탄소
탄소가 들어간 화합물에 관한 연구를 유기화학이라고 합니다. 200년 전에는 이렇게 구분 짓고 생물과 무생물이 완전히 다른 것이라고 생각했었지만, 결국 이것은 독일의 화학자인 프리드리히 뵐러는 무기물인 시안산염암모늄으로부터 유기물인 요소(카바마이드)를 합성함으로써 뒤집어졌습니다. 그리고 그는 유기물은 완전히 무기물과 다른 새로운 원소로 이루어진 것이 아닌, 이미 있는 원소로 이루어진 것이라는 사실을 발견하였습니다. 이로써 유기화학과 무기화학이라는 구분은 무의미한 것이 되었지만, 이러한 용어는 오늘날까지도 쓰이고 있습니다. 탄소라는 원소는 수백만 개의 화합물을 형성할 수 있는 독특한 특성을 지니고 있습니다. 유기화학이라는 간단한 용어를 사용하여 탄화수소와 수많은 유도체에 관한 화학을 지칭할 수 있습니다. 많은 탄화수소는 석유화학업체에서 원유와 천연가스를 정제하는 과정을 통해 얻어집니다. 탄화수소는 연료(가솔린 등)로 사용되지만 용매나 플라스틱 같은 화학제품의 원료가 되기도 합니다. 탄화수소가 없는 생활은 상상할 수도 없습니다. 자동차는 달릴 수 없고 현대적인 직물이나 플라스틱도 구할 수 없을 것이기 때문입니다. 순수한 탄화수소는 탄소와 수소로 이루어진 화학적 화합물입니다. 탄소원자는 공유결합(전자쌍 결합)에 의해 서로 연결되어 일직선 또는 분지형 사슬이나 고리(환상 탄화수소)를 형성합니다. 탄화수소는 포화상태인 알케인(파라핀, 탄소원자 찌리 단순결합으로 연결)과 불포화화합물인 알켄(올레핀, 한 개 이상의 이중결합으로 연결)및 알카인(한 개 이상의 삼중결합으로 연결)으로 분류합니다. 벤졸 유도화합물은 방향족 또는 방향족화합물이라 합니다.
탄수화물
탄수화물은 당이라고도 하는데, 당은 화학적으로 수소, 산소, 탄소로 구성되어 단맛을 내는 유기화합물이고, 오늘날 먹을거리 중 필수적인 것입니다. 탄수화물은 정전기력에 의해 물과 합성된 물질입니다. 당분자 속에는 한 개 이상의 수산기가 존재하므로 화학적으로 당은 다원자가를 갖는 알코올입니다. 가장 단순한 당은 글라이코알데히드입니다. 가장 중요한 천연당은 오탄당과 육탄당으로 리보오스, 포도당, 과당이 여기 속합니다. 이 당들은 한 개의 당분자로 이루어져 있으므로 단당류라고 합니다. 그러나 이 명칭은 포도당과 과당 등 두 개의 당분자로 이루어진 자당, 즉 수크로오스에서 유래한 것입니다. 자당은 유당(젖당, 포도당과 갈락토오스로 이루어짐)과 함께 이당류에 속합니다. 단당류와 이당류 외에도 수천 개의 당분자로 이루어진 다당류가 있습니다. 가장 잘 알려진 예로 감자와 옥수수 등 식물에서 에너지를 저장하는 데 이용하는 녹말을 들 수 있습니다. 식물은 광합성을 통해 생산한 수많은 포도당분자를 결합해 거대한 분지형 구조물을 만든 후, 이를 녹말 입자 속에 저장합니다. 식물의 세포벽을 구성하는 셀룰로오스 역시 포도당 단위 분자로 만들어진 다당류입니다. 에너지 공급 및 저장 기능 외에도 많은 탄수화물이 구조적 단위 역할을 합니다. 인체에서 가장 흔히 보는 예는 리보오스입니다. 리보오스는 한 개의 산소원자를 방출한 후, 디옥시리보핵산의 형태로 인간게놈을 구성합니다. 단백질 생합성과정과 리보솜에서 아미노산 운반체 및 정보 전달자 역할을 하는 옥실리보핵산도 있습니다.
핵산
우리의 눈동자 색깔, 성별 등의 모든 특징은 유전물질 속에 저장되어 전달되는데, 핵산은 유전적 특성을 전달해 주는 물질입니다. 더 분해해 보면 사실, 결국 이 역할을 해내는 물질은 구아닌, 아데닌, 타이 민, 사이토신 등 4개의 분자입니다. 불과 150년 전만 해도 인류는 유전정보가 단백질 속에 저장되어 전달된다고 생각하였는데, 19세기 후반에 스위스의 생리학자인 프리드리히 미셔가 백혈구의 핵에서 뉴클레인이라는 것을 관찰하면서 제대로 알려지게 되었습니다. 이 물질이 단백질과는 달랐으므로 그는 뉴클레인이라는 새로운 이름을 붙여주었습니다. 20년 후 생화학자인 알브레히트 코셀은 이렇게 썼습니다. "뉴클레인을 묽은 산으로 분해시키는 과정에서 새로운 염기를 발견했습니다. 내가 '아데닌'이란 명칭을 제안한 이 염기는 소의 췌장 분비선에서 추출한 것입니다. 이 발견 후 그는 3개의 분자를 추가적으로 분리했으며 이들이 오탄당 탄수화물인 리보오스와 연관되어 있음을 입증했습니다. 그의 제자 헤르만 스튜델은 한 걸음 더 나아가 각 탄수화물분자가 한 분자의 인산과 결합한다는 사실을 발견했습니다. 20세기의 전환기에 유전물질을 이루는 기본적 구성요소, 즉 모노뉴클레오티드의 구조가 밝혀진 것입니다. 각 뉴클레오티드에는 인산염 잔기가 있어 여기 탄수화물이 결합합니다. 이때 탄수화물은 디옥시리보오스(리보오스에서 산소원자가 빠져나간 것)입니다. 디옥시리보오스에는 4개의 염기, 즉 아데닌, 사이토신, 구아닌, 타이 민 중 하나가 결합합니다.