# 核心：生物分子

> IB 生物 HL · IB 生物 HL 2025 大纲
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u4-core-molecules/

本核心子主题探讨支撑所有细胞过程的关键生物分子，包括碳水化合物、脂质、蛋白质和核酸。内容涵盖单体如何组装成聚合物，以及分子结构与功能之间的联系。

**先修:** [基础细胞结构与组织](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-intro-to-cells/)

## 学习目标

- 识别四大核心类生物分子的结构与功能
- 区分单体与聚合物，以及缩合反应和水解反应
- 解释分子结构如何决定生物功能
- 对不同类别的分子命名并正确分配共价键

## 单体、聚合物与核心反应

**大分子** — 由较小亚基组装而成的大型生物分子，共有四大核心类别：碳水化合物、蛋白质、核酸和脂质；其中脂质不是真正的聚合物。

*例:* DNA 链是由重复的核苷酸单体构成的大分子。

**缩合与水解** — 缩合反应将两个单体连接在一起，每形成一个键释放一分子水。水解是逆反应，通过加水断裂化学键将聚合物分解为单体。

**例题:** 将12个葡萄糖组成的淀粉链分解为单个葡萄糖单体需要什么反应？需要多少个水分子？

1. 首先确定反应类型：将聚合物分解为单体需要水解反应，每断裂一个键消耗一分子水。
2. 由$n$个单体组成的链中，单体之间共有$(n-1)$个共价键。对于12个葡萄糖单体，共价键总数为$12-1 = 11$个。
3. 每个键断裂需要一个水分子，因此总共需要11个水分子。

> **mnemonic**
>
> 缩合（Condensation）= 创造（释放水），水解（Hydrolysis）= 加水裂解（断裂，消耗水）

## 碳水化合物与脂质

碳水化合物的通式为$C_n(H_2O)_m$，可分为单糖（单个糖）、二糖（两个糖）和多糖（长链），它们具有能量储存和结构支撑的功能。

**糖苷键** — 两个单糖通过缩合反应形成的共价键。

**例题:** 淀粉、糖原和纤维素之间的结构差异如何导致它们功能不同？

1. 淀粉（植物）由α-葡萄糖单体构成，用于能量储存，分为直链淀粉和支链淀粉两种形式。
2. 糖原（动物）也由α-葡萄糖构成，但分支程度远高于淀粉，这使得糖原可以快速分解释放葡萄糖供能。
3. 纤维素（植物）由β-葡萄糖单体构成，单体交替排列形成直的无分支链。链之间的氢键形成强纤维，构成植物细胞壁提供结构支撑。

脂质是非极性疏水分子。甘油三酯（能量储存）由一个甘油和三个脂肪酸通过酯键连接而成。饱和脂肪酸的碳之间没有双键，而不饱和脂肪酸有一个或多个双键。

## 蛋白质：结构层次

蛋白质是氨基酸的聚合物，具有极其广泛的功能，包括酶、结构支撑、细胞信号传导和运输。所有氨基酸都具有共同的核心结构：中心碳原子连接氨基、羧基、氢原子，以及决定氨基酸性质的可变R基。

**肽键** — 一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基通过缩合反应形成的共价键。

**例题:** 描述蛋白质结构的四个层次，以及稳定每个层次的化学键。

1. 1. 一级结构：多肽链中氨基酸的线性序列，仅由肽键稳定。
2. 2. 二级结构：由多肽主链（而非R基）之间的氢键形成的重复折叠模式（α-螺旋、β-折叠片）。
3. 3. 三级结构：折叠后多肽的整体三维形状，由R基之间的相互作用稳定：氢键、离子键、二硫键和疏水相互作用。
4. 4. 四级结构：由多个独立多肽链组成的蛋白质的结构，由与三级结构相同的R基相互作用稳定。并非所有蛋白质都具有这一结构层次。

> **info**
>
> pH或温度的变化会破坏维持蛋白质形状的相互作用，导致变性，变性几乎都是不可逆的。

## 核酸

核酸是核苷酸的聚合物，功能是储存和传递遗传信息。共有两种类型：DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）。

**核苷酸** — 核酸的单体，由三个部分组成：戊糖、磷酸基团和含氮碱基。相邻核苷酸通过缩合反应形成的磷酸二酯键连接。

**例题:** DNA 和 RNA 之间的三个关键结构差异是什么？

1. 1. 五碳糖：DNA 含有脱氧核糖，在2'碳上没有羟基。RNA 含有核糖，2'碳上有羟基。
2. 2. 含氮碱基：DNA 使用胸腺嘧啶，而 RNA 使用尿嘧啶代替胸腺嘧啶。
3. 3. 整体结构：DNA 几乎总是双链螺旋，而 RNA 通常为单链（但也可以折叠成复杂的三维形状）。

## 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: IB 明确将该表述判错。脂质是大分子，但不是具有重复单体链的真正聚合物。
  - 正确做法: 表述为脂质是一类疏水大分子，不是真正的聚合物。
- **错误做法:** 认为缩合反应以水作为反应物。
  - 原因: 这颠倒了两种核心反应。缩合释放水以构建聚合物，水解消耗水以断裂聚合物。
  - 正确做法: 记住记忆法：缩合产生水，水解消耗水。
- **错误做法:** 认为肽键稳定蛋白质的二级结构。
  - 原因: 肽键只构成一级线性序列。二级结构由多肽主链之间的氢键维持。
  - 正确做法: 将一级结构与肽键关联，二级结构与氢键关联。
- **错误做法:** 声称所有蛋白质都具有四级结构。
  - 原因: 四级结构仅存在于由多个独立多肽链组成的蛋白质中。
  - 正确做法: 仅在描述多链蛋白质时才提及四级结构。
- **错误做法:** 混淆糖苷键、酯键、肽键和磷酸二酯键。
  - 原因: 考试题目经常考察这种区分，混淆是丢分的常见原因。
  - 正确做法: 记住：糖苷键=碳水化合物，酯键=脂质，肽键=蛋白质，磷酸二酯键=核酸。

## 速查表

| 分子类别 | 单体/亚基 | 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 | 甘油 + 脂肪酸 | 酯键 | 能量、膜、激素 |
| 蛋白质 | 氨基酸 | 肽键 | 酶、结构、信号传导 |
| 核酸 | 核苷酸 | 磷酸二酯键 | 遗传信息储存 |

## 下一步

核心生物分子是 IB 生物 HL 所有其他主题的基础。所有细胞过程，从酶催化到 DNA 复制、细胞分裂和免疫反应，都依赖于本主题涵盖的分子的结构和性质。掌握分子类别、键型和结构-功能关系之间的区别，将使你更容易理解所有后续主题。接下来你将基于这些核心知识，探索与分子生物学、细胞功能和遗传学相关的更具体过程。

- [膜结构与运输](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u4-core-cells/)
- [核心：生物的分类与支序分类学](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u4-core-organisms/)
- [核心内容：生态系统](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u4-core-ecosystems/)

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