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        姹紫嫣紅從何來?

        2016-04-22 02:25:18駱昌芹
        大眾科學(xué) 2016年4期
        關(guān)鍵詞:血紅素色素葉綠素

        駱昌芹

        “綠楊煙外曉寒輕,紅杏枝頭春意鬧。”在春意盎然的日子里,大自然被裝飾得五彩繽紛,鮮艷奪目。

        從生物學(xué)角度來看,這類色澤當(dāng)然都有它存在的價(jià)值。例如,妖嬈迷人的花朵,常常招引大批蜜蜂之類昆蟲的光顧,于是就可能更好地得到受精機(jī)會;鳥類華麗的毛羽,是引誘異性的重要手段。但是,自然界里最重要的有色物質(zhì),卻并非僅僅是起裝飾作用的花色、羽色,而是一類被稱作為“卟啉”的色素。因?yàn)樗退袡C(jī)體的生長、繁衍、合成、分解有著密切關(guān)系,任何別的物質(zhì)都無法替代得了,所以稱得上是生命世界的關(guān)鍵性分子。

        卟啉是什么?

        卟啉是一種含氮的色素,它在自由狀態(tài)時(shí),平平庸庸,看不出有什么生物學(xué)功能。但當(dāng)它一旦和金屬搭上關(guān)系,組成金屬絡(luò)合物的時(shí)候,就顯得非同凡響了。

        它和鎂的絡(luò)合物,就是大名鼎鼎的葉綠素,我們地球上所有生命的食物來源,都仰賴于它那神話般的催化活力。

        它和鐵的絡(luò)合物,可組成血紅素。還有一種鐵卟啉絡(luò)合物,稱作細(xì)胞色素,則存在于一切需氧機(jī)體的細(xì)胞中,是動植物及細(xì)菌細(xì)胞氧化有機(jī)分子過程最重要的基本元素。

        除此之外,還有一些略為次要的卟啉物質(zhì),像維生素B12(抗惡性貧血因素),就是一種結(jié)構(gòu)上和卟啉有關(guān)的紅色鈷絡(luò)合物;非洲大杜鵑羽毛中的鮮紅色物質(zhì),則是卟啉的銅絡(luò)合物……所以說,從動物到植物,從細(xì)菌到人類,沒有任何生命離得開卟啉分子。

        葉綠素和它的功能

        當(dāng)然,自然界中,卟啉的最大作用還在于利用太陽能,這是卟啉鎂絡(luò)合物——葉綠素的基本職能。

        光合作用中,綠色植物借助日光能,將二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成為葡萄糖,接著進(jìn)一步形成別的更加復(fù)雜的分子,這些分子以后作為異養(yǎng)生物的食料被廣泛利用。

        現(xiàn)在已經(jīng)查明,高等植物的葉綠素含有a和b兩種形式,兩者的區(qū)別僅僅在于,葉綠素a結(jié)合著一個(gè)甲基,而葉綠素b則是個(gè)醛基而已。在綠色葉片中,此外還有類胡蘿卜素之類的物質(zhì),通常葉綠素吸收紅橙光及藍(lán)紫光,類胡蘿卜素則主要吸收藍(lán)光,它們吸得的光量子,最后必須傳遞給葉綠素a,而絕不可能“各自為政,自搞一套”。

        進(jìn)一步的研究還表明,不但其他色素吸收的光能要傳給葉綠素a,就是在葉綠素a之間,也會進(jìn)行能量傳遞。這樣傳來傳去,最后都匯集到所謂“作用中心”上來,由它加以利用。據(jù)估計(jì),平均每三百個(gè)葉綠素分子,才有一個(gè)作用中心。這作用中心究竟是什么東西呢?很可能仍然是葉綠素a,不過它的存在狀態(tài)有些不同,與有關(guān)酶聯(lián)系得很緊密,所以光能傳到這兒,會引起一連串的化學(xué)反應(yīng),有機(jī)合成才得以進(jìn)行。

        獨(dú)特的結(jié)構(gòu)

        從演化的里程來看,血紅素的產(chǎn)生遠(yuǎn)要遲得多,是在地球上充滿氧氣,動物發(fā)展到相當(dāng)水平之后的事??墒菍τ诓溉閯游飦碚f,它的重要性卻如同葉綠素對于植物那樣,也是必不可缺的。它一方面由肺臟把氧氣運(yùn)輸?shù)綑C(jī)體的各個(gè)細(xì)胞中去,另一方面通過同樣的線路,把細(xì)胞中排棄了的二氧化碳運(yùn)往肺臟輸出體外。在這一過程中,卟啉中心的兩價(jià)鐵離子,可以和氧形成一種不穩(wěn)定的絡(luò)合物,隨著環(huán)境中氧分壓的升高或降低,兩者之間,一會兒絡(luò)合,一會兒脫離開來,所以作為運(yùn)輸氣體的工具,實(shí)在最理想不過了。

        至于另一種卟啉鐵絡(luò)合物——細(xì)胞色素,則起了電子傳遞體的作用,是氧化還原過程中不可缺少的元件。

        那么,為什么卟啉分子會如此多才多藝,其中究竟有什么奧秘?

        這和它結(jié)構(gòu)上的一系列特點(diǎn)分不開。卟啉的分子骨架是一副由單雙鍵交替組成的環(huán)狀系統(tǒng),這正是芳香族分子的基本特色,此外它和金屬絡(luò)合后,也帶來了許多獨(dú)特的性質(zhì)。

        源遠(yuǎn)流長

        從外形來看,動物和植物是兩類迥然有異的生命,可它們卻用著同一種分子作為生化工具,這種分子對于兩者都具有鮮艷的色彩,都能傳遞電子,雖然在結(jié)構(gòu)上有著不少區(qū)別,但是合成過程的開始步驟都一律相同,只是形成原卟啉后才歧異開來。動物細(xì)胞引入鐵原子后,就成了血紅素;而植物細(xì)胞則還需將側(cè)鏈作進(jìn)一步的改造,最終形成葉綠素。

        至于卟啉的另一種鐵絡(luò)合物——細(xì)胞色素,不但存在于一切需氧的動植物細(xì)胞之中,而且也存在于細(xì)菌之中,以不同的變態(tài)行使同樣的生化職能。這一系列特點(diǎn),除了使我們聯(lián)想起生命起源同一性的深刻含義外,還可能有什么別的解釋嗎?

        可以設(shè)想,在那古老的歲月里,生命還處于襁褓之中,動植物還沒有開始分化,就出現(xiàn)了一種類似卟啉的生化物質(zhì),由于它結(jié)構(gòu)上的奇妙特點(diǎn),在傳遞電子中頗有用處,所以得到自然設(shè)計(jì)師的青睞,經(jīng)歷各種方式的歧化和適應(yīng)后,終于成了動物、植物、細(xì)菌中普遍存在的基本組件之一,流傳下來。于是今天我們在整個(gè)生命世界,到處都遇到這種重要而顯眼的色素分子。(編輯/墓喬)

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