3、生命基石为什么是碳：化合物碳很亲和
2024-03-09 09:07阅读：
碳在地球上不算很丰富，在地壳中的质量百分比重仅仅为0.027，但其化学亲和力特别强，导致含碳化合物特别多。截止到1998年底，在美国化学文摘上登记的化合物总数为18.8百万种，其中绝大多数是碳的化合物。
再看人类的物质组成，人的身体由水、蛋白质、脂肪、无机质四种成分构成的，其正常质量百分比例是，水占55，蛋白质占20，体脂肪占20，无机物占5。再细分成化学元素，人体内的宏量元素又称为主要元素共有11种，按成分量多少的顺序排列为：O、C、H、N、Ca、P、K、S、Na、Cl、Mg。其中O、C、H、N占人体质量百分比的95，其余约4。人体内氧元素多，原因应该是人体内水多，且氧原子较重。紧随氧之后的碳元素却是人体组织的不可或缺的成分，是链接其它元素的骨架，由此可见碳的化学亲和力之强大。
仔细探究碳原子的亲和力原因的话，要从原子结构分析起。首先当然得提起他的外层四电子，这四个电子可以参与形成多种稳定的不易被腐蚀的共价键，并能够构建出多样化的分子结构。这些能力是生命体中化合物多样性的基础，也是碳基生命存在的关键。总之，碳的四电子结构能够使其形成多种类型的化学键，包括单键、双键和三键，导致可与其他碳原子形成长链或环状骨架结构，再搭载各种特征基团，拥有不同机能，从而形成复杂生命体组织：
1.
单键（C-C）：碳原子可以通过共享两个电子与其他碳原子或不同的元素形成单键。这是常见的碳键类型，存在于烷烃等化合物中。
2. 双键（C=C）：在双键中，碳原子与另一个碳原子共享四个电子。这种键比单键更强，更短，并且可以
在分子中形成双键系统，如乙烯（C2H4）。
3.
三键（C≡C）：三键又是碳原子之间比单键和双键还要强的化学键，它们共享六个电子。这种键在炔烃中可以找到，例如乙炔 H - C ≡ C
- H。
4.
芳香性结构：碳还可以形成特殊的环状结构，称为芳香环，其中电子以特殊的方式分布，使得这些环具有独特的稳定性。常见的例子是苯环。
5.
杂化结构：碳原子可以通过杂化其电子来形成不同类型的化学键。例如，sp3杂化形成四面体结构，常见于烷烃；sp2杂化形成平面三角形结构，常见于烯烃和芳香烃；sp杂化形成线性结构，常见于炔烃。
碳的这些化学键特性使得它能够形成多样化大分子，从而构成了生命的化学基础。碳的这种能力就是“碳的亲和力”。下面再介绍几种与生命密切相关几种化合物：
氨基酸
氨基酸是含有氨基和羧基的一类化合物，是构建生物机体的众多生物活性大分子之一，是构建细胞、修整生物机体组织的基础材料。它被人体用于制造抗体蛋白、血红蛋白、酶和激素以维持和调节新陈代谢，是一切生命之源。
氨基酸由一个中间的碳原子（称为α-碳）和四个不同的取代基组成，这四个取代基分别是：
氨基（-NH2）：它能够与酸反应形成酰胺键，这是蛋白质中肽键形成的基础。
羧基（-COOH）：它能够与氨基反应形成肽键，连接两个氨基酸。
氢原子（-H）：它与α-碳直接相连。
侧链（R基）：它是一个特定的有机基团，决定了氨基酸的化学性质和它在蛋白质中的功能。侧链（R基）的不同使得氨基酸具有不同的化学性质和生物学功能。在自然界中，有20种标准氨基酸，它们的区别在于侧链的不同。这些氨基酸通过肽键连接起来，形成多肽链，进而折叠成蛋白质。
蛋白质的功能非常多样，包括但不限于：
结构支持：如肌肉和头发中的蛋白质。
催化作用：许多酶都是蛋白质，它们催化生物化学反应。
信号传递：一些蛋白质在细胞间的通信中起作用。
免疫反应：抗体是一种蛋白质，能够识别和中和外来物质。
运输：如血红蛋白，负责运输氧气。
氨基酸的序列和三维结构决定了蛋白质的功能。蛋白质的合成始于核糖体，通过翻译mRNA上的遗传码来组装氨基酸。这个过程称为蛋白质生物合成。一旦蛋白质合成完成，它们可能会经历进一步的修饰，如折叠、切割和糖基化，以确保它们能够正确地执行其功能。
脂类
脂类包括脂肪酸（多是4碳以上的长链一元羧酸）和
醇（包括丙三醇、硝氨醇、一元醇和固醇）等所组成的酯类及其衍生物。脂肪酸的基本结构是一条碳氢链，基本分子式为：CH3[CH2]nCOOH，式中n的数目大部分为2～24个，基本上是偶数碳原子。脂肪酸碳氢链的一端为甲基（-CH3）端，一端为羧基（-COOH）端。醇类是脂肪族烃分子中有一个羟基的化合物,包括低碳醇、高碳醇、卤代脂肪族醇类及其他醇类。低碳醇为无色挥发性液体,如乙醇（酒精）自十六碳醇起为固体。丙三醇（甘油）的化学式：CHO，结构式:
H3C-C(=O)-OH ，其中的H3C表示由3个氢原子构成的甲基,C(=O)表示羰基,OH表示羟基：
脂类包括单纯脂类、复合酯类及
衍生脂质。总之，由脂肪酸和丙三醇（俗称甘油）作用生成的酯及其衍生物统称为脂类，脂类是生物体内的一种重要的化合物，它们在细胞结构和功能中扮演着多种角色。我们所熟悉的名词是脂肪，其学术含义相对较窄，是指人体或动物体内的、由一分子丙三醇和三分子脂肪酸结合而成的丙三醇三酯。
脂类可以细分为几大类，包括丙三醇三酯、P（磷）脂和固醇。
丙三醇三酯是脂类的主要形式。脂肪酸可以是饱和的（没有双键，链上只有单键）或不饱和的（含有一个或多个双键）。饱和脂肪通常在室温下是固态，而不饱和脂肪则可能是液态。丙三醇三酯还是能量的主要储存形式，当身体需要能量时，它们可以被分解和氧化。
P脂是构成细胞膜的重要成分，它们具有一个P酸基团，这使得P脂具有亲水性（水吸引）和疏水性（水排斥）的特性。P脂分子的这种特性使得它们能够在水中形成双层结构，即P脂双层，这是细胞膜的基本结构。P脂也在信号传递和能量转换中发挥作用。
固醇是一类具有特定结构的脂质，包括胆固醇、类固醇激素（如雌激素、睾酮）和维生素D。胆固醇是细胞膜的重要组成部分，它有助于调节膜的流动性和渗透性。类固醇激素在调节生理过程（如生殖、代谢和免疫反应）中起着关键作用。维生素D对于钙和P的吸收至关重要，对骨骼健康和免疫系统功能有影响。
脂类在人体中的功能包括：
能量储存：丙三醇三酯是能量的有效储存形式，每克脂肪提供的能量是碳水化合物和蛋白质的两倍多。
细胞结构：P脂是细胞膜的主要成分，对于细胞的生存和功能至关重要。
保护和绝缘：脂肪组织可以保护内脏，提供绝缘，帮助维持体温。
激素合成：固醇是许多激素合成的基体，对于身体的许多生理过程至关重要。
葡萄糖
葡萄糖（化学式C6H12O6），是自然界分布广且为非常重要的一种单糖，它是一种多羟基醛。纯净的葡萄糖为无色晶体，有甜味但甜味不如蔗糖（一般人无法尝到甜味），易溶于水。天然葡萄糖水溶液旋光向右，故属于“右旋糖”。由于葡萄糖的醛基比较活泼，会发生半缩醛反应，形成半缩醛羟基并成一个吡啶环。这样分子构象能量较低，因此写成环状更科学、更合理。另外，葡萄糖也可能在半缩醛反应时形成呋喃环，但是这种比例较低，在2%以下。葡萄糖成环也并不是平面的，往往形成船形或椅型构象，这样更稳定。
葡萄糖在生物学领域具有重要地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物，它的氧化反应放出的热量是人类生命活动所需能量的重要来源，即生物的主要供能物质。人类和动物通过食物获取葡萄糖，植物则主要通过光合作用产生葡萄糖。葡萄糖在食品、医药工业上可直接使用，在印染制革工业中作还原剂，在制镜工业和热水瓶胆镀银工艺中常用葡萄糖作还原剂。工业上还大量用葡萄糖为原料合成维生素C（抗坏血酸）。
葡萄糖的特点和功能总结如下：
能量代谢：葡萄糖通过糖酵解过程分解，产生少量的ATP（三磷酸腺苷），这是细胞能量的主要货币。在有氧条件下，葡萄糖可以进一步在线粒体中通过柠檬酸循环（克雷布斯循环）和电子传递链完全氧化，产生大量的ATP。
血糖水平：在动物体内，葡萄糖在血液中循环，维持血糖水平。血糖水平的调节对于维持正常的生理功能至关重要，例如，胰岛素和胰高血糖素是调节血糖水平的关键激素。
储存形式：葡萄糖可以以糖原的形式储存在肝脏和肌肉中，作为短期能量储备。当血糖水平低或身体需要额外能量时，糖原可以迅速分解为葡萄糖。
植物光合作用：在植物中，葡萄糖是光合作用的主要产物之一，通过光合作用，植物将太阳能转化为化学能，储存在葡萄糖分子中。这些葡萄糖分子可以用于植物自身的生长和维持，也可以通过食物链传递给其他生物。
生物合成：葡萄糖是合成许多生物大分子的基本物质，比如合成纤维素、淀粉和糖蛋白等等。这些大分子在植物细胞壁、动物的糖基化蛋白质和细胞间通讯中起着重要作用。
从上面的叙述可以看出，生物大分子基本是由碳链结合氢、氧和一些基团组成。分子中的基团，是决定分子化学性质和反应活性的关键部分。以下是一些重要的基团：
羟基（-OH）：羟基是醇类和酚类化合物的特征基团。它使得分子具有亲水性，并且能够参与氢键的形成。
羧基（-COOH）：羧基是羧酸的特征基团，它使得羧酸能够与醇类反应形成酯，并且参与酸碱反应。
氨基（-NH2）：氨基是胺类化合物的特征基团，它使得胺能够与酸反应形成盐，并且参与多种生物化学反应。
硫醇基（-SH）：硫醇基是硫醇的特征基团，它具有强烈的还原性，并且能够与重金属离子形成沉淀。
酮基（>C=O）：酮基是酮类化合物的特征基团，它参与氧化还原反应，并且是许多有机合成中的重要中间体。
醛基（-CHO）：醛基是醛类化合物的特征基团，它能够被氧化成羧基，或者与氢气加成形成醇。
酯基（-COOR）：酯基是酯类化合物的特征基团，它来源于羧酸和醇的反应。酯类化合物在自然界中广泛存在，如脂肪和油。
醚基（-O-）：醚基是醚类化合物的特征基团，它由醇类分子中的羟基脱去一个氢原子形成。醚通常具有较低的沸点和较好的溶解性。
卤素原子（-X，X=F, Cl, Br,
I）：卤素原子（F、Cl、Br、I）可以取代烃类化合物中的氢原子，形成卤代烃。这些化合物在有机合成和药物化学中非常重要。
硝基（-NO2）：硝基是硝基化合物的特征基团，它引入了一个强电子吸引基团，影响分子的电子分布和反应性。
磷酸基（-PO4H2）：磷酸基是磷酸和磷酸酯的特征基团，它在生物体的能量传递和信号传递中起着关键作用。
这些基团的不同组合和排列形成了多种多样的化合物，这样也就能理解为什么地球上含碳化合物占比如此高的原因了。
不过，与碳相似的化学元素不少，为什么他们没有碳的表现？
众所周知，碳是化学元素周期表第四主族的元素，其原子外层都只含四个电子。该族元素在化学性质上有许多相似之处，例如它们都能形成多种化合物，并且具有不同的氧化态。第四主族全部元素是：
碳（C）、硅（Si）、
锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）。那么问题来了，地球生命为什么选择碳基而不选别的？我们知道，地球生命主体是非金属元素（也许是金属不能与氢、氧、氮等生命体主元素构建成大分子，也许它们不耐腐蚀），而第四主族只有碳和硅两个非金属元素，所以除了碳基生命外，科学界怀疑宇宙可能还存在硅基生命。这里要特别提醒的是，硅基生命如果存在，其呼吸过程和生命体新陈代谢过程会显著不同，因为硅的简单氧化物是固体而碳的简单氧化物是气体。
