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生命现象中的水

已有 3759 次阅读 2010-11-15 11:29 |个人分类:感悟人生|系统分类:科普集锦

记得栗田勇在他写的「花を旅する」书中提到,大賀一郎博士曾在1951年于千葉市东京大学検見川农场中发现一颗已沉睡了二千多年的蓮子,放在水后使之发芽(岩波書店、2001)。后来,芝加哥大学原子能研究所鉴定了这颗莲子是经过3,075±180年的生命。千年莲子遇水后的萌醒,这不仅让人感叹生命现象的不可思意,同时也联想到水的神奇。

 

生命离不开水,水是生命的源泉,这是因为生命现象只有在水的参与下才能启动新陈代谢过程。因此,人们要想揭示生命现象,无疑需要探讨水的性质和作用。

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由于生命现象是蛋白质等生物分子与水的反应形式,因此研究水的作用方式是了解生命过程的基本课题之一。如果说生命的载体是蛋白质,那么提供蛋白质活性的载体应该是水,因为生命现象的载体蛋白质也只有在水中才能表现出其活性,细胞内的蛋白质只有在水结构的波动中所能表现出生命的活性。当然,蛋白质的结构波动与覆盖在表面上水的存在形式及水作用相关。近年来,尽管人们十分关注这方面的研究成果,但对其了解的仍然需要今后更多的认识积累(Biman Bagchi Water Dynamics in the Hydration Layer around Proteins and MicellesChem. Rev., 105 (9)3197–32192005)。

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人们知道生物体内富含多种具有不同生理功能的蛋白质,这些蛋白质在生命波动中不间断的调整自我结构,并发挥生理功能。蛋白质的生理环境包括水和水合形式,因此蛋白质的生理机能是在水中表达的。当然,我们所说的蛋白水或水和物并不是通常的自然水,而是与蛋白质表面原子间互相作用的特定分子结构。在探讨蛋白质功能时,一般会采用促使分子变迁的温度来活化蛋白质的结构波动。尽管蛋白质的结构波动来自与蛋白质的水合物,但与水和状态摇动的相关性还缺少实验根据。

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那些形如网络,又如同列兵布阵于蛋白质表面的水,附挂的规则且稳雅,这种现象是偶然还是必然?

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前日,看了一篇关于日本原子能研究机构-量子电子束应用研究室的Nakagawa博士等人使用热输出20MW,最大热中子束3×1014 n/(cm2sec)的核反应堆JRR-34中设置的冷中子三轴型分光器对模型蛋白质葡萄球菌核酸酶3Staphylococcus aureus nuclease-3) 水和状态及水动态进行中子散射(neutron scattering)的实验观察,并通过计算机模拟探讨了水和作用(hydration)及水对蛋白质结构波动的影响(Hiroshi Nakagawa, Mikio KataokaPercolation of Hydration Water as a Control of Protein DynamicsJ. Phys. Soc. Jpn., 79 (8):083801-083801-4,2010)。他们通过对蛋白质结构在水阶段性作用和变化中进行观察,详细研究了蛋白质摇动与水构造间关系。结果证明这种相关性不仅依赖于环境温度的变化,而且蛋白质的动力学转移受制于水的摇动。通过计算机模拟分析蛋白质表面的水存在形态与水和率依赖性是发现,水和率小的状态时,大部分的水分子在蛋白质表面并以独立状态配位存在。当水和率增大在0.37以上时,水分子间的氢键结合急剧增大的同时在蛋白质表面形成特定的网络样结构,覆盖并继而激活蛋白质的活性。

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至今为止的研究证明,蛋白质发挥功能时需要其构造的变化,而Nakagawa博士等人证明蛋白质动力学转移现象出现的必要水和率为0.37以上。水在作用蛋白质表面形成有规则,且可波动的网络布局,继而诱导并摇动蛋白质构造的波动形成。即蛋白质所表现的生命现象需要规则性蛋白水的形成与摇动。这个从蛋白质表面的水分子结构形成的水平上的观察结果证明了水的分子束对生命活动的影响,其研究结果有望对酶结构与活性,创新药物设计等研究提供有益的参考。

(研究内容详见: http://jpsj.ipap.jp/link?JPSJ/79/083801/pdf

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