《葉綠素和血紅素》

發(fā)布時間：2018年11月12日 來源：中國化學會

說起葉綠素和血紅素，很多人以為它倆毫無關(guān)系—— 一個服務(wù)于植物的光合作用，一個致力于動物的有氧呼吸。其實，從分子化學的角度上講，它們倆還真屬“一脈相承”，只是在動植物身上表現(xiàn)出了不同的功用。

 

今天就讓我們一起跟著《化學總動員—葉綠素和血紅素》去一探究竟吧！

△ 《葉綠素和血紅素》

 

葉綠素

 

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，它從光中吸收能量，然后能量被用來將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔?。是一類含脂的色素家族，位于類囊體膜。葉綠素吸收大部分的紅光和紫光但反射綠光，所以葉綠素呈現(xiàn)綠色，它在光合作用的光吸收中起核心作用。

 

葉綠素為鎂卟啉化合物，包括葉綠素a、b、c、d、f以及原葉綠素和細菌葉綠素等。葉綠素不很穩(wěn)定，光、酸、堿、氧、氧化劑等都會使其分解。酸性條件下，葉綠素分子很容易失去卟啉環(huán)中的鎂成為去鎂葉綠素。

 

“來自植物的生命力和能量。”葉綠素是植物化學物質(zhì)，使植物呈現(xiàn)綠色，并幫助他們將太陽光轉(zhuǎn)化為能量。植物中葉綠素的作用好比是人體中的血液功能，可能大多數(shù)人沒有意識到這一事實。

 

葉綠素的分子結(jié)構(gòu)和血紅素（一種球蛋白和亞鐵血紅素組成的血紅素蛋白，主要功能是從肺部把氧氣傳輸?shù)缴眢w各個組織）是相似的。

 

它們之間的區(qū)別是中心原子。葉綠素的中心原子是鎂，而血紅素是鐵。

 

 

血紅素

 

 

血紅素也稱（血紅蛋白） 是高等生物體內(nèi)負責運載氧的一種蛋白質(zhì)。人體內(nèi)的血紅素由四個亞基構(gòu)成，分別為兩個α亞基和兩個β亞基，在與人體環(huán)境相似的電解質(zhì)溶液中血紅素的四個亞基可以自動組裝成α2β2的形態(tài)。

 

血紅素與氧結(jié)合的過程是一個非常神奇的過程。首先一個氧分子與血紅素四個亞基中的一個結(jié)合，與氧結(jié)合之后的珠蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成整個血紅素結(jié)構(gòu)的變化，這種變化使得第二個氧分子相比于第一個氧分子更容易尋找血紅素的另一個亞基結(jié)合，而它的結(jié)合會進一步促進第三個氧分子的結(jié)合，以此類推直到構(gòu)成血紅素的四個亞基分別與四個氧分子結(jié)合。

 

而在組織內(nèi)釋放氧的過程也是這樣，一個氧分子的離去會刺激另一個的離去，直到完全釋放所有的氧分子，這種有趣的現(xiàn)象稱為協(xié)同效應(yīng)。

 

血紅素分子結(jié)構(gòu)由于協(xié)同效應(yīng)，血紅素與氧氣的結(jié)合曲線呈S形，在特定范圍內(nèi)隨著環(huán)境中氧含量的變化，血紅素與氧分子的結(jié)合率有一個劇烈變化的過程，生物體內(nèi)組織中的氧濃度和肺組織中的氧濃度恰好位于這一突變的兩側(cè)，因而在肺組織，血紅素可以充分地與氧結(jié)合，在體內(nèi)其他部分則可以充分地釋放所攜帶的氧分子。

 

可是當環(huán)境中的氧氣含量很高或者很低的時候，血紅素的氧結(jié)合曲線非常平緩，氧氣濃度巨大的波動也很難使血紅素與氧氣的結(jié)合率發(fā)生顯著變化，因此健康人即使呼吸純氧，血液運載氧的能力也不會有顯著的提高，從這個角度講，對健康人而言吸氧的所產(chǎn)生心理暗示要遠遠大于其生理作用。

從1921年到1928年，來自德國的生物化學家漢斯·費歇爾花了8年多的時間在色素方面進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：血紅素是一種含鐵的卟啉化合物。費歇爾在實驗中還發(fā)現(xiàn)，當把膽汁中的膽紅素分子碎裂一半時，在膽汁色素里就有血紅素的成分存在。

 

同時，他又發(fā)現(xiàn)血紅素的結(jié)構(gòu)同吡咯有著實質(zhì)性的類似，這就證明了一切結(jié)構(gòu)與吡咯類似的有機物質(zhì)都可能用來制造提取 血紅素晶 ，當把鐵加入一種合成的名為原卟啉的卟啉分子中時，就制得了 人造血紅素 ，并證明這種化合物的性質(zhì)同從血紅蛋白得到的分解物完全一樣。由于這一突出貢獻，費歇爾于1930年榮獲 諾貝爾化學獎 。

 

（選自《化學總動員》之葉綠素和血紅素）

《化學總動員》系列科普視頻由中國科學院上海有機化學研究所和麥田聯(lián)合制作

 

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