結構生物化學/水
水（分子式H2O）是所有生物體的重要組成部分，佔大多數生物體重量的70%或更多。它由一個氧原子與兩個氫原子透過極性共價鍵連線而成。由於其結構、化學和物理性質，它被認為是許多物質的通用溶劑。這些性質導致了水的許多獨特特性。
水是一種由兩個氫原子和一個氧原子組成的化合物，它們透過兩個σ鍵連線在一起，並且氧原子周圍有兩個孤對電子。氫核透過電子與中心氧原子連線的方式稱為共價化學鍵。水分子中的這些組分通常在氧原子周圍形成四面體排列，每個組分之間的預期鍵角為109.5°。然而，由於孤對電子的排斥力，情況並非如此。結果，電子將氫原子推得更靠近，導致氫原子之間的鍵角為104.5°。水分子的幾何形狀通常被稱為“彎曲”或“角形”。由於這是一種彎曲結構而不是線性結構，因此電荷分佈不是對稱的，這使得水分子具有極性特徵。
氧和氫上的部分電荷使水能夠參與氫鍵。氧上的部分負電荷被吸引到另一個水分子的氫上的部分正電荷。氧原子是部分負的，因為氧原子核比氫原子核更強烈地吸引電子。因此，氫原子的淨電荷變成部分正的。由於這種氫鍵特性，水分子表現出對其他水分子的吸引力，並具有電離能力。氫鍵雖然比離子鍵和共價鍵弱得多，但它是最強的靜電相互作用之一，並且是水許多獨特性質的原因，例如高熔點和沸點、高汽化熱和高表面張力。
水的獨特性質包括高沸點、高熔點、高汽化熱、高表面張力和高熱容。所有這些性質都表明水分子之間的分子間吸引力很高。
高熔點、沸點和汽化熱是水特有的性質，是由相鄰水分子之間的吸引力引起的。每個水分子的氫都與中心氧原子共享一對電子。由於氧的電負性更強，其原子核比氫原子核更強烈地吸引電子。結果使每個氫帶部分正電荷，而氧帶部分負電荷，也稱為偶極矩。這使得氫鍵成為可能，即一個水分子的氫原子與另一個水分子的氧原子之間的靜電吸引，並導致以下性質
比熱容是使1克水升高1°C所需的熱量。水具有高熱容，這意味著在獲得或損失能量後，它的溫度變化緩慢。事實上，水除了氨之外，具有所有已知物質中第二高的比熱容。水的熱容是直接由氫鍵產生的性質。氫鍵的綜合效應是巨大的，儘管氫鍵是由弱的非共價相互作用連線的。當吸收熱量時，氫鍵斷裂，水分子可以自由移動。當水的溫度降低時，氫鍵形成並釋放大量的能量。對溫度突然變化的抵抗力使水成為一個極好的棲息地，使生物體能夠在沒有經歷大幅度溫度波動的條件下生存。此外，由於許多生物體主要由水組成，因此高熱容的特性允許高度調節內部體溫。
與其他6A族氫化物（甲烷、氨）相比，水具有異常高的熔點，這是由於水分子之間的氫鍵。在其固態（冰）中，每個水分子都受到四個不同的氫鍵的影響——兩個氫原子各自能夠作為氫鍵供體，一個氧原子能夠接受來自相鄰分子的兩個氫鍵。
就像它的熔點一樣，水分子的沸點也比人們根據其他6A族氫化物的沸點外推所預期的要高。同樣，其原因是相鄰水分子之間的氫鍵。由於氫鍵是一種相對較強的分子間力，因此需要高熱能來破壞這種力。
汽化熱是將1克液態水轉化為氣態形式所需的熱量。與水的較高比熱容類似，較高的汽化熱也歸因於氫鍵。地球大部分被水覆蓋，因此水具有較高的熱容，為地球提供了更穩定的氣候。當具有最高動能的液體分子以氣體的形式逸出時，蒸發冷卻就會發生，使剩餘的分子具有較低的動能。水的這一特性穩定了湖泊和池塘的溫度。它可以防止植物和動物在暴露於過熱時過熱。
“依數性”是指溶液的某些性質，這些性質與溶劑一定體積內所含溶質分子的數量有關，而與溶質分子的種類無關。這些性質的例子包括蒸汽壓下降、沸點升高、凝固點降低和滲透壓下降。這些性質也適用於水。當將溶質，例如 NaCl，加入水中形成溶液時，整個溶液的沸點會升高。在水分子包圍下，NaCl 的晶格結構會由於溶質-溶質相互作用被更強的溶質-水相互作用取代而分解。然後，溶液中自由移動的水分子減少，導致體系熵降低。為了平衡這一點，需要更高的焓變來打破分子間作用力，以便將溶液沸騰成氣態。
當溶質溶解在水中時，凝固點會降低。原因是溶質分子的尺寸可能不適合水的晶體結構，並且當液體分子加入晶體時，為其他分子移動提供的自由空間減少。因此，需要更高的焓變來平衡熵的損失，並用水分子取代溶質分子。日常生活中一個常見的例子是在冬天向雪中新增鹽，以便更快地使其融化。因此，依數性都由溶質的性質決定，而不是由其分子數量決定。
水是少數幾種固態密度小於液態密度的物質之一。氫鍵是冰浮在液態水錶面的原因。正是由於水的這一特殊性質，才使得生命能夠在寒冷的天氣裡在湖泊中生存，因為湖泊是從上到下結冰，而不是從下到上結冰。當水溫降至 0°C 以下時，每個水分子都會與其他四個鄰居形成結晶晶格。氫鍵使每個分子保持一定的距離，這使得冰的密度小於液態水。隨著溫度升高，冰由於氫鍵形成的晶體結構被破壞。氫鍵聚集並變得更密集，因為晶體坍塌。因此，水的密度在 4°C 時最高。
高內聚力是指單個水分子由於氫鍵而傾向於“粘附”在其他水分子上的性質。在液態水中，氫鍵非常脆弱，當氫鍵共同將水分子結合在一起時，就會觀察到內聚力的性質。這些鍵以高頻率形成、斷裂和重新形成，使水分子比大多數其他液體更有結構。高內聚力導致水的兩個重要特徵：強大的毛細作用和高表面張力。水分子間的內聚力是將水輸送到植物中的一個關鍵性質。強大的毛細作用對於植物有效地運輸水分至關重要。水願意擴散到乾燥區域，尤其是在狹窄的空間織物中，水會利用其內聚力來吸引或拉動後面的水分子，然後再水分子蒸發。因此，即使植物的蒸發率很高，水分子的運輸也能繼續進行。如果沒有這種特性，植物最終會脫水，無法繼續進行光合作用。
表面張力是一種源於內聚力的性質。由於水分子之間的氫鍵，水比除汞以外的大多數其他液體具有更高的表面張力。水分子有序排列導致形成強表面張力介面。這種性質使水能夠像可伸縮的薄膜一樣發揮作用。它還作為許多水生生物的支撐表面，這些生物已經進化出將體重分散在較大表面積上的能力，而不會破壞水的表面張力。
水被稱為兩性物質，這意味著它能夠充當鹼或酸。當水是溶液的一部分時，平衡會發生變化。當水與強酸反應時，水將充當鹼，反之亦然，水與強鹼反應時將充當酸。由於水分子中氧原子有兩個孤對電子，因此水在涉及路易斯酸的反應中通常充當電子對供體或路易斯鹼。然而，水可以透過在水分子氫原子和電子對供體之間形成氫鍵與路易斯鹼反應。
水被認為是通用溶劑，因為它能夠溶解或解離大多數化合物。這種性質是由於其極性，其中氧的電負性高於氫。在溶液中，水的正氫側被吸引到待溶解化合物的負部分，反之亦然，負氧被吸引到正部分。因此，水可以解離並分解離子化合物。
- 介電常數 - 介電物質意味著電荷與特定的原子核相關聯；這些電子“束縛”在原子中。電場的存在會誘導淨偶極矩，這意味著電子會向正電位移動，但仍然束縛在分子上；然後說介電物質被極化。水的偶極矩為 6.17×10−30。
介電常數是極化程度的量度。水的介電常數很高，這是因為水分子具有偶極矩，水可以被極化。由於介電常數高，水能夠包圍離子，從而降低來自其他電荷的吸引力，使其成為離子或極性物質的良好溶劑，因此被稱為通用溶劑。
由於極性性質以及水分子容易發生氫鍵，因此不帶電荷但具有極性的分子很容易溶解。這主要是由於極性分子與水分子之間氫鍵產生的穩定作用。酮、醇、醛和具有 N-H 鍵的化合物與水分子形成氫鍵。這些生物分子往往在水中非常易溶。
當氫原子位於兩個具有電負性原子的原子之間成一直線時，不帶電荷的極性分子與水之間的氫鍵往往最強。因此，氫鍵被認為是高度方向性的。
氫鍵能夠調整溶質周圍的位置。這意味著氫鍵模式必須識別形狀和大小的差異，以便適應新分子。
水也會形成水化層。當溶質溶解在溶液中時，這會在水溶液中發生。然後溶質被部分正電荷的氫原子包圍，然後與溶質結合。這最終會產生新的鍵並形成溶液。
水對Na+和Cl-等離子也具有穩定作用。透過水化這兩種離子，兩種離子之間的靜電相互作用大大減弱，削弱了它們形成晶格結構的趨勢。這也適用於生物分子中存在的許多帶電官能團，例如羧酸、酸酐和質子化胺。水透過用溶質-水相互作用取代溶質-溶質相互作用來溶解具有這些給定型別帶電官能團的化合物。這樣做，靜電相互作用在溶質分子之間遮蔽。水由於其高介電常數而主要成為靜電相互作用的有效遮蔽。
水是一種用途廣泛的溶劑。例如，當NaCl的離子化合物晶體置於水中時，鈉離子和氯離子在溶劑中分離。水分子中的氫原子帶正電，吸引氯陰離子。同時，水分子中的氧原子帶負電，吸引鈉陽離子。水分子透過水合作用遮蔽單個鈉離子和氯離子彼此之間的影響；因此，水分子極性直接影響溶質的解離。此外，當晶體物質溶解在水中時，它們獲得更大的運動自由度，從而增加系統的熵。系統熵的這種增加在很大程度上是鹽易溶於水的根本原因。從熱力學的角度來看，溶液的形成伴隨著有利的自由能變化。
雖然水對極性化合物來說是一種相對良好的溶劑，但這對於非極性化合物絕對不是這樣。非極性化合物不僅不會溶解在水中，而且還會在水中引起不利的相互作用。分子的非極性（通常是疏水）部分（例如許多有機分子的烴骨架）導致周圍的水分子變得有序，這是一個不利的過程，因為熵減少了。
通常，分子也會以某種方式排列，使分子的親水極性部分遮蔽疏水非極性部分免受周圍水分子影響，形成膠束。一個常見的例子是細胞質膜中的“脂雙層”，其中極性頭部排列在一起，以遮蔽非極性脂肪酸尾部免受細胞外的水的影響。這樣，親水頭部暴露於外部水分子，而疏水尾部幾乎完全沒有水。膠束結構在人體中發現的脂溶性維生素和複雜脂類的吸收中很重要。
當酶和底物存在於溶液中時，有時有序的水分子會從這兩個基團的中間移開以允許相互作用。這種現象增加了分子的無序性，即熵增加，表明該過程在熱力學上是有利的。當水分子離開後，底物和酶可以形成酶-底物複合物，然後啟動由酶控制的化學反應鏈。這是一個脫溶劑化的例子。
水不僅是許多生物分子的溶劑，而且在生物體中許多生物分子的反應中也起著巨大的作用。一個典型的例子是ADP轉化為ATP，這是生物體儲存能量的重要過程。在這個過程中，發生縮合反應，其特徵是在反應物ADP與第三個磷酸基團偶聯時消除水；因此，水是該反應的產物。當需要能量時，會發生一種水解反應，其中需要水來水解ATP以釋放能量。當水作為反應物時，例如在水解反應中，富含電子的氧將充當親核試劑。水解反應往往是放能的，這意味著能量被釋放。由於水的幫助，一個分子產生兩個分子，因此這些型別的反應是有利的，因為系統的隨機性增加了。水也往往是植物和動物呼吸過程中發生的氧化還原反應的重要組成部分。
氫鍵以及離子、疏水和範德華相互作用比共價鍵弱得多。儘管它們很弱，但這些各種相互作用的累積效應可能非常顯著。例如，酶與其底物的非共價結合可能涉及幾個氫鍵和至少一個或多個離子相互作用，以及一些疏水和範德華相互作用。每個弱鍵的形成都有助於系統自由能的淨減少。然後可以從結合能測量非共價相互作用的穩定性。穩定性隨結合能呈指數變化。因此，蛋白質、DNA和RNA等大分子具有如此多的潛在氫鍵或離子、範德華或疏水相互作用位點，具有許多小的結合力，當這些力結合在一起時，力變得巨大。對於大分子，最穩定的結構通常是弱相互作用最大化的結構。這解釋了單個多肽或多核苷酸鏈摺疊成其三維形狀的原因取決於這一原理。
1.http://intro.chem.okstate.edu/1215/lecture/chapter7/lecture92898.html
2.http://en.wikipedia.org/wiki/Freezing-point_depression
3.http://en.wikipedia.org/wiki/Evolutionary_history_of_plants
4.http://library.thinkquest.org/28751/review/biochem/2.html
5. Lehninger生物化學原理，第四版，W. H. Freeman，2004年。
6.https://wikibook.tw/wiki/Structural_Biochemistry/Chemical_Bonding/Hydrogen_bonds