生物的结构
图3-4中展示了两种非常典型的晶体结构——金刚石和方解石，它们广泛存在于一般物质中。
图3-4 两种典型的晶体结构
世间万物大多数是由这样的物质构成的。如此明显的规律性一定有其背后的道理，我们可以通过把它们切成小块来逐步探究其奥秘。放下金刚石不说——因为研究预算肯定不允许我们拿这样的材料做实验，我们可以先试着用凿子和锤子小心翼翼地敲开方解石，使其碎成小块。令人惊奇的是，每一块碎块都保持了原先的形状——不是尺寸，而是所有边角和断面的夹角都相同。我们可以进一步把小块方解石打成更小的碎片，借助显微镜，仍然可以看到同样的结构，因此可以想见，即使是小得看不见的碎片肯定也具有相同的结构。
方解石被化学家们称为碳酸钙，其中包含一个碳酸根（CO3，表示一个碳原子结合三个氧原子，见图3-5）和一个钙原子。物理学的解析方法显示，方解石中众多的碳酸根和钙原子呈规则的空间分布，在原子水平形成的夹角跟我们可以握在手里的大块方解石相同。由此可见，我们见到的该物质的形状就是这种晶体结构延伸和重复的结果。
图3-5 方解石的结构
宏观的结构源自规律性排列的微观结构。
生物的结构由它们的微观分子结构决定。许多生物的结构看起来与晶体很像，在显微镜下展现出规则的形状。我们之前见过的组织中就有极为规则的细胞排列，所有这些都依赖于其构成物质。
一切生物的细胞和组织都由几类相同的物质组成。大多数生物的组成部分包括70%～90%的水，生物反应过程很大程度上依赖于水的特性，诸如钠、钾、钙、镁、氯等盐类都会溶解在水中。生物的组成部分还包括有机化合物，它们由碳原子结合氢原子、氧原子、氮原子组成，有时还包括硫原子或磷原子。
最简单的有机分子有甲烷、乙烷和丙烷，主要存在于天然气和石油中（见图3-6）。
图3-6 最简单的有机分子
这些有机分子又被称作碳氢化合物，由氢原子和碳原子组成。我们可以把这些原子想象成一个个小球，通过共享一对电子——每个原子贡献一个，形成化学键，从而彼此结合。每个键在图中以两个原子中间的一条线表示。每种元素都有其典型的化合价，即其原子能结合其他原子形成的化学键的数量。碳是四价，所以每个碳原子能与四个原子结合，这就派生出了多种原子组合方式和种类繁多的化学分子（见图3-7，两条或三条线代表了两个或三个键在一起的情况，即双键或三键）。由共享电子构成的键是非常牢固的共价键，它们的形成或断裂都会耗费相当多的能量，所以有机分子都比较稳定。另一方面，当这些物质燃烧（氧化）时，共价键会被破坏，释放大量能量(7)，所以这些化合物也是有用的燃料。
图3-7 几种以碳原子为基础的有机分子
原子之间的每一条线都代表一个共价键，即原子间共享的一对电子。两条线和三条线代表原子之间有两个或三个共价键。更为复杂的分子，尤其是那些带有闭环结构的，通常只用简单的线表示：每个点（拐点）代表一个碳原子，一般都结合着一到两个氢原子（但未画出）。因为碳的化合价是四，每个碳原子要有四个共价键；所以如果一个碳原子上只画出三个键，那么它肯定还结合了一个氢原子但未画出。
在最简单的有机分子甲烷中，碳原子只与四个氢原子结合。在图3-7里展示的其他分子中，碳原子会和其他碳原子间形成共价键，继而形成碳-碳链，而其他空位则由氢原子填补。碳-碳链有时会特别长，石蜡中的碳链可能长达30～36个碳原子。碳链还可以弯曲，形成大小不一的环，但多样性更多来自结合的其他基团。羟基（OH，氧连着氢）连在碳链上就组成了醇。由两个氢原子连着一个氮原子组成的氨基（NH2），连在碳链上就组成了胺。在更复杂的基团中，氧有时和碳以双键结合（C=O），羧基COOH中就有这种组合，它可以形成有机酸分子。酸是能解离出氢离子的任意化合物，如羧基就可以；离子是带正电荷或负电荷的原子。
在不同长度的碳链或碳环上以各种方式结合这些基团，就可以形成种类繁多的化合物，但构成生物体大半结构的只是其中的一小部分。一些重要的化合物有蛋白质、核酸、碳水化合物和脂类。
脂类主要指我们熟悉的脂肪和油，通常含有16～18个碳原子的长碳氢链。它们是弄脏衣服的罪魁祸首，无法用水洗掉。如果一种物质能跟水混合，我们就说它是亲水的（即其字面意思，“喜欢水”）；如果一种物质会跟水分开，我们就说它是疏水的。衣服上的油渍必须用干洗剂，用四氯化碳或苯等疏水有机溶剂才能去除。脂类也可以被定义为只溶于疏水溶剂的物质。
除此之外，一些重要生命体的构成物质的突出特点是它们拥有巨大的分子量，如丙烷、苯或葡萄糖之类的小分子物质，其分子量最多只有几百道尔顿；相比之下，蛋白质、核酸以及其他一些构成细胞的物质被称作大分子，它们的分子量能达到几千道尔顿。建材体积硕大是理所应当，毕竟人类也会用巨大的钢梁、胶合板和石膏板建造建筑。细胞同样是拥有复杂结构的庞然大物。
大分子的基本结构都相对简洁。它们都是聚合物，由许多个相近或相同的分子（称为单体）相连组成（见图3-8）。
图3-8 大分子的基本结构
碳水化合物的基本单位都是单糖，它们是一类小分子有机化合物，分子式为C6H12O6。与人们关系比较大的单糖，如葡萄糖、半乳糖和甘露糖的分子结构为环形。它们可以互相联结形成长链，链上还可以形成分支。葡萄糖以某种特定的方式（化学家们称其为β-1，4糖苷键）联结就形成了纤维素（见图3-9）。
图3-9 纤维素的结构
纤维素是植物细胞壁中坚韧的纤维材料，也是木材的主要成分。如果葡萄糖以另一种方式联结（α-1，4糖苷键，还带有一些1，6糖苷键的分支），就成了植物或动物用以储存能量的物质：淀粉或糖原。其他单糖以各种方式联结，可以形成果胶或树胶，它们构成了植物果实的肉质部分。这些聚合物的分子量可达到数千道尔顿，它们有一个共同的名字：多糖；构成它们的单体叫单糖。其他聚合物也都以相似的方法命名，如多聚磷酸。
作为一类重要的聚合物，蛋白质是由氨基酸单体构成的长链。之所以叫氨基酸，是因为每一个分子都有一个氨基（NH2）和一个羧基（COOH）。一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基缩合，脱去一个水分子就可使两个氨基酸分子相连（见图3-10）。
图3-10 蛋白质的分子结构
结合产生的分子（二肽）仍然是一端有一个氨基，另一端有一个羧基，于是第三个氨基酸就可以结合上来形成三肽。这个过程可以无限重复下去，这样由多个氨基酸联结形成的分子叫多肽，这也是蛋白质的别称。典型的蛋白质一般含有至少200～300个首尾相连的氨基酸。因为缺少完整的氨基和羧基，肽链上氨基酸的剩余部分被叫作氨基酸残基。氨基酸的平均分子量约为100道尔顿，300个氨基酸的长链分子量就是3万，这也是大部分蛋白质的分子量。
组成天然蛋白质的氨基酸有20种，它们的区别主要体现为侧链结构的不同（见表3-1）。这些氨基酸能以任何顺序排列，所以细胞可以产生种类繁多的蛋白质，这种多样性大大超出了人类的理解范围。肽链上的第一个氨基酸就有20种可选，第二个同样有20种，仅仅是二肽（含两个氨基酸残基）就有400（20×20）种可能。三肽有8 000种可能，四肽有160 000种可能，而一条含有300个氨基酸残基的肽链就有20300种可能。没有人能想象这是多大的一个数字，所有地球上存在过的生物合成的蛋白质种类数量只是其中很小的一部分。
表3-1 蛋白质的单体——氨基酸
每种蛋白质都有着独特的序列，人血红蛋白A分子（人类血液中携带氧气的红色物质）的一条链就由该序列起始：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-（每种氨基酸都以三个字母的简写表示）。正常人的每个血红蛋白A分子都有这个结构。最简单的生物体内都有几千种蛋白质，而像人类这样的复杂生物则有30 000～50 000种蛋白质（阐释人类基因组的研究把蛋白数量定在这个范围，但事实上仍有很大变数）。每种蛋白质都有着特殊的功能，是生物活动的主力军，它们负责与生命有关的所有重要工作。
● 蛋白质是酶，可以让生物体内的一切化学反应迅速且可控地进行。
● 蛋白质是某些重要结构的组成部分：角蛋白构成了头发、皮肤和羽毛，胶原蛋白构成了软骨和骨头。
● 蛋白质构成了肌肉和其他可动结构，如纤毛和鞭毛中的纤维，主要通过互相拉扯产生运动。
● 蛋白质是激素的重要组成部分，负责在体内从一种细胞向另一种细胞传递信息。
● 蛋白质可以构成受体，通过与其他分子结合接收信号。激素分子通过与一个受体结合的方式，让细胞接收激素传递的信号。那些能尝出或闻到味道的受体，能使我们察觉到环境中的小分子并对其做出反应。
● 蛋白质是搬运离子和小分子穿越生物膜的转运体，这也是我们的神经系统和肾脏等器官执行功能的基础。
● 蛋白质是调节各种生命活动、保证其按合适的速率运转的控制元件。
我们可以通过进一步了解蛋白质的功能，来搞清细胞是如何产生和工作的。