3.2　無機離子

生命是大量的生物活性物質參與的自組裝的總結果，金屬離子是其中很重要的一類組分。金屬離子本身不能形成氫鍵，但與水分子通過靜電作用形成水合物。形成這些水合物的水分子的氫原子都朝向外側，它們作為氫鍵供體與周圍的水分子進一步形成氫鍵（圖3-1）。形成水合物對金屬離子參與的任何過程的熱力學和動力學都產生很大的影響，因為任何一個過程的發生首先都需要金屬離子的去水合或部分去水合。一個典型的過程是Na⁺和K⁺等離子的跨膜輸送。這些離子必須去水合才能通過輸送蛋白的通道，水合分子數和水合穩定性決定了輸送的選擇性和速率。另外，水合金屬離子相對于金屬離子本身的體積明顯增大，在水中的運動始終受到結合的水分子與周圍水分子之間形成的氫鍵的“拖拽”。

圖3-1　水合鈉離子（環內）由離子-偶極靜電相互作用驅動，相應水分子作為供體與周圍水分子形成氫鍵

氨基酸代謝過程中形成銨離子（）或氨，在生物體內很快被轉化為尿素。與水形成強的N—H…O氫鍵。的半徑與鉀離子相近，但鉀離子不能形成氫鍵，與水形成離子-偶極靜電相互作用。

氯離子（Cl^-）廣泛存在于組織和體液中，是細胞外液含量最高的陰離子，對調節人體內的水分、滲透壓和酸堿平衡等有重要作用。Cl^-在水中形成Cl^-…H—O氫鍵（圖3-2）。氟是生命體中的微量元素，與鈣磷代謝密切相關。氟負離子（F^-）與水形成F^-…H—O氫鍵。但由于氟的半徑遠小于氯，F^-…H—O氫鍵的強度遠高于Cl^-…H—O氫鍵，F^-的水合物的穩定性也高于氯負離子。而溴和碘負離子由于原子半徑進一步增加，通過氫鍵形成水合物的能力逐漸降低。

圖3-2　水合氯離子（環內）由Cl^-…H—O氫鍵驅動，相應水分子作為受體與周圍水分子形成氫鍵

人體血液的pH值為7.40（±0.05）。血液是一個緩沖溶液體系，主要包括NaHCO₃/H₂CO₃、蛋白質鈉鹽/蛋白質和Na₂HPO₄/NaH₂PO₄三個緩沖對，其中以NaHCO₃/H₂CO₃最為重要。因此，人體中也含有較低濃度的氫氧根負離子（OH^-）。OH^-與水形成很強的氫鍵，單水合物（圖3-3）的晶體中，HO^-…H—OH距離僅為1.15?^［1］。單水合物進一步與周圍的水形成氫鍵。這些氫鍵鍵長明顯增加，表明這些氫鍵較HO^-…H—OH氫鍵為弱。在溶液中，這是一個動態過程。其它的負離子也可以與水形成氫鍵，參與的水的數量和結合強度取決于這些離子本身的結構、體積、電荷數及可極化性等。

圖3-3　水合氫氧根負離子（）的晶體結構，顯示出超強O—H…O^-氫鍵的形成。兩個O原子又分別與兩個周圍的水分子形成兩個較弱的氫鍵