研究氢气和水，绕不开氢键问题。对于生物的意义，氢键可以说是最具有生物性的原子间作用力，氢键的特点不是非常强，具有方向性和柔软性，这决定了生物分子具有可塑性，也赋予生物分子具有生命力，是生物进化的原子基础。

J. Mater. Chem. B, 2013, 1,3742

氢键是化学领域的概念，是1940年美国化学家鲍林教授提出的。鲍林教授先后获得两次诺贝尔奖，一个化学奖一个和平奖，化学奖是因为把量子力学应用于化学键的解释。鲍林教授很出名的另一个因素是他长期坚持认为维生素C具有抗衰老，治疗感冒和抗癌症的作用。

传统的完整氢键定义是这样的：氢原子与电负性大的原子X以共价键结合，若与电负性大、半径小的原子Y接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H…Y形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用，称为氢键。简单说氢键就是两个电负性强的原子共同结合一个氢原子的相互作用。两个电负性原子分为氢键供体和氢键受体，两个原子分享氢原子的孤对电子。酸度增加可以提高氢键供体的成键能力，碱度增加可以提高氢键受体的成键能力。氢键健能大约为5–65 kcal/mol，氢键强度比典型的共价键弱，比一般的分子间范德华力强。

氢键在生物体系具有极端重要的作用，生物体系在水溶液中运行，氢键是水具有许多特征的基础。例如沸点、介电常数和表面张力都非常高。水是在环境中普遍存在的“普通”物质，但是从它的化学结构和它所表现出来的物理和化学特性来看，它实实在在是“不普通”的物质。水分子的化学表达式是H2O，意思是一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的。水的熔点和沸点分别是摄氏0度和摄氏100度，这两个温度比起其他的有类似组分的化合物，譬如硫化氢，都相对比较高，这是个和化学中的普遍规律相反的现象。作为一个式量为18的小分子，液态水所表现出来的流动性和粘滞性也都反常地高。在自然的状态下，水可以以自然界中物质最常见的所有三种形态存在，也就是固态，液态和气态，但是按照自然界中别的物质的“标准”的变化规律，水的物理状态的变化规律是非常的与众不同的：譬如液态的水在冷却的过程中体积不是单调地减小的，而是在四摄氏度左右达到体积的最小值也就是最大密度的状态，接着如果水温继续降低甚至结冰了，水的体积反而不断地变大而密度反而下降，这也是冬季结冰的河水是浮于河面上而不是沉到河底的原因。水还有一个非常奇异的物理本质就在于它的高热容量。水吸收和传输热量的能力是相当高的，在0摄氏度下面熔解1千克冰的热量足以使1千克的铝升温570摄氏度，这个特性所令人惊讶之处就在于水的分子构型如此简单，在常见的状态下也没有什么特别的结构可以用于解释水的这种高热容特性。

生物体系中和氢键关系密切的最著名的生物大分子就是DNA，这种分子的两条侧链就是通过氢键紧密结合起来的， DNA分子中氢键的供体是胺质子供体（–NH2或–NH），氢键的受体是羰基。DNA分子中碱基对就是决定于形成氢键个数和氢键供体受体关系。氢键也是蛋白质结构的最重要基础，是多肽内最重要的非共建原子相互作用，例如蛋白质最常见的二级结构α螺旋和β折叠都是基于氨基酸残基之间氢键结构，蛋白质内一般也是胺和羰基形成氢键。生物大分子中胺羰基氢键虽然是最重要类型之一，此外多糖分子如纤维素和甲壳素的羟基也是氢键的重要结构基础，羟基为基础的氢键可以形成非常牢固的生物分子结构。

此文章摘自氢气医学领军人物孙学军的微信公众号《氢思语》，转载请注明出处。