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3.1：生物大分子的合成

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    培养技能

    • 了解大分子的合成
    • 解释脱水（或缩合）和水解反应

    如你所知，生物大分子是生命所必需的大分子，由较小的有机分子构成。 生物大分子主要分为四类（碳水化合物、脂质、蛋白质和核酸）；每类都是重要的细胞成分，具有广泛的功能。 这些分子加在一起构成了细胞干物质的大部分（回想一下，水占其全部质量的大部分）。 生物大分子是有机的，这意味着它们含有碳。 此外，它们可能含有氢气、氧气、氮气和其他微量元素。

    脱水合成

    大多数大分子是由称为单体的单亚基或构建基块制成的。 这些单体使用共价键相互结合，形成称为聚合物的更大分子。 在这样做的过程中，单体会将水分子作为副产物释放。 这种反应被称为脱水合成，意思是 “在流失水分的同时聚集在一起”。

    图为两种葡萄糖单体形成麦芽糖的反应。 当麦芽糖形成时，会释放出水分子。
    图\(\PageIndex{1}\)：在上面描述的脱水合成反应中，两个葡萄糖分子连接在一起形成二糖麦芽糖。 在此过程中，形成了水分子。

    在脱水合成反应（图\(\PageIndex{1}\)）中，一种单体的氢气与另一种单体的羟基结合，释放出一个水分子。 同时，这些单体共享电子并形成共价键。 随着其他单体的加入，这种重复单体链形成聚合物。 不同类型的单体可以组合成多种构型，从而产生各种各样的大分子。 即使是一种单体也可以通过多种方式结合形成几种不同的聚合物：例如，葡萄糖单体是淀粉、糖原和纤维素的成分。

    水解

    聚合物在称为水解的过程中被分解成单体，这意味着 “分解水”，即在分解过程中使用水分子的反应（图\(\PageIndex{2}\)）。 在这些反应中，聚合物被分解成两种成分：一部分获得氢原子（H+），另一部分从分裂的水分子中获得羟基分子（OH—）。

    图为麦芽糖的分解形成两种葡萄糖单体。 水是一种反应物。
    图\(\PageIndex{2}\)：在此处显示的水解反应中，二糖麦芽糖在添加水分子后被分解成两个葡萄糖单体。 请注意，这种反应与图中所示的合成反应相反\(\PageIndex{1}\)。

    脱水和水解反应由特定的酶催化或 “加速”；脱水反应涉及新键的形成，需要能量，而水解反应会破坏键并释放能量。 大多数大分子的这些反应是相似的，但是每种单体和聚合物反应都因其类别而异。 例如，在我们的身体中，食物被消化系统中的催化酶水解或分解成小分子。 这使得肠道中的细胞可以轻松吸收营养。 每个大分子都被一种特定的酶分解。 例如，碳水化合物被淀粉酶、蔗糖酶、乳糖酶或麦芽糖酶分解。 蛋白质被胃蛋白酶和肽酶以及盐酸分解。 脂质被脂肪酶分解。 这些大分子的分解为细胞活动提供能量。

    链接到学习

    访问此网站，查看脱水合成和水解的可视化表现。

    摘要

    蛋白质、碳水化合物、核酸和脂质是四大类生物大分子，即生命所必需的大分子，由较小的有机分子构成。 大分子由称为单体的单个单元组成，这些单元通过共价键连接形成更大的聚合物。 聚合物不仅仅是其各部分的总和：它具有新的特性，并导致的渗透压远低于其成分形成的渗透压；这是维持细胞渗透条件的重要优势。 随着水分子的释放，单体与另一种单体结合，形成共价键。 这些类型的反应被称为脱水或缩合反应。 当聚合物分解成较小的单元（单体）时，每个被这些反应破坏的键都使用水分子；这种反应被称为水解反应。 所有大分子的脱水和水解反应都相似，但每种单体和聚合物反应都因其类别而异。 脱水反应通常需要投入能量才能形成新的键，而水解反应通常通过破坏键来释放能量。

    词汇表

    生物大分子
    生命必需的大分子，由较小的有机分子构成
    脱水合成
    （也称为缩合）反应，将单体分子连接在一起，每形成一个键就会释放一个水分子
    水解
    反应会导致利用水将较大的分子分解成较小的分子
    单体
    称为聚合物的较大分子的最小单位
    聚合物
    由共价键连接的单体残留物链；聚合是通过缩合由单体形成聚合物的过程