缩合反应和水解反应

阿力木江 · 依明

新疆维吾尔自治区叶城县第三中学 新疆 叶城

摘要：水分子是细胞和生物体的组成主要组成部分，细胞和生物体生命活动离不开水分，虽然它不给生命提供能量但是存在于游离和结合形式参与构成细胞和生物体，与此同时以上两种水通过相互转化直接决定细胞和生物体的生理功能从而使生物向环境适应保证生命活动的正常进行。

前言：水是细胞中含量最多的化合物，生物体内的水以自由水和结合水等两种形式存在的，结合水/自由水的比值按照生物种类，个体发育期和同一个体组织或器官的不同有所区别；即水生生物体内的这个比值低于陆生生物；幼嫩个体中结合水/自由水的比值大于成熟的个体；另外这个比值越大组织或器官越坚挺。总的来说结合水/自由水的比值决定细胞(生物)的代谢强度和高纬度区域野外植物的低抗性，这个比值的大小与抗逆性成正比，与代谢强度成反比。

结合水/自由水的比值的变化是缩合反应或水解反应，是生物大分子合成和水解相关的过程，是教学中的难点。

关键词：结合水；自由水；结合水/自由水的比值；功能团；脱水缩合；水解

自由水：在细胞中以游离形式存在，可以自由流动，平时它的含量比结合水多。

自由水的作用:细胞中良好溶剂，为细胞提供液体环境，并决定渗透压的主要因素；另外自由水是细胞内各种化学反应的介质，许多化合物溶解自由水后才能参加各种化学反应；还有自由水的比热容量比较大，通过蒸发作用一起散失掉多余的热量，从而起着调节体温作用使生物向环境适应。

结合水：是在生物体内与其他化合物相结合的水，不能自由流动；它与细胞质的胶体状态和细胞的结构有着密切关系，结合水在细胞中与其他化合物一起参与细胞结构，同时在细胞内与自由水相互转化形成特殊的水分代谢。那么什么叫结合水？

结合水:与氨基（-NH2），羧基（-COOH），羟基（-OH），酮基和醛基（- CHO）等功能团通过氢键而结合的水叫做结合水；这些功能团存在于核酸，单糖，二糖，多糖中，还存在脂肪，氨基酸，肽类，蛋白质以及ATP等化合物中，含有以上功能团的化合物都是亲水性的 ；适宜的环境中氢键可以断裂自由水离开以上的化合物，不良环境中正恰相反；从而使结合水/自由水的比值不断变化，这与细胞或生物所处的环境有密切的关系。

实际上这个过程是核酸，蛋白质，肽类，多糖，二糖，ATP等化合物在细胞内合成或水解时发生的水分子的转化过程。生物体或细胞除了从外界吸收自由水外还通过脱水缩合发反应也产生水分子。

什么是脱水缩合反应？：教科中上以蛋白质的合成为例只解释 - NH2和- COOH之间的脱水缩合反应（下面简称缩合反应），这是缩合反应中的一个例子而已 ，其实这个反应还含有羟基，醛基等功能团的化合物之间也发生；详细的说、除了氨基酸的 氨基和羧基之间发生缩合反应之外，含有羟基，醛基等功能团的以下化合物之间也发生缩合反应，即C6H12O6 （葡萄糖）与C6H12O（葡萄糖）、C6H12O6（葡萄糖）与C6H12O6（半乳糖）、C6H12O6（葡萄糖）与C6H12O6（果糖）之间等，还有C3H8O3（甘油）与C54H108O6 （脂肪酸）之间、 H2PO4与五碳糖之间，H2PO4 与H2PO4 之间都发生缩合反应失去H2O分子，在此过程中形成肽键、糖苷键，二酯键、高能磷酸键等化学键。

以上化学反应发生在细胞膜 、核糖体、细胞质基质 、内质网、叶绿体基质 、白色体，线粒体基质以及线粒体内膜，高尔基体、细胞核等场所。

在核糖体上相邻氨基酸中的氨基和羧基之间发生缩合反应，形成肽键而合成肽链（蛋白质），它的合成由于受基因的控制，要经过转录和翻译过程，因此在DNA复制时H2PO4和脱氧核糖的羟基之间发生缩合反应，还有RNA链转录时H2PO4和核糖中的羟基之间也发生缩合反应同样形成二酯键。这个过程进行在细胞核（或拟核）叶绿体，线粒体等场所；它们水解的时候消耗自由水将以上的化学键断裂（水解）使核酸转化成核苷酸。

多糖（淀粉、糖原、纤维素）都是有葡萄糖缩合而成的多聚体，相邻的葡萄糖分子结合时它们的羟基之间发生缩合反应，但场所不同。如淀粉在光合作用过程中首先在叶绿体基质中由葡萄糖脱水缩合而形成并暂时贮存，淀粉运出叶绿体之前在叶绿体基质中水解成葡萄糖，并进入到细胞质，一部分葡萄糖用于细胞的呼吸，另一部分葡萄糖在叶肉细胞质中与果糖结合成蔗糖，蔗糖通过筛管运送到种子的胚乳细胞,块茎和块根等贮藏组织，并那些组织细胞内的白色体重新缩合成淀粉，种子萌发的时候那里的淀粉又水解变成葡萄糖等有机物用于细胞的呼吸作用。糖原是人和动物体内的多糖，主要储存在肝脏和骨骼肌等，脑组织储存量并不多，由葡萄糖缩合而成的储能物。人和草性动物通过消化道获取葡萄糖，肉食性动物在细胞内将氨基酸和脂肪酸转化而获得葡萄糖，葡萄糖在以上细胞的光滑内质网中脱水缩合成糖原，当血糖浓度降低的时侯糖原被水解变成葡萄糖提供细胞的呼吸作用。

纤维素植物体内的多糖，原来细胞膜上有纤维素合成酶复合体，它催化蔗糖的水解成葡萄糖和果糖，接着又催化葡萄糖缩合形成纤维素，即纤维素合成在细胞膜上，而高尔基体内合成的是果胶和半纤维素，以上成分都参与植物细胞壁的形成，它又是细胞板和棉花棉纤维等植物纤维的主要组成成分；食草动物肠道里的有些细菌和土壤中的纤维素分解菌将纤维素水解成葡萄糖用于食草动物和微生物细胞的呼吸作用等，这时消耗水分子。

C3H8O3（甘油）与C54H108O6 （脂肪酸）缩合形成脂肪（C57H110O6），脱去3H2O，水解时消耗水分解为甘油与脂肪酸 。

ATP是高能磷酸化合物，是细胞生命活动所需能量的直接来源，它由腺苷和三分子磷酸组成，腺苷由腺嘌呤和核糖组成，以上成分都含有羟基；细胞内发生放能反应时腺苷的羟基和H2PO4的 羟基之间发生缩合反应，还有三个磷酸的羟基之间也发生缩合反应脱去水分子形成高能磷酸键，生成ATP，这些反应发生在原核细胞的细胞膜内表面，细胞质基质，又发生真核细胞的细胞质基质，线粒体基质和内膜，叶绿体的类囊体薄膜表面；细胞中发生吸能反应时高能磷酸键断裂ATP被水解释放能量，此时消耗水分子。总而言之缩合反应失去的水分子数目等于水解时消耗的的水分子数目。