引言：“氫璞”首篇文章得到很多領(lǐng)導(dǎo)、專家和朋友的鼓勵，并提了很多好的建議，深感工作的意義和責(zé)任，也深感壓力，唯有更加努力才不辜負(fù)大家的支持。
第一個專題定為“氫氣生物學(xué)機(jī)理”，幾日來一直在思考如何組織專題的架構(gòu)?氫氣生物學(xué)機(jī)制的完全解析必然依靠多學(xué)科共同的努力，需要更多青年才俊的加入，包括正在這一領(lǐng)域探索的研究生的熱愛，也需要知識界、產(chǎn)業(yè)界等各層面的支持。因而決定從理解氫氣在生命系統(tǒng)中地位的相關(guān)基礎(chǔ)知識入手，慢慢理清我們目前對于氫氣生物學(xué)機(jī)理的認(rèn)識，理解已經(jīng)解決了哪些問題?未來還有哪些問題需要探討?......
氫元素(H，Hydrogenium)排在化學(xué)元素周期表的第一位，是最輕的元素，也是宇宙中含量最多的元素，約占宇宙質(zhì)量的75%。宇宙中90%、人體中63%的元素都是氫。地球早期的二氧化碳濃度很高，但同時也含有大量的氫氣，高達(dá)40%，在這樣的高氫、高二氧化碳環(huán)境中，加大了有機(jī)化合物生長和碳基生命產(chǎn)生的可能性。
活的生命體干重的大部分為有機(jī)化合物，是由富含碳、氫、氧、氮、磷的化合物所組成。在超過90種天然存在的化學(xué)元素中大約只有30種是生命體所必須的。生命體中大部分元素的原子序數(shù)較低，僅有五種原子的序數(shù)在34號元素硒之后。按元素含量的百分?jǐn)?shù)計算，生命體中最豐富的4種元素是氫、氧、氮、碳，共占了大多數(shù)細(xì)胞質(zhì)量的99%以上。生命有機(jī)體是圍繞著碳組織起來的，即碳骨架和其他碳、氫、氧、氮等元素結(jié)合而成的分子。碳原子可以和氫原子形成單鍵，也可以與氧和氮原子形成單鍵和雙鍵，能以共用電子對的的形式形成非常穩(wěn)定的碳碳單鍵，兩個碳原子也可以共用2(或3)個電子對，從而形成雙(或三)鍵。
生命分子在三維空間上有獨(dú)特的構(gòu)象和構(gòu)型，水分子的引力以及微弱的電離傾向?qū)τ谏锎蠓肿拥慕Y(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要。細(xì)胞內(nèi)大分子，特別是蛋白質(zhì)和核酸的許多物理性質(zhì)和生物活性都是通過與其所處環(huán)境中的水分子相互作用而表現(xiàn)的。在生命的進(jìn)化中，水起到了深遠(yuǎn)而決定性的作用。
水溶液中的大分子內(nèi)及大分子間存在4種弱相互作用力: 離子鍵、疏水作用、范德華力和氫鍵。雖然它們單獨(dú)存在時作用力非常弱，但大量這些弱作用有機(jī)結(jié)合起來卻對生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸、多糖和膜脂的三維結(jié)構(gòu)有巨大的影響，有效地維持了蛋白質(zhì)、核酸和膜的穩(wěn)定。弱相互作用力(非共價鍵)還在酶的催化、抗原抗體識別以及受體與配體結(jié)合中發(fā)揮重要作用。
氫鍵賜予水分子獨(dú)特的性質(zhì)。水是有機(jī)體中含量最豐富的組分，多數(shù)生命體含有70%以上的水分。水的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)以及汽化熱高于多數(shù)常見溶劑，該特性是由于相鄰水分子間的的氫鍵作用使得水分子間存在強(qiáng)烈的引力造成的, 它使液態(tài)水中產(chǎn)生巨大的內(nèi)聚力。這是理解生命系統(tǒng)運(yùn)行邏輯的重要一環(huán)。
液態(tài)水頗具短程秩序，由半衰期都很短的氫鍵簇組成。水分子中的每個氫原子與氧原子共享一對電子。水分子的空間結(jié)構(gòu)可以通過氧原子的外層電子軌道來表示，它是一個不規(guī)則的四面體結(jié)構(gòu)，其中兩角各有一個氫原子，另外兩角各為一孤對電子對。由于氧的電負(fù)性更強(qiáng)，氧原子核對電子吸引力比氫核(一個質(zhì)子)大，結(jié)果導(dǎo)致氫原子和氧原子間的共享電子對分布不均，這對電子出現(xiàn)在氧原子附近的概率高于氫原子附近。這種分布不均造成了水分子中沿兩條 H—O 鍵方向形成兩個電偶極, 其中氧原子帶有部分負(fù)電荷(2δ-)，每個氫原子帶有部分正電荷(δ+)，因此，水分子中的氧原子和相鄰水分子中的氫原子之間存在靜電作用力，即氫鍵(hydrogen bond)。氫鍵較共價鍵長且弱，液態(tài)水的鍵能約為20kJ/mol。在室溫下，水溶液的熱能與斷裂氫鍵的鍵能為同一數(shù)量級，單個氫鍵的壽命只有1×10-9 s,處于不斷的形成與破壞中，大部分子都處于動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)中，但分子間所有氫鍵的集合使水溶液內(nèi)存在巨大的凝聚力。
氫鍵不僅僅存在于水分子之間。在一個強(qiáng)電負(fù)性原子(氫受體,通常是有一對孤對電子的氧或氮)與另一個結(jié)合在強(qiáng)電負(fù)性原子上的氫原子(氫供體)之間容易形成氫鍵，與碳原子(非電負(fù)性)共價相連的質(zhì)子不能形成氫鍵。
水的極性性質(zhì)和氫鍵性質(zhì)使其成為許多帶電和極性物質(zhì)的有效溶劑，而非極性物質(zhì)，包括CO2，O2及N2等氣體均難溶于水。生物體衍生出水溶性的載體蛋白(如血紅蛋白、肌紅蛋白)運(yùn)載O2，而CO2則在液相中形成碳酸(H2CO3)并以碳酸根離子(HCO3-)的方式運(yùn)輸。
但是，生物體系特別是很多的生物大分子含有大量的非極性基團(tuán)，如非極性氨基酸的側(cè)鏈、脂肪鏈等，為了減少暴露在水中的非極性表面積，任何兩個在水中的非極性表面積將傾向于結(jié)合在一起，疏水作用成為促使非極性區(qū)相互聚集的力量。許多生物分子是兩性的。蛋白質(zhì)、色素、某些維生素以及膜上的固醇和磷脂均含有極性和非極性表面區(qū)。這些分子內(nèi)非極性區(qū)的疏水作用穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)。脂質(zhì)分子之間以及脂分子與蛋白質(zhì)之間的疏水作用是決定生物膜結(jié)構(gòu)的最重要因素。同樣，非極性氨基酸間的疏水作用也穩(wěn)定了蛋白質(zhì)的三維折疊構(gòu)象。例如，水溶液中具有極性頭部和非極性脂肪鏈的兩性磷脂形成生物體膜系統(tǒng)，完美地充當(dāng)了生物體與外界的隔離并交換信息的屏障，并且是高等生物細(xì)胞內(nèi)部區(qū)隔化功能分區(qū)的建造者。
氫氣作為一種非極性的分子，在水中的溶解度很低，關(guān)于氫氣在水溶液中的存在方式有不同的觀點(diǎn)，如氫分子、氫離子、負(fù)氫離子、氫原子等等。2010年Belpassi L 等在JACS發(fā)表研究認(rèn)為，水和氫氣的相互作用伴隨著電荷轉(zhuǎn)移(Charge Transfer,CT)，CT有很強(qiáng)的立體選擇性、各向異性現(xiàn)象，水在不同的方向上既可以充當(dāng)電子供體也可以充當(dāng)電子受體。在生物體系中氫氣對水的性質(zhì)會產(chǎn)生怎樣的影響還需要進(jìn)一步研究。
氫氣被生物體利用，最終還是以溶解在水中的方式，氫水是氫氣先溶解在水中被吸收利用，吸氫氣也是氫氣要溶解在體液中再被利用。理解了水在生物體的重要地位后，生物體系中氫氣對水的弱相互作用特別是氫鍵系統(tǒng)、對生物大分子的結(jié)構(gòu)是否有擾動，氫氣是否能進(jìn)入生物大分子內(nèi)部，這些問題的重要性就體現(xiàn)出來了，但是現(xiàn)在氫氣在此方面的作用尚不明確。我們在氫氣與生物酶的研究中發(fā)現(xiàn)氫氣可以提高多種酶的活性，初步表明存在氫氣影響生物體系弱相互作用的可能性。
參考文獻(xiàn)
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.
