生命与氢键 分子内氢键

大自然,并不懂人类创造出的化学、生物学和建筑学,她只懂得最简单的东西,这就够了。

她最伟大的作品-生命,不过是几条屈指可数的规则上构筑起来的。其中的一条,便是自小耳熟能详的“异种电荷相吸”。

1.

试想一个游荡在空中的水分子-氧原子和每个氢原子共用一对电子,形成两个“共价键”。氧剩余的4个外层电子,两两成对形成两对“孤对电子”。这样,如果把共用的电子计算在内,氧原子最外层有8个电子,这是比较稳定的结构。
生命与氢键 分子内氢键

然而,共用的电子并不在氢原子与氧原子之间公平分摊。首先,氢的最外层有2个电子固然稳定,但它如果一个电子也没有-即形成质子H+——也很稳定。氧则不同,非得要8个电子不可。其次,氢若剥去了最外层电子,只剩下1个质子,带一个正电荷。而氧若剥去最外层电子,剩下的东西——叫做“原子实”,——带6个正电荷!可见,氧对最外层电子的吸引力比氢大得多。因此,水分子中共价键的电子将强烈地偏向氧原子,使氢原子几乎形成一个“裸质子”了。水分子也将不是一个电荷均匀分布的分钟,而是像磁铁那样,有两极之分。氢原子那端由于电子向氧原子方向的偏离而带正电。

现在想象温度降低,水分子之间的距离开始缩短,一些水分子开始靠近另外一些水分子,情况会怎样?就像磁铁会南极连北极,北极连南极,连成长链一样,水分子也会在正负电荷的作用下,较有规律地排列开来。它们的氢原子端要去接近其他分子的氧原子端,氧原子端要去接近其他分子的氢原子端。

此分子的氢与彼分子的氧之间形成了一种特殊的作用力——它是由共价键的强极性造成的,比共价键弱,但比普通的分子间作用力稍强,这就是氢键。

2.

每当听人说“没有蛋白质就没有生命”时,我总是产生深深的怀疑——为什么偏偏是蛋白质呢?蛋白质无非是复杂的高分子物质,别的高分子物质,就不能像蛋白质一样成为生命的基石吗?

 比如聚酯。聚酯不过是把蛋白质中的氮元素换成氧而已。见下面的比较:

聚酯的结构

聚酰胺(多肽)的结构(多肽是蛋白质的基础)

聚酯中的酯键与聚酰胺中的酞键,这两种键在用作高分子链的“扣环”时,性能不相上下,稳定性也相差无几。聚酯好聚酰胺甚至可以互相转化。在有机化学中,酰胺有的性质,酯也大都有类似的。为什么形成生命的,却只有聚酰胺?问题出在哪儿?

竟然是在看似不起眼的氢键上!酞键的氮上连有氢原子,N-H键和水分子中O-H键一样,是一种极性很强的共价键,带正电的氢原子与酞键上带负电的氧原子相吸引,形成氢键。

 分子内形成氢键的强烈趋势,使聚酰胺链不再像一条麻绳一样可以摆成任意的形状,而是盘旋或折叠起来,形成较规则的样子。

螺旋结构折叠结构

螺旋或折叠的形状,由氢键负责固定下来。聚酰胺链在空间所形成的形状,就是蛋白质的“二级结构”。聚酰胺链在二级结构的基础上进一步盘旋折叠,形成“三级结构”。多数蛋白质是由一条以上的聚酰胺链复合而成的,几条链之间的位置关系和连接方式,称为蛋白质的“四级结构”。一般来说,一个蛋白质要完成其特点的生理功能,必须同时具备特点的一、二、三、四级结构才行。任何一级结构被破坏了,蛋白质就失去了其生理活性。

既然氢键是蛋白质二级结构中必不可少的,二级结构又是三、四级结构的基础,可见氢键对于蛋白质的生理活性是多么重要了。没有氢键,特定的二、三、四级结构无从谈起,依赖于负责空间结构的生命活动也只能是竹篮打水——一场空。

聚酯恰恰是一种不能形成氢键的高分子化合物。将聚酰胺上的氮改成氧后,氧左连一个碳原子,右连一个碳原子,无法再连氢原子了(因为氧原子最外层只有两个单电子,最多形成两个共价单键)。没有氢原子,何来氢键?

因此,与自发形成规则形状的聚酰胺相比,聚酯更像是那条可任意摆放的麻绳。两种化学性质十分相似的物质,只因一个氢键,在生物学的地位便有了天壤之别!

3.

再回到那个水分子的设想,当外界温度持续降低,水分子间形成的氢键越来越多。氢键既然是一种比普通的分子间作用力强的力,形成它是要放出热量的。放出的热量“缓解”了水温的降低,使得在寒冷的冬天,水温总比气温高一些。同理,给水加热时,破坏氢键要吸收能量,从而缓解了水温的升高。事实上,吸收或放出同样的能量,水的温度变化时自然界所有物质中最小的。生物要存活,体内环境必须保持相对稳定,水无疑成了最佳选择。

只有三种元素可以形成氢键——氮、氧、氟。别的元素,要么得到电子的趋势不那么强,要么原子半径太大,原子核管不住最外层的电子。

氮氢化合物——氨,也能像水一样,靠分子间氢键调节温度。它的沸点为-33.40C,熔点为-77.70C。在低温下是各种无机盐、氨基酸的良好溶剂。液氨的温度,甚至比水更加难以改变!(水的比热容是4.2kj/kg.0C,液氨的比热容是4.6kj/kg.0C。)因此,有学者认为,在某些特殊的条件(如低温高压)下,液氨可以成为“生命之源”。

这个假说的大方向没有错,可是,哪来这么多氨呢?在地球上,水是生命之源,还有一部分原因是水是很稳定的物质,除非碰上光合作用或电解,不会随随便便变成氧气去。而氮元素却有一种比氨稳定的多的存在形式——氮气。所以,哪怕一个星球形成之初大气中富含氨,大概最终也不会形成“液氨的海洋”,而是形成“氮气的大气”。地球就是一个完美的例子。

至于氟化氢,它固然也有氢键,也能控温,但它的强腐蚀性让高分子的有机物唯恐避之不及,它离“生命之源”的美称也就差远了。

4.

氢键对生命的贡献远不止这些。DNA的双螺旋结构众所周知。而正是氢键像拉链那样把两条链“拉合”起来。DNA链上的一些碱基——也就是拉链的齿——的排列顺序,控制着生物的某些“性状”。如果一段DNA上的碱基决定了生物的一个或几个性状,那么这段DNA叫做一个基因。

为什么偏偏让氢键来完成“拉合”的任务?因为氢键作为一种介于共价键与普通分子间作用力的键,其特点是“固定有余、束缚不足”。固定,使DNA的结构保持稳定,确保遗传的正常进行;不束缚,使一些碱基会在特殊环境下(如宇宙射线、化学物质、温度异常等)发生变化,从而造成一定的“形状”改变。这是生物遗传与变异的微观解释之一。

氢元素在元素周期表中排第一位,在最左上角。近年来化学家研究高新物质时,喜欢把目光投向周期表腹地的过渡元素,很少有想到如何利用氢和氢键创造新物质的。但事实证明,氢键既然在生命的基石源头好密码中都扮演相当重要的角色,它的应用前景一定是十分广阔的。也许有一天,我们会再次面对这个小个子元素发出赞叹:“这就是氢的力量!”

  

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