2008年9月19日

生物中的碳

如果說,地球上的生物是碳生物,大概沒什麼人會反對。

碳原子,是生物巨分子中最重要的元素。它架構了生物巨分子中的骨幹;碳能夠形成長長的鏈狀分子,或是環狀分子,而成為生物巨分子的骨幹。比如,蛋白質(Protein),脂質(Lipid), DNA, RNA,這些生物中重要的巨分子主要的骨架都是以碳建立起來的。

為什麼碳這樣的獨特呢?這要從碳的電子結構談起。碳的原子序是六,他的電子組態是1s22s22p2,也就是說,碳的第一層軌域有兩粒電子而他的外層電子殼則有四粒價電子。(與碳同族的其它元素,矽,鍺,錫,鉛,也都同樣具有四粒價電子)。在同族的元素中,碳原子的半徑最小,使得碳原子與碳原子彼此相連時所產的鍵結會比同族其他元素來的穩定;另外,由於碳只有兩層軌域,其中有s以及p軌域,它可以利用s軌域和其它原子形成sigma bond(單鍵);也可以利用p軌域和其他原子形成pi bond(雙鍵)。同族的其他元素,比如矽,他的能階有三層,使矽原子極少有機會出現雙鍵的鍵結;而矽以下的元素(鍺,錫,鉛),則開始出現d軌域,他們與其他原子的鍵結會出現多於四個鍵結的情況。因此,在這些元素當中,碳最適合與自己組成長鏈;也最適合與其它元素組成各種生物所需的分子。比如,碳可以利用它的兩種軌域與氧形成二氧化碳( CO2)分子。而二氧化碳分子溶於血液中形成碳酸,是血液中重要的緩衝溶液系統;同時,二氧化碳也是植物光合作用中的主角 - 植物吸收空氣中的二氧化碳行光合作用產生醣 - 這讓碳原子在自然界中生生不息的循環著。

碳的骨架可以是長鏈,也可能是具有支鏈的長鏈;或者是環狀結構。若一個有機分子只含有碳以及氫兩種元素在其中,則稱這種碳為Hydrocarbon;生物中的巨分子,通常不會是單純的Hydrocarbon - Hydrocarbon長鏈通常會與無機分子基團或是其他分子基團結合。比如形成細胞膜的磷脂是由一個磷酸根與一條長的Hydrocarbon鏈所形成。另外,人體中儲存能量的重要分子三酸甘油脂(Triglycerol acid)由三個glycerol以及三條fatty acid(Hydrocarbon,長鏈脂肪酸)所組成。

如果光是碳骨架的多樣性,還不足以使生物中的分子具有如此多樣的功能。碳骨架,能夠和不同的分子基團在骨架的不同位置結合。不同的分子基團在碳骨架上不同的位子,會使得該分子具有不同的特性而有不同的生物功能。比方男性荷爾蒙睪固酮和女性荷爾蒙二氫基女性素(Testosterone, Estradiol)其分子的碳骨架是相同的;但由於甲基( -CH3, methyl group)以及氫基(-OH,hydroxyl group)在碳骨架位置上的不同,以及睪固酮上有一個酮基(=O, Crbonyl group ),而使兩者的功能不同。

這些影響生物體內有機分子功能的小分子基團,稱作功能基(Functional group)。其中,有幾個功能機在生物體內較為重要,介紹如下:

Hydroxyl group
OH,這個基團使該分子成為極性分子。它能與水形成氫鑑,幫助有機分子溶於水溶液之中。

Carbonyl group
-C=O,這個基團因它在碳骨幹的位置不同分為兩類。如果它出現在碳骨幹內,稱為Ketone,若這個基團的位置是在碳骨幹的末端(the end),則是Aldehyde。Ketone和Aldehyde彼此可能為化學性質不同的

異構物(Isomer),比如Acetone和Propanol兩者的化學式都是C3H6O,但由於Carbonyl group的位置不同所以兩者的化學性質也不同。

Carboxyl group

-COOH,具有這個基團的分子為酸性。在水溶液中,此基團會解離成為,-COO- + H+

Amino group

-NH2,帶有這個基團的分子為鹼性。在細胞的水溶液環境中,它會接收一個氫離子而成為NH3+離子。

氨基酸是生物中重要的小分子。由氨基酸組合而成的大分子就是蛋白質。而氨基酸的基本結構即是在一個碳骨架上具有Carboxyl group和Amino group;因此使得氨基酸組成的蛋白質在不同的pH質之下會有不同的行為。

例 Glycine:


Protein的基本結構



Sulfhydryl group

-SH,具有硫原子是這個基團最大的特徵。兩個Sulfhydryl group靠近的話會在彼此之間形成S=S雙硫鍵(Disulfide bond)。具有Sulfhydryl group的氨基酸是Cysteine;蛋白質中若具有一個以上的Cysteine則經常經由折疊而使兩兩成對的Cysteine之間形成雙硫鍵。雙硫鍵對於穩定蛋白質的結構有重要的貢獻;有大量雙硫鍵的蛋白質較能夠抵抗因加熱而造成的變性。

Phosphate group
-PO3-,這是一個帶負電的基團。它能夠跟水作用,釋放出大量能量。生物體內不可或缺的高能分子ATP;由一個Adenine和三個磷酸根構成;跟水分子作用,ATP第三個磷酸根與第二個之間的供價鍵會斷裂,釋放出能量和一個磷酸根:

ATP + H2O -> Pi + ADP + energy

生物體內許多酵素反應都有賴於靠磷酸根鍵結的斷裂和形成來轉移能量。

Methyl group
-CH3,非極性基團。甲基化(Methylation)是調控基因表現的重要機制。DNA上特定區域被甲基化以後,基因的表現往往就受到抑制。