# 核心：分子

> IB 生物学 高级水平 · IB 生物学 HL 2025+ 首次评估
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u3-core-molecules/

本模块涵盖构成生物体的基础生物分子，包括单体-聚合物结构、构建和分解分子的化学反应，以及结构与功能之间的核心联系。

**先修:** [基础原子结构与共价键](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u1-chemical-basis-of-life/)

## 学习目标

- 识别四大类生物大分子及其关键特性
- 区分聚合物组装和分解过程中的缩合反应与水解反应
- 识别常见官能团及其化学性质
- 解释分子结构与生物功能之间的核心关系

## 生物大分子的主要类别

**大分子** — 由生物体产生的大型有机分子，分为四大核心类别。大多数是由重复单体亚基构成的聚合物，脂质是例外。

*例:* 蛋白质血红蛋白是由氨基酸单体构成的大分子。

所有生物大分子都是有机物，即都含有碳元素，不同类别的分子还含有其他额外元素。每一类分子都有独特的结构和核心生物功能：

- **碳水化合物**：由 C、H、O 组成，比例约为 1:2:1，功能为能量储存和结构支撑
- **脂质**：非极性疏水分子，功能为能量储存、膜结构构成和信号传导
- **蛋白质**：由氨基酸构成的聚合物，功能包括催化、运输、结构支撑和信号传导
- **核酸**：由核苷酸构成的聚合物，功能为储存和传递遗传信息

**例题:** 将下列分子分类到四大核心生物分子类别中：葡萄糖、血红蛋白、胆固醇、DNA

1. 步骤 1：回忆每个类别的定义特征。
2. 步骤 2：葡萄糖是单糖，因此属于碳水化合物。
3. 步骤 3：血红蛋白是由氨基酸单体构成的结合氧分子，因此属于蛋白质。
4. 步骤 4：胆固醇是调节膜流动性的疏水性类固醇，因此属于脂质。
5. 步骤 5：DNA 是储存遗传信息的核苷酸聚合物，因此属于核酸。

> **考试提示:** IB 考题经常考察脂质不是真正聚合物这一知识点——一定要记住这个区别。

## 缩合与水解反应

**缩合反应** — 将两个较小亚基共价连接形成更大分子的合成代谢反应，每形成一个键就释放一分子水。

*例:* 两个葡萄糖分子缩合形成麦芽糖，释放一分子 $H_2O$ 分子。

水解是相反的分解代谢反应，它通过向化学键添加水分子来断裂两个亚基之间的共价键。水解发生在消化过程中，此时大型大分子被分解为可被吸收的单体。

**例题:** 写出由两个氨基酸形成二肽的反应，注明反应类型和形成的新键名称。

1. 步骤 1：连接两个氨基酸的反应是缩合反应。
2. 步骤 2：第一个氨基酸的羧基（$-COOH$）与第二个氨基酸的氨基（$-NH_2$）发生反应。
3. 步骤 3：羧基上的 $-OH$ 与氨基上的 $-H$ 结合释放 $H_2O$，在碳和氮之间留下一个共价键。
4. $$H_2N-CHR-COOH + H_2N-CHR'-COOH \rightarrow H_2N-CHR-CO-NH-CHR'-COOH + H_2O$$
5. 步骤 4：形成的新共价键称为肽键。

> **mnemonic**
>
> 缩合（Condensation）*生成*（Creates）聚合物，水解（Hydrolysis）*水解断裂*（Hydrolyzes）聚合物。C 代表生成（Create），H 代表水解断裂（Hydrolyze）。

## 常见官能团

官能团是赋予生物分子独特化学性质的特定原子基团。它们决定了所在分子的极性、酸碱性和反应活性。

| 官能团 | 分子式 | 常见位置 | 关键特性 |
| --- | --- | --- | --- |
| 羟基 | $-OH$ | 碳水化合物、脂质 | 极性 |
| 羧基 | $-COOH$ | 氨基酸、脂肪酸 | 酸性 |
| 氨基 | $-NH_2$ | 氨基酸、核酸 | 碱性 |
| 磷酸基 | $-PO_4^{3-}$ | 核酸、ATP、磷脂 | 极性、带负电荷 |
| 甲基 | $-CH_3$ | 脂质、修饰碱基 | 非极性 |

**例题:** 哪个官能团赋予氨基酸酸性？

1. 步骤 1：酸性分子会向溶液中释放 $H^+$ 离子。
2. 步骤 2：羧基（$-COOH$）容易解离释放 $H^+$，形成 $-COO^-$，因此呈酸性。
3. 步骤 3：氨基呈碱性，会接受 $H^+$ 带正电。
4. 结论：羧基是氨基酸酸性的来源。

## 结构决定功能

这是生物学的核心统一主题，在 IB 生物学考试中反复出现。单体线性序列（一级结构）的任何改变都会改变大分子的整体三维形状，通常会改变或破坏其功能。

> **info**
>
> IB 生物学考试中约有 20% 的分数要求你将结构与功能联系起来，因此一定要为你学到的每一种分子练习这个联系。

**例题:** 解释磷脂的结构为何使其适合构成细胞膜

1. 步骤 1：回忆磷脂结构：一个亲水（喜水）磷酸头部，两个疏水（厌水）脂肪酸尾部。
2. 步骤 2：当处于水相（水性）环境中时，磷脂会自发排列形成双分子层。
3. 步骤 3：亲水头部朝外，与膜两侧的水相互作用，而疏水尾部朝内，远离水。
4. 步骤 4：这种双分子层形成了半透性屏障，控制物质进出细胞，这就是细胞膜的核心功能。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称脂质是由重复脂肪酸单体构成的聚合物
  - 原因: 脂质不是由相同重复单体构成的，因此和碳水化合物、蛋白质、核酸不同，脂质不是真正的聚合物
  - 正确做法: 说明脂质是一类疏水性大分子，不是真正的聚合物
- **错误做法:** 混淆缩合和水解，认为缩合会断裂聚合物
  - 原因: 学生经常忘记缩合释放水来构建新键，而水解利用水来断裂键
  - 正确做法: 记住：缩合构建聚合物（释放水），水解断裂聚合物（消耗水）
- **错误做法:** 声称只有碳水化合物含有碳、氢、氧
  - 原因: 所有生物大分子都是有机物，因此都含有 C、H、O；蛋白质额外含有氮，核酸额外含有氮和磷
  - 正确做法: 记住所有大分子都含有 C、H、O，蛋白质和核酸含有额外元素
- **错误做法:** 认为所有碳水化合物都只发挥能量储存功能
  - 原因: 许多碳水化合物都有重要的结构功能，这在考试中经常被考察
  - 正确做法: 记住碳水化合物既有能量储存功能（淀粉、糖原），也有结构功能（纤维素、几丁质）

## 速查表

| 分子类别 | 亚基 | 关键键型 | 核心功能 |
| --- | --- | --- | --- |
| 碳水化合物 | 单糖 | 糖苷键 | 能量储存、结构支撑 |
| 脂质 | 脂肪酸 + 甘油 | 酯键 | 能量储存、细胞膜 |
| 蛋白质 | 氨基酸 | 肽键 | 功能多样（催化、结构） |
| 核酸 | 核苷酸 | 磷酸二酯键 | 储存遗传信息 |

## 下一步

理解核心生物分子是 IB 生物学 HL 所有后续主题的基础。这个子主题为接下来对每一类生物分子的详细探究打好了基础，掌握这些基础知识会让酶动力学、细胞膜运输、DNA 复制和蛋白质合成等复杂主题更容易理解。这里介绍的结构决定功能的核心主题贯穿主题 C 的所有主题，因此在学习更具体的内容之前掌握这个概念非常重要。

- [膜结构（核心：细胞）](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u3-core-cells/)
- [核心：生物体](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u3-core-organisms/)
- [核心：生态系统](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u3-core-ecosystems/)

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