光合作用中光反應的機制和由來（4）

朱欽士 （美國南加州大學醫學院）

（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、核酸、脂肪和淀粉都無法吸收可見光， 因為這些分子的吸收峰都在紫外區。 這個事實也可以從這些分子都沒有顏色這一現象中辨別。 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出顏色。例如某個分子吸收藍綠光，沒有被吸收的可見光在人們眼中就顯現為橙紅色。 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化為跨膜氫離子梯度。在進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鍵有關。 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）或環狀的結構為骨架的。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”（conjugated system）有關。

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， 吸收光能實現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，上面再連上氫原子）的吸收峰在150 nm 左右，都在紫外區，飽和脂肪酸的長“尾巴”部分就相當于飽和烷烴。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，在可見光區都沒有吸收。

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，另一條鏈是未改變的p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 變為0.148 nm，成為部分雙鍵，相當于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， 即更大的π 軌道，因為它們的π 軌道也可以像丁二烯分子內的2 個π 軌道那樣彼此重疊。 參與共軛雙鍵體系的雙鍵數量越多，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。 組成蛋白質的氨基殘基中，酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸的側鏈含有由3～4 個雙鍵組成的環狀共軛系統，所以蛋白質在280 nm 有一個吸收峰， 可用于測定蛋白質的濃度。 DNA 中的堿基（嘌呤和嘧啶）也是環狀的共軛系統，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，要有效地捕獲光能，需要更大的共軛系統，將吸收區域轉移到可見光的范圍內，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 結合于膜蛋白上的視黃醛分子在受到光照時可建立跨膜質子梯度

視黃醛（retinal）的分子構造有點像醌分子，也含有一個由6 個碳原子連成的環狀“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”的結構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，包括6 碳環中的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，視黃醛的吸收峰仍然在紫外區域，峰值大約在380 nm。之所以視黃醛能吸收可見光， 和視黃醛與蛋白質的結合有關。

視黃醛分子“尾巴”末端的醛基可以和蛋白質分子中的一個賴氨酸殘基上的氨基以共價鍵結合，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）的結構，這樣視黃醛就可以與蛋白質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中帶羧基的氨基酸（例如谷氨酸和天冬氨酸）側鏈上的氫離子結合，稱為席夫堿的“質子化”（protonated）。 席夫堿及其質子化都會增大視黃醛分子共軛系統中電子的自由度， 使其吸收峰從原來的380 nm 移到可見光的范圍內（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（rhodopsin），是轉化太陽光能量的分子。

視紫質之所以能轉化太陽光中的能量， 除了能吸收可見光外，還與“尾巴”的性質有關。 視黃醛的“尾巴”含有由雙鍵組成的大共軛系統，而雙鍵是不能轉動的，這樣的結構就具有“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）變為“13-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），也就是“直棍”在中間拐個彎，變成“彎棍”。 此性質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）的細胞膜呈紫色， 因為膜上含有大量的視紫質蛋白。 它有7 個跨膜區段，在細胞膜內圍成筒狀，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 個氫離子結合，即質子化，使視紫質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，呈現紫紅色。 在受到光照時，視黃醛分子形狀變化，從“直棍”變為“彎棍”。 這個形狀的改變就將氫離子從位于膜內側的第96 位的天冬氨酸殘基上，轉移到位于膜外側第85 位的天冬氨酸殘基上，再釋放至細胞膜的外面，產生跨膜氫離子梯度（圖4）。 這是鹽桿菌利用光能的巧妙機制，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生具有還原作用的高能電子用于有機合成，所以只有少數微生物使用它。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（Halorhodopsin），在受橙色光照射時可打開膜上的離子通道，讓帶負電的氯離子通過細胞膜。 真核生物萊氏衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）在細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不是產生跨膜氫離子梯度，而是通過視黃醛受光照時的形狀改變，使與之結合的蛋白形狀改變， 在視覺細胞中將光能轉化為神經信號，使動物產生視覺。由于視紫質在視覺中的作用在1876年就被發現，因而其中的輔基后來也被稱為“視”黃醛（retinal），來自“視網膜”（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80年代才被發現，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。利用光照建立跨膜氫離子梯度的任務，主要是依靠葉綠素分子執行的。

（待續）