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马雪梅教授谈氢气生物学机理(1):生命中的氢元素

引言:“氢璞”首篇文章得到很多领导、专家和朋友的鼓励,并提了很多好的建议,深感工作的意义和责任,也深感压力,唯有更加努力才不辜负大家的支持。
 

第一个专题定为“氢气生物学机理”,几日来一直在思考如何组织专题的架构?氢气生物学机制的完全解析必然依靠多学科共同的努力,需要更多青年才俊的加入,包括正在这一领域探索的研究生的热爱,也需要知识界、产业界等各层面的支持。因而决定从理解氢气在生命系统中地位的相关基础知识入手,慢慢理清我们目前对于氢气生物学机理的认识,理解已经解决了哪些问题?未来还有哪些问题需要探讨?......

 

马雪梅教授谈氢气生物学机理(1):生命中的氢元素
 

氢元素(H,Hydrogenium)排在化学元素周期表的第一位,是最轻的元素,也是宇宙中含量最多的元素,约占宇宙质量的75%。宇宙中90%、人体中63%的元素都是氢。地球早期的二氧化碳浓度很高,但同时也含有大量的氢气,高达40%,在这样的高氢、高二氧化碳环境中,加大了有机化合物生长和碳基生命产生的可能性。
 

活的生命体干重的大部分为有机化合物,是由富含碳、氢、氧、氮、磷的化合物所组成。在超过90种天然存在的化学元素中大约只有30种是生命体所必须的。生命体中大部分元素的原子序数较低,仅有五种原子的序数在34号元素硒之后。按元素含量的百分数计算,生命体中最丰富的4种元素是氢、氧、氮、碳,共占了大多数细胞质量的99%以上。生命有机体是围绕着碳组织起来的,即碳骨架和其他碳、氢、氧、氮等元素结合而成的分子。碳原子可以和氢原子形成单键,也可以与氧和氮原子形成单键和双键,能以共用电子对的的形式形成非常稳定的碳碳单键,两个碳原子也可以共用2(或3)个电子对,从而形成双(或三)键。
 

马雪梅教授谈氢气生物学机理(1):生命中的氢元素
 

生命分子在三维空间上有独特的构象和构型,水分子的引力以及微弱的电离倾向对于生物大分子的结构和功能至关重要。细胞内大分子,特别是蛋白质和核酸的许多物理性质和生物活性都是通过与其所处环境中的水分子相互作用而表现的。在生命的进化中,水起到了深远而决定性的作用。
 

水溶液中的大分子内及大分子间存在4种弱相互作用力: 离子键、疏水作用、范德华力和氢键。虽然它们单独存在时作用力非常弱,但大量这些弱作用有机结合起来却对生物大分子如蛋白质、核酸、多糖和膜脂的三维结构有巨大的影响,有效地维持了蛋白质、核酸和膜的稳定。弱相互作用力(非共价键)还在酶的催化、抗原抗体识别以及受体与配体结合中发挥重要作用。
 

氢键赐予水分子独特的性质。水是有机体中含量最丰富的组分,多数生命体含有70%以上的水分。水的熔点、沸点以及汽化热高于多数常见溶剂,该特性是由于相邻水分子间的的氢键作用使得水分子间存在强烈的引力造成的, 它使液态水中产生巨大的内聚力。这是理解生命系统运行逻辑的重要一环。
 

液态水颇具短程秩序,由半衰期都很短的氢键簇组成。水分子中的每个氢原子与氧原子共享一对电子。水分子的空间结构可以通过氧原子的外层电子轨道来表示,它是一个不规则的四面体结构,其中两角各有一个氢原子,另外两角各为一孤对电子对。由于氧的电负性更强,氧原子核对电子吸引力比氢核(一个质子)大,结果导致氢原子和氧原子间的共享电子对分布不均,这对电子出现在氧原子附近的概率高于氢原子附近。这种分布不均造成了水分子中沿两条 H—O 键方向形成两个电偶极, 其中氧原子带有部分负电荷(2δ-),每个氢原子带有部分正电荷(δ+),因此,水分子中的氧原子和相邻水分子中的氢原子之间存在静电作用力,即氢键(hydrogen bond)。氢键较共价键长且弱,液态水的键能约为20kJ/mol。在室温下,水溶液的热能与断裂氢键的键能为同一数量级,单个氢键的寿命只有1×10-9 s,处于不断的形成与破坏中,大部分子都处于动态氢键网络中,但分子间所有氢键的集合使水溶液内存在巨大的凝聚力。
 

马雪梅教授谈氢气生物学机理(1):生命中的氢元素
 

氢键不仅仅存在于水分子之间。在一个强电负性原子(氢受体,通常是有一对孤对电子的氧或氮)与另一个结合在强电负性原子上的氢原子(氢供体)之间容易形成氢键,与碳原子(非电负性)共价相连的质子不能形成氢键。
 

马雪梅教授谈氢气生物学机理(1):生命中的氢元素
 

水的极性性质和氢键性质使其成为许多带电和极性物质的有效溶剂,而非极性物质,包括CO2,O2及N2等气体均难溶于水。生物体衍生出水溶性的载体蛋白(如血红蛋白、肌红蛋白)运载O2,而CO2则在液相中形成碳酸(H2CO3)并以碳酸根离子(HCO3-)的方式运输。
 

但是,生物体系特别是很多的生物大分子含有大量的非极性基团,如非极性氨基酸的侧链、脂肪链等,为了减少暴露在水中的非极性表面积,任何两个在水中的非极性表面积将倾向于结合在一起,疏水作用成为促使非极性区相互聚集的力量。许多生物分子是两性的。蛋白质、色素、某些维生素以及膜上的固醇和磷脂均含有极性和非极性表面区。这些分子内非极性区的疏水作用稳定其结构。脂质分子之间以及脂分子与蛋白质之间的疏水作用是决定生物膜结构的最重要因素。同样,非极性氨基酸间的疏水作用也稳定了蛋白质的三维折叠构象。例如,水溶液中具有极性头部和非极性脂肪链的两性磷脂形成生物体膜系统,完美地充当了生物体与外界的隔离并交换信息的屏障,并且是高等生物细胞内部区隔化功能分区的建造者。
 

马雪梅教授谈氢气生物学机理(1):生命中的氢元素
 

氢气作为一种非极性的分子,在水中的溶解度很低,关于氢气在水溶液中的存在方式有不同的观点,如氢分子、氢离子、负氢离子、氢原子等等。2010年Belpassi L 等在JACS发表研究认为,水和氢气的相互作用伴随着电荷转移(Charge Transfer,CT),CT有很强的立体选择性、各向异性现象,水在不同的方向上既可以充当电子供体也可以充当电子受体。在生物体系中氢气对水的性质会产生怎样的影响还需要进一步研究。
 

马雪梅教授谈氢气生物学机理(1):生命中的氢元素
 

氢气被生物体利用,最终还是以溶解在水中的方式,氢水是氢气先溶解在水中被吸收利用,吸氢气也是氢气要溶解在体液中再被利用。理解了水在生物体的重要地位后,生物体系中氢气对水的弱相互作用特别是氢键系统、对生物大分子的结构是否有扰动,氢气是否能进入生物大分子内部,这些问题的重要性就体现出来了,但是现在氢气在此方面的作用尚不明确。我们在氢气与生物酶的研究中发现氢气可以提高多种酶的活性,初步表明存在氢气影响生物体系弱相互作用的可能性。
 

参考文献

1. Nelson D L , Cox M M . Lehninger Principles of Biochemistry[M]. W.H. Freeman, 2013.

2. Belpassi L , Reca M L , Tarantelli F , et al. Charge-Transfer Energy in the WaterHydrogen Molecular Aggregate Revealed by Molecular-Beam Scattering Experiments, Charge Displacement Analysis, and ab Initio Calculations[J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(37):13046-13058.
 

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