格意义上并不能将它们称作生物大分子。所以高中教材中介绍的脂肪、磷脂和固醇三大类脂质，它们都不属于生物大分子。

衍生脂中的萜类是由不同数目的异戊二烯聚合而成的聚合物及其饱和程度不同的含氧衍生物，常见的代表性物质有胡萝卜素、天然橡胶等。按所含异戊二烯单位的数目，分为单萜、倍半萜、二萜、三萜、四萜和多萜6类。其中，多萜由几千个异戊二烯聚合而成，根据定义分析，脂质中的多萜属于生物大分子。所以大部分脂质都不是生物大分子，只有极少的可以称作生物大分子。

有些生物分子，如血红素分子由四个吡咯类亚基组成一个环，环中心为一个亚铁离子，分子量约为616；叶绿素分子由一个卟啉环和一个很长的脂肪烃侧链组成，分子量约为907；维生素B12由钴和4个吡咯环连在一起形成，分子量约为1 355。有些人将它们看作是“生物大分子”，但它们的分子量和前面所说生物大分子的定义是不符的，所以它们不应该被称作生物大分子。

6 结论

生物大分子大多不是由统一的单体分子聚合而成的，有的由多种成分链接而成，且种类繁多、形式各异。因而，它们只能称为生物大分子，而不能称为高分子或多聚体。从生物大分子的原始定义和严格划分来看，常见的生物大分子应该只包括蛋白质、核酸、多糖、脂质中的多萜。高中教材中介绍的单糖、二糖和脂质都不属于生物大分子，因而部分高中生物教材将糖类和脂质都称为生物大分子的说法似乎不够严密科学。综合各家观点，似乎可将原子数目1 000以上或相对分子量5 000以上的、由一种或多种小分子物质聚合成的、且具有特定空间结构的大型生物分子才可称为生物大分子。