朱欽士 （美國南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2019年第4期第12頁）

6 色素分子吸收可見光的原理

細(xì)胞中常見的分子，例如氨基酸、核苷酸、脂肪酸、葡萄糖，以及由它們組成的蛋白質(zhì)、核酸、脂肪和淀粉都無法吸收可見光， 因?yàn)檫@些分子的吸收峰都在紫外區(qū)。 這個事實(shí)也可以從這些分子都沒有顏色這一現(xiàn)象中辨別。 如果一種分子能吸收可見光， 由于它通常不可能吸收可見光中所有波長的光，而只能吸收某些波長的光，沒有被吸收的光就會顯現(xiàn)出顏色。例如某個分子吸收藍(lán)綠光，沒有被吸收的可見光在人們眼中就顯現(xiàn)為橙紅色。 因此，如果一種分子有顏色，則說明它能吸收可見光。人們將這些能吸收可見光，因而也有顏色的分子稱為“色素”（pigment）。 生物所使用的色素主要是視黃醛（retinal）和葉綠素（chlorophyll），其中視黃醛是橙黃色的，葉綠素的顏色是綠色的，它們都可以將太陽光的能量轉(zhuǎn)化為跨膜氫離子梯度。在進(jìn)一步介紹其生理功能前，先介紹為什么色素分子能吸收可見光。

一個分子要吸收可見光， 必須要有電子能吸收可見光波長范圍內(nèi)的光子的能量， 而躍遷到更高的能級軌道上， 這與分子中電子所在的化學(xué)鍵有關(guān)。 色素分子和其他主要的生物分子（葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸等）一樣，也是以碳原子彼此相連形成的線狀（分支或不分支）或環(huán)狀的結(jié)構(gòu)為骨架的。色素分子之所以能吸收可見光，與它含有由許多雙鍵，特別是碳原子之間的雙鍵，所組成的巨大“共軛系統(tǒng)”（conjugated system）有關(guān)。

碳原子以4 條共價鍵與其他原子（包括碳原子）相連。 如果這4 條鍵都是單鍵，碳原子外層的4 個電子（1 個s 電子和3 個p 電子）的軌道彼此混合，形成4 個相同的軌道，稱為sp3雜化軌道。這4 個軌道再與其他原子以單鍵相連。 單鍵對電子的束縛較大， 吸收光能實(shí)現(xiàn)電子躍遷需要的能量較多， 因此吸收的光波長都較短。 例如甲烷（1個碳原子與4 個氫原子以單鍵相連）的吸收峰在125 nm，其他飽和烷烴（即由碳原子以單鍵連成的鏈或環(huán)，上面再連上氫原子）的吸收峰在150 nm 左右，都在紫外區(qū)，飽和脂肪酸的長“尾巴”部分就相當(dāng)于飽和烷烴。葡萄糖和氨基酸分子的骨架也由碳原子以單鍵相連組成，這些單鍵中的電子躍遷吸收的光都在紫外區(qū)，在可見光區(qū)都沒有吸收。

碳原子之間以雙鍵相連時，就不形成sp3雜化軌道，而是2 個p 電子和1 個s 電子的軌道混合，形成3 個sp2雜化軌道， 剩下的1 個p 電子的軌道不變，仍為紡錘形。 在碳-碳雙鍵中，一條鍵是通過sp2雜化軌道形成的，另一條鏈?zhǔn)俏锤淖兊膒軌道彼此重疊形成的。 這種重疊的p 軌道叫做π軌道，π 軌道中的電子叫做π 電子。 由于碳原子之間是通過2 條共價鍵相連，它們之間的距離（即雙鍵的長度）為0.134 nm，明顯短于碳-碳單鍵的0.154 nm。雙鍵中電子的運(yùn)動范圍比單鍵大，躍遷所需要的能量也比單鍵少， 例如乙烯的吸收峰就在162 nm，長于乙烷的135 nm。

如果有2 個碳-碳雙鍵，彼此被一條單鍵隔開，這2 個雙鍵的π 軌道又可以彼此部分重疊， 形成一個共同的大π 軌道， 使得隔開2 個雙鍵的那條單鍵變短，從0.154 nm 變?yōu)?.148 nm，成為部分雙鍵，相當(dāng)于2 個雙鍵和它們之間的1 個弱一些的雙鍵融合在一起，使電子活動的范圍更大，躍遷需要的能量更低，例如1，3-丁二烯的吸收峰就在217 nm，長于乙烯。 這種π 軌道可彼此重疊的雙鍵就稱為“共軛雙鍵”（conjugated double bonds）。

除了2 個雙鍵可形成共軛雙鍵， 多個被單鍵隔開的雙鍵還可形成更大的共軛系統(tǒng)， 即更大的π 軌道，因?yàn)樗鼈兊摩?軌道也可以像丁二烯分子內(nèi)的2 個π 軌道那樣彼此重疊。 參與共軛雙鍵體系的雙鍵數(shù)量越多，π 軌道的范圍越大，電子的活動范圍就越大，躍遷需要的能量則越少。例如1，3，5-己三烯（3 個雙鍵共軛）的吸收峰移到285 nm，葵5 烯（5 個雙鍵共軛）的吸收峰在335 nm。 組成蛋白質(zhì)的氨基殘基中，酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸的側(cè)鏈含有由3～4 個雙鍵組成的環(huán)狀共軛系統(tǒng)，所以蛋白質(zhì)在280 nm 有一個吸收峰， 可用于測定蛋白質(zhì)的濃度。 DNA 中的堿基（嘌呤和嘧啶）也是環(huán)狀的共軛系統(tǒng)，在260 nm 有吸收峰，可用于測定DNA 的濃度。 盡管如此，這些光吸收仍然在紫外光的范圍內(nèi)，要有效地捕獲光能，需要更大的共軛系統(tǒng)，將吸收區(qū)域轉(zhuǎn)移到可見光的范圍內(nèi)，這就只有色素分子辦得到。上面說的視黃醛和葉綠素就是具有這種功能的分子，下文分別加以介紹。

7 結(jié)合于膜蛋白上的視黃醛分子在受到光照時可建立跨膜質(zhì)子梯度

視黃醛（retinal）的分子構(gòu)造有點(diǎn)像醌分子，也含有一個由6 個碳原子連成的環(huán)狀“頭部”和一條親脂的“尾巴”（圖4）。 視黃醛的“頭部”并不像醌分子那樣含有2 個羥基， 所以沒有傳遞氫原子的功能，但它“尾巴”的結(jié)構(gòu)卻使它有另一種奇特的功能，就是在受到光照時可改變形狀。軛系統(tǒng)，包括6 碳環(huán)中的1 個雙鍵和“尾巴”中的4個雙鍵。 僅憑這5 個雙鍵組成的共軛系統(tǒng)，視黃醛的吸收峰仍然在紫外區(qū)域，峰值大約在380 nm。之所以視黃醛能吸收可見光， 和視黃醛與蛋白質(zhì)的結(jié)合有關(guān)。

視黃醛分子“尾巴”末端的醛基可以和蛋白質(zhì)分子中的一個賴氨酸殘基上的氨基以共價鍵結(jié)合，形成一個稱為“席夫堿”（Schiff base，由氨基NH2和羰基C=O 縮合而成的C=N 鍵）的結(jié)構(gòu)，這樣視黃醛就可以與蛋白質(zhì)分子以共價鍵相連了。不僅如此，席夫堿上的氮原子還能與蛋白質(zhì)中帶羧基的氨基酸（例如谷氨酸和天冬氨酸）側(cè)鏈上的氫離子結(jié)合，稱為席夫堿的“質(zhì)子化”（protonated）。 席夫堿及其質(zhì)子化都會增大視黃醛分子共軛系統(tǒng)中電子的自由度， 使其吸收峰從原來的380 nm 移到可見光的范圍內(nèi)（500 nm 或更長）。 由視黃醛和視蛋白（opsin）共價相連組成的分子叫視紫質(zhì)（rhodopsin），是轉(zhuǎn)化太陽光能量的分子。

視紫質(zhì)之所以能轉(zhuǎn)化太陽光中的能量， 除了能吸收可見光外，還與“尾巴”的性質(zhì)有關(guān)。 視黃醛的“尾巴”含有由雙鍵組成的大共軛系統(tǒng)，而雙鍵是不能轉(zhuǎn)動的，這樣的結(jié)構(gòu)就具有“剛性”，像一根不易彎曲的“棍子”。 但奇特的是，它在受光照射時可改變形狀，從“全反式”（與雙鍵相連的2個碳原子在雙鍵的異側(cè)）變?yōu)椤?3-順式”（在第13位碳原子處的雙鍵， 與其相連的2 個碳原子在雙鍵的同側(cè)），也就是“直棍”在中間拐個彎，變成“彎棍”。 此性質(zhì)就可用于跨膜移動氫離子。

例如有些古菌就利用視黃醛建立跨膜氫離子梯度。 這些古菌是“嗜鹽菌”(Halophiles)，可在高濃度的鹽溶液中生活。 其中的鹽桿菌（Halobacteria）的細(xì)胞膜呈紫色， 因?yàn)槟ど虾写罅康囊曌腺|(zhì)蛋白。 它有7 個跨膜區(qū)段，在細(xì)胞膜內(nèi)圍成筒狀，視黃醛分子就位于筒的中央，與第216 位的賴氨酸形成席夫堿共價連接。 這個席夫堿上的氮原子能與第96 位上的天冬氨酸殘基上的1 個氫離子結(jié)合，即質(zhì)子化，使視紫質(zhì)蛋白中視黃醛能吸收500 ～650 nm 的 光（綠 色 和 黃 色），其 吸 收 峰 在568 nm，呈現(xiàn)紫紅色。 在受到光照時，視黃醛分子形狀變化，從“直棍”變?yōu)椤皬澒鳌薄?這個形狀的改變就將氫離子從位于膜內(nèi)側(cè)的第96 位的天冬氨酸殘基上，轉(zhuǎn)移到位于膜外側(cè)第85 位的天冬氨酸殘基上，再釋放至細(xì)胞膜的外面，產(chǎn)生跨膜氫離子梯度（圖4）。 這是鹽桿菌利用光能的巧妙機(jī)制，也屬于廣義的“光合作用”的范疇。

這種利用光能的方法雖簡單直接，但它只能形成跨膜氫離子梯度，而不是像基于葉綠素的光合作用那樣還可以產(chǎn)生具有還原作用的高能電子用于有機(jī)合成，所以只有少數(shù)微生物使用它。雖然如此，視黃醛在受到光照時改變形狀這一寶貴的特性，還被生物用于執(zhí)行別的功能，包括開啟離子通道。 例如一些嗜鹽菌所含的鹽菌紫質(zhì)（Halorhodopsin），在受橙色光照射時可打開膜上的離子通道，讓帶負(fù)電的氯離子通過細(xì)胞膜。 真核生物萊氏衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）在細(xì)胞膜上含有光敏離子通道（channelrhodopsin），它在受到光照時開啟，讓各種正離子，例如氫離子、鈉離子、鉀離子和鈣離子通過細(xì)胞膜。

視黃醛最重要的生理功能，是形成動物（包括人）的視覺。光照時動物的視紫質(zhì)不是產(chǎn)生跨膜氫離子梯度，而是通過視黃醛受光照時的形狀改變，使與之結(jié)合的蛋白形狀改變， 在視覺細(xì)胞中將光能轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號，使動物產(chǎn)生視覺。由于視紫質(zhì)在視覺中的作用在1876年就被發(fā)現(xiàn)，因而其中的輔基后來也被稱為“視”黃醛（retinal），來自“視網(wǎng)膜”（retina）這個名稱，而視黃醛在建立跨膜氫離子通道的作用直至20 世紀(jì)80年代才被發(fā)現(xiàn)，其名稱也因此仍然稱為視黃醛， 盡管在此其功能與視覺無關(guān)。利用光照建立跨膜氫離子梯度的任務(wù)，主要是依靠葉綠素分子執(zhí)行的。

（待續(xù)）