朱欽士 （美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2019年第3 期第10 頁(yè)）

4 所有傳遞電子的蛋白質(zhì)都含有輔基

蛋白質(zhì)在催化化學(xué)反應(yīng)上似乎是“無(wú)所不能”的，生命活動(dòng)所需要的數(shù)千種化學(xué)反應(yīng)，絕大多數(shù)都是由蛋白質(zhì)催化的。然而，蛋白質(zhì)自身在催化氧化還原反應(yīng)、在分子間傳遞電子上卻是“無(wú)能為力”的，因?yàn)樵诎被岬膫?cè)鏈中，沒有一個(gè)是可用于傳遞電子的。 但細(xì)胞中的氧化還原反應(yīng)又需要蛋白質(zhì)分子進(jìn)行催化并傳遞電子，怎么辦？蛋白質(zhì)分子采取的辦法是“搬救兵”，即將那些能傳遞電子的結(jié)構(gòu)成為自己的一部分，稱為“輔基”（prosthetic group）。所有傳輸電子的蛋白質(zhì)都帶有輔基。輔基主要有以下幾類。

圖3 進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的蛋白質(zhì)的輔基

4．1 含有黃素的輔基 黃素（flavin）是3 個(gè)環(huán)并聯(lián)組成的雜環(huán)分子（“雜環(huán)”表示組成環(huán)的原子除碳原子外，還有其他元素的原子，例如氮原子或氧原子）（圖3），黃素分子上連一個(gè)核糖，就成為“核黃素”（riboflavin）。 核黃素分子上再連一個(gè)磷酸根，就成為“黃素單核苷酸”（flavin mononucleotide，簡(jiǎn)稱FMN）。 如果黃素通過(guò)2 個(gè)磷酸根與腺苷相連，就形成“黃素腺嘌呤二核苷酸”（flavin-adenine dinucleotide，簡(jiǎn)稱FAD）。 黃素上的2 個(gè)氮原子能反復(fù)接收和送出2 個(gè)氫原子， 因此像醌分子一樣可以傳遞氫原子：FAD 可接收2 個(gè)氫原子變?yōu)镕ADH2，F(xiàn)ADH2也可失去2 個(gè)氫原子變回FAD；同樣，F(xiàn)MN 可接收2 個(gè)氫原子變?yōu)镕MNH2，F(xiàn)MNH2也可失去2 個(gè)氫原子變回FMN。 FMN 和FAD 都可結(jié)合在蛋白質(zhì)分子上，作為傳遞氫原子的輔基。

4．2 鐵硫中心 鐵原子和硫原子本來(lái)就容易在自然界中彼此結(jié)合，形成各種含鐵和硫的結(jié)構(gòu)，并且可能在催化初期的生命活動(dòng)中起過(guò)作用， 后來(lái)被蛋白質(zhì)分子“收容”，成為傳遞電子的輔基，這樣的蛋白質(zhì)稱為“鐵硫蛋白”（iron-sulfur protein），其中含有鐵和硫的結(jié)構(gòu)稱為鐵硫中心（iron-sulfur clusters，或?qū)憺镕e-S clusters）。鐵硫中心主要有2種：一種含有2 個(gè)鐵原子和2 個(gè)硫原子，稱為“二鐵二硫中心”（2Fe-2S cluster）；另一種含有4 個(gè)鐵原子和4 個(gè)硫原子，稱為“四鐵四硫中心”（4Fe-4S cluster）（圖3）。 根據(jù)其所處環(huán)境的不同，鐵硫中心的氧化還原電位變化很大， 可存在于各種傳遞電子的蛋白質(zhì)中，成為傳遞電子的中心。它們既可存在于脫氫酶中，也可存在于氧化酶中，還存在于光合作用的光系統(tǒng)中。 細(xì)胞色素bc1復(fù)合物中也含有一個(gè)二鐵二硫中心， 它總是與細(xì)胞色素b（見下文）一起工作，在醌分子轉(zhuǎn)化能量的過(guò)程中起重要作用。 該蛋白為美國(guó)科學(xué)家John Samuel Rieske 所發(fā)現(xiàn)，稱為“Rieske 鐵硫蛋白”。

4.3 血紅素 血紅素（heme）是紅色的，含有血紅素的蛋白分子也是紅色的，因此被稱為“細(xì)胞色素”（cytochrome），其實(shí)細(xì)胞色素是蛋白質(zhì)。 血紅素是一個(gè)非常復(fù)雜的環(huán)形分子，由4 個(gè)吡咯環(huán)（由4 個(gè)碳原子和1 個(gè)氮原子組成的5 原子環(huán)） 通過(guò)次甲基（=CH-）相連圍成的一個(gè)方形結(jié)構(gòu)，稱為卟啉環(huán)（porphrin），卟啉環(huán)上還連有其他化學(xué)基團(tuán)（圖3）。4 個(gè)吡咯環(huán)中的氮原子伸向中心方向， 與一個(gè)鐵離子相互作用。 該鐵離子可以在3 價(jià)（Fe3+）和2價(jià)（Fe2+）之間轉(zhuǎn)換，故可用于傳遞電子（圖3）。 根據(jù)卟啉環(huán)上所帶的其他化學(xué)基團(tuán)的不同， 血紅素可分為a 型、b 型、c 型、d 型、o 型等（細(xì)胞色素的類型用小寫的斜體字母表示）。每一型的細(xì)胞色素在不同的蛋白質(zhì)中性質(zhì)也有所差異， 可進(jìn)一步分類。 例如可將細(xì)胞色素c 進(jìn)一步分為c1和c2，細(xì)胞色素b 可根據(jù)其吸收峰的位置分為b562和b566，也可根據(jù)其位置分為bd（distal，即遠(yuǎn)端的）和bP（proximal，即近端的）等。

除作為細(xì)胞色素的輔基，血紅素還有其他生理功能， 例如b 型血紅素就是血紅蛋白（hemoglobin）的輔基，但其作用不是傳遞電子，而是運(yùn)輸氧氣，“血紅素”（heme）的名稱也由此而來(lái)，其實(shí)血紅素傳遞電子的功能遠(yuǎn)早于運(yùn)輸氧氣。

4.4 金屬離子 除了鐵硫中心中和結(jié)合在血紅素上的鐵離子，金屬離子本身也可以結(jié)合在蛋白質(zhì)分子上，作為傳遞電子的輔基。 這些金屬離子主要是鐵離子和銅離子， 其中鐵離子因?yàn)椴皇窃谘t素中，所以稱為“非血紅素鐵離子”（non-heme iron），以與血色素中的鐵離子相區(qū)別。 雖然不是在血紅素中，但這些鐵離子也是在3 價(jià)（Fe3+）和2 價(jià)（Fe2+）之間來(lái)回變化， 以傳遞電子。 銅離子則是在2 價(jià)（Cu2+）和1 價(jià)（Cu+）之間變化，同樣可以傳遞電子。 除了鐵離子和銅離子， 有些氫酶還含有鎳離子，與鐵離子一起組成“鎳鐵中心”（Ni-Fe）。 一些硝酸鹽還原酶還含有鉬離子， 但在這里鉬離子不是直接結(jié)合在蛋白質(zhì)上， 而是結(jié)合在一種叫 “蝶呤”（pterin）的分子上，共同作為硝酸鹽還原酶的輔基。 鐵、銅、鎳、鉬都是“過(guò)渡金屬元素”（transition metal），即d-軌道的電子層沒有“填滿”的元素。這些元素的離子常以變價(jià)（即多于一種化學(xué)價(jià)）的形式存在，因而可用于傳遞電子。

有了對(duì)氫離子不通透的細(xì)胞膜， 有了各種能傳遞電子的蛋白質(zhì)，其中包括像黃素、血紅素、鐵硫中心、金屬離子這樣的輔基，以及在電子傳遞鏈中能轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存能量的醌分子， 原核生物利用氧化還原反應(yīng)以獲取和儲(chǔ)存能量的機(jī)制已經(jīng)非常完善。 真核生物也繼承了原核生物以醌為核心樞紐的電子傳遞鏈，將α-變形菌（α-proteobacteria）變成了自身細(xì)胞中的“線粒體”（mitochondria），成為真核細(xì)胞中氧化還原性分子合成ATP 的“動(dòng)力工廠”。 人體每個(gè)細(xì)胞（紅血球除外）中，都有許許多多這樣的“動(dòng)力工廠”，為生命活動(dòng)提供源源不絕的能量。

但這樣的電子傳遞鏈仍有缺點(diǎn)， 只能利用現(xiàn)成的還原性分子（例如氫氣和硫化氫）和氧化性分子 （例如硝酸鹽） 之間的氧化還原反應(yīng)以獲得能量，而這些物質(zhì)的供給是沒有保證的。

5 化能生物的發(fā)展有限， 太陽(yáng)光才是無(wú)處不在的長(zhǎng)期能源

以醌為核心樞紐的電子傳遞鏈雖完美， 但畢竟只是消耗性的， 如果沒有還原性物質(zhì)和氧化性物質(zhì)大量持續(xù)的供給，生命是不可能繁榮的。而氫氣、 硫化氫這樣的還原性物質(zhì)和硝酸鹽這樣的氧化性物質(zhì)，卻不能大量永久供應(yīng)，因此，依靠這些物質(zhì)的生物（化能生物）也沒有大規(guī)模發(fā)展的機(jī)會(huì)。

1）氫氣。氫雖是宇宙中含量最豐富的元素，按原子數(shù)計(jì)算，宇宙中的氫占普通物質(zhì)（不包括“暗物質(zhì)”）的90%以上，在太陽(yáng)系中，81.75%的分子也是氫，地球早期的大氣中，也含有大量的氫。 但星際空間的物質(zhì)密度是非常低的， 每立方厘米大約只有一個(gè)微觀粒子，相當(dāng)于地球上的高真空。由于大氣中的氫氣很少有補(bǔ)充的來(lái)源， 又由于它是最輕的氣體，容易逃逸至外太空中，且不斷被微生物（包括細(xì)菌和古菌）所消耗，氫氣的含量就越來(lái)越低。目前地球的大氣中，氫氣只占體積的千萬(wàn)分之五，微生物已無(wú)法靠這種低濃度的氫生活。利用氫的細(xì)菌?！岸恪痹诘乇硐聨装倜咨踔翈浊椎膸r層中，在那里水和巖石的反應(yīng)還能產(chǎn)生一些氫氣。一些微生物也能將多余的還原物以氫氣的形式釋放，但數(shù)量有限。

2）硫化氫。 雖然早期地球的大氣中含有許多硫化氫，但經(jīng)不斷消耗，現(xiàn)在大氣中硫化氫的濃度已非常低，只有不到0.3×10－9，即不到100 億分之三。 現(xiàn)在硫化氫的來(lái)源主要包括火山爆發(fā)噴出的氣體、海底熱泉冒出的氣體，天然氣及微生物的活動(dòng)， 包括用氫氣還原硫酸鹽、 含硫有機(jī)物的代謝等。 但這些硫化氫數(shù)量不大，也不是到處都有。

3）硝酸鹽。 作為化能生物使用主要氧化劑的硝酸鹽，主要存在于硝酸鹽礦（例如鈉硝石nitratine）中，也不是到處都有。

由于氧化還原反應(yīng)的“原料”供應(yīng)有限，靠這種反應(yīng)生存的原核生物的生存和發(fā)展只能保持在很低的水平。地球上的生物要大發(fā)展，就需要一種無(wú)處不在，且在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)都不會(huì)枯竭的能源，這就是太陽(yáng)光。 地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1 369 W／m2。 以地球赤道周長(zhǎng)約為4 萬(wàn)km 計(jì)算，地球獲得的能量可以達(dá)到173 000 TW（太瓦），即17 億億瓦。 地球在1 h 中獲得的太陽(yáng)能，比人類1年使用的能量還要多。

太陽(yáng)輻射能的99% 集中于波長(zhǎng)為150 ～7 000 nm 的電磁波中，其中可見光區(qū)（390～700 nm）約占總輻射能的50%；紅外光區(qū)（波長(zhǎng)大于700 nm）約占43%；紫外光區(qū)（波長(zhǎng)小于390 nm）約占7%。光輻射能量的大小與其頻率成正比，即E=hν， E是光子的能量，ν 是它的頻率，h 為普朗克常數(shù)，為6.63×10－34J·s。 所以光子的能量與它的頻率成正比，而與波長(zhǎng)（光速除以頻率）成反比。 波長(zhǎng)越長(zhǎng)，能量越低，因此紫外光的能量高于可見光，可見光的能量又高于紅外光。

在這些光線中，紫外光的能量太高，易造成化學(xué)鍵的斷裂，紅外線的能量太低，只能增加分子的熱運(yùn)動(dòng)，都不適合作為生物的能源，能作為生物有效能源的， 主要是可見光和波長(zhǎng)接近可見光波長(zhǎng)的紅外光。

生物要利用可見光中的能量， 就需要能吸收可見光、將其能量轉(zhuǎn)移出去并保存下來(lái)的分子。這主要是由色素分子完成的。 在介紹這些色素分子在光合作用中的功能之前， 先介紹為什么它們能吸收可見光。

（待續(xù)）