生物用水

生物用水（biowater）是指在各種生命體系中存在的不同狀態的水。水、無機離子、有機分子是構成原始生命的三大要素。生物都是含水系統。只有在含水的情況下，才有生命活動。生物水在生命的繁衍中有著多種重要作用。水的高比熱、高汽化熱使其成為有機體的溫度調節劑。正常生理條件下，體液在機體內流動、循環，把養料和廢物分別運送到一定的部位，在浩繁的生命活動中完成運載工具的重要功能。水又是一個優良的溶劑，它為生命提供了一個合適的介質環境，其中的pH值、離子種類和離子強度決定著各種物理化學及生物化學過程和反應速度。水還是光合作用、葡萄糖酵解等多種重要反應的直接參加者。此外，水在潤滑關節、維持細胞內外滲透壓、保持細胞、器官乃至整個有機體的外形方面均起著重要作用。20世紀70年代以來，由於分子生物學的發展，對生物水的研究集中在下列三方面：①生物體系內電解質、各種生物分子、生物大分子及細胞精細結構對水的物化性質及結構狀態的影響；②蛋白質、核酸、多糖等生物大分子的水合過程，它們的三維立體結構中水分子的定位以及水分子對大分子構象的影響，水在膜結構中的定位和作用等；③研究水在酶的激活、代謝、繁殖、生長和膜功能活動等生命現象中的作用，正常及病理條件下，有機體中水狀態的變化。

基本介紹

• 中文名：生物用水
• 外文名：medicinal water

概述

生物用水（biowater）是指在各種生命體系中存在的不同狀態的水。水、無機離子、有機分子是構成原始生命的三大要素。生物都是含水系統。只有在含水的情況下，才有生命活動。生物水在生命的繁衍中有著多種重要作用。水的高比熱、高汽化熱使其成為有機體的溫度調節劑。正常生理條件下，體液在機體內流動、循環，把養料和廢物分別運送到一定的部位，在浩繁的生命活動中完成運載工具的重要功能。水又是一個優良的溶劑，它為生命提供了一個合適的介質環境，其中的pH值、離子種類和離子強度決定著各種物理化學及生物化學過程和反應速度。水還是光合作用、葡萄糖酵解等多種重要反應的直接參加者。此外，水在潤滑關節、維持細胞內外滲透壓、保持細胞、器官乃至整個有機體的外形方面均起著重要作用。20世紀70年代以來，由於分子生物學的發展，對生物水的研究集中在下列三方面：①生物體系內電解質、各種生物分子、生物大分子及細胞精細結構對水的物化性質及結構狀態的影響；②蛋白質、核酸、多糖等生物大分子的水合過程，它們的三維立體結構中水分子的定位以及水分子對大分子構象的影響，水在膜結構中的定位和作用等；③研究水在酶的激活、代謝、繁殖、生長和膜功能活動等生命現象中的作用，正常及病理條件下，有機體中水狀態的變化。

研究方法

1、熱力學方法：冰點、相變焓、比熱、蒸汽壓、滲透壓、吸附等溫線及溶劑性質等。
2、流體動力學方法：粘度、沉降係數、擴散係數等。
3、光譜及波譜方法：紅外光譜、拉曼光譜、圓二色譜、順磁探針、螢光探針、核磁共振、介電弛豫（介電常數，介電損耗）等。
4、衍射及散射方法：X射線衍射、中子衍射、光散射、非彈性中子散射等。
此外，計算機模型模擬也已進入這一研究領域。這些具有不同時間分辨本領的實驗手段，提供了不同水平上體系的靜態與動態信息；綜合這些研究結果，使人們對於生命現象中水的重要作用的認識深入到分子水平。

水的一般理化性質

水分子中氫、氧原子電子云分布的不均勻性，使其成為一個偶極矩為1.84德拜（debye）的強偶極子。水分子的孤電子對進入相鄰水分子質子的s軌道，發生電荷的共用及再分配。這樣，在電子給體與電子受體之間就形成了“氫鍵”。一個水分子可以有4個氫鍵，與4個水分子鍵結合，形成四面體。水分子亦可進入四面體中，形成配位數大於4的水結構。首尾相連的水分子還可以形成瞬時鏈及環狀結構。水分子處於永恆的運動中。氫鍵屬弱鍵，在外界環境及自身熱漲落運動的影響下很容易斷裂與重建。這就造成了水結構的複雜性。正是水結構的易變性及氫鍵網路把水分子聚集在一起的集團作用，賦予水一系列對生命具有重要意義的特性。

影響生物水結構和性質的因素

1、無機離子：生命體系中大量存在的無機離子的靜電荷，使水分子圍繞其周圍徑向排列，形成有序的離子水化層。有序度隨距離增大而減弱，小的離子則可能嵌入水結構晶格的孔隙中。
不同種類的離子對水結構的影響不同。“結構溫度”——與25℃下該離子溶液中水的結構程度相同的純水的溫度——用來描述這種區別。降低結構溫度（使水的結構性增強）的離子順序為：Mg>H>Ca>Na，OH>F；提高結構溫度（使水的結構性減弱）的離子順序為：K>Rb>Cs，ClO>I>Br>NO3>Cl。顯然，僅僅用離子的電荷密度還難以解釋上述現象，尚無完美答案。
2、大分子：生物大分子結構極為複雜，它們對水的作用多種多樣。荷電基團的靜電場使水排列有序，形成離子型水合。極性基團與水產生氫鍵或發生偶極相互作用，形成極性水合層。非極性基團的聚集，使其周圍形成疏水水合層，緊密纏繞在一起的分子鏈間的微小空間中，嵌入水分子，形成毛細管水。這些複雜的作用，導致不同狀態水的存在。“結合水”是指在大分子影響下結構有序性較強且性質異常的水。這些特異性表現在多方面：冰點、熔融焓降低，沸點、蒸發熱升高，轉動、平動速度減慢，振動譜頻率位移等。儘管人們試圖對“結合水”賦予確切的能量或時空含義，但它還只是一個便於使用的工作定義。通常根據與大分子相互作用強弱的不同，分為三類水：①緊密結合水（或稱非轉動結合水），與大分子作用最強，為其不可分割的一部分；②結合水，與大分子有較強的相互作用，有選擇地排列在相應的基團上；③游離水（或稱自由水），大分子的作用力未及於此，其性質與正常水無區別。結合水還可進而分為原初結合水、二次結合水等。實際上，生命體系中水的狀態是多相連續的，中間不存在嚴格的邊界，各類水分子之間進行著快速的交換。
3、細胞結構：細胞內的水具有與大分子溶液中相類似的表現，而且更為複雜。除各組分的作用外，細胞這一多組分非均相體系中眾多的相界面，使表面作用影響更為突出。此外，細胞精細結構的分區阻擋效應，使細胞內水的轉動、平動、擴散都受到阻礙。通常，轉動相關時間τ0比正常水要慢幾個數量級。用核磁共振等多種方法測得各種組織中水的自擴散係數D，僅為正常水中的1/2或更低。

功能

生 物體系內部分水的異常狀態具有重要作用。X射線晶體衍射所使用的蛋白質、核酸等大分子單晶，含有25～50%，甚至更多的水分。有些水分子是定位有序的，沒有它們的存在就無所謂大分子晶體，也無從取得任何有關其空間結構的信息。膠原蛋白單螺旋之間的水橋是維持三股螺旋結構的必要條件。球狀蛋白的熱穩定性，變性熔與其含水量密切相關。而一定水含量，也是形成脂膜雙層結構所必需的。水的存在對維持生物大分子及膜的三維空間結構的穩定是絕對必要的。大分子的構象運動、構象轉變與完成其功能密切相關。氫-氘及氫-氚交換的動力學研究證明：許多蛋白質分子的構象動態變化與水分子的介入程度有關。某些蛋白質的二級、三級結構還因水含量不同而異。每一個殘基增減一個或幾個鍵合水分子數的微小變化會引起聚賴氨酸及聚谷氨酸等同族多肽的構象發生α→β→γ間的轉變。核酸雙股螺旋的形成，必須有水分子的參與。易破壞空間結構的磷酸根間的靜電斥力，為水分子的高介電常數及水合反離子所減弱；而鹼基對的有序結構的形成，部分是由於疏水作用的結果。水含量的改變引起DNA多種構象A、B、C間轉變的事實，說明水有決定核酸構象的重要作用。如圖為兩種不同構象的DNA中水分子的空間位置。高含水量下，在 B－DNA中，水分子集中在淺溝 A/T間，形成水脊。而在低含水量下形成的A－DNA中，水分子在深溝部分形成一條水絲，把磷酸根連結在一起。水含量的增減，可以使B和A兩種形式間發生可逆的轉變。
結合水在生物大分子完成其功能中亦具有重要作用。完全乾燥的溶菌酶是不具有酶的活力，但含水量達到0.2克每克蛋白質即相當於溶菌酶的結合水量時，其活力方始出現。菌紫質光化學反應中間產物M的產生和消失的動力學受其含水量的影響。有機體整體水平的代謝亦受制於其含結合水量。鹽水蝦卵的代謝實驗表明，依其含水量的多寡，可分為無代謝、限制性代謝及正常代謝3個階段。此外細胞分裂過程中染色質構象的改變、細胞骨架的組織與聚合、肌肉收縮、神經傳導等生理過程，均伴隨著水狀態的改變。生物體內水狀態與其功能的密切關係，還表現在病理條件下所觀察到的現象。如癌組織中自由水含量相對增大，結合水含量相對減少，水的質子具有較長的弛豫時間。肌肉營養不良及萎縮、僵化過程伴隨著水的運動自由度的增大，一旦細胞死亡，結合水就分離出來。

展望

由於水的易變、生物體系的複雜，加之現階段實驗技術的局限，常常出現互相矛盾的實驗結果和觀點，因此，對於水的結構模型、結合水的分類、細胞內水的束縛程度及其作用等的認識存在著不同的假說與爭論。人類對生物水的認識還遠未完成，對大分子晶體中水的狀態及其在結構穩定性、分子運動性中作用的深入研究，酶底物反應中，活性中心周圍水分子的作用的闡明，必將對分子生物學的發展做出貢獻。對細胞內水的束縛狀態進一步了解，很可能會改變把細胞看作是稀溶液的傳統觀點，這將可能引起與細胞生物學有關的重大理論變革。另一方面，生物水特性的研究成果還將廣泛套用於植物的防寒、抗凍、食品加工、食物保藏、紡織、製革等工農業生產中。在醫學上，它與細胞、組織、器官的冷凍保藏及核磁共振成象診斷技術的發展有密切的聯繫。