如何从生化角度描述水在生命体中的作用

如何从生化角度描述水在生命体中的作用
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如何从生化角度描述水在生命体中的作用
生命与水

中国科学院生物物理研究所 章正廉
“人可三日无餐,不可一日无水”.这个说法虽然不够精确,但却反映了水在生命中是十分重要的.人类通过自己的长期实践对此早已有了认识.早在公元前600年,古希腊哲学家米列斯基就提出了水是“万物之始”的科学论断.中国古代的五行说也把水看作是构成万物的一大元素.在漫长的历史长河中,人们对生命中水的认识不断深化,到20世纪70年代,著名美国生物物理学家圣乔治进而把水称颂为“生命的中心,生命的母亲,生命的模板”.就其含义来说,朴素唯物论者米列斯基对水的理解,与2000多年以后圣乔治依据大量科学实验事实所做的结论有着天渊之别,但这却说明水和生命水关系的探索在科学发展上占有何等重要的地位.今天,随着生命科学的发展,人们对于生命与水的认识又进入了一个新的阶段.
新课题的提出
水是生命之源.数十亿年以前,最简单的生命就产生于海洋.水、有机分子、无机离子是组成原始生命的三大要素.正是由于生物学会了把海水携带到自己的身边,生命才有可能走出海洋,在陆地上繁衍.人的体液具有与原始海洋十分近似的离子组分,这一事实就是有力的证明.
人所共知,每一个生物体均含有大量水分.某些海洋无脊椎动物水含量多达总体重的97%；人体水含量为65～70%；即使含水很少的植物细菌孢子,其水含量也不低于25%.占有如此重要份额的水,在生命体中具有多种重要的功能.
水的高比热、高气化热及其在体内大量的存在,使得水成为机体维持恒定温度的调节剂.仅举一例就足以说明这一点.一个60 kg的成年人,每天通过呼吸及皮肤蒸发大约失去1 000 mL水,以这种方式可以散去539 kcal的热量.如果不是水有如此巨大的蒸发热,这样大的热量要保持在体内,将会使体温上升9 ℃,其后果是不堪设想的.
在正常的体温下,水以体液的形式在机体内流动循环,把养料和废物分别运输到一定的部位.它在浩繁的生命活动中完成运载工具的重要功能.
水又是一个优良的极性溶剂,它为生命提供了一个合适的介质环境.溶液中pH(酸碱度)的大小和离子环境,决定着在溶液中所进行的各种物理、化学反应的方向和强度.水不仅作为介质,而且还是一些重要反应的直接参与者.在植物的光合作用、蛋白质的水解反应中,水是反应物；在氧化、聚合、葡萄糖酵解反应中,水又是生成物.
此外,水在机体内还具有润滑剂的功能.水是维持细胞内外渗透压的重要因素,在保证细胞正常代谢,乃至细胞或整个器官的外形方面,均起着重要作用.
水在生命活动中的上述重要功能早已被经典生理学、生物化学和医学的实践所证实.近年来,现代生物学、特别是分子生物学的蓬勃发展,以及广泛的医学实践,使生命水的研究获得了新的动力.20世纪70年代以来,应用X光衍射法观察到许多蛋白质晶体中均含有水分子,每个晶体分子中水分子达数百个之多,其中一部分是定域的,另一部分是游动的.因此就产生了这样的问题：在蛋白质的结构与功能中水起何种作用?是可有可无呢?还是不可缺少的?早在1957年人们就已发现,当脱氧核糖核酸(DNA)分子中含水量低于30%时,其双股螺旋结构即行解体.同时还有人发现,20%的水是维持细胞膜的双轨结构所必须的.一系列新的实验还证明,细胞内有一部分水是不冻结的,具有不同于普通水的性质.这些有趣的现象使人们想到,在生物体系内可能有一部分处于特殊状态的水,它在生命过程中有着特殊的作用.因此,生物体系内水的物理状态及其作用的研究,便成为很多科学家涉猎的课题之一.他们试图从亚分子、分子及细胞水平上阐明在生命活动中以及在某些病理条件下,水的状态的改变及其重要作用.
基于对水的物化参数的测量而发展起来的多种实验技术,给水这一领域的研究提供了有力的武器.在经典的物化方法中,吸附等温线、量热、渗透压及溶剂性质的测量等技术,成功地应用于生命水的研究；红外光谱、萤光探剂、顺磁探针、核磁共振、X光衍射、介电常数测量等近代技术的发展,对于探明生命体系中水的微观结构做出了更为重要的贡献.人们对生命体系中水的认识,不断取得新的进展.
生命水的状态
水分子是一个具有特殊性质的化合物,由于其中氢、氧原子周围的电子空间分布的不对称性,使得它成为一个两端带有异性电荷的强偶极子(图1).一个水分子中的氢原子具有贡献出自已的电子与另一个水分子上电负性很强的氧原子结合而形成氢键的能力.一个水分子可以键合另外4个水分子.因此,在液体状态下的水分子,常常不是以单个分子的形式存在,而是形成二聚体、三聚体或四面体.氢键是一种弱键,它的能量约为1.7～7 kcal／mol与水的热涨落能(5kcal／mol)相近.因此,当温度和环境稍有改变时,氢键很容易形成,也很容易断裂,稳定在某一状态下的寿命极短.结构的易变性给水的研究带来了很大的困难,这就是为什么到现在还没有一个令人满意的描述水结构的动力学模型的原因.1963年前后,弗朗克等人提出的液体闪烁双结构模型被确认为是较合理的理论.他们把生物系统中的水看成是有序的类冰结构与单体水分子、双聚体水分子的混合体,各种结构所占的比例由温度和环境而定.在生物体系内这种易变的水结构,在蛋白质等细胞组分的影响下,会有什么变化呢?这种变化有没有生物学意义呢?这是许多科学工作者十分感兴趣的问题.
谈到细胞内水的状态就不能不涉及细胞原生质的结构这一细胞学的根本问题.早在19世纪末范特荷夫、阿累尼乌斯等,就奠定了稀溶液的理论基础；生物学家德沃雷斯、裴弗尔、伯恩施坦等,将其成功地应用于生物学,解释了生物电现象.自此稀溶液理论就成为生物物理研究的指导思想.而细胞则被看成是由半透膜环绕着的各生化组分的稀溶液.与此同时,还有一批学者持不同的观点,他们认为细胞原生质不能等同于溶液,而把细胞原生质看作是物理、化学性质不同且各相异性的多相体系.在原生质结构问题上的两大学派必然导致对细胞内溶质的传输、积累以及细胞水的状态的不同认识.一种认为,细胞溶质对水的影响很小,细胞内水的性质与普通水相比没有区别；另一种认为,细胞内水均处于有序状态.然而,目前更多的科学工作者持中间观点,认为此两种状态共存于生物体系中.目前,这种折衷的观点已被大量实验所证实.
蛋白质、类脂、糖类是细胞内主要生化成分,其结构非常复杂.它们与水之间有着多种相互作用：表面荷电基团以离子键与水分子相互作用,形成离子型水合层；亲水极性基团以氢键与水分子相互作用,形成极性水合层；非极性基团与水之间相互作用,在其周围形成疏水水合层.这种相互作用强弱程度不同,从而导致不同状态水的存在.综合各种实验结果,可以把它们分为紧密结合水、结合水、容积水三类.紧密结合水存在于生物大分子空间结构的孔隙中,它们是大分子不可分割的一部分,这部分水量不大.结合水指在大分子周围形成的水合层,与大分子有较强的相互作用,它们有选择地排列在相应基团上,具有不同于普通水的物化性质.容积水则指除上述两种以外的其余水,它们与普通水没有区别.上述分类方法带有相当的人为性质.实际上,生命中水的状态是一个连续相,中间没有严格的边界,它们之间进行着迅速的交换,而实验所得到的只是一个平均结果.尽管如此,生物体系内确实存在着一部分不同于普通水的结合水,这部分结合水对生命活动具有重要意义.
结合水的作用
大家知道,生物大分子具有一定的空间构象,它们的许多功能都与构象的相互转化有关.结合水是稳定大分子结构的必要因素.现已证明,脱氧核糖核酸的双股螺旋,胶原蛋白的三股螺旋,胰岛素、红氧还素等蛋白质晶体结构的形成,蛋白质分子A向B折叠的转化,类脂双分子膜的稳定等等,无一不和结合水的存在有关.
在生物体系中,质子的传递对能量的转换起着十分重要的作用.而结合水所形成的有序水的网络,为这种质子传递提供了必要的结构基础.
钠离子和钾离子的主动转移是重要的生命现象.主动转移是指细胞内外的离子或溶质的一种抗电化学梯度的反常运动,通常用“膜泵”理论给以解释.近年来,也有人从细胞内有序结构水对离子的排斥作用来讨论这一问题,并为实验所证实.
结合水对某些生物体系的代谢具有决定性的影响.美国科学家克列格最近完成了一个很有说服力的实验.他在一种小海虾上发现,随着水合程度的不同,可出现无代谢、限制性代谢、正常代谢三个阶段,并证明了不同的代谢状态与结合水密切相关.
结合水在肌肉收缩中的作用是圣乔治在1972年提出的.他认为肌肉收缩是收缩蛋白(肌球蛋白)周围水结构的形成与破坏的过程.其后不少实验都证实,在肌肉收缩过程中,水的状态确实发生着变化.
老年医学与癌症是目前医学界最为关心的问题.人们对水状态的研究也对此做出了有益的贡献.70年代初报道,一些肿癌组织中结合水量减少,水状态与正常组织不同.显然这方面的研究不但与探讨肿瘤发生的机理有关,而且对其早期诊断亦可提供有意义的信息.老年医学中关于衰老机制有着多种不同的解释.蛋白质分子交叉结合产生冰结区,从而抑制代谢的观点,就是其中的一种.它与细胞内水的状态不无联系.而衰老过程中组织可塑性的衰减可能与蛋白质大分子结合水的能力有关.
低温生物学的研究有着重要的理论和实际意义.在深低温条件下,细胞内结合水状态的改变,对生物活性的恢复能力有着直接的影响.
从以上的叙述不难看出,生物体系中结合水对于生命活动是十分重要的.它不但对于阐明生命本质具有理论价值,而且可能对医学实践有所贡献.此外,其研究成果还有可能广泛应用于食品加工、纺织、制革、冷冻、包藏等工业生产中.可以预料,人们对于生命体系内水所进行的深入研究,必将结出丰硕的果实
http://www.pep.com.cn/200406/ca488231.htm
水在细胞中的重要作用：水是细胞结构的重要组成成分,是细胞内的良好溶剂,许多种物质溶解在水中,细胞内的许多化学反应也都需要有水的参与,多细胞生物体的绝大多数细胞必须浸润在以水为基础的液体环境中.水在生物体内的流动,可以把营养物质运送到各个细胞,同时,也把各个细胞在代谢中产生的废物,运送到排泄器官或者直接排出体外.总之,各种生物体的一切生命活动,都离不开水.
http://www.pep.com.cn/200410/ca528718.htm