Macromolecule
Large molecule
A molecule of high relative molecular mass, the structure of which essentially
comprises the multiple repetition of units derived, actually or conceptually, from
molecules of low relative molecular mass.
1. In many cases, especially for synthetic polymers, a molecule can be regarded
as having a high relative molecular mass if the addition or removal of one or a
few of the units has a negligible effect on the molecular properties. This statement
fails in the case of certain macromolecules for which the properties may be
critically dependent on fine details of the molecular structure.
2. If a part or the whole of the molecule fits into this definition, it may be described
as either macromolecular or polymeric, or by polymer used adjectivally.[4]
术语高分子（宏-+分子)是由诺贝尔奖获得者赫尔曼·施陶丁格在19世纪20年代创造的，尽管他在该领域的第一份相关出版物仅提及高分子化合物(超过1000个原子)。[5]那时，由 Berzelius于1833年提出的聚合物一词与今天的含义不同:它只是苯和乙炔等异构物的另一种形式，与大小无关。[6]
大分子术语的使用在不同学科中有所不同。例如，虽然生物学将大分子称为组成生物的四大分子，但在化学中，该术语可以指由分子间作用力而不是共价键结合在一起但不容易解离的两个或更多分子的聚集体。[7]
根据标准的IUPAC 定义，高分子科学中的使用的术语“单分子”仅指单个分子。例如，单个聚合物分子被恰当地描述为“大分子”或“聚合物分子”，而不是“聚合物”，这暗示了由大分子组成的物质。[8]
由于大分子的大小，仅用化学计量学不能方便地用描述他们。简单大分子的结构，如均聚物，可以用单个单体亚基和总分子量来描述。另一方面，复杂的生物大分子需要多方面的结构描述，例如用于描述蛋白质的结构层次。英式英语中“高分子”这个词往往被称为“大分子”。
大分子通常具有小分子不具备的异常物理性质。
另一个不能表征小分子的常见大分子性质是它们在水和类似的溶剂中的相对不溶性，而是形成胶体。许多需要盐或特定的离子溶解在水中。类似地，如果许多蛋白质溶液的溶质浓度过高或过低，它们将会变性。
溶液中高浓度的大分子可以通过一种称为“大分子拥挤”的效应，改变其他大分子反应的速率和平衡常数。[9]这是由于大分子把其他分子排除在溶液的大部分体积之外，从而增加了这些分子的有效浓度。
所有生物体的生物功能都依赖于三种基本的生物聚合物:脱氧核糖核酸，核糖核酸和蛋白质。[10]这些分子中的每一个都是生命所必需的，因为它们在细胞中都扮演着独特的、不可或缺的角色。[11]简单的总结是脱氧核糖核酸制造核糖核酸，然后核糖核酸制造蛋白质。
DNA、RNA和蛋白质都由相关构件的重复结构组成(DNA和RNA的组成单元是核苷酸，蛋白质的组成单元是氨基酸)。一般来说，它们都是无支链的聚合物，因此可以用字符串的形式表示。事实上，它们可以被视为一串珠子，每个珠子代表单个核苷酸或氨基酸单体，通过共价化学键连接在一起形成非常长的链。
在大多数情况下，链中的单体很容易与其他氨基酸或核苷酸相互作用。在DNA和RNA中，这可以采取沃森-克里克的提出的碱基对形式 (G-C和A-T或A-U)存在，尽管许多更复杂的相互作用可以而且确实发生。
| 脱氧核糖核酸 | 核糖核酸 | 蛋白质 | |
|---|---|---|---|
| 编码遗传信息 | 是 | 是 | 不 |
| 催化生物反应 | 不 | 是 | 是 |
| 积木(类型) | 核苷酸 | 核苷酸 | 氨基酸 |
| 构件(数量) | 4 | 4 | 20 |
| 搁浅 | 两倍 | 单身 | 单身 |
| 结构 | 二重螺旋线 | 复杂的 | 复杂的 |
| 降解稳定性 | 高的 | 可变的 | 可变的 |
| 维修系统 | 是 | 不 | 不 |
由于DNA的双链性质，基本上所有的核苷酸都以沃森-克里克碱基对的形式存在于两个互补的双螺旋上。
相反，RNA和蛋白质通常都是单链的。因此，它们不受DNA双螺旋规则几何的约束，从而根据它们的序列折叠成复杂的三维形状。这些不同的形状是RNA和蛋白质许多共同性质的原因，包括特定结合囊的形成、以及催化生化反应的能力。
脱氧核糖核酸被优化用于编码信息
DNA 是一种信息存储大分子，编码组装、维护和繁殖每个活生物体所需的全套指令(基因组)。[12]
DNA和RNA都能够编码遗传信息，因为生物化学机制读取DNA或RNA序列中编码的信息，并使用它生成特定的蛋白质。另一方面，细胞不使用蛋白质分子的序列信息来功能性编码遗传信息。[1]
DNA有三个主要属性，使得它在编码遗传信息方面远远优于RNA。首先，它通常是双链的，因此每个细胞中编码每个基因的信息至少有两个拷贝。其次，DNA比RNA具有更高的抗分解稳定性，这主要与DNA每个核苷酸中缺乏2’-羟基有关。第三，存在高度复杂的DNA监控和修复系统，它们监控DNA的损伤，并在必要时修复序列。类似的系统还没有进化到修复受损的RNA分子。因此，染色体可以包含数十亿个原子，排列在特定的化学结构中。
蛋白质被优化用于催化
蛋白质是功能大分子，负责催化维持生命的生化反应。[1]蛋白质执行生物体的所有功能，例如光合作用、神经功能、视觉和运动。[13]
蛋白质分子的单链性质，以及它们由20个或更多不同氨基酸组成的结构单元，允许它们折叠成大量不同的三维形状，同时提供结合口袋，通过结合口袋它们可以特异性地与所有形式的分子相互作用。此外，不同氨基酸的化学多样性，以及局部3D结构提供的不同化学环境，使得许多蛋白质能够充当酶，催化细胞内广泛的特定生化转化。此外，蛋白质已经进化出结合各种各样的辅因子和辅酶的能力，这些较小的分子能够赋予蛋白质比单独与多肽链相关的活性更高的特异性活性。
核糖核酸是多功能的
核糖核酸是多功能的，它的主要功能是编码蛋白质根据细胞DNA的指示。[1]它们控制和调节真核生物蛋白质合成的许多方面。
RNA编码遗传信息，这些信息可以翻译成蛋白质的氨基酸序列，每个细胞中存在的信使RNA分子和大量病毒的RNA基因组证明了这一点。RNA的单链性质，以及快速分解和缺乏修复系统的趋势，意味着RNA不像DNA那样适合长期储存遗传信息。
此外，RNA是一种单链聚合物，可以像蛋白质一样折叠成大量的三维结构。其中一些结构为其他分子提供结合位点和化学活性中心，可以催化这些结合分子上的特定化学反应。RNA的不同构件数量有限(4个核苷酸对> 蛋白质中20个氨基酸)，加上它们缺乏化学多样性，导致催化RNA ( 核酶)在大多数生物反应中通常不如蛋白质有效。
碳水化合物大分子(多糖)由单糖的聚合物形成。[1]因为单糖具有多个官能团，多糖可以形成线型高分子(例如纤维素)或复杂的分支结构(例如糖原)。多糖在生物体中发挥多种作用，充当能量储存库(如淀粉)和结构成分(如节肢动物和真菌中的几丁质)。许多碳水化合物含有被取代或去除了官能团的修饰单糖单元。
多酚由多个酚亚基的分支结构组成。它们可以发挥结构作用(例如木质素)以及作为次生代谢物参与信号传导、色素沉着和防御的作用。
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