生物体系中的水结构

生命现象不能离开水而存在。机体中不仅到处都有液体状态的水，而且还有按一定规律彼此结合，并和生物大分子相互结合的水，这种具有一定结构的水称为水结构。它是由水分子所特有的性质所决定的，并在生命过程中起着重要作用。
水具有一些很独特的性质。例如，在各种氢化物(H2O、H2S、H2Se、H2Te等)中，水的融点和沸点特别高。水的比热和汽化热比一般液体要大，这对于机体维持一定的体温是极为重要的。此外，水的介电常数、表面张力等也比其他液体大得多，与外围电子数相同的各种元素或化合物(如Ne、HF、NH3、CH4等)相比，室温下只有水是液态，其它物质都以气态存在。这些现象说明，水分子之间具有较强的相互作用力，不易为一般的分子热运动所破坏。水分子之间的这种相互作用力是由其电子结构所决定的。
水结构 水分子由两个H原子和一个O原子组成。O原子外围有六个电子，其中二个是2s电子，四个是2p电子。由于s轨道和p轨道有一定程度的杂化，从而形成四个SP3杂化轨道，其中两个轨道只有一个电子，可分别和H原子形成共价键，另外两个轨道中都有一对电子。这四个轨道分别指向一个正四面体的顶角，两个H—O键之间的键角约为105°，如图1所示。

图1 单个水分子的四面体结构

水分子中电子云的这种排布使整个水分子内的正负电荷分离： 其中O原子附近有较多的负电荷，H原子附近有较多的正电荷。因此水分子是一种极性分子，具有永久偶极矩，其值为1.84D (D为偶极矩单位Debye)
当两个水分子相互接近时，一个分子的O原子与另一个分子的H原子之间可以通过氢键相互连结，每个水分子可以分别和另外四个水分子以氢键联系，形成图2所示的空间结构。水在结冰时就具有这种结构。用X射线衍射技术可测出同一分子中O与H之间的距离为0.99A，形成H键的H与O原子的间距为 1.77Å, 因此冰中每两个相邻O原子之间的距离为

图2 水分子之间的相互连结关系(●为氧原子，○为氢原子)

2.76Å。 当冰融化为水时，大部份氢键被破坏，但相邻水分子之间仍有一定的氢键联系。对水的X射线衍射研究表明，在10Å范围内，水仍具有结构，图3表示不同距离处的电子密度分布。图中峰所在位置相当于最接近的几个O原子之间的距离，而在10Å以外就不再出现峰。 这证明， 尽管水是液体，其中局部区域仍然存在着由几个分子连接而成的微小晶体，因此水也有一定的结构或有序性。

图3 液态水的径向密度分布

水化作用 溶解于水中的各种物质常能使水的物理性质与结构发生变化。例如阳离子由于带正电，将使极性的水分子沿着离子所造成的电场排列，在离子周围就形成了结合较紧密、有序性很高的水层，称为原初水化层(Ⅰ区)。远离该离子的为Ⅲ区，离子的电场实际上已无影响，该区的水呈正常的结构。介于Ⅰ、Ⅲ两区间的为Ⅱ区，其中水分子经常受到这两个有序区中水分子的影响并与其不断进行交换，因此Ⅱ区中的水有序性最差。由于离子的存在使水的有序性降低，所以溶液的热容量减小。离子浓度越大，则溶液的热容量越小(图4)。

图4 阳离子水化的示意图

与此相反，具有疏水基团的非极性物质将使溶液的热容量增大，其与水分子的相互作用使水的有序性加强。现已肯定，在许多情况下，非极性分子周围的水分子能形成笼形结构，如图5所示。这种情况相当于非极性分子在水中形成空穴。

图5 水的笼形结构

水结构的生物学意义 处于水环境中的生物大分子由于本身具有各种不同类型的基团，显然将对水产生不同的影响。例如蛋白质具有疏水与亲水二种氨基酸侧链，蛋白质分子表面的带电基团将和阳离子产生类似的水化作用，而从蛋白质表面伸展出来的疏水侧链则将在水中产生空穴。一般来说，蛋白质的疏水侧链常位于蛋白质结构内部，而极性氨基酸则位于表面，这是因为亲水基团与水的相互作用比疏水基团的作用强得多。这样就使蛋白质的表面与其内部具有不同的物理性质。对于脂双层来说也是如此，脂双层中的烃链位于膜的内部，而极性带电基团则位于外部与水强烈作用。
由于上述原因，大分子或双层脂膜的外表面常能形成一层有结构的水（也称结合水），由于相互作用很强，这一层水常和大分子或膜成为一个整体，并与其一起活动，成为一个较大的流体动力学单位。对于组织与细胞来说也是如此。组织中既有自由水，也有结合水。应用核磁共振技术可以测定自由水与结合水具有不同的弛豫时间。肿瘤组织与正常组织中自由水与结合水的比例不同，由此可以测出肿瘤组织与正常组织的区别(见“核磁共振”条)。水结构还能从客观水平影响生物学行为，Pauling曾指出，许多全身麻醉药物并不具有很高的化学活性，例如CHCl₃、N₂O、CO₂、C₂H₄、C₃H₆、SF₆、N₂、Ar、Xe等，而且在它们之间也很难发现在化学性质上有什么共同性。但从物理学的观点看，它们都能改变神经细胞附近的水结构，从而破坏神经传导所必需的正常离子流。X射线衍射技术已经证明Xe、CHCl₃等周围能形成笼形水结构，并测定出每个Xe原子或CHCl₃分子分别结合了51/4与17个水分子。在形成笼形水结构时水的体积膨胀。可以设想，能阻碍水结构形成的任何因素都将使麻醉效果减弱。压力就是这类因素之一。实验已经证明，加压确能降低麻醉效果。