生物用水

编辑:知识号互动百科 时间:2018-10-21 06:15:59
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生物用水(biowater)是指在各种生命体系中存在的不同状态的水。水、无机离子有机分子是构成原始生命的三大要素。生物都是含水系统。只有在含水的情况下,才有生命活动。生物水在生命的繁衍中有着多种重要作用。水的高比热、高汽化热使其成为有机体的温度调节剂。正常生理条件下,体液在机体内流动、循环,把养料和废物分别运送到一定的部位,在浩繁的生命活动中完成运载工具的重要功能。水又是一个优良的溶剂,它为生命提供了一个合适的介质环境,其中的pH值、离子种类和离子强度决定着各种物理化学及生物化学过程和反应速度。水还是光合作用、葡萄糖酵解等多种重要反应的直接参加者。此外,水在润滑关节、维持细胞内外渗透压、保持细胞、器官乃至整个有机体的外形方面均起着重要作用。20世纪70年代以来,由于分子生物学的发展,对生物水的研究集中在下列三方面:①生物体系内电解质、各种生物分子、生物大分子及细胞精细结构对水的物化性质及结构状态的影响;②蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的水合过程,它们的三维立体结构中水分子的定位以及水分子对大分子构象的影响,水在膜结构中的定位和作用等;③研究水在酶的激活、代谢、繁殖、生长和膜功能活动等生命现象中的作用,正常及病理条件下,有机体中水状态的变化。
中文名
生物用水
外文名
medicinal water

生物用水概述

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生物用水(biowater)是指在各种生命体系中存在的不同状态的水。水、无机离子、有机分子是构成原始生命的三大要素。生物都是含水系统。只有在含水的情况下,才有生命活动。生物水在生命的繁衍中有着多种重要作用。水的高比热、高汽化热使其成为有机体的温度调节剂。正常生理条件下,体液在机体内流动、循环,把养料和废物分别运送到一定的部位,在浩繁的生命活动中完成运载工具的重要功能。水又是一个优良的溶剂,它为生命提供了一个合适的介质环境,其中的pH值、离子种类和离子强度决定着各种物理化学及生物化学过程和反应速度。水还是光合作用、葡萄糖酵解等多种重要反应的直接参加者。此外,水在润滑关节、维持细胞内外渗透压、保持细胞、器官乃至整个有机体的外形方面均起着重要作用。20世纪70年代以来,由于分子生物学的发展,对生物水的研究集中在下列三方面:①生物体系内电解质、各种生物分子、生物大分子及细胞精细结构对水的物化性质及结构状态的影响;②蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的水合过程,它们的三维立体结构中水分子的定位以及水分子对大分子构象的影响,水在膜结构中的定位和作用等;③研究水在酶的激活、代谢、繁殖、生长和膜功能活动等生命现象中的作用,正常及病理条件下,有机体中水状态的变化。

生物用水研究方法

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1、热力学方法:冰点、相变焓、比热、蒸汽压、渗透压、吸附等温线及溶剂性质等。
  2、流体动力学方法:粘度、沉降系数、扩散系数等。
  3、光谱及波谱方法:红外光谱、拉曼光谱、圆二色谱、顺磁探针、荧光探针、核磁共振、介电弛豫(介电常数,介电损耗)等。
  4、衍射及散射方法:X射线衍射、中子衍射、光散射、非弹性中子散射等。
  此外,计算机模型模拟也已进入这一研究领域。这些具有不同时间分辨本领的实验手段,提供了不同水平上体系的静态与动态信息;综合这些研究结果,使人们对于生命现象中水的重要作用的认识深入到分子水平。

生物用水水的一般理化性质

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水分子中氢、氧原子电子云分布的不均匀性,使其成为一个偶极矩为1.84德拜(debye)的强偶极子。水分子的孤电子对进入相邻水分子质子的s轨道,发生电荷的共用及再分配。这样,在电子给体与电子受体之间就形成了“氢键”。一个水分子可以有4个氢键,与4个水分子键结合,形成四面体。水分子亦可进入四面体中,形成配位数大于4的水结构。首尾相连的水分子还可以形成瞬时链及环状结构。水分子处于永恒的运动中。氢键属弱键,在外界环境及自身热涨落运动的影响下很容易断裂与重建。这就造成了水结构的复杂性。正是水结构的易变性及氢键网络把水分子聚集在一起的集团作用,赋予水一系列对生命具有重要意义的特性。

生物用水影响生物水结构和性质的因素

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1、无机离子:生命体系中大量存在的无机离子的静电荷,使水分子围绕其周围径向排列,形成有序的离子水化层。有序度随距离增大而减弱,小的离子则可能嵌入水结构晶格的孔隙中。
  不同种类的离子对水结构的影响不同。“结构温度”——与25℃下该离子溶液中水的结构程度相同的纯水的温度——用来描述这种区别。降低结构温度(使水的结构性增强)的离子顺序为:Mg>H>Ca>Na,OH>F;提高结构温度(使水的结构性减弱)的离子顺序为:K>Rb>Cs,ClO>I>Br>NO3>Cl。显然,仅仅用离子的电荷密度还难以解释上述现象,尚无完美答案。
  2、大分子:生物大分子结构极为复杂,它们对水的作用多种多样。荷电基团的静电场使水排列有序,形成离子型水合。极性基团与水产生氢键或发生偶极相互作用,形成极性水合层。非极性基团的聚集,使其周围形成疏水水合层,紧密缠绕在一起的分子链间的微小空间中,嵌入水分子,形成毛细管水。这些复杂的作用,导致不同状态水的存在。“结合水”是指在大分子影响下结构有序性较强且性质异常的水。这些特异性表现在多方面:冰点、熔融焓降低,沸点、蒸发热升高,转动、平动速度减慢,振动谱频率位移等。尽管人们试图对“结合水”赋予确切的能量或时空含义,但它还只是一个便于使用的工作定义。通常根据与大分子相互作用强弱的不同,分为三类水:①紧密结合水(或称非转动结合水),与大分子作用最强,为其不可分割的一部分;②结合水,与大分子有较强的相互作用,有选择地排列在相应的基团上;③游离水(或称自由水),大分子的作用力未及于此,其性质与正常水无区别。结合水还可进而分为原初结合水、二次结合水等。实际上,生命体系中水的状态是多相连续的,中间不存在严格的边界,各类水分子之间进行着快速的交换。
  3、细胞结构:细胞内的水具有与大分子溶液中相类似的表现,而且更为复杂。除各组分的作用外,细胞这一多组分非均相体系中众多的相界面,使表面作用影响更为突出。此外,细胞精细结构的分区阻挡效应,使细胞内水的转动、平动、扩散都受到阻碍。通常,转动相关时间τ0比正常水要慢几个数量级。用核磁共振等多种方法测得各种组织中水的自扩散系数D,仅为正常水中的1/2或更低。

生物用水功能

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生 物体系内部分水的异常状态具有重要作用。X射线晶体衍射所使用的蛋白质、核酸等大分子单晶,含有25~50%,甚至更多的水分。有些水分子是定位有序的,没有它们的存在就无所谓大分子晶体,也无从取得任何有关其空间结构的信息。胶原蛋白单螺旋之间的水桥是维持三股螺旋结构的必要条件。球状蛋白的热稳定性,变性熔与其含水量密切相关。而一定水含量,也是形成脂膜双层结构所必需的。水的存在对维持生物大分子及膜的三维空间结构的稳定是绝对必要的。大分子的构象运动、构象转变与完成其功能密切相关。氢-氘及氢-氚交换的动力学研究证明:许多蛋白质分子的构象动态变化与水分子的介入程度有关。某些蛋白质的二级、三级结构还因水含量不同而异。每一个残基增减一个或几个键合水分子数的微小变化会引起聚赖氨酸及聚谷氨酸等同族多肽的构象发生α→β→γ间的转变。核酸双股螺旋的形成,必须有水分子的参与。易破坏空间结构的磷酸根间的静电斥力,为水分子的高介电常数及水合反离子所减弱;而碱基对的有序结构的形成,部分是由于疏水作用的结果。水含量的改变引起DNA多种构象A、B、C间转变的事实,说明水有决定核酸构象的重要作用。如图为两种不同构象的DNA中水分子的空间位置。高含水量下,在 B-DNA中,水分子集中在浅沟 A/T间,形成水脊。而在低含水量下形成的A-DNA中,水分子在深沟部分形成一条水丝,把磷酸根连结在一起。水含量的增减,可以使B和A两种形式间发生可逆的转变。
  结合水在生物大分子完成其功能中亦具有重要作用。完全干燥的溶菌酶是不具有酶的活力,但含水量达到0.2克每克蛋白质即相当于溶菌酶的结合水量时,其活力方始出现。菌紫质光化学反应中间产物M的产生和消失的动力学受其含水量的影响。有机体整体水平的代谢亦受制于其含结合水量。盐水虾卵的代谢实验表明,依其含水量的多寡,可分为无代谢、限制性代谢及正常代谢3个阶段。此外细胞分裂过程中染色质构象的改变、细胞骨架的组织与聚合、肌肉收缩、神经传导等生理过程,均伴随着水状态的改变。生物体内水状态与其功能的密切关系,还表现在病理条件下所观察到的现象。如癌组织中自由水含量相对增大,结合水含量相对减少,水的质子具有较长的弛豫时间。肌肉营养不良及萎缩、僵化过程伴随着水的运动自由度的增大,一旦细胞死亡,结合水就分离出来。

生物用水展望

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由于水的易变、生物体系的复杂,加之现阶段实验技术的局限,常常出现互相矛盾的实验结果和观点,因此,对于水的结构模型、结合水的分类、细胞内水的束缚程度及其作用等的认识存在着不同的假说与争论。人类对生物水的认识还远未完成,对大分子晶体中水的状态及其在结构稳定性、分子运动性中作用的深入研究,酶底物反应中,活性中心周围水分子的作用的阐明,必将对分子生物学的发展做出贡献。对细胞内水的束缚状态进一步了解,很可能会改变把细胞看作是稀溶液的传统观点,这将可能引起与细胞生物学有关的重大理论变革。另一方面,生物水特性的研究成果还将广泛应用于植物的防寒、抗冻、食品加工、食物保藏、纺织、制革等工农业生产中。在医学上,它与细胞、组织、器官的冷冻保藏及核磁共振成象诊断技术的发展有密切的联系。