当前课程知识点：现代生物学导论 > 第二讲 生命的化学基础 > 2.3 碳和生命的分子多样性 > 2.3 碳和生命的分子多样性
在这一节中，我们讨论碳原子
虽然细胞中的成分有70%-80%是水
但其余的成分主要是以碳原子为主的化合物
碳原子可以形成大的，复杂多样的分子
DNA，蛋白质，糖类和其他一切把生命物质区分出来的分子
都是由碳化合物组成的
就像图中展示的这样，任何生命都是由碳化合物组成的
所以我们把碳称为“生命的骨架”
首先我们来讨论一些有机化学的知识
有机化学就是学习碳化合物的一门化学
这门学科之所以重要，是因为和生命有关
以前有一个观点认为
有机物只能从有机物来，而无机物只能从无机物来
两者之间是有鸿沟的
1953年，一个叫做Miller的研究生
发明了一种方法能够从无生命的物质合成出有机物质
比如说如图，这是一个非常经典的实验
他模拟地球刚刚开始时期，合成生命现象的一种方式
通过加入一些分子，比如水，二氧化碳，氨气等等
最后合成出一些像尿素、氨基酸的分子
说明有机物质是可以从无机物质而来
这也是生命进行的可能方式
那么为什么碳原子是生命的骨架呢？
这个要从碳原子的结构来讲
像图上展示的
因为碳原子有4个价电子，所以可以和不同的原子形成4个共价键
碳原子的这种性质使得形成分子量大的，复杂的化合物成为可能
一个分子中如果有多个碳原子，每个碳原子都可以和其他4个原子成键
可以使其形成四面体的结构
不过，当两个碳原子以双键的形式结合，则形成平面结构
想图中展示的一样，碳原子可以和不同的原子组合，形成不同的物质
所以有的人戏称：碳原子是polygamy，“一夫多妻”制的
碳原子可以组成多种物质
我们这里以简单的碳氢化合物为例
那么有这么几个特点
第一，有了碳原子参与的化合物
化合物的长度可以通过碳原子不断增加而增长
比如甲烷，乙烷，丁烷等
第二，碳原子可以增加分支
比如异丁烷
第三，可以形成双键
双键的位置不同，决定了分子的化学性质不同
第四，可以形成环状结构，比如苯环
从这些例子可以看出，分子的结构不同
决定其功能也不同
下面我们以碳氢化合物为例，碳氢化合物的组成只有碳和氢
很多有机分子，比如脂类，都有碳氢化合物
作为碳氢化合物参与到化学反应中可以释放出大量的能量
这是我们人体内脂肪细胞，里面含有脂肪，里面储存能量
脂肪的主要成分就是碳氢化合物
碳原子可以形成4个化学键
虽然形成的化学键个数有限，但是它可以和不同的分子组合
形成多种多样的官能团
官能团是决定有机化合物的化学性质的原子和原子团
在一个分子中的官能团的数量和位置的不同，给予了每个分子独特的特性
下面，我们以雌性激素雌二醇和雄性激素睾酮为例做对比
这两种激素是决定性别的基础
这两种激素的结构大家可以看到非常相似
但是睾酮比雌二醇多了一个甲基基团
而且，在这一位置上，雌二醇是羟基，而睾酮是氧
说明了官能团位置不同，或者同一位置具有不同的官能团
导致分子的功能不同
这也进一步证明了我开始讲到的分子的结构和功能的密切关系
生物体体内有很多非常重要的官能团
比如这里呢，我给同学们列举了7种重要的官能团
在生命中起着重要作用
第一个是羟基
羟基是极性的，可以和水形成氢键
所以可以帮助像糖类这样的化合物溶解
第二个是羰基
很多糖类携带这个集团
第三个是羧基
因为氢和氧之间的共价键是极性的，这个基团通常作为酸性基团
第四个是氨基
通常作为碱性基团
羧基和氨基在氨基酸分子中是基本的组成
第五个是巯基
两个巯基之间反应，可以形成交联键，帮助稳定蛋白质的结构
头发蛋白间的交联键用以维持头发是直发还是卷发
我们在平常烫头发的时候，进行的一些处理破坏这些交联键
然后可以根据我们希望的发型把头发进行处理，重新组建交联键
第六个是磷酸基
提供负电荷，当磷酸基团连接到一个分子上时
使得这个分子可以和水反应，释放能量
第七个是甲基
甲基基团在我们今后的学习中也非常重要
因为它可以通过和DNA或蛋白质结合来改变基因的表达
而且，也会改变男性和女性的激素基本结构和功能
所以，生命主要是由C，H，O，N和少量其他元素组成的
这些元素都可以形成共价键
这也是组成了复杂的有机分子的结构的重要特点
在这些元素中，碳是形成共价键的大师
碳的多才多艺使得有机分子的多样性成为可能
每一个独特的性质都是由于碳骨架的组装和连接在碳骨架上的化学基团导致的
这种在分子水平上的多样性为生物多样性提供了基础
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
