M2 生命的分子

本模块你将学会

本模块比 M1 更"化学"一些。不用背结构式，抓住每类分子"由什么组成、靠什么连接、为什么有这种功能"即可。

• 说出构成生命的主要元素，比较共价键、离子键、氢键、疏水作用和范德华力的强弱与用途
• 解释水为什么是极性分子、为什么是好溶剂，区分亲水、疏水与双亲性
• 理解 pH 的含义和缓冲液的作用，知道 PBS、Tris 等缓冲液为什么无处不在
• 熟练使用 Da/kDa、摩尔、M/mM/μM/nM、mg/mL、bp/kb 等单位，会做质量浓度与摩尔浓度的换算和稀释计算
• 用"单体 → 多聚体"的框架概括四大生物大分子，理解脱水缩合与水解
• 描述 DNA 双螺旋的结构，会写反向互补序列，理解 GC 含量、解链温度 Tm、变性与复性，并比较 DNA 与 RNA
• 认识氨基酸的结构、四类侧链和几种特殊氨基酸，理解肽键、N 端/C 端、等电点和蛋白质的四级结构
• 区分单糖、二糖、多糖和糖苷键，说明糖基化对抗体药的意义
• 解释磷脂为什么能自发形成膜，以及 LNP 的四种成分如何把 mRNA 送进细胞
• 理解酶如何降低活化能，影响酶活性的因素，Km 与 Vmax 的直观含义，辅因子和抑制剂，认识常用工具酶和工业酶
• 说明 ATP 为什么是细胞的"能量货币"，以及它和核苷酸原料 dNTP/NTP 的关系

01元素与化学键：生命由什么构成？

先认识"原材料"：几种普通的元素、把原子连起来的化学键，以及一种特别会"搭架子"的原子：碳。

把一个人拆到原子层面，会发现组成生命的元素一点也不稀奇，地壳、海水和空气里都有。按质量算，人体约 65% 是氧、18% 是碳、10% 是氢、3% 是氮，这四种元素合计约占 96%。再加上磷（P）和硫（S），就凑齐了构成生物大分子的六种主要元素，常被缩写为 CHONPS。生命的奇妙不在于用了什么稀有元素，而在于这些普通原子的组合方式。

人体元素比例为教科书常见数值（如 OpenStax《Biology》）；细胞成分参考 Alberts《细胞的分子生物学》对大肠杆菌的估算：水约 70%，蛋白质约 15%，核酸约 7%。去掉水以后，蛋白质占细胞干重的一半以上。

此外还有许多含量极少但不可缺少的元素，如铁（血红蛋白）、镁（许多酶的辅助因子，包括 DNA 聚合酶）、锌、钙、钠、钾等。

原子、分子与化学键

所有物质都由原子（atom）构成。原子中心是带正电的原子核（由质子和中子组成），外面是带负电的电子。正常情况下质子数等于电子数，原子整体不带电。决定一个原子"爱和谁结合"的，是它最外层的电子：原子总是倾向于通过共享、得到或失去电子，让最外层变得"满"而稳定。

两个或更多原子结合在一起就成了分子（molecule），例如水 H₂O、葡萄糖 C₆H₁₂O₆。把原子或分子"粘"在一起的力，生物学里最常打交道的有两大类：

• 强的"骨架键"：共价键。共价键（covalent bond）是两个原子共享一对电子。如果两边"抢"电子的能力（称为电负性）差不多，比如 C–C、C–H，电子平均分配，叫非极性共价键；如果一边明显更强，比如 O–H、N–H，共享电子偏向氧或氮，于是氧/氮一端带部分负电（记作 δ−），氢一端带部分正电（δ+），叫极性共价键。生物大分子的主链和骨架全靠共价键。
• 弱的"非共价作用"。不共享电子，而是靠电荷之间的吸引，或者靠水的"挤压"，把分子或分子的不同部分贴在一起，包括离子键、氢键、疏水作用和范德华力。它们单个都很弱，却决定了大分子的形状和分子之间的相互识别。

离子键（ionic bond）来自电子的"转移"：钠原子把一个电子交给氯原子，两者分别变成带正电的 Na⁺ 和带负电的 Cl⁻。这种带电的原子或原子团叫离子，正负离子相互吸引，食盐晶体就是这样结合的。在生物分子中，带正电的基团和带负电的基团之间的吸引也属于这类作用，常称为盐桥，例如蛋白质中某些带正电和带负电的侧链之间（第 07 节）。

碳：天生的"骨架"

碳原子最外层有 4 个电子，能和其他原子形成 4 个共价键。更关键的是，碳和碳之间也能稳定地成键，于是可以连成长链、分支和环，还能形成单键、双键。碳–碳键足够稳定，又不至于完全"惰性"，在酶的帮助下可以被拆开和重组。这让碳能搭出几乎无穷多种分子。

同样的原子、不同的排列，性质可以完全不同。葡萄糖和果糖的分子式都是 C₆H₁₂O₆，但原子排列不同（称为同分异构体），甜度和代谢方式都不一样。碳骨架上挂着的一些小基团叫官能团，它们决定了分子的"性格"：

分子之间的"胶水"：从强到弱

生物学的一个核心规律是：骨架靠强的共价键，形状和识别靠大量弱作用。下面这张"作用力清单"会在整个课程中反复用到：DNA 双链为什么能拉开、蛋白质为什么会折叠、抗体为什么能牢牢抓住抗原，都能用它来解释。

为什么生命要大量依赖弱作用？因为它们可逆：结合得足够牢，又能在需要时松开。DNA 复制和 PCR 要把两条链拉开、之后再重新配对；酶要抓住底物，反应后又要放开产物；抗体要特异地结合抗原，但不需要和它永久"焊死"。一个抗体与抗原的结合面上，往往同时存在许多个氢键、盐桥、疏水接触和范德华接触，单个都很弱，合起来既牢固又专一。两个分子的形状和电荷越互补，能同时形成的弱作用就越多，结合也就越紧，这就是"分子识别"的基本原理。

02水：生命的溶剂

细胞约 70% 是水，所有生化反应都在水里发生。理解了"亲水"和"疏水"，就能理解细胞膜、蛋白质折叠和许多实验现象。

水是极性分子

水分子（H₂O）由一个氧原子和两个氢原子通过极性共价键相连，整体呈 V 字形（两个 O–H 键的夹角约 105°）。氧"抢"电子的能力比氢强得多，共享的电子偏向氧，于是氧一端带部分负电（δ−），两个氢一端带部分正电（δ+）。这种电荷分布不均匀、有"正极"和"负极"的分子叫极性分子。如果水是一条直线，两边的电荷就会互相抵消；正因为是 V 字形，水才有明显的极性。

氢键：水分子之间"手拉手"

一个水分子带 δ+ 的氢，会被相邻水分子带 δ− 的氧吸引，形成氢键。液态水中，每个水分子最多可以同时和 4 个邻居形成氢键，这些氢键不停地断开、又重新形成。氢键赋予水许多特别的性质：

• 比热大，温度稳定：要让水升温，必须先打断大量氢键，所以水吸收很多热量温度才升高一点。这帮助生物体维持体温，也是水浴能让样品温度保持稳定的原因。
• 冰比水轻：结冰时氢键把水分子固定成疏松的网格，冰的密度比液态水小，所以冰浮在水面上，水下的生物得以越冬。
• 内聚力强：水分子彼此"拉得很紧"，表面张力大，植物能把水从根部沿细小的管道一直输送到叶片。

好溶剂：亲水、疏水与双亲性

水能溶解的物质特别多，常被称为"万能溶剂"。原因是水分子能用自己带电的两端包围其他带电或有极性的物质：

• 离子：食盐放进水里，Na⁺ 被水分子的氧端（δ−）包围，Cl⁻ 被氢端（δ+）包围，各自裹上一层"水外套"（水合层）而散开，晶体就溶解了。
• 极性分子：糖、氨基酸、DNA 等分子表面有许多 –OH、–NH₂ 或带电的基团，能和水形成氢键，因此易溶于水。

能与水亲近、易溶于水的物质或基团叫亲水（hydrophilic），如盐、糖、带电的氨基酸侧链。不带电、无极性的物质，如油脂和长长的碳氢链，无法与水形成氢键，叫疏水（hydrophobic）。疏水分子放进水里，周围的水分子只能排成更"拘束"的结构；如果疏水分子聚到一起，接触水的总面积最小，水分子就能更自由地彼此形成氢键。所以疏水分子并不是互相"喜欢"，而是被水挤到了一起，这就是疏水作用（也叫疏水效应）。

还有一类分子同时具有亲水部分和疏水部分，叫双亲性分子（amphipathic），例如磷脂、肥皂和去污剂。它们放进水里会自发排列：亲水的一端朝向水，疏水的一端躲在一起。细胞膜和 LNP 就是这样"自己组装"起来的（第 09 节）；蛋白质折叠时疏水侧链藏到内部，也是同样的道理（第 07 节）。

03酸、碱、pH 与缓冲液

几乎每一份实验方案和产品说明书都会写 pH 和缓冲液。pH 决定了分子带什么电，也就决定了蛋白质和核酸能不能保持正常的状态。

什么是酸和碱

水分子中有极少一部分会自发分开，变成氢离子（H⁺，实际上与水结合成 H₃O⁺）和氢氧根离子（OH⁻）。溶液中 H⁺ 多，就是酸性；H⁺ 少、OH⁻ 多，就是碱性。能在水中释放 H⁺ 的物质叫酸，如盐酸（HCl）、醋酸；能结合 H⁺ 的物质叫碱，如氢氧化钠（NaOH）、氨。

pH：氢离子浓度的"简写"

溶液中 H⁺ 的浓度通常非常小，纯水中只有约 0.0000001 mol/L，也就是 10⁻⁷ mol/L（mol/L 是浓度单位，第 04 节会讲）。为了好写好记，化学家用 pH 来表示：pH 是 H⁺ 浓度的负对数，可以简单理解为"10 的负几次方"里的那个"几"。H⁺ 浓度为 10⁻⁷ mol/L，pH 就是 7。由此得出三条规律：

• pH 7 为中性（纯水，25°C），小于 7 为酸性，大于 7 为碱性，常用范围是 0–14；
• pH 越小，H⁺ 越多，越酸；
• pH 每差 1，H⁺ 浓度相差 10 倍：pH 5 的溶液比 pH 7 的 H⁺ 浓度高 100 倍。看起来只差"一点点"的 pH，实际差别很大。

pH 为什么重要：它决定分子带什么电

第 01 节说过，羧基（–COOH）在细胞中常失去 H⁺ 变成带负电的 –COO⁻，氨基（–NH₂）常结合 H⁺ 变成带正电的 –NH₃⁺。这里的"常"字很关键：一个基团得到还是失去 H⁺，取决于溶液的 pH。溶液越酸（H⁺ 越多），基团越倾向于结合 H⁺，变得更"正"；溶液越碱，基团越倾向于失去 H⁺，变得更"负"。

每种可以得失 H⁺ 的基团都有一个特征 pH，叫 pKa：当溶液 pH 等于 pKa 时，正好一半的基团带着 H⁺、一半没有。羧基的 pKa 大约在 2–4.5，氨基大约在 9–10.5。所以在 pH 7 附近，羧基几乎都带负电，氨基几乎都带正电。

这件事影响深远。蛋白质的三维形状部分靠侧链之间的盐桥和氢键维持，酶的活性中心靠特定的电荷分布工作。pH 一变，电荷就变，结构和功能也跟着变，这就是酶有"最适 pH"、极端 pH 会让蛋白质变性的原因。对整个蛋白质分子来说，还有一个重要的 pH 叫等电点（pI）：在这个 pH 下，蛋白质分子上的正负电荷正好抵消，净电荷为零。第 07 节会讲它在工作中的用处。

缓冲液：给 pH 上"保险"

如果直接把蛋白质溶在纯水里，空气中的二氧化碳溶进去、加进一点样品或试剂，pH 都可能明显改变。缓冲液（buffer）就是能抵抗 pH 变化的溶液。它通常由一种弱酸和它失去 H⁺ 后的形式（对应的碱）混合而成：加入酸时，碱的成分"吸收"多出来的 H⁺；加入碱时，弱酸放出 H⁺ 去中和。于是少量酸碱进来，pH 只发生很小的变化。

每种缓冲物质只在它的 pKa 附近（大约上下 1 个 pH 单位）缓冲效果好，所以要根据目标 pH 选择缓冲物质。人体血液就是靠碳酸氢盐等缓冲体系维持在 7.4 左右的。

04工作中常用的量与单位

"150 kDa""10 μM""1 mg/mL""1.5 kb"……这些单位每天都会出现在订单、说明书和客户邮件里。本节一次讲清楚，并学会最常用的两种计算。

分子有多重：道尔顿

生物分子的质量用道尔顿（Dalton，Da）表示，1 Da 约等于一个氢原子的质量；1 kDa（千道尔顿）= 1000 Da，1 MDa（兆道尔顿）= 100 万 Da。水是 18 Da，葡萄糖约 180 Da，氨基酸大约在 75–204 Da 之间（最小的甘氨酸约 75 Da，最大的色氨酸约 204 Da）。这些是小分子。

由许多小分子连接而成的生物大分子，质量从几千到数百万道尔顿不等：胰岛素约 5.8 kDa，绿色荧光蛋白（GFP）约 27 kDa，一个 IgG 抗体约 150 kDa，一条染色体上的 DNA 则大得多。医药行业里的"小分子药"和"大分子药/生物药"也是按这个区分：阿司匹林约 180 Da，一个抗体约 150,000 Da，相差八百多倍。

不知道精确分子量时，可以用下面的经验值快速估算：

核酸更常用"长度"来描述：nt（nucleotide，核苷酸）用于单链，bp（base pair，碱基对）用于双链；1 kb = 1000 bp（或 1000 nt），1 Mb = 100 万 bp。人类一套基因组约 31 亿 bp（约 3.1 Gb）。

分子有多少：摩尔

分子太小、数量太多，不可能一个个数，于是化学家规定了一个"打包单位"：摩尔（mol）。1 mol 含有约 6.02 × 10²³ 个粒子（阿伏伽德罗常数），就像"一打"是 12 个，只不过这个数特别大。常用的更小单位有 mmol（毫摩尔，10⁻³ mol）、μmol（微摩尔，10⁻⁶ mol）、nmol（纳摩尔，10⁻⁹ mol）、pmol（皮摩尔，10⁻¹² mol）。

摩尔和道尔顿之间有一个非常方便的对应：一种分子的分子量是多少 Da，1 mol 这种分子就重多少克。这个"每摩尔多少克"叫摩尔质量（单位 g/mol）。例如水是 18 Da，1 mol 水重 18 g；IgG 约 150 kDa，1 mol IgG 重约 150,000 g，所以 1 mg 抗体只有约 6.7 nmol。

两种浓度：摩尔浓度与质量浓度

• 摩尔浓度：每升溶液中含有多少摩尔溶质，单位是 mol/L，简写为 M。它告诉你"有多少个分子"，化学反应、结合实验按分子个数计量时用它。
• 质量浓度：每单位体积中含有多少质量，如 mg/mL、μg/mL、ng/μL。它告诉你"有多重"，可以直接用天平或分光光度计测得，所以蛋白质、抗体、DNA 产品通常这样标注。

同样的前缀也用于质量和体积：mg（毫克）、μg（微克）、ng（纳克），mL（毫升）、μL（微升）。两个常用的等式：1 mg/mL = 1 μg/μL = 1 g/L；1 μg/mL = 1 ng/μL。

两种浓度怎么换算

核心公式只有一个：摩尔浓度（mol/L）= 质量浓度（g/L）÷ 摩尔质量（g/mol）；反过来，质量浓度 = 摩尔浓度 × 摩尔质量。计算前先把单位统一成 g/L 和 g/mol。

稀释：C₁V₁ = C₂V₂

稀释时溶质的总量不变，只是加了溶剂，所以稀释前浓度 × 稀释前体积 = 稀释后浓度 × 稀释后体积，写作 C₁V₁ = C₂V₂。例如要用 100 μM 的引物储液配 20 μL、10 μM 的工作液：100 μM × V₁ = 10 μM × 20 μL，得 V₁ = 2 μL，再加 18 μL 水即可。"稀释 10 倍"就是 1 份原液加 9 份溶剂，总体积变成原来的 10 倍。

05单体与聚合物：四大生物大分子的"积木规则"

核酸、蛋白质、糖类、脂质。前三者都是"单体连成长链"，掌握一个规律就能理解三类分子。

生物大分子中，核酸、蛋白质和多糖是真正的多聚体（polymer）：由许多结构相似的小单元，即单体（monomer），通过共价键首尾相连而成。脂质不是多聚体，但因为分子较大、功能重要，通常也被放在一起讨论。

把动画里的规律总结一下：

• 脱水缩合（dehydration synthesis）：一个单体的 –OH 与另一个单体的 –H 结合成一分子水离开，两个单体之间形成一个共价键。n 个单体连成一条链，要脱去 n−1 个水分子。这个过程需要消耗能量（由 ATP 等分子提供，第 11 节），在细胞中由酶催化。
• 水解（hydrolysis）：正好相反，加入一分子水把键打断，长链被拆成片段或单体。消化食物、细胞回收旧分子都是水解，也通常需要酶来加速，例如蛋白酶水解肽键、淀粉酶水解淀粉。
• 同一套规则，不同的键名：核酸中单体之间是磷酸二酯键，蛋白质中是肽键，多糖中是糖苷键，后面三节会分别讲到。链上单体的排列顺序决定了大分子的性质。

为什么生命偏爱"积木"设计？

• 用少量零件造出无穷多样性。20 种氨基酸组成一条仅 10 个氨基酸的短肽，就有 20¹⁰ ≈ 10 万亿种可能的序列；4 种核苷酸组成 10 个碱基的 DNA，有 4¹⁰ ≈ 105 万种。
• 信息可以写在顺序里。就像 26 个字母可以写出所有英文书，DNA 用 4 种"字母"写下了全部遗传信息。
• 零件可以回收。吃进去的蛋白质被水解成氨基酸，身体再用它们组装自己需要的蛋白质。

06核酸：生命的"信息硬盘"

DNA 储存信息，RNA 传递和执行信息。基因合成、引物、质粒、mRNA，处理的都是核酸。

核苷酸：三个零件

核酸的单体是核苷酸，每个核苷酸由三部分组成：

1. 磷酸基团：带负电，负责把核苷酸串起来；
2. 五碳糖：DNA 中是脱氧核糖，RNA 中是核糖。两者只差一个氧原子：核糖的 2′ 位有一个羟基（–OH），脱氧核糖没有（"脱氧"即由此得名）；
3. 含氮碱基：共 5 种。嘌呤（A 腺嘌呤、G 鸟嘌呤）是双环结构，较大；嘧啶（C 胞嘧啶、T 胸腺嘧啶、U 尿嘧啶）是单环结构，较小。DNA 用 A、T、G、C，RNA 用 A、U、G、C。

糖上的 5 个碳原子编号为 1′ 到 5′（读作"1 撇"，加撇是为了和碱基上的原子编号区分）：1′ 连碱基，5′ 连磷酸，3′ 上的羟基负责连接下一个核苷酸。这几个编号马上就会派上用场。

只有碱基和糖、没有磷酸的部分叫核苷（nucleoside），例如腺嘌呤 + 核糖 = 腺苷；核苷再连上磷酸，才是核苷酸（nucleotide）。细胞和实验室合成核酸时用的原料，是带 3 个磷酸的核苷酸：合成 DNA 用 dNTP（dATP、dTTP、dGTP、dCTP，d 表示"脱氧"），合成 RNA 用 NTP（ATP、UTP、GTP、CTP）。连到链上时，原料切掉两个磷酸，释放的能量用来形成新的化学键。没错，这里的 ATP 正是细胞的"能量货币"（第 11 节）。

核苷酸如何连成链：磷酸二酯键

一个核苷酸糖上的 3′-OH，与下一个核苷酸 5′ 位的磷酸脱水相连。连接后，磷酸像一座桥，两侧各通过一个酯键连着两个糖，所以这种键叫磷酸二酯键。不断重复，就形成"糖–磷酸–糖–磷酸"交替的长长骨架，碱基则挂在骨架的侧面。

骨架上的每个磷酸都带一个负电荷，所以 DNA 和 RNA 整体带大量负电。这带来两个工作中常见的现象：做琼脂糖凝胶电泳时，DNA 在电场中向正极移动，较短的片段在凝胶的网孔中跑得更快，于是 DNA 按长度被分开；带负电的核酸也不能自己穿过细胞膜，需要转染试剂或 LNP 帮忙（呼应 M1）。

双螺旋是怎么发现的？

双螺旋的结构要点

• 两条链，骨架在外、碱基在内：磷酸和糖交替连成"扶手"，碱基像台阶一样朝向内侧，整体扭成一个右手螺旋。
• 碱基互补配对：A 只和 T 配对，形成 2 个氢键；G 只和 C 配对，形成 3 个氢键。这解释了查加夫法则。
• 大配小，宽度一致：每对都是一个嘌呤配一个嘧啶，所以每个碱基对一样宽，双螺旋直径始终约 2 nm。
• 尺寸：相邻碱基对相距约 0.34 nm，每约 10.5 个碱基对绕一圈。人类一套基因组约 31 亿个碱基对。
• 大沟与小沟：螺旋表面有宽窄两种凹槽，许多蛋白质（如转录因子、限制性内切酶）就是伸进沟里"读取"碱基序列的。

方向感：5′ 和 3′

每条核酸链都有方向：一端是糖 5′ 位上的游离磷酸（5′ 端），另一端是糖 3′ 位上的游离羟基（3′ 端）。双链中的两条链方向相反，这叫反向平行。

方向不只是书写习惯。DNA 聚合酶只能把新的核苷酸接到链 3′ 端的羟基上，所以新链总是沿 5′→3′ 方向延伸。与此一致，序列也约定从 5′ 端写到 3′ 端：除非特别注明，一段写出来的序列"ATGC"就表示 5′-ATGC-3′。

这带来一个工作中极其常用的概念：反向互补。已知一条链 5′-ATGC-3′，它的配对链按碱基互补是 3′-TACG-5′；按惯例从 5′ 开始书写，就要倒过来写成 5′-GCAT-3′。"先互补，再反向"，两步缺一不可。有些序列的反向互补恰好等于它自己，例如 GAATTC，这叫回文序列；许多限制性内切酶识别的就是回文序列（第 10 节）。

变性、复性与解链温度（Tm）

双链靠碱基之间的氢键，以及相邻碱基对上下叠在一起产生的碱基堆积作用维持，这些都是弱作用。把 DNA 溶液加热，热运动越来越剧烈，两条链会分开成单链，这叫 DNA 的变性（也叫解链）；断开的只是两条链之间的弱作用，每条链的共价骨架完好无损。温度慢慢降下来，互补的单链会重新找到对方、配对成双链，这叫复性；短的单链（如引物）与长链上的互补位置结合，常叫退火。在细胞内，则由解旋酶等蛋白质在体温下把双链打开。

一半双链分开成单链时的温度叫解链温度（melting temperature，Tm）。影响 Tm 的主要因素有：

• GC 含量：G 和 C 占全部碱基的百分比叫 GC 含量。G–C 之间有 3 个氢键、堆积作用也更强，A–T 只有 2 个氢键，所以 GC 含量越高，Tm 越高。
• 长度：双链越长，需要断开的作用越多，Tm 越高（对短链影响尤其明显）。
• 盐浓度：溶液中的阳离子（如 Na⁺、Mg²⁺）能中和磷酸骨架的负电、减少两条链之间的排斥，所以盐浓度越高，Tm 越高。
• 是否完全互补：有错配的双链结合较弱，Tm 较低。这正是引物和探针能"认准"目标序列的原因。

这些知识是 PCR 的基础（M4 详细讲）：PCR 每一轮先加热到约 95°C 使模板变性，再降到引物 Tm 附近或略低（常在 50–65°C）让引物退火，最后升到约 72°C 由耐热的 DNA 聚合酶延伸新链。设计引物时，一对引物的 Tm 要尽量接近。对 14–20 nt 左右的短引物，可以用经验公式粗估：Tm ≈ 2 ×（A+T 的个数）+ 4 ×（G+C 的个数）°C；更精确的计算要用专门软件，因为 Tm 还受盐浓度、引物浓度等影响。

GC 含量也不是越高越好。GC 过高的单链容易自己"对折"配对，形成发夹等二级结构，PCR 时双链也难以完全打开；GC 极低或含大量重复序列的片段同样容易出问题。所以在基因合成中，GC 含量极端、重复序列多的片段常被视为"难序列"，需要特别评估，可能需要更长的周期或特殊工艺。在不改变蛋白序列的前提下调整密码子（M3 会讲），是降低难度的常用手段之一。

寡核苷酸（oligo）

寡核苷酸（oligonucleotide，常简称 oligo）是由几个到一两百个核苷酸组成的短链核酸，通常用化学方法一个核苷酸一个核苷酸地合成。工作中最常见的寡核苷酸有：

• 引物（primer）：通常约 18–25 nt，与模板互补结合，为 DNA 聚合酶提供起点。聚合酶不能"从零开始"，只能在已有链的 3′ 端往后接。
• 探针（probe）：带有荧光等标记的寡核苷酸，靠互补配对"找到"特定序列，用于 qPCR 等检测。
• 基因合成的"砖块"：长基因无法一次化学合成，要先合成许多条寡核苷酸，再把它们拼接成完整的双链基因。
• 核酸药物：如 siRNA（约 21 nt 的短双链 RNA）、反义寡核苷酸（ASO），通常带有化学修饰以提高稳定性。

寡核苷酸订单里常见的参数，正好对应本节的知识：序列（按 5′→3′ 书写）、长度（nt）、GC 含量和 Tm、修饰（如 5′ 端荧光标记、磷酸化）、纯化级别，以及产量（常以 nmol 或 OD 表示）。

DNA 与 RNA：一对"表兄弟"

RNA 的几种主要角色

07蛋白质：生命活动的"执行者"

如果说 DNA 是图纸，蛋白质就是按图纸造出来的机器。酶、抗体、受体、激素，大多是蛋白质。

氨基酸：通用结构 + 一个"个性"侧链

20 种氨基酸的"公共部分"完全相同，区别只在 R 侧链：最简单的甘氨酸侧链只是一个氢原子，色氨酸的侧链则是一个较大的双环结构。侧链的大小、电荷、是否亲水，决定了每种氨基酸的"性格"，也最终决定了蛋白质折叠成什么形状。

20 种氨基酸：按侧链性格分四组

分组采用《坎贝尔生物学》的常见分法。不同教材对甘氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、色氨酸的归类略有差异；组氨酸在生理 pH 下只有一部分分子带正电。

四组的划分依据就是第 02、03 节的知识：非极性侧链主要由碳和氢组成，疏水；极性不带电侧链含有 –OH、–SH 或酰胺基等，能和水形成氢键；带正电侧链含有在 pH 7 附近会结合 H⁺ 的氨基类基团；带负电侧链含有在 pH 7 附近会失去 H⁺ 的羧基。

三字母与单字母缩写

每种氨基酸都有两种缩写：三字母（如 Gly、Ala）多用于文献和结构描述，单字母（如 G、A）多用于序列文件和订单。例如 FLAG 标签用单字母写作 DYKDDDDK，用三字母写作 Asp-Tyr-Lys-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys。大多数单字母就是英文名的首字母，如 G（Glycine，甘氨酸）、A（Alanine）、V、L、I、M、S、T、C、P、H；但首字母"撞车"的只好另选字母，这几个需要专门记住：

几位"特殊"的氨基酸

有几种氨基酸因为侧链特别，在结构和工作中格外重要：

肽键与多肽链

氨基酸之间通过肽键相连：前一个氨基酸的羧基（–COOH）与后一个氨基酸的氨基（–NH₂）脱去一分子水，形成 –CO–NH– 结构。许多氨基酸连成的链叫多肽链，链上重复的 N–Cα–C 部分叫"主链"，侧链从主链上伸出来。

多肽链也有方向：一端是游离的氨基，称 N 端（氨基端）；另一端是游离的羧基，称 C 端（羧基端）。核糖体从 N 端向 C 端合成蛋白质，序列也约定从 N 端写到 C 端。习惯上，几十个氨基酸以内的短链叫肽，更长、有稳定三维结构的叫蛋白质，但两者的界限并不严格。

从一条链到三维结构：四个层级

• 一级结构：氨基酸的排列顺序，由基因的 DNA 序列决定（M3 详细讲）。
• 二级结构：主链局部形成规则的 α 螺旋或 β 折叠，靠主链原子之间的氢键维持。
• 三级结构：整条链在三维空间中折叠成特定形状。疏水侧链聚到内部形成"疏水核心"，再加上氢键、离子键和二硫键（两个半胱氨酸之间的共价键）共同稳定。
• 四级结构：多条多肽链（亚基）组装在一起。血红蛋白由 4 条链组成（2 条 α 链 + 2 条 β 链）；IgG 抗体由 2 条重链和 2 条轻链通过二硫键连成 Y 字形，约 150 kDa。并不是所有蛋白质都有四级结构，只由一条链组成的蛋白质到三级结构为止。

这里先建立整体概念，M5 会详细讲蛋白质结构、折叠和表达纯化。

20 世纪 50–60 年代，安芬森（Christian Anfinsen）用核糖核酸酶做实验：先用化学试剂让它完全展开、失去活性，去掉试剂后它又能自发折叠回原来的形状并恢复活性。结论是：蛋白质的三维结构主要由它的氨基酸序列决定（他因此获得 1972 年诺贝尔化学奖）。

蛋白质的电荷与等电点（pI）

一个蛋白质分子上有许多能得失 H⁺ 的基团：N 端的氨基、C 端的羧基，以及赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等的侧链。第 03 节讲过，这些基团带不带电取决于 pH，所以蛋白质的净电荷随 pH 变化：pH 越低，结合的 H⁺ 越多，净电荷越"正"；pH 越高，净电荷越"负"。

净电荷正好为零时的 pH，叫这个蛋白质的等电点（isoelectric point，pI）。规律很好记：溶液 pH 低于 pI，蛋白质带正电；pH 高于 pI，带负电。富含赖氨酸、精氨酸的蛋白质 pI 偏高，富含天冬氨酸、谷氨酸的蛋白质 pI 偏低。

• 在 pI 附近最容易沉淀：分子没有净电荷，缺少同种电荷之间的相互排斥，容易聚在一起。所以配制蛋白溶液和制剂时，pH 通常要避开蛋白质的 pI。
• 按电荷分离蛋白质：离子交换层析利用不同蛋白质在某个 pH 下带电不同来纯化；等电聚焦电泳按 pI 把蛋白质分开，可以用来分析抗体的"电荷变体"。

蛋白质的主要功能

08糖类：能量来源与"身份标签"

糖不只是甜味和能量。蛋白上的糖链会影响抗体药的效果，实验室里的凝胶和层析填料也常由多糖制成。

糖类（碳水化合物）大多由 C、H、O 三种元素组成，许多单糖的通式可写成 (CH₂O)ₙ。按大小分三类：

单糖之间通过脱水缩合形成的共价键叫糖苷键（glycosidic bond）：一个二糖含 1 个糖苷键，一个多糖含成百上千个。和肽键、磷酸二酯键一样，糖苷键可以被水解，消化淀粉就是用淀粉酶水解糖苷键，把它拆回葡萄糖。

糖类在生物体中主要有三种用途：

• 能量：葡萄糖经细胞呼吸被分解，释放的能量用来合成 ATP（第 11 节）；多余的葡萄糖以淀粉（植物）或糖原（动物）的形式储存起来。
• 结构：纤维素构成植物细胞壁，几丁质构成真菌细胞壁和虾蟹的外壳。
• 识别：连在蛋白质和脂质上的糖链充当细胞的"身份标签"（见下文糖基化）。

同样是葡萄糖，为什么淀粉能吃、纤维素不能？关键在糖苷键的类型：淀粉和糖原中葡萄糖以 α 型糖苷键相连，链会盘绕、分支，人体的淀粉酶能水解；纤维素中是 β 型糖苷键，链又直又长，许多条平行排列、靠大量氢键结合成坚韧的纤维。人体没有能水解 β 键的纤维素酶，所以纤维素只能作为"膳食纤维"通过消化道。牛羊能吃草，靠的是瘤胃里能分泌纤维素酶的微生物。

糖原高度分支，有大量"末端"可以同时被酶切下葡萄糖，所以能快速释放能量，主要储存在肝脏和肌肉中。真菌细胞壁和虾蟹外壳中的几丁质也是一种结构多糖。

蛋白上的糖链：糖基化

M1 讲过，分泌蛋白在内质网和高尔基体中会挂上糖链，这叫糖基化。最常见的两类：

• N-连接糖基化：糖链连在天冬酰胺（N）的侧链上，通常出现在"N-X-S/T"序列中（X 为脯氨酸以外的任意氨基酸）；
• O-连接糖基化：糖链连在丝氨酸（S）或苏氨酸（T）的侧链羟基上。

糖链帮助蛋白正确折叠、提高稳定性、影响蛋白在血液中的停留时间，还充当细胞之间相互识别的"身份标签"。比如 ABO 血型，就是由红细胞表面糖链末端的糖不同决定的。

09脂质：膜、能量与"递送小球"

脂质的共同特点是"不溶于水"。正是这个特点，让它们能围成细胞膜，也能包裹 mRNA。

脂质不是由单体连成的多聚体，而是按性质归为一类：基本不溶于水、易溶于有机溶剂。它们的分子中都有大段由碳和氢组成的"油性"结构。

脂肪酸：饱和与不饱和

脂肪酸是一条长长的碳氢链（常见 16–18 个碳），一端是羧基。碳链中没有碳碳双键的叫饱和脂肪酸，链是直的，分子能紧密排列，所以猪油、黄油在室温下是固体；含一个或多个双键的叫不饱和脂肪酸，天然的双键（顺式）会让链弯折，分子排列松散，所以橄榄油、大豆油在室温下是液体。工业上对植物油进行部分氢化时会产生"反式脂肪"，摄入过多对心血管不利。

甘油三酯：能量仓库

一个甘油分子与三个脂肪酸通过酯键相连，就是甘油三酯，即日常说的"脂肪"。每克脂肪约含 9 千卡能量，而每克糖或蛋白质约含 4 千卡，所以脂肪是最"省空间"的储能形式。

磷脂：一头亲水、一头疏水

磷脂的结构是：甘油上连两条脂肪酸"尾巴"（疏水），第三个位置连一个含磷酸的"头部"（亲水，常再连一个胆碱等小分子）。这种同时具有亲水和疏水部分的分子叫双亲性分子。

把磷脂放进水里，不需要任何"组装工人"：疏水的尾巴躲开水、彼此靠拢，亲水的头部朝向水，于是自发排成双分子层，进而闭合成中空的小球，称为脂质体（liposome）。细胞膜就是以磷脂双分子层为基础的。脂质体中央是一个小水腔，可以把水溶性药物装在里面，脂溶性药物则可以嵌在双层膜中，已用于部分药物（如某些抗癌药）的递送。

胆固醇：膜的"调节器"和激素原料

胆固醇是由四个碳环构成的分子，嵌在动物细胞膜的磷脂之间，调节膜的流动性：温度高时让膜不至于太"稀"，温度低时让膜不至于太"硬"。它还是雌激素、睾酮、皮质醇等类固醇激素，以及维生素 D 和胆汁酸的合成原料。类固醇激素保留了胆固醇的四环骨架，是脂溶性的，能直接穿过细胞膜，与细胞内的受体结合来传递信号，这和多数蛋白类激素需要结合细胞表面受体不同。胆固醇本身是必需的，问题在于血液中过多的胆固醇可能沉积在血管壁上。

联系工作：LNP 如何把 mRNA 送进细胞

mRNA 带大量负电、又容易被降解，单独注射几乎无法进入细胞发挥作用。脂质纳米颗粒（LNP）把 mRNA 包裹在一个直径约 100 nm 量级的脂质小球里。典型的 LNP 由四类脂质组成：

LNP 被细胞通过胞吞作用"吞"进内体，内体逐渐酸化，可电离脂质带上正电并扰乱内体膜，mRNA 被释放到细胞质，由核糖体翻译成蛋白质。2018 年，第一个 siRNA 药物（帕替司兰，Onpattro）获美国 FDA 批准，使用的就是 LNP 递送；2020 年起，LNP 又成为新冠 mRNA 疫苗的递送载体。

10酶：生命的催化剂

没有酶，细胞里的大多数反应在 37°C 下会慢到几乎察觉不到。酶也是分子生物学最重要的"工具"。

酶是生物体内的催化剂。绝大多数酶是蛋白质，少数是 RNA（称为核酶，切赫和奥尔特曼因发现核酶获得 1989 年诺贝尔化学奖）。酶的中文名常以"酶"结尾，英文名常以 -ase 结尾，比如 protease（蛋白酶）、polymerase（聚合酶）。

酶为什么能加速反应：降低活化能

化学反应要发生，反应物分子必须先获得一定的能量，越过一个"能量门槛"，这个门槛叫活化能。酶的作用就是降低活化能，让更多分子在常温下就能越过门槛，反应速度因此可以提高上百万倍甚至更多。

关于酶，要记住四点：

1. 加速反应，但自己不被消耗：反应结束后酶恢复原样，可以反复使用，所以少量的酶就能处理大量底物；
2. 不改变反应的能量差：反应物和产物之间的能量差记作 ΔG。酶只降低"山"的高度，不改变起点和终点的高度（ΔG 不变），因此不能让本来不能自发进行的反应发生，也不改变反应最终的平衡；
3. 高度专一：一种酶通常只催化一种或一类反应；
4. 条件温和、容易失活：酶在常温、常压、接近中性的条件下工作，但怕高温和极端 pH。

活性中心、酶–底物复合物与专一性

酶分子表面有一个特定形状和化学性质的"口袋"，叫活性中心（active site），被酶作用的分子叫底物（substrate）。活性中心通常只占酶分子很小的一部分，由折叠后在空间上靠近的几个氨基酸侧链组成，它们在一级序列上可能相隔很远，所以酶必须正确折叠才有活性。

一次催化可以概括为：酶（E）与底物（S）结合，形成酶–底物复合物（ES）；在活性中心里，底物被转变成产物（P）并释放；酶恢复原样，可以接着结合下一个底物。写成式子就是 E + S → ES → E + P。

只有形状和化学性质都与活性中心匹配的底物才能结合，这就是酶的专一性。关于"匹配"有两个经典模型：1894 年，费歇尔（Emil Fischer）提出锁钥模型，认为底物和活性中心像钥匙和锁一样形状互补；1958 年，科什兰（Daniel Koshland）提出更符合实际的诱导契合模型：活性中心并不是刚性的，底物结合时酶的形状会发生调整，把底物"抱紧"。下面的动画按诱导契合模型展示一次完整的催化循环。

影响酶活性的因素①：温度与 pH

每种酶都有自己的最适温度和最适 pH。温度升高，分子运动加快、碰撞增多，反应变快；但超过一定温度，维持酶三维结构的弱作用被破坏，酶变性失活，降温后通常也不能恢复。温度偏低时则相反：酶只是"变慢"，结构没有被破坏，回到适宜温度即可恢复。pH 改变会影响侧链的带电状态（第 03 节），打乱活性中心的形状和电荷分布；极端 pH 还会使酶变性。

酶的"舒适区"与它所处的环境相适应：

影响酶活性的因素②：底物浓度、Vmax 与 Km

在酶的量固定时，底物很少，酶大部分时间"闲着"，增加底物，反应速度几乎成比例地加快；底物足够多时，每个酶分子都"忙满了"，再增加底物，速度也不再明显上升，而是接近一个上限。这叫酶的饱和现象，这个上限叫最大反应速度（Vmax）。Vmax 取决于酶的数量和每个酶分子本身的"手速"：酶的量加倍，Vmax 也加倍。

反应速度达到 Vmax 一半时所需的底物浓度，叫米氏常数（Km）。可以直观地把 Km 理解为"酶需要多少底物才能进入状态"：Km 越小，在很低的底物浓度下就能达到一半的最大速度，通常意味着酶与底物的亲和力越高。Km 是某种酶与某种底物组合的特征值，与酶的用量无关。

影响酶活性的因素③：抑制剂（很多药物就是"堵住锁孔"）

能降低酶活性的分子叫抑制剂（inhibitor）。按作用方式，主要有两类可逆抑制剂：

• 竞争性抑制剂：长得像底物，与底物争夺活性中心。它占着活性中心时，底物就进不去。但底物浓度足够高时，底物能在竞争中占上风，所以 Vmax 不变，Km 变大（需要更多底物才能达到一半速度）。
• 非竞争性抑制剂：结合在活性中心以外的位置，改变酶的形状，使酶无法正常催化。无论加多少底物都无法消除它的影响，相当于有效的酶变少了，所以 Vmax 降低，Km 基本不变。

还有一类不可逆抑制剂，通过共价键牢牢结合在酶上，使酶永久失活。许多药物就是酶抑制剂：他汀类降脂药是胆固醇合成途径中 HMG-CoA 还原酶的竞争性抑制剂；一些抗艾滋病药物抑制 HIV 的蛋白酶；阿司匹林通过共价修饰不可逆地抑制环氧合酶（COX）；青霉素不可逆地抑制细菌合成细胞壁所需的酶。

辅因子与辅酶：酶的"搭档"

许多酶单靠蛋白质部分不能工作，还需要一个非蛋白质的"搭档"，统称辅因子（cofactor）。辅因子分两类：

• 金属离子：如镁离子（Mg²⁺）、锌离子（Zn²⁺）、铁离子。DNA 聚合酶需要 Mg²⁺，许多限制性内切酶也需要 Mg²⁺。
• 辅酶（coenzyme）：结构较复杂的有机小分子，许多来自维生素，例如 NAD⁺ 来自烟酸（维生素 B3），FAD 来自核黄素（维生素 B2），辅酶 A 来自泛酸（维生素 B5）。人体需要维生素，很大程度上就是因为要用它们来制造辅酶。

分子生物学的"工具酶"

现代生物技术几乎每一步都离不开从生物体中"借"来的酶。下表先混个脸熟，后续模块会结合具体技术深入讲解。

限制性内切酶本是细菌抵御噬菌体（感染细菌的病毒）的"免疫武器"，相关发现获 1978 年诺贝尔生理学或医学奖；逆转录酶由特明和巴尔的摩于 1970 年分别发现，二人与杜尔贝科共获 1975 年诺贝尔生理学或医学奖。

走出实验室：工业酶

酶在工业上同样是"绿色催化剂"：条件温和（省能源）、专一（副产物少）、可生物降解，能替代许多高温、强酸强碱或有污染的化学工艺。工业酶通常用芽孢杆菌、曲霉、木霉等微生物发酵大规模生产，并常通过定向进化改造得更耐热、更高效（阿诺德因定向进化获 2018 年诺贝尔化学奖）。

11ATP：细胞的"能量货币"

M1 讲过线粒体为细胞生产 ATP。本节看看 ATP 是什么分子、为什么能"付账"，以及它和核酸原料、工具酶的关系。

细胞里有许多需要"花钱"的活动：把单体连成大分子（脱水缩合）、把物质逆着浓度差搬运过膜（主动运输）、肌肉收缩、传递信号……这些过程不会自己发生，需要输入能量。另一方面，食物中的糖和脂肪储存着大量化学能，却不能直接拿来用。细胞的办法是：先把食物中的能量"兑换"成一种统一的、随时可用的分子，再用它去支付各种开销。这种分子就是 ATP（adenosine triphosphate，三磷酸腺苷），常被称为细胞的能量货币。

结构：一个带 3 个磷酸的核苷酸

ATP 由三部分组成：腺嘌呤（碱基 A）、核糖（五碳糖）和 3 个相连的磷酸基团。看出来了吗？它和 RNA 的单体是同一类分子：腺嘌呤加核糖构成腺苷，再连上磷酸就是腺苷酸。带 1 个磷酸叫 AMP（一磷酸腺苷），2 个叫 ADP（二磷酸腺苷），3 个叫 ATP（三磷酸腺苷）。

3 个磷酸基团都带负电，挤在一起相互排斥，有点像压紧的弹簧。末端的磷酸被水解下来时（ATP + H₂O → ADP + Pᵢ），会释放出较多能量。中学教材把磷酸基团之间的这两个键称为"高能磷酸键"。

ATP–ADP 循环：花掉，再充电

• 花钱：ATP 水解释放的能量，由酶"耦合"到需要能量的过程上，例如合成蛋白质和核酸、主动运输、肌肉收缩。很多时候，ATP 是把一个磷酸基团直接转移到另一个分子（如某个蛋白质）上，改变它的状态或活性。
• 充电：细胞通过细胞呼吸分解葡萄糖、脂肪酸等"燃料"，用释放的能量把 ADP 和磷酸重新合成 ATP。细胞质中的糖酵解能产生少量 ATP，大部分 ATP 由线粒体通过有氧呼吸产生（呼应 M1）。
• 随用随产：ATP 不是长期储能的形式，长期储能是糖原和脂肪的工作。细胞里的 ATP 总量不大，但周转极快，时时刻刻都在消耗和再生。

12联系工作：分子 × 金斯瑞的业务场景

把本模块的分子知识，对应到基因、多肽、蛋白、抗体、递送和工业酶等业务（概念层面）。

用本模块的知识"读懂"客户需求

13术语卡片：点击翻面

先看正面自己解释一遍，再翻过来核对。

14模块测验

14 道题，答完自动计分，成绩会记录在课程首页。每题解析末尾有"回看"链接，可以跳回对应章节。

延伸资源

• Khan Academy 生物学：生物大分子（Macromolecules）单元，有配套练习。
• 《坎贝尔生物学》：碳与分子多样性、生物大分子的结构与功能两章，是本模块的教科书级参考。
• RCSB PDB-101 "Molecule of the Month"：每期介绍一种蛋白质或核酸的三维结构，图文并茂。
• Crash Course Biology / Chemistry：生物大分子、酶相关章节，B 站可搜中文字幕版。
• 工作练习 1：用本页的碱基配对工具，任选一段 40 nt 的序列，写出其 5′ 端 20 nt 作为正向引物、3′ 端 20 nt 的反向互补作为反向引物，并检查 GC 含量。
• 工作练习 2：用多肽搭建器拼出 FLAG 标签和 6×His 标签，比较它们的净电荷和疏水比例，判断它们偏亲水还是偏疏水。
• 工作练习 3：找一份手边的抗体或蛋白产品说明书，记下它的分子量、浓度和缓冲液，用浓度换算器算出摩尔浓度，并说说这种缓冲液的 pH 为什么合适。