carbon (Biokemi og biologi)

Som jordboere uden konkret kendskab til liv andre steder i Universet kender vi kun kulstofbaseret liv. Carbon hører (ligesom brint, nitrogen, ilt, fosfor og svovl) til de grundstoffer, vi antager er essentielle for udfoldelse af enhver form for biologisk liv. Disse grundstoffer (C, H, N, O, P, S) er udgangspunkt i store dele af den eksisterende kemi. Man kender til tusinder af carbonforbindelser, som er så forskelligartede, komplicerede og vigtige, at studiet af dem er en særlig gren af kemien. Den blev i 1800-t. benævnt organisk kemi, fordi man mente, at alle den slags forbindelser måtte stamme fra levende organismer og kun kunne dannes i livsprocesserne. I starten af 1840'erne, da J. von Liebig og andre kemikere i laboratoriet syntetiserede carbonforbindelser, som var analoge med de forbindelser, man fandt i organismer, indså man, at "organisk kemi" ikke var "livets kemi", men "carbonforbindelsernes kemi", og at ingen skjulte, vitale principper adskilte organisk fra uorganisk kemi. Således gælder der grundlæggende de samme lovmæssigheder for kunstige og naturlige carbonforbindelser på molekylært niveau. Alligevel kan de i forbindelse med levende celler opføre sig forskelligt. Eksempelvis vil nogle af de kunstigt fremstillede carbonforbindelser, man kender i dag, fx plaststoffer som PVC, ikke eller kun meget langsomt kunne nedbrydes af mikroorganismer i økosystemet.

De carbonforbindelser, der naturligt (ved biosyntese) opbygges i levende organismers celler, studeres i biokemien, som også undersøger nedbrydningen af forbindelserne, der sker enten ved spontane processer i cellerne, ved forbrænding (respiration) eller i kraft af de mikroorganismer, der spiller en særlig rolle i de økologiske kredsløb ved at frigive kuldioxid og andre mindre carbonforbindelser. Discipliner som geokemi, fysiologi, biokemi og økologi bidrager til forståelsen af carbonomsætningen på Jorden, både i levende organismer og i deres fysisk-kemiske omgivelser.

To processer i levende organismer, autotrofi og respiration, er afgørende for hhv. opbygning og nedbrydning af carbonforbindelser. De autotrofe organismer kan enten som grønne planter være fotoautotrofe og udnytte solens energi eller som visse bakterier være kemoautotrofe og udnytte kemisk energi fra uorganiske forbindelser. I begge tilfælde bruges energi til biosyntesen af carbonforbindelser. Ved respiration ("ånding") udnyttes den kemiske energi, som er bundet i carbonforbindelser, til cellernes vigtigste livsfunktioner. Groft sagt er fotosyntese og respiration hinandens omvendte. Fotosyntese:
6 CO₂ + 6 H₂O + lysenergi → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Respiration:
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + kemisk energi
Sukkerstoffet C₆H₁₂O₆ er grundlaget for videre syntese af mere komplekse carbonforbindelser.

De biokemisk vigtige carbonforbindelser i vores krop omfatter især fire store familier af makromolekyler, der bl.a. fungerer som byggesten og energitransportører i de levende celler: proteiner (inkl. enzymer), nukleinsyrer (bl.a. DNA), kulhydrater og lipider. Carbonatomet, som danner fire covalente bindinger, spiller den centrale rolle som rygrad i disse molekyler pga. dets særlige evne til at danne lange, fleksible kæder. For hvert led i kæden bruger carbonatomet to af sine fire covalente bindinger til forbindelsen til de to naboatomer; de to andre er frie til at binde enten ilt, brint eller andre atomer eller til at lave sidekæder af carbonforbindelser. Variationsmulighederne er (næsten) uendelige. Der kan også forekomme dobbeltbindinger (som fx i umættede fedtsyrer) mellem to C-atomer, hvilket giver carbonrygraden i molekylet større stivhed. Carbon udgør (i atom-pct.) 11% af den menneskelige organisme, mens ilt udgør 25% og brint 60%. I Universet er forekomsten af disse grundstoffer 0,9% for carbon, 0,06% for ilt og 91% for brint.

I den vandige, gel-agtige opløsning (cytoplasma) inde i cellerne foregår de biokemiske omsætninger af carbonforbindelser ofte som cyklusser af mange trin, der hver involverer reaktioner mellem specifikke molekyler. De er specifikke, idet deres atomer er sammenknyttet på ganske bestemte måder (beskrevet ved deres strukturformel). Deres tredimensionale struktur er forholdsvis stabil, veldefineret og bestemmende for makromolekylernes evne til indbyrdes at "genkende" hinanden, hvilket er afgørende for disse cyklussers præcise forløb. Genkendelsesproceduren mellem to molekyler sammenlignes ofte med en nøgle, som skal finde en lås, der passer. Fx består et enzym af en lang kæde af aminosyrer, der er foldet op på en ganske bestemt måde, som fastlægger enzymets overordnede form. Formen har betydning for enzymets funktion: Det enkelte carbonatom spiller ikke nogen isoleret rolle i forbindelse med et enzyms genkendelse af sit substrat (fx et andet protein eller et kulhydrat); det er selve måden, som enzymmolekylet er foldet op på, der bestemmer dets stabile form.

Kan liv tænkes realiseret uden brug af carbon? Silicium (Si) er det grundstof, som kemisk ligner carbon mest. Det kunne måske have carbons rolle og være basis for andre livsformer. Men silicium danner ikke dobbeltbindinger. Skønt silicium-ilt bindinger blot er lidt mere stabile end carbon-ilt bindinger, danner de som regel silikater, hvor samme enhed gentages igen og igen, snarere end komplekse molekyler med sidekæder og en aperiodisk struktur med potentiel rolle som opbevarer af information. DNA-molekylet udfylder en sådan rolle og er det organiske makromolekyle, som direkte eller indirekte rummer opskriften på de mange tusinde forskellige carbonforbindelser, enhver levende celle danner. Se kulstofkredsløb.