水團(tuán)簇穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

水團(tuán)簇穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

近年來，水簇結(jié)構(gòu)和功能的研究已成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。可以想象，深入研究可以為闡明物理和化學(xué)、長(zhǎng)壽等領(lǐng)域的性質(zhì)提供有益的工具。早期的理論研究多針對(duì)于單個(gè)水分子結(jié)構(gòu)及各類振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及隧道光譜的計(jì)算,而在通常狀況下,水是以分子簇的形式存在的。根據(jù)熱力學(xué)的計(jì)算,如果水是以單個(gè)分子存在,水的熔點(diǎn)應(yīng)為-110℃,沸點(diǎn)為-85℃;而實(shí)際上水的熔點(diǎn)為0℃,沸點(diǎn)100℃。根據(jù)物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)隨分子量增大而提高的性質(zhì),說明水在固、液態(tài)時(shí)并不是以單個(gè)分子存在,而是以水分子簇的形式存在。早在1977年,Dyke就利用紅外光譜測(cè)試驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)的二元水結(jié)構(gòu)。隨著光譜科學(xué)和微觀測(cè)試技術(shù)的發(fā)展以及分子軌道理論的介入,使水分子簇結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)入了量子時(shí)期,各種相關(guān)理論和計(jì)算方法相繼出現(xiàn)(如從頭計(jì)算法、蒙特卡羅模擬、密度函數(shù)理論DFT、Car-Parrinello分子動(dòng)力學(xué)模擬CPMD等),從而揭示了液態(tài)水分子簇存在的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定能量、力學(xué)機(jī)制等特點(diǎn)?；诿商乜_模擬上的極化-解離多體經(jīng)驗(yàn)勢(shì)能函數(shù)(PD-PEF)在計(jì)算(H2O)n(n=2～8)的小水分子簇的結(jié)構(gòu)特征和分子尺度過程中,將氫原子視為單一的裸露質(zhì)子,充分考慮到分子間及分子內(nèi)部作用力,適合于計(jì)算水分子簇的結(jié)構(gòu)特征參數(shù);在六水分子簇穩(wěn)定性的研究中,應(yīng)用從頭計(jì)算法的獨(dú)立分子模型通過平動(dòng)矢量和歐拉角將簇中每個(gè)分子的位置和取向逐一標(biāo)定,總結(jié)出六水分子簇的五種結(jié)構(gòu)形式,并通過計(jì)算氫鍵強(qiáng)度及自由能的大小,得出環(huán)狀六水分子簇具有最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的結(jié)論。各種理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究都證明:在自然條件下,水是以分子簇形式存在的,而且水的微觀結(jié)構(gòu)具有重要的生物功能。Pouliquen等在研究血清白蛋白和丙種球蛋白溶液時(shí)發(fā)現(xiàn),在不同溫度下與蛋白質(zhì)分子結(jié)合的水分子簇(結(jié)構(gòu)水)的分子數(shù)目發(fā)生變化時(shí),蛋白質(zhì)的物化性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。因此,許多科學(xué)家認(rèn)為:改變水分子簇的大小可以使水在生物體中的作用發(fā)生改變,例如,減少水分子簇中的分子個(gè)數(shù),可以增加水的生物膜透過率,增強(qiáng)生物體的新陳代謝功能,達(dá)到改善生物體機(jī)能的效果。1酸質(zhì)子轉(zhuǎn)移的氫鍵傳統(tǒng)水的微觀結(jié)構(gòu)的形成和改變與水分子的運(yùn)動(dòng)有密切的關(guān)系,液態(tài)水分子通過分子間的氫鍵形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu),而氫鍵是靠質(zhì)子轉(zhuǎn)移呈線性方式聯(lián)系,即:X—H…Y,其中X—H為質(zhì)子給予體,Y為質(zhì)子受體。水分子簇就是由這樣的氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成的。改變水分子的團(tuán)簇結(jié)構(gòu),就需要從水分子間的氫鍵入手,通過外加能量,改變水分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),影響氫鍵網(wǎng)絡(luò)的重排機(jī)理,就可以實(shí)現(xiàn)水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的改變。1.1磁場(chǎng)處理水dmt國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)磁場(chǎng)處理水的物理性質(zhì)做過反復(fù)的對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)處理水的滲透壓、表面張力、粘滯系數(shù)、pH、介電常數(shù)和電導(dǎo)率等均有不同程度的變化。磁場(chǎng)處理會(huì)破壞水中原來的團(tuán)簇結(jié)構(gòu),使較大的締合水分子集團(tuán)變小,甚至產(chǎn)生單個(gè)的水分子,從本質(zhì)上來講,磁場(chǎng)處理使得水分子間的氫鍵遭到破壞。氫鍵是水分子間最強(qiáng)的作用力,只有氫鍵受到破壞,才會(huì)引起水內(nèi)部結(jié)構(gòu)大的變化。根據(jù)計(jì)算,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為100mT時(shí),磁場(chǎng)對(duì)水做的功僅為1.05×10-7J/mol,而氫鍵的鍵能為16～25kJ/mol,這種能量上的巨大差別也是可以解釋的。不能機(jī)械地將存在于水中的氫鍵看作是象化學(xué)鍵那樣固定不變的作用力,氫鍵是一種分子間的力,在液態(tài)的水中它處于一種不停地?cái)嚅_、結(jié)合的動(dòng)態(tài)平衡中:(H2O)n?xH2O+(H2O)n?x(1)(Η2Ο)n?xΗ2Ο+(Η2Ο)n-x(1)在這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡中,一方面締合的水分子集團(tuán)中不斷有一些氫鍵斷開,有一些水分子脫離這個(gè)締合集團(tuán);另一方面,又有一些水分子結(jié)合上去,在它們之間形成新的氫鍵。這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡所需要的能量,是由水分子的熱運(yùn)動(dòng)所提供的。美國(guó)化學(xué)家莫里森指出:“在室溫下,由分子熱運(yùn)動(dòng)的碰撞,就足以提供克服勢(shì)壘所需的25kJ/mol的能量,而磁場(chǎng)在這個(gè)過程中有利于平衡向右移動(dòng)?！蓖鯓浯旱葘囟缺３衷?8.1℃,在189nm處測(cè)量經(jīng)過磁場(chǎng)處理的蒸餾水的吸光度A,處理30min后蒸餾水的吸光度A比磁處理前增加了22.2%。還有試驗(yàn)表明,經(jīng)過磁場(chǎng)處理的水,其滲透壓明顯上升。張敬貴等的實(shí)驗(yàn)中所用的自來水滲透壓為95.75mmH2O,而經(jīng)磁場(chǎng)處理后滲透壓升至為106.94mmH2O,升高了11.19mmH2O。如果水的結(jié)構(gòu)沒有變化,較大的水分子簇沒有斷裂成較小的分子簇或單個(gè)水分子,水的滲透壓不會(huì)有如此明顯的變化。1.2電場(chǎng)對(duì)拉曼光譜的影響同磁場(chǎng)處理一樣,電場(chǎng)對(duì)水的結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因?yàn)樗且环N極性分子,分子間氫鍵形成的主要原因就是水分子間存在的電偶極相互作用,外加電場(chǎng)可以改變水分子簇的動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系,破壞水分子間氫鍵,從而達(dá)到改變水分子簇結(jié)構(gòu)的目的。利用某些物理、化學(xué)的測(cè)試方法(如紫外透光率),可以測(cè)量經(jīng)過電場(chǎng)處理前后水的物化性質(zhì)的變化,通過宏觀上水的性質(zhì)的變化,推測(cè)出水分子簇在微觀結(jié)構(gòu)上的變化。陳家森等選用蒸餾水為研究對(duì)象,以重蒸水作為100%的透光率基準(zhǔn),外加電場(chǎng)強(qiáng)度為2.0×106V/m,測(cè)得在經(jīng)電場(chǎng)處理3min、6min和9min后,水的紫外透光率,如表1所示。由表1可以看出,經(jīng)過電場(chǎng)處理后,蒸餾水透光率明顯減小,且隨時(shí)間的延長(zhǎng),透光率一直保持減小的趨勢(shì)。透光率減小(即吸光度A增大),說明水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變小。這是因?yàn)殡妶?chǎng)作為一種外界供能方式,使具有極性的水分子獲得附加電能后,改變了原有的運(yùn)動(dòng)方式,而且在電場(chǎng)作用下,分子極性取向逐漸與電場(chǎng)方向一致,這足以破壞水分子間的氫鍵作用力,達(dá)到使水分子簇變小的目的。研究還表明,蒸餾水在經(jīng)過電場(chǎng)處理后,蒸發(fā)速率明顯加快,這也證明處理后的水分子團(tuán)簇變小,氫鍵作用減弱,使得水分子容易從液體中逸出。常普雨等模擬電場(chǎng)處理的外部條件,對(duì)比有電場(chǎng)和無電場(chǎng)下水的近區(qū)拉曼光譜變化(見圖1),在電場(chǎng)調(diào)制下,近區(qū)拉曼光譜變化的主要特征是O—O鍵170cm-1伸縮頻帶變化。沒有電場(chǎng)時(shí),170cm-1譜帶寬度約為60cm-1;加電場(chǎng)E=105V/m后,光譜強(qiáng)度減弱。根據(jù)分子光譜學(xué)理論以及Walranfen給出的水分子締合的光譜數(shù)據(jù),拉曼光譜強(qiáng)度正比于同類分子的數(shù)目,波數(shù)大所對(duì)應(yīng)的能量也大。對(duì)于O—O鍵伸縮振動(dòng),波數(shù)增加對(duì)應(yīng)的只是兩個(gè)氧原子之間距離的減小,斥力增加,因而能量增加。光譜變化表明加電場(chǎng)后分子間距離增加,水分子在O—H鍵方向的締合程度減小,水分子簇體積減小。1.3激光在水中的散射作用激光一方面和普通光一樣既是一種電磁波,又是一種光量子流;另一方面它又與普通光源不同,激光具有高單色性、高亮度及高相干性等特點(diǎn)。當(dāng)一定波長(zhǎng)的激光作用于水時(shí),可以改變水分子簇的微觀結(jié)構(gòu),使水的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。水分子的O—H鍵的伸縮振動(dòng)和兩個(gè)O—H鍵之間的變形剪式振動(dòng)及氫鍵振動(dòng)頻率都在中紅外區(qū)(2.5～25μm)附近,根據(jù)振頻相近快速傳能的原理,可以選擇頻率相近的激光作為輻射光源,以達(dá)到改變水分子簇結(jié)構(gòu)的目的。高正虹等采用波長(zhǎng)10.6μm的CO2激光作為輻射光源,垂直照射到水體表面,實(shí)驗(yàn)測(cè)得經(jīng)過激光照射的蒸餾水,溫度從290K上升到306K;電導(dǎo)率由開始的2.0×10-4S/m增加到3.02×10-4S/m,增幅達(dá)到51%。而用普通熱源加熱到306K的蒸餾水的電導(dǎo)率為2.36×10-4S/m,增幅僅為18%。在一定溫度、壓力條件下,水的電導(dǎo)率受離子濃度和離子電遷移率的影響。水分子中兩個(gè)O—H鍵之間的變形剪式振動(dòng)頻率為1595cm-1,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為6.1μm。用波長(zhǎng)10.6μm的CO2激光照射,可以使水產(chǎn)生一定程度的共振吸收,使兩個(gè)O—H鍵之間的變形剪式振動(dòng)增強(qiáng),同時(shí)因?yàn)榧す饩哂须婋x輻射效應(yīng),能夠干擾水分子簇的氫鍵網(wǎng)絡(luò)重排,導(dǎo)致水分子間的氫鍵受到破壞并產(chǎn)生一定量的H+和OH-;而氫鍵的削弱和離子濃度的增加,可以引起電遷移率的增加,從而使水的電導(dǎo)率顯著增加。由此可以看出,激光使水產(chǎn)生的共振吸收和電離輻射效應(yīng),影響了水分子的微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài),破壞了水分子間的氫鍵,改變了水分子簇的微觀結(jié)構(gòu)。1.4紅外光譜分析在一定溫度條件下,水分子團(tuán)簇處于動(dòng)態(tài)平衡中。當(dāng)溫度升高時(shí),水分子的動(dòng)能迅速增加,在平衡位置處的振幅增大,會(huì)破壞水分子間的部分氫鍵,例如,冰熔化時(shí)約有15%的氫鍵斷裂;當(dāng)溫度升高到72℃時(shí),斷裂的氫鍵達(dá)到61%。由于水分子締合情況影響其紅外吸收光譜,當(dāng)形成大的分子簇時(shí),分子的伸展振動(dòng)頻率往低波數(shù)側(cè)移動(dòng),且吸收譜帶強(qiáng)度增大,譜帶變寬,而變形振動(dòng)頻率卻向高波數(shù)側(cè)移動(dòng);反之,當(dāng)水的絡(luò)合物解體時(shí),紅外吸收譜帶就會(huì)向相反的方向移動(dòng)。因此,可根據(jù)紅外譜圖的變化推斷水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的變化。Luzar系統(tǒng)地研究了溫度對(duì)水分子間氫鍵的影響,采用計(jì)算機(jī)模擬,給出了不同溫度下分子簇中水分子的個(gè)數(shù)分布(圖2),由圖2可知,隨著溫度的升高,水中大分子團(tuán)簇所占比例逐漸下降,分子間部分氫鍵斷裂,總體水分子簇體積減小。2生物結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理水分子團(tuán)簇變小,水的溶解力、滲透力、代謝力、擴(kuò)散力、乳化力均有所增強(qiáng),從而具有一定的“活化”作用,在一定程度上可以增強(qiáng)生物體的新陳代謝、血脂代謝、酶活性以及免疫功能,因此,這樣的水也被稱為活化水?；罨蚱渌肿訄F(tuán)簇結(jié)構(gòu)變小,溶解氧的能力增加,并可以產(chǎn)生一定量的超氧陰離子自由基,在生命體內(nèi)適量的超氧陰離子自由基具有增強(qiáng)代謝貯能、轉(zhuǎn)化排廢的作用。小分子團(tuán)簇的水進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),可促進(jìn)細(xì)胞的新陳代謝,增強(qiáng)細(xì)胞活力;又因其粘度低,大大方便了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配和廢物的排泄。通過對(duì)大鼠動(dòng)脈粥樣硬化的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)這種活化水進(jìn)入大鼠的血液循環(huán)系統(tǒng)后,本身就可以起到降低血液粘度的作用;又因活化水對(duì)氧的溶解能力增強(qiáng),可使血液中水的含氧量增高,激發(fā)紅細(xì)胞膜及血管平滑肌細(xì)胞膜ATP酶的活性,增強(qiáng)血管壁的彈性和紅細(xì)胞的形變能力,從而產(chǎn)生增強(qiáng)血液流變特性的作用。由于活化水的滲透壓高于普通水,有利于物質(zhì)通過生物半透膜,使離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道暢通,促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)Na+、Ca2+外流,這可以使高膽固醇血癥患者體細(xì)胞內(nèi)Na+、Ca2+濃度過高的現(xiàn)象得以緩解。Rotzinger發(fā)現(xiàn),六水分子簇可與V2+、Mn2+等金屬離子形成六水合物,金屬離子被包埋在六個(gè)水分子中央,并通過熱力學(xué)計(jì)算,證明了這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種六水合物可以較好地通過水溶性膜,具有一定的運(yùn)載功能。水在參與生物體物質(zhì)能量循環(huán)過程中,對(duì)生物體功能的影響不僅在于量,而且在于質(zhì),更在于分子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而后者尤為重要。因?yàn)樵诟鞣N生化反應(yīng)中,水是以分子簇的形式存在并參與反應(yīng),水的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響了生物大分子的物化性質(zhì)及生物活性。Davey等的研究發(fā)現(xiàn),在核小體內(nèi)部,蛋白質(zhì)與DNA之間通過與水分子的氫鍵作用形成氫橋,維持蛋白質(zhì)-DNA的空間構(gòu)型,其中水的結(jié)構(gòu)可以幫助解釋與蛋白質(zhì)相連的DNA三維構(gòu)象的轉(zhuǎn)變方式。細(xì)菌視紫紅質(zhì)(bacteriorhodopsin,簡(jiǎn)稱bR)是嗜鹽菌體內(nèi)的一種蛋白質(zhì),它能將光能轉(zhuǎn)變成質(zhì)子梯度,用于促進(jìn)ATP的合成。在bR內(nèi)部有8個(gè)排列有序的水分子充當(dāng)氨基酸之間的質(zhì)子傳遞鏈,同時(shí)也起到維持bR基態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。熱容量是表征生物大分子活性的一項(xiàng)重要指標(biāo),其大小反映了生物體對(duì)體內(nèi)溫度環(huán)境的適應(yīng)程度。生物大分子內(nèi)部結(jié)合水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)不同,其熱容量也有很大差別。筆者采用DSC方法對(duì)以不同結(jié)構(gòu)水和十二烷基硫酸鈉溶液水合溶菌酶樣本對(duì)蛋白質(zhì)熱變性前新峰形成機(jī)制進(jìn)行了探討,結(jié)果表明:蛋白質(zhì)的這種熱變性前新峰的存在是由于維持其三級(jí)結(jié)構(gòu)的疏水相互作用力所造成,新峰出現(xiàn)的峰溫及其焓變與水的結(jié)構(gòu)改變及由此而造成的蛋白質(zhì)中結(jié)合水含量和結(jié)構(gòu)功能的變化有著直接的關(guān)系。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),水的六環(huán)結(jié)構(gòu)具有最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能,可以在溶菌酶分子周圍形成六角籠形氫鍵網(wǎng)絡(luò),使其三維結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,熱變性溫度提高8.47K。Finney等對(duì)球形蛋白質(zhì)中水的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,認(rèn)為水不僅起到所謂的疏水作用的被動(dòng)角色,它還對(duì)蛋白質(zhì)的折疊和纏繞起到提供自由能及形成氫鍵、參與蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)形成的作用。另外,他們還總結(jié)了用不同技術(shù)測(cè)得的溶菌