生物有机分子的核心元素——碳
为什么说碳是生命的核心元素？
当我们观察大熊猫在竹林中悠闲地啃着竹子，或者欣赏西湖边柳树的翠绿枝条时，你是否想过这些生命现象的化学基础？从竹子的纤维素到柳树的蛋白质，从大熊猫的DNA到我们自己的血红蛋白，所有这些构成生命的分子都有一个共同特点——它们都以碳元素为骨架。
碳元素通过光合作用进入生物圈：植物和其他光合生物利用太阳能将大气中的二氧化碳转化为各种含碳生物分子，这些分子随后被其他生物利用。
在所有化学元素中，碳具有无与伦比的能力来形成复杂、多样的大分子，这种独特性质使得地球上丰富多彩的生命形式成为可能。蛋白质、DNA、糖类以及其他区分生命物质与非生命物质的分子，都是由碳原子相互结合并与氢、氧、氮、硫、磷等元素结合形成的。
该内容我们将探讨较小分子的性质，通过这些小分子来说明分子结构的基本概念，从而解释为什么碳对生命如此重要，并体现物质在生物体内的有序组织如何产生新的特性。
中国近现代有机化学与生命起源研究
中国的有机化学起步虽晚，但发展迅速。早在20世纪初，著名化学家侯德榜等人推动了无机化工和有机化工基础的创建。此后，化学家们不断突破技术瓶颈，不仅能够在实验室合成简单有机分子，还在药物、材料、农药等领域实现了复杂分子的人工合成。例如，上世纪60年代，经过多位中国科学家共同努力，成功全合成了青蒿素、土霉素等重要有机天然产物，为抗击疾病和保障人民健康做出重要贡献。
在有机化学研究不断进步的基础上，中国科学家也积极探索生命起源等基础科学问题。近年来，中国科研团队通过实验模拟早期地球、火山口等极端环境，探讨氨基酸、核苷酸等有机分子在中国本土地质条件下的形成机制。例如，研究人员利用青藏高原的火山热液环境，模拟古地球条件，通过高温高压实现了简单有机小分子的非生物合成。这些研究工作不仅加深了我们对生命起源问题的理解，也展示了中国地质与生物环境的独特价值。
这些成果表明，在中国的自然环境下，生命所需的有机分子完全有可能通过无机途径逐步合成出来。中国科学家在有机分子人工合成与生命起源模拟方面的探索，不仅推动了我国生命科学的发展，也为全球相关领域做出了重要贡献。
我国重要生物元素——碳、氢、氧、氮、硫、磷，在水稻、小麦、青蒿等中国典型生物中的比例高度接近。这一现象反映了中国生物多样性的共性基础和生命演化的普遍规律。
碳的化学特性
碳原子的成键能力
碳原子的化学特征源于其电子构型。碳有6个电子，其中2个在第一电子壳层，4个在第二壳层；因此，它在可容纳8个电子的壳层中有4个价电子。碳原子通常通过与其他原子共享其4个电子来完成其价电子壳层，使8个电子存在。每对共享电子构成一个共价键。
在有机分子中，碳通常形成单键或双键。每个碳原子充当分子可以向多达四个方向分支的交叉点。这使得碳能够形成大而复杂的分子。
分子的三维结构
当碳原子形成四个单键时，其四个杂化轨道的排列使键指向假想四面体的角。甲烷（CH₄）中的键角为109.5°，任何碳与四个其他原子单键结合的基团中的键角大致相同。例如，乙烷（C₂H₆）的形状像两个重叠的四面体。
在含有更多碳的分子中，每个与四个其他原子结合的碳的分组都具有四面体形状。但是当两个碳原子通过双键连接时，如在乙烯（C₂H₄）中，两个碳的所有键都在同一平面内，连接到这些碳的原子也在同一平面内。
虽然我们习惯将分子写成结构式，好像所表示的分子是二维的，但要记住分子是三维的，分子的形状对其功能至关重要。
原子价电子壳层中未配对电子的数量通常等于原子的价态，即它可以形成的共价键数。下表显示了碳及其最常见的结合伙伴的价态：
碳的电子构型赋予它与许多不同元素的共价相容性。让我们看两个例子：二氧化碳和尿素。
在二氧化碳分子（CO₂）中，单个碳原子通过双键与两个氧原子连接。结构式为：O=C=O
在尿素CO(NH₂)₂中，每个原子都有所需数量的共价键。在这种情况下，一个碳原子既参与单键又参与双键的连接。
碳骨架的多样性
碳链构成大多数有机分子的骨架。这些骨架在长度上有所不同，可能是直链、分支链或排列成封闭环。一些碳骨架有双键，这些双键的数量和位置有所不同。碳骨架的这种变化是分子复杂性和多样性的重要来源，是活物质特征的一个方面。
烷烃的特性
图中显示的所有分子都是烷烃，即仅由碳和氢组成的有机分子。氢原子附着在碳骨架上任何可用于共价键合的地方。烷烃是石油的主要成分，石油被称为化石燃料，因为它由数百万年前生活的生物体的部分分解遗骸组成。
虽然烷烃在大多数生物体中并不普遍，但细胞的许多有机分子都有只由碳和氢组成的区域。例如，被称为脂肪的分子具有长的烷烃尾部，附着在非烷烃成分上。石油和脂肪都不溶于水；两者都是疏水化合物，因为它们的大部分键是相对非极性的碳-氢键。
烷烃的另一个特征是它们可以发生释放相对大量能量的反应。为汽车提供燃料的汽油由烷烃组成，脂肪的烷烃尾部作为植物胚胎（种子）和动物的储存燃料。
分子的异构现象
结构异构体
在研究含有多个碳的分子时，我们经常遇到同分异构体——具有相同分子式但不同结构的化合物，因此具有不同的性质。以下是两种具有分子式C₄H₁₀的结构异构体：
结构异构体的数量随着分子中碳的数量而急剧增加。C₄H₁₀有2种异构体，C₅H₁₂有3种，C₆H₁₄有5种，C₁₀H₂₂有75种，C₁₅H₃₂有4,347种，而C₃₀H₆₂有超过40亿种可能的结构异构体。
几何异构体
几何异构体是结构异构体的一种子类型，在具有双键的化合物中很常见，因为双键周围的旋转受限。如果双键连接的两个碳原子各自都连接了两个不同的原子或原子团，则可能存在几何异构体：
对映异构体
当四个不同的原子或原子团连接到一个碳原子上时，产生一个不对称碳原子。这样的分子不能与其镜像重叠，就像你的右手不能与左手完全重合一样。连接到不对称碳周围的四个原子团可以在空间中以两种不同的方式排列，这两种方式是镜像关系。对映异构体实际上是分子的“左手”和“右手”版本。
对映异构体的概念在制药工业中极为重要，因为药物的两个对映异构体可能具有不同的效果。只有一种异构体通常具有生物活性，因为只有那种形式能够与生物体内的特定分子结合。
例如，异丁洛芬和沙丁胺醇等药物都以对映异构体形式存在。对于异丁洛芬，S型异构体的抗炎和镇痛效果比R型异构体强100倍。对于沙丁胺醇，只有R型异构体能够放松支气管肌肉，改善哮喘患者的气流，而S型异构体则会抵消活性R型的作用。
对映异构体在人体内的不同作用表明，生物体对分子结构的最细微变化都很敏感。这再次表明，分子具有依赖于原子特定排列的涌现性质。
化学基团与分子功能
主要官能团的作用
有机分子的性质不仅取决于其碳骨架的排列，还取决于附着在该骨架上的各种化学基团。我们可以将烷烃（最简单的有机分子）视为更复杂有机分子的基础框架。许多化学基团可以替代烷烃的一个或多个氢。这些基团可能通过对分子形状的影响间接参与化学反应或影响功能；它们通过赋予每个分子独特的性质来帮助分子发挥作用。
在生物过程中最重要的七种化学基团是羟基、羰基、羧基、氨基、硫氢基、磷酸基和甲基。前六个基团可以化学反应；在这六个中，除硫氢基外的所有基团都是亲水的，因此增加有机化合物在水中的溶解度。甲基不反应，但通常用作生物分子上的可识别标签。
重要官能团表格
ATP：细胞过程的重要能量来源
一个更复杂的有机磷酸化合物——三磷酸腺苷（ATP）值得在这里提及，因为它在细胞中的功能极为重要。ATP由称为腺苷的有机分子连接到一串三个磷酸基团组成：
当三个磷酸连续存在时，如在ATP中，由于与水反应，一个磷酸可能被分离。这种无机磷酸离子HOPO₃²⁻通常在本教材中缩写为Pᵢ，有机分子中的磷酸基团通常写作Pᵢ。失去一个磷酸后，ATP变成二磷酸腺苷或ADP。
虽然有时说ATP储存能量，但更准确的说法是它储存与水反应的潜力。这种反应释放的能量可以被细胞利用。
生命元素的总结
正如你所了解的，生命物质主要由碳、氧、氢和氮组成，还有少量的硫和磷。这些元素都形成强共价键，这是复杂有机分子结构中的基本特征。在所有这些元素中，碳是共价键的“多面手”。碳的多功能性使得有机分子的巨大多样性成为可能，每种分子都具有从其碳骨架和连接到该骨架的化学基团的独特排列中产生的特定性质。
分子水平上的这种变化为我们星球上发现的丰富生物多样性提供了基础。中国丰富的生物多样性——从青藏高原的雪莲到南海的珊瑚礁，从东北的红松到华南的榕树——都建立在碳化学的基础之上。
每种生物都通过其制造的有机分子类型的变化而与众不同。从某种意义上说，我们在地球上看到的生物体的巨大多样性（以及化石遗迹中的多样性）都是因为碳元素的独特化学多功能性而成为可能的。