發(fā)布時(shí)間:2018年11月12日 來源:中國化學(xué)會(huì)
說起葉綠素和血紅素,很多人以為它倆毫無關(guān)系—— 一個(gè)服務(wù)于植物的光合作用,一個(gè)致力于動(dòng)物的有氧呼吸。其實(shí),從分子化學(xué)的角度上講,它們倆還真屬“一脈相承”,只是在動(dòng)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(xué)總動(dòng)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(jìn)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)樘妓衔铩J且活惡纳丶易?,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(xì)菌葉綠素等。葉綠素不很穩(wěn)定,光、酸、堿、氧、氧化劑等都會(huì)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(xué)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(shí)到這一事實(shí)。
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(gè)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(fù)責(zé)運(yùn)載氧的一種蛋白質(zhì)。人體內(nèi)的血紅素由四個(gè)亞基構(gòu)成,分別為兩個(gè)α亞基和兩個(gè)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(gè)亞基可以自動(dòng)組裝成α2β2的形態(tài)。
血紅素與氧結(jié)合的過程是一個(gè)非常神奇的過程。首先一個(gè)氧分子與血紅素四個(gè)亞基中的一個(gè)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(gè)血紅素結(jié)構(gòu)的變化,這種變化使得第二個(gè)氧分子相比于第一個(gè)氧分子更容易尋找血紅素的另一個(gè)亞基結(jié)合,而它的結(jié)合會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)第三個(gè)氧分子的結(jié)合,以此類推直到構(gòu)成血紅素的四個(gè)亞基分別與四個(gè)氧分子結(jié)合。
而在組織內(nèi)釋放氧的過程也是這樣,一個(gè)氧分子的離去會(huì)刺激另一個(gè)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(gè)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(dāng)環(huán)境中的氧氣含量很高或者很低的時(shí)候,血紅素的氧結(jié)合曲線非常平緩,氧氣濃度巨大的波動(dòng)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(yùn)載氧的能力也不會(huì)有顯著的提高,從這個(gè)角度講,對(duì)健康人而言吸氧的所產(chǎn)生心理暗示要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其生理作用。
從1921年到1928年,來自德國的生物化學(xué)家漢斯·費(fèi)歇爾花了8年多的時(shí)間在色素方面進(jìn)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(fèi)歇爾在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),當(dāng)把膽汁中的膽紅素分子碎裂一半時(shí),在膽汁色素里就有血紅素的成分存在。
同時(shí),他又發(fā)現(xiàn)血紅素的結(jié)構(gòu)同吡咯有著實(shí)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(jī)物質(zhì)都可能用來制造提取 血紅素晶 ,當(dāng)把鐵加入一種合成的名為原卟啉的卟啉分子中時(shí),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(xiàn),費(fèi)歇爾于1930年榮獲 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 。
(選自《化學(xué)總動(dòng)員》之葉綠素和血紅素)
《化學(xué)總動(dòng)員》系列科普視頻由中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所和麥田聯(lián)合制作
相關(guān)閱讀: