水分子团簇结构的改变及其生物效应

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1、维普资讯http://www.cqvip.com化学通报2004年第4期http：／／www．hxtb．org水分子团簇结构的改变及其生物效一应张建平赵林谭欣(天津大学环境科学与工程学院天津30一。一0072一～一)_～一～一嘴一善．一～㈨一～∞～晒一黑一一～l～～_一‰一一詈摘要概述了近3O年来从水分子团簇结构的发现到水分子簇的稳定结构及相关理论计算的研究进展；总结了改变水分子团簇结构的四种方法．包括外加磁场、外加电场、激光辐射以及直接加热法．分别讨论了这四种方法的作用机理；最后简要介绍了改变水分子团簇结构所诱发的生物效应，并对该领域的研究前景作了展

2、望。关键词水分子簇结构改变生物效应StructuralChangeofWaterClustersandtheCorrespondingBiologicalEffects．ZhangJianping，ZhaoLin，TanXin(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，TianjinUnix，ersity，Tianjin300072，China)咖．Ⅲ～nr∞仆～近年来，水分子簇结构与功能的研究已成为当今科研前沿的热点之一，其深层研究可望为揭示物理化学、生命科学等领域的本质问题提供有利工具。早期的理论研究多针

3、对于单个水分子结构及各类振动、转动及隧道光谱的计算，而在通常状况下．水是以分子簇的形式存在的。根据热力学的计算，如果水是以单个分子存在，水的熔点应为一ll0C，沸点为一85C；而实际上水的熔点为0C，沸点1O0C。根据物质的熔点、沸点随分子量增大而提高的性质，说明水在固、液态时并不是以单个分子存在，而是以水分子簇的形式存在。早在1977年，Dyke_l就利用红外光谱测试验证了理论预测的二元水结构。随着光谱科学和微观测试技术的发展以及分子轨道理论的介入，使水分子簇结构的研究进入了量子时期，各种相关理论和计算方法相继出现(如从头计算法_2]、蒙特卡罗模拟[

4、4]、密度函数理论DFTl5J、Car—Parrinello分子动力学模拟CPMD等)，从而揭示了液态水分子簇存在的结构、稳定能量、力学机制等特点。基于蒙特卡罗模拟上的极化一解离多体经验势能函数(PD—PEF)[7在计算张建平26岁，男，硕士生．现从事水的结构与功能的研究。*联系人，Email：zhaolin@tjuedu．cn国家自然科学基金(20176035)和重大基础研究前期专项(2003CCA04300)资助项目2003—03—26收稿，2003—08—25接受维普资讯http://www.cqvip.comhttp：}}．hxtb．org化学

5、通报2004年第4期(H。O)(一2～8)的小水分子簇的结构特征和分子尺度过程中，将氢原子视为单一的裸露质子，充分考虑到分子间及分子内部作用力，适合于计算水分子簇的结构特征参数；在六水分子簇稳定性的研究]中，应用从头计算法的独立分子模型通过平动矢量和欧拉角将簇中每个分子的位置和取向逐一标定，总结出六水分子簇的五种结构形式，并通过计算氢键强度及自由能的大小，得出环状六水分子簇具有最稳定结构的结论。各种理论计算和实验研究都证明：在自然条件下，水是以分子簇形式存在的，而且水的微观结构具有重要的生物功能。Pouliquen等l_1叩在研究血清白蛋白和丙种球蛋白

6、溶液时发现，在不同温度下与蛋白质分子结合的水分子簇(结构水)的分子数目发生变化时，蛋白质的物化性质也随之发生变化。因此，许多科学家[11~13]认为：改变水分子簇的大小可以使水在生物体中的作用发生改变，例如，减少水分子簇中的分子个数，可以增加水的生物膜透过率，增强生物体的新陈代谢功能，达到改善生物体机能的效果。1改变水分子团簇结构的方法水的微观结构的形成和改变与水分子的运动有密切的关系，液态水分子通过分子间的氢键形成团簇结构，而氢键是靠质子转移呈线性方式联系，即：X—H⋯Y，其中X—H为质子给予体，Y为质子受体。水分子簇就是由这样的氢键网络形成的。改变

7、水分子的团簇结构，就需要从水分子间的氢键人手，通过外加能量，改变水分子的运动状态，影响氢键网络的重排机理，就可以实现水分子团簇结构的改变。1．1外加磁场法国内外有许多学者对磁场处理水的物理性质做过反复的对比试验，发现磁场处理水的渗透压、表面张力、粘滞系数、pH、介电常数和电导率等均有不同程度的变化。磁场处理会破坏水中原来的团簇结构，使较大的缔合水分子集团变小，甚至产生单个的水分子，从本质上来讲，磁场处理使得水分子间的氢键遭到破坏[1。氢键是水分子间最强的作用力，只有氢键受到破坏，才会引起水内部结构大的变化。根据计算n，当磁场强度为100mT时，磁场对水

8、做的功仅为1．05×10_。J／tool，而氢键的键能为16～25kJ／tool，这种能量上的