許嘉靖 劉玉穎

(1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083;2中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,北京 100083)

電偶極子是兩個等量異號點電荷組成的系統(tǒng)。作為一種客觀物質(zhì)的存在,電偶極子是電介質(zhì)理論和原子物理學(xué)的重要模型,電偶極子在自然界中無處不在。無論是簡單的水分子還是復(fù)雜的DNA 生物大分子,無論是一個細(xì)胞還是組織、器官乃至整個生命體,電偶極子在其中都發(fā)揮著重要作用。本文我們就對電偶極子在生命科學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 電偶極子與化學(xué)鍵

電偶極子是兩個相距較近、帶電量相等且符號相反的兩個點電荷組成的系統(tǒng)(如圖1所示),電偶極子的特征用電偶極矩p=ql描述,其中l(wèi)是兩點電荷之間的距離,l和p的方向規(guī)定由-q指向+q。電偶極矩簡稱電矩,用于表征電偶極子整體電學(xué)性質(zhì)的重要物理量。

圖1 電偶極子

一旦原子或離子之間形成了化學(xué)鍵,通常需要提供能量打破鍵才能分離原子,這種能量稱為鍵能或結(jié)合能。共價鍵、離子鍵和金屬鍵的結(jié)合能一般為2～5e V[1]。這些將原子結(jié)合在一起形成分子的鍵通常被稱為強鍵。

強鍵的形成有三個主要來源:

相鄰兩個原子之間自旋方向相反的電子相互配對形成共價鍵,有σ鍵、π鍵和δ鍵三種類型,此時原子軌道相互重疊,兩個原子核之間的電子云密度相對地增大,對兩核的吸引力增大。這種強鍵是原子核與共用電子對的相互作用力。

原子間通過電子的轉(zhuǎn)移形成離子鍵,失去電子的原子變?yōu)檎x子,得到電子的原子變?yōu)樨?fù)離子。這種強鍵是正離子與負(fù)離子之間的相互作用力。

金屬晶體中的原子或離子與自由電子相互作用形成金屬鍵。這種強鍵是金屬原子與自由電子的相互作用力。

由于強鍵一般不是偶極子間相互作用,本文不再對強鍵進(jìn)行過多闡述。

而弱鍵是指由于簡單的靜電吸引而形成的分子間的吸引,例如極性分子間的吸引(不是極性分子內(nèi)各原子間的吸引,極性分子內(nèi)的吸引是一種強鍵)。所謂極性分子就是正負(fù)電荷中心不重合,電荷分布不均勻的分子。而極性分子間的鍵強度要遠(yuǎn)低于強鍵。

弱鍵通常是偶極子之間相互吸引的結(jié)果。結(jié)合能在0.04～0.3e V 之間的鍵通常被稱為弱鍵[1]。弱鍵通常有三個來源:

極性分子的永久偶極矩之間的相互作用,這種相互作用力被稱為取向力。例如,圖2顯示了兩個分子,它們是具有相互吸引的永久偶極矩之間的相互作用[2]。

圖2 C+-O-和H+-N-偶極之間的相互作用示意圖[2]

一個極性分子使另一個非極性分子極化,產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩并相互吸引,這種相互作用力被稱為誘導(dǎo)力。例如水分子和氧氣分子間的作用力。

分子中電子的運動產(chǎn)生瞬時偶極矩,分子瞬時極化,產(chǎn)生相互吸引的作用,這種作用力被稱為色散力。例如氧氣與氧氣分子間的作用力。

2 電偶極子與極性分子

任何的電荷都可以等效地用點電荷+電偶極子+電四極子……來表達(dá),而該電荷所產(chǎn)生的效應(yīng)主要是由等效式里的最低階的有效模型所產(chǎn)生的。例如,對于一個電子來說,電子產(chǎn)生的效應(yīng)是一個電荷量為1的負(fù)點電荷模型產(chǎn)生的效應(yīng);對于分子來說,分子的總電荷量為0,分子產(chǎn)生的效應(yīng)就不再是最低階的點電荷,而是高階的偶極子或更高階的極子。

利用分子的偶極矩,可以判斷分子的極性。偶極矩越大,分子的極性越強;偶極矩為零,則分子為非極性分子。對于雙原子分子,分子的極性與鍵的極性是一致的;對于復(fù)雜的多原子分子的極性則不僅與鍵的極性有關(guān),還與分子的空間構(gòu)型有關(guān),這里我們就不再闡述多原子分子。

在純共價分子中,當(dāng)構(gòu)成分子的原子不同時,共用電子偏向于一個原子附近,這些分子是有極性的。也就是說,分子的一部分帶有正電荷,另一部分帶有負(fù)電荷。例如,水分子具有相當(dāng)強的偶極矩,可以使用電偶極子模型來表示極性分子。而我們所熟知的離子鍵其實就是一種極端的情況,即電子的得與失。因此在電子對共用的情況下,共價鍵也可以被認(rèn)為有部分離子鍵的品性。電子平均分配的情況主要發(fā)生在對稱分子中,這些分子通常被稱為非極性分子,如H2、O2和Cl2等。這些分子結(jié)構(gòu)的對稱性使得其電偶極矩為零,很顯然電偶極子模型對這些分子來說不再適用,這時高階電多極子矩的效應(yīng)就會體現(xiàn)出來,更精確地來說,這些非極性分子需要更高階的電多極子模型來表示。

水分子(H2O)通常是極性分子的代表(如圖3所示)。在水分子中,與兩個氫原子相比,電子對偏向于氧原子。其原因是氧原子的質(zhì)子數(shù)是8,所以核外共有8個電子(能級排布1s22s22p4),其中1s和2s能級上的4個電子形成對稱閉合的電子層,其余4個電子在2p能級(有3個軌道)上,它們的概率分布不是球?qū)ΨQ的,由于2p能級軌道沒有全部占滿,所以來自氫原子的電子相當(dāng)于被帶電量大小為+4e的電荷吸引,同時這個電子也被氫原子核吸引,所以這些電子圍繞H 原子核和O 原子核旋轉(zhuǎn)。由于O原子核對電子的吸引比H 原子核強,所以其凈效應(yīng)是每個H 原子上都帶有小于1e的正電荷(水分子中氫原子的1個電子不完全屬于氫原子),同時氧原子上帶有了小于1e的負(fù)電荷。

氫鍵在一些極性分子發(fā)揮著重要作用(如圖3所示)。在水或者其他一些強極性分子中,H-X 鍵中X 原子對電子的吸引較強,氫原子幾乎成了氫離子,為了維持分子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,在這些強極性分子間就會形成氫鍵,符號表示為X-H…Y。氫鍵通常是最強的弱鍵,其原因是氫原子是最小的原子,原子間距離較短,原子間的相互作用就較強。實質(zhì)上,氫鍵就是兩個偶極子之間的電子少量共享,從而使其建立更牢固、更持久的關(guān)系。

圖3 水分子間通過氫鍵相互作用

3 電偶極子與DNA分子

弱鍵在生物細(xì)胞內(nèi)許多結(jié)構(gòu)中都起著重要作用,如氫鍵在維持DNA 穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)(如圖4所示)中就發(fā)揮了重要作用。

圖4 (a)DNA 分子結(jié)構(gòu)圖,紅點表示氫鍵;(b) 氫鍵(紅點)將DNA 分子C-G 堿基對結(jié)合在一起,一個分子上的H+與另一分子上的N-或C+---O-相吸引[2]

1953年WATSON 和CRICK 發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)[3,4],兩條多聚核苷酸鏈相互反平行盤繞成雙螺旋;互補堿基之間由位于螺旋內(nèi)部的氫鍵聯(lián)結(jié)(如圖4所示)。脫氧核苷酸鏈通過氫鍵作用形成一定的空間結(jié)構(gòu),具有調(diào)節(jié)基因表達(dá)的功能,與動植物生長發(fā)育、疾病發(fā)生等有密切關(guān)系。有了堿基間氫鍵的作用才能構(gòu)成豐富復(fù)雜的DNA 分子[5,6],如果沒有堿基之間的氫鍵,就不可能組裝成DNA 雙螺旋鏈[7]。

在正常溫度下(T≈300K),分子在活細(xì)胞內(nèi)的平均動能約為≈0.04eV,屬于弱鍵的范圍。這意味著一個弱鍵很容易被分子碰撞打破。因此,弱鍵并不是永久性的——相反它們只是輕微的吸引。弱鍵容易斷裂也容易重新組合,這就十分有利于生物體DNA 復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等一些生命活動的進(jìn)行。

4 電偶極子與物質(zhì)的溶解性、蛋白質(zhì)功能

電偶極矩的大小會影響混合物中各組分的溶解度。因為水是極性分子,有很強的電偶極矩,它可以很好地作為其他分子的溶劑。這些分子包括弱偶極矩分子、強偶極矩分子和離子。另一方面,沒有偶極矩的分子或者分子大到它們有很大的區(qū)域沒有偶極矩的分子,在水中就不能很好地溶解,例如有些油沒有偶極矩,就不能與水混溶。

分子所具有的電荷分布也能決定那些沒有嚴(yán)格歸類為油的物質(zhì)是否能在水中很好地溶解。任何曾經(jīng)咬過一個很辣的辣椒,如哈瓦那辣椒、墨西哥紅辣椒、皮奎辣椒等(如圖5所示),然后又喝了一大口水的人,都可以證明水并不能洗去疼痛的感覺。辣椒素是辣椒中的活性化學(xué)物質(zhì),由于其電荷分布,辣椒素在冷水中不容易溶解[8]。然而,辣椒素在水中的溶解度會隨著酒精的加入而增加。醇分子具有弱電偶極矩,能與水和辣椒素充分混溶。除此之外,辣椒素也能與油、一些淀粉和蛋白質(zhì)很好地混合。在日常生活我們通常用大米或肉可以緩解辣椒素帶來的疼痛感[9]。

圖5 辣椒[9]

電偶極子在人體的許多感覺器官中起了重要作用,偶極子的電荷分布直接影響著機體的感覺。吃辣椒的人的痛覺就是由分子中的電荷分布引起的。蛋白質(zhì)TRPV1 是人類的一種神經(jīng)元受體,它能將感覺信號傳遞給大腦。經(jīng)研究[10],TRPV1蛋白通道變化如圖6所示。

該通道有兩個“閘門”來控制離子的流動,其上閘門位于孔區(qū)的選擇性濾器附近,下閘門位于S6交叉附近。通過創(chuàng)建大量的TRPV1通道突變體,并在活細(xì)胞中的對所有突變體進(jìn)行單通道記錄,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)辣椒素的結(jié)合在時域上首先引起其位于跨膜內(nèi)部的結(jié)合口袋周圍的構(gòu)象變化,繼而引起下閘門附近的構(gòu)象變化,最后導(dǎo)致上閘門附近的構(gòu)象變化。

TRPV1蛋白質(zhì)在與辣椒素信號分子結(jié)合后,蛋白質(zhì)內(nèi)的電荷分布會發(fā)生變化。隨著電荷分布在分子中的改變,蛋白質(zhì)會改變它們的形狀(折疊和展開),并將人類周圍環(huán)境溫度的信息傳遞給神經(jīng)元(如圖7所示)。辣椒素激活TRPV1蛋白,疼痛信號通過神經(jīng)細(xì)胞傳輸?shù)酱竽X,這時我們就感覺到辣椒的辣味。[11]

圖6 TRPV1蛋白通道變化流程圖[10]

圖7 辣椒素刺激TRPV1蛋白產(chǎn)生痛覺過程圖[11]

許多蛋白質(zhì)的功能都是由電荷分布的變化所引起的折疊和展開來決定的。姜是一種溫性香料,它含有姜辣素,也可以通過改變電荷分布來觸發(fā)類似的受體。薄荷醇也會導(dǎo)致人類神經(jīng)元受體蛋白的電荷分布發(fā)生類似的變化,并能將周圍環(huán)境的冷熱信號傳遞給中樞神經(jīng),這就是為什么人們認(rèn)為薄荷是涼的。

5 電偶極子與心臟電活動

在介紹電偶極子與心電圖之前,我們首先要了解一下電偶層。所謂電偶層是指相距很近、相互平行且具有等值異號電荷密度的兩個帶電面,可以將電偶層看成是許多平行排列的電偶極子的集合[12]。

人體心臟內(nèi)心肌細(xì)胞就存在著電偶層構(gòu)成的閉合曲面,靜息時,細(xì)胞膜內(nèi)均勻帶負(fù)電,細(xì)胞膜外均勻帶正電,如圖8(a),此時心肌細(xì)胞的正、負(fù)電中心重合,是一個中性帶電體。當(dāng)心肌細(xì)胞受到某種刺激時,細(xì)胞對離子的通透性改變,胞外的Na+穿過細(xì)胞膜到達(dá)細(xì)胞膜內(nèi)壁,膜內(nèi)電位升高,膜外電位降低。導(dǎo)致細(xì)胞膜兩側(cè)的局部電荷的電性改變,即膜外帶負(fù)電,膜內(nèi)帶正電,如圖8(b),于是細(xì)胞整體的電荷不再均勻分布而顯出電性,此時的心肌細(xì)胞正、負(fù)電中心不重合,而整個心肌細(xì)胞類似于一個電偶極子,形成一個電偶極矩,刺激在細(xì)胞中傳播時這個電矩也跟著變化,這個過程稱為除極。除極過程結(jié)束后恢復(fù)到靜息狀態(tài)的過程稱為復(fù)極。隨著心臟電活動的傳播,心肌細(xì)胞電偶極矩的大小和方向不斷變化,從而引起其周圍電場的不斷變化。

圖8 (a) 細(xì)胞靜息狀態(tài);(b) 細(xì)胞受刺激后電位變化圖[2]

心臟是由心肌組成的,每個部分的心肌又是由大量的心肌細(xì)胞組成。心臟的生物電變化來源于心肌細(xì)胞的除極與復(fù)極的變化過程。整個心臟等效于一個電偶極子,它在某時刻的電偶極矩就是所有心肌細(xì)胞在該時刻的電偶極矩的矢量和,稱為瞬時心電向量。瞬時心電向量是一個在大小、方向上都隨時間作周期性變化的矢量,其箭頭的坐標(biāo)按時間、空間的順序加以描述,連接成軌跡稱為空間心電向量環(huán)。心電向量的電場周期性的變化,使人體各處電勢隨之周期性地變化[13,14]。

心電圖儀測量的是胸部不同部位之間的電勢差隨時間的變化曲線。心臟細(xì)胞的極化和去極化引起電勢差,所有心臟細(xì)胞的電勢疊加使得心臟整體電勢的變化更為復(fù)雜,心臟整體的電勢差由連接在皮膚上的電極測出,所測得的電勢差被放大并被圖表記錄儀或計算機記錄下來,產(chǎn)生一個復(fù)雜的電勢差隨時間變化曲線(如圖9所示)。

圖9 人體心臟電勢隨時間的變化曲線[2]

心電圖單一正常周期表示每個心臟周期中發(fā)生的連續(xù)心臟去極化和再極化[15]。

6 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了電偶極子在生命科學(xué)中的應(yīng)用,電偶極子這一基本物理學(xué)模型在各個交叉學(xué)科中起著重要作用,不僅在原子、分子等微觀水平的研究提供了有力支撐,也在細(xì)胞器管等宏觀生命體的研究中起到舉足輕重的作用。電偶極子在生命科學(xué)中的應(yīng)用極大地推動了人類科學(xué)的進(jìn)步。