光&色--- 7)生物色素

如果用一种颜色,象征动物或植物,你选什么?

叶绿、血红,---涉及到生物体中非常重要的色素。

 

 

血为什么红-----血红素

 

人体生理常识告诉我们,血液基本成分 = 血球(红血球、白血球、血小板) + 血浆,红色源于哪一部分呢?

 

早在1831年,法国化学家勒卡努将红血球的主要成分---血红蛋白分解,得到血红素。血红素的进一步分解物是吡咯,这是一个4碳1氮5氢的环状化合物,结构如右上式。

 

20世纪20年代,德国化学家H.费歇尔更深入地研究了这个课题,他注意到吡咯分子约为血红素质量的1/4,于是设法将4个吡咯结合在一起,形成四环化合物,称卟啉,如右中式。

 

在卟啉的四环中心中添加一个铁原子,其化合物的物理和化学性质都与血红素相同。因此,H.费歇尔推导出血红素的结构式:

四个吡咯构成、中心含有二价铁离子的卟啉结构,如右下式。

 

这就是我们今天常用的血红素基本结构,血红素中心的二价铁离子,是六配位构型,即其6个配位键如6只手臂,可与其他原子或基团结合,构成二级空间结构:

--第1-4个,在卟啉环的平面上,与卟啉环中的氮原子结合,构成卟啉环平面;

--第5个,垂直于卟啉环,与组氨酸中的氮原子结合,把血红素和球蛋白联系起来,构成血红蛋白的基本单位;

--第6个位置,可与氧或二氧化碳结合。

 

上述为二级空间结构,4个二级结构,进一步结合为更复杂的三级结构,那就是血红蛋白分子。正是这一结构特点,使血红蛋白具有输送氧分子或二氧化碳的功能,在动物呼吸和血液循环中起着非常重要的作用:

动物体内,在氧气压力高的地方(肺部细胞),血红蛋白放出二氧化碳,与氧分子结合,成为氧合血红蛋白,通过动脉血把氧气运输到动物细胞中;

到了氧气压力低的地方(组织细胞),氧合血红蛋白把氧气放出,成为脱氧血红蛋白,并和二氧化碳(代谢产物)结合,通过静脉血把二氧化碳运到肺部排出。

 

血液的颜色,就是来自于血红蛋白中所含的血红素。结合氧气分子时,处于氧化态的血红素分子显鲜红色;而当氧气分子被释放后,处于去氧化态的血红素显暗红色。这就是为什么动脉血鲜红,静脉血暗红的原因。

 

到此,造物主的创造可谓xx无缺了。可是,世上总有些遗憾,红蛋白还可以与一氧化碳、氰离子结合,其结合程度比氧气更牢固。一旦与这些离子结合,血红蛋白就失去了运载氧气的能力,这就是煤气或氰化物中毒的原理。 

 

进一步想想,血红素的中心离子是铁,如果把它换成其他,比如说,假如中心离子为镁离子(Mg++),会怎样呢?

 

 

叶为什么绿---叶绿素

 

叶绿素,词源于希腊语的“绿色”和“叶片”,广泛存在于绿色植物细胞的叶绿体中。

叶绿素在蓝光区(450nm附近)和红光区(650nm附近)有明显的吸收峰值,而在绿光区少有吸收。就是说,叶绿素吸收蓝光和红光,而反射绿光,植物因此呈现我们熟悉的绿色。

 

叶绿素的分子组成与血红素非常相似。但是,为了揭开叶绿素的分子构造,科学家走了很长的路,用了整整一代人的努力: 

1906年,德国W·威尔施泰特成功地提取了叶绿素单体,指出叶绿素是含镁的叶绿酸和一种由叶绿醇所形成的酯化合物,确立了分子结构的基础;

1920年,德国H·费歇尔等确立了叶绿素分子结构,并在1939年修正了构造式,并一直沿用至今;

1960年,美国R·伍德沃德成功地合成了叶绿素。 

这就是我们今天看到的叶绿素的分子构造:

一个由四吡咯构成、中心含有镁离子的卟啉环(CHLORIN),加上一条叶绿醇(PHYTYL)长链。

这3位科学家也因在生物色素研究方面的杰出贡献,分别荣获诺贝尔奖(1915年,1930年和1965年)。

 

如果说,血红素的主要作用是在物质交换;那么叶绿素的重要功能是在能量转换。

没有叶绿素,就没有光合作用------生物界最重要的生物化学反应,它可分为光反应和暗反应两个阶段,最终把光能转化为化学能,储存在有机物分子中,构成生物食物链的重要基础,也是地球氧碳循环的重要环节。

 

作为光合色素,叶绿素在光反应中吸收光能、传递电子,把光能转换为化学能并暂时储存在三磷酸腺苷(ATP)中,并最终将二氧化碳和水转化为氧气和碳水化合物。

1) 光解水,产生氧气;

2)利用水光解的氢离子,合成NADPH,为暗反应提供还原剂NADPH;

3)将光能转变成化学能,产生ATP,为暗反应提供能量。

最终,在光合反应的暗反应中,ATP中的活跃化学能转换为稳定的化学能,储存在淀粉分子中。

 

可曾注意过,贝类、章鱼(软体动物)和虾、蟹(节肢动物),它们可有血液、是什么颜色?

生理科学早就告诉我们了,当中心离子是:

--亚铁原子(Fe++): 血红素,脊椎动物的血液的血红蛋白,呈红色;

--铜离子(Cu++):  血青素,软体动物和部分节肢动物的血蓝蛋白,呈浅蓝色;

--镁离子(Mg++):  叶绿素,绿色植物的光合作用的重要色素;

--锌离子(Zn++):  藻红素,更原始的光合xx的色素。

 

 

叶不一定绿,血不一定红。 我们的感性认识,往往却不是真实。

我们依然没能回答,血为什么红,叶为什么绿?为此,科学界更多地从地球和生命起源中寻找证据。 比较叶绿素和藻红素、血红素和血青素的结构,我们可以推测生命起源的地球环境,思考动植物进化的渊源。

 

再进一步,让我们的思维和想象自由驰骋,如果宇宙还有其他生命存在,他们是什么的颜色呢? 

这其中,让我们思考着科学哲学的一个命题:

化学的必然,生命的偶然。

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