เซลล์ : ผลิตผลของสารประกอบคาร์บอน

       หากเราพิจารณาโครงสร้างระดับโมเลกุลของเยื่อเซลล์ เราจะพบว่าเยื่อเซลล์ประกอบด้วยแผ่นลิพิดสองชั้นประกบกันอยู่ และมีโปรตีนแทรกอยู่เป็นระยะๆ โปรตีนบางตัวทำหน้าที่เป็นช่องทางให้โมเลกุล หรืออะตอมบางชนิดผ่านเข้าออกได้ บางชนิดจับกับคาร์โบไฮเดรตเพื่อเป็นสัญลักษณ์ของเซลล์ในการทำหน้าที่ต่างๆ
โมเลกุลของลิพิด โปรตีน และคาร์โบไฮเดรตที่เยื่อเซลล์ หรือที่เป็นองค์ประกอบของโมเลกุลอื่นๆ ในเซลล์ ล้วนประกอบขึ้นจากธาตุพื้นฐาน คือ คาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน สำหรับโมเลกุลของโปรตีนนอกจากจะประกอบด้วยธาตุหลัก 3 ตัวดังกล่าวแล้ว ยังมีไนโตรเจนเป็นธาตุองค์ประกอบที่สำคัญอีกด้วย

โครงสร้างระดับโมเลกุลของเยื่อเซลล์

       ในบรรดาธาตุที่พบมากที่สุดในร่างกาย คือ ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน และคาร์บอน นั้น คาร์บอนอย่างเดียวมีปริมาณถึงครึ่งหนึ่งของน้ำหนักแห้งของเซลล์ นั่นหมายความว่า ชีวโมเลกุลส่วนใหญ่ในเซลล์เป็นสารประกอบของคาร์บอน
ธาตุคาร์บอนสามารถทำ พันธะเดี่ยว (single bond) กับอะตอมของธาตุอื่นได้ 4 พันธะ โดยการใช้อิเล็กตรอน 1 คู่ ร่วมกับอะตอมอื่น เกิดเป็นพันธะโควาเลนต์ (covalent bond) ยึดระหว่าง 2 อะตอมนั้นเข้าไว้ด้วยกัน ในขณะที่ไฮโดรเจนทำพันธะเดี่ยวได้ 1 พันธะ ส่วนออกซิเจนและไนโตรเจนทำพันธะเดี่ยวกับอะตอมอื่นได้ 2 และ 3 พันธะ ตามลำดับ คาร์บอนในเซลล์สามารถทำพันธะเดี่ยวกับไฮโดรเจน และยังสามารถทำพันธะเดี่ยวหรือพันธะคู่ก็ได้กับไนโตรเจนหรือออกซิเจน
คาร์บอนแต่ละอะตอมยังสามารถทำพันธะเดี่ยวกับคาร์บอนอะตอมอื่นได้เป็นจำนวน 1, 2, 3 หรือ 4 พันธะ
นอกจากนี้คาร์บอน 2 อะตอม ยังอาจใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 2 หรือ 3 คู่ เกิดเป็น พันธะคู่ (double bond) และ พันธะสาม (triple bond) ตามลำดับ
สารประกอบคาร์บอนในเซลล์อาจมีอะตอมของคาร์บอนเชื่อมต่อกันเป็น สายตรง (linear chain) เป็น สายตรงที่มีกิ่งก้านสาขา (branched chain) หรือ โครงสร้างรูปวง (cyclic structure) ก็ได้ นอกจากนี้ยังมี หมู่ฟังก์ชัน (functional group) มาเชื่อมต่อกับอะตอมของคาร์บอนด้วย ทำให้ชีวโมเลกุลแต่ละตัวมีคุณสมบัติทางเคมีเฉพาะตัวของมัน

        หมู่ฟังก์ชัน  หมายถึง   หมู่ที่เข้าทำปฏิกิริยาเคมีได้ดีกว่าหมู่อื่นๆ ในโมเลกุล

 บทบาทของชีวโมเลกุลในเซลล์

       การทำงานต่างๆ ของเซลล์เกิดขึ้นได้จากการที่สารอนินทรีย์และสารอินทรีย์ทั้งหลายในเซลล์เกิดการดึงดูดกัน ชนกัน หรือเข้าทำปฏิกิริยาเคมีกัน โดยอาศัยการช่วยเหลือจากชีวโมเลกุลบางตัว รวมทั้งปัจจัยแวดล้อมอื่นๆ ในร่างกาย ได้แก่ อุณหภูมิ ความเข้มข้นของสารละลาย และ pH ในการทำหน้าที่เป็นกลไกควบคุมการเกิดปฏิกิริยาเคมีเหล่านั้นให้เกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะของร่างกาย ซึ่งปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นนั้นไม่จำเป็นต้องใช้กรดด่างหรืออุณหภูมิที่สูงเกินไปดังเช่นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในหลอดทดลอง
ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์แต่ละเซลล์ของร่างกายมีจำนวนนับร้อยนับพัน กระบวนการควบคุมที่แม่นยำและเชื่อมโยงกันอย่างเป็นระบบระเบียบเท่านั้นที่จะทำให้ปฏิกิริยาเคมีทั้งหลายในเซลล์สิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ นั่นคือ เกิดประโยชน์สูงสุดและโดยที่ใช้พลังงานอย่างคุ้มค่าที่สุด
ในการทำงานของเซลล์นอกจากจะขึ้นอยู่กับการเข้าทำปฏิกิริยาของหมู่ฟังก์ชันของชีวโมเลกุลแล้ว การเปลี่ยนแปลงรูปร่าง 3 มิติ (conformational change) ของชีวโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ก็ยังเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้การทำงานในเซลล์เกิดขึ้นได้ โดยไม่ต้องการการเปลี่ยนแปลงหมู่ฟังก์ชันเลย
ชีวโมเลกุลในร่างกายสิ่งมีชีวิตมักรวมตัวอยู่กับโมเลกุลอื่นๆ เช่น เยื่อเซลล์มีโปรตีนแทรกตัวอยู่ในผืนลิพิดเป็นระยะๆ โปรตีนบางชนิดที่เยื่อเซลล์ยังมีคาร์โบไฮเดรตสายสั้นๆ เชื่อมต่ออยู่ด้วย ในโครโมโซมมีดีเอ็นเอรวมตัวกับโปรตีนฮิสโตนในสัดส่วนพอๆ กันและยังมีอาร์เอ็นเออยู่ด้วยในปริมาณเล็กน้อย ในกระดูกอ่อน เอ็น ผิวหนัง มีโปรตีนคอลลาเจนและอีลาสตินฝังตัวอยู่ในของเหลวข้นหนืดที่มีองค์ประกอบหลักเป็นคาร์โบไฮเดรต
ในการดูลักษณะชีวโมเลกุลที่มีการรวมตัวกันเป็นโมเลกุลเชิงซ้อนที่มีขนาดใหญ่นั้น เราอาจเรียนรู้ได้โดยการใช้กล้องจุลทรรศน์หรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนดูภาพหลังจากการย้อมสีหรือการแช่ให้แข็ง
แต่ในการศึกษาหน้าที่การทำงานของชีวโมเลกุลหรือการศึกษาปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ในสิ่งมีชีวิต เราจำเป็นต้องเรียนรู้จากโมเลกุลที่แยกออกมาเป็นอิสระและโดยที่ต้องอยู่สภาวะธรรมชาติด้วย
แต่เนื่องจากโครงสร้างของชีวโมเลกุลย่อมมีการเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อม ในการศึกษาโครงสร้างของโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์จึงต้องกำหนดสิ่งแวดล้อมให้ชัดเจนเลียนแบบสภาพความมีชีวิต เช่น กำหนด pH ความเข้มข้นของสารละลาย หรืออุณหภูมิที่แน่นอน ชีวโมเลกุลที่แยกออกมาเป็นอิสระจึงจะมีความสามารถในการทำงานใกล้เคียงกับชีวโมเลกุลที่อยู่ในสิ่งมีชีวิต