这是一张元素周期表

 

现在有118个元素

未来有多少，我们不能确定

 

所有的物质都由这些元素构成

用化学手段无法再分解它们

 

构成这张表的118个元素中

拿出8个元素

氢，碳，氮，氧，钠，磷，硫，钾

我们的故事从这八个元素开始

 

碳基生命

 

构成生命的最主要元素就是这8个

其中有一个元素主宰着整个生命

在科幻小说里经常会听到一个名词

碳基生物

是的，我们就是碳基生物

有机化学其实就是碳化学

 

为什么会是碳？

这要从原子结构说起

各种原子能够结合到一起是因为化学键的作用

具体来说就是它们外层电子数量不同

其中最稳定的就是元素周期表最右边这一列

氦氖氩氪氙氡

除了氦的最外层电子是2个（因为它只有2个电子）

其他的几个最外层电子都是8个

是最稳定的结构

所以被称为惰性气体

后来在实验室里

人们用一些方法打破了他们不能化合的神话

于是被称为稀有气体

 

所有的原子都会追求最外层8电子的稳定结构

但是除了稀有气体这一列

其他的元素最外层都少于8个

比如氧原子

一共有8个电子

但是分成两层，

第一层是2个电子，

第二层是6个电子

要达到稳定

就需要在最外层加入两个电子

 

有一种方法是跟邻居一起分享电子

比如这时候再来一个氧原子

两者靠得很近的时候

两个氧原子分别出两个电子紧密联系到一起

这四个电子就变成共用电子对

对于任何一个氧原子来说

都多了两个电子

最外层就形成了稳定的8电子结构

于是他们就稳定在了一起

这个结合叫做共价键

稳定的两个氧原子就形成了O2

也就是氧气分子

 

当然不一定要跟同族的共享，

也可以跟不同元素一起形成共价键

比如一个氧原子和两个氢原子，各自形成一个共价键，就是H₂O，也就是水分子。

 

再看看氯元素

有17个电子

第一层2个，第二层8个，最外层7个电子

这时候最外层再来1个电子就能形成8电子结构

他可以找一个氯元素形成一个共价键，变成氯气Cl2

 

也可以有另一种方法

那就是从别人那抢一个电子过来

跟谁抢呢？

看看这位老兄，

钠元素

它有11个电子

第一层2个，第二层8个，最外层1个电子

这时候如果钠元素想要稳定

要么去搞7个电子过来形成8电子

要么把最外层这1个送走

这样第二层8个就变成最外层，

形成了稳定结构。

 

显然送走1个比弄7个过来更容易

当氯和钠相遇，

一拍即合，天雷勾动地火。

钠给了一个电子给氯

大家都满足了

而此时

钠少了一个电子变成了带正电，

氯多了一个电子变成了带负电。

 

所谓异性相吸，

他们就因为这一个要一个送，

被牢牢地吸在了一起

形成了稳定的NaCl分子，

也就是我们常说的食盐，

这一成键方式叫做离子键。

 

现在我们再看碳元素

它一共6个电子，

第一层2个，最外层4个

 

失去4个和得到4个难度都差不多

所以碳主要形成共价键（也有例外）

如果我们把元素之间的化学键理解为手拉手，

碳元素就是有4只手在呼唤同伴

这样如果同伴只有一只手

他可以拉4个入伙

同伴有两只手

他可以拉两个入伙

也可以拉一个三只手同伴加一个一只手同伴

相较于其他元素，方式是多种多样的

这一点也造就了以碳为基本元素的化合物种类极为丰富

才能最终演化出碳基生命。

 

化学还是生物？

 

现在看看碳组合出来的化合物

首先我们要明白

有机化合物至少包含一个碳氢键

也就是碳和氢组成的共价键。

一个碳氢化合物只含有碳和氢

但是他们可以排成长长的链条

形式多种多样

碳和碳之间成键构成骨架，

碳碳键可以是单键，

也可以是双键，

也可以是三键

其余位置由氢来和碳成键。

 

碳氢链可长可短，

可以是树枝状的，

也可以是环状。

 

如果在碳氢组合中加上一点氧，

可以形成丙三醇，也叫甘油，长这样

 

也可以形成不同类型的脂肪酸，比如癸（guǐ）酸，长这样

 

都是由碳氢化合物加入一些氧元素构成的

一个甘油和三个脂肪酸可以组成甘油三酯

 

也就是我们所说的脂肪

脂肪能够帮助我们储存能量

 

如果我们再多加一些氧

会形成糖

他们不是形成一个长链

而是环状结构

有一种糖是生命的燃料

他的名字叫葡萄糖

绝大部分生物都以葡萄糖（C6H12O6）供能

 

当然还有很多其他种类的糖

比如果糖，蔗糖，乳糖

这都是我们人类经常会吃下去的糖

 

有两种只有5个碳的糖对生命至关重要

4个碳组成环状，一个碳挂在外面

左边的这个叫做核糖

右边这个比左边少了一个氧原子

叫做脱氧核糖

这两位我们后面还会遇到

 

孤零零的一个糖分子，叫做单糖

单糖能够串在一起形成多糖

植物会制造一种由很多葡萄糖分子聚合在一起的多糖

它的名字叫做淀粉

是生物的能量来源

如果葡萄糖成键的结构上出现一些差异

会形成另外一种不同的多糖

叫做纤维素

它比淀粉更为坚固牢靠

是植物细胞壁的主要成分

木头，芹菜的纤维，马铃薯的皮等等都是纤维素组成。

纤维素是地球上最古老，最丰富的天然高分子，

虽然不能够被人体吸收，

却是人体七大营养素之一

一个比较有名的功能是促进排便。

 

如果加上氮元素会怎样？

当我们把氨基（NH2）加入到带有两个碳的有机酸里

就会形成氨基酸

氨基酸结构非常多

理论上有无数种可能

但在我们身体里主要是20种

他们的分子结构长这样

 

氨基酸的独特之处在于

任意两个都可以首尾相连

形成太监

搞错了，重来

形成肽键

带有两个氨基酸的基团叫做二肽

二肽也有相同的尾巴

然后就能把第3个，第4个，第N个氨基酸连上去。

叫做多肽

这些多肽链上有许多点位带有微量的电荷

他们会互相吸引或者排斥

这些力把多肽链的一些部分拧成了圈

也就是α螺旋

另外一部分通过反复折叠，

形成了平整度不一的β片层

氨基酸的独特之处在于

任意两个都可以首尾相连

形成太监

搞错了，重来

形成肽键

带有两个氨基酸的基团叫做二肽

二肽也有相同的尾巴

然后就能把第3个，第4个，第N个氨基酸连上去。

叫做多肽

这些多肽链上有许多点位带有微量的电荷

他们会互相吸引或者排斥

这些力把多肽链的一些部分拧成了圈

也就是α螺旋

另外一部分通过反复折叠，

形成了平整度不一的β片层

 

而这些多肽链挂在外面的侧链

有些是亲水的，有些是疏水的

当折叠且扭曲的多肽被水包围后

会尽量让疏水的侧链卷在里面以远离水

使得它的结构越来越紧密

最终变成了一团压缩的物质

形成了一个三维的三级结构

这时候一个蛋白质就形成了

有些蛋白质由两条或者更多的多肽链组装在一起

我们将这种最终结构叫做蛋白质的四级结构

蛋白质承担着生物体内的无数职责

是生命活动的主要承担者

 

现在我们把目光投向另一类含氮的有机物

他们长这样

 

分别叫做腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶，尿嘧啶

用字母代替分别是，A,G,C,T,U

变成了字母是不是很熟悉了

当然，

现在还没到我们印象中的基因

因为还要加上一些其他东西

其中的4个碱基A,C,G,U与核糖之间存在吸引力

比如碱基A与核糖结合，

会得到一种叫做腺苷的物质

这时我们需要磷酸盐出场了

前面讲糖类的时候我们提到了核糖

是环形结构，但是有一个碳在环的外面

磷酸盐此时过来，和这个突出来的碳结合

形成了腺苷一磷酸，代号AMP

再挂一个磷酸盐，形成腺苷二磷酸 ，代号ADP

再加上一个磷酸盐，形成了腺苷三磷酸，他的代号叫ATP

 

学过生物的应该都知道ATP老兄

当我们需要消耗能量时，都需要ATP来触发，

可以理解为生命活动的钥匙

具体的我们以后再讲。

当然，除了碱基A可以合成ATP

碱基C,G,U也可以合成对应的核酸磷酸盐

分别叫做 CTP,GTP,UTP

再次让我们回到核糖

之前我们讲过有一种糖比核糖少一个氧原子

我们叫做脱氧核糖

如果把上面的结构用脱氧核糖取代核糖

就得到了脱氧核糖磷酸

当然这里有一点点变化

就是脱氧核糖不再和U结合，而是和碱基T结合

好了，我们要触碰到生命的密码了

前面我们提到碱基A 与一个核糖结合，再加上一个磷酸盐的叫AMP，

对应的也有GMP，CMP，UMP

同样的，用脱氧核糖取代核糖也有四个，

dTMP, dGMP，dCMP，Dtmp

这些成分，叫做核苷酸

这些核苷酸会聚合到一起

通过磷酸链接起来

而碱基挂在外面

核糖形成的核苷酸聚合起来叫做核糖核酸，代号RNA

 

脱氧核糖形成的核苷酸也能聚合在一起形成一条链

不过要用T来换掉U，其他的碱基不变

其中A,C,G,T之间能够一一配对

A和T完美契合，G和C互为一对

他们之间通过氢键结合在一起

两条核苷酸之间通过这种配对方式联结在一起

像一条螺旋一样互相缠绕着

形成了脱氧核糖核酸，

也就是我们常说的DNA

 

这就是生命的密码

记录着我们所有的信息以及指挥我们所有的生命活动。

现在我们已经基本了解了生命需要的所有原材料

脂肪，糖类，蛋白质，磷酸和核酸，当然，还有水

把这些都混合到一起就能产生生命么？

当然没那么简单

一切才刚刚开始

他们要给自己创造一个房间

所有的这些化合物

在这个房间中一起工作

构建出所有生命的基本单元

细胞

下一期，我们来看看细胞内部怎么工作！

知道的越多，恐惧的越少

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碳基生命们！