高分子

高分子（macromolecule）又稱巨分子、大分子，是一個非常大的分子，以數千以上的共價鍵結原子組成；大多數高分子是由較小的亞基（單體）的聚合而成，如蛋白質，所以屬於一種聚合物；但少數高分子則非聚合分子，分子量可達數千、數萬以上。

通過一定形式的聚合反應生成具有非常高的分子量的大分子，一般指聚合物或結構上包括聚合物的分子。

在生物化學中，高分子這個術語被應用於三個傳統的生物聚合物（核酸、蛋白質、和碳水化合物），以及具有大分子量的非聚合分子，例如脂類和大環化合物。這些分子有時也被稱為生物大分子。

聚合物高分子的各個構成分子被稱為單體。

人工合成的高分子包括塑料。金屬和晶體雖然也是由許多原子組成的，其內部通過類似分子的鍵聯合在一起，但是它們一般不被認為是高分子。有時不同的高分子之間通過分子間力（但不是通過化學鍵）組合到一起，尤其是假如這樣的組合是自然發生的，而且其組成部分一般不單獨出現的話，那麼這樣的混合物也會被稱為高分子。實際上這樣的混合物更應該被稱為高分子複合物。在這種情況下組成這個複合物的單個高分子往往被稱為下單位。由高分子組成的物質往往有不尋常的物理特性。液晶和橡膠就是很好的例子。許多高分子在水中需要特殊的小分子幫助才能溶解。許多需要鹽或者特殊的離子來溶解。

## 用途

"高分子"這個術語由諾貝爾獎獲得者赫爾曼·施陶丁格於1920年代創造的，儘管他發表的第一篇相關領域的文章只是提到"高分子化合物"（超過1000個原子）。那時，"聚合物"這一習慣用法由貝采利烏斯於1833年提出，和現在的意思不同：它只是同分異構的另一個形式，比如說苯和乙炔，而與大小無關。.

這一術語用來描述大分子在不同領域中的不同形式。比如，生物學中高分子指的是組成生物的四種大分子，而從化學來說，這個屬於指的是兩種或以上由分子間力聚集在一起而不是共價鍵，不過兩者分得並不那麼清。

根據IUPAC推薦的定義，"高分子"用在聚合物科學中僅僅指的是單一分子。比如說，一個聚合分子寫成「大分子」或者「聚合物分子」很合適，而不應該用表示一個由大分子組成的物質的「聚合物」。

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由於大分子很大，僅僅用計量學很難描述。比如均聚物等簡單大分子的結構可以表述為單一單體和總摩爾質量。另一方面，複雜的生物大分子需要多方面的結構描述，比如結構的層次來描述蛋白質。

## 性質

由大分子構成的物質經常具有不尋常的物理性質。儘管很小很難看到，在溶液中可以通過普通的吸管切斷溶液而將單一片段DNA破裂成2個簡單的分子。這並不是真正的小分子。1964年版的萊納斯·鮑林《大學化學》斷言，從本質上，DNA不會超過5000個鹼基對。這是因為生物化學家無意中一貫地把他們的樣品破碎成片段。實際上，DNA的染色體能夠有上億個鹼基對長。

另外一個大分子常見的性質是和小分子不同，必須依靠幫助才能溶解到溶液中，許多大分子必需鹽或者特殊的離子溶於水。如果溶液的濃度過高或者過低，蛋白質會改性。

溶液中的高濃度大分子能夠通過大分子群集效應改變其他大分子反映的速率和平衡常數。這是因為大分子從大部分溶液體積中排除其他分子，從而增加這些分子的有效濃度。

## 有機高分子

### 碳水化合物

#### 單糖

- 細胞的主要成分
- 可由光合作用產生
- 在其化學鍵中為細胞呼吸存儲能量
- 三個碳：丙糖
- 五個碳：戊糖出現於DNA和RNA中，核糖
- 六個碳：己糖（如：葡萄糖，乳糖，果糖）
- 結構：一個碳元素雙鍵一個氧元素，其他的碳元素和羥基相鏈。
- 椅式構象或環（葡萄糖，如果羥基在環下為α，如果羥基在環上為β）

#### 雙糖

- 有兩個單體構成，糖苷鍵連結而成
- 糖苷鍵由縮合反應形成
- 葡萄糖＋葡萄糖＝麥芽糖
- 葡萄糖＋果糖＝蔗糖
- 葡萄糖＋半乳糖＝乳糖

#### 多糖

- 由成百到幾萬個單體構成
- 用於存儲熱量和結構

幾種多糖：

- 植物中
- 澱粉
- 由α葡萄糖構成
- 分子結構中沒有分支
- 形成螺旋形
- 纖維素
- β葡萄糖
- 分子結構中沒有分支
- 加強植物的細胞壁
- 不能分泌能打斷β糖苷鍵的酶的動物不能消化
- 殼多糖
- 多存在於節肢動物外殼上：蜘蛛，甲殼蟲，螃蟹，昆蟲等。

### 脂類

- 不是多糖，不由縮合反應構成
- 不溶於水
- 脂肪：能量儲存
- 磷脂：細胞膜主要成分
- 類固醇：膽固醇，荷爾蒙

#### 脂肪

脂肪分子由一個甘油和三個脂肪酸構成。有很長的烴鏈（16至18個碳元素），烴鏈結束羧酸。正由於烴鏈的原因，脂肪分子中大部分鍵為非極性，因此不溶於水。脂肪酸分為脂肪飽和酸和不飽和脂肪酸。

##### 飽和脂肪酸

- 沒有碳碳雙鍵
- 氫元素的數量最大
- 直鏈，因此密度大，室溫下為固體

##### 不飽和脂肪酸

- 有碳碳雙鍵
- 骨架中有拐彎處（碳碳雙鍵）
- 密度小，室溫下為液體

功能

- 保存能量，效率是多糖的兩倍
- 保護內臟
- 防止熱量流失（鯨和海豚）

#### 磷脂

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磷脂結構為一個甘油，兩個脂肪酸和一個磷群，因此磷脂部分溶於水（磷群），部分不溶於水（脂肪酸）。由於這種半溶半不溶的性質，在水中不溶於水的脂肪酸朝內，易溶的磷群朝外，圍成一個圈，形成微團。在細胞膜中，形成磷脂雙層體。

### 類固醇

類固醇結構在碳構架中，有四個融合的碳環。膽固醇廣泛存在於動物體的細胞膜中，同時也是合成幾種重要類固醇的材料。

### 蛋白質

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蛋白質是生命存在的物質基礎。是細胞的構成材料。由胺基酸通過肽鍵有序連接而形成的多肽鏈。蛋白質的基本單位是胺基酸，胺基酸的氨基和羧基縮合失水後形成肽鍵，由三個或三個以上胺基酸殘基組成的肽稱為多肽形成多肽鏈。

性質：

蛋白質用酸處理、進行加熱的條件下會產生凝結或絮凝。

作用：

- 支撐結構：動物連接組織中的膠原質。
- 運輸：血色素，鉀鈉腺苷三磷酸酶（Hydrogen potassium ATPase）。
- 激素：胰島素
- 運動：肌動蛋白
- 防禦：抗體
- 催化。蛋白質的一個重要功能就是作為生物催化劑，酶。

蛋白質的分子結構可劃分為四級：

- 一級結構：組成多肽鏈的線性胺基酸序列。
- 二級結構：α螺旋、β摺疊、β轉角。
- 三級結構：由一條多肽鏈的不同胺基酸側鏈間的相互作用形成的穩定結構。
- 四級結構：由不同蛋白質亞基間相互作用形成具有功能的蛋白質分子。

#### 胺基酸

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胺基酸是蛋白質的單體，胺基酸的多體（胺基酸數量在30個以下）叫做多肽，蛋白質則由30-50個以上的胺基酸構成。

胺基酸由四個化合物連接於中央的碳元素構成：氫原子、羧基、氨基、側鏈。

### 核酸

保存並傳遞遺傳資訊。有核糖核酸與脫氧核糖核酸兩種，染色體有脫氧核糖核酸構成，內有上十萬個基因。不直接出現於蛋白質的合成過程中，DNA-RNA-蛋白質，一次建立起自己的複製。含氮元素的環有兩種：嘧啶和嘌呤。嘧啶為六元環，在DNA中有胞嘧啶（Cytosine），胸腺嘧啶（Thymine），在RNA中有胞嘧啶（Cytosine）和尿嘧啶（Uracil）。

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- 胞嘧啶

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- 胸腺嘧啶

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- 尿嘧啶

嘌呤為融入六元環的五元環。有腺嘌呤（Adenine）和鳥嘌呤兩種（Guanine）。

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- 腺嘌呤

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- 鳥嘌呤

核糖核酸的合成：連接第一個核苷酸中的糖和第二個核苷酸中的磷，構成磷酸二酯鍵，形成三維結構：

- RNA為單鏈
- DNA為雙鏈
- 雙螺旋
- 沃森與克里克
- 磷酸二酯鍵在外的螺旋
- 環在內有氫鍵連結
- A-T兩個氫鍵
- G-C三個氫鍵

在生物中，DNA一般不以簡單分子的形式存在，而往往以緊密連接的多個分子群的形式存在。這兩條長鏈向血脈一般緊緊相連，形成一個雙螺旋形。脫氧核糖核酸的結構：核苷酸的多體，核苷酸有含氮和碳元素的環，糖，PO4。幾個核苷酸連成的循環固定結構同時擁有能把鏈連在一起的骨幹，又有互相作用是DNA形成螺旋形的中央的環。

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上圖中，GC鹼基對有三個氫鍵。下圖中，AT鹼基對有兩個氫鍵。晴間都有虛線表示。

DNA中的糖是戊糖2-去氧核糖。這些糖是由在環中第三個和第五個碳元素之間的磷酸二酯鍵連結的。鍵的不對稱是每個鍵有了方向。在一個核苷酸的雙螺旋中雙鏈的方向是相反的。這種排列被叫做反平行。不對稱的鏈的兩頭分別被叫做5'（five prime）和3'（three prime）。DNA和RNA只見最大的區別就在於糖，在DNA的糖有2-去氧核糖而在RNA則是一個戊糖核糖。

#### 鹼基對

鹼基對是形成核酸DNA、RNA單體以及編碼遺傳資訊的化學結構。組成鹼基對的鹼基包括A、G、T、C、U。嚴格地說，鹼基對是一對相互匹配的鹼基（即A：T，G：C，A：U相互作用）被氫鍵連接起來。然而，它常被用來衡量DNA和RNA的長度（儘管RNA是單鏈）。它還與核苷酸互換使用，儘管後者是由一個五碳糖、磷酸和一個鹼基組成。

鹼基對通常簡寫做bp（英語base pair），千鹼基對為kbp，或簡寫作kb（對於雙鏈核酸。對於單鏈核酸，kb指千鹼基）。

## 無機高分子

### 天然無機高分子

- 二氧化矽（水晶、石英）
- 雲母
- 長石
- 石綿

### 合成無機高分子

- 玻璃
- 合成紅寶石

## 外部連結

- Synopsis of Chapter 5, Campbell & Reece, 2002
- Lecture notes on the structure and function of macromolecules
- Several (free) introductory macromolecule related internet-based courses