1.4　生命中的水环境

众所周知，生命起源于水溶液。事实上，化石记录显示，原始海中出现的生命直到近代才冒险登上了陆地。尽管如此，这些离开了水生活的生物在它们的体内还保留着海洋的印迹：它们体内、胞外和胞内的液体的组成成分与海水类似。这种情况甚至在那些生活在极端环境（如饱和盐水、火山口、石油等）中的生物体内也是如此。

水占生物体总质量的65％～90％，它是生物体内含量最丰富的物质。不同的机体或同一机体的不同器官中的水含量也有很大差别。例如，人体骨髓含水量为22％，肌肉76％，脑70％～84％，心脏79％，肝脏70％，皮肤72％，血液83％。水的含量也随年龄变化，如人类四个月的胎儿含水量为91％，成人则为65％。不同物种含水量差异较大，如水母含水为96％～99％，幼嫩植物含水约70％，细菌孢子含水约10％等。

1.4.1　水的性质

水的物理和化学性质对生物体具有非常重要的意义，一方面是营养传输、各种生化反应和生物能量转化的介质，另一方面也影响着生物分子的结构、性质和功能。水的特殊的物理和溶剂性质主要来源于水内部不同寻常的凝聚力。

1.4.1.1　水分子的结构

水分子（H2O）的几何构型是弯曲的V形（图1.1），H—O—H键角为104.5°，O—H键长为0.958Å 。由于O和H之间的电负性差别很大，O—H键是高度极化的，其偶极矩为6.17×10-30C·m（1.85D），所以水分子是极性分子。

1.4.1.2　水分子的特性

（1）形成氢键

水分子之间能够形成氢键，如图1.2所示，可用D—H…A表示，其中D—H是一个弱酸性的“供体基团”（donor group），如N—H或O—H；而A是弱碱性的、接受孤对电子的“受体原子”（acceptor atom），如N或O。

氢键可通过H…A距离来定性，一般比这两个原子的范德华半径短0.5Å。例如，O…H氢键键长约为1.8Å，而其范德华半径为2.6Å。与共价键相比，氢键的键能（约20kJ/mol）相对较小（O—H共价键键能为460kJ/mol）。生物分子内或分子间能形成很多氢键，因此氢键在决定生物分子的三维结构和分子间相互作用方面起着极为重要的作用。

（2）水化作用

水分子是一种良好的极性溶剂，其溶解性主要取决于水分子和溶质分子的相互作用。一般地讲，溶质与溶剂的极性相似时就容易溶解形成溶液，此原则称为“相似相溶”（like dis-solveslike）。因此极性物质和离子易溶于水，称为“亲水性”（hydrophilic）物质；而非极性物质不溶于水（油水不互溶），称为“亲油性”（hydrophobic）物质，它们可溶于非极性溶剂（如四氯化碳、正己烷等）。

图1.3是说明食盐（NaCl）如何溶于水的。离子化合物是通过离子键紧紧地结合在一起的，在水溶液中离子会吸引溶剂（水）的带相反电荷的偶极端，从而使该离子被一层溶剂分子所围绕，形成水化的（hydrated）离子，或称溶剂化的（solvated）离子。水化作用不仅使Na+和Cl-之间的静电引力减弱，而且使形成的水化Na+和Cl-能够稳定存在。

（3）疏水缔合作用

非极性分子或基团不溶于水，但它们在水分子作用下有缔合在一起的趋势，这种作用称为疏水缔合作用。例如，将正己烷和水混合后振荡，正己烷以微小颗粒分散在水中，但是这些微小的正己烷颗粒很快就缔合在一起。

许多生物分子都是既含亲水性的极性（或带电）基团，又含疏水性的非极性基团。这类分子通常称为两亲性（amphiphilic，amphipathic）分子，它们在水溶液中的行为如何呢？水分子能水化亲水性的基团形成亲水区，排除疏水性的基团形成疏水区，最终形成分散于水中的有序的聚集体。这种聚集体可以是分子束或微胶束（micelles），也可以是双分子层（bilayered sheets）或小泡（visicles），其中亲水性基团朝外与水溶剂相互作用，疏水性基团朝内远离溶剂（图1.4）。磷脂分子在水溶液中形成双层脂膜就是疏水缔合作用的一个典型例子。疏水缔合作用能够稳定生物大分子的构象及其立体结构（例如蛋白质的折叠等）。

（4）亲核作用

水分子中的氧原子含有孤对电子，具有亲核性能。许多重要的生化反应，如水解反应等，是由水分子的亲核进攻引起的。在生理条件下（约pH7），水的亲核性能较弱，所以很多由水的亲核进攻引起的反应需要在酶的作用下进行，如磷酸水解酶催化的磷酸酯水解反应。

1.4.2　水分子对生物大分子的结构和性质的影响

生物大分子的结构不仅仅是由组成其骨架的共价键决定的，非共价作用（如氢键、离子相互作用、范德华力等）的加和影响也不容忽视（表1.5）。水分子对生物大分子的影响主要是通过非共价作用力实现的。

相反电荷、离子基团的结合强度取决于离子的性质、离子间的距离和介质的极性。通常，离子相互作用小于共价键能，大于氢键能。

中性分子间的非共价结合，总称为范德华力（Van der Waals force），来源于永久偶极或诱导偶极间的静电相互作用（氢键是一类特别的偶极间相互作用）。永久偶极（如羰基）之间的相互作用比离子相互作用弱得多。通过静电扭变其电子分布，一个永久偶极也可在其相邻基团中诱导出一个偶极，这种偶极-诱导偶极相互作用比偶极-偶极相互作用弱得多。

在任一瞬间，非极性分子因其电子的快速波动而产生一个小的、随机定向的偶极，这种瞬时偶极使相邻基团中的电子具有极性，因此这些基团相互吸引，这种作用称为London分散力（London dispersion force），强度很弱，且随距离增加而迅速减小，因此它们只对紧密接触的基团才有意义，在决定内部具有很多紧密堆积基团的生物大分子的结构方面起着非常重要的作用。

在水溶液中，单一的非共价作用力比较弱，然而，生物大分子含有大量的这种弱作用力，总的作用力是不容忽视的。这些作用力在稳定生物大分子的立体结构、诱导底物分子价键发生极化或形变、稳定反应过渡态以及形成稳定的复合物等方面都具有重要意义。

1.4.3　缓冲溶液和生物体的缓冲体系

水是一种有微弱电离倾向的中性分子，其电离可表示为：

溶液中实际上不存在自由的质子（H+），质子与一个水分子结合形成水合氢离子H3O+，还可以与水分子簇结合生成、等形态。简便起见，我们通常用H+来表示这些离子。

根据Bronsted-Lowry的酸碱定义：酸是能够提供质子的物质，而碱是能够接受质子的物质。在水溶液中，弱酸HA的解离可写为：

则此弱酸的解离常数为

移项可得溶液中H+的浓度

上式两边取负对数

用pH代替-lg[H+]，pKa代替-lgKa，则上式可写成

此式为Henderson-Hasselbalch方程。当酸（HA）与其共轭碱（A-）的物质的量浓度相等时，溶液的pH值在数值上等于该酸的pKa。表1.6列出了一些常见的酸及其解离常数（Ka）值。

缓冲溶液是一种特殊的溶液体系，由弱酸及其共轭碱组成，加入少量的酸（H+）或碱（OH-），溶液pH变化很小。为更好地理解这一点，可以观察强碱滴定弱酸时溶液的pH随OH-加入的变化情况。图1.5显示的是乙酸、磷酸和氨缓冲液的滴定曲线。可以看到，图1.5中曲线的形状类同，沿pH轴在垂直方向上移动；每条曲线中点处的pH在数值上等于该酸的pKa，此时[HA]=[A-]；每条曲线靠近中点的区域较平坦，斜率远低于两翼处的斜率。这表明，当[HA]≈[A-]时，溶液的pH对加入的强酸和强碱均不敏感。这样的溶液就称为酸-碱缓冲液（buffer），这一区域（pKa±1）就是缓冲液的缓冲区。

维持一个相对稳定的pH对于生命系统至关重要。生物体内发生的生物化学过程几乎都与pH变化有关，生物体系pH的微小变化将影响许多生物化学反应的速率和方向。生物体液，无论是细胞内液，还是细胞外液，都具有高度缓冲性。例如，健康个体的血液被严格控制在pH7.4。因为磷酸根和碳酸根离子的pKa处于这一范围内，所以它们成为大多数生物体液的重要缓冲剂。另外，蛋白质、核酸和脂类等生物分子以及大量的有机小分子含有多个酸-碱基团，在生理pH范围内是有效的缓冲成分，所以生物体能够在恒定的pH条件下进行各种代谢或其他的生理活动。