3.2　无机离子

生命是大量的生物活性物质参与的自组装的总结果，金属离子是其中很重要的一类组分。金属离子本身不能形成氢键，但与水分子通过静电作用形成水合物。形成这些水合物的水分子的氢原子都朝向外侧，它们作为氢键供体与周围的水分子进一步形成氢键（图3-1）。形成水合物对金属离子参与的任何过程的热力学和动力学都产生很大的影响，因为任何一个过程的发生首先都需要金属离子的去水合或部分去水合。一个典型的过程是Na⁺和K⁺等离子的跨膜输送。这些离子必须去水合才能通过输送蛋白的通道，水合分子数和水合稳定性决定了输送的选择性和速率。另外，水合金属离子相对于金属离子本身的体积明显增大，在水中的运动始终受到结合的水分子与周围水分子之间形成的氢键的“拖拽”。

图3-1　水合钠离子（环内）由离子-偶极静电相互作用驱动，相应水分子作为供体与周围水分子形成氢键

氨基酸代谢过程中形成铵离子（）或氨，在生物体内很快被转化为尿素。与水形成强的N—H…O氢键。的半径与钾离子相近，但钾离子不能形成氢键，与水形成离子-偶极静电相互作用。

氯离子（Cl^-）广泛存在于组织和体液中，是细胞外液含量最高的阴离子，对调节人体内的水分、渗透压和酸碱平衡等有重要作用。Cl^-在水中形成Cl^-…H—O氢键（图3-2）。氟是生命体中的微量元素，与钙磷代谢密切相关。氟负离子（F^-）与水形成F^-…H—O氢键。但由于氟的半径远小于氯，F^-…H—O氢键的强度远高于Cl^-…H—O氢键，F^-的水合物的稳定性也高于氯负离子。而溴和碘负离子由于原子半径进一步增加，通过氢键形成水合物的能力逐渐降低。

图3-2　水合氯离子（环内）由Cl^-…H—O氢键驱动，相应水分子作为受体与周围水分子形成氢键

人体血液的pH值为7.40（±0.05）。血液是一个缓冲溶液体系，主要包括NaHCO₃/H₂CO₃、蛋白质钠盐/蛋白质和Na₂HPO₄/NaH₂PO₄三个缓冲对，其中以NaHCO₃/H₂CO₃最为重要。因此，人体中也含有较低浓度的氢氧根负离子（OH^-）。OH^-与水形成很强的氢键，单水合物（图3-3）的晶体中，HO^-…H—OH距离仅为1.15?^［1］。单水合物进一步与周围的水形成氢键。这些氢键键长明显增加，表明这些氢键较HO^-…H—OH氢键为弱。在溶液中，这是一个动态过程。其它的负离子也可以与水形成氢键，参与的水的数量和结合强度取决于这些离子本身的结构、体积、电荷数及可极化性等。

图3-3　水合氢氧根负离子（）的晶体结构，显示出超强O—H…O^-氢键的形成。两个O原子又分别与两个周围的水分子形成两个较弱的氢键