LI ¢ we Oe 2326109 内 容 简 介 本 书 是 介绍 光 与 生物 相互 关系 的 一 未 综 合 性 参考 书 。 它 概述 了 光 生物 学 领域 有 关 重 要 问题 。 并 引用 大 量 实 验 说 明光 与 人 类 目前 和 将 来 可 能 出 现 的 问题 的 关系 。 全 书 共 十 五 章 , 分 别 介绍 : 光 技 术 与 生物 实验 ;光谱 学 :光化学 : 光 ， 敏 化 作用 ;紫外 线 辐射 对 分 子 和 细胞 的 效应 ; 环境 光 生 物 学 ; 光 医 学 ; 生 物 钟 特性 ; 网 膜 外 的 光 感 受 ; 视 觉 ; 光 形 态 建 成 ; 光 运 动 :光合 作用 ;生物 发 光 以 及 光 生 物 学 研究 的 新 课题 。 生 人 参考。 Edited by Kendric C. Smith THE SCIENCE OF PHOTOBIOLOGY Plenum Press, 1977 KE Dy 学 K.C. 史密斯 编 mh 5 译 责任 编辑 EB ere we i MR TERRI AK 137 号 KO 44 ee Ml EDR 新 华 书店 北京 发 行 所 发 行 ” 各 地 新 华 书店 经 售 * 19844 3 月 第 一 版 开本 : 787%1092 1/32 1984 年 3 月 第 一 次 印刷 印张 ; 17 1V4 印 数 ; 0001 一 4,800 字数 : 396,000 统一 书号 ; 13031。2521 AH ABS : 3460 、13 一 10 定价 ; 2.70 元 供 从 事 光 生物 学 。 光 医学 方面 工作 的 科研 工作 者 及 有 关 所 二 天 汪 iF A W 光 是 地 球 上 一 切 生 命 的 能 量 来 源 ， 它 是 世上 一 切 生 物 赖 S 3 以 生存 的 环境 中 最 重要 的 因素 之 一 。 生命 的 起 源 和 进化 离 不 。 关系 更 为 密切 ,视觉 离 不 开光 ,而 人 从 周围 环境 中 所 获 信息 的 « 忽 天 部 分 来 自 于 视觉 器 官 。 紫外 线 可 以 引起 皮肤 癌 , 但 光 也 FH, 生物 的 结构 与 功能 也 受到 光 的 强烈 影响 。 光 与 人 类 的 本 可 以 用 来 治疗 肿瘤 ， 肿 瘤 的 研究 从 光 生 物 学 中 吸取 了 很 多 养 分 。 光 生 物 学 是 研究 光 与 生物 相互 关系 的 科学 ， 它 是 一 门 正 在 发 展 的 生气 勃勃 的 学 科 ,也 是 生物 物理 学 的 一 个 重要 方面 。 ， 。 光 生 物 学 在 我 国 还 是 一 门 不 为 很 多 人 了 解 的 学 科 ， 除 了 光合 作用 和 视觉 等 少数 几 个 分 支 外 ， 还 没有 一 本 完整 的 介绍 光 生 MSE, 翻译 这 本 书 正 是 为 了 弥补 这 个 不 足 。 KA 是 1977 年 年 底 问 世 的 , 它 是 世界 上 第 一 本 系统 地 介绍 光 生 物 学 各 个 分 支 领 域 的 比较 全 面 的 书 ， 各 章 的 作者 都 是 各 个 分 支 目 ， 领域 里 的 权威 学 者 ， 我 们 希望 这 本 书 的 翻译 出 版 将 对 推动 我 4 . x 5 awe | i a is ”,~ 上 国光 生物 学 的 研究 和 应 用 起 到 一 点 微薄 的 作用 。 这 是 一 本 教 课 书 ， 除 了 可 供 高 年 级 大 学 生 和 研究 生 作 为 人 入门 的 同 导 外 ,对 大 学 教师 ,生物 物理 学 工作 者 以 及 从 事 生 物 学 \ 医 学 、 环 境 科 学 和 光化学 的 其 它 科 学 工作 者 也 有 一 定 的 参 考 价值 。 全 区 划分 15 章 , 除 最 后 一 章 是 对 光 生 物 学 的 发 展 远 ” 景 和 新 课题 的 展望 外 ， 其 余 各 章 均 是 阐述 光 生 物 学 的 一 个 专 Pato ”参加 本 书 翻译 工作 的 同志 有 : iti, MAR, BEE Se 让 7 ti : tal = es a 4 . ~~) ea 区 week i. ‘ ; . : oa 4 £ : ’ J a 和 a ee ee i el US ee | hl 办 mix oR 人 EK 2 3 a ) | cAI | BX . Ws ; fe iz 有 外 otk : =f +*4 w 证 : a 4 4 ot — : . 4 + | J . " % 四 入 的 1 is | : 7 ot ae : | a | : = : mx | : . . ; 7 a : : =! : } | “r. . : Fi : ~ \ _ * z . " gp su - - ” ~ : é- Att ik | : : ; 和 7 ¥, me ~ a } 四 as ? . - 4 | - eae ‘ | 3 | a ; Pa aw 7 «< 4 . Ki RS a at 2 - r = a 《 人 本 ** ——- f 2 Ss | 5 , - 四 全 1 . ‘ 4 | -_ - , o 本 . , ; 1 < i: ee we #, 1? ; . 3 > 7 Po = at ae . | be. - 区 | 下 站 a ; ; ‘ - . a . ¢ ; | | | sty 人 ad a = < 9 区 >, S qa we. ~ 2 这 al ~ Dil 前 虽然 在 光 生 物 学 的 少数 几 个 专门 领域 有 几 本 很 好 的 书 ， 。” 但 是 目前 还 没有 一 本 论 及 光 生 物 科 学 所 有 领域 的 书 ， 这 本 书 则 打算 填补 这 个 空白 。 美 洲 光 生物 学 学 会 目前 把 光 生 物 学 划 了 分 为 14 个 分 支 领域 ,本 书 的 前 14 章 就 是 针对 这 14 个 分 支 领 ， 域 的 ,各 章 均 由 该 分 支 领域 的 权威 学 者 撰写 。 第 15 章 冠 以 标 ，， 题 “ 光 生物 学 的 新 课题 *， 着 重 阑 述 一 些 也许 会 在 将 来 成 为 光 生物 学 分 支 的 研究 领域 。 这 本 书 是 作为 一 本 教 课 书写 的 ， 为 的 是 向 高 年 级 大 学 生 和 研究 生 介绍 光 生物 学 这 门 科学 ， 每 一 章 都 对 一 个 课题 作 了 肉 容 广泛 的 介绍 ， 每 一 章 所 包含 的 内 容 都 可 以 在 1 至 2 小 时 的 综合 性 讲座 里 教授 给 学 生 , 书 中 的 参考 文献 不 是 应 有 尽 有 ， 而 是 开 列 那些 关键 性 的 部 分 ,以 帮助 学 生 查阅 有 关 文 献 资料 。 书 中 往往 比较 多 地 引用 较 新 的 综述 性 参考 文献 ， 而 不 是 引用 那些 作出 原始 发 现 的 作者 们 的 第 一 篇 论文 。 为 了 以 实例 说 明 一 章 的 一 个 或 几 个 要 点 ， 每 一 章 均 附 供 学 生 实践 的 课堂 演示 和 实验 室 练习 。 这 本 书 并 不 就 是 这 个 领域 的 研究 工作 者 可 以 汲取 的 知识 宝库 ,确切 地 说 , 它 只 想 阐 述 光 生物 学 的 每 一 个 专 门 领域 的 重要 性 ， 并 用 大 量 材料 说 明 它 们 与 人 类 的 眼前 和 长 远 问 题 的 关系 。 在 温度 (极地 和 沙漠 )、 压力 (深海 潜水 和 宇宙 飞行 ) 和 重力 (宇宙 飞行 ) 对 人 的 生理 功能 的 影响 方面 ,人 们 已 经 作 了 上。 大 量 的 研究 ,但 是 时 至 今日 ,在 研究 光 对 人 的 影响 方面 所 做 的 努力 仍然 很 少 ,然而 , 光 却 是 我 们 环境 中 最 重要 的 因素 之 一 。 ) eee ee ei ae ee 作者 希望 这 本 书 将 能 作为 光 生物 学 人 门 学 习 的 基本 教 : 材 ， 和 希望 它 能 起 到 鼓励 大 学 生 们 跨 进 光 生 物 学 领域 的 作用 。 我 们 还 期 待 这 本 书 将 会 使 光 生 物 学 领域 外 的 科学 工作 者 和 一 切 想 了 解 这 门 学 科 的 外 行 们 产生 兴趣 ， 因 为 甚至 对 于 一 般 的 公众 也 越 来 越 懂 得 : 无 论 是 自然 界 的 光 还 是 人 工 的 光 ， EM 对 人 类 都 有 着 重大 的 影响 ?而 决 非 只 是 帮助 视觉 。 看 来 * 光 生 物 学 作为 一 门 主要 学 科 的 时 代 已 经 来 到 了 。 K.C. 史 密斯 1977 年 9 月 目 RK Ee a iE Ee 人 ] ee REE ee ee lad 第 3 章 光化学 .pp 77 第 4 章 光敏 化 作用 .…… cee ccc cre ce eee eee eee e eee 105 第 5 章 ”紫外 线 对 分 子 和 细胞 的 效应 …………… ee 136 第 6 章 环境 光 生 物 学 .…… eee ee cee ee eee ee cee eee 175 第 7 章 光 医 学 213 第 8 He Ay Bh GREE) cc cee ee ee cee eee 253 第 9 章 网 膜 外 的 光 感 受 … cece ee cee cee cee eee 274 P10 BMG ee eee ee eee eee cee cee cee eee 291 0 293) ee 338 第 12 章 | 93) oc cn 377 OT BEER Cn ee ei ee 398 Ee CS =.) pa 447 ”第 15 章 a2 0) a. 479 索引 站 504 四 519 而 ee es § 2 @ John J: agger a CHEPRAREWR) eT. 序言 2 Pah: ia 2 光源 的 选择 和 "bree Ys. 人 1 人 vw 8 .一 BS oy, i of 可 见 辐 身 4 1.2.2 近 紫 外 辐射 一 …………- FS 和 2. 3 远 紫 外 辐射 6 3 De 2.4 和 危害 性 pe13 和 ys eS SER HEE RELA Lae ce 3.1 单 色 光源 1 232 省 光 片 2 yes 单 色 仪 0 Gh RANE GEO Hur IRS on 1.4 辐射 能 量 的 测量 ee ita aia 1.4.1 名 词 术语 宇和 全 0 1.4.2 热电 堆 2 1.4.3 光电 器 件 ，……: 1 TAG Sef eS BS Le 1.4.4 化 学 测量 系统 ( 光 化 计 ) MAMMA 2-23 1.4.5 ”一 个 细胞 所 “看 到 的 ” 注 量 25 1.5.1 样品 的 吸收 te 二 大 2. 2a Fe i So senvirno pada ops sunannms imeaeiahe eiaaetae ae 1.5.3 紫外 恢复 现象 pv30 1.5.4 作用 光谱 pe32 11 ilk 很 多 光 生 物 学 实验 可 以 用 十 分 简单 而 便宜 的 设备 来 做 ， 但 是 实验 者 常常 发 现 ,在 他 们 完成 开头 的 “粗糙 的 * 实 验 以 后 ， 他 一 定 会 越 来 越 关注 诸如 不 同 波长 的 相对 效率 和 所 需 的 准确 能 量 这 样 的 细节 。 因此 ， 既 需要 简单 的 又 需要 复杂 的 装置 人们 往往 采取 折衷 的 方案 ， 只 使 用 那些 从 实验 的 可 靠 性 和 考虑“ 是 必 不 可 少 的 复杂 设备 。 ne. 当然 ,所 用 仪器 设备 的 选择 取决 于 问题 的 性 质 ; 如 果 我 们 记 住 下 述 有 关 光 生物 学 (不 同 于 光化学 或 光 物 理 ) 实 验 的 一 般 要 求 ， 那 么 在 各 种 各 样 现 有 仪器 设备 中 决定 取 侈 时 便 可 以 避 免 许多 麻烦 和 浪费 。 这 些 一 般 要 求 是 : @ 四 往往 需要 高 强度 的 光 ;@ 一 般 不 要 求 很 认 的 带宽 ( 即 不 要 求 很 高 的 单 色 性 六 加 通 常 不 要 求 照射 时 间 比 几 秒 钟 更 短 。 因 此 ,在 光 生 物 学 (与 光 化 学 相反 ) 工 作 中 往往 不 需要 单 色 性 特别 高 的 激光 器 和 特别 短 、 脉冲 ( 毫 微 秒 范围 ) 的 脉冲 激光 器 。 紫外 Te 近 红 外 we oz |ER ARE yp 100 200 300 400 500 600 700 800 5900 1000 eK (am) [ I ! { | 24 62" qi-"" 33 16 «JET RERE (ev) 电离 电子 激发 图 1-1 电磁 辐射 谱 的 此 外、 可 见 和 近 红 外 区 ， 光 谱 的 下 方 指出 在 各 个 区 间 发 生 的 主要 物理 事件 ,如 图 所 示 , 这 些 区 域 的 边界 并 非 截 然 分 明 。 此 外 ， 任 何 光 子 都 能 引起 一 般 来 讲 与 能 量 比 它 低 的 光子 相 联系 的 事件 。 7 @ 盆子 的 振动 让 a. 以 人 名 命名 的 单位 不 大 写 除 非 在 缩写 时 ,所 有 缩写 字 既 代表 复合 形式 也 代表 单一 形式 的 单位 。 首先 要 说 明 几 个 习惯 上 的 规定 ， 图 1-1 表 示 了 在 时 外 (UV) .可见 和 近 红 外 区 域 光 的 波长 .能量 和 颜色 ,为 叙述 未 章 起 见 ,我 们 认为 远 紫外 辐射 处 于 210 一 300nm 范 围 ,而 近 紫 外 辐 射 落 在 300 一 380nm， 我 们 将 不 考虑 真空 紫外 区 或 近 红 外 区 。 有 时 用 “ 半 高 宽 ”( 峰 值 强 度 一 半 处 的 带宽 ) 表 征 辐射 的 带宽 ， 在 讨论 沽 光 片 或 者 当 透 射 曲 线 具 有 高 斯 形状 时 ， 经 常 是 这 样 表示 的 。 有 时 用 “全 宽度 (峰值 强度 1 多 处 的 带宽 ) 表 征 辐 射 的 囊 宽 ， 这 种 情况 经 常 出 现在 讨论 染料 激光 器 的 输出 或 是 单 色 仪 输出 的 整个 波长 域 的 时 候 。 最后, 我们 将 用 SI 单位 (国际 制 单 位 ) 表 示 光 谱 的 能 量 和 功率 ( 表 1-=1)。 1.2 光源 的 选择 1.2.1 可 见 辐射 太阳 和 高 瓦 数 白炽 灯 二 者 都 是 很 好 的 可 见 辐射 光源 , 但 是 它们 都 不 大 适合 于 实验 工作 ， 这 是 因为 地 球 表面 下 的 天 阳 辐射 变化 很 大 , 且 难 于 引进 实验 室 。 此 外 ,阳光 和 白炽 光源 都 产生 太 多 的 不 希望 的 热 和 红外 辐射 。 白炽 灯 仍 然 在 某 些 情况 下 使 用 ， 特 别 是 在 植物 研究 工作 方面 。 图 1-2 给 出 地 球 表 面 上 的 太阳 辐射 的 光谱 、 正 常人 的 视觉 敏感 光谱 ( 它 定义 了 可 见 光 ) 和 色温 为 3475K 的 超 压 强 烈 溢 光 灯 的 发 射 谱 ( 灯 的 光谱 由 它 的 灯丝 温度 决定 )， 由 于 白 炽 灯 产生 的 热 太 多 ,所 以 它们 经 常 与 吸 热 滤 片 一 起 使 用 ,例如 10 匈 的 硫酸 铀 溶液 用 作 滤 片 (参阅 1.3. 2)。 一 种 特别 有 用 的 白炽 灯 是 通用 电气 公司 的 有 色 ( 两 色 的) 聚光灯 ,这 种 灯 制 造 时 就 在 其 透镜 里 放 有 一 块 干涉 滤 光 片 ， 它 们 发 出 相当 穿 的 光 谱 ( 半 高 宽 为 50 一 80nm), 但 在 红外 波 疏 仍 有 发 射 ， 这 种 灯 分 五 种 颜色 ,对 廉价 获得 不 精确 的 作用 光谱 来 说 是 很 有 用 的 。 o 4 = q Vigne i * 超 压 强烈 溢 光 灯 光 的 视觉 600 700 800 900 1000 1]00 图 1-2 几 种 光谱 : (a) 地 球 表面 上 垂直 人 射 的 日 光 ? 红 区 和 红外 区 的 减弱 是 由 于 水 蒸气 的 吸收 [300-600 nm KS]: R. D. Cadle and E. R。Allen，Science167，243-249 (1970); 650-1100 nm 区 引 自 ， R。B. _ Withrow and A. P. Withrow, chap. 3 in Radiation Biology, Vol. Il (A. Hollaender, ed.), McGraw-Hill, New York (1956)], (b) 250 W 超 压 强烈 溢 光 灯 《 色 温 3475 K) [5]: R. B. Withrow and A. P. Withrow, Chap. 3 in Radiation Biology, Vol.III (A. Hollaender, ed.), McGraw-Hill, New York (1956)], (c) 人 的 平均 视觉 敏感 度 。 欧 光 灯 是 光 生物 学 工作 最 有 用 的 可 见 光源 ， 它 们 具有 相 对 来 讲 较 高 的 强度 ”, 但 发 热 却 较 少 ,它们 不 是 非常 亮 ,但 代 之 ”而 有 的 优点 是 可 以 照射 很 大 的 面积 。 获 光 灯 是 工作 在 低 气 压 下 ( 几 毫 米 人 氧气， 其 中 含有 10mm 的 水 银 蒸 气 ) 的 水 银 放电 KT ,电子 从 热 灯丝 发 出 并 产生 水 银 正 离子 ,或 通过 碰撞 使 汞 原 了 于 激发 ， 孙 原子 中 的 激发 电子 再 损失 能 量 而 处 于 较 低 的 亚 稳 | AERA). 有 示 原 子 由 这 种 三 线 态 返回 基态 时 发 出 254nm 的 辐射 。 由 于 未 蒸气 气压 低 ， 所 以 这 种 辐射 能 达到 灯 管 的 表 面 。 图 1-3< 表 明 ， 欧 光 灯 发 射 总 能 量 的 85 和 左右 属于 254 _ 了 关于 光度 学 和 辐射 度 学 的 名 词 术语 ， 请 参阅 1.4.1 和 参考 文献 1 的 附 录 C ° 波长 (am) Bin Hoe 38. (下 Mana OT/ ay! ) we Gf BE Coy Zu 01/07 ) GAG BE wa od Lind oo ° ae © A: Gis ki at (典型 产 点 T8,G8T5MG4T 4/1) 波长 248 nm 的 辐射 功率 为 0,460 图 上 3 (a) 40WT 12 “44” HT; (b) 40WT 12 “BR” He 光 灯 和 (c) 30WT 8 杀菌 灯 点 燃 100 h 后 的 发 射 光谱 。 到 ， 在 所 有 杀菌 灯 ，251 可 以 看 个 谱 中 300nm 以 土 的 区 域 都 出 现 相 同 的 未 线 。 对 nm 的 光 辐 射 占 全 部 辐射 功率 的 85% 左右 ， 但 该 比例 将 随 灯 龄 而 减 小 ， 并 随 使 灯 温 升 高 的 周围 光 屏 南 而 减 小 。 ane, i> SRA HOD KLE 254nm 长 ,总 能 量 中 那 15 % 45 es kecmcasinc, 在 杀菌 灯 中 , 所 有 这 些 ， 辐射 都 能 射出 荧光 灯 管 ， 而 在 荧光 灯 中 ， 涂 在 灯 管 内 壁 上 的 。 磷 光 物质 (例如 磷酸 钙 ) 吸 收 了 远 紫外 辐射 而 重新 发 出 连续 平 ” 坦 的 可 见 荣光, 因此， 荧光灯 (图 1-3 ab) 的 输出 由 这 种 荧光 连续 谱 又 加 在 长 波长 的 汞 线 上 构成 。 荧 光 灯 外 壳 由 玻璃 制 成 ， 玻璃 将 吸收 剩余 的 远 紫外 辐射 ,并 减弱 荧光 紫外 成 分 的 强度 。 三 家 主要 的 美国 公司 (通用 电气 、GTE- 席 尔 伐 尼 亚 ， 西 。，， 屋 ) 生 产 的 这 类 型 式 的 荧光 灯 ( 例 如 “日 光 ” 型 ,“ 冷 - 白 ” 型 ) 实 a 际 上 是 相同 的 ,图 OR. SSA REI 。” ， 光 灯 ， 当 人 们 希望 避免 特定 波长 的 光 时 ， 这 些 荧光 灯 中 的 某 些 对 二 般 的 室内 照明 是 有 用 的 [例如 ,用 金 菊 光 灯 防 正 缅 菌 的 光复 活 (参阅 1.5.3 和 5.4.2)， 这 种 细菌 的 光复 活 仅仅 发 生 在 500 nm 以 下 ]。 对 植物 生长 有 最 佳 输出 的 荧光 灯 由 几 家 公司 生产 (图 1-5)。 | ”必须 认识 到 各 种 “白色 ? 菊 光 灯 的 光谱 输出 可 能 有 很 大 的 B: Kal Ak.“ Be aT RH SY a’ “UAT AO NEAR z 4 A AIAN (GL 1-3), 杀菌 灯 和 获 光 灯 有 各 种 形状 和 大 小 , 15W 的 尺寸 用 在 一 般 的 台灯 架 里 较 方便 ;这 种 灯 需 要 一 个 变压器 -镇 流 器 和 一 个 启动 器 ,两 者 常常 装 在 灯 架 里 面 。 杀菌 灯 和 荧光 灯 的 输出 在 头 100h 网 点 时 变化 很 大 ,用 前 应 对 灯 进 行 “ 老 化 ”100 hy 其 次 ， 在 点 燃 的 头 几 分钟 输 2 出 变化 很 大 ,故而 在 使 用 前 应 对 灯 “ 预 热 " 约 10 分 钟 。 灯 的 输 x: 出 随 灯 的 温度 明显 改变 ， 而 灯 的 温度 又 受 限制 灯光 方向 的 灯 单 离 它 远 近 的 影响 ， 没 有 任何 通风 的 有 埋 的 灯 将 工作 在 较 高 的 温度 下 ?其 输出 将 较 低 ;并 且 灯 的 发 射 谱 将 位 移 。 , 菊 光 籽 变 通 性 大 、 稳 定 、 价 廉 并 易于 使 用 ,它们 显然 是 可 ay 相对 能 量 图 1-4 ”相同 瓦 数 的 各 种 有 色 荧 光 灯 的 光谱 输出 汞 的 谱 线 未 画 。 供 选 择 的 工作 在 可 见 光 区 的 光源 。 但 是 ,对 某 些 应 用 来 讲 , 需 要 更 亮 的 光源 ， 于 是 人 们 往往 转向 高 压 迄 弧 灯 或 高 压 水 银 张 光 灯 ,但 这 些 光 源 和 它们 的 电源 较 贵 ， 共 且 在 使 用 中 可 能 有 一 定 的 危险 (参阅 1:2.4)。 高 压 氨 驶 灯 是 最 有 用 的 高 强度 可 见 光源 ;一 般 来 说 ;发 光 电弧 本 身 只 有 lmm 宽 3mm 高 , 它 实 际 上 是 个 点 光源 。 这 种 光 源 非 常 稳定 ;， 其 寿命 达 1000h, PED DAHKRAA 几乎 不 变 的 发 射 谱 ， 只 是 在 400—500nm 人 所 和 村 和 《图 1-6)。 高 压 水 银 弧 光 灯 不 象 氛 灯 ， 它 产生 一 个 在 可 见 区 的 分 立 谱 ， 该 分 立 谱 又 登 加 在 一 个 较 弱 的 连续 谱 上 (图 156 元 二 由 于 气体 压力 高 ( 约 100 大 气压 )， 致 使 254om His Ae eS 收 , 而 在 该 波长 上 留 下 一 个 暗 区 ,但 在 汞 的 任何 其 它 发 射 波长 本 8 . 他 yy 处 并 非 如 此 。 当 人 们 和 希望 得 到 高 强度 单 色光 而 又 不 太 讲究 要 ”用 严格 一 定 的 波长 时 ， 这 种 光源 配合 干涉 滤 光 片 或 单 色 仪 是 很 有 用 的 。 由 于 实际 上 只 有 四 条 主要 的 冬 线 在 380nm 以 上 ， 因而 限制 了 这 种 水 银 绝 光 灯 作 为 可 见 光源 的 价值 。 高 压 水 银 绝 光 灯 比 每 弧 灯 难 用 ,它们 比较 不 稳定 ,并 且 由 于 水 银 通常 装 在 一 根 2X 12mm 的 毛细 管 中 ; 因 而 在 每 次 点 燃 前 必须 小 心 调 - 整 水 银 的 分 布 。 另 三 个 麻烦 之 处 是 水 银 红 光 灯 通 常 是 水 冷 的 , 而 氨 弧 灯 是 空气 冷却 的 。 高 压 水 银 驱 光 灯 的 寿命 平均 约 二 100h , 但 也 可 能 用 到 200 h 或 者 寿命 短 到 零 〈 即 这 种 灯 可 能 完全 不 亮 )。 尽 管 有 这 些 不 大 不 小 的 缺点 ,这 种 灯 仍 然 相 当 广 泛 地 应 用 着 , 菲 力 浦 公司 生产 最 好 用 的 光源 ,并 供应 合适 的 水 套 和 电源 ，Oriel 公司 提供 各 种 灯 室 ， 这 些 灯 室 可 以 包括 一 套 聚 光 透 镜 (参阅 参考 文献 6)。 中 压 水 银 绝 光 灯 给 出 一 个 分 立 谱 线 的 光谱 ， 它 在 紫外 和 可 见 区 都 无 连续 谱 。 它们 主要 和 单 色 仪 一 起 使 用 , 但 强度 比 用 高 气压 光源 所 得 到 的 强度 低 得 多 ， 对 紫外 工作 有 利 的 一 点 是 它们 同时 给 出 254nm 谱 线 和 其 它 谱 线 。 给 出 较 大 面积 光 源 的 中 压 水 银 蒸 气 灯 可 以 从 Hanovia 公司 获得 ， 它 们 可 用 来 作为 浸 没 式 光源 照射 化 学 溶液 和 细胞 悬 液 ( 仍 参阅 参考 文献 6)。 有 人 中 已 经 描述 过 一 种 金属 蒸气 绝 光 灯 ， 它 给 出 非常 高 强度 的 光 , 而 其 光谱 则 类 似 于 太阳 的 光谱 。 单独 的 激光 器 对 于 大 多 数 可 见 光 区 域 的 光 生物 学 工作 并 非 很 有 用 (与 光化学 工作 相反 ) ,然而 ,可 用 闪光 灯 或 者 另 一 个 激光 器 激励 的 染料 激光 器 却 越 来 越 流行 起 来 ， 这 种 激光 器 激 发 各 种 染料 (例如 唾 嗪 、 黄 味 叭 素 或 香 豆 素 ) 而 发 出 某 种 单一 波长 ( 线 宽 ~0.Inm) 的 荧光 。 对 远 紫 外 染料 ,一 种 染料 所 发 的 激光 可 以 在 10nm 带宽 上 “调谐 ”, 对 近 紫 外 染料 ,这 种 “调谐 ” e 9 。 28 AGHC CLE LAC BY 3d GH ty 3 AY Cat) SR LE GH Cae Be Cv) S-T Ba (ur) 2G; ve MAXEY 10 « 的 宽度 是 20nm， 对 可 见 光 染 料 来 说 是 40nm, 虽然 用 一 个 激 光 器 就 能 得 到 很 高 的 光 强 (例如 在 694nm 处 发 光 的 红宝石 激 EBB), 但 是 染料 激光 器 一 般 给 不 出 比 用 配备 高 压 水 银 灯 或 氨 绝 灯 的 单 色 仪 所 能 得 到 的 强度 更 高 的 输出 ， 由 于 单 色 仪 比 较 灵 便 和 便宜 ， 因 此 染料 激光 器 在 实验 光 生 物 学 上 的 用 途 仍 然 多 少 受到 限制 ,但 是 ;对 于 细胞 的 微 束 昭 射 和 光化学 研究 来 说 ， 它 们 一 直 是 非常 有 用 的 。 1000W & SSEESceoToIane all (Cy iusesesncocas aia Be Ee Co a GE DS ae a LL | Pe eo Ushio 1005D, 工作 在 34V,29A : GSR eee Bee WA WN IP (ahi GRR 一 一 一 一 一 CR So o 8 - 距离 50cm 光谱 辐 照 度 ww/cm2/nm ， 波长 ama) FEES 50cm 5 3 to ths 8 nv 人 a of ry ] ie an ° 光谱 辐 照 度 pw/cm?/nm, 图 1-6 1000W 和 毛 弧 灯 和 水 银 弧 光 灯 的 光谱 输出 。 工 2:2 近 紫 外 辐射 :在 近 紫 外 区 ;和 白炽 灯 效 率 很 低 * 一 般 不 用 它 s 某 些 获 光 灯 ( 例 如 “日光 "型 , 图 1-3) 给 出 可 用 的 近 紫 外 输出 ， 但 是 强度 低 , 比 较 适 合 的 灯 是 黑 - 光 困 :它们 是 一 种 有 具 e 11 ， —— 有 在 近 紫 外 区 发 光 的 磷 光 体 的 荧光 灯 ( 图 1-7). RMR 36” (BL) 灯 有 一 些 可 见 区 的 未 线 , 而 “黑光 - 蓝 "(BLB) 条 有 相 4 ZEN ICH. 它 的 线 发 射 相对 来 讲 很 少 。40WT12 BLB 灯 在 355nm 左右 有 一 个 峰 (15W BLB 灯 的 光谱 略 疝 长 波 方向 位 移 ,峰值 在 366nm)。 高 压 水 银 红 光 灯 在 近 紫 外 区 很 有 用 ;而 和 氨 籽 则 用 途 较 少 ， 这 是 因为 它们 的 强度 在 400nm 以 下 迅速 下 降 ( 图 1-6), <5 全 证 二 ie NR: ae eee or en aati cee. al iG is mee) & REC ins 2k K (am) 1-7 40WT12 #@¥% (BL) 和 黑光 - 蓝 (BLB) 灯 100h 工作 后 的 光谱 输出 。 一 种 在 近 紫 外 区 有 用 的 激光 器 是 脉冲 氮 分 子 激 光 器 ， 它 在 337nm 处 发 光 。 这 种 激光 器 的 输出 是 人 们 能 由 配备 高 压 - 水 银 弧 光 灯 的 单 色 仪 得 到 的 输出 的 10 倍 左右 ， 它 的 相对 简单 的 设计 和 低廉 的 价格 使 这 种 激光 器 很 具 竞 争 力 ， 某 些 拷 家 还 为 长 波长 的 激光 发 射 提 供 染料 头 (但 是 ， 用 染料 头 时 发 光 强 度 要 低 得 多 )e © 126 1.2.3 远 紫外 辐射 2 只 有 两 种 光源 通常 用 于 远 紫外 区 ， 它 们 是 杀菌 灯 和 高 压 水 银 弧 光 灯 , 前 者 事实 上 是 254nm 的 单 色光 ， 后 者 在 远 紫外 区 发 射 某 些 中 等 强度 的 谱 线 (1.2. 1)。 必须 记 住 ， 当 工作 在 300nm 以 下 时 ,人 们 实际 上 不 得 不 用 石英 光学 系统 ,这 一 点 使 ”得 这 个 光谱 区 域 的 工作 比较 复杂 和 昂贵 。 21:24 危害 性 由 于 可 见 光 和 紫外 线 相对 来 讲 容易 获得 ， 因 此 这 两 种 辐 射 的 危险 往往 被 大 忽视 。 虽 然 我 们 是 千 真 万 确 地 生活 在 一 个 天 然 的 ”可见光 的 环境 中 ,但 是 ,一 个 人 如 果 凝 视 太 阳 哪 怕 一 分 钟 那么 短 的 时 间 ， 就 可 能 永久 失明 。 高 压 水 银 弧 光 灯 的 亮度 接近 于 太阳 ， pda 这 种 光源 ,也 将 会 造成 类 似 的 后 采 。 再 者 ;280 一 330nm 区 域 的 辐射 对 人 的 上 皮 组 织 是 很 有 害 的 ;, 它 能 造成 皮肤 癌 和 角 异 角 化 病 ,280nm 以 下 的 辐射 在 皮肤 的 死 细 胞 层 中 大 量 被 吸收 ， 因 此 它 对 皮肤 活 细胞 的 危害 不 如 波长 稍 长 的 辐射 那么 大 。 所 以 , 除了 对 于 像 口 唇 和 角膜 之 类 AY SRE A BA» EAT Le AR BB fe 于 是 ， 人 们 必须 考虑 光 生 物 学 中 所 用 光源 的 两 个 重要 的 ”和 危害: 外 很 高 强度 的 光 对 视网膜 的 损伤 ;四 紫外 辐射 对 皮肤 、 电 导 和 角膜 的 损伤 。 对 极 高 强度 光 唯 一 好 的 防护 是 不 要 让 人 们 受到 照射 ,如 果 必 须 受 照 射 , 应 该 通过 一 块 仅仅 透射 一 个 罕 波 带 光 的 厚 琉璃 滤 光 片 来 看 光源 ， 这 种 滤 光 片 最 好 是 在 离开 光源 最 大 强度 值 波长 的 某 个 区 域 。 对 致 瘤 的 紫外 区 的 防护 由 厚 琉 璃 提供 ,但 一 般 不 用 塑料 ,虽然 吸收 紫外 线 的 塑料 是 可 以 得 到 的 。 对 正面 来 的 紫外 辐射 眼镜 可 以 很 好 地 保护 角膜 , 但 * 13. 是 人 们 必须 注意 从 侧面 射 人 的 辐射 最 后 ， 应 该 注意 高 压 水 银 驱 光 灯 和 会 弧 灯 是 工作 在 高 电 压 下 的 ， 电 流 达 几 安培 ， 如 果 操 作者 触电 ， 那 将 可 能 是 致命 “fo 13 “光谱 输出 的 罕 化 三 大 多 数 光 源 给 出 很 宽 的 光谱 ， 在 完成 了 最 初步 的 生物 实 验 以 后 ,往往 有 必要 把 这 个 光谱 尽量 弄 窗 , 以 确定 御 尼 波长 是 “ 最 有 效 的 ,这样 做 有 两 个 理由 : 外 为 了 保证 光源 被 最 有 效 地 用 来 产生 某 种 效应 (或 者 , 当 人 们 不 希望 产生 这 种 效应 时 守 可 以 避免 某 些 波长 ); @ 为 了 得 到 与 所 研究 效应 有 关 的 那些 分 子 _ 性 质 的 某 些 信息 ; 即 获得 作用 光谱 (参阅 1.5.4)o | 正如 在 ,1.1 中 所 指出 的 ， 在 大 多 数 生物 学 工作 中 并 不 需 要 带宽 非常 窄 的 光 ， 这 是 因为 与 罕 波 带 有 关 的 效应 是 很 少见 的 。 权 衡 所 需 的 吸收 特异 性 和 为 产生 大 多 数 生物 效应 所 需 的 高 注 量 , 5 一 10nm 的 带宽 是 比较 合适 的 。 RAR TIEN 法 有 : @@ 单 色光 源 ;@@ 滤 光 片 或 @ 单 色 仪 。 一 般 来 讲 ;, 装 置 的 价格 和 实验 的 难度 也 按 上 述 顺序 增加 (激光 器 是 个 例外 ， 它 是 昂贵 的 单 色 光源 )6 1.3.1 单 色 光源 利用 单 色光 源 显然 是 得 到 塞 带 辐射 最 容易 的 方法 ， 但 它 是 非常 局 限 的 ,因为 波长 不 能 改变 。 最 好 的 单 色光 源 是 激光 器 , 它 一 “eau BA 8 Be AY SG BASEL EE a LAY 生 若 干 波长 接近 的 光 ), 正如 1.1 中 指出 的 ， 激 光 器 对 生物 学 工作 之 所 以 有 用 ;是 因为 可 以 由 它们 得 到 很 高 的 光 强 ,而 不 是 e 14 « — Saree” >" “~ RS raise ee WN Bem ett _ 杀菌 灯 发 出 的 多 达 85 GA TERRA A 254nm 的 共振 HR, 因此 使 这 种 灯 实 际 上 成 为 一 个 单 色光 源 。 由 于 BLB 黑 光 - 蓝 灯 的 光谱 半 高 宽 只 有 40om 左右 ,所 以 实际 上 也 可 以 把 它 看 做 是 单 色 的 (图 1-3)。 1. 3.2 BIH WCB T RH REA, SATA 为 两 类 ;截止 滤 光 片 , 它 让 某 一 波长 一 侧 的 所 有 辐射 通过 ,而 不 让 另 一 侧 的 光 通 过 ; 带 通 滤 光 片 ,透射 频带 两 侧 的 波长 都 不 ”能 通过 它 。 截止 型 的 玻璃 滤 光 片 从 紫外 到 可 见 区 都 可 买 到 ， 但 是 只 有 一 种 远 紫外 玻璃 带 通 滤 光 片 可 以 得 到 ， 这 种 泪 光 片 包括 近 紫外 区 (Corning 9863 滤 光 片 )。 玻璃 带 通 滤 光 片 可 以 产生 足 够 罕 的 带 通 ,虽然 一 般 来 说 , 带 通 滤 光 片 或 者 组 合 滤 光 片 的 峰 值 透射 率 越 低 ,其 带 通 就 越 窗 , 图 1-8 中 给 出 某 些 具 有 高 透射 率 的 非常 有 用 的 玻璃 滤 光 片 的 组 合 。 须知 ; 透明 材料 一 般 反 射 大 约 4 多 的 人 射 到 它们 表面 的 辐射 ,由 于 玻璃 滤 光 片 有 两 个 表面 , 估计 有 8 多 的 透射 光 由 于 反射 而 损失 ， 这 就 解释 了 为 什么 玻璃 滤 光 片 的 透射 率 曲线 都 在 92 匈 以 下 。 还 应 该 看 到 :， 制 造 厂商 的 透射 率 曲线 一 般 不 可 靠 , 如 果 可 能 的 话 , 人 们 应 该 在 分 光 光 度 计 上 检查 市 售 泪 光 片 的 透射 率 。 在 远 紫外 区 , 许多 普通 的 材料 都 可 用 作 很 好 的 截止 清光 片 ( 图 1-9). FEAR WEEE 300nm 附近 有 一 极为 陡峭 的 截止 区 ,这 个 材料 在 生物 学 工作 中 是 非常 有 用 的 , 它 可 以 滤 Oe cca, ee ier KE CRO eae 46 次 i og Fake) aE a ae eee. ee Se Sees Sw eee 《最 大 透射 率 处 的 半 高 宽 ~330 一 550nm) 和 镍 - 钴 硫酸 盐 溶 液 《最 大 透射 率 处 的 半 高 宽 ~235 一 330nm)m。 化 学 滤 光 片 通常 是 红外 辐射 很 好 的 吸收 体 ， 因 为 10 厘米 的 水 将 实际 上 吸收 1200nm 以 上 的 所 有 辐射 。 大 多 数 化 学 滤 光 片 的 主要 间 题 是 它们 会 由 于 照射 而 迅速 分 解 。 化 学 滤 光 片 和 玻璃 滤 光 片 的 组 合 也 是 很 有 用 的 。 ‘ See > TO- @ tonal © : | / 1 | 1-8 ” 某 些 高 透射 率 的 组 合 玻璃 滤 光 片 的 百 分 透 射 率 。 (17) Corning 9863; (2) Corning 9863 + 0169; (3) Kodak Wratten 39 + Corning 7380; (4) Corning 5031 + 3391; (5) Schott BG-14 + Corning9788 __ + 3387; (6) Corning 9788 + 3385; (7) Schott BG — 38 + kodak 4 外 截止 型 -No. 301 + Corning 3486; (8) Kodak No. 301 + Corning 3480;(9) SchottRG 630; (10)Schott RG 695;(11)Kodak 39 + SchottRG 695; (12) Corning 5031 + Schott RG 695, 7 于 涉 滤 光 片 是 在 没有 单 色 仪 的 情况 下 可 以 得 到 的 最 好 的 膏 通 滤 光 片 , 它 们 不 便宜 ,但 六 个 或 八 个 一 套 的 这 种 滤 光 片 还 se 16 。 280 320 波长 Com) 图 1-9 可 作为 紫外 区 截止 滤 光 片 的 某 些 普 通 材料 的 透射 率 〈 还 可 以 参阅 参考 文献 1 的 附录 A) (A) 窗 玻璃 ?2.5mmj;(B)Pyrex 34347774, 1mm;(c) Pyrex 玻璃 # 9741, 1mm; (D) 光亮 的 熔 石 英 ; (E) 蒸馏 水 ， 15cm;(F) 未 处 理 的 聚 茶 乙 烯 薄膜 ,0.17mmi; (G) 在 BB S-1 灯 1.5m 处 受 照 150 小 时 后 的 聚 葵 乙烯 薄膜 ， 0.17mm; (H) 聚 酯 膜 (50A), 0.13mm, 是 比 好 的 单 色 仪 便宜 得 多 。 在 干涉 滤 光 片 中 ,光线 在 两 个 靠 得 非常 近 的 半 透 明 表 面 之 间 多 次 反射 ， 使 所 需 波 长 的 光 经 多 次 反射 穿 过 滤 光 片 时 的 位 相 与 其 直接 透 过 滤 光 片 时 间 位 相 , 于 是 ， 该 所 需 的 波长 直接 通过 滤 光 片 ， 而 其 它 的 波长 则 被 破坏 ”性 干涉 而 以 各 个 角度 射出 滤 光 片 ， 虽 然 可 以 得 到 很 窜 的 带宽 (723!) 5 一 10nm)， 但 是 和 玻璃 油光 片 一 样 , 其 峰值 透射 率 随 着 带宽 的 减 小 而 降低 。 干涉 滤 光 片 有 一 个 额外 的 优点 , 即 它们 很 容易 使 用 (与 单 色 仪 相 比 )， 且 它们 的 特性 不 随 使 用 而 明显 PENAL PBL RARE). 360 400 . 详 成 分 或 几何 关系 的 最 好 途径 ， FE Fy UA 或 紫外 区 都 可 以 得 到 这 种 滤 光 片 , 它 可 以 把 光 强 减 小 50 多 一 99 多 5 改变 光束 强度 ”0 te ES ae ¥ ae ge “eS 的 其 它 方法 (例如 使 光源 远 移 样品 或 改变 单 色 仪 的 狭 允 宽度 ) 往往 将 改变 光束 的 几何 关系 和 光谱 成 分 ， 因 此 是 不 天 希望 的 。( 光 注 量 率 按 与 点 光源 的 距离 的 反 平 方 降低 ; 但 是 , 如果 距离 比 光源 长 度 的 两 倍 大 得 多 的 话 ， 像 荧光 灯 那 桩 的 线 光源 将 近似 于 点 光源 。:) 用 丝 网 屏 可 制 成 不 错 的 中 性 滤 光 片 ,但 它 们 在 样品 上 产生 可 能 不 希望 有 的 强度 变化 。Oriel 父 司 制 造 一 种 可 变 中 性 滤 光 片 ， 虽 然 它 的 价格 比 半 打 单一 的 港 光 片 还 要 贵 ,但 是 使 用 起 来 灵活 方便 。 1.3.3 音色 仪 是 4 在 不 同 的 光谱 区 给 出 府 频 带 光 的 最 方便 和 最 精致 的 方法 是 ,使 用 衍射 光 李 单 色 仪 或 棱镜 单 色 仪 ,这 也 往往 是 最 帅 贵 和 难度 最 大 的 途径 。 单 色 仪 都 有 -一 个 色散 部 件 ， 通 常 是 一 个 生 镜 或 者 一 块 衍 射 光 栅 ,它们 把 白光 束 分 解 成 它 的 彩色 成 分 (图 1-10)。 转 动 色散 部 件 ， 就 能 使 不 同 颜色 的 光 落 在 单 色 仪 的 出 射 狭 锋 上。 单 色 仪 的 一 个 重要 指标 是 出 射 狭 镍 上 的 线 色散 倒数 计 它 指出 对 给 定 狭 颖 宽度 我 们 所 能 得 到 的 波长 间隔 。 单 色 仪 的 狭 颖 宽 度 一 般 调 在 1 一 5mm,' 而 典型 的 线 色 散 倒 数 为 3iin/mmg 单 色 仪 传输 的 光 通 量 是 色散 射 部 件 面积 的 函数 ,， 因 此 元 所 有 高 功率 单 色 仪 都 有 较 大 的 息 镜 或 衍射 光栅 。 对 于 估 射 狭 颖 至 色 散 部件 的 距离 与 色散 部 件 至 出 射 狭 颖 的 距离 相同 的 单 色 仪 (这 是 通常 的 情况 ， 但 不 是 图 1-10 Praia), Maes 仪 受到 最 佳 照 明 并 且 光 源 发 出 连续 谱 的 话 , 狭 缝 宽 麻 ( 头 射 狭 颖 和 出 射 狭 缝 ) 加 倍 将 使 带宽 加 倍 和 传输 功率 增加 3 售 5 筷 镜 单 色 仪 是 经 典型 式 的 单 色 仪 ， 但 它们 有 很 多 未 足 之 处 。 它 们 一 般 包 含 一 些 透镜 ,这 些 透镜 的 焦距 随 波 长 而 变 ; 这 就 意味 着 对 每 一 个 所 用 的 波长 ， 单 色 仪 内 的 所 有 透镜 以 及 筷 le 4 a - re > igf Ty a * 4, ie . 1.5.4 作用 光谱 局 作用 光谱 (参阅 3. 7) 是 为 产生 一 个 给 定 的 效应 所 需 的 天 射 光 子 数 的 倒数 对 波长 的 图 ( 即 光敏 感性 一 5@ 的 图 )o 作用 光 谱 上 的 峰 代 表 最 有 效 的 波长 ， 这 些 波 长 只 需 较 少 的 人 射 光 手 就 能 产生 这 种 效应 。 由 于 光子 的 能 量 通常 比 产生 一 个 给 定 化 学 效应 所 必须 的 多 得 多 ， 因 此 不 同 能 量 的 电子 激发 往往 将 产 生 相同 的 效应 , 例如 ;虽然 紫光 的 光子 能 量 是 红 光 的 两 倍 , 并 且 一 开始 产生 不 同 的 电子 激发 ， 但 叶绿素 吸收 红 光 或 紫光 的 光子 都 产生 光合 作用 。 FE, 对 某 种 效应 的 作用 光谱 往往 类 似 于 吸收 引起 这 种 效应 的 辐射 的 分 子 (发 色 团 ) 的 吸收 光谱 5 为 了 在 作用 光谱 和 吸收 光谱 之 间 得 到 较 好 的 匹配 ， 需 要 满足 很 多 条 件 ,这 些 条 件 包括 : (1) 注 量 -效应 曲线 应 该 在 全 部 波长 上 相似 (如 果 注 量 乘 上 一 个 常数 因子 , 效应 是 可 登 加 的 ), 这 意味 着 作用 的 机 制 在 所 有 波长 上 是 相同 的 。 下 (2) 量子 产 额 应 该 在 所 有 波长 上 相同 。 (3) 发 色 团 的 吸收 光谱 在 体外 和 体内 两 种 情况 下 必须 相 同 。 (4) 在 细胞 里 被 发 色 团 前 方 的 非 活性 物质 (细胞 内 距 蔽 ) 散射 的 光 必 须要 么 可 以 忽略 ,要 么 在 所 有 波长 上 梨 特 不 变 。 (5) 样品 在 任何 一 个 感 兴趣 的 波长 上 都 不 应 该 吸收 掉 夫 部 分 辐射 。 (6) 在 所 测量 的 条 件 下 必须 满足 时 间 和 注 量 率 的 反比 关 系 (例如 , 若 时 间 加 倍 而 注 量 率 减 半 , 则 效应 应 该 相同 ) 由 于 作用 光谱 是 以 光子 的 效率 为 基础 的 ， 所 以 必须 进行 “量子 校正 ,这 种 校正 可 以 很 容易 地 做 , 即 把 在 某 一 给 定 波 长 上 所 需 的 能 量 注 量 乘 以 这 个 波长 与 任 一 参考 波长 的 比值 ， 这 。 是 因为 光子 的 能 量 反比 于 波长 (参阅 1.4. 1)。 必须 全 得 作用 光谱 代表 着 一 个 生物 系统 在 一 组 给 定 条 件 。 下 的 响应 ,在 不 同 的 条 件 下 可 能 得 到 不 同 的 光谱 。 因 此 ,在 描 。 述 一 个 作用 光谱 时 ,人 们 必须 说 明 是 什么 生物 机 体 \ 什 么 效应 ”和 什么 条 件 。 例 如 ,人 们 可 以 说 “室温 下 在 叶绿素 中 光合 作用 的 作用 光谱 ” ,而 不 可 说 “对 光合 作用 的 作用 光谱 ”。 ”作用 光谱 一 直 是 光 生 物 学 中 十 分 有 用 的 工具 ， 这 个 技术 在 鉴定 光合 作用 发 色 团 方面 ca 已 经 用 了 一 个 世纪 左右 , 早 在 Avery 及 其 同事 关于 转化 原理 的 实验 的 前 十 年 ,作用 光谱 就 对 生物 系统 中 DNA 的 重要 的 遗传 作用 提供 了 强 有 力 的 证 据 。 ( 沈 ， 易 译 ) e 33 第 2 章 光谱 学 Angelo A. Lamola (URES ) Nicholas J. Turro (哥伦比亚 大 学 化 学 系 ) 2.1 序言 一 eeoo 35 2.2 预备 知识 : 电磁 辐射 和 光 的 本 质 coreee cere neces neeewenes 35 2.3 光 的 吸收 cveeeeecercecerecerenecereerecerereneceuarsensneresess 38 2.3.1 经 验 规 律 ppp 2.3.2 吸收 光谱 和 分 光 光 度 计 ee 39 2.3.3 有 吸收 光谱 和 分 子 的 结构 Pei 41 2.3.4 吸收 光谱 和 分 子 的 电子 状态 pe 42 2.3.5 ”分子 的 电子 状态 .轨道 和 能 级 .em 43 2.3.6 电子 状态 之 间 的 光学 跃迁 和 光 吸 收 的 规则 …:50 2.3.7 “振动 能 级 和 吸收 带宽 “人 53 2.4 电子 激发 态 分 子 的 弛 豫 路 径 和 速率 ……………… SP 55 2.4.1 SBE BFR BEE AIDE .ep 56 2.4.2 FEAR SHIR 5 PIPE MATAR BEIT RR oes eeoeeeeeee 58 2.4.3 HEE EMG PALA RIL PERI R coeveeeeeeeeee 61 2.5 激发 态 分 子 的 相互 作用 pp 62 2.5.1 微 环 境 的 影响 .ee 62 2.5.2 激发 态 分子 的 双 分 子 反 应 ee 63 2.5.3 双 分 子 动力 学 , Stern-Volmer 猕 灭 64 2.6 激发 态 分 子 的 探测 ee 65 2.6.1 发 光 交 谱 学 pe 65 。34 。 Se eee 2.6.2 [ACHR or ee ey eRe eee 2.7 ”电子 的 能 量 传递 pe 2.7.1 理论 ………， En St rr ak es 唯 象 的 分 类 后 2.7.3 溶液 中 双 分 子 的 激发 传递 ep 2.7.4 AW RBH AH FREER EGB vecceececeeeeeeees 2.8 GED] ee 5, 2.1 Fe = 光 生 物 学 的 中 心 是 Grotthus 和 Draper 在 1818 年 首先 陈述 的 一 个 原理 : 只 有 吸收 了 的 光 才 能 产生 化 学 变化 。 于 是 ,分 子 光 生 物 学 关心 的 是 从 光 被 所 考虑 的 生物 系统 的 某 一 部 分 吸 收 开始 到 所 观察 到 的 某 些 生 物 反应 为 止 的 分 子 事件 的 顺序 ， 因此 ,我 们 不 仅 应 该 ,而 且 必 须 从 处 理 那些 支配 着 分 子 吸 收 光 的 定律 开始 光 生 物 学 的 课程 ”光谱 学 指 的 是 这 样 一 门 科学 ， 它 起 初 只 和 定量 测量 光 的 谱 分 布 有 关 ， 但 现在 也 包括 许多 解释 这 些 测 量 结果 所 得 到 的 知识 。 在 我 们 看 来 ,可 以 把 光谱 学 看 成 这 样 一 门 科 学 ; 它 所 关 心 的 是 通过 光 的 测量 去 了 解 光 与 分 子 系统 的 相互 作用 、 各 种 激发 态 分 子 的 结构 和 它们 所 发 生 的 弛 豫 过 程 。 2 和 2， 预 备 知 识 : 电磁 辐射 和 光 的 本 质 电磁 辐射 是 一 种 可 以 在 真空 中 传输 的 能 量 形式 ， 当 它 以 足够 的 量 存在 时 ， 可 以 把 它 描述 成 横 的 电磁 波 ， 即 一 列 彼此 垂直 和 迅速 交 变 的 电场 和 磁场 ， 而 这 两 个 场 又 都 垂直 于 传播 的 方向 。 作为 一 种 波动 ， 这 种 辐射 可 以 用 它 的 波长 和 频 e 35 。 率 > 来 表征 ， 波 长 和 频率 由 下 面 的 简单 公式 相 联系 : 142 一 < (2-1) 式 中 “是 传播 速度 (光速 ), BUH) 3X10%m ss, 单一 波长 的 电磁 辐射 叫做 单 色 辐射 。 电磁 辐射 按照 各 种 波长 范围 进行 分 类 ， 分 类 的 基础 起 先 是 经 验 的 ， 之 所 以 要 分 类 是 因为 对 不 同 波长 范围 的 辐射 需要 非常 不 同 的 方法 去 产生 和 探测 ， 表 2-1 给 出 了 一 种 分 类 法 。 通常 所 谓 的 光 是 一 种 引起 人 类 视觉 的 辐射 ， 这 种 辐射 处 在 380 一 800nm 波长 区 间 , 更 确切 地 讲 , 这 一 波长 区 间 叫 做 电 磁 辐 射 谱 的 可 见 部 分 。 光 生 物 学 主要 关心 波长 从 200nm 到 800nm 的 辐射 ， 这 种 辐射 被 分 子 吸收 后 能 够 引起 化 学 上 的 变 化 。 一 般 来 讲 ,波长 较 长 的 辐射 效率 低 , 除 非 它 非常 强 。 波 长 ， 很 短 的 辐射 一 般 来 讲 可 以 无 例外 地 使 分 子 电离 ， 它 们 属于 电 离 辐射 (例如 X 和 7 射线 )。 表 2-1 电磁 辐射 谱 范 转 波 长 r 射 线 10-*— 10-'nm x B& 10-: 一 10nm A 3s RK 10—200nm 紫 外 200—300nm VI 紫 外 300 —380nm 可 见 380 一 800nm 红 外 0.8—1000um 微 波 1mm 一 100cm 把 光 描述 为 一 种 电磁 波 不 足以 解释 像 分 子 吸 收 光 和 发 和 光 之 类 的 现象 ,一 个 需要 知道 的 重要 概念 是 : 电磁 辐射 是 量 子 化 的 ,也 就 是 说 , 它 是 由 :一 些 叫做 光子 的 不 连续 的 能 量 包 组 sa 36 « RY. 光 的 波动 描述 是 为 了 解释 涉及 大 量 光 子 的 现象 , 例如 经 磺 光 学 里 的 现象 , 然而 ,必须 把 光 看 成 一 个 一 个 的 光子 , 7 ”能 说 清楚 那些 涉及 其 本 身 必 须 用 量子 理论 来 处 理 的 系统 ( 像 分 子 ) 的 现象 。 中 爱 因 斯 坦 首先 提出 每 个 量子 的 能 量 由 下 式 与 辐射 的 波长 和 频率 相 联系 : E=hv=he/a (2-2) Auth A TERA GE A (6.63 X 10s), 于 是 ,波长 较 长 的 光子 ”能 量 较 攀 。 | 1 摩 东 的 光子 (6X102 光子 , 有 时 叫做 工 爱 因 斯 坦 ) 所 含 的 能 量 则 是 6X 10724, MRL kcal/mol ( 千 卡 /摩尔 ) 为 单 位 ， 则 五 一 2.86 X 104/2Cnm)(1lcal = 4.184J)。 本 章 感 兴 趣 的 范围 内 各 种 波长 光子 的 能 量 列 于 表 2-2 ， 一 个 波长 700mn 表 2-2 紫外 和 可 见 光 的 光谱 能 量 A(nm) v(s~") wR 8 kcal/mol eV 200 1.5x10" 不 可 见 紫 外 143 6.2 250 0 不 可 见 紫 外 114 4.9 300 1.010" 不 可 见 紫 外 102 4.4 380 7.9% 10" 可 见 紫外 边缘 76 3.3 400 7.510" 紫 72 3.1 470 6.4% 10" 蓝 60 、 2.6 530 5.8X101 绿 54 2.3 ~ 580 5.210" # 49 Sit 620 4.910" i 46 2.0 700 4.310" 红 41 1.8 o_o ide ba ‘phe ahs A i e > eo: 这 1 = = ae 的 红 光子 具有 的 能 量 大 约 是 一 个 波长 400nm 的 “ 紫 光子 的 一 半 。 例 如 ， 一 个 系统 可 以 吸收 紫光 , 但 是 对 红 光 完全 透明 ; 另 一 个 系统 两 种 波长 都 可 以 吸收 ,如 果 是 后 一 种 情况 的 话 ;为 了 提供 这 个 系统 相等 的 能 量 , 则 必须 吸收 大 约 两 倍 于 “紫光 子 数 的 “ 红 光子 ,如 果 我 们 关心 的 是 用 太阳 光 加 热 的 话 , 这 可 能 是 一 个 重要 的 芳 虑 。 然 而 在 考虑 一 些 光 分 子 事件 时 ,虽然 光 子 的 能 量 可 能 会 决定 光子 是 否 被 吸收 ， 但 是 吸收 的 光子 的 能 量 对 于 以 后 所 感 兴趣 的 事件 的 发 生 也 许 并 和 不 重要 ， 在 这 种 情 Di PF , 光 分 子 事件 的 数目 正比 于 吸收 的 光子 数 , 而 不 是 正比 于 总 的 吸收 的 光 能 。 从 一 开始 就 懂得 这 个 区 别 是 很 重要 的 , 另 一 点 重要 的 是 ,人们 应 能 由 用 能 量 测量 器 件 ( 如 热 电 堆 ) 测 量 的 光 的 强度 换算 成 以 光子 数 为 基础 的 单位 。 23 光 的 吸收 6 3 2.3.1 经 验 规律 Bouguer (1729) 和 Lambert (1760) 发 现 : 人 射 光 被 介质 吸 收 的 分 额 正 比 于 它 穿 过 的 介质 的 厚度 ， 而 和 光 的 强度 无 关 ， BU: —dl = aldx (2-3) 式 中 了 是 从 进入 介质 算 起 某 一 距离 处 光 的 强度 ，“ 是 吸收 系 数 (消光 系数 )。Bouguer-Lambert 定律 成 立 的 条 件 是 : OAR 光 是 单 色 的 和 准 直 的 ;@ 了 吸收 介质 是 均匀 的 ; 国 吸 收 中 心 的 作 用 是 彼此 独立 的 。 对 于 吸收 光 的 溶质 在 实际 上 透明 的 溶剂 里 的 许多 溶液 ， Beer (1852) 指 出 : 吸收 系数 正比 于 溶质 的 数目 或 浓度 < (Beer 定律 )。 把 这 个 关系 代 人 Bouguer-Lambert 定律 ， 给 出 : 5 该 式 的 积分 给 出 : cia aie whe (2-4) In(1,/1) = acx (2-5) 式 中 1 和 工分 别 为 人 射 光 强度 和 透射 光 强 度 , X 是 吸收 介质 的 厚度 。 对 于 溶液 ,这 个 定律 经 常用 以 10 为 底 的 对 数 表示 : log (1/1) = ecl (2-6) 式 中 ,如果 ¢ 是 以 mole/l 表示 的 浓度 ,! 是 以 cm 表示 的 光 程 ， ULL mol-tem-: 为 单位 的 常数 © 叫做 摩尔 消光 系数 。 公式 (2-7) 定义 了 吸收 率 4， 经 常 也 叫做 光 密度 (0. D.): 好 三 logi1o1)- 一 0 也 .一 一 logjo7 (2-7) 人 射 辐射 透 过 的 分 额 叫做 透射 率 T。 ”必须 指出 : 如 果 Bouguer-Lambert 条 件 不 满足 的 话 ， 则 专 指 由 于 吸收 使 透射 光 减 少 的 吸收 率 4 就 不 完全 等 同 于 0. D. 或 一 logT， 就 到 达 介质 另 二 侧 的 探测 器 的 人 射 光 子 变 少 而 言 ， 人 射 光 的 反射 和 散射 也 会 造成 透射 光 的 减少 ， 透 射 率 (T) AICHE (O. D.) HA (2-7) 定义 时 并 没有 特别 说 明 透射 强度 减 小 的 理由 。 不 符合 Beer 定律 的 情况 是 经 常 有 的 ; 为 此 我 们 必须 一 般 假定 它 不 适用 了 除非 实验 上 能 够 证 实 它 的 成 立 。 分 子 聚 集 态 和 络 侣 ， 部 分 的 电离 (分 解 ) 和 其 它 二 些 与 浓度 有 关 的 现象 可 ”能 导致 对 工 aimbert-Bouguer-Beer 定律 的 偏离 。 由 于 各 种 双 光 子 过 程 和 其 它 “ 非 线性 ” 效应 的 作用 , 当 涉 及 到 从 激光 器 获得 的 那样 高 的 光 强 度 时 ,这 个 定律 也 往往 被 破坏 。 2.3.2 吸收 光谱 和 分 光 光度 计 o 吸收 光谱 可 以 用 各 种 方法 表示 ， 虽 然 没 有 任何 标准 的 表 示 法 ,但 最 一 般 的 是 把 波长 4 画 在 横 坐 标 上 ,而 把 吸收 率 画 在 ”级 坐 标 上 ,课文 中 叙述 了 一 个 这 样 的 范例 ( 见 图 2-1)。 e 39 。 wate’). Sa i. \ os »* ow os hes > 280 "320 BK (am) 图 2-1 1)2， 5，6- 二 苯 草 的 吸收 光谱 。 咨 液 的 光 程 是 lem, 二 茶 划 的 浓度 为 4uM, 于 是 在 吸收 最 强 的 297nm 处 的 摩尔 消光 系数 是 1.4X10”。 在 360am 和 400nm 之 间 吸 收 很 弱 是 对 的 ， 它 说 明 这 时 的 摩尔 消 光 系 数 在 5X10 量 级 。 在 这 个 谱 上 至 少 可 以 看 到 4 个 跃迁 ， 它 们 代 硝 从 基态 到 4 PARRA (参阅 2.3.5 和 2.3.6), eee RREN te AD IE 400, 355, 300 和 235nm 附近 。 选择 波长 作为 一 个 参数 是 比较 方便 的 ， 因为 光 家 类 型 人 。 器 使 光谱 对 波长 作 线性 色散 ， 当 然 ,， 能量 随 波 长 的 增加 而 减 小 ; 它 正比 于 频率 ,反比 于 波长 。 大 多 数 仪器 或 者 画 出 透射 率 (1/1o) 或 者 画 出 光 密 度 [— log (1)/1)],%4 Lambert-Bouguer- Beer 定律 成 立时 , 光 密 度 与 吸收 率 相 同 , 最 好 是 把 纵 坐 标 画 为 消光 系数 es， 当 s (或 4) 变 化 范围 很 大 时 ， 纵 坐标 经 常 画 成 log e (或 log4)。 eid 吸收 光谱 的 测量 包括 取得 一 系列 紧密 相间 的 波长 上 的 工 和 Io 的 数值 ,理想 情况 下 可 以 用 一 个 吸收 为 零 的 参考 样品 得 到 7u， 这 个 参考 样品 除了 不 含 所 研究 的 吸收 物质 外 ,， 其 余 完 es 40 e 了 as ee ee | 侈 与 待 测 样品 相同 。 双 光束 分 光 光 度 计 可 以 自动 扫描 和 记录 光谱 ,在 这 种 仪器 (现在 它们 是 最 常用 的 ) 里 , 光 从 一 个 连续 谱 (在 该 范围 内 的 所 有 波长 都 存在 ) 的 光源 发 出 ， 准 直 并 分 成 两 东 ， 其 中 的 一 束 通过 样品 ,而 另 一 束 通过 参考 样品 , 这 两 束 光 或 者 在 穿 过 样品 之 前 或 者 在 穿 过 之 后 被 单 色 化 ， 利 用 某 些 光 电 探测 器 (如 光电 倍增 管 ) 把 光束 的 强度 转变 成 电信 号 ， 然 后 经 过 电子 学 处 理 并 把 信号 送 到 一 个 与 单 色 仪 波长 驱动 机 构 同 . 步 转动 的 纸 带 式 自动 记录 仪 ， 这 种 仪器 的 示意 图 表示 在 图 a2 Fo 0- 透镜 --- 光栅 入 驱动 机 构 图 2- 和 双 光 束 记 录 式 分 光 光 度 计 示意 图 ”在 2.3.2 里 对 该 仪器 作 了 说 明 。 2.3.3 吸收 光谱 和 分 子 的 结构 -9 最 早 的 有 机 化 学 家 就 已 认识 到 纯 有 机 化 合 物 的 颜色 是 一 个 重要 的 特征 性 质 , 一 旦 有 了 可 靠 的 仪器 ,作为 一 种 客观 标准 的 吸收 光谱 就 代替 了 颜色 。 当然 , 紫外 区 的 吸收 光谱 可 以 表 征 许多 无 色 的 化 合 物 ， 因 此 这 种 光谱 的 测量 便 成 了 化 学 家 日 常 工作 的 一 部 分 。 一 旦 得 到 足够 数量 的 光谱 数据 库 , 就 可 以 找到 一 些 经 验 规律 而 把 有 机 化 合 物 的 分 子 结构 与 它们 的 吸收 0: 41% ‘ Pe MEL on 光谱 联系 起 来 。 人 们 很 快 就 认识 到 :， 饱 和 化 合 物 ( 例 如 环 已 烷 ) 在 可 见 和 紫外 区 不 吸收 光 ,而 含 不 饱和 基 团 或 这 些 基 团 的 共 罗 组 合 的 化 合 物 总 是 吸收 紫外 辐射 \ 有 时 也 吸收 可 见 光 ;这 种 不 饱和 分 子 的 吸收 中 心 叫 做 发 色 团 , 发 色 困 由 分 了 中 所 有 LMS RRA KIMI) AT OR, BRR. ROA EA MATL ORS. (Se ATR 长 的 波长 。 生 色 基 是 一 些 像 一 OH 那样 的 基 团 , 它 在 饱和 分 子 中 并 不 给 与 分 子 吸 收 可 见 光 或 紫外 光 的 能 力 ; 但 是 当 它 与 发 色 团结 合 时 ,可 以 使 吸收 光谱 发 生 很 大 的 改变 。 2.3.4 吸收 光谱 和 分 子 的 电子 状态 2” 量子 力学 告诉 我 们 : 对 于 原子 核 静 止 不 动 的 分 子 , 其 电 子 的 能 量 (动能 加 势能 ) 只 能 取 一 些 不 连续 的 数值 ， 这 些 数值 对 应 于 电子 在 原子 核 周 围 的 一 定 的 分 布 ， 这 些 分 布 中 间 的 每 一 个 对 应 于 分 子 的 一 个 电子 状态 。 我 们 发 现 , 在 室温 下 与 周 围 环 境 达到 平衡 的 几乎 所 有 的 分 子 都 处 在 最 低能 量 的 电子 状 态 , 即 基态 。 能 量 较 高 的 状态 叫做 电子 激发 态 ;基态 和 最 低能 量 的 激发 态 之 间 的 能 量 差 往往 很 大 ,以 至 不 能 用 加 热 分 子 的 - 办 法 使 明显 数量 的 分 子 达 到 激发 态 ， 这 是 因为 在 大 量 电子 激 发 态 出 现 之 前 ， 由 于 振动 的 加 剧 使 化 学 键 的 分 解 或 重组 首先 发 生 。 基态 分 子 吸 收 一 个 光子 后 ， 分 子 便 从 它 的 电子 基态 跃升 到 某 一 个 激发 态 ,一 个 光子 要 被 吸收 (导致 电子 的 激发 为 就 必 然 在 分 子 和 光 之 间 存 在 着 一 种 相互 作用 ， 对 于 光 生 物 学 家 感 兴趣 的 分 子 ; 主 要 的 相互 作用 是 电子 与 光 的 电场 之 间 的 相互 作用 。 只 有 能 量 相 应 于 分 子 的 较 低 和 较 高 电子 状态 之 间 的 能 量 差 AE 的 光 才 能 被 吸收 ,由 于 AE 与 光 的 波长 1 成 反比 [ 公 - st (2-2)], 吸收 光 的 波长 越 长 , 则 A 一 定 越 小 , 因此 ,一 个 « 42 « 4 ae = 含 发 色 团 的 有 机 分 子 的 基态 和 最 低 电 子 激发 态 间 的 能 量 差 必 定 比 饱和 分 子 中 相应 的 能 量 差 小 得 多 ， 用 表示 分 子 的 电子 状 态 的 分 子 轨道 模型 很 容易 解释 这 种 观察 。 2.3.5 分 子 的 电子 状态 .轨道 和 能 级 5-? 分 子 的 每 一 个 束缚 的 电子 状态 都 由 原子 核 之 间 一 个 特定 的 能 量 最 低 的 几何 位 置 或 排列 来 表征 ， 电 子 占据 着 原子 核 周 围 的 一 些 特殊 区 域 ， 这 些 区 域 叫做 轨道 。 不 同 轨道 上 的 电子 具有 不 同 的 能 量 , 每 一 个 轨道 可 以 被 两 个 以 下 的 电子 所 占据 ， 而 这 两 个 电子 必须 具有 相反 的 目 旋 ( 泡 利 不 相 容 原理 )。 分 子 内 能 量 最 低 的 电子 (轨道 ) 是 内 壳 层 电子 ， 实 际 上 就 是 原子 的 1s 轨道 ， 它 们 之 所 以 能 量 最 低 ， 是 因为 它们 平均 来 讲 最 靠近 原子 核 。 以 乙烯 为 例 ， 最 低 的 轨道 是 碳 的 1 轨道 。 FEST ARAN DTH, 两 个 原子 的 25 和 2p 电子 相互 作用 而 使 分 子 中 的 原子 结合 在 一 起 ， 这 些 成 键 的 电子 占据 着 与 两 个 或 更 多 的 原子 核 有 关 的 一 些 分 子 轨道 ,原子 核 之 间 的 电子 密度 使 核电 和 荷 受到 屏蔽 ,因此 它们 与 其 它 电 子 协调 一 致 ,平衡 AAT RIAA HERVE HA 在 乙烯 里 有 两 种 类 型 的 分 子 轨 道 , 叫 做 5 PU = He. 它们 的 区 别 在 于 对 原子 核 之 间 轴 线 (或 分 子 的 平面 ) 的 对 称 性 的 不 同和 原子 的 * fl? HBR. o 轨道 相对 于 键 轴 具 有 圆 柱 对 称 性 ,而 = 轨道 是 反对 称 的 ,相当 于 绕 键 轴 旋 转 180" ( 见 图 2-3), 轨道 主要 定 域 在 两 个 原子 核 之 间 ， 它 代表 单 键 ， 乙烯 中 碳 原子 和 氢 原 子 之 间 的 键 是 由 c 轨道 上 的 电子 实现 的 , 碳 - 碳 键 中 的 一 个 也 是 如 此 , 另 一 个 碳 - 碳 键 是 = 键 。 在 具 ”有 共 斩 双 键 的 分 子 中 (例如 丁 二 烯 和 葵 ) ， 有 一 些 在 几 个 原子 核 上 ( 即 与 几 个 原子 核 联 系 在 一 起 ) 运 动 的 = 轨道 。 目前 为 止 我 们 讲 了 处 于 乙烯 的 基态 或 最 低 电 子 状态 的 轨 e 43 « (a) HH (b) Hy. jae eae * Cr Her PNA (c) o* ee OE ey o* 1 rene E n Tr T ce cs 乙烯 甲醛 SS eee ee, 4S LTT oe) ,在 分 子 轨 道 模 型 中 ,与 每 一 个 成 键 的 分 子 轨 道 对 应 , 都 有 一 个 反 键 的 分 子 轨 道 , 因此 ,对 于 已 烽 人 们 必须 考虑 两 个 反 键 轨道 =* 和 ， 这 里 用 是 号 表示 反 键 特征 。 这 些 反 键 轨 道 都 有 一 个 与 原子 核 间 轴线 垂直 的 节 平面 (图 2-3)。 在 这 种 轨道 上 , 核 间 区 域 的 电子 密度 低 , 根 据 其 它 电 子 的 分 布 情况 ， 这 样 低 的 电子 密度 可 能 不 足以 屏蔽 原 于 核 的 电荷 ,因此 可 能 得 到 一 个 净 的 排斥 作用 。 按 轨道 上 电子 能 量 由 低 到 高 的 次 序 ， 乙 烯 的 轨道 可 以 写 BK 2X(C)1s, 4 X (C—H)o,(C—C)o,2,2*,(C—C)o*, 4 X (C—H)o*(Al 2-44). 为 了 产生 基态 或 者 能 量 最 低 的 电子 构 型 (分 布 ) 从 能 量 最 低 的 轨道 开始 ， 每 个 轨道 上 放 两 个 电子 (Aufbau RH), Cilia 16 个 电子 ， 它 的 基本 构 型 是 2X(C) 1554 X (C—H)o?,(C—C)o’ 2°; 也 就 是 说 ， 所 有 的 成 键 轨道 ain J ,而 没有 一 个 反 键 轨道 上 有 电子 (轨道 上 的 充填 数 可 以 是 0, 1 或 2, 它 以 轨道 右上 角 的 上 标 给 出 )。 为 了 产生 能 量 较 高 的 电子 构 型 或 状态 ， 一 个 或 多 个 电子 要 从 处 于 基态 的 轨 道 跃 升 到 一 个 或 几 个 空 轨道 上 去 ， 在 一 个 电子 的 分 子 扫 道 模 图 2-3 (a2) 乙烯 的 某 些 分 子 轨 道 的 图 示 ， 其 分 子平 ” 面 是 该 书页 的 平面 乙烯 是 一 个 平面 分 子 (所 有 六 个 原子 都 在 分 子平 面 上 )。 碳 - 碳 0 轨道 有 着 对 键 轴 的 圆柱 对 称 性 ， 相应 的 o# 轨道 具有 同样 的 对 称 性 ， 但 在 两 个 原子 间 的 中 途 有 一 个 节点 。 图 中 未 表示 出 对 四 个 碳 - 氢 键 的 C 和 :0*#x 轨道 。 工 轨道 的 节 平 面 在 分 子 的 平面 上 ; 一 部 分 (外 周 的 实 线 ) 延 伸 到 该 平面 的 上 方 ， 符号 相反 的 另 一 部 分 (内 圈 的 虚线 ) 伸 到 该 平 面 的 下 方 。 磁 轨道 在 两 个 碳 原 子 的 中 间 有 另 一 个 节 点 ; (b) 除了 对 乙烯 必须 考虑 的 轨道 外 ,对 甲醛 还 必 须 考 虑 氧 的 一 个 重要 的 原子 轨道 ;(c) 位 于 (a) Mob) 中 所 画 乙 烯 和 甲醛 的 每 一 个 轨道 上 的 电子 的 能 量具 有 图 上 所 示 的 关系 碳 - 氨 C 和 0# 的 能 量 ( 未 画 出 ) 分 别 在 所 示 能 级 的 下 方 和 上 方 。 © 45 « 型 里 ,轨道 的 能 量 与 分 子 的 构 型 或 轨道 的 充填 情况 无 关 ; 也 就 是 说 ,电子 -电子 之 间 的 某 些 相互 作用 可 以 忽略 ,因此 ,两 个 电 子 状 态 之 间 的 能 量 差 就 是 这 两 个 状态 上 的 轨道 之 间 的 能 量 差 相 加 (要 考虑 到 充填 数 是 1 还 是 2)* 当然 ;人 们 只 需要 考虑 这 两 个 状态 中 充填 情况 不 同 的 那些 轨道 s 在 光 吸 收 的 过 程 中 ， 较 低 的 和 较 高 的 分 子 状 态 间 的 能 差 等 于 所 吸收 的 光子 的 能 量 。 当 较 低 的 状态 是 基态 , 而且 分 子 只 含 低 原子 序数 的 元 素 时 ， 使 电子 如 出 内 壳 层 鸭 道 或 a 轨道 或 者 跃升 到 o* 轨道 所 需 的 能 量 相当 于 比 220nm 更 短 的 波长 ， 这 种 能 量 一 般 地 说 超出 了 光 生 物 学 感 兴趣 的 范围 ;因此 ,对 大 多 数 研究 来 说 ， 这 些 轨 道 可 以 不 管 。 如 果 把 这 个 简化 用 于 己 烯 ,需要 考虑 的 轨道 仅仅 是 = 和 x*# 轨道 乙烯 的 基态 构 型 是 忆 ， 需 要 考虑 的 唯一 的 一 个 电子 的 激发 态 是 地 z*， 由 基态 到 激发 态 的 变化 (跃迁 ) ,可 以 只 针对 轨道 改变 的 那个 电子 来 写 ， 即 = —> rx(z= 到 <*x), 激 发 态 可 以 按 这 些 轨 道 来 命名 ， 例如 ,在 这 种 情况 下 激发 态 叫做 rz* Bo 在 价 壳 层 中 的 非 共 价 电子 具有 的 能 量 可 以 和 雪 道 上 的 电子 相 比 ,在 所 感 兴趣 的 波长 范围 内 , 光 吸 收 的 过 程 必须 考虑 这 种 电子 。 这 种 电子 叫做 非 键 合 电子 或 电子 ,它们 所 占据 的 轨道 叫 > 轨道， 这 种 电子 的 一 个 例子 是 甲醛 中 氧 原 子 上 的 一 对 非 键 合 电子 , 即 2 电子 。 在 甲醛 里 , 碳 和 氧 之 间 的 键 合 和 乙烯 里 一 样 涉 及 到 和 = 轨道 的 电子 (图 2-3)。 甲醛 的 基态 ， 构 型 可 以 写成 pz。。 对 甲醛 必须 考虑 两 个 低 的 激发 态 ， 它 们 是 由 一 个 电子 的 跃迁 z 一 x#* Mo PEN, Ho Be 在 能 量 上 位 于 = 轨道 之 上 (图 2-4b), FLL n > o* BE 的 能 量 比 = > r* BRIE, 就 是 说 , 激发 态 wzr* 是 能 量 最 低 的 激发 态 。 当 所 有 占据 的 轨道 都 含有 两 个 电子 时 ,根据 泡 利 原理 四 ° 46 。 o* 5 ee —_______ 7r* 一 一 一 一 —+— a oa aa ow +, S1 So T-01* r3r* (b) . 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ee a ee o* —t-- 一 一 a 一 二 一 7 He 一 二 一 —— = a |B 一 一 一 人 一 一 -一 忆 全 人 —K— pt 一 计 一 一 站 一 a oO Tg TY Sz S1 So 1Ww--1* nn 一 信和 党 太一 代 共 n—-7* -{e) | 460 $,(17, 17") 420 So(77,17*) Ty (77, 1*) cee iv —— T>(77, 77") es 1 m tT (nj7r*) E(kcal /mol) | 40 So—— 0 So- 一 一 图 2-4 《a) 乙 烯 的 基态 (So) 最 低 激 发 单线 态 (S) 和 三 线 态 (T,) 构 型 的 A> 原子 的 内 壹 层 电子 和 碳 一 氢 键 里 的 电子 没有 描述 ; (b) 甲 醛 的 基 态 和 低 激 发 态 的 构 型 ;〈c) 基 态 以 上 乙烯 的 低 激 发 态 4 左 7) 和 甲醛 的 低 激 发 态 ( 右 ) 的 能 量 ， 这 个 图 叫做 态 能 图 或 Jablonski 图 ,三 线 态 从 单线 态 水 平 位 移 是 为 了 更 清楚 地 表示 相互 转化 的 过 程 (参看 图 2-8 b), .47 ， 自 旋 相反 (十 1/2 ,一 1/2) 的 电子 数目 相等 ,或 者 说 电子 的 净 自 旋 为 零 。 状 态 的 多 重 性 由 2 十 1 给 出 ,其 中 8 是 总 的 电子 自 旋 。 多 重 性 等 于 1(S=0) 的 状态 是 单线 态 , 而 多 重 性 等 于 3(5 一 1) 的 状态 是 三 线 态 ,乙烯 和 甲醛 的 基态 都 是 单线 态 。 直 到 现在 为 止 的 讨论 中 我 们 还 没有 谈 到 跃迁 电子 的 自 旋 ， 如果 从 基态 跃迁 到 激发 态 时 跃升 电子 的 自 旋 保持 不 变 ， 则 九 迁 后 的 状态 还 是 单线 态 。 由 于 泡 利 原理 允许 电子 在 只 有 一 个 电子 占据 的 轨道 上 有 两 种 自 旋 方向 ,因此 ,一 个 电子 的 激发 态 可 以 得 到 数 值 为 1 的 总 自 旋 ,例如 , 跃 迁 电 子 的 自 旋 可 以 由 它 在 基态 时 所 持 的 方向 逆转 。 因 此 ,激发 态 的 构 型 可 以 是 单线 态 * 也 可 以 是 三 线 态 的 自 旋 态 (图 2-4 a, b)。 在 一 个 电子 的 模型 里 ;相同 构 型 钓 单线 态 和 三 线 态 是 简 并 的 (具有 相等 的 能 量 姓 但 是 ,由 于 每 一 个 分 子 中 实际 上 有 一 个 以 上 的 电子 ， 所 以 必须 著 虑 这 些 电子 之 间 的 相互 作用 ， 人 们 发 现 电子 在 单线 态 和 三 线 态 中 的 运动 关系 不 同 (正如 量子 力学 定律 所 要 求 的 ) ,以 致电 子 -电子 的 排斥 能 在 三 线 态 中 低 于 在 单线 态 中 只 ; 因 此 ,三 线 态 在 能 量 ¥ ie te al F ve ’ < 上 总 是 低 于 轨道 构 型 相同 的 单线 态 ， 这 说 明 能 量 最 低 的 激发 态 是 三 线 态 ， 这 一 点 对 于 在 生物 系统 中 遇 到 的 所 有 反 磁 伺 的 不 含 金 属 的 化 合 物 都 是 正确 的 。 在 状态 能 级 图 上 ， 水 平 线 代表 的 状态 按照 它们 之 间 的 能 量 差 垂直 排列 (基态 放 在 能 量 为 .0 的 位 置 )， 单 线 态 和 三 线 态 各 成 一 组 ， 并 在 水 平方 向 上 错开 ， 图 2-4 < 给 出 乙烯 和 甲醛 的 一 些 低 电子 状态 的 状态 能 级 图 。 各 个 状态 的 排列 立足 于 各 种 光谱 学 的 数据 ， 它 们 包括 吸收 光谱 、 发 射 光 谱 和 光电 子 能 谱 。 可 以 看 到 : ”单线 态 的 =，” 态 与 三 线 态 的 =, 一 态 之 间 AYRE RE (RR) 大 于 单线 态 2 与 三 线 态 2 之 间 的 能 量 差 ， 单 线 态 一 三 线 态 的 分 裂 可 以 变化 很 大 ， 对 很 多 分 子 来 说 ,在 最 低 激 发 单线 态 能 级 以 下 有 不 止 一 个 三 线 态 能 级 靖 , 而 « 48 e se 上 且 ， 最 低 三 线 态 的 构 型 不 一 定 要 和 最 低 单 线 态 的 构 型 对 应 ， 用 光谱 方法 或 某 些 间接 方法 观察 往往 确定 不 了 分 子 的 电子 状态 ， 也 就 是 说 不 知道 电子 的 构 型 及 其 伴随 的 往 质 ， 当 情况 如 此 时 ， 这 些 状 态 就 简单 地 按 能 量 增高 的 顺序 编号 为 Si， 8 SR T,, Tr: ++, (ARE S, 和 7T, 的 构 型 可 能 是 不 对 应 的 。 了 。 归纳 起 来 ， 有 机 分 子 吸 收 光 的 波长 范围 在 200nm 以 上 ， 这 是 因为 这 些 分 子 的 基态 上 方 存在 着 一 些 能 量 低 于 140 keal/ mol 的 电子 状态 ， 这 些 激发 态 是 电子 从 ”或 = 轨道 跃迁 到 到 罗 道 所 产生 的 。 在 共 斩 系统 中 , 能 量 最 高 的 > 或 = 轨道 和 能 量 最 低 的 <* PECAN REAR MALIN EE 而 减 小 , 因此 ,乙烯 在 200nm 处 吸收 光 , HELE 280nm, AAS hb 素 在 450nm, 而 某 些 趾 啉 在 600nm 处 吸收 光 , 这 些 吸 收 \( 见 下 SC) ABE A FRE SA A AR AS (HF AE OO) 所 引起 的 。 对 应 于 每 二 个 激发 单线 态 都 有 一 个 三 线 态 ， 它 们 处 于 较 低 的 能 量 , 这 就 使 得 最 低 的 电子 激发 态 是 一 个 三 线 态 。 BA 理 诊 的 又 有 许多 实验 的 方法 来 鉴别 和 定位 ( 即 比 基 态 高 多 少 能 量 ) 有 机 分 子 的 一 些 低 激发 态 。 在 结束 这 节 的 讨论 之 前 必须 指出 : 处 于 电子 激发 状态 的 分 子 可 能 具有 与 基态 分 子 很 不 相同 的 化 学 和 物理 性 质 ， 这 就 是 为 什么 光化学 反应 一 般 给 出 的 产物 不 同 于 只 涉及 基态 分 子 的 反应 所 给 出 的 产物 的 原因 之 一 。 例 如 ,我 们 不 难 理解 为 什么 甲醛 的 S,-* 态 的 电荷 分 布 和 平衡 态 的 几何 构 型 不 同 于 其 基 态 的 情形 ,一 个 = HF ES zx* 轨道 会 使 碳 和 氧 之 间 的 结合 变 绊 ,因此 与 基态 相 比 ,激发 态 分 子 中 的 C—O 键 较 长 ,并且 伸张 频率 较 低 。 至 于 电荷 ,与 基态 相 比 ,激发 态 时 的 氧 原子 要 ESS, 而 碳 则 较 负 , 这 是 因为 基态 时 电子 只 与 氧 原 子 结合 ， 而 在 激发 态 里 电子 与 碳 和 和 氧 都 发 生 了 联系 。 © 49 ¢ 2.3.6 电子 状态 之 间 的 光学 跃迁 和 光 吸 收 的 规则 .aaa2m 分 子 从 一 个 电子 状态 到 另 一 个 电子 状态 的 光学 姥 迁 包含 着 由 于 分 子 发 射 一 个 光子 造成 的 能 量 损失 或 吸收 一 个 光子 而 获得 能 量 , 为 了 满足 能 量 守恒 ,分子 由 于 跃迁 所 得 到 的 或 失去 的 能 量 等 于 光子 的 能 量 AE — 加 ， 因 此 光学 跃迁 是 一 个 共振 过 程 。 这 个 能 量 守恒 定 则 可 以 换 另 一 种 方法 来 陈述 : 对 一 个 特定 能 量 的 光子 (一 种 特定 波长 的 光 )， 只 有 当 分 子 系统 存在 着 一 个 能 量 高 度 正好 等 于 该 光子 能 量 的 激发 态 时 , - 它 才 能 被 该 系统 吸收 。 为 了 有 效 地 吸收 光 , 这 种 能 量 的 匹配 是 一 个 必 要 条 件 ,但 它 不 是 一 个 充分 条 件 。 假如 共 s 振 条 件 满足 ， 光 吸收 的 几率 可 以 看 成 振子 强度 刀 光 吸 收 几率 (吸收 强度 ) 的 实验 测量 与 摩尔 消光 系数 e [公式 (2-6)] 有 关 。 由 于 多 原子 分 子 的 光谱 较 宽 ,， 即 吸收 分 布 在 一 个 波长 范围 内 (图 2-1)， 因 此 振子 强度 的 度量 便 是 吸收 带 的 积分 强度 : t~ | Ed (2-8) 式 中 去 和 画 是 吸收 带 两 端的 波 数 (pz — 1/2)6- 振子 强度 可 以 和 分 子 跃迁 前 后 所 处 的 两 个 电子 状态 上 的 电子 分 布 联系 起 来 ， 即 振子 强度 与 一 个 叫做 跃迁 矩 的 量 的 平 方 成 正比 : ~ |M| (2-9) FE ye RSL RBI 5) FS RE PRA, M = (;\er|¢,) ~~ (2710) 式 中 hy Rd ; 分 别 为 终 态 和 始 态 的 电子 波 函数 ( 即 跃迁 是 页 >), 是 电子 电荷 , 而 r EERE ER ERERAR r 一 又 十 Y 十 Z)。 了 有 姥 迁 和 矩 是 电子 跃迁 造成 的 电子 电荷 在 分 1) > 是 一 个 数学 符号 ?表示 对 某 一 适当 空间 的 积分 9 ° 50 ， As = ‘ | 子 中 直线 位 移 的 一 种 度量 ;造成 光子 吸收 的 相互 作用 本 质 上 绅 光 的 电场 与 分 子 中 电子 之 间 的 相互 作用 ， 这 种 相互 作用 和 吸收 一 个 光子 的 几率 随 跃 迁 窍 而 增 大 。 工 在 一 个 电子 的 近似 中 ， 波 函数 Md, 描写 分 子 中 的 电 “ 子 它们 用 跃迁 电子 所 占据 的 终了 和 起 始 的 “一 个 电子 ”的 轨 道 ( 波 函 数 ) 来 代替 ,例如 ,如 果 忽 略 电子 的 自 旋 ,参照 上 一 段 ， 甲醛 中 ”一 o* POC REI PARAM: M,,,.* = e(x*|r|n) (2-11) 选择 定 则 可 以 进一步 简化 M 的 估 值 ， 它 可 以 从 数学 于 和气 VRB — AT FAS RE AE A) 0, 例如 ,如 果 始 态 和 终 态 的 多 重 性 不 同 ; 即 一 个 是 单线 态 而 另 一 个 是 三 线 态 的 话 , 则 自 旋 选择 定 则 要 求 路 迁 矩 为 0， 多 重 性 的 改变 可 以 和 跃升 电子 自 旋 状 态 的 改变 联系 在 一 起 ， 总 的 波 函 数 是 空间 波 函 数 与 自 旋 波 函 数 的 乘积 例如 ;我 们 可 以 把 个 电子 的 总 波 函 数 表 示 为 no AoE MT AAS. 让 我 们 考虑 处 在 o* 轨道 土 的 一 个 具有 相反 目 旋 态 8 的 电子 , Bae 电子 , 对 za 一 到 68 K ie, M 由 ez*plr|laocy BH, KPRARKS e(x*|r|n) (Bla) it HT (ela) = 0), FFUM=0. 4M=—O0O RAK 迁 是 禁 戒 的 ， 这 种 情况 的 辐射 性 跃迁 (涉及 一 个 光子 ) 叫 做 自 旋 禁 戒 的 。 这 种 叫 法 的 物理 学 道理 可 以 说 明 如 下 : 光 的 电场 和 电子 之 间 的 相互 作用 不 能 改变 该 电子 的 自 旋 ,也 就 是 说 ,由 于 吸收 一 个 光子 ， 分 子 中 的 这 个 电子 从 一 个 目 旋 态 变 到 另 一 余 自 旋 态 是 被 禁止 的 。 因为 路 迁 矩 表达 式 中 的 各 项 由 于 波 函数 的 对 称 性 而 互相 消 掉 , 于 是 对 称 性 选择 定 则 将 告诉 我 们 跃迁 矩 是 否 为 0, 一 个 跃 廷 可 以 是 在 目 旋 上 人 允许 的 而 在 对 称 性 上 禁 戒 的 。 有 一 些 数 1) 积 分 “xlx> 和 《68i6> = 1 而 《xl|16> 和 《861x> 一 0。 e 51 « 学 土 的 方法 ,例如 群 论 ,可 以 用 来 考虑 对 称 性 Beso2B 一 即使 不 是 自 旋 或 对 称 性 禁 式 的， 但 是 由 于 终 态 和 始 态 的 单 电子 波 函数 在 空间 上 重 登 少 而 使 跃迁 矩 的 数值 较 小 ， 牙 迁 ， 的 几率 也 可 能 低 , 即 吸收 可 能 弱 。zz* 跃迁 就 是 这 种 情况 ,而 这 也 是 xz*x 吸收 波段 消光 系数 低 (e = 10 一 100) 的 原因 之 一 。 实际 上 , 牙 迁 矩 的 量 值 无 论 如 何不 会 是 零 ; 即 使 这 种 姥 迁 受到 上 面 讲 到 的 那些 一 级 选择 定 则 的 禁 正 。 这 是 因为 所 用 的 近似 〈“ 一 个 电子 ”) 波 函数 没有 包含 电子 一 电子 的 相互 作用 ， 也 没有 包含 电子 与 原子 核 相互 作用 的 某 些 特征 。 一 级 选择 定 则 又 是 建立 在 玻 恩 - 奥 本 海 默 (Born-Oppenheimer) 近似 的 基 础 上 的 ， 这 个 近似 认为 电子 和 核 的 运动 是 独立 无 关 的 关 事 实 上 ,原子 核 的 运动 (分 子 的 振动 ) 能 够 大 大 影响 跃迁 矩 的 大 水 。 由 于 自 旋 态 不 “ 纯 ”, 即 单线 态 具有 三 线 态 的 某 些 特征 而 三 线 态 具有 单线 态 的 某 些 特征 ， 因 此 形式 上 是 自 旋 禁 戒 的 路 迁 也 有 一 定 的 强度 。 这 种 单线 态 和 三 线 态 的 “混合 ”是 自 旋 - 轨道 耦合 的 结果 , 自 旋 -轨道 耦合 是 与 电子 自 旋 相 联系 的 磁 矩 和 电子 轨道 运动 产生 的 磁 矩 之 间 的 相互 作用 。 可 以 把 忽略 耶 这 一 相互 作用 的 近似 波 函数 混合 相 加 来 构成 考虑 到 自 旋 -= 轨 道 耦合 的 波 函 数 。 让 我 们 看 一 下 混 有 少量 激发 单线 态 8: 的 分 子 的 最 低 三 线 态 Ti, 这 种 三 线 态 可 以 写成 (Ti + 68,), 式 HS, 是 混 人 的 激发 单线 态 ， 而 5 是 混合 系数 。 从 基态 S Bl 这 种 三 线 态 的 跃迁 的 跃迁 矩 由 下 式 给 出 ; M,...7, oar e((T, a 5S,) |r| So) (2-12) = e(T, |r| Sy) + 5e(S,|r |S) (2-13) 由 于 自 旋 选择 定 则 ,第 一 项 为 0, 所以: M,,..7, 一 0 十 5Ms (2-14) 这 就 是 说 ,从 Sy > S, 跃迁 导出 Sy > T, 跃迁 的 强度 , Sy > T, 跃迁 的 强度 取决 于 反映 自 旋 -轨道 耦合 的 混合 系数 5 A“ TSK e 52 。 的 所 跃迁 强度 -Ms .5 对 于 含 低 原子 序数 元 素 的 化 合 物 , 自 旋 - 孝 道 耦合 较 弱 ， 但 是 当 参 人 重 原 子 (例如 省 ) 时 , 它 大 大 增 强 。 一 些 对 称 性 选择 定 则 将 有 助 于 我 们 发 现 什么 样 的 单线 态 和 三 线 态 可 以 通过 自 旋 = 轨道 耦合 而 混合 。 CX LEWKERRNKELADBAMRSR, ED HT HeaeRLAESRTRVEHLK. MLA 线 态 -三线 态 混合 所 用 的 形式 类 似 ; 各 种 电子 状态 都 不 是 纯粹 对 称 的 ， 由 于 分 子 的 振动 ， 可 以 设想 存在 着 不 同 对 称 性 状态 的 混合 ; 这 些 状态 的 混合 是 由 所 谓 的 振动 耦合 造成 的 。 对 称 PERE BE BRIE MER RESO URL REE, A PERE EM 告诉 我 们 什么 样 的 状态 可 以 通过 振动 耦合 而 混合 。 2.3.7 ech Se AOU Ua yO 对 分 子 的 每 一 个 电子 状态 都 存在 一 组 振动 方式 (对 非 直 线 的 多 原子 分 子 ， 振 动 方式 数 是 3x-6; Hehe BOF HRS 的 数目 ) ,这 些 方式 的 每 一 个 都 和 按 振动 频率 排列 的 能 级 相 联 。 系 ,这 些 能 级 的 间隔 比 电子 能 级 间 的 间隔 小 , 在 图 2-5 上 ， 和 迭 加 在 画 成 粗 线 的 电子 能 级 上 的 就 是 代表 振动 态 的 能 级 (只 画 出 一 种 振动 方式 )。 分 子 的 总 能 量 是 电子 能 量 、 振 动能 量 、 转 动能 量 (与 分 子 的 转动 有 关 ) 和 平 动能 量 (与 分 子 的 直线 运动 有 关 ) 的 总 和 ,后 两 种 能 量 在 这 里 可 以 忽略 , 即 ,总 能 量 取 作 电 子 能 量 加 上 振动 能 量 。 在 生理 温度 下 ， 大 多 数 与 周围 环境 达到 平衡 的 分 子 都 处 于 电子 基态 的 最 低 (> = 0) 振动 能 级 ,用 适当 波长 的 光 , 光 吸 收 过 程 能 使 分 子 跃升 到 某 一 种 电子 态 和 振动 能 级 的 组 合 ， 如 果 可 以 跃迁 到 较 高 电子 状态 的 若干 振动 能 级 ， 则 吸收 光谱 变 宽 ( 能 量 分 散 )。 是 否 观 察 得 到 每 个 电子 加 振动 的 跃迁 ?这 主 要 取决 于 能 够 激发 的 振动 方式 的 数目 和 振动 能 级 之 间 的 间 © 53 e io 大 多 数 情况 下 , 溶液 中 生物 分 子 的 吸收 光谱 由 二 些 宽 的 谱 带 组 成 ,而 没有 很 多 “结构 ”, 这 些 无 结构 的 谱 带 都 是 许多 重 倒 的 振动 跃迁 的 包 线 (图 2-5)。 纯粹 的 电子 跃迁 是 从 基态 的 > = 0 的 能 级 到 激发 态 的 ? = 0 的 能 级 的 跃迁 , 这 个 0 一 0 4, 正如 所 称呼 的 , 是 对 于 这 种 跃迁 的 吸收 谱 中 波长 最 长 的 (能 量 最 低 的 ) 振动 谱 带 。 因 此 ,吸收 光谱 学 所 观察 的 基态 和 各 个 激发 态 之 间 电 子 的 能 量 差 是 根据 各 吸收 谱 带 的 红 边 或 起 点 得 到 的 。 电子 跃迁 的 振子 强度 (几率 ) 分 配给 各 个 振动 谱 带 [公式 So So (a) (b) 2-5 (a) 类 似 原子 的 电子 能 级 , 这 种 光学 跃迁 在 带宽 上 很 塞 ， 即 只 有 波长 对 应 于 电子 能 差 的 光 才 能 被 吸收 。 这 种 吸收 谱 是 “ 线 ? 谱 ， 由 于 光谱 仪 的 限制 ， 吸收 带 有 一 个 如 图 所 示 的 宽度 ; Cb) 像 分 子 的 能 级 图 ， 有 登 加 在 电子 能 级 ( 粗 线 ) 上 的 都 是 表示 振动 状态 ( 画 出 的 只 是 一 种 振动 方式 ) 的 能 级 ( 细 线 )。 除了 纯 PEAS HLF RR LE (0-0’ 带 ) 外 ， 基态 分 子 可 以 吸收 这 样 WE: 它 对 应 于 分 子 跃 迁 到 振动 状态 也 是 激发 的 电 FH AAS BIR WF 0-1 0-2" +--+ 等 的 跃迁 。 可 以 看 到 各 个 振动 跃迁 (对 SoS, Wi)» MA» 在 振动 能 级 间隔 很 近 的 情况 下 ， 看 到 的 只 是 这 些 振动 跃迁 的 包 线 (对 SoS, Mi). e 54 e ”CC-8)], 每 一 个 振动 谱 带 的 相对 强度 与 几 个 因素 有 关 ; 其 中 包 ” 括 分 子 在 激发 态 的 平衡 几何 构 型 和 在 基态 的 平衡 几何 构 型 之 闻 的 差别 。 Franck-Condon 原理 宣称 : 电子 的 重新 分 布 ( 轨 道 的 改变 ) 出 原子 核 的 运动 快 得 多 ,因此 吸收 光子 的 前 图 和 刚 吸收 过 后 ;分子 的 几何 形状 未 变 ; 光 的 吸收 是 一 个 “垂直 的 ”过 Eo -以 双 原 子 分 子 为 例 ( 图 2-6)， 如果 这 两 个 状态 (它们 之 间 的 妈 迁 是 允许 的 ) 在 平衡 的 几何 构 形 上 没有 任何 差别 或 差 别 很 小 ; 则 0 一 0 谱 带 将 是 强 带 , 但 是 倘若 它们 的 平衡 几何 构 型 差别 很 大 ， 则 某 些 能 量 较 高 的 振动 跃迁 将 比较 强 。 各 个 振 动 跃迁 的 相对 几率 叫做 Franck-Condon 因子 。 ee Sa eee. . es ”图 2-6 对 基态 和 电子 激发 态 两 种 情况 , 双 原子 分 子 的 位 能 作 为 原子 间距 离 ”的 函数 。 在 (a) 中 ,两 种 电子 状态 下 最 低能 量 的 原子 间距 离 (平衡 键 距 ) 是 相同 的 ;在 (b) 中 ， 激发 态 有 更 大 的 平衡 键 距 , 正如 图 中 所 示 ， 最 可 几 振动 跃迁 是 0-3 BH. 2.4 ”电子 激发 态 分 子 的 弛 豫 路 径 和 速率 [43-D] 考虑 一 个 处 于 电子 激发 态 S, 或 了 。 上 深 个 较 高 振动 能 级 ”的 分 子 ; 它 的 能 量 处 在 可 见 光 或 紫外 光 区 域 , 且 该 激发 的 分 子 |， 是 在 一 个 不 太 高 的 温度 下 达到 热平衡 的 某 一 凝聚 相 系统 的 一 部 分 ,例如 , 该 激发 分 子 是 某 一 生物 系统 的 一 部 分 。 一 般 来 » 55 » 说 ,这 个 分 子 将 发 生 振动 弛 豫 , 即 把 振动 能 量 损失 给 它 局 围 的 环境 ， 而 在 很 短 的 时 间 里 〈10-2 一 105s) BGK S, BT, HO 六 一 0 的 振动 能 级 。 因为 这 个 分 子 还 要 进 二 步 弛 豫 ， 它 必然 要 损失 电子 的 能 量 ,这 就 是 电子 的 弛 豫 。 和 吸收 胡 反 ;电子 弛 豫 可 以 通过 辐射 的 方式 进行 ,这 时 ,分 子 发 射 二 个 光子 并 降 到 一 个 较 低 的 电子 状态 下面 将 会 看 到 , 当 我 们 考虑 生物 系统 中 的 分 子 时 ， 辐 射 性 电子 弛 耶 只 对 8 才 是 重要 的 ， 某 些 情 况 下 对 T, 也 是 重要 的 。 另 一 方面 ,电子 弛 豫 也 可 以 通过 非 辐 射 的 方式 进行 , 这 时 ,电子 的 能 量 转换 为 分 子 内 的 振动 能 ,然后 青 RRA. 无论 是 电子 弛 豫 还 是 振动 弛 豫 , 最 终 都 使 分 子 回 到 基态 ， 这 两 种 过 程 都 叫做 光 物 理 过 程 。 弛 和 驳 还 可 以 通 过 化 学 过 程 进行 ,这 时 分 子 发 生 某 种 反应 ,发 生 键 断裂 或 者 形 成 新 的 键 ,这 种 过 程 叫 做 光化学 过 程 ( 参 阅 第 3 章 站 ; 2.4.1 辐射 弛 移 , SecA 处 于 最 低 激发 革 线 态 或 最 低 三 线 态 的 分 子 自 发 地 发 射 一 个 光子 而 返回 基态 ，S: > Se 的 发 射 过 程 叫 做 荧光 ,而 石 一 $ 的 发 射 过 程 叫做 磷 光 。 支配 发 射 几 率 的 选择 定 则 和 支配 吸收 痪 率 的 选择 定 则 相 同 , 这 是 因为 这 两 个 过 程 正 好 彼此 互 着 。 跃 迁 几率 越 高 , 则 发 射 速率 越 快 , 激发 态 的 寿命 越 短 。 如 果 激 发 的 分 子 只 通过 发 射 光 子 而 弛 耶 , 风 激发 态 的 寿命 就 完全 由 发 射 速率 (kaw7 来 决 定 ,而 发 射 速率 正比 于 振子 的 强度 : | Ray = 1/r°ocf ie (2-15) str x” NU Ai te 9 Gis HRT BE FA x? 可 以 由 吸收 谱 士 波长 最 长 的 跃迁 计算 出 来 。S: ANNA tit RR, Mock CF 跃迁 时 的 107° s*， 到 对 于 非常 弱 的 S 一 So 跃迁 情况 的 10 so 自 旋 禁 戒 性 使 7, 有 较 长 的 辐射 寿命 , 范围 从 10 一 10?so e 56 。 ea 7 mete , 2-7 ©) RECEPTOR RIE R. 各 个 谱 的 ， 强度 不 是 按 比 例 的 ， 这 些 谱 画 在 以 波长 为 单位 表示 的 能 量 坐 4 3 -% m4 9 吸收 (b) 发 射 标 上 ， 这 种 表示 法 最 能 说 明 So~>S: 吸收 谱 和 荧光 《SSo) 谱 之 间 的 镜像 关系 。 请 注意 磷 光 光谱 的 位 置 在 荧光 光谱 的 红 区 方向 ( 较 低 的 能 量 )， 由 于 So~T: 的 吸收 太 弱 ， 所 以 用 普通 的 吸收 光谱 学 方法 观察 不 到 ， 估 计 它 应 该 从 400am 附近 开始 ; (b) 当 了 吸收 跃迁 和 荧光 跃迁 都 以 弛 豫 的 振动 态 为 起 点 时 ， 图 示 了 它们 之 间 的 光谱 关系 。 ae PELL RRM REM Keane EET 4 人 9 由 于 振动 弛 豫 比 光 发 射 过 程 快 ， 所 以 发 射 总 是 始 于 激发 态 的 > = 0 的 振动 能 级 , 它 可 以 跃迁 到 基态 的 各 个 振动 能 级 ， 因此 0 一 0 带 是 发 射 谱 中 能 量 最 高 的 (波长 最 短 的 ) 谱 带 。 对 应 于 同一 个 电子 跃迁 的 吸收 谱 和 发 射 谱 在 0 一 0 TS ir Mh GK 但 是 各 目 沿 相反 的 方向 展开 :吸收 谱 向 短波 长 展开 ; 发 射 谱 向 长 波长 延伸 。 吸收 谱 和 发 射 谱 常 互 为 镜像 (图 2-7)5 根 据 发 射 谱 的 蔓 边 (能 量 最 高 的 ) 可 得 到 激发 态 高 出 基态 的 能 量 。 2.4.2 无 辐射 好 入 , 内 转换 和 系统 间 渡 越 m- 内 转换 是 一 种 无 辐射 的 弛 豫 过 程 ,在 这 种 过 程 中 ;处 在 某 一 电子 激发 态 的 分 子 转变 到 多 重 性 相同 但 电子 能 量 较 低 的 一 个 状态 (S* 一 -xzS,T 一 527Ty， 其 中 zx > 》)， 而 在 这 一 过 程 中 损失 的 电子 能 量 先 转换 为 振动 能 。 系统 间 渡 越 Cintersystem crossing) 是 一 个 类 似 的 弛 豫 过 程 , 在 这 种 过 程 中 , 处 在 某 一 电 子 激发 态 的 分 子 转变 到 多 重 性 不 同 的 一 个 状态 去 ， 例 如 5 7~AT,, TAG 除了 少数 的 几 个 例外 ， 即 使 分 子 最 初 被 激发 到 较 高 的 激 发 单线 态 , 观察 到 的 仍然 只 是 来 自 S, 的 荧光 ,也 就 是 说 ,荧光 光谱 与 激发 分 子 所 用 光 的 波长 无 关 ， 这 证 明了 在 电子 激发 态 之 间 存在 着 内 转换 。 还 可 以 指出 ,由 于 某 些 分 子 的 8 Bl Sy 19 内 转换 比 荧光 过 程 快 得 多 ,它们 便 没 有 荧光 。 很 多 分 子 在 激发 到 激发 单线 态 以 后 呈现 磷 光 ， 这 一 现象 证 实 了 系统 间 渡 越 的 发 生 。 还 可 以 指出 , HERES EM 7, ZS 的 系统 间 滤 越 比 磷 光 过 程 快 得 多 ， 所 以 它们 激发 到 以 后 并 不 发 磷 光 。 …， 在 内 转换 和 系统 间 渡 越 两 种 过 程 中 ， 转 化 的 电子 能 量 起 初 是 以 分 子 内 的 振动 能 出 现 的 ;这 就 是 说 ,这 种 过 程 发 生 的 紧 前 和 紧 后 , 分 子 的 总 能 量 实 质 上 是 相同 的 。 TERRA e 58 ， 人 了 ME 六 a vey ——? 4 fe vt Pe { r is Hyde Ft ta ACA ASA FE ie A ARMAS CNM TRESS. RH. Benet 能 量 越 大 , 过 程 就 越 慢 , 即 始 态 和 终 态 在 电子 能 量 上 越 接近 ， ” 则 发 生 非 辐 射 弛 豫 的 可 能 性 越 大 。 THR. WKS RM EME OND SL ,激发 态 之 间 的 电子 能 差 比 S, 和 .so 之 间 或 站 和 So 之 间 的 能 量 间隔 小 得 多 , 因此 ,从 较 高 的 激发 态 到 S, 或 思 的 非 辐射 弛 豫 往 往 比 从 S, 或 Ti 到 8 的 路 迁 快 得 多 。 一 般 而 言 ， 激 发 态 之 间 的 内 转换 比 始 于 这 些 状态 的 辐射 跃迁 或 光化学 过 程 快 ,然而 情况 往往 是 这 样 ,从 3 或 了 到 So 的 非 ”辐射 弛 豫 在 速度 上 却 和 从 S: 或 了 ,到 % FR Be TE 磷 光 ) 及 光化学 过 程 不 相 上 下 。 对 非 辐 射 过 程 的 自 旋 限制 类 似 于 对 辐射 过 程 的 自 旋 限 制 , 因此 , 对 于 同样 的 电子 能 量 差 ， 系统 间 的 渡 越 往往 比 内 转换 要 慢 。 总 结 起 来 ,发 色 团 吸收 光 而 激发 到 sz(* > 1) 态 以 后 ,一 般 应 该 发 生 的 通过 单 分 子路 径 的 弛 耶 如 下 (参考 图 2-8): 快 速 的 内 转换 和 振动 弛 豫 过 程 使 分 子 很 快 到 达 振动 平衡 态 S(? = 0), 队 光 化 学 过 程 外 ; 5, 驴 的 弛 耶 路 径 有 三 个 分 支 一 #8 3: (Si 一 5)、 内 转换 (Si 415.) 和 系统 间 渡 越 (8 一 2T。)。 经 过 其 中 一 个 路 径 弛 豫 的 分 子 的 相对 数目 与 这 三 个 竞争 过 程 的 相对 速率 有 关 ， 而 一 般 来 说 与 初始 激发 的 是 哪个 单线 态 无 关 。 NS 开始 的 系统 间 渡 越 是 产生 分 子 三 线 态 的 主要 途径 ， 3 态 中 发 生 系统 间 渡 越 的 分 额 (三 线 态 的 产 额 ) 变 化 很 大 ， 但 是 有 很 多 分 子 ,， HELM BMS SM. 由 于 多 种 原因 , 它们 的 荧光 过 程 较 慢 (8 是 >。 zx* 态 )， 而 系统 间 渡 越 相 对 来 说 较 快 , 因此 几乎 所 有 的 分 子 都 从 S, 渡 越 到 三 线 态 。 可 以 直接 从 3 到 发 生 系统 间 渡 越 ， 或 者 可 以 从 8: 渡 越 到 某 一 较 高 的 三 线 态 ， 然 后 通过 快速 的 内 转换 到 达 Ti。 把 光化学 过 程 除 外 ,T: 状态 的 弛 称 路 径 有 两 个 分 支 ; 磷 光 (T, > 5) 和 系统 间 。 59 。 aa a ee "he 4 | 的 渡 越 (T, 一 .zsu), 由 于 自 旋 的 限制 使 了 ; 到 8 的 系统 间 渡 越 较 慢 ,因此 在 许多 情况 下 , 禁 藉 的 辐射 过 程 -…- 磷 光 可 以 与 它 图 2-8 《〈a) 有 机 分 子 的 一 般 弛 豫 图 (参阅 2.4.2)? 电 子 能 级 和 振动 能 级 分 别 用 粗 、 细 水 平 线 表 示 ， 对 每 一 个 电子 状态 只 画 出 了 一 种 振 动 模式 。 辐射 跃迁 以 直 箭 头 表示 ， 非 辐射 弛 鸳 过 程 用 波浪 形 箭头 RAN: vr，, HRW ic, AMR; isc, 系统 间 湾 越 ; FLUOR, WIE; PHOS，, 磷 光 。 在 这 个 图 上 ， 分 子 吸收 一 个 光子 而 激发 到 S,, ARE 的 内 转换 和 振动 弛 耶 后 分子 变 到 Si AMS, Bo 或 者 非 辐射 地 变 到 So, 或 者 发 荧光 ， 或 者 发 生 系统 间 的 渡 越 (在 这 个 例子 中 是 渡 越 BIT), 激发 分 子 也 可 以 吸收 光子 而 跃升 到 更 高 的 能 级 , 图 中 表示 了 两 种 这 样 的 吸收 : S,>S, 和 Ti>Ts, 这 两 个 跃迁 都 是 自 旋 允许 的 ,因此 可 能 是 强 线 ， 它们 提供 了 测定 S, 和 T, 状态 的 方法 《参阅 2.6); (b) 对 大 多 数 研究 工作 来 说 关系 到 激发 态 过 程 的 动力 学 和 量子 产 额 时 ， 需要 考虑 的 只 是 这 个 简化 的 弛 耶 图 上 表示 的 那些 过 程 。 各 个 弛 豫 过 程 都 作 了 标记 "以便 和 2.4.3 里 考虑 的 速率 常数 对 应 起 来 于是?f\p\ic 和 isc 分 别 指 荧光 、 磷 光 , 内 转换 和 系统 间 湾 越 。 © 60 。 — ”竞争 5 当 可 以 把 狂 灭 三 线 态 分 子 (例如 被 分 子 氧 狂 灭 ) 的 双 分 ss 子 反 应 排除 时 , 很 多 分 子 都 表现 出 磷 光 。 在 刚性 很 好 的 系统 ”中 可 以 忽略 双 分 子 过 程 ， 所 以 当 流体 样品 在 很 低 的 温度 下 订 冻 时 ,往往 观察 到 磷 光 。 2.4.3 量子 产 额 , 寿 命 和 弛 殉 过 程 的 速率 分 子 的 某 一 光 物 理 或 光化学 事件 的 量子 产 额 到 定义 为 : » 二 所 研究 的 分 子 事件 的 数目 。，， (7_16) 吸收 的 光子 数 很 定 这 些 光子 只 是 被 所 研究 的 分 子 所 吸收 ， 并 且 被 激发 到 8 。 态 , 于 是 荧光 的 量子 产 额 by 是 : 以 艺 光 发 射 的 光子 数 Or BRA FR Ge 根据 上 面 所 作 的 假定 , 荧光 的 量子 产 额 相 当 于 激发 到 8, 的 分 子 中 发 射 荧光 的 分 数 ， 这 个 发 荧光 的 分 数 由 局 (局 十 区 。 二 顺 。) 二 给 出 ; 式 中 已 是 荧光 的 速率 ,项 。 是 始 于 8 的 内 转换 束 | 率 ; 区 是 系统 间 渡 越 的 速率 。 这 就 是 说 , 5, 态 分 子 中 发 荧光 的 分 数 册 荧光 速率 除 以 5, 态 经 所 有 路 径 (在 这 些 例子 中 , 3 HSL) HIRES, 5, AAV Hee EERE AON. BI (hy + *hic + Ric)?» SUA FE Ay, BUS, HF RIOR TEE CHV hy. libs) =e)", 测量 荧光 强度 和 被 所 研究 的 分 子 吸收 的 光 的 强度 ， 便 可 以 实验 测定 wu。 用 非常 短 的 光 脉冲 激发 系 绕 后 ,通过 测量 8 态 分 子 的 浓度 与 时 间 的 关系 可 以 实验 确定 二 荧光 强度 是 3 的 深度 的 一 种 度量 , 于 是 ,'r 就 是 测 得 的 荧光 寿命 。 妃 或 ia 的 估 值 可 以 由 吸收 谱 得 到 。 磷 光 的 量子 产 额 b， 是 : _ DUBE HAIER ; 多 一。 吸收 的 光子 数 Mane » 61 。 by 也 可 由 3: 态 分 子 中 渡 越 到 三 线 态 的 分 数 与 sos Rs 一 [RiscChy + Rise + hicd* hehe 十 天 1] (2-19) 式 中 心 是 确 光 的 速率 ， is 是 从 T, 到 So 的 系统 间 渡 越 的 速 HK, HF Rise 和 Re 都 是 可 以 忽 栈 的 ;所 以 bp 可 能 很 小 ; 磷 光 的 产 额 并 不 一 定 反映 三 线 态 的 产 额 。 如 果 排 除 光 化 学 过 程 和 双 分 子 狂 灭 过 程 ,T, 的 寿命 弛 是 (ko 十 kiss ALARA = RAE, 因此 有 可 能 求 出 所 有 弛 豫 过 程 的 速率 常数 ， 这 些 常 数 决定 了 电子 激发 态 分 子 弛 殉 的 路 径 。 2.5 激发 态 分 子 的 相互 作用 [2201 2.5.1 微 环 境 的 影响 由 于 处 在 电子 激发 态 的 分 子 的 电子 分 布 和 几何 特征 往往 很 不 同 于 基态 的 分 子 ， 因 此 激发 的 分 子 与 周围 分 子 ( 溶 剂 等 ) 的 相互 作用 也 往往 有 别 于 基态 分 子 的 相互 作用 ， 当 分 子 的 微 环境 改变 时 ,这 些 差 别 就 会 引起 光谱 特性 、 弛 物 路 径 、 速 率 和 产 额 的 变化 ， 用 微 环 境 影 响 分 子 光谱 特性 的 办 法 可 以 得 到 有 关 分 子 和 微 环 境 的 信息 。 各 种 溶质 -溶剂 的 相互 作用 可 能 改变 光谱 人 能量) 和 发 光 产 额 , 这 时 必须 考虑 溶剂 化 的 静态 和 动态 性 质 。 由 于 激发 分 子 的 产生 和 弛 豫 之 间 有 一 个 延迟 ， 因 此 溶剂 能 够 重组 分 子 的 周围 环境 。 溶 剂 对 发 射 光 谱 的 影响 也 许 不 同 于 对 吸收 光谱 的 影响 ,溶剂 对 分 子 光 谱 特 性 的 影响 是 一 个 大 而 复杂 的 题目 ,不 能 在 这 里 详 谈 , 这 里 只 想 说 明 一 点 : 很 多 分 子 的 吸收 或 获 光 光谱 有 明显 的 位 移 ( 波 长 改变 )， 或 者 它们 的 荧光 产 额 有 很 大 62 的 改变 ; 欧 光 产 额 的 改变 与 溶剂 的 某 一 种 或 多 种 特性 有 关 * 诸 如 极 性 \ 极 化 率 、 结 合 氢 的 能 力 . pH 或 粘度 等 。 这 种 发 获 光 的 分 子 可 能 是 微 环 境 的 强 有 力 的 “ 探 针 ， 特 别 是 因为 荧光 能 以 非常 高 的 灵敏 度 加 以 测量 。 2.5.2 激发 态 分 子 的 双 分 子 反应 - 激发 态 分 子 可 以 与 其 它 基态 分 子 进行 许多 种 反应 ， 这 些 反应 类 型 中 的 大 多 数 将 在 第 3 章 里 作为 光化学 原初 过 程 去 讨 论 。 许 多 激发 态 分 子 的 双 分 子 反 应 直接 导致 激发 分 子 的 猴 灭 GERD ,或 者 形成 叫做 激发 复合 体 (exciplex) 的 瞬 态 的 激发 的 双 分 子 复 合体 。 激发 态 分 子 的 双 分 子 狂 灭 反应 的 一 大 类 是 电子 能 量 的 传 递 ,在 这 种 过 程 中 ,电子 的 能 量 从 原来 的 激发 分 子 传 给 一 个 受 体 分 子 , 这 种 重要 的 反应 类 型 将 在 2.7 里 专门 讨论 。 说 明 激发 复合 体形 成 和 反应 的 一 个 简单 图 式 是 : A* 十 ohepas A+B (FER) aS 十 B 十 荧光 产物 (2-20) 有 一 十 Bt RK AS te 当 A 和 B 这 两 个 分 子 都 在 基态 时 ,它们 不 形成 复合 体 , 当 一 个 (A) 被 激发 时 就 有 复合 体形 成 ， 这 个 激发 复合 体 只 在 激发 态 下 才 是 稳定 的 , 它 可 以 是 可 逆 的 , 即 激发 复合 体 可 以 向 基态 弛 RA, 分 解 给 出 原来 的 两 个 未 激发 的 起 始 分 子 。: 其 它 的 一 些 衰 变 途 径 可 能 导致 化 学 上 的 变化 。 电 子 从 复合 体 中 的 一 方 传 递 到 另 一 方 是 激发 复合 体 的 一 种 特别 有 趣 的 反应 ， 这 种 电子 传 e 63 。 oe? 递 有 时 两 个 方向 都 可 以 。 许 多 激发 复合 体 发 荧 郊 ， 其 发 射 光 谱 都 比 未 复合 的 激发 分 子 的 荧光 波长 长 ， 它 们 向 长 波长 方向 特征 性 偏 移 。 在 一 个 激发 的 分 子 和 一 个 相同 的 基态 分 子 之 闻 志 可 以 形 成 复合 体 : A* + A= =(AA)* (2-21) 对 这 个 激发 态 二 聚 体 起 了 一 个 名 称 , 叫 做 激发 子 (excimer), 它 是 特殊 的 一 类 激发 复合 体 ， 电 子 的 激发 能 被 它 的 两 个 分 子 所 平分 。 激发 复合 体 中 把 两 个 分 子 束 缚 在 一 起 的 相互 作用 在 基态 下 是 完全 不 存在 的 , 这 些 相互 作用 主要 包括 : @@ 激 发 -共振 作 用 ;激发 能 被 两 个 分 子 共同 分 享 , 从 而 使 总 的 能 量 降低 了 (A* B<—> AB*); @ 电 荷 传递 作用 (A+B-< 一 >A-B+< 一 >AB*)。 一 个 处 于 激发 态 的 分 子 比 起 它 在 基态 来 说 ， 了 既是 一 个 更 好 的 电 子供 体 ,又 是 一 个 更 好 的 电子 受 体 s 2.5.3 双 分 子 动力 学 ,Stern-Voimer #R 测定 激发 态 双 分 子 反 应 速率 常数 的 一 种 方便 的 方法 是 测 量 激发 态 的 单 分 子 衰变 和 双 分 子 狂 灭 之 间 的 竞争 ， 这 个 方法 的 总 的 思想 Stern 和 Volmer 在 1919 年 系统 地 陈述 过 。 让 我 们 考虑 一 个 例子 : 一 个 激发 的 分 子 A* , 它 以 速率 常数 刀 经 单 分 子 衰变 到 达 它 的 基态 , 同时 它 又 以 特定 的 速率 禹 数 玉 与 一 个 基态 分 子 B 反 应 , 即 : pe ya At 454 (2-22) A* +B >A +B (ati) (2-23) 第 一 个 过 程 〈 它 包括 所 有 的 单 分 子 的 退 激 途 径 ) 的 速率 由 有 “[A*] 给 出 ,而 第 二 个 过 程 的 速率 由 帮 [A*][B] 给 出 ,如 栗 A* 的 衰变 是 可 以 用 某 种 方法 即 通过 它 发 光 的 衰变 速率 直接 测量 es 64 « 。 的话 ， 那 就 可 以 研究 B 的 加 入 对 含有 A* 的 系统 的 影响 。 当 加 入 的 了 多 ，A* 就 狂 灭 得 多 , 由 于 这 种 狂 灭 的 结果 , A* WR 变速 率 就 增加 ，B 存在 时 A* 的 衰变 速率 等 于 LAT] 十 万 LA*][B]。 由 于 激发 态 的 浓度 难以 测量 ,人 们 希望 不 直接 测 量 - EA*] 而 能 求 出 心 ,为 此 可 以 测量 A* BRR BS [B] 的 函数 关系 。 令 不 存在 B 时 A* 的 反应 量子 效率 等 于 OO, MER 这 同一 反应 的 量子 效率 是 5 ,根据 量子 效率 的 定义 ,我们 可 以 用 速率 常数 给 出 如 下 关系 式 : ®/® =1+&[B]/kz* (Stern-Volmer 关 系 ) (2-24) 如 果 名/ 对 B 作 图 得 到 一 条 直线 ， 则 Stern-Volmer 关系 成 立 , 这 条 直线 的 斜率 等 于 必 /kuo AM ks 可 以 由 A* 的 衰变 直 接 测量 , 因 琵 就 可 以 算出 态 , 当 然 , 如 果 可 以 独立 地 估计 出 已， 那么 也 可 以 用 这 种 方法 得 到 ka 的 估 值 , 因此 ,利用 Stern-Vol- mer 关系 可 以 测 出 双 分 子 光化学 反应 的 速率 常数 。 2.6” 激 发 态 分 子 的 探测 可 以 通过 它们 的 光 发 射 ( 对 9 和 Ti 态 )、 光 吸收 或 者 通 过 它们 与 另 一 种 分 子 的 相互 作用 产生 的 可 测 事件 来 探测 激发 态 分 子 ; 已 有 大 量 文献 谈 到 各 种 实验 技术 和 仪器 方法 ,许多 仪 ， 侯 在 市 场 上 可 以 买 到 ,这 里 只 讨论 一 些 原理 。 2.6.1 RHA 发 光 光 谱 仪 记录 通常 用 单 色 光 激 发 的 样品 的 发 射 光 谱 ， 样品 的 发 射 光 通常 以 与 激发 光束 成 90” 角 的 方向 聚焦 到 一 个 “* 原 文中 (2-247 RA O/PH—1 + kl Al/ka, BHU, KHW(A] 应 改 A [B], PRE 52, ° 65 。 af * ow On og ees Me. 4 ee « Uhgod +: ¢ iy “和 + 28 LAUDE AE LE, ZEA ee LAS HY Bt eS Zh Ie — FE a, He 探测 器 (图 2-9), 单 色 仪 进行 波长 扫描 ,发 射 光 谱 显 示 在 一 个 r—y 记录 仪 上 。 如 果 发 射 光 单 色 仪 置 于 发 射 谱 的 某 二 波长 上 ,激发 光 单 色 仪 可 以 按 波 长 扫描 ,这 时 记录 到 激发 光谱 上 在 最 简单 的 情况 下 ,激发 光谱 就 是 作用 光谱 (参阅 15.4 和 3.7 交 它 和 该 发 光 生 色 团 的 吸收 光谱 完全 相同 。 { 光电 倍增 管 图 2-? 在 2.6. 工 里 叙述 的 发 光 光 谱 仪 的 示意 图 。 发 光 寿 命 可 以 用 多 种 方法 获得 ， 人 们 可 以 用 宽度 比 待 测 寿命 短 得 多 的 光 脉 冲 激发 样品 ， 并 用 响应 足够 快 的 探测 器 观 察 发 光 的 亮 减 。 许 多 光电 倍增 管 具有 毫 微 秒 的 响应 时 间 * 而 脉 人 NTA 出 大 多 数 的 荧光 寿命 。 2.6.2 WAR” 激发 的 分 子 可 以 吸收 光 而 被 激发 到 更 高 的 能 态 〈《 图 2- 8 a), 由 于 激发 能 越 高 ,两 个 电子 状态 之 间 的 间隔 就 越 小 ,所 以 大 多 数 激 发 态 分 子 比 相应 的 基态 分 子 吸 收 波长 更 长 的 光 。 许 ° 66 « 上 多 短 寿 命 的 中 间 产 物 , 如 激发 复合 体 和 离子 等 , 也 有 特征 的 吸 收 光谱 5 为 了 得 到 足够 高 浓度 的 激发 态 分 子 或 中 间 产 物 以 便 能 够 通过 它们 的 光 吸 收 观察 它们 ,必须 使 用 极 强 的 光 脉 冲 ( 闪 光 ), 如 果 要 测定 所 研究 产物 的 寿命 , 这 个 驳 脉 冲 的 宽度 必须 短 于 所 研究 产物 的 寿命 , 这 种 技术 叫做 闪光 光 解 , 图 2-10 上 画 出 了 一 个 简单 的 实验 图 ,对 于 寿命 为 微 秒 或 更 长 的 产物 ,可 以 用 气体 闪光 灯 ， 对 于 更 短 时 间 的 测量 则 必须 使 用 脉冲 激光 器 宽度 微微 秒 的 强 激光 脉冲 的 出 现 ,使 我 们 有 可 能 直接 测量 像 振动 弛 和 殉 和 激发 态 之 间 的 内 转换 这 样 快 的 过 程 。 单 色 仪 图 2-10“ 动 力学 闪光 光 解 装置 的 图 示 。 用 和 舞 气 闪 光 灯 发 出 并 经 过 过 滤 的 光 或 脉冲 激光 器 的 光 激 发 样品 ， 记 录 所 监测 单 色 光束 的 吸收 与 时 间 的 关系 ?这 里 用 示波器 作 记 录 装 置 它 的 触 发 与 光 解 闪光 同步 。 如 果 把 光电 倍增 管 换 成 摄 谱 仪 。 而 样品 用 波长 连续 的 光 监 测 ， 则 一 次 实验 即 可 得 到 瞬 态 产物 的 整个 吸收 光谱 。 最 现代 化 的 仪器 应 用 了 电子 条 纹 照 相机 ， 它 可 以 用 亚 毫 微 秒 的 分 辩 率 记录 一 段 时 间 上 的 瞬 态 吸收 光谱 。 2.7 “电子 的 能 量 传递 [24 2.7.1 理论 我 们 用 D" 十 A 一 D 二 A* 来 描述 电子 的 能 量 传递 ,在 GAS» 供 体 D 是 电子 激发 态 ;在 终 态 , 供 体 返回 到 一 个 较 低 的 o CFs a ae. ae Ferra Say oe ae ta ee : 电子 状态 ,而 受 体 A 则 跃迁 到 较 高 的 电子 激发 态 ,被 传递 的 激 发 用 星 号 表示 。 能 量 传递 是 一 个 一 步 的 非 辐 射 过 程 ( 不 涉及 任何 光子 )， 过 程 中 同时 发 生 D* > D AM A> A* RE, XK 需要 供 体 和 受 体 之 间 有 某 种 相互 作用 。 辐射 性 的 ( 迁移 的 ) 激 发 传递 是 一 个 两 步 的 过 程 ， 在 这 种 过 程 中 , 供 体 发 出 一 个 光子 并 被 受 体 吸 收 。 这 节 将 不 讨论 这 种 传递 ,这 并 非 它 不 重要 (我 们 的 生存 依赖 于 能 量 从 太阳 到 光合 作用 生物 的 传递 ), 而 是 因为 它 容易 理解 。 辐 射 性 的 激发 传递 对 非 辐 射 性 的 激发 传递 的 相对 几率 与 很 多 因素 有 关 ， 但 一 般 认 为 非 辐 射 性 的 激发 传递 在 生物 系统 中 是 更 可 能 的 过 程 , 当然 也 有 一 些 相 反 的 情形 , 例如 ,在 雄 草 火 虫 寻找 雌 萤 火 虫 的 过 程 中 就 包含 着 辐射 性 的 激发 传递 (生物 荧光 ,请 参阅 第 14 章 )。 激发 的 传递 是 一 种 共振 过 程 , GER (D* > D) 和 受 体 (A 一 A ) 内 总 的 跃迁 能 量 的 变化 是 相同 的 , 因此 , 受 体内 的 跃 迁 所 涉及 的 电子 能 量 的 改变 必须 等 于 或 小 于 供 体内 的 改变 ， 其 能 量变 化 上 的 任何 差别 都 可 以 由 供 体 和 受 体 中 包含 的 振动 能 级 所 引起 (图 2-11). 传递 的 能 量 对 应 于 相应 的 供 体 发 射 谱 和 受 体 吸收 谱 上 共同 都 有 的 一 个 频率 ， 它 是 这 两 个 谱 重 登 区 域内 的 一 个 频率 (图 2-11)， 随 着 光谱 重 登 区 的 增 大 ,可 能 的 耦 联 跃 迁 的 数目 亦 增 加 ,从 而 使 传递 玫 率 增加 。 把 始 态 和 终 态 联系 起 来 的 供 体 和 受 体 之 间 电 子 的 相互 作 用 通 背 分 成 两 项 , 叫做 库仑 作用 和 交换 作用 。 可 以 证 明 库 仓 作用 正比 于 [公式 〈2-25)] PER ASS PRAY FB OY RS ROB Mp 和 MA 的 乘积 (参阅 2. 3. 6) BRE AGA IEG Fe MMA 的 供 体 和 受 体 中 光学 跃迁 的 强度 ,于 是 ,根据 适当 的 光谱 可 以 很 好 地 算出 库仑 作用 。 偶 极 子 的 库仑 作用 随 供 体 和 受 体 间距 PSA = MRA LAK (2-25) 1], SPAMS AAR BBR e 68 . Pr me ‘ a 强 时 (人 允许 九 廷 )， 这 种 相互 作用 起 主导 作用 ， 它 可 以 使 大 到 10nm 的 距离 上 发 生 传 递 : 夸 ( 偶 极 子 库仑 作用 )cc (MeMa (2-25) Farster 把 公式 (2-25) 中 的 参数 与 实验 可 以 得 到 的 参数 连 系 了 起 来 * 在 公式 (2-26) 中 二 是 波 数 : 25 ke(Forster) = Ss nha aed Fo(@)en(o) = (2-26) p* PE BE us AAI aie aie AS -一 4 的 能 差 a i Bi ce SN CHE SK am 图 2-11 RAW TRE AENRA-LANHBRKARIURE V1 SE Rie SS ARCS AB BRAK Ro Rie 是 激发 传递 的 速率 常数 。 一 一 译 者 ptt ky) “yl ll “ 7 T cd oF) 是 供 体 发 射 的 谱 *eA(z5) 是 受 体 吸收 的 摩尔 消光 系数 ， ?是 溶剂 的 折射 率 ,e 是 说 明 偶 极 子 相互 作用 几 何 关系 的 方位 因子 ,$p 是 无 受 体 时 供 体 发 射 的 量子 产 额 ,rp 是 供 体 的 发 身 Fz tis (s) ,而 尺 是 供 体 和 受 体 生 色 团 之 间 的 距离 (cm)o 于 是 , 传 递 速率 正比 于 供 体 和 受 体 中 光学 跃 迁 的 强度 ,因此 ,激发 通过 这 种 机 制 传递 的 选择 定 则 与 光学 跃迁 的 选择 定 则 相同 。 传 递 效率 (在 供 体 寿 命 期 内 传递 的 数目 ) 可 以 方便 地 用 半数 激发 发 生 传 递 时 的 临界 距离 Ro 来 表示 (这 时 传递 速率 等 于 孤立 状态 下 供 体 的 衰变 速率 , ke 一 *50 ,传递 效率 与 供 体 的 跃迁 强度 无 关 , 它 仅仅 取决 于 受 体 的 跃迁 强度 ,这 是 由 于 供 体 中 较 弱 的 路 迁 被 它 较 长 的 激发 态 寿命 所 补偿 (如 果 忽略 非 辐射 退 激 的 话 )。 如 果 用 自 旋 态 表 示 , 下 面 型 式 的 传递 : D(S,) + A(S,) > D(S,) + ACS,) (2-27) 或 者 所 谓 单线 态 -单线 态 传递 ,是 完全 为 库仑 机 制 和 rahe 制 所 允许 的 。 下 面 的 过 程 叫做 三 线 态 -三 线 态 传递 : DGT + ACS.) 一 D(So + ACT (2-28) 它 是 被 Forster 机 制 双 重 禁 止 的， 但 是 它 可 以 靠 交 换 作 用 发 生 。 交 换 作 用 与 供 体 和 受 体 波 函数 (电子 轨道 ) 在 空间 的 重 叙 有 关 ，, 因此 它 是 非常 短程 的 作用 (碰撞 距离 上 的 作用 )o。 AF 间 交 换 作 用 的 大 小 不 容易 与 供 体 和 受 体 的 光学 特性 连 系 起 来 , 如 果 供 体 和 受 体内 的 跃迁 都 是 自 旋 禁 戒 的 话 了 则 偶 极 子 - 偶 极 子 项 非常 小 ,而 交换 项 可 能 占 支 配 地 位 。 对 于 交换 较 弱 的 激发 传递 ,三线 态 -三线 态 和 单线 态 < 单 线 态 的 传递 当然 是 自 旋 选择 定 则 所 人 允许 的 ， 像 芳香 烃 那 样 的 分 子 间 ,交换 作用 的 大 小 对 最 靠近 的 两 个 分 子 来 说 在 10cm 的 数量 级 ,如 果 自 旋 允 许 的 话 ;* 这 样 大 小 的 交换 作用 下 以 造成 ° 70 « oOo" Sy Eee ae ea 很 快 的 传递 ， 即 10-°—10-" s, 当 供 体 - 受 体 的 距离 增 大 时 ， 传递 速率 非常 迅速 地 下 降 ,大约 0.1m 下 降 100 倍 。 为 了 保证 溶液 中 两 个 分 子 在 处 于 磁 撞 复合 体 (碰见 ) 的 时 间 内 发 生 传 | Ms 10°10" sf BRE EH 2.7.2 唯 象 的 分 类 把 非 辐 射 性 激发 传递 分 为 三 种 唯 象 类 型 是 有 益 的 : (1) 短程 碰撞 传递 ; 它 要 求 供 体 和 受 体 接近 到 碰撞 直径 的 范围 内 ,如 果 只 有 交换 作用 机 制 起 作用 的 话 ， 就 是 这 种 情 况 5 如 果 溶 液 中 供 体 和 受 体 之 间 的 每 一 次 碰撞 都 导致 传递 , 则 传递 速率 就 是 扩散 控制 的 速率 ， 其 速率 常数 是 5 X 10? 1 mol? s 左右 。 (2) 长 程 一 步 传递 ; 它 在 比分 子 直径 大 的 距离 上 发 生 , 这 种 传递 必须 靠 库仑 作用 的 偶 极 子 - 偶 极 子 (Frster) 机 制 。 对 咨 沪 里 的 供 体 和 受 体 分 子 来 说 ， 这 种 长 程 传递 的 速率 可 以 超 过 扩散 控制 速率 。. (3) 长 程 多 步 传递 ;如 果 供 体 分 子 的 浓度 很 高 ,可 以 发 生 这 种 传递 。 如 果 供 体 分 子 能 充分 地 相互 作用 , 它们 之 间 也 可 以 发 生 有 效 和 快速 的 激发 传递 ， 最 后 再 从 一 个 供 体 分 子 传 给 足够 靠近 它 的 一 个 受 体 。 如 果 供 体 和 受 体 都 是 静止 不 动 并 相距 较 远 的 话 ， 则 只 有 长 程 一 步 或 长 程 多 步 传递 两 种 方式 才 是 可 能 的 ， 事 实 上 大 多 数 Forster 型 单线 态 -单线 态 传递 都 是 供 体 和 受 体 彼此 之 间 相 对 地 静止 不 动 的 情况 ,例如 ,同一 分 子 两 部 分 的 生 色 团 之 间 的 单线 态 -单线 态 传递 就 是 如 此 。 用 测量 单线 态 -单线 态 的 激发 传递 的 办 法 来 确定 特殊 生 色 团 (例如 同一 大 分 子 上 的 两 个 基 团 ) 之 间 的 距离 是 行 不 通 的 ,这 是 因为 它 不 准确 , 又 不 太 清 楚 供 体 和 受 体 的 相对 运动 究竟 有 多 快 , 从 而 不 能 算出 心 的 合适 e 71 e 的 平均 值 。 4 ， 当 库 仑 作用 变 弱 到 Farster 临界 距离 与 碰撞 直径 差不多 大 小 时 ,溶液 中 单线 态 -单线 态 激发 传递 的 速率 不 可 能 比 扩散 控 制 速率 快 ,在 这 种 情况 下 ,估计 交换 机 制 对 传递 速率 贡献 很 大 。 无 论 从 那 一 点 看 ,三 线 态 -三 线 态 传递 必须 要 在 供 体 和 受 体 之 闻 发 生 碰 撞 , 因 此 这 种 过 程 的 速率 不 会 超过 打 散 控制 速率 。 2.7.3 溶液 中 双 分 子 的 激发 传递 在 溶液 中 ,单线 态 -单线 态 传递 过 程 和 三 =k =a 递 过 程 是 最 常见 的 , 正如 预计 的 那样 , 三 线 态 -三 线 态 传递 的 速率 不 超过 扩散 控制 的 速率 ， 只 有 当 供 体 的 三 线 态 能 级 比 受 体 的 三 线 态 能 级 高 几 kcal/mol 时 ， 传 递 速率 才能 达到 扩散 控 制 的 数值 。 吸 热 的 传递 发 生 在 活化 能 等 于 供 体 和 受 体 间 能 量 差 的 情形 ,在 遇 到 特殊 和 不 常见 的 几何 条 件 时 会 出 现 反常 的 速率 。 在 去 空气 的 溶液 中 三 线 态 的 寿命 一 般 较 长 人 107 生 :10 风 ， 当 钴 灭 剂 的 浓度 达到 10 一 10 94 BY, SAS TLE i 发 有 效 地 传递 给 适当 的 狂 灭 剂 。 如 果 长 程 库仑 作用 的 机 制 起 作用 的 话 ， 放 热 的 单线 态 - 单 线 态 传递 能 以 快 于 扩散 控制 的 速率 进行 。 如 果 长 程 库仑 作用 进行 得 太 慢 , 则 只 发 生 碰 撞 传 递 , 这 时 最 大 的 传递 速率 就 是 扩 散 控制 速率 。 由 于 单线 态 的 寿命 较 短 ， 仅 1 一 1000s, OTA 效 地 传递 就 要 求 受 体 有 较 高 的 浓度 , 即 10 一 1073Ms 2.7.4 生物 系统 中 的 电子 能 量 传递 在 生物 系统 中 ， 人 们 往往 看 到 一 些 潜在 的 供 体 和 受 体 处 在 移动 和 转动 受到 限制 的 环境 里 ， 如 果 供 体 和 受 体 不 能 在 激 发 的 供 体 的 寿命 以 内 通过 扩散 接近 到 足以 发 生 传递 的 程度 ; 对 移动 的 限制 就 使 激发 传递 的 效率 降低 。 这 种 对 大 分 子 运 a : ; 动 的 限制 给 自由 扩散 的 小 分 子 (如 氧 ) 以 很 大 的 便利 。 ”在 蛋 自 质 当然 也 在 核酸 中 ， 处 于 低 激 发 态 的 单 体 单 元 靠 得 很 奉 , 因 此 可 以 预期 它们 之 间 的 激发 传递 是 快 的 。 芳 香 氮 基 We RR (Trp) BRA (Tyr) MAPA AM (Phe) 发 获 光 ,并 能 交换 单线 态 的 能 量 ， 单 线 态 能 量 的 排列 顺序 是 Phe > Tyr > Trp, 这 也 是 预期 的 激发 传递 的 方向 。 对 于 这 些 基 团 的 每 一 对 之 间 单 线 态 从 高 到 低 的 激发 传递 ,如 果 传 递 效 率 为 50 匈 ， 则 了 arster 距离 式 Ro) 为 1.5nm 量 级 ， 它 和 和 蛋白 质 的 半径 差 不 多 相 i 不 难 证 明 在 蛋白 质 里 确实 存在 这 样 的 传递 , 即使 激发 光 主要 被 茜 丙 氨 酸 或 栈 所 酸 所 吸收 ， 很 多 含有 色 氮 酸 的 蛋白 质 也 主要 表现 出 色 氮 酸 的 荣光 , 这 就 说 明了 是 这 种 传递 。 根据 传递 效率 的 测量 ， 有 可 能 估计 出 蛋白 质 中 这 些 氨基 酸 之 间 的 距离 ?用 辅 基 作为 供 体 和 受 体 ， 大 关 赠 加 了 利用 激发 传递 讽 定 分 子 内 距离 的 可 能 性 。 蛋白 质 中 芳香 氨基 酸 之 间 的 三 线 态 -三 线 态 传递 a 该 比 单线 态 - 单 线 态 传递 更 多 地 受到 限制 ,这 是 因为 只 有 当 两 个 生 色 团 实际 上 是 最 靠近 的 邻居 时 ,三 线 态 -三 线 态 的 传递 才能 有 效 地 进行 。 含 色 氮 酸 的 蛋白 质 主 要 显示 色 氮 酸 的 磷 光 , 但 这 可 能 是 由 于 单线 态 -单线 态 传 递 过 程 把 单线 态 定 域 在 色 氢 酸 上 的 缘故 ;系统 间 渡 越 以 后 ,由 于 色 氨 酸 的 三 线 态 激发 能 在 氨 基 酸 中 是 最 低 的 ,所 以 三 线 态 的 激发 就 保持 在 色 所 酸 上 。 在 核酸 里 ; 单 体 单元 ( 碱 基 ) 彼 此 挨 得 很 紧 , 它 们 的 距离 在 DNA 里 大 约 是 ,0.4mms 因此 激发 的 迁移 看 来 应 该 是 很 强烈 的 ， 确实 , 相 邻 碱 基 之 间 电 子 相互 作 用 的 数值 是 很 大 的 。 但 是 看 来 核酸 内 碱 基 之 间 单 线 态 和 三 线 态 激发 的 传递 都 只 是 短程 的 ;数量 级 上 最 多 是 10 个 碱 基 。 最 靠近 的 相 邻 碱 基 的 单线 态 的 传递 速率 很 快 CO Forster 型 传递 为 10"s -左右 ) ,但 是 , 通 过 一 些 竞争 途径 使 电子 激发 能 弛 驳 的 过 程 往 往 更 快 ， 这 就 使 e 7I3 。 实际 上 的 传递 效率 降低 了 。 根据 哪 两 个 碱 基 是 供 体 和 受 体 的 不 同 ， 室 温 下 相 邻 碱 基 之 间 三 线 态 -三 线 态 传递 的 速率 可 能 有 几 个 数量 级 的 变化 ,可 Kk. 10's 变 到 10" s-!:， 而 在 室温 下 章 体 三 线 态 的 寿命 却 是 lo skA, At, 在 三 线 态 的 寿命 以 内 某 些 相 邻 碱 基 之 间 的 传递 发 生 不 了 ; 而 另 一 些 则 可 发 生 多 次 由 于 妨碍 传递 的 那些 相 邻 碱 基 的 组 合 经 常 出 现 ,所 以 三 线 态 的 激发 迁移 大 受 限 制 。 在 像 多 聚 腺 昔 酸 这 样 的 同 聚 核 背 酸 中 ， 三 线 态 可 迁移 开 百 个 单 体 单元 ， 在 碱 基 基 本 上 是 随机 分 布 的 多 聚 体 中 ， 即 使 短 到 10 个 碱 基 左右 的 短程 迁移 ， 也 能 使 激发 固定 在 三 线 态 能 量 最 低 的 碱 基 上 ,例如 DNA 里 的 胸腺 喀 啶 。 : 虽然 与 生物 分 子 有 关 的 电子 能 量 传递 的 例子 很 多 ， 但 是 与 活体 内 光 生 物 学 过 程 有 关 的 例子 有 文献 证 明 的 却 不 多 ， 最 有 名 的 一 个 例子 就 是 叶绿体 内 天 线 叶绿素 分 子 之 间 激 发 的 迁 移 ， 这 种 迁移 一 直 进 行 到 能 量 最 终 被 传 给 反应 中 心里 的 特殊 叶绿素 分 子 为 止 ( 参 阅 第 13 章 )。 许多 光 动 力作 用 类 型 的 损 伤 过 程 涉及 到 激发 能 从 敏 化 染料 到 氧 的 传递 《参阅 第 4 章 )， 这 种 过 程 无 疑 会 发 生 在 活体 内 ， 但 是 目前 还 没有 任何 直接 的 证 明 。 酮 敏 化 剂 已 被 用 来 在 细菌 、 鸣 菌 体 和 堵 养 的 哺乳 动 驳 细胞 里 诱导 喀 啶 二 聚 体 的 形成 (参阅 5.2.4), 这 必然 涉及 到 三 线 态 激发 从 酮 到 DNA 的 传递 。 4 #5 Aequorea aequorea 在 受到 惊动 时 发 出 蓝 绿 色 的 生物 — ROK (S 14. 6), 最 先 产 生 的 激发 态 产物 是 和 叫做 aequorin 的 一 种 蛋白 质 相连 系 的 , 它 发 出 蓝 色 的 化 学 荧光 。 RKB 光 的 蛋白 质 可 以 从 海 手 的 发 光 器 官 里 提取 出 来 ， 但 发 光 器 官 并 不 显示 化 学 发 光 。 根据 Farster 理论 ， 如 果 发 蓝 - 绿 荧光 的 蛋白 质 与 发 光 器 官 靠 得 很 近 ,激发 就 可 以 从 发 蓝 - 绿 荧光 的 蛋 白质 的 生 色 团 传递 给 发 光 器 富 。 es。 74 。 2.8 3 4 (1) mB LASER 1000W/m™", AK 400nm 的 JER LhASDIEFHE lem 的 表面 上 ? (2) 画 出 图 2-12 上 所 示 吸 收 和 发 射 光 谱 的 分 子 的 三 能 波长 Cam) 400 500 相对 发 光 强 度 re) 28 27 2 2 24 23 22 2 2 19 -48 BR (40% cni1) 2 3 O ae Ay} [a] (s) 图 2-12 上 图 : 一 种 有 机 化 合 物 的 吸收 (ABC) ,荧光 (FLUO- R2 和 磷 光 (PHOS) 光 谱 ， 吸收 谱 (loge) 标 度 在 左边 ， 而 发 射 谱 《相对 强度 Din EG. FA: 该 化 合 物 的 磷 光 衰变 (强度 一 激发 光 消失 后 的 时 间 )。 “此 处 原文 中 所 给 的 单位 是 J/m"*, 是 错误 的 译文 中 改正 为 W/m?。 一 一 译 者 二 级 Jablonski A, 它 的 荧光 、 磷 光 、 系 统 间 湾 越 和 内 转换 的 速率 是 多 大 ? go = 0.2 和 ic 一 0.6; 图 2-12 上 还 给 出 了 磷 光 的 - 衰变 曲线 。 (3) 已 烷 溶 液 中 三 洒 烷 三 线 态 的 单 分 子 误 变 速率 常数 起 是 2 x 104 秒 -:, 镑 灭 50 多 的 三 葵 烷 三 线 态 所 需 蔡 的 浓度 是 天 X 10-5M ,试问 双 分 子 狂 灭 速率 常数 是 多 少 ? | (4) FH 1,2,5,6-—A (A 2-1) BRA CA 2-7) 能 发 生 ”单线 态 -单线 态 的 电子 能 量 传递 吗 ? 试 解释 。 Cho HF) f « 76 e } | 第 3 章 光 化 学 Nicholas J. Turro (哥伦比亚 大 学 化 学 系 ) Angelo A. Lamola 《贝尔 实验 室 新 泽 西 州 黑 里 希 尔 ) crx 序言 sseeeeseieesesessresoeesooooesoseoesioioesoooopeeoeeioessse 77 3.2 一 些 常见 的 总 光 反 应 ee 80 3.3 有 机 分 子 的 原初 光 反 应 cove teececcee eee eeeeeceeeeeeeneoeees 84 3.4 .光化学 中 的 结构 -反应 性 关系 ppp 88 3.5 光化学 的 另 一 种 观点 pep 92 3.6 量子 产 额 和 动力 学 pe 93 3.7 ”作用 光谱 ee 96 3.8 光敏 化 作用 pp ee ee eercercececees 98 3.9 人 小结 waar wecenccnvecsverecceesserecsceseesenscasecsasressenses 102 3.10 练习 和 103 3.1 FF 言 ” 光 生 物 反 应 是 指 通过 所 吸收 的 光 能 的 作用 对 生 艾 系统 的 某 些 化 学 修饰 ， 而 把 光照 射 化 学 系统 所 产生 的 化 学 反应 习惯 上 称 作 光 化 学 反应 ， 光 化 学 反应 的 研究 即 构成 所 谓 光 化 学 科 学 在 最 近 二 十 年 间 , 由 于 许多 能 直接 测量 反应 中 间 产 物 和 处 于 电子 激发 态 分 子 的 技术 的 出 现 ， 光 化 学 反应 这 一 术语 有 了 更 专 一 的 定义 ; 光化学 反应 开始 于 反应 物 的 某 一 电子 激发 om 态 , 并 以 第 一 个 基态 产物 的 出 现 而 告终 。 这 就 是 说 ,光化学 反 应 是 由 那些 不 返回 到 原来 分 子 的 电子 弛 豫 过 程 构成 的 二 2o 根 据 这 个 定义 我 们 看 到 ， 光 化 学 反应 与 通常 的 热 反 应 的 区 别 在 于 光化学 反应 总 是 涉及 到 具有 激发 电子 的 分 子 。 在 第 2 章 里 已 经 指出 ， 一 个 分 子 吸 收 一 个 光子 将 使 该 分 子 上 升 到 一 个 电子 激发 态 ， 从 而 开始 一 系列 使 这 个 激发 分 子 的 能 量 不 断 降 低 的 事件 。 除 了 使 激发 分 子 回 到 它 起 始 基态 的 辐射 及 非 辐 射 (所 谓 光 物理 的 ) 过 程 之 外 ， 处 于 电子 激发 态 的 分 子 还 可 以 经 过 若干 键 断裂 或 键 形成 (所 谓 光 化 学 的 ) 过 程 而 弛 移 。 相 对 于 基态 而 言 , 如 果 一 个 旧 键 被 完全 破坏 或 完全 形成 一 个 新 键 , 这 时 就 可 以 说 激发 分 子 进 行 了 一 次 光化学 反应 ( 通 常 叫做 原初 光化学 过 程 )。 有 时 一 个 稳定 的 或 不 易 变 化 的 产 物 是 光化学 反应 的 直接 结果 ， 这 样 的 反应 叫做 协同 的 光化学 反应 ， 即 从 激发 态 到 最 终 产物 的 过 程 中 没有 任何 中 间 化 学 产 物 出 现 。 但 是 ， 大 多 数 光 反 应 生成 有 反应 活性 的 中 间 产 物 处 于 电子 激发 态 岂 1 tw | 9 原初 光 产 物 (s) 一 人 : G) 高 反应 活性 的 | | “ 稳 态 的 ” BEAT |< teins) || 产物 (9) (3) BA 生物 反应 3-1 激发 态 和 光 产 物 之 间 的 关系 。 HMRA F 导致 : C) 原初 光化学 产物 它 本 身 可 能 是 最 终 产 物 (b), 或 者 是 在 暗 处 发 生 转 变 的 高 反应 活性 的 中 间 产 物 (a);(2) 最 终 产物 。 生 物 反 应 是 通过 最 终 产 物 起 作 用 的 (3)， 虽然 有 时 应 该 考虑 到 高 反应 活性 的 中 间 产 物 也 是 起 作用 的 ;过 程 (4) MO) 分 别 为 返回 基态 的 电子 弛 耶 和 化 学 反应 "它们 使 过 程 回 到 起 始 分 子 。 * 78 。 (如 ,自由 基 、 双 自由 基 、\ 离 子 或 其 他 不 稳定 的 产物 ) ,它们 是 不 稳定 的 ,并 将 进一步 反应 ,通过 一 些 继 发 ( 热 ) 反 应 而 生成 最 终 产物 。 图 3-1 中 的 流程 图 总 括 了 这 些 概 念 和 定义 ， 这 种 光 化 学 反应 的 观点 并 不 意味 着 不 重视 可 能 来 自 光化学 反应 产生 的 中 间 产 物 的 最 终 产 物 。 HR, 这 些 最 终 产 物 往往 是 导致 几乎 总 在 比 光 化 学 反应 长 得 多 的 时 标 上 发 生 的 生物 反应 的 原因 。 正 是 这 些 最 终 产物 的 分 离 和 特性 鉴别 构成 了 分 子 光 生 物 学 的 骨架 。 然 而 ,把 (原初 的 ) 光化学 反应 与 光化学 产生 的 产物 的 ( 继 发 的 ) 热 反应 加 以 区 别 是 很 有 好 处 的 。 例 如 ;影响 原初 光 化 学 事件 的 因素 常常 与 影响 继 发 反应 的 因素 不 同 ， 这 就 造成 了 许多 可 能 的 途径 来 控制 化 学 过 程 。 正如 下 面 将 会 看 到 的 , 把 原初 和 继 发 反应 分 开 对 光化学 反应 的 分 类 是 有 益 的 。 为 便于 分 析 处 理 ， 把 从 光 的 吸收 开始 而 以 形成 稳定 产物 告终 的 化 学 过 程 叫 做 总 的 光化学 反应 。 而 总 的 反应 中 ，, 与 激 发 态 分 子 有 关 的 那 一 部 分 ， 即 光化学 反应 本 身 则 叫做 原初 光 反应 或 原初 光化学 过 程 。 虽然 有 机 分 子 不 同 的 总 光 反 应 数目 很 大 ， 而 为 有 机 分 子 所 共有 的 原初 光化学 过 程 的 数目 却 并 不 多 。 在 以 后 各 节 将 讲 述 一 些 重要 的 原初 光 反 应 ， 并 通过 实例 来 说 明 如 何 能 由 这 些 控制 化 学 过 程 起 始 步骤 来 解释 某 些 总 的 反应 。 图 3-2 是 在 对 数 座 标 上 给 出 从 10-5 105s 的 光 生 物 中 所 关心 的 那些 过 程 的 时 序 。 表 观光 生物 学 家 记录 的 是 光照 后 . 从 几 毫 秒 (ms) 到 也 许 要 数 年 才 发 生 的 生物 效应 (例如 阳光 诱 RAMI). 并 把 这 些 效应 与 各 种 实验 参数 , 特别 是 光 的 波长 和 注 量 联系 起 来 。 分 子 光 生 物 学 家 则 把 生物 反应 与 生物 化 学 事件 , 并 最 终 与 可 观测 的 光 产 物 联系 起 来 。 ATOR 明 其 机 制 ， 就 需要 了 解吸 收 光 的 分 子 的 光 物 理 和 光化学 弛 豫 过 程 。 只 有 在 弄 清 了 这 一 完整 的 构图 之 后 ,才能 确定 出 促进 、 ae 79 。 改变 或 阻止 某 一 光 生 物 反应 的 最 有 效 的 方法 。 原初 光 产 物 的 暗 反应 原初 光 反 应 Ta 一 生物 反应 三 线 态 三 线 态 激发 传递 -一 单线 态 激发 传递 — RAR ‘ie — 光 吸 收 进化 上 的 效应 0 5 log /LS) 图 3-2 “在 光 物 理 , 光 化 学 及 光 生 物 学 上 的 时 间 标 度 3.2 ”一 些 常见 的 总 光 反 应 [2 从 现象 学 的 观点 来 看 ， 对 某 些 最 常见 的 有 机 的 光 反 应 作 下 面 的 分 类 是 颇 为 方便 的 。 每 种 反应 类 型 给 出 两 个 例子 , 其 一 涉及 有 生物 学 意义 的 分 子 ， 另 一 个 则 是 某 些 较 简单 的 有 机 ， 分 子 。 这 样 读者 就 可 以 看 出 , 往往 有 一 些 简明 的 类 似 之 处 可 以 有 助 于 生物 分 子 的 光化学 研究 。 C1) 不 饱和 系统 的 线性 加 成 (也 叫做 还 原 加 成 户 D O 4 Ph,CO + (CH,),CHOH + cS ped BES + (CH;),CO (3-1) Ph Ho’ ~Ph » 80 。 , . . ee ee ， a a DO NH, 1 - (3-2) N ies NH, 7 T) + ia 一 全 > HN ee oe H H 尿 喀 喧 半 胱 氨 酸 半 胱 氨 酸 -6- 羟 基 尿 喀 啶 《2) 不 饱和 系统 的 环 加 : oO Oo Ph Nn Nn Av Ph is ical | ys 人 A i (3-3) i ; 0 o7 Sn O 0 TC mr TY ee Puen Ge te 胸腺 喀 喧 人 (3) 取代 反应 : OCH, OCHs tor 一 二 -> + CT (3-5) ao CN 0 ° Agere wie at ~ RENE 5- FUR EE e 81 。 (4) 顺 反 式 异 构 化 : P h / he : Ph Soto | (3-8) SRAMKE 11-MiA MRE 要 (5) 结构 重 排 ( 骨 架 重 排 ) peer oe . G-9) ay (3-10) 山道 年 光山 道 年 (6) 结构 重 排 ( 电 循环 或 价 键 的 重 排 ): a 一 一: (3-11) C sa 82 。 D; 维生素 前 体 维生素 Di oO (3-13 i C cu; + CH,==cH, CH, CHOHCHOHCHOHCH, OH BAR . KBE + CH;CCHOHCHOHCH, OH (8) 光 氧 化 : CH, 7 CH; cH OOH cH, — ‘+o —--> yr“ (3-15) a RICH a CH; CH, 1 CH » 83 e AB iS Be (3-16) 3B-F22-5S0-W A(t A- A AB iS 3.3 有 机 分 子 的 原初 光 反 应 常见 的 原初 光 反 应 可 以 分 为 两 大 类 型 @ 内 在 单 分 子 型 ; @ 内 在 双 分 子 型 。 这 种 区 分 的 基础 在 于 光 反 应 主要 是 在 一 个 电子 激发 的 生 色 团 内 发 生 呢 ， 还 是 另外 有 基态 分 子 也 参 与 了 光 反 应 过 程 ? 下 面 列 出 八 种 最 常见 的 原初 光化学 过 程 。 内 在 单 分 子 的 和 协同 的 原初 光化学 过 程 : (1) 顺 反 式 异 构 化 [ 见 反应 式 (3-7) 和 (3-8)]。 (2) 电 循 环 型 的 键 重 排 [ 见 反 应 式 (3-11)]。 这 种 原初 反 应 型 涉及 某 些 单 键 和 双 键 的 协同 重组 (参阅 下 文 )。 (3) 所 谓 闷 型 的 键 重 排 。 这 种 反应 类 型 涉及 到 分 子 内 某 些 原 子 或 基 团 由 一 种 单 键 键 合 方式 变 成 另 一 种 单 键 键 合 方式 的 协同 重组 。 在 分 子 内 还 可 能 伴随 有 其 他 键 合 方式 的 变化 。 es B84 。 导致 高 反应 活性 中 间 产 物 形 成 的 内 在 单 分 子 型 C4) 简单 的 均 裂 键 劈 开 ， 即 一 个 单 键 劈 开 变 为 两 个 自由 基 : 如 : Pe (3-18) \ | 内 在 双 分 子 的 和 协同 的 原初 光化学 过 程 (5) 环 加 成 (和 逆 环 加 成 )， 即 两 个 组 分 加 成 形成 一 个 环 (或 “个 环 敌 开 为 两 个 组 分 ): O Oo O AA ; hy wor 7 ieee steeped 1G ee OZ \N : o4 NA NN“ No H H H 环 加 成 DTK IM 导致 高 反应 活性 中 间 产 物 形成 的 内 在 双 分 子 型 (6) HA: hy 。 Ph,CO + (CH,),CHOH 一 一 > Ph,COH + (CH,),COH (3-20) (7) 两 步 加 成 为 不 饱和 系统 之 第 一 步 : » 85 。 Ph,CO* + ae 六 二 号 、NNZso (8) 电子 传递 : “4 ~~ nee te (3-22) ae t U 这 些 原 初 反应 中 每 一 种 的 推广 和 举一反三 往往 会 足以 对 有 机 化 合 物 的 大 多 数 已 知 的 总 光 反 应 提供 一 个 适当 的 机 制 。 在 把 这 八 个 原初 光 反 应 用 于 机 制 分 析 时 ， 将 要 用 到 两 个 一 般 的 规则 : 规则 1: 除 顺 - 反 式 异 构 化 外 -只 有 激发 单线 态 的 分 子 进 行 协同 的 或 一 步 的 总 光 反 应 。 注 : 协同 的 光化学 过 程 中 只 有 顺 - 反 式 异 构 化 可 以 由 三 线 态 以 及 单线 态 发 生 。 规则 2: 由 原初 光化学 过 程 产 生 的 高 反应 活性 中 间 产 物 导致 的 最 后 的 反应 产物 由 这 些 中 间 产 物 的 继 发 反应 决定 。 注 : 在 预测 或 解释 最 后 的 光 兹 学 反应 产物 时 ， 我 们 必须 考虑 由 原 初 光化学 过 程 产生 的 中 间 产 物 的 一 切 有 可 能 的 反应 。 在 3. 2 中 的 实例 给 出 了 某 些 总 光 反 应 的 可 能 机 制 。 对 一 个 看 来 复杂 的 反应 , 作 线 性 加 成 [反应 式 (3-1)] 的 分 析 就 变 得 简单 了 。 最 有 可 能 的 原初 过 程 是 由 光 激 发 的 葵 酮 从 异 丙 醇 抽 提 和 氢 而 产生 联 荃 酮 目 由 基 ,然后 再 与 环 戊 酮 加 成 : hy (CH,),CHOH_ .- ; Ph,CO ———> Ph,Co* -一 一 > Ph,COH + (CH,),COH (3-23) ° 86 « | | 。 é Ph,COH + 人 一 一 一 一 一 (3-24) ore | (3-25) (CH,),toH +” 一 一 -上 3 + (CH),CO ¢ Ph i Ph OH OH ”通过 协同 的 (单线 态 ) 机 制 或 者 通过 三 线 态 葵 酮 对 胸腺 喀 喧 的 攻击 形成 一 个 中 间 产 物 的 途径 [反应 式 (3-217)] 都 可 以 发 生 反 应 式 43-3) 的 环 加 反应 。 由 实验 资料 知道 , 单线 态 Ph,CO 的 寿命 太 短 而 不 能 参与 双 分 子 的 光 反 应 。 因 此 可 能 涉及 在 反 应 式 (3-21) 所 示 的 原初 过 程 。 (3-7) 和 (3-8) 式 中 的 反应 可 能 是 单线 态 或 者 三 线 态 的 ” 顺 - 反 式 异 构 化 。 (3-9) 式 里 的 反应 包括 双 自 由 基 中 间 产 物 的 形成 [参阅 反 志 应 式 G-18)j (3-10) 和 (3-12) 式 中 的 反应 分 别 是 忌 型 和 电子 重 排 型 ， 两 者 可 能 都 是 单线 态 反应 。 (3-14) 式 中 的 反应 可 能 是 经 由 下 面 给 出 的 双 自 由 基 进 行 的 ,这 个 双 自 由 基 是 由 分 子 内 部 的 氨 原 子 抽 提 产生 的 : N N HS CH, COHCHOHCHOHCH, OH 总 结 起 来 ， 在 图 3-3 中 给 出 的 图 解 简要 地 说 明了 用 合理 e 87 。， 化 和 预测 的 方法 来 分 析 有 机 光 反 应 的 一 个 二 般 框 架 。 预测 模型 1 .分 析 初 始 产物 2. 确 定 吸收 物质 - 3. 确 定 能 量 传递 是 否 可 能 4. 设 想 看 来 有 可 能 的 原初 ed 光化学 过 程 5. 设 想 看 来 有 可 能 的 中 间 产物 的 继 发 反应 模型 的 合理 化 | | 1 .分 析 产 物 2. 确 定 可 以 给 出 这 些 产物 的 原初 和 继 发 反应 的 可 能 顺序 3. 根 据 所 有 能 够 得 到 的 实 站 is 验 或 理论 数据 ， 尽 量 排 除 那些 根据 不 足 的 设想 的 反应 顺序 ——— oe ws 人 看 来 有 可 能 的 反应 机 制 图 3-3 求 出 光化学 反应 机 制 的 图 解 3.4 光化学 中 的 结构 -反应 性 关系 由 于 原初 光化学 过 程 的 数目 是 很 少 的 ， 因 此 人 们 可 能 要 i}: 在 光化学 中 是 否 存在 一 般 的 结构 -反应 性 关系 呢 ? 对 这 一 问题 的 回答 是 肯定 的 。 正如 在 2. 3. 5 中 所 讨论 的 一 样 ， 通 常 遇 到 的 有 机 分 子 的 激发 态 可 以 根据 它们 的 总 电子 自 旋 分 为 单线 态 或 三 线 态 ， 并 根据 它们 的 电子 构 型 分 为 wx* 态 和 rr# 态 。 关 于 单线 态 和 三 线 态 以 及 ”三 态 和 天 态 的 反应 可 以 作 一 些 一 般 的 论 « 88 « Ro 关于 反应 活性 的 第 一 个 公理 与 对 应 于 相同 电子 构 型 的 音 | 线 态 和 三 线 态 之 间 的 区 别 有 关 。 公理 1; 如 果 反应 中 涉及 的 关键 价 电子 成 对 地 移动 ， 则 单线 态 易于 反应 ， 而 如 果 反 应 中 涉及 的 关键 价 电子 单个 地 移 动 (类 似 自 由 基 那 样 ); 则 三 线 态 易于 反应 。 关于 反应 活性 的 第 二 个 公理 与 对 于 某 一 状态 的 “最 适 的 ” 一 个 电子 构 型 和 该 状态 的 反应 类 型 之 间 的 相关 性 有 半 .公理 2; 对 一 给 定 的 激发 态 分 子 所 预期 的 化 学 反应 往往 可 以 预测 ,其 办 法 是 检查 与 电子 构 型 对 应 的 一 个 “最 适 的 ” 价 键 ,所 预计 的 化 学 反应 与 公理 1 一 致 为 了 说 明 这 两 个 公理 的 应 用 ,读者 可 参考 图 3-4， 图 中 所 示 为 两 个 原型 系统 , 即 乙烯 和 丙 病 。 对 于 乙烯 的 最 低 激发 单 ， 线 态 及 三 线 态 (S, 和 7T,) 来 说 ， 最 适 的 一 个 电子 构 型 是 x2" S 了 ek 2 yy wm \ee : tt ' ed S; yr" +6; =O: © © | 全 口 @ > 3 9 T, vit = XK Tt fiw > ari \! & : 不 So re on = YX So 20? ) 一 0: 2 tos 乙烯 丙酮 3-4 ”描述 乙烯 和 丙酮 的 So Si 及 六 状态 的 “最 适 的 ”一 个 价 键 结 Ao WS. 态 的 乙烯 所 示 仅 是 两 个 等 价 的 共振 结构 中 的 一 个 。 对 于 丙 酮 ? 氧 原 子 下 方 的 电子 被 看 作 z?x” 态 中 的 怀 电 子 。 氧 原子 上 方 的 电子 RTF Re 电子 。 高 能 态 的 间距 未 按 比 例 增 大 。 e。 89 。 构 型 。 根据 公理 1 和 公理 2， 离 子 价 键 结构 CH 一 CH, <> CH 一 CH,( 在 两 个 相同 结构 之 间 的 共振 ) 对 应 于 8 ,而 双 自 由 基 结 构 CH,— CH, 对 应 于 Tis 对 于 丙酮 的 S, 和 Ti ® ,最 适 的 一 个 电子 构 理 是 1 ， x* 构 型 。 根 据 公 理 1 和 公理 -23 离子 结构 (CHiC 一 0+ 对 应 于 815 而 双 自由 基 结 构 (CH,),C—O HIF Tyo 把 这 两 个 公理 推广 到 包括 共 斩 结 构 在 内 的 其 他 分 子 是 相 当 容 易 的 。 现在 可 以 把 前 面 讨论 过 的 有 关 的 原初 光化学 反应 与 价 键 结构 联系 起 来 了 , 即 可 以 得 出 结构 -反应 性 关系 了 。 作 为 第 二 个 例子 ,让 我 们 看 一 下 酮 。 在 八 个 原初 光化学 反应 中 ;我们 预 期 丙酮 只 参加 非 协同 反应 , 即使 在 S: 态 也 是 如 此 ， AHS, WH ;zx 构 型 限制 了 为 形成 与 它 相连 的 键 所 需 轨 道 同 时 重 迭 的 可 能 性 ,而 形成 这 个 延续 的 键 是 协同 反应 的 一 个 必要 条 件 。 因 此 我 们 预期 酮 只 参加 内 在 单 分 子 过 程 的 键 劈 开 反应 , 即 : 和 es 一 一 = eM 3-27) | : (形成 离子 ) xX. ; 1: SER antes ‘at Pepys (3-28) x x 《形成 自由 基 7 作为 第 二 个 例子 , iERMNA— FHP Mio RTMEF 1, 3- 丁 二 烯 具 有 参加 八 个 原初 光化学 反应 中 的 大 部 分 反应 的 可 能 性 ,这 要 依 其 反应 条 件 而 定 。 例 如 ，, 顺 - 反 式 异 构 化 G-29) 就 是 预期 的 S MT, 两 种 状态 都 会 发 生 的 反应 。 由 于 它们 一 般 都 是 协同 的 反应 ， 因此 S, 态 可 以 发 生 电 循 e 90 « err | © | SN ci 二 Pe ek 5, ie 7 wnat | ae 三 线 态 ARM. 而 Ti 态 则 不 行 。 因为 自 旋 必须 守恒 ， 所 以 刀 的 环 化 将 会 产生 较 高 能 的 三 线 态 [反应 式 (3-31)]; Si 的 环 化 产生 较 低 能 的 基态 产物 [反应 式 (3-307]。 ec ( 二 (3-31) 应 该 注意 的 是 了 相对 来 说 比 S 容易 发 生 双 分 子 环 加 反 W.AAT, 的 寿命 较 长 ;这 就 使 它 有 更 多 的 机 会 砾 生 [ 反 应 式 (3-32) 的 反应 。 ete ae Oe 三 线 态 双 自 由 基 加 成 ste e 9] 。 (3-32): 35 光化学 的 另 一 种 观点 G210] 处 于 一 特殊 电子 态 的 分 子 可 以 以 多 种 几何 形状 (其 核 的 构 型 ) 存 在 。 每 种 几何 形状 对 应 于 一 个 特定 的 位 能 。 对 每 一 电子 态 而 言 ， 其 位 能 对 核 的 构 型 ( 玫 何 形状 ) 所 作 之 图 叫 作 该 分 子 的 位 能 表面 。 根据 反应 过 程 是 发 生 在 一 个 位 能 表面 ( 即 :_ 在 一 种 电子 态 ) 上 ,还 是 涉及 从 一 个 表面 或 电子 状态 转 为 另 一 个 表面 或 电 子 状态 ， 我 们 可 以 对 光化学 反应 加 以 分 类 ， 前 者 叫 作 绝 热 过 程 ,后 者 则 叫 作 非 绝热 过 程 。 对 溶液 中 的 反应 ， 绝 热 光化学 反应 限于 其 主要 化 学 变化 发 生 在 同一 激发 态 表面 的 那些 反应 。 双 原子 分 子 , ML Wt 分 解 就 是 一 个 例子 。 BL, 所 有 已 清楚 的 例子 都 包括 某 些 结合 或 离 解 反应 ; 例如 涉及 到 质子 化 或 去 质子 化 的 激发 分 子 的 反应 (RH* 一 ->R* + Ht+)， 通 常 该 反应 的 逆反 应 在 基态 很 快 发 生 。 大 多 数 光化学 反应 都 是 非 绝热 的 。 化 学 变化 是 电子 退 激 过 程 的 一 部 分 , 换 句 话说 ,化 学 变化 是 从 一 个 电子 激发 态 变 成 一 个 较 低 的 电子 状态 (通常 是 基态 ) 的 结果 。 许多 光 反 应 都 包括 绝热 和 非 绝热 两 种 变化 。 绝 热 过 程 包 括 在 某 激发 态 表面 上 移动 ,并 一 直 移 动 到 发 生 非 绝热 反应 ( 电 子 退 激 ) 的 上 下 两 个 表面 最 靠近 的 一 个 地 方 (几何 条 件 )。 图 3-5 给 出 了 一 个 例子 ， 它 代表 了 沿 反应 路 径 通过 一 组 假设 表 面 的 横 切 面 。 为 了 了 解 对 控制 光化学 过 程 很 重要 的 位 能 表面 的 特性 ， 目前 有 很 多 工作 在 用 光谱 学 数据 〈 吸 收 和 发 射 谱 ， 光 电子 谱 等 )\ 分 子 轨 道 计算 以 及 对 称 理论 来 描绘 光化学 活性 高 的 化 合 se 92 « ~ oa A hy A*—e B 图 3-5 , 对 一 个 复杂 的 光化学 原初 过 程 A* 一 >B 的 ， Bixee. 起 始 分 子 A 跃 升 到 某 一 激发 态 表面 ， 在 此 表面 上 上 越过 一 个 低 的 位 垒 迅 速 地 移动 ， 使 该 分 子 达到 迅速 发 生 电 子 退 激 的 一 点 ( 粗 箭头 所 指 )， 随 后 沿 反应 路 径 进 一 步 移 动 ， 直至 热 稳定 的 基态 产物 B。 物 的 位 能 表面 图 ”。 3.6 ”量子 产 额 和 动力 学 a 让 我 们 看 一 个 典型 的 总 光化学 反应 ， 其 中 可 测量 的 产物 (R) 由 光化学 反应 产生 的 中 间 产 物 (X) 的 暗 反应 所 产生 : hy A A* 吸收 AS 4 退 激 (4) Ar 一 _ > X 原初 光化学 反应 (>) 人 X ->R 继 发 化 学 反应 (3-33) (3-34) (3-35) (3-36) (3-37) ee。 93 。 (R -一 > 生物 反应 ) (3-38) 产物 R ART FEB be) 是 (参阅 2. 4.3): _ 产生 的 R 的 分 子 数 re | On 和 吸收 的 光子 数 2) 在 一 个 典型 的 实验 中 ， 一 般 可 以 测量 的 是 产生 的 及 的 分 子 数 和 样品 吸收 (特定 波长 ) 的 光子 数 。 根 据 样品 吸收 的 光子 数 、A 的 吸收 谱 、A 的 浓度 及 其 消失 的 时 间 过 程 ,以 及 样品 中 存在 的 可 以 吸收 激发 光 的 其 他 物质 的 吸收 谱 和 浓度 ， 我 们 通常 可 以 计算 在 实验 进行 期 间 A 分 子 吸收 的 光子 数 cm。 量子 产 额 是 表征 光化学 反应 最 重要 的 一 个 参数 。 知 道 了 CHE, 我 们 就 能 通过 限定 光 的 注 量 来 控制 产物 的 量 。 量子 产 额 在 阐明 光 产物 形成 机 制 上 也 是 极 有 价值 的 。 但 是 , 对 于 一 组 实验 变量 来 说 ,知道 量子 产 额 尚 难于 详尽 地 确定 其 机 制 。 在 机 制 研究 中 ,要 确定 量子 产 额 (或 某 些 直接 正比 于 量子 产 额 的 量 ) 对 一 些 实验 参数 ,例如 光 的 强度 \ 反 应 物 的 浓度 、 深 剂 及 温度 的 依赖 关系 。 只 有 这 样 我 们 才能 着 手 盖 明 在 光 吸收 和 可 测量 的 产物 形成 之 间 发 生 的 各 种 中 间 过 程 。 在 为 了 寻找 可 以 给 出 关于 中 间 产 物 信息 的 结构 -反应 性 关系 的 某 些 推理 方法 中 ,另外 一 个 办 法 是 改变 其 中 一 个 反应 物 的 结构 ,例如 改 变 上 面 所 给 的 反应 方程 组 中 A 的 结构 。 为 了 避免 对 光化学 反 应 活性 的 错误 结 ARR, RB Se 的 定量 信息 是 必 不 可 少 的 。 只 要 在 量子 产 额 的 表达 式 中 引 人 中 间 过 程 的 效率 ， 这 一 点 就 更 清楚 了 。 取 上 面 给 出 的 例子 ， 则 : ear be = (X—>R WRB) bx (3-40) = [hix/Chix + hax) bx (3-41) 进一步 展开 : br 一 batlhea/Ckra 十 RaA)][LRxACAX + hax) ] 〈3-42) es 94 « 如果 A* 不 是 由 于 吸收 光子 直接 达到 的 状态 ， 例 如 它 是 一 个 三 线 态 ， 那 么 bar 本 身 可 以 用 光 物 理 过 程 的 相对 速率 来 展开 。 在 总 的 反应 进程 中 中 间 产 物 可 能 进行 的 几 个 过 程 中 ， 其 中 一 个 过 程 的 速率 的 增加 或 减 小 都 可 以 造成 典 数值 的 增 大 或 减 小 ， 也 就 是 总 的 量子 产 额 与 各 竞争 过 程 的 速率 常数 的 比 例 有 关 。 因 此 ,da 数值 的 改变 不 会 只 一 种 解释 。 例如 , 在 同 样 的 实验 条 件 下 A 的 一 个 类 位 物 给 出 一 个 类 似 的 光 产 物 ， 但 是 有 较 高 的 量子 产 额 , 这 可 能 是 由 于 oan hea 或 hx SABE 增加 所 造成 , 也 可 能 是 由 于 较 低 的 fas BR hax 值 所 致 , 还 可 能 是 这 两 种 变化 结合 在 一 起 的 结果 。 当然 ， 如 果 hex 值 减 小 从 而 使 和 /Cs 十 kx) 的 值 增加 ,也 可 以 产生 同样 的 结果 。 由 此 可 见 , 对 于 像 A 转 变 成 R 的 总 光 过 程 来 说 , 反应 活性 (在 这 各 情况 下 就 是 速率 常数 4) 的 正确 解释 就 需 要 测定 中 问 产 和 (A* 和 X) 的 产 额 。 近年 来 建立 了 许多 探测 中 间 过 程 的 方法 。 快速 光谱 技 A MIAH SM 2.6.2) 就 能 直接 观察 到 甚至 很 短 寿命 的 中 间 产 物 ,， 并 测 出 它们 的 产 额 和 寿命 。 通过 把 特定 的 敏 化 或 狂 灭 化 合 物 引 入 所 研究 的 系统 , 可 以 获悉 更 多 的 信息 。 RR 剂 是 阻 断 特定 中 间 产 物 的 化 合 物 ， 从 而 减 小 所 要 得 到 的 产物 的 产 额 。 -如果 已 知 猴 灭 作用 的 速率 ,那么 从 量子 产 额 的 减少 就 可 以 计算 出 中 间 产 物 的 到 应 速率 (参阅 2.5:3)。 敏 化 剂 是 能 够 增加 特定 中 间 产 物产 额 的 化 合 物 ， 这 种 中 间 产 物 通常 是 三 线 态 分 子 (参阅 3. 9);， 因此 增加 产物 的 产 额 。 敏 化 剂 还 可 以 完全 改变 一 个 光化学 系统 的 总 的 化 学 反应 过 程 。 要 点 重 述 : 一 个 总 的 光化学 反应 的 量子 产 额 是 一 个 度量 吸收 光 产 生 通 常 能 容易 测量 的 化 学 变化 的 效率 的 量 ， 同 时 也 是 一 个 用 作 表 征 反应 的 函数 参数 的 量 。 但 是 一 般 说 来 ,最 终 e 95 。 的 量子 产 额 和 光化学 反应 活性 (原初 光化学 过 程 的 速率 ) 之 间 并 不 存在 一 一 对 应 的 关系 。 导 致 高 反应 性 激发 态 分 子 的 所 有 阶段 的 效率 的 乘积 \ 原 初 过 程 的 效率 \ 以 及 在 原初 反应 和 最 终 产物 形成 之 间 发 生 的 所 有 阶段 的 效率 一 起 给 出 最 终 的 量子 产 额 。 为 了 预测 实验 条 件 的 某 些 改变 对 最 终 的 光化学 量子 产 额 于 会 有 什么 样 的 影响 ， 我 们 必须 考虑 这 种 改变 对 反应 序列 中 每 一 过 程 的 影响 。 为 了 预测 实验 条 件 某 些 改变 对 光 生 物 学 反 应 的 强度 (相对 于 光 的 注 量 ) 上 会 有 什么 样 的 影响 ， 我 们 还 必 须 考虑 这 种 改变 对 于 在 关键 光化学 产物 的 形成 和 生物 反应 的 出 现 之 间 发 生 的 每 个 相继 阶段 的 影响 。 3.7 fF FA OG ye 让 我 们 看 一 下 上 一 节 里 总 的 光化学 反应 A R， 并 进而 认为 在 所 研究 的 波长 范围 内 只 有 起 始 物质 A 能 吸收 激 发 光 。 再 假定 用 波长 的 单 色光 (很 小 的 带宽 ORR A, 用 波长 和 2 的 光照 射 同 样 的 样品 。 那 末 , 在 一 特定 的 强度 1, AER 射 时 间 友 情况 下 ， 波 长 九 的 光 产 生 的 产物 及 的 量 Ni 可 由 下 式 给 出 : N, = 1,t,0,[A]¢, ~ (3-43) 式 中 o, TERK 1, 处 A 的 吸收 截面 (此 量 正 比 于 摩尔 消光 系 Kero 是 该 反应 的 量子 产 额 。 当 然 ， 假定 被 样品 吸收 的 天 射 光 的 分 数 足 够 小 ,以致 于 所 有 的 A 分 子 所 “看 到 的 ” 是 相同 的 光 强 度 ， 还 要 假定 在 实验 过 程 中 只 有 一 部 分 可 以 忽 酷 不 计 的 起 始 物质 转化 成 为 产物 。 对 波长 入 的 光照 亦 有 类 似 的 情 况 : N, = 1,1,0,[A]¢2 (3-44) 如 果 这 样 进行 这 两 次 照射 ,使 Vi = Nz, OBR: » 96 «6 1,t,0,\6, = 1t,024, (3-45) 因而 ty, _- Dr _ 024, (3-46) SS eS Se i [.2, D, oid; sth D = It GARDEFIER). 比值 D/D; 是 在 所 述 条 件 下 引起 光化学 变化 的 波长 么 和 思 光 的 相对 效率 的 量度 。 我 们 可 以 测定 在 许多 波长 (具有 相同 的 带宽 ) 上 光 反 应 的 相对 效率 。 相 对 效率 对 波长 作 图 就 是 产生 有 的 作用 光谱 。 在 所 作 的 假定 下 , 作用 光谱 是 co ba) 的 相对 值 对 1 的 作 图 。 如 果 量 子 产 额 由 与 1 无 关 ， 则 作用 光谱 的 形状 与 cu 对 1 的 吸 收 光谱 相同 。 因此 ,作用 光谱 对 于 测定 在 光化学 或 光 生 物 过 程 中 光 吸 收 阶段 所 涉及 的 分 子 产物 可 能 是 一 个 重要 的 手段 。 像 量子 产 额 一 样 ， 作 用 光谱 提供 了 光 诱 发 过 程 的 一 个 重 ， 要 的 实验 表征 。 例如 ， 它 能 告诉 我 们 什么 样 的 光源 会 导致 最 有 效 的 结果 。 但 是 , 像 量 子 产 额 一 样 , 作用 光谱 可 以 给 出 关于 复杂 系统 中 的 分 子 机 制 的 有 用 信息 ,但 有 一 定 困 难 ;只 有 在 满 足 几 个 条 件 的 情况 下 ， 某 些 光 生物 反应 的 作用 光谱 才 真 正 代 表 关 键 发 色 团 的 吸收 光谱 。 这 些 条件 在 1.5.4 里 已 有 评述 。 尽管 差别 是 完全 可 能 的 (参阅 1.5.4), 但 是 仍 有 一 些 光 生 物 反应 的 作用 光谱 与 其 关键 组 分 的 吸收 光谱 非常 吻合 , 例如 ， 杀 死 几 种 微生物 的 作用 光谱 就 与 DNA- 的 吸收 光谱 吻合 。 对 许多 动物 来 说 ;其 视觉 反应 的 作用 光谱 都 和 其 视觉 色素 的 吸 收 光 谱 一 致 。 天 的 晒 开 反 应 (滞后 红斑 ) 的 作用 光谱 也 许 是 一 个 最 好 的 相反 的 例子 。 它 在 紫外 区 域 有 两 个 峰值 ,一 个 在 295nm, 一 个 在 255nm, 并 在 280nm 附近 有 一 最 小 值 (图 3-6) 。 某 些 作者 认为 对 DNA 的 光 损伤 在 晒 兽 反应 中 是 关键 的 一 步 。 这 就 导 出 了 把 栖 斑 作用 光谱 解释 为 DNA 的 吸收 光谱 《以 260nm 附 近 为 中 心 的 一 个 宽 谱 带 ) 和 蛋白 质 的 透射 光谱 以 280nm 附 s « 280 (b) DNA 从 7 240 260 300 A (am 图 3.6 (a) a ee a ee 应 的 作 -用 光 谱 ( 实 线 ); 在 地 球 表 面 上 的 典型 的 太阳 光谱 (点 线 ) 以 及 两 个 谱 的 乘积 或 称 效率 谱 ( 虚 线 ); (b)DNA 的 吸收 光谱 ( 实 线 ) 及 含有 芳香 氨基 酸 的 蛋白 质 的 透 射 光 谱 ( 虑 线 )。 在 光源 和 DNA 之 间 有 一 层 蛋 白质 的 情况 下 》 这 两 个 光谱 的 乘积 应 该 是 DNA 损伤 的 作用 光谱 。 这 个 乘积 的 谱 ( 未 画 出 类似 于 吓 亚 作用 光谱 。 近 为 中 心 的 一 个 窍 谱 带 ) 的 乘积 。 ee 的 蛋白 质 位 于 皮肤 的 角质 (最 上 上 ) 层 。 有 时 忘 该 考虑 作用 光谱 和 光源 (通常 是 天 阳光 谱 的 乘积: 机 这 种 乘积 谱 的 一 个 较 好 的 名 称 叫 做 效率 光谱 《由 F. Urbach 命名 )。 盯 斑 的 效率 光谱 (图 3-6) 在 308nm 附近 有 一 个 峰值 (参阅 7.3. 1)， 这 一 点 对 搞 阳 光 屏 蔽 的 天 来 说 是 非常 重要 的 3.8 光敏 化 作用 在 第 4 章 里 广泛 讨论 了 光敏 化 ， 特 别 是 关于 生物 系统 的 e 98 « 光敏 化 作用 5 这 儿 所 作 的 简要 论述 可 以 算 作为 一 个 序言 中 。 被 称 作 * 光 敏 化 作用 ”的 现象 是 各 种 各 样 的 。 光 敏 化 作用 的 一 个 定义 是 包罗 所 有 情况 的 :一 个 系统 中 某 一 成 分 (光敏 AH) 引起 该 系统 的 另 一 个 成 分 与 光 反 应 的 作用 。 这 种 反应 在 本 章 所 感 兴趣 的 情形 下 指 的 是 化 学 反应 。 一 般 说 来 , 人们 可 以 独立 地 研究 某 一 不 含 敏 化 剂 的 系统 ， 它 在 用 特定 波长 的 光照 射 时 并 不 呈现 所 感 兴趣 的 光化学 变 化 。 例 如 : (X,Y,Z) (%Y,Z) (ERM) G-47) 当 存在 敏 化 剂 (S) 时 ,就 会 发 生 光 化 学 反应 。 例 如 : (X,Y,Z,S) (X,Y,P,S). (被 敏 化 的 反应 Z- >P) © (3-48) 为 了 请 明光 化 化 作用 的 机 制 ， 人们 必须 测定 ; 四 敏 化 齐 是 否 吸 收 激发 光 ;@ 在 反应 中 是 否 消耗 了 敏 化 剂 ;@ 在 敏 化 作 用 中 是 否 可 能 涉及 到 电子 能 量 的 传递 ; @ 在 敏 化 作用 中 是 否 可 能 涉及 到 电子 的 传递 ;@ 分 子 氧 是 否 是 反应 系统 的 一 部 分 。 对 所 有 这 些 问 题 的 回答 是 比较 容易 由 实验 得 到 的 ， 当 然 得 假 定 该 系统 的 所 有 有 关 成 分 都 是 已 知 的 。 对 一 个 光敏 化 反应 来 说 , 详细 的 分 子 机 制 可 以 从 非常 简单 到 极其 复杂 , 而 对 以 上 所 提 五 个 问题 的 回答 仅 只 构成 比较 粗略 的 分 类 。 需 要 说 明 什 么 是 敏 化 剂 与 该 系统 的 关键 的 相互 作用 。 该 反应 的 作用 光谱 与 敏 化 剂 的 吸收 光谱 ( 记 住 在 1. 5. 4 中 所 讨论 的 那些 限制 ) 的 比 较 通常 回答 的 是 问题 @。 | 光敏 化 剂 的 作用 本 质 可 能 是 催化 作用 ， 也 就 是 说 它 迟 早 会 回 到 它 原 来 的 形式 并 再 起 敏 化 的 作用 。 Shek, ASB 化 学 家 只 把 那些 在 反应 中 不 消耗 的 敏 化 剂 叫做 敏 化 剂 然 而 ; 在 光 生 物 中 的 情况 并 非 如 此 。 巩 改 的 传递 也 许 给 出 敏 化 可 以 起 作用 而 不 被 消 耗 的 _- e 99 e 个 最 简单 的 作用 模式 。 涉 及 激发 传递 的 敏 化 作用 的 通常 模式 是 : Av ~— S$" (3-49) S Ss* + A — > S+ A* (3-50) A* —>'p (3-51) 或 : 2 . A* + B—> P’ , (3-52) 其 中 S$ 是 吸收 光 的 敏 化 剂 ，A 和 了 B 是 在 导致 产物 P 或 的 光 化 学 反应 阶段 中 的 反应 物 , 而 A 是 从 S* 接受 激发 的 适当 的 受 体 。 在 实际 工作 中 , 溶液 光化学 中 最 有 用 的 模式 都 涉及 到 敏 化 剂 的 三 线 态 。 在 没有 敏 化 剂 的 情况 下 可 能 没有 任何 反应 ， 这 是 因为 要 人 么 反应 物 不 吸收 光 , 要 么 即使 吸收 的 话 , 系 闻 湾 越 到 给 出 所 感 兴趣 的 反应 的 三 线 态 的 效率 也 只 是 很 低 的 。 通过 把 激发 能 从 一 个 适当 的 三 线 态 敏 化 剂 传递 给 基态 的 分 子 氧 (30,)( 三 线 态 能 量 这 23 kcal/mol, 此 能 量 是 激发 基态 氧 到 单线 态 所 需要 的 ) 可 以 最 有 效 地 产生 单线 态 氧 (4O;): 3g* 十 90, —> S 十 10， (3-53) 30, 和 :0O, VIMAR, RA AMORA ERR 发 产生 足够 浓度 的 !O;。 对 由 光谱 数据 得 到 的 电子 能 级 的 考虑 经 常 是 把 激发 传递 的 可 能 排除 掉 的 充分 依据 。 当 能 力学 上 是 合理 的 时 候 ， 作为 一 种 可 能 性 必须 芳 虑 到 激发 的 传递 。 在 敏 化 剂 和 系统 的 另 一 组 分 之 间 的 电子 传递 是 许多 敏 化 光 反 应 中 的 主要 过 程 : S* 十 A — > S+ 十 A- rior 或 : S* + A —> S 十 At (3-55) 由 万 柄 磺 酸 (A) a 1% HG Eee A « 100 。 = 5 ———————— ee — “ 聚 体 (T()T) 的 光 剪 切 如 下 1A * 一 一 > 3A* (3-56) A 3A* + TQ)T 一 > AW + TOTt — A -十 IT 十 IT —> A+2T 、 (3-57) 根据 基态 的 氧化 还 原 电 势 并 结合 在 传递 中 激发 配偶 ( 通 常 是 敏 化 剂 ) 的 激发 能 量 可 以 计算 电子 传递 的 能 力学 。 如 果 在 能 力学 上 是 不 允许 的 话 ， 通 常 就 可 以 有 把 握 地 排除 电子 传 递 的 考虑 。 但 是 , 如 果 能 力学 上 人 允许 的 话 , 也 不 是 发 生 电子 伟 递 的 充分 条 件 。 有 许多 这 样 的 光敏 化 反应 的 例子 ， 反 应 中 看 来 在 激发 的 敏 化 剂 和 底 物 之 间 形 成 了 一 种 复合 物 ( 激 发 复合 物 )。 这 些 反 应 是 通过 下 述 的 观测 来 表征 的 : 不 消耗 敏 化 剂 ， 从 能 力学 角 度 不 允许 激发 的 传递 , 底 物 发 生 的 化 学 反应 是 单 分 子 反应 , 即 重 排 反 应 , 而 且 看 来 不 涉及 任何 个 别 的 中 间 产 物 。 底 物 - 敏 化 剂 相互 作用 的 强度 和 性 质 看 来 变化 很 大 。 针 对 不 同 的 情况 把 ”复合 物 写作 (SA)#,(S:-As+)*,(S"+As-)*(S-A) ,它们 反应 了 从 激发 -共振 相互 作用 到 电荷 -传递 相互 作用 ， 最 后 到 形成 共 价 键 的 变化 范围 。 人 们 认为 由 芳香 烃 类 (如 蔡 ) 敏 化 的 从 降 冰 片 二 烯 变 为 四 环 烯 的 光 异 构 化 包含 一 个 激发 复合 的 中 间 产 物 ( 参 阅 2.5. 2)， 电荷 传递 在 这 个 中 间 产 物 里 很 重要 [反应 式 (3-58)]。 有 人 认 为 由 酮 敏 化 的 烯 类 的 光 异 构 化 可 能 涉及 酮 - 烯 共 价 键 式 的 中 间 产 物 , 这 种 敏 化 中 酮 的 激发 能 不 足以 引起 激发 的 传递 。 在 光 生物 学 和 医学 中 ， 光 敏 化 作用 的 定义 包括 在 所 感 兴 趣 的 反应 中 消耗 敏 化 剂 的 情况 。 通常 情况 下 , 敏 化 剂 本 不 是 系统 的 一 部 分 ， 但 当 有 意 或 无 意 地 把 它 引 入 ， 就 得 到 了 光 效 应 。 消 耗 敏 化 剂 的 光敏 化 作用 的 最 简单 的 情况 是 敏 化 剂 成 为 光 楷 学 反应 产物 的 一 部 分 。 例 如 , HRMS A (Psoralen) ss 1101 。 降 冰 片 二 烯 本 POSH JE AL AO ZAR AS BT AR fo eK ERS eR DNA 的 光 加 成 作用 (参阅 4.4.1 和 7.6.2.1). 如 果 敏 化 剂 参加 了 产生 一 种 催化 剂 的 原初 过 程 的 话 ， 那 它 的 消耗 就 可 能 是 不 明显 的 ， 因 为 消耗 少量 的 敏 化 剂 就 会 导 致 大 量 产 额 的 所 感 兴 趣 的 反应 。 例如 ,激发 的 敏 化 剂 可 以 通 过 各 种 各 样 的 途径 反应 而 形成 相当 长 寿命 的 自由 基 ， 这 些 自 由 基 可 以 引发 一 个 长 的 自由 基 链 反应 过 程 , 如 自 氧 化 过 程 。 让 我 们 用 一 个 简单 系统 中 光敏 化 的 例子 来 结束 这 一 节 的 Hit, 在 这 个 例子 里 光敏 化 剂 不 吸收 光 。 直接 照射 溶 于 乙醇 的 香 豆 素 产 生 顺 - 顺 光 二 聚 体 的 量子 产 额 很 低 。 这 种 二 聚 体 是 由 香 豆 素 的 单线 态 形成 的 。 在 苯 溶 液 中 则 没有 任何 二 聚 体 ”形成 。 把 少量 的 二 葵 甲 酮 加 入 香 豆 素 的 茶 或 乙醇 溶液 ,就 会 以 很 高 的 量子 产 额 产生 香 豆 素 的 反 - 顺 式 二 聚 体 , 即使 全 部 的 激发 光 都 被 香 豆 素 吸 收 也 是 如 此 。 反 - 顺 式 二 聚 体 是 由 香 豆 素 的 三 线 态 形成 的 ， 而 二 队 甲 酮 的 敏 化 效应 包含 着 由 两 步 能 量 传递 形成 香 豆 素 三 线 态 : 香 豆 素 单线 态 把 能 量 传递 给 二 茶 甲 酮 使 其 发 生 系 间 渡 越 ， 然 后 二 茶 甲 酮 的 三 线 态 又 将 激发 反 传 给 香 豆 素 。 从 这 个 例子 我 们 知道 , 即使 鉴别 了 一 个 复杂 系 统 的 光化学 产物 和 光 吸 收成 分 以 后 ， 也 有 可 能 忽略 了 某 一 重 要 的 控制 或 敏 化 成 分 3.9 ”小 结 除了 纯粹 对 光 吸 收 的 热效应 的 反应 外 ， 光 生物 反应 意味 102。 ¢ _—— ee ee ee eS ee ee eee 和 _— 着 吸收 的 光影 响 了 某 些 根本 的 化 学 变化 。 分 子 吸 收 一 个 光量 子 就 产生 一 休 电 子 激 发 的 分 子 。 激 发 的 分 子 在 短 时 间 内 (10 — 107s) 通过 儿 种 可 能 的 途径 弛 移 〈 放 出 其 多 余 的 电子 能 量 ) ,在 这 些 途 径 中 有 一 些 将 导致 化 学 上 不 同 于 起 始 分 村 的 基 态 分 子 。 光 以 这 种 方式 影响 的 化 学 反应 叫做 光化学 反应 。 由 于 电子 激发 的 分 子 的 弛 移 ， 最 直接 出 现 的 化 学 变化 叫 做 苦 初 光化学 过 程 。 原 初 光 化 学 过 程 的 产物 可 以 是 稳定 的 化 学 产物 。 但 是 , 大 多 数 原初 光化学 过 程 的 产物 是 具有 高 度 活 性 的 中 间 产 物 ( 如 自由 基 、 离 子 等 ), 它们 在 继 发 的 ( 热 的 ) 过 程 中 进一步 反应 。 光 化 学 系统 的 微 环 境 常 党 以 不 同 的 方式 影响 原初 光化学 反应 和 继 发 的 化 学 反应 。 因此 必须 记 住 , 在 模式 光 生 物 系 统 中 产生 某 些 最 终 产 物 的 总 效率 可 能 以 很 复杂 的 方 式 依赖 于 实验 条 件 上 的 变化 。 在 把 光化学 反应 与 光 生 物 反应 联系 起 来 时 我 们 必须 谨 慰 从事 随 着 对 原初 光化学 反应 和 继 发 的 化 学 反应 的 机 制 的 详尽 了 解 ;》 人 们 可 以 在 基础 的 光化学 水 平 上 找到 促进 \ 改 变 或 消除 光 生 物 学 反应 的 方法 。 3.10 & By (1) 抗菌 药物 卤化 水 杨 酰 替 蒜 胺 (例如 四 氧 水 杨 酰 替 共 Re) 能 够 引起 汪 后 过 敏 性 型 的 光 变 态 性 反应 。 过 敏 原 大 概 是 某 些 以 光化学 反应 产生 的 由 水 杨 酰 替 葵 胺 与 裁 休 蛋白 结合 PU SAK Pai BS AE HR e 103 。 é 组 成 的 化 合 物 。 具 有 不 同 数 目 和 类 型 ( 氯 或 省 ) 的 齿 素 取代 基 的 水 杨 酰 替 葵 胺 在 实验 动物 身上 导致 不 同 严重 程度 的 光 变 态 性 反应 。 尽 你 所 能 地 写 出 从 水 杨 酰 替 葵 胺 的 局 部 应 用 开始 的 一 系列 步骤 和 对 滞后 的 光 变 态 性 反应 的 观察 。 考 察 这 些 步骤 ”中 的 哪些 可 能 对 水 杨 酰 替 葵 胺 的 某 种 变化 敏感 。 提 出 旨 在 解 释 由 不 同 的 水 杨 酰 替 苯胺 引出 不 同 反应 的 一 项 研究 的 总 轮 廓 。 (已 有 人 提出 但 未 证 明 : 关键 的 原初 光化学 过 程 是 夜 素 BK EW REEF 0) (2) 用 313nm 的 光照 射 去 空气 的 茶 溶 液 时 ,2- 甲 氧 基 茶 会 发 生 光 二 聚 体 化 。 当 把 0.05M 的 二 葵 甲 酮 加 大 溶液 时 ,用 360nm 的 光 ( 只 被 二 葵 甲 酮 吸收 ) 或 是 用 313nm 的 光 (即使 在 有 二 茶 甲 酮 的 情况 下 甲 氧 基 茶 也 吸收 此 光 的 大 部 分 ) 照射 都 无 二 聚 体 形成 ;请 解释 之 。( 提 示 : 2- 甲 氧 基 莹 的 最 低 激 发 单 线 态 和 三 线 态 的 能 量 分 别 约 为 95 和 60 kcal/mol, 对 于 二 茶 甲 酮 则 分 别 为 85 和 70 kcal/mol.) CAH RIF 沈 HAR) © 1946 4.1 4.2 4 RULER John D. Spikes 《犹他 大 学 生物 系 ) 言 106 包含 分 子 氧 的 光敏 化 反应 机 制 ………> 1 107 4.2.1， 敏 化 剂 分 子 的 激发 态 veereeteece seen teereeereteeee 107 4.2.2 自由 基 的 光 氧 化 .pe 108 4.2.3 单线 态 氧 的 光 氧 化 OW es cerecceersccescesescrsecccees 109 4.2.4 光 动 力 敏 化 剂 pp 110 包含 分 子 氧 的 生物 光 氧 化 ( 光 动 力作 用 7 veeeereer eee 114 4.3.1 醇 类 和 碳水 化 合 物 .pe 114 3S Pate Ay BoE «tool ae “114 4.3.3 氨基 酸 和 蛋白质 .pe 115 4.3.4 WW RUE FBR wees cece ee eee eeeeneteneeseneeeens 116 4.3.5 病毒 .pe 117 BEG HL ARK SE sere spnohosaopta renee aeetph tezeddene 119 4:3.7， 细 胞 和 单 细胞 生物 error 120 ii 122 (4.3.9 多 细胞 动物 pe 122 4.3.10 “天 生 的 ”光敏 感性 ee 125 4.3.11 FEL SERAC FAI cece cer eereceerececsceeseeceeces 126 4.3.12 食物 的 光 变 质 pe 127 不 包含 分 子 氧 的 光敏 化 反应 pe 128 4.4.1 PRU FEDER ee 二 128 4.4.2 其 他 光敏 化 反应 corveeecececeeeceneeerenceerensesees 131 4.1 Fe 言 作为 对 光敏 化 专题 的 介绍 在 第 3 章 的 3.8 已 经 给 出 了 光 敏 化 作用 的 概貌 ,本 章 的 论述 着 重 在 生物 系统 的 光敏 化 作用 。 大 多 数 细胞 对 可 见 光 的 直接 效应 是 不 那么 敏感 的 ， 因 为 它们 的 主要 有 机 组 分 在 此 波长 范围 内 没有 明显 吸收 。 但 是 , 在 有 适当 的 光敏 化 剂 存在 时 ,有 机 体 \ 细 胞 及 许多 类 型 的 在 生物 上 有 重要 意义 的 分 子 都 可 以 受到 可 见 光 的 损伤 和 破坏 。 细 胞 可 能 由 于 对 某 些 细胞 器 的 选择 性 光化学 效应 而 被 杀 死 ;对 细胞 器 的 损伤 是 由 于 该 细胞 器 内 大 分 子 的 选择 性 变化 造成 的 ， 而 这 些 大 分 子 的 变化 又 是 由 于 对 它 的 某 些 亚 单元 的 选择 性 损伤 引起 的 。 因 此 ,在 生物 学 中 光敏 化 作用 的 研究 范围 极 广 ,从 敏 化 剂 激发 态 分 子 的 光化学 研究 直到 哺乳 动物 的 光敏 化 致死 。 虽然 我 们 现在 知道 人 们 必然 很 早 就 观察 到 了 光敏 化 现 象 目 ， 但 我 们 通常 还 是 认为 光 生 物 学 的 这 一 领域 是 从 Oscar Raab 的 工作 开始 的 ,他 当时 是 莫 尼 黑 的 医科 学 生 。 他 曾 证 明 哇 啶 敏 化 可 见 光 杀 死 草 履 虫 的 事实 ; 这 一 工作 发 表 于 1900 年 。 这 些 年 来 在 这 一 领域 又 做 了 大 量 的 研究 。 除 了 作为 一 种 光 生 物 学 现象 它 所 具有 的 基本 意义 外 ， 光 敏 化 反应 的 研究 在 近年 来 显示 出 了 较 大 的 重要 性 ， 因 为 大 量 的 各 种 各 样 的 化 学 药物 在 医学 \ 工 业 、 农业 及 家 庭 中 的 应 用 迅速 扩大 ， 其 中 就 有 许多 是 敏 化 光 对 人 的 损害 的 。 在 大 多 数 光敏 化 反应 中 ， 涉及 的 光 能 是 被 敏 化 齐 分 子 吸 收 的 ,而 不 是 被 受 影响 的 生物 系统 所 吸收 。 在 敏 化 作用 研究 中 一 般 是 用 波长 大 于 320nm 的 光 , 因 为 生物 学 上 重要 的 分 子 ， s。 106 。 包括 蛋白 质 、 核 酸 ,只 在 较 短 波长 上 有 吸收 。 在 生物 学 文献 中 常 把 光敏 化 剂 称 作 “ 染 料 ”， 尽 管 许多 光敏 化 剂 实际 上 并 非 染 料 。 要 起 到 光敏 化 剂 的 作用 ， 一 个 分 子 必 须 不 仅 能 吸收 所 涉 及 的 波长 的 光 ; 而 且 正如 在 后 面 我 们 将 会 看 到 的 那样 ,一 般 说 来 它 必 须 能 被 光 激 发 到 一 长 寿命 的 高 能 形式 , 即 三 线 态 (参阅 2.3.5)。 许 多 种 天 然 的 和 估 工 合成 的 分 子 可 以 充当 光敏 化 剂 。 人 们 研究 过 的 大 多 数 生物 系统 中 的 光敏 化 反应 都 有 分 子 氧 的 参加 , 也 就 是 说 这 些 生物 系统 被 光 氧 化 过 程 所 敏 化 。 生 物 系 统 中 的 这 种 反应 常 被 称 做 “ 光 动 力作 用 ”或 “ 光 动 力 反 应 ?9 9, 在 这 一 类 型 的 反应 中 ; 敏 化 剂 往往 并 不 消耗 或 破坏 ， 而 有 点 像 催 化 剂 那样 被 反复 不 断 地 使 用 。 反 之 ,有 儿 种 类 型 的 敏 化 剂 , 例如 陵 哺 在 豆 素 ,在 它们 的 作用 中 不 需要 分 子 氧 ; 同 时 在 反应 中 可 能 有 消耗 。 BAD FAN ICBC MBL illo PI Se MAB BR HG 1 LIER SD PH FM 态 。 受 激 人 发 的 敏 化 剂 可 以 直接 与 底 物 (在 反应 中 被 改变 的 分 子 ) 或 者 与 反应 混合 物 中 的 某 种 其 他 分 子 反应 ， 给 出 的 产物 再 与 底 物 反 Mo 许多 敏 化 反应 相当 复杂 ，, 并 涉及 两 个 或 多 个 反应 途径 的 竞争 。 4.2.1 敏 化 剂 分 子 的 激发 态 正如 在 3. 8 节 所 讨论 的 , 光 动 力 反 应 涉及 到 敏 化 剂 分 子 的 电子 激发 态 。 在 暗 条 件 下 ， 敏 化 剂 分 子 处 于 所 谓 基态 S,, 由 于 吸收 一 个 光子 ， 敏 化 剂 分 子 从 基态 跃迁 到 一 个 短 寿 命 的 《10 一 10“s) REM AA, BNR BRAS. RA RH 光 动 力 敏 化 剂 会 接着 以 很 高 的 效率 “ 渡 越 ”到 一 个 长 寿命 的 e 107。 (10- 一 10s) RRA, 即 三 线 态 3%。 由 于 它 的 寿命 较 长 ,三 线 态 敏 化 剂 在 其 衰变 回 到 基态 之 前 有 很 多 机 会 与 其 他 分 子 相互 作用 。 因 此 ， 一 般 说 来 ， 光 敏 化 的 氧化 作用 都 要 经 由 敏 化 齐 的 三 线 态 。 这 些 反应 大 致 表示 如 下 : So s (4-1) 1S 一 > S, (4-2) 1S 一 -> 35 (4-3) *S —> 光敏 化 反应 © (4-4) 如 我 们 所 看 到 的 ,So 吸收 一 个 光子 hv, HI WG-1) 4 S328 可 以 通过 反应 式 (4-2) 误 变 回 到 基态 ;或 通过 反应 式 ( 短 3) 滤 越 而 给 出 三 线 态 `*S。 三 线 态 敏 化 剂 可 以 通过 氧 原子 或 电 Fee WEES IR = BE = 氧化 还 原 反应 ) 或 者 能 量 传递 过 程 ( 称 作 第 II 类 反应 ) 与 它 周 围 的 分 子 发 生 原 初 反 应 [反应 式 4(4-47)]。 在 下 面 两 节 中 将 对 这 两 种 过 程 加 以 说 明 。 三 线 态 敏 化 剂 可 以 按 反应 式 (4-5) 衰 变 回 到 基态 ;也 可 以 借助 某 些 化 合 物 (物理 狂 熄 剂 Q) 转 变 为 基态 ,如 反应 式 44-6) 所 示 : 让 (4-5) 2 十 Q 一 5 十 Qa5 (4-6) 4.2.2 自由 基 的 光 氧 化 三 线 态 敏 化 剂 分 子 通过 电子 传递 过 程 可 以 直接 与 某 种 底 物 分 子 A 反 应 ,给 出 该 敏 化 剂 的 一 种 半 还 原形 式 Ss 和 该 底 物 的 一 种 半 氧 化 形式 A+ [反应 式 (4-7)]; 后 面 这 两 种 产物 是 自 由 基 。 半 氧化 的 底 物 经 由 反应 式 (4-8) 可 以 与 分 子 氧 反 应 ,给 出 一 个 全 氧化 的 产物 Aox: 35 + A (JR) > S> + At (4-7) At 十 BO) — Aox (4-8) 也 可 能 有 一 些 别 的 没有 给 出 的 反应 巴 , 其 中 包括 链 式 反应 。 由 es 108 。 举 还 原形 式 通 过 与 氧 的 反应 可 以 重新 生成 基态 敏 化 剂 [反应 ” 式 (4-9)]; 在 这 个 过 程 中 能 够 产生 超 氧 化 物 自由 基 O7 ,并 通过 反应 式 (4-10) 再 氧化 该 系统 中 的 另 一 种 分 子 。 通 过 三 线 态 敏 化 剂 和 基态 氧 之 间 的 电子 传递 也 可 以 产生 超 氧 化 物 ; 这 个 反 应 的 另 一 个 产物 是 敏 化 剂 的 半 和 氧化 形式 S* [反应 式 (4-117]; 这 个 过 程 一 般 来 讲 效率 是 相当 低 的 ， 由 敏 化 剂 的 半 氧 化 形式 可 以 重新 生成 基态 人 敏 化 剂 , 如 反应 式 (4-12) 所 示 , 而 超 氧 化 物 自由 基 可 以 氧化 某 些 底 物 , 如 反应 式 (4-10) 所 示 : S + O,— S) + OF (4-9) OF + A— Aox (4-10) 3§ + 90, > St + OF (4-11) St+A—>S,+ At (4-12) 通过 第 工 AS EAT RET A — TS GY 1 de WSCA, FESO Be, = AS BUCH IE A A —OH 基 团 中 抽 提 出 来 ， 然 后 丙 醇 目 由 基 生 成 丙酮 ， 而 敏 化 剂 目 由 基 与 氧 反 应 ， 最 后 给 出 基态 敏 化 剂 和 过 氧化 氮 。 如 果 在 有 黄 素 存在 的 情况 下 照射 蛋氨酸 ， 则 三 线 态 黄 素 从 该 氨基 酸 的 硫 原子 上 拉 出 一 个 电子 ; 所 产生 的 蛋 氮 酸 自由 基 发 生 脱 氨基 和 脱羧 基 反 应 给 出 甲 硫 丙 醋 (8-methylmercaptopropionaldehyde)o 然后 黄 素 自 由 基 参 与 一 系列 的 给 出 基态 黄 素 和 过 氧化 氮 的 反 应 。 在 这 两 个 例子 中 ,基态 染料 再 生 , 而 后 又 可 参加 另 一 个 底 物 分 子 的 光 氧 化 。 某 些 光敏 化 剂 ,包括 草 柄 染料 和 酮 类 ,趋向 于 通过 第 工 类 过 程 进 行 敏 化 ; 容易 还 原 的 化 合 物 ， 如 胺 和 了 酚 ， 都 是 适宜 第 I 类 反应 的 底 物 。 4.2.3 单线 态 氧 的 光 氧 化 最 常见 的 第 开 类 过 程 (能 量 传递 ) 是 三 线 态 敏 化 剂 与 基态 氧 ( 它 也 处 于 三 线 态 ) 的 相互 作用 。 这 一 过 程 的 主要 途径 表示 。 109° fa Bae FRM (4-13), BAHEASULTIM REED BRAS *On1 . 35 + 90, > S, +0, s (4-13) 10, + A — Aox : (4-14) 单线 态 氧 可 以 以 两 种 激发 态 存在 ; Hh a, RAR 长 的 寿命 ， 它 显然 是 光 动 力 反 应 中 涉及 到 的 主要 的 一 种 单线 态 氧 。 单 线 态 氧 比 基 态 氧 活泼 得 多 , 它 可 以 与 各 种 各 样 的 底 物 作用 而 给 出 底 物 的 全 氧化 形式 [反应 式 (4-14)]。 敏 化 剂 如 : NY We APU, EMS (ABST Y、 玫 瑰 红 等 ) 以 及 唆 嗪 ( 亚 甲 蓝 、 劳 氏 紫 等 ), 能 给 出 较 高 产 额 的 单线 态 氧 ， 从 而 通过 这 一 途径 敏 化 反应 。 单线 态 氧 的 途径 在 光 动 力 反应 中 是 很 普遍 的 。 许 多 技术 可 以 用 来 确定 一 个 特定 的 敏 化 剂 是 不 是 经 由 单线 态 氧 的 机 制 进行 光 氧 化 的 。 例 如 ,单线 态 氧 的 寿命 在 重水 (DO) 中 是 20 微 秒 左 右 , 相 比 之 下 在 普通 水 (HO) 中 只 有 2 微 秒 。 Alt, H— 光 动 力 反应 , WARIS, WIRE DO 中 进行 比 在 于 0 中 进 行 时 其 速率 增 大 ， 就 可 以 充分 证 明光 氧化 作用 是 通过 单线 态 氧 作 为 媒介 的 。 另 一 个 技术 是 加 入 一 种 能 高 效 狂 灭 单线 态 氧 的 化 合 物 ， 例 如 倒 氮 钠 ,检查 它 对 反应 速率 的 影响 , MORI AS 起 的 反应 的 速率 由 于 加 入 登 气 钠 而 急剧 降低 ， 那 委 这 就 是 对 单线 态 氧 机 制 的 很 好 的 证 据 59。 必须 着 重 指出 ， 在 敏 化 的 光 氧 化 中 所 包含 的 特定 的 反应 途径 有 赖 于 敏 化 剂 . 底 物 及 反应 条 件 。 在 多 数 情况 下 , 光 氧 化 可 以 通过 不 只 一 个 途径 进行 ,因此 ,总 的 过 程 可 能 比 前 面 反应 式 中 所 表示 的 要 复杂 得 多 。 4.2.4 光 动 力 敏 化 剂 已 经 报道 了 很 多 种 化 合 物 能 提高 生物 系统 对 光 的 敏感 110。 ET ear ee io ; Wome m TNS ts 所 me 多 be 性 。 在 最 新 的 汇编 中 列举 了 400 种 以 上 (参阅 参考 文献 7 第 11 页 ) ,而 且 必 然 还 会 有 很 多 很 多 种 。 图 4-1 给 出 若干 有 代表 性 的 光 动 力 敏 化 剂 的 结构 式 ; 可 以 看 到 大 多 数 是 三 杂 环 化 合 物 。 几 乎 所 有 的 起 光敏 化 作用 的 染料 都 是 发 荧光 的 ,但 是 荧光 本 身 并 不 涉及 光敏 化 作用 。 重 要 的 因素 是 染料 三 线 态 的 寿命 和 形成 三 线 态 的 效率 。 正如 表 4-1 所 示 , 对 于 胰 蛋 白 酶 的 光 动力 钝 化 而 言 ， 荧 光 素 衍生 物 的 光 动 力 效率 正比 于 形成 三 线 态 的 量子 产 额 。 对 诸如 氨基 酸 和 蛋白 质 那样 的 许多 底 物 来 说 ， 自 由 染料 ”就 是 有 效 的 光敏 化 剂 , 但 是 对 于 核酸 和 病毒 来 说 ,为 了 有 效 的 光 氧 化 ,染料 往往 必须 与 底 物 结合 。 在 细胞 和 组 织 中 ,大 多 数 有 光敏 化 作用 的 染料 可 能 是 与 细胞 的 特定 结构 结合 或 紧密 连 接 在 一 起 的 。 结合 常常 会 改变 光敏 化 剂 的 光 动 力 效率 ， 在 一 些 航 端 情况 下 ， 一 个 好 的 敏 化 剂 处 于 结合 状态 可 能 会 丧失 其 全 部 活性 ,同时 也 存在 一 些 这 样 的 情况 , 某 一 化 合 物 在 溶液 中 是 无 活性 的 ,而 处 在 结合 状态 则 变 成 光敏 化 剂 。 因此 ,在 一 个 系统 中 致 敏 的 染料 在 其 他 系统 中 并 不 总 是 有 效 的 。 (BR. 靛 酚 、 酮 亚 胺 染料 . 甲 川 染 料 、 硝 基 染 料 、 亚 而 基 染 料 、 咀 唑 染料 、 唆 唾 染 料 以 及 三 芳 基 甲烷 染料 (参阅 文献 17 中 的 结构 ) 一 般 并 不 敏 化 像 蛋白 质 这 样 的 底 物 。 对 蛋白 质 起 作用 的 光 动 力 染料 包括 如 下 几 类 化 合 物 的 代表 : «my me CY mete, — ANY eS). 草 柄 、 咱 嗪 (例如 藏 红 素 )、 黄 素 ( 核 黄 素 、 黄 素 单 核 背 酸 、 光 黄 素 ， 但 黄 素 腺 味 叭 二 核 昔 酸 不 在 此 列 )、 嘎 啉 (包括 叶 绿 素 及 其 某 些 衍生 物 、 血 叶 啉 \ 原 中 啉 等 ;但 不 包括 含 铁 或 其 他 顺 磁 金 属 原子 的 叶 啉 )、 叶 嗪 ( 劳 氏 紫 、 亚 甲 蓝 , 甲 茶 胺 蓝 等 )\ 硫 代 焦 宁 以 及 氧 杂 荐 (特别 是 荧光 素 ,包括 曙 . 红 Y、 玫 瑰 红 等 )。 最 近 发 现 某 些 金属 如 钉 的 配 位 化 合 物 是 所 基 酸 和 和 蛋白质 的 很 好 的 光敏 化 剂 。 对 于 核酸 来 说 , 碱 性 染料 如 se。 111。 | | a nA NG as " NS LSPS hosed ( ¥ z ae = a png NE 4 SN RCO IN ft een os | an So YY 时 绿 醇 叶绿素 a (ff. 56K OH O OH CH,OH | | | PON FS Ss 和 / \ H,C OH n 基站 大 二 3 ako fi Gin Eaee 次 AN Ss ay SAS hie iJ 海棠 素 核 黄 素 H | SC CH; ep ONE, CH; CH, a | LO 和 BY Wie FE phe WR jcoo- Pe: coor L J al , | i RELY 玫瑰 红 © 112° (CH) NA ARR TO $9 H weft (CH,),N ry" Ste A / NCH: KJ 亚 ai | ee Ne YN oF H RT Y Al4-1 选 出 的 一 些 光 动力 敏 化 剂 的 结构 。 叶绿素 a 和 血 中 朵 是 典型 的 叶 呆 类 敏 化 剂 ;结构 式 中 的 E, M, P, 及 V 分 别 代 表 乙 基 , 甲 基 \ 丙 酸 及 乙烯 基 。 海 繁 素 是 一 多 环 碳 氢化 合 物 。 以 RICA EA EMA TAS SUCH > 包括 曙 红 Y( 四 省 奖 光 素 ) 和 玫瑰 红 ( 四 和 氧 四 碘 荧 光 素 )。 虽 然 在 此 列举 的 最 后 三 种 敏 化 剂 具 有 很 相似 的 结构 * 但 它们 在 敏 化 能 力 上 却 有 很 大 差别 ， 其 中 硫 代 焦 宁 最 有 效 , 亚 甲 蓝 很 低 ? 而 焦 宁 YY 几乎 没有 活性 。 R41 有 取代 基 的 荧光 素 敏 化 剂 的 光 动 力 效率 ae vig ee x itl br or 中 ppA # ot x 0.92 0.05 0.00017 CRICK) POR RICH 0.19 0.71 0.0021 (Bar Y) PO Fh et 0.82 .<-. 1.07 0.003 (gree ZT B) a. 由 F 是 荧光 发 射 的 量子 产 额 }$%r 是 产生 三 线 态 的 量子 产 额 ; bron 是 对 胰 蛋 白 酶 的 光 动 力 印 化 的 量子 产 额 。 转 引 自 M. J. Wade Jj. D. Spikes, Photochem. Photobiol. 14，221 一 274 (1971), 亚 甲 蓝 和 硫 代 焦 宁 常常 是 最 有 效 的 光敏 化 剂 》 黄 素 和 咋 啶 也 相当 有 效 。 在 细胞 里 , 致 敏 染 料 必须 能 渗 人 细胞 结构 的 敏感 区 才 是 有 效 的 ,即使 对 这 种 兴 透 能 力作 了 校正 ,不 同 敏 化 剂 的 光 动 力 效率 也 是 变化 很 大 的 。 例如 , 在 有 硫 代 焦 宁 存 在 的 情 况 下 光照 大 肠 杆菌 ,大 肠 杆 菌 迅速 被 杀 死 ;但 是 用 亚 甲 蓝 时 杀 ANWR, MARTY RRR 〈 人 参阅 参 考 文献 7 第 107 页 ) ,尽管 这 三 种 染料 有 很 相似 的 结构 (参阅 图 4-1)。 43 包含 分 子 氧 的 生物 光 氧 化 ( 光 动力 作用 ) 4.3.1 酵 类 和 碳水 化 合 物 人 们 以 醇 作 为 一 种 模式 化 合 物 研究 了 碳水 化 合 物 的 敏 化 的 光 氧 化 。 在 光照 时 , 砷 柄 和 酮 类 敏 化 剂 从 醇 的 w- TE APE 一 个 氢 原 子 , 给 出 醇 的 一 个 自由 基 形 式 ;对 伯 醇 来 说 这 种 自由 基 与 分 子 氧 反 应 生成 醛 或 凑 酸 ,而 在 仲 醇 的 情况 则 生成 酮 o 已 糖 醇 在 有 这 些 敏 化 剂 时 的 光 氧 化 给 出 相应 的 己 糖 ， 并 慢 慢 地 给 出 相应 的 己 糖 酸 '。 由 于 多 糖 纤维 素 在 纺织 工业 申 的 重要 性 ， 因 而 用 它 进 行 了 大 量 关 于 碳水 化 合 物 的 敏 化 的 光 氧 化 的 研究 。 从 机 制 土 看 , 像 在 醇 类 的 情况 一 样 ; 纤 维 素 的 光 氧 化 也 .是 经 由 夺 氢 途径 进行 的 ; 而 纤维 素 不 会 被 单线 态 氧 大 量 氧 AO), 在 有 分 子 氧 和 若干 不 同 敏 化 剂 存在 的 情况 下 光照 时 ， 动物 粘 多 糖 透明 质 酸 可 彼 解 聚 ， 1 的 pB。 4.3.2 脂肪 酸 和 脂 类 人 们 用 各 种 敏 化 剂 使 未 饱和 的 脂肪 酸 光 氧化 ?用 承 仆 啉 了 IX( 一 种 单线 态 氧 敏 化 剂 ) 使 硬 脂 酸 甲 酯 、 油 酸 \ 亚 铀 酸 及 化 生 四 烯 酸 发 生 光 氧化 。 光 氧化 的 速率 常数 从 硬 脂 酸 到 花生 四 和 烦 © 114.6 酸 酯 以 正比 于 每 一 个 分 子 中 双 键 的 数目 的 方式 增加 cu。 在 某 些 情况 下 ,; 细胞 水 平 上 的 光 动力 损伤 可 能 涉及 到 膜 脂 和 磷脂 中 脂肪 酸 链 的 光 氧 化 s 4.3.3 SiBaea Ro . ERIDEMAEALAKA, RENT EARLE Se ATR He HR HS ie HRS ATE a URE, 寡 肽 及 各 种 蛋白 质 的 光 动力 效应 的 机 制 进行 了 大 量 的 研究 s 已 经 研究 过 的 有 100 种 以 上 的 纯化 的 蛋 自 质 中 。 在 有 代表 性 的 蛋白 质 中 存在 约 20 种 不 同 的 氨基 酸 ; 其 中 只 有 五 种 一 般 能 够 接受 敏 化 的 光 氧 化 ,它们 是 半 胱 氨 酸 、 组 氨 酸 、 和 蛋氨酸 ` 色 氨 酸 和 酷 氮 酸 。 自 由 氨基 酸 的 光 氧 化 速率 取决 FRG, WH, PH 及 包括 氧 在 内 的 反应 物 的 浓度 。 通过 改变 染料 和 反应 条 件 , 可 以 选择 性 地 光 氧 化 一 些 氨基 酸 ,例如 组 氮 酸 只 在 pH6 以 上 才 光 氧化 , 这 时 咪唑 环 上 的 氮 是 离子 化 的 ; 栈 氨 酸 光 氧 化 最 迅速 是 在 pHI10 DLE; 这 时 酚 基 是 离子 化 的 225 在 大 多 数 情况 下 大 们 对 氨基 酸 光 氧化 的 有 机 化 学 ( 振 初 产物 、 中 间 产 物 、 最 终 产 物 ) 了 解 得 很 差 。 用 亚 甲 蓝 , 前 黄 素 及 玫瑰 红 时 ,蛋氨酸 光 氧 化 的 最 终 产 物 是 蛋氨酸 亚 硕 ; 其 中 包 舍 单 线 态 氧 机 制 s 相反 ,用 黄 素 敏 化 剂 时 ,主要 的 终 产 物 是 甲 硫 氨 醇 ,这 种 情况 下 涉及 到 夺 电 子 机 制 2a。 用 亚 甲 蓝 时 , 色 所 酸 给 出 两 类 光 氧 化 产物 ,它们 是 犬 尿 素 和 黑 素 类 。 用 结晶 紫 时 半 胱 氨 酸 被 光 氧 化 为 磺 基 丙 氨 酸 。 组 氢 酸 和 酷 氨 酸 在 光 氧 化 时 产生 很 多 种 产物 Ca。 基本 上 所 有 的 蛋白 质 都 容易 光 氧 化 。 在 有 光敏 化 剂 存在 的 情况 下 光照 蛋白 质 ; 氧 被 消耗 而 氨基 酸 残 基 被 破坏 sf BA 质 内 的 二 硫 键 和 肽 键 一 般 不 会 因 光 氧 化 而 断裂 - 其 化 学 变化 涉及 五 种 敏感 氨基 酸 的 侧 链 ca。 正 如 在 自由 氨基 酸 的 情况 一 © 115° 样 , 蛋白 质 的 光 氧 化 速率 取决 于 敏 化 剂 和 反应 条 件 。 ie 讲 , 如 果 蛋 白质 中 某 一 氨基 酸 残 基 能 被 迅速 光 氧 化 , 那 就 说 明 它们 是 “暴露 于 蛋白 质 分 子 的 表面 。 其 他 的 残 基 破 坏 很 慢 或 完全 不 受 破坏 ， 说 明 由 于 它们 被 < 埋 ” 在 蛋白 质 的 三 维 结构 内 而 受到 不 同 程度 的 保护 20。 在 光 氧 化 时 蛋白 质 内 发 生 着 若干 物理 化 学 变化 ,它们 包括 在 紫外 线 吸 收 、 扩 散 和 沉降 特性 、 受 蛋白 酶 的 消化 能 力 、 电泳 迁移 率 、 热 敏感 性 、 光 散射 特性 、 旋 光 \ 溶 解 度 、 表 面 张力 \ 粘 度 \, 机 械 特 性 等 方面 的 变化 色 。 光 动 力 反应 一 般 来 讲 改 变 了 和 蛋白质 的 生物 学 特性 。 研 究 最 多 的 一 种 改变 是 光 氧 化 时 酶 的 催化 活性 的 进行 性 丧失 ， 钝 化 的 量子 产 额 在 0.001 量 级 ， 大 大 小 于 对 于 自由 氨基 酸 的 产 额 。 钝 化 可 以 通过 两 种 机 制 产 生 : 一 种 是 直接 的 , 即 破坏 分 子 活性 部 位 的 氨基 酸 残 基 ,一 种 是 间接 的 , 即 破坏 为 酶 的 活性 构 象 所 必需 的 那些 残 基 。 同样 , 钝 化 机 制 取 决 于 敏 化 剂 和 反应 条 件 。 光 氧化 还 可 以 在 蛋白 质 中 引起 其 他 类 型 的 生物 学 变化 ， 包括 蛋白 质 激素 例如 胰岛 素 的 活性 丧失 ; 抗原 特性 和 抗体 反 应 活性 上 的 变化 , 蛇 的 毒液 和 细菌 毒素 的 毒性 疏失 等 等 四 。 4.3.4 God weoe sn ee? 用 大 多 数 致 敏 染料 对 目 由 碱 基 、 et 表明 , SERRA EWE pH ~ 8 的 条 件 下 光 和 氧化 最 迅速 ， 胸腺 旷 啶 衍生 物 就 缓慢 多 了 ,而 腺 早 吟 , 胞 喀 喧 和 承 喀 啶 的 衍 生物 则 基本 上 不 受 影 响 。 在 更 高 的 pH (AF, SRD 1-N 原子 上 解 离 出 一 个 质子 ， 使 它 对 光 氧 化 的 敏感 性 迅速 增 加 ;这 说 明 鸟 味 叭 阴离子 比 中 性 分 子 敏 感 得 多 "”。 对 叮 叭 和 喀 啶 敏 化 的 光 氧 化 化 学 人 们 了 解 的 不 多 。 在 光 氧 化 时 乌 叮 叭 及 其 衍生 物 的 环 都 被 破坏 ; POR RSM, CoB PR. CO, 及 一 系列 尚未 鉴别 出 的 产物 7, 对 由 敏 化 的 光 氧 *。 116 。 化 得 到 的 产物 与 由 单线 态 氧 氧化 得 到 的 产物 (所 用 单线 态 氧 是 以 化 学 方法 和 射频 放电 产生 的 ) 加 以 比较 说 明 , 在 岛 萌 及 其 有 关 化 合 物 的 敏 化 的 光 氧 化 中 涉及 到 单线 态 氧 和 自由 基 这 两 PALE, 与 大 多 数 敏 化 剂 的 结果 相反 , 黄 素 敏 化 腺 味 叭 及 其 核 背 酸 的 快速 光 氧 化 2a。 ”在 有 各 种 各 样 的 染料 存在 的 情况 下 光照 时 ， 在 离 体 和 在 细胞 内 的 DNA 上 都 是 鸟 味 叭 残 基 被 选择 性 地 破坏 。 虽 然 染 料 与 底 物 的 结合 并 不 是 很 多 光 动 力 过 程 所 必需 的 ， 但 看 来 敏 化 剂 与 核酸 的 结合 常 可 增加 光 动 力作 用 的 效率 呈 。 光 氧化 导致 DNA 特性 上 的 一 系列 变化 , 包括 熔 解 温度 降低 、 粘 度 降 低 ( 由 FETE TOURS GRRE, 这 样 的 化 学 变化 改变 子 核酸 的 生物 活性 。 例 如 ,烟草 花 时 病毒 RNA 的 感染 能 力 以 及 细菌 DNA 转化 原理 里 的 转化 能 力 被 破坏 兄 ; 正如 后 边 将 要 讨论 的 , 光 动 力 处 理 将 在 病毒 和 细胞 内 产生 突变 。- 最 后 , 光 动 力 处 理 还 会 降低 从 细菌 提取 DNA 的 能 力 ; 这 是 由 于 DNA 与 蛋 自 质 的 光化学 交 联 造成 的 ， 这 样 的 交 联 也 会 在 离 体 条 件 下 出 现 26。 4.3.5 FRB. ,B,27,281 在 光 动 力 研究 中 所 使 用 的 第 一 类 病毒 是 哗 菌 体 。 致 敏 染 料 渗 人 只 菌 体内 是 决定 光 动 力作 用 敏感 性 的 一 个 重要 因素 。 例如 奇 工 因 也 大肠 杆 菌 噬菌体 对 光 动 力 处 理 很 敏感 ， 而 偶 工 因子 大 肠 杆 茵 噬菌体 则 是 抗 性 的 ; 这 一 差别 是 由 于 染料 透 过 偶 工 因子 上 茵 体 的 蛋白 质 头 膜 速率 很 慢 所 造成 的 (参阅 参考 文献 7 第 297 页 )。 WER A AH AT DL RR A 白质 ,核酸 的 损伤 是 更 为 重要 的 因素 ;正如 在 自 出 核酸 情况 那 样 , 光 动 力 处 理 时 首先 是 破坏 完好 噬菌体 DNA AY 基 在 强烈 的 光 动力 处 理 之 后 观察 到 在 多 到 核 音 酸 链 上 的 许 © 117. 多 断裂 ， 以 及 DNA 片断 与 噬菌体 蛋白 质 外 壳 的 交 联 Za。 用 光 动 力 处 理 过 的 叹 菌 体 在 具有 重组 和 切除 修复 能 力 的 宿主 细 胞 内 可 以 被 障 复活 ;但 是 ,没有 观察 到 光 动 力 钝 化 的 噬菌体 的 SS, 在 离 体 条 件 下 通过 光 动力 处 理 可 以 使 若干 动物 病毒 ( 腺 Ws TRAS. FRRESS KG" REARS WMS KRRASEARGRN, SLGREHTREREECAKSM 粒 的 缘故 ; MURA KRABSEKEARA SEN Se EF BAB HELE. Ae Bh RES A ra HE FE I 样 的 病毒 会 很 快 被 钝 化 2。 如 果 在 高 pH 条 件 下 加 和 染料 对 病毒 进行 培养 ,许多 抗 性 的 动物 病毒 将 会 变 得 对 光敏 感 ; 这 样 的 处 理 大 概 是 增加 了 病毒 蛋白 质 外 壳 对 致 敏 染 料 的 疹 透 性 5。 光 动 力 钝 化 的 病毒 常 可 以 保持 它们 特异 的 抗原 特性 ; 因 而 可 以 用 来 制备 治疗 病毒 感染 的 抗体 中 。 通过 光 动 力 处 理 可 以 消除 某 些 植物 病毒 (烟草 花 叶 病毒 、 葫 著 花 叶 病 毒 等 等 ) 的 感染 能 力 中 。 ot 1931 年 Herzberg 曾 报道 用 亚 甲 蓝 的 光 动 力 治疗 来 抑制 aR LAA BE. 最 近 ,对 人 的 皮肤 和 生殖 器 单纯 泡 疹 感染 采用 了 光 动 力 治疗 9。 人 们 对 一 些 病毒 性 病害 使 用 了 一 些 染料 溶液 ,如 中 性 红 液 , 然 后 用 像 普通 荧光 灯 那 样 的 光 源 照射 病毒 性 病害 的 区 域 。 对 这 些 治 疗 的 疗效 目前 仍 有 争 论 。 此 外 ,人 们 对 这 种 治疗 可 能 带 来 的 副作用 有 所 担心 ?例如 光 动 力 治疗 可 能 诱发 肿瘤 (参阅 4. 3. 11)。 从 上 述 对 核酸 的 效应 可 以 预期 ， 光 动力 处 理 将 引起 病毒 的 突 恋 (参阅 参考 文献 7 第 280 页 )。 在 有 各 种 光敏 化 剂 存在 的 情况 下 光照 几 种 不 同 的 噬菌体 , 观察 到 各 种 类 型 的 突变 。 通过 对 完好 病毒 及 对 分 离 出 的 病毒 RNA 的 光 动 力 处 理 也 产 生 了 烟草 花 叶 病毒 的 一 些 突变 型 ; 有 些 突变 型 病毒 在 蛋白 质 e 118。 ee eee Te eee — Perth HORM, 用 前 黄 素 进行 光 动 力 处 理 也 在 一 AMR E——SMKRAREDRRM HRB (SH 参考 文献 7 第 280 页 )。 我 们 推测 ,突变 是 由 于 病毒 核酸 中 的 岛 味 叭 残 基 的 光 氧 化 造成 的 ; 但 是 不 要 忘记 , 光 动 力 处 理 可 以 产生 核酸 自由 基 、 核 酸 与 蛋白 质 的 交 联 以 及 各 种 高 反应 活性 的 产物 ,例如 过 氧化 物 ,它们 都 可 能 引起 核酸 的 化 学 变化 , 从 而 产生 突变 。 4.3.6“ 亚 细胞 水 平 Ba 对 光 动 力 处 理 而 使 细胞 损伤 和 死亡 的 机 制 还 了 解 的 不 多 。 由 于 不 同 的 染料 具有 不 同 的 分 子 特性 而 可 能 分 布 在 某 些 细胞 器 或 细胞 器 的 某 些 特定 部 分 ， 因 此 可 以 预料 到 它们 的 选 择 性 效应 。 例 如 ,用 荧光 显微镜 已 经 证 明 , 在 有 味 啉 存在 时 培 养 的 各 种 类 型 的 哺乳 动物 细胞 中 , SUCHET AK. 随 后 的 光照 使 溶 酶 体 膜 的 通 透 性 增加 ,并 导致 溶 酶 体 破 裂 ,然后 细胞 便 死 亡 ， 这 可 能 是 由 于 溶 酶 体 的 水 解 酶 释放 到 细胞 质 里 所 造成 的 sa。 AR LH, 例如 玫瑰 红 , 看 来 是 选择 性 地 累积 在 细 腹 的 质 膜 中 ;光照 时 ,被 敏 化 的 细胞 在 通 透 性 上 发 生 改 变 而 使 钾 离 子 丢 失 , 并 随后 发 生 原生 质 外 流 ca。 MY MERE 地 累积 在 染色 体 中 ， 光 照 有 和 氧 存在 的 昱 啶 处 理 的 植物 细胞 会 FEED te ki Be, 还 可 以 用 分 离 的 细胞 之 一 部 分 研究 在 亚 细 胞 水 平 上 光 动 力 处 理 的 效应 。 例如 ; 在 有 氧 和 曙 红 存在 的 情况 下 光照 分 离 出 的 肝 溶 酶 体 , 使 大 量 的 8- 甘 油 磷 酸 酶 86- 葡 糖 昔 酸 酶 和 8- 半 乳 糖苷 酶 释放 出 来 @。 分 离 出 的 大 肠 杆菌 核糖 体 在 光 动 力 处 理 后 丧失 其 使 氨基 酸 参 人 多 肽 的 能 力 e9。 对 分 离 出 的 哺乳 动物 细胞 腺 粒 体 的 光 动力 研究 指出 ， 氧 化 磷酸 化 的 某 个 阶段 LEER HEE BURR SRR ALIA AY BE Fe HSL © 1196 氧化 酶 敏感 得 多 (参阅 参考 文献 7 第 464 页 )， 但 尚未 确定 光 动力 作用 对 电子 流 的 干扰 部 位 。 在 4.5 中 还 要 进一步 讨论 亚 细胞 水 平 上 的 光 动 力 研究 。 4.3.7 细胞 和 单 细 胞 生物 48,23,3536 人 们 用 许多 不 同 的 敏 化 剂 和 各 种 类 型 的 细胞 研究 了 对 细 胞 的 光 动 力 效应 ， 这 些 细 胞 包括 微生物 〈 原 核 的 和 真 核 的 都 有 ) 和 取 自 多 细胞 生物 的 细胞 。 已 经 对 许多 种 细胞 反应 作 了 描 述 , 这 些 反应 取决 于 细胞 的 类 型 和 状态 ,也 和 敏 化 剂 以 及 反应 条 件 有 关 。 在 某 些 情 况 下 ,人 敏 化 剂 在 黑暗 条 件 下 是 毒性 的 ; 因 此 总 要 作 适 当 的 对 照 实验 以 检验 这 一 可 能 性 。 在 有 分 子 氧 存 在 的 情况 下 加 光敏 化 剂 进 行 光 照 ， 大 多 数 种 类 的 细菌 被 迅速 钝 化 (用 照 后 形成 菌落 的 方法 )。 光 动力 处 理 可 以 拟 制 细菌 的 糖 酵 解 .呼吸 及 蛋白 质 合成 ;还 可 改变 膜 的 特性 思 。 其 膜 结合 ARABS bh BR) BRB (Sarcina lutea) 的 野生 型 细胞 ， Wt SUL Fl AERA IED BAAS b RAHA 敏感 性 低 s9。 在 细菌 的 光 动 力 钝 化 动力 学 研究 方面 “一 次 击 中 ”和 "多 次 击 中 ?两 种 钝 化 曲线 都 观察 到 了 以 引 参 阅 图 4-2) 某 些 菌株 的 细菌 在 加 咱 啶 栖 或 串 啶 黄 进行 光 动力 处 理 之 后 表 现 出 壤 恢复; 而 别 的 一 些 菌株 则 没有 暗 恢复 ea。 虽然 单 细胞 绿 藻 在 光 动 力 研 究 中 用 得 不 多 ,但 它们 对 光 动力 处 理 很 敏感 四。 然而 ,原生 动物 , 特别 是 草 履 虫 却 被 广泛 应 用 于 光 动 力 研 究 之 中 ,其 效应 取决 于 所 用 的 原生 动物 \ 敏 化 染料 及 反应 条 件 。 其 反应 包括 细胞 分 裂 的 延迟 、 能 动 性 的 表 失 \ 对 随后 的 热处理 敏感 、 伸 缩 胞 的 鳄 化 和 溶 胞 四。 用 取 自 多 细胞 生物 的 “自由 ”细胞 进行 了 许多 研究 。 例 如 ;自从 1908 年 证 明 在 有 血 趾 啉 或 叶绿素 制剂 存在 下 光照 锡 的 红 血 细 胞 引起 其 咨 血 以 来 由， 哺乳 动物 红血球 就 被 广泛 用 *， 120° CS a ABST © AB 2437 AB 2463 10 20 30 曝光 时 间 ( 分 7 ”图 4-2 四 种 不 同 菌株 的 K12 大 肠 杆 菌 的 光 动力 致死 与 光照 时 间 的 函数 关系 。 光 敏 化 剂 是 浓度 10ug/ml HMR. AB 1157 菌株 是 “ey A: Hl”, AB 2437Cuvr-) 和 AB 2463 (rec) 菌株 是 单 突 变型 。，AB 2480 菌株 Cuvr-rec—) 具有 一 个 双 突变 ， 这 个 双 突 变 影 响 着 对 紫外 线 的 敏感 性 ( 引 自 参考 文献 31 并 重新 绘制 )。 于 光 动 力 实 验 ， 红 血球 的 光 动 力 损 伤 似 乎 是 一 种 纯粹 的 膜 的 现象 。 光 动 力 溶 血 的 效率 是 低 的 ; 一 个 受 敏 化 的 细胞 必须 吸 WA 108 个 光子 才 会 导致 溶 胞 。 含 有 某 种 叶 啉 的 人 的 红血球 (在 某 些 生理 状态 下 ,体内 积累 了 一 些 异 常 的 叶 啉 ) 是 光敏 的 。 例如 ， 从 患 有 生 血 性 原 吡 咯 紫 质 沉着 症 的 患者 身上 取出 的 细 胞 在 有 氧 情况 的 离 体 光照 时 迅速 溶血 ; 这 样 的 细胞 含有 自由 RIM, TEESE AE Ate CH. 光照 时 细 胞 膜 中 的 氨基 酸 被 破坏 ,同时 从 细胞 中 释放 出 钾 , 这 说 明 膜 受 到 损伤 ; 膜 的 酶 系 , 例 如 乙酰 胆 碱 酯 酶 也 被 钝 化 ”。- 最 近 的 研 究 提 出 ， 存 在 于 红细胞 膜 中 的 胆固醇 的 光 氧 化 产物 增加 了 膜 的 次 透 脆 性 ,从 而 导致 溶血 。 一 些 还 原 剂 和 某 些 别 的 化 合 物 使 取 自 原 吡咯 紫 质 帝 着 症 患 者 的 细胞 的 光敏 感性 降低 ; 6- 胡 枕 小 素 ( 敏 化 剂 三 线 态 .单线 态 氧 的 狂 熄 剂 ) 特 别 有 效 号。 在 e121. 光 动 力 研 究 中 还 广泛 采用 了 从 植物 和 动物 组 织 中 分 离 出 来 的 细胞 ， 以 及 维持 在 组 织 培 养 条 件 下 的 细胞 。 例 如， 骨骼 肌纤维 和 神经 细胞 在 有 致 敏 染料 存在 情况 下 光照 时 会 去 极 化 组织 培养 的 人 和 动物 细胞 的 光 动 力 处 理 将 会 引起 : 死 LC. Sana kN ek. Fit DNA 的 复制 和 有 丝 分 裂 、 和 蛋白 质 和 核酸 的 破坏 、 维 持 病 毒 生 长 能 力 的 形 失 等 等 省 "5 最 后 , 光 动 力 处 理 在 微生物 中 可 产生 突变 ; 光 动 力 致 突 的 效率 取决 于 所 使 用 的 敏 化 剂 和 微生物 品系 《参阅 参考 文献 7 第 280 页 )。 EKER. BENS HAR MBSR EM, Re TAY TSE UE AA, FERAL BCE Hl AS RE El 时 ， cA ha c's e 移 码 突变 两 种 突变 。 4.3.8 多 细胞 植物 号 4 在 对 多 细胞 植物 的 光 动 力 效应 方面 进行 的 研究 不 多 。 但 是 一 般 地 说 ， 在 有 敏 化 剂 存在 的 情 次 下 光照 会 损伤 或 杀 死 植 MOR AIH SAR, 而 在 这 些 反应 中 必须 有 氧 参加 ”6 即 使 不 加 敏 化 剂 , 只 要 有 和 氧 而 无 二 氧化 碳 ,很 高 强度 的 光照 也 会 MPH MBSE; 这 是 由 于 被 内 源 叶 绿 素 敏 化 的 光 氧 化 过 程 所 致 “%。 在 正常 状态 下 ,由 于 存在 高 浓度 的 类 胡 梦 卜 素 而 使 叶绿体 组 分 不 被 光 氧 化 “9。 如 果 让 光敏 感性 高 的 植物 (如 小 麦 ) 的 根 吸 收 致 敏 染 料 , 然后 单 侧 照 光 , 于 是 由 于 照 光 一 侧 的 生长 受到 抑制 而 使 它们 向 光源 方向 弯曲 ”。 4.3.9 .多 细胞 动物 B2.4a 4.3.9.1 哺乳 动物 在 哺乳 动物 的 敏 化 中 存在 两 种 对 光 反 应 的 机 制 ， 即 光 毒 性 机 制 和 光 变 态 机 制 ， 这 要 看 所 用 的 光敏 化 剂 ”。 TEER ° 122° 应 是 即刻 发 生 的 ;而 且 如 果 使 用 足够 的 敏 化 剂 和 光 ,就 会 在 所 有 的 动物 身上 出 现 。 光 变 态 反应 是 滞后 的 , 它 似 乎 是 由 于 光 敏 化 所 形成 的 新 的 化 合 物 所 致 ， 这 些 化 合 物 与 蛋白 质 作用 而 产生 一 些 “ 光 致 抗原 ”，、 然 后 这 些 光 致 抗原 产生 某 种 免疫 型 的 Rm, 光 毒 性 反应 包含 着 一 系列 特征 性 的 光照 症状 ， 包括 活动 性 过 度 、 皮 肤 报 痒 和 皮肤 损伤 (包括 变 红 水肿、 坏死 及 溃 烂 )ms。 除了 局 部 反应 外 , 在 严重 的 光敏 化 作用 之 中 还 会 出 现 肠 出 血 , 血 压 降低 和 血液 循环 性 虚脱 ; 这 些 反 应 多 半 是 由 于 在 皮肤 中 由 光 动 力作 用 形成 的 毒性 化 合 物 经 血液 而 广泛 转移 的 结果 叫 。 “于 个 世纪 观察 到 在 尿 中 伴 有 异常 中 呆 排 泄 物 的 人 的 光敏 感性 四。 1931 年 Meyer-Betz 第 一 次 用 实验 的 方法 证 明 人 的 光 敏 化 作用 ，, 他 是 一 个 医生 ,他 给 自己 注射 血 中 啉 , 然后 有 控制 地 对 其 身体 的 一 些 部 分 作 光 照 ; 每 次 光照 都 引起 红斑 、 肿 胀 、 并 继 之 以 色素 沉着 外， 这 种 光敏 感性 可 以 保持 两 个 月 。 AK 的 光敏 化 可 由 摄取 敏 化 剂 \ 皮 肤 接触 敏 化 剂 \. 注 射 光 敏 化 药物 或 某 些 病态 造成 ， 这 些 病态 包括 药物 引起 的 和 遗传 的 中 啉 症 (是 一 种 与 异常 的 中 啉 代谢 有 关 的 病态 )%5、 红 斑 狼疮 及 糙 皮 病 "2。 药 物 引 起 的 中 啉 症 患者 从 皮肤 缓慢 地 排出 大 量 的 尿 路 啉 (一 种 光敏 化 剂 ); 他 们 表现 出 显著 的 光敏 感性 。 在 遗传 生 血性 原 路 呆 症 的 情况 下 ,异乎 寻常 数量 的 另 一 种 敏 化 剂 - 原 路 啉 累积 于 体内 ; 具有 这 种 病症 的 某 些 人 则 表现 出 中 等 程度 的 光敏 感性 (参阅 参考 文献 7 第 464 页 )。 口 服 作为 光 防 护 剂 的 p- HAS RESTS AEM AER SA OR HEM, “HFS SER IES ee A ERLE EE RBH. HERA MH ERB, FIR Fl, ORS RAT, RSS, Hi, CARA GRAM BERT. MARR), eI ee * 123 » 人 体 的 光敏 感性 叫 作 “ 药 物 光敏 感性 "。 此 外 , 农业 、 工业 \ 家 庭 等 常用 的 多 种 化 学 药品 也 是 光 毒 性 的 。 医 疗 实践 中 所 用 的 药物 一 般 都 用 实验 动物 如 豚 矢 和 无 毛 小 鼠 从 光敏 作用 角度 做 过 筛选 。 化 妆 品 也 需要 仔细 地 筛选 。 在 第 7 章 就 会 看 到 关于 人 的 光敏 化 反应 更 详细 的 资料 。 在 世界 的 许多 地 方 生长 着 大 量 含有 高 效 光 动 力 敏 化 剂 的 植物 ; 吃 这 些 植物 的 动物 可 以 变 得 极其 光敏 感 wa 这些 动 物 表现 出 类 似 于 上 述 对 人 体 的 那些 情况 的 反应 ; 在 严重 情况 下 它们 就 会 死亡 。 在 皮肤 无 色素 沉着 的 区 域 敏感 性 最 高 ;由 于 这 一 原因 ,在 世界 的 某 些 地 区 历来 不 能 饲养 白马 和 白 羊 , 世 界 范 围 内 都 有 的 海 党 属 植物 就 属于 这 种 最 坏 的 有 害 植物 。 这 一 属 的 许多 种 植物 都 含有 一 种 高 效 的 光 动力 敏 化 剂 一 金 经 桃 芒 酮 (或 其 衍生 的 化 合 物 )%a; 图 4-1 给 出 了 它 (海棠 素 ) 的 结 构 。 另 一 种 属 的 植物 一 一 乔 麦 属 〈 乔 麦 ) 也 使 吃 它们 的 动物 ( 猪 和 鸡 ) 产生 对 光敏 感 的 色素 。 由 于 它们 的 光敏 化 能 力 ; 再 不 能 用 乔 麦 叶 作为 饲料 (种 子 含 有 很 少 的 光敏 化 剂 ,因此 吃 和 麦 饼 是 没有 危险 的 )o。 反刍 动物 有 时 表现 出 一 种 由 于 其 肝 功能 的 紊乱 引起 的 光 敏感 性 %a。 这 种 敏感 性 是 由 于 叶 红 素 一 -一 种 叶绿素 的 簿 生物 的 累积 造成 的 ， 叶 红 素 通常 是 在 胆 着 中 排泄 出 去 的 巴 2 如 果 反 复 喂食 少量 的 四 氧化 碳 〈 它 引起 肝 损 伤 ) 或 结扎 总 胆 管 ,豚鼠 就 会 变 为 光敏 感 的 ga。 在 这 两 种 情况 下 ,光敏 化 似乎 是 由 于 叶 红 素 累积 的 结果 ; 在 第 一 种 情况 下 大 概 是 由 于 肝 损 伤 而 不 能 正常 地 排出 这 种 物质 的 结果 ， 在 第 二 种 情况 则 是 由 于 胆管 的 机 械 阻塞 的 结果 。 如 果 咀 食 绿色 植物 ,结扎 羊 的 胆管 也 可 以 导致 光 动力 死亡 ; 但 是 吃 不 含 叶绿素 食物 的 羊 则 不 出 现 光 动 力 死亡 。 有 时 在 牛 身上 也 观察 到 遗传 型 的 路 森 症 &a 完全 按照 孟 德尔 方式 遗传 的 这 种 病状 的 牛 ， 在 尿 、 牙 齿 和 骨 。，124。 3A ie yer HO IT; CEA BM GR Ro 用 通常 的 实验 室 动物 如 免 、 大 鼠 及 小 鼠 已 经 做 了 大 量 光 BULAN LE”. 由 于 必须 有 氧 存 在 〈 在 业已 研究 过 的 那 些 情 况 下 ), 所 以 在 小 哺乳 动物 身上 的 路 啉 敏 化 的 光 毒 性 是 一 种 真正 的 光 动 力 型 敏 化 。 4.3.9.2 esp WY AR SS FF HEE POT FS HE SE BE eT ET D>. Blum SHRUKT ABR, 4. BRR Kha AT fe, mI, RR TERR DAK BAI MARROLE". SRE A SUC HEARN Tk; 其 中 某 些 染料 在 对 小 鱼 没 有 影响 的 浓度 下 也 是 有 效 的 ,说明 这 有 可 能 是 一 种 控制 蚊子 的 技术 。 家 蝇 成 虫 在 摄取 染料 如 下 瑰 红 \ 若 丹 明 及 四 碘 菊 光 素 B 之 后 ,用 光照 射 就 可 以 把 它们 杀 死 %。 虽 未 和 并 清 其 杀 死 机 制 ;但 是 , 敏 化 的 昆虫 在 照 光 时 的 行 为 说 明 与 神经 系统 有 关 。 这 一 工作 使 人 联想 到 挫 人 适当 诱饵 的 光 动 力 染 料 可 以 用 来 作为 控制 正 趋 光 性 昆虫 的 杀 虫 剂 。 虽 然 仅 研究 过 几 种 动物 ,但 还 是 有 理由 认为 ,任何 动物 都 可 以 通 过 适当 的 方式 引信 人 染料 来 提高 对 光 的 敏感 性 。 A. 3.10 “天 生 的 ”光敏 Be yp 34,47—491 某 些 多 细胞 动物 可 以 被 可 见 光 损 伤 和 杀 死 ; 这 是 内 源 色 素 光敏 化 的 结果 。 实验 证 明 在 某 些 情况 下 是 需要 氧 的。 全 如 ,如 果 在 有 氧 条 件 下 用 强 光照 射 , 几 分 钟 内 就 可 把 小 的 水 生 环节 颜 昌 属 的 胶 肠 动物 (Txiijex) 杀 死 ;这 种 生物 正常 情况 下 生活 在 水 中 氧 含量 和 光 强度 都 很 低 的 区 域 吧 。 此 外 , 某 些 多 细胞 动物 的 一 些 种 类 的 细胞 是 光敏 感 的 ， 特 别 是 在 有 氧 情况 下 波长 短 于 500nm 的 强 光 使 哺乳 动物 的 视网膜 受 到 严重 。 125» 损伤 由。 在 有 氧 条 件 下 光照 时 吉田 氏 肝癌 细胞 的 代谢 明显 降 低 ,但 在 氮气 条 件 下 则 不 然 @。 在 某 些 条 件 下 , 多 细胞 绿色 植 物 在 叶绿素 调节 的 反应 中 还 可 受到 光 损 伤 c。 在 很 多 种 微生物 中 观察 到 天 然 的 光敏 感性 。 例如 ;， 可 见 ” 光 有 选择 性 的 钝 化 大 肠 杆 菌 的 某 些 膜 的 主动 输 运 系统 23 这 个 现象 在 鉴别 膜 的 能 量 耦 联 和 传递 过 程 涉及 的 组 分 分 子 上 可 能 是 很 有 用 的 。 总 的 说 来 , 人 们 还 不 知道 天 生 光 敏感 性 中 所 涉及 的 凡 源 敏 化 剂 的 化 学 性 质 。 赭 虫 属 原生 动物 (Blephari- sma) 是 一 个 例外 ; 其 细胞 含有 一 种 称 作 动物 紫红 素 的 红色 欧 光 色 素 ; 这 种 色素 在 化 学 上 类 似 于 金 丝 桃 草 酮 (图 4-1) 并 证 明 是 一 种 光 动 力 敏 化 剂 ”。 在 有 氧 条 件 下 光照 缺少 有 色 的 类 明 梦 下 素 的 光合 细菌 突变 株 ,这 种 细菌 很 快 被 杀 死 ; 这 个 反应 的 作用 光谱 基本 上 与 细菌 叶绿素 的 吸收 光谱 相同 ， 这 表明 时 绿 素 是 一 种 光敏 化 剂 "。 光 抑 制 了 “无 色 藻类 (Prototheca xozbjfi) 的 呼吸 和 生长 ;对 这 个 抑制 效应 氧 是 必需 的 "2 ,这 个 现 象 的 作用 光谱 说 明 有 血红 蛋白 参加 ， 而 进一步 的 研究 证 明 蔓 光 很 快 地 钝 化 了 细胞 色素 as， 它 是 呼吸 电子 传递 链 的 一 个 组 Sy), 可 见 光 和 365nm 的 近 紫 外 光 在 细菌 和 某 些 其 他 微 生 物 中 诱发 突变 ， 这 其 中 大 概 涉及 到 某 些 起 敏 化 剂 作 用 的 天 然 的 、 内 含 的 发 色 团 , 这 类 可 能 的 发 色 团 ( 已 知 其 中 大 多 数 存 在 于 细菌 之 中 ) 包 括 细胞 色素 .细胞 色素 氧化 酶 \. 黄 素 \ 血 红 蛋 白 NADNADH、 中 啉 和 柄 。 正 如 已 经 指出 的 ”9, 这 些 积累 的 一 系列 对 近 紫 外 光 和 可 见 光 天 生 敏 感 的 例子 ， 应 当 引 起 对 在 工业 和 家 庭 照 明 中 日 益 增加 的 近 紫 外 发 光源 和 高 强度 可 见 光 源 的 应 用 的 关注 。 4. 3. 11 光 、 光 敏 化 剂 和 癌 ” 众所周知 ，280 一 320 nm 范围 的 紫外 线 可 以 在 实验 动 By * 126* - ll tt a Rt 江 并 可 能 在 人 身 土 ) 中 引起 皮肤 癌 ; 但 人 们 还 不 大 知道 在 用 适 当 的 光敏 化 剂 时 ,长波 紫外 线 和 可 见 光 也 可 以 引起 皮肤 癌 。 这 是 Bangeler 7 1937 年 首先 证 明 的 , 他 发 现 全 身 性 光照 皮下 注 APT RNA RET RRR: 只 用 光照 和 只 给 敏 化 剂 都 无 此 效应 Q; 估计 在 人 身上 也 会 负 现 这 同样 的 现 象 ;事实 止 ; 已 有 人 认为 大 家 知道 的 随 着 衰老 在 人 的 皮肤 中 累 积 的 吐 啉 可 能 引起 光 动 力 致癌 四 。 当 用 长 波 紫外 线 照 射 时 ， 许多 致癌 的 多 环 碳 氢化 合 物 ,如 3,4- 苯 并 芷 都 是 光 动 力 敏 化 剂 。 用 大 量 这 和 样 的 化 合 物 进行 的 研究 表明 , 在 化 学 致癌 性 和 光敏 化 效率 之 间 存 在 着 很 好 的 相关 性 钙 。 用 长 波 紫 外 线 照 身 加 速 了 用 3;4- 葵 并 芷 溶液 涂抹 过 的 小 鼠 皮 肤 肿 瘤 的 出 现 (人 参 阅 参 考 文献 7 第 671 页 )。 虽 然 用 3,4- 葵 并 花 作 为 敏 化 剂 进 行 的 光 动 力 处 理 增加 了 植物 细胞 染色 体 断 裂 的 频率 ， 但 还 不 清楚 这 类 敏 化 剂 的 光 动 力 致癌 机 制 (参阅 参考 文献 了 第 671 - 页) 最近, 关于 光 动 力 致癌 的 推测 认为 可 能 涉及 到 以 光化学 方式 产生 的 单线 态 氧 "2。 _ 1904 4 Jesionek 和 von Tappeiner 兽 报 道 用 光 动 力 技术 成 功 的 治疗 了 人 的 皮肤 肿瘤 ， 他 们 的 办 法 是 用 时 红 液 反 复 涂 抹 和 注射 到 肿瘤 区 域 , RES APES ET RA, GK. AW 用 选择 性 更 好 的 光 化 疗 技术 治疗 实验 动物 的 肿瘤 ， 把 血 吓 啉 和 它 的 某 些 衍 生物 吃 进去 ,它们 就 浓 集 在 肿瘤 组 织 里 ;这样 的 累积 就 可 以 期 望 在 光照 时 有 选择 性 地 人 敏 化 肿瘤 细胞 的 光 动 力 致死 。 采 用 这 一 技术 ,就 可 以 高 效率 地 杀 死 生长 在 小 电 和 大 鼠 身 上 的 各 种 各 样 类 型 的 肿瘤 5250。 4.3.12 食物 的 光 变 质 食物 的 光 变 质 是 为 大 家 所 熟知 的 现象 ， 这 也 就 是 为 什么 对 许多 种 光敏 感 食品 要 仔细 储存 和 包装 以 防 光照 的 原因 。 虽 * 127° 然 总 的 来 讲 还 不 知道 食物 光 变 质 的 机 制 ， 但 某 些 情况 显然 是 光 动 力 过 程 。 例如 ，, 橄榄 油 在 有 空气 情况 下 受到 光照 常常 会 很 块 变质 。 这 是 由 于 油 中 未 饱和 脂肪 酸 侧 链 光 氧化 的 结果 ， 这 个 光 氧 化 过 程 或 许 是 通过 油 中 含有 的 痕 量 叶绿素 来 敏 化 的 ;豆油 也 有 类 似 的 情况 ,豆油 光 氧 化 看 来 是 通过 单线 态 氧 的 机 制 进行 的 呈 。 和 牛奶 受到 光照 造成 了 核 黄 素 敏 化 的 牛奶 蛋白 RICA A; 除 此 之 外 , 蛋氨酸 被 光 氧 化 为 甲 二 磺 醛 ， 它 使 牛奶 产生 一 种 特殊 的 怪 味 。 在 受到 光照 的 啤酒 中 也 产生 一 种 类 似 的 “阳光 味道 ; 这 就 是 通常 都 用 暗 棕色 玻璃 制作 啤 酒 瓶 的 一 个 原因 。 贮 存 于 透明 器 具 里 的 土豆 丝 和 其 他 快餐 食 品 在 光照 时 也 会 产生 怪 味 ; 在 某 些 情况 下 已 经 证 明 这 是 由 于 所 用 的 豪 调 油光 氧化 的 结果 ”。 现 在 人 们 正 试 图 用 在 这 样 的 im PMARAS 上 素 的 办 法 来 防止 这 样 的 光化学 变质 。 通 常 要 考虑 到 的 是 ， 天 然 存在 的 光敏 化 剂 是 造成 食物 光 变 质 的 原因 ;但 是 新 近 的 工作 证 明 , 某 些 人 为 的 食物 颜色 也 和 光 变 质 有 关 吧 。 在 摘 下 的 叶子 内 的 脂肪 酸 光 照 时 发 生 光 氧化 ,大 概 是 由 叶绿素 来 敏 化 的 ;变质 最 快 的 是 亚 油 酸 史 在 阳光 下 于 燥 过 程 中 ,在 干草 中 继续 进行 着 敏 化 的 光化学 过 程 ,这 会 降低 它 的 营养 价值 ;因此 ,把 新 鲜 的 绿色 植物 秸 杆 作 为 青贮 饲料 储存 可 以 防止 其 营养 价值 降低 。 4.4 不 包含 分 子 氧 的 光敏 化 反应 [和 ?60 虽然 本 章 重点 放 在 需 氧 的 光敏 化 反应 ， 但 是 生物 系统 中 的 若干 重要 的 光敏 化 过 程 并 不 需要 分 子 氧 ， 而 且 事实 上 由 于 氧 的 存在 还 会 使 它们 受到 抑制 。 4.4.1 RBBB RFR HE AE ABER, ARBRE RR TN a FA «128 。 ——S << -——— | ai . se i - 区 全 人 ON 补 骨 脂 素 See) ABR 《活性 的 ) (〈 弱 活性 的 ) CH, OCH, OH JOA / 2. 7° TROON 72_ KA jf? Perak daly ah pore qeapy te ae. Sr ON ih | pe 8- 甲 基 补 骨 脂 素 8- 甲 氧 基 补 骨 脂 素 8- 羟 基 补 骨 脂 素 《高 活性 的 ) 、 (高 活性 的 ) (无 活性 的 ) 二 图 4-3 选择 出 来 的 一 些 有 光化学 活性 的 和 无 光化学 活性 的 陵 哺 香 豆 素 的 结构 * 请 注意 ?在 补 骨 脂 素 8 位 上 用 甲 基 或 甲 氧 基 取 代 将 增加 其 光化学 活性 ， 而 羟基 取代 则 使 活性 丧失 。 在 5 位 上 的 取代 也 观察 到 类 似 的 情况 。 异 补 骨 了 脂 素 还 叫做 当归 素 , 而 8 甲 氧 基 补 骨 脂 素 也 叫做 丙烯 酸 内 本 或 黄 原 毒 香 豆 素 ( 由 一 香 豆 素 核 与 一 叶 喃 环 缩合 而 衍生 出 来 ) 是 一 些 高 效 的 光敏 化 剂 。 许多 呐 喃 香 豆 素 〈 以 补 骨 脂 素 和 蜡 补 骨 脂 素 为 基础 ) 天 然 存在 于 某 些 植物 种 属 之 中 ;图 4-3 给 出 了 某 些 典 型 化 合 物 的 结构 。 它 不 像 本 章 前 边 所 描述 的 光 动 力 敏 化 剂 那 样 , 吴 喃 香 豆 素 的 光敏 化 作用 不 需要 分 子 氧 的 参加 ;而 且 温度 NAMES ABUL RMR LF RA. HFRS hb ALGCRKARAAMER MYTH DORR Tl, Ae CMe SA RARELRR. 若干 对 光 动 力 Sh (RB AY Ey A St A SOK GS SAIC Bil OU RRS BEA SBUC ZL MERAY SEY m1, 但 是 ,了 呐 喃 香 豆 素 确实 能 敏 化 一 些 系 统 。 例 如 ,局 部 使 用 或 摄 人 某 些 叶 喃 香 豆 素 后 用 紫外 线 照 射 ， 则 使 哺乳 动物 皮肤 (包括 人 ) 的 红斑 加 剧 ; 造成 典型 的 深 色 晒 黑 。 这 种 处 理 已 用 于 大 的 化 妆 上 ， 使 在 被 称 作 白 疗 风 的 病状 下 出 现 的 皮肤 和 白色 区 域 变 暗 (参阅 第 七 章 ); 印度 早 在 公元 前 1400: 年 就 采用 了 这 © 129 。 种 疗法 “。 最 近 在 摄 人 8- 甲 氧 基 补 骨 脂 素 之 后 用 长 波 紫外 线 成 功 地 治疗 了 人 的 牛皮 瘤 皮 肤 病 ; 这 种 “光化学 疗法 ”的 转 佳 效应 估计 是 由 于 在 受 影 响 的 表皮 层 区 域内 DNA 的 合成 和 有 丝 分 裂 受 到 抑制 的 结果 。 在 进行 这 些 研究 时 需 加 水 心 ， 因为 据 报 道 在 受到 了 补 骨 脂 素 光 敏 化 作用 的 动物 身上 产生 了 皮肤 癌 匈 ， segs KIM SF EK FARR, ARS 豆 素 存在 的 情况 下 用 365nm 的 光 来 照射 会 迅速 把 细菌 杀 死 ; 革 兰 氏 阳 性 菌株 是 最 敏感 的 , 丝毫 未 观察 到 光复 活 铭 人。 也 可 把 组 织 培养 的 动物 细胞 杀 死 。 在 365nm 处 光照 时 ， 呐 哺 香 豆 素 显著 地 增加 细菌 和 酵母 的 突变 频率 (参阅 参考 文献 7 第 280 页 )。 在 有 补 骨 脂 素 存在 的 条 件 下 光照 ,将 使 某 些 鸣 菌 体 和 动 物 病毒 完全 钝 化 ; 一般 说 来 , RNA 病毒 抗 性 更 大 一 些 史 ae 人 们 进行 了 各 种 研究 ， 试 图 鉴别 出 那些 容易 被 哮 叶 香 豆 _ 素 光 敏 化 改变 的 生物 分 子 , 发 现 能 有 效 地 敏 化 皮肤 、 细 闭 等 的 了 呐 畏 香 豆 素 和 黄 素 单 核 音 酸 (FMN) RAR RMR 辅酶 活性 的 产物 。 更 为 重要 的 是 , 当 用 365nm 照射 时 发 现 有 BULTE AIK AS DNA RW; 用 标记 的 叶 喃 香 豆 素 进行 的 研究 表明 这 种 反应 是 一 个 光 键 合 反 应 ， 即 紫外 光 引 起 kM RES DNA 的 连接 | 用 核酸 碱 基 进 行 的 研究 表 明 , 只 有 了 喀 啶 碱 基 及 其 核 背 和 核 背 酸 与 叶 喃 香 豆 素 反 应 ;没有 发 现 叮 叭 及 其 衍生 物 与 之 光 键 合 吧 。 光 键 合 反 应 与 温度 有 关 ， 不 需要 氧 ; 事实 上 , 氧 和 其 他 顺 磁 物质 降低 光 键 合 的 反应 速率 。 与 自由 喀 啶 反应 形成 两 种 类 型 的 光 加 成 物 ， 反 应 中 碱 基 的 5,6 MH SME SAN 3,4 双 键 或 者 4 ;5 双 键 相连 形成 环 丁 烷 环 。 TER DNA 的 情况 下 照射 有 光 活 性 的 陵 哨 香 豆 素 ; 引 起 核酸 的 交 联 ;这 可 能 是 由 于 时 喃 香 豆 素 的 3,4 MB 与 一 条 链 内 的 喀 喧 碱 基 相 互 作 用 而 其 4，5” 双 键 与 另 一 条 链 * 130° ee ee ee. am 肉 揭 哮 许 碱 基 反 应 造成 的 ， 这 样 的 反应 发 生 在 细胞 以 及 溶液 Hl, 里 哺 香 豆 素 与 DNA 的 光 键 合 降低 了 核酸 对 RNA 合 成 的 模板 活性 tm。 4.4.2 其 他 光敏 化 反应 对 生物 系统 中 不 需 氧 的 光敏 化 反应 只 作 过 不 多 的 研究 。 在 某 些 条 件 下 铀 的 化 合 物 起 到 有 效 的 敏 化 剂 的 作用 。 例如 ， 在 厌 氧 条 件 下 有 铀 酰 离子 存在 时 许多 有 机 酸 、 醇 和 碳水 化 合 DBA, 人 们 对 草酸 铀 酰 体系 作 了 大 量 的 研究 ,多 年 来 它 被 用 来 作为 一 个 化 学 光 化 计 《一 种 用 于 测量 光 强 的 化 学 - kA) (参阅 1.4.4); 它 对 于 测量 紫外 线 区 和 蓝光 区 的 辐射 是 很 有 用 的 ,这 两 个 光谱 区 是 铀 酰 离子 的 吸收 区 中 。 正 铁 化 合 物 也 起 敏 化 作用 。 例如 ,在 大 氧 条 件 下 用 波长 大 于 3100m 的 光 照射 时 ,在 有 三 价 铁 离 子 作 为 光敏 化 剂 存在 时 , 尿 喀 啶 核 昔 、 HOM: BEE. RM BEE DE WS BHT WMI Ze PRR 存在 下 光照 时 也 可 钝 化 烟草 花 叶 病毒 RNAa。 一 些 光 化 计 也 是 以 正 铁 章 酸 盐 体系 为 基础 的 。 DNA 的 紫外 线 照射 导致 一 系列 产物 的 产生 ,这 些 产物 都 是 直接 吸收 紫外 线 的 结果 ;特别 是 在 核酸 链 内 产生 胸腺 喀 哇 - 胸腺 啼 啶 二 聚 体 ( 参 阅 第 5 章 )。 用 敏 化 剂 如 苯 乙 酮 及 其 衍生 物 所 证 明了 在 T MBH DNA 内 光化学 敏 化 形成 了 胸腺 喀 喧 - 胸 腺 旷 啶 二 聚 体 ; 光敏 化 州 的 三 线 态 能 量 必须 高 于 胸 逐 喀 喧 ,而且 这 一 反应 不 需要 氧 “o9。 这 个 反应 是 受 从 三 线 态 敏 化 剂 到 胸腺 喀 哇 的 能 量 传递 调节 的 ;噬菌体 被 钝 化 ,并 产生 出 突变 型 叭 菌 体 。 此 外 ， 一 系列 的 化 合 物 能 光敏 化 二 聚 体 的 解 聚 ， 它 们 包括 5- 状 色 胺 、 赖 氨 酰 - 色 氨 酰 - 赖 氨 酸 以 及 铁 筷 化 钾 上 1]。 。 131。 下 ‘ ~~ + 4 , 上 4D OS 论 近年 来 ， 对 光 动 力 反 应 中 包含 的 初始 过 程 取得 了 长 足 的 认识 ,这 包括 光照 引起 的 敏 化 剂 激发 态 的 产生 \ 激 发 态 敏 化 齐 通过 电子 传递 或 氢 传 递 过 程 与 底 物 的 中 间 反 应 ， 以 及 激发 态 敏 化 剂 通过 能 量 传递 过 程 与 氧 反 应 给 出 单线 态 氧 。 我 们 对 下 一 步 即 底 物 分 子 氧化 的 详尽 机 制 方面 的 有 机 化 学 知识 是 很 缺 乏 的 ,例如 ,我 们 甚至 不 知道 氨基 酸 的 敏 化 光 氧 化 中 涉及 的 大 部 分 中 间 产 物 和 最 终 产 物 ， 对 于 大 分 子 的 情况 就 更 加 模糊 不 清 了 ， 而 在 亚 细 胞 、 细 胞 及 机 体 水 平 上 的 光敏 化 方面 就 几乎 完全 不 知道 其 细节 了 。 在 不 需 氧 的 反应 中 ,我们 对 辐射 激发 的 叶 哺 香 豆 素 分 子 与 自由 喀 啶 及 与 DNA 内 的 喀 啶 在 分 子 水 平 的 相互 作用 有 比 较 清楚 的 了 解 ， 对 光敏 化 剂 把 激发 能 传递 给 核酸 内 的 哆 踊 喀 啶 残 基 从 而 形成 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 反应 也 有 了 一 点 了 了 解 。 但 是 ， 关 于 这 些 反 应 对 染色 体 结构 及 突变 和 致死 机 制 的 总 的 影 响 还 有 很 多 有 待 了 解 的 。 因此 很 清楚 , 在 生物 学 的 光敏 化 反 应 方面 ,不 仅 在 机 体 和 细胞 水 平 上 ,而 且 在 分 子 水 平 上 尚 有 大 量 的 工作 有 待 去 做 。 当然 ,光敏 化 现象 的 研究 ,从 增加 我 们 对 这 一 重要 生物 学 现象 的 理解 的 角度 来 看 它 也 有 资格 成 为 重要 的 研究 。 此外， 光敏 化 的 反应 正在 成 为 生物 学 研究 中 的 一 个 越 来 越 重要 的 手 段 。 例 如 , 敏 化 的 光 氧 化 反应 可 以 用 来 研究 蛋白 质 的 结构 = 功 能 关系 以 及 蛋白 质 在 溶液 中 的 构象 。 在 某 些 情况 下 ， 通过 控 制 反应 条 件 、 采 用 对 某 些 残 基 的 光 氧 化 有 选择 性 的 染料 、\ 控 制 某 些 残 基 的 “曝露 > 程度， 以 及 采用 与 分 子 内 的 特定 部 位 相连 或 结合 的 敏 化 剂 , 都 有 可 能 选择 性 地 光 氧 化 某 类 氨基 酸 残 基 ， 132.6 ~ 或 者 甚至 选择 性 地 光 氧 化 蛋白 质 中 特定 的 某 个 残 基 ” OE 参考 文献 了 第 137 页 )。 MA. 通过 采用 专 一 性 结合 的 敏 化 剂 ， 以 及 结合 到 蛋白 质 的 特定 部 位 的 具有 不 同 防护 半径 的 光 动力 “防护 ` 剂 ， 已 使 光 动 力作 用 用 来 作为 测定 溶 小 中 蛋 白 质 的 某 些 氨基 酸 残 基 之 间 空 间距 离 的 一 种 手段 “”。 - 光 动 力 技术 可 以 用 来 选择 性 地 抑制 或 钝 化 细胞 的 特定 部 分 * 人 们 采用 几 种 不 同 的 方法 研究 亚 细 胞 水 平 的 光 动 力 效应 ， 例如 ,用 集聚 在 一 些 局 部 区 域 的 敏 化 染料 来 处 理 细胞 ,用 光 吸 收 或 获 光 显 微 观察 的 方法 来 测定 染料 的 位 置 , 然 后 光照 ,在 照 射 期 间 可 以 观察 这 些 区 域 的 损伤 情况 2”。 像 这 样 在 特定 的 亚 细胞 部 位 上 光化学 产生 反应 物质 的 技术 在 细胞 生物 、 发 育 生 物 学 等 领域 可 能 具有 远大 的 应 用 前 途 。 另 一 种 方法 是 用 一 般 方法 把 细胞 染色 ， 然 后 用 一 微 束 光照 射 某 一 局 部 区 域 到 也。 第 三 种 方法 是 分 离 出 特定 的 细胞 器 ， 然 后 在 离 体 条 件 下 研究 它们 对 光 动 力 处 理 的 生化 和 结构 反应 “9 (参阅 参考 文献 7 第 464 页 )。 最 后 ， 敏 化 的 光化学 反应 今后 将 越 来 越 多 地 用 在 应 用 领 KX. PIM, 这 样 的 反应 正在 开始 用 于 分 析 测 量 方面 。 实际 情 况 是 ， 通 过 使 用 某 一 适当 的 光敏 化 反应 可 以 用 光 方 便 而 快速 地 产生 某 一 化 学 试剂 。 光 化 学 方法 化 验 核 黄 素 咏 和 诸如 抗 坏 了 血 酸 、 旨 上 腺 素 、 烟 碱 和 咖啡 碱 2 这 样 的 化 合 物 已 有 过 描述 。 太 阻 的 紫外 线 使 环境 中 的 许多 除草 剂 及 防疫 剂 降 解 吗 ; 因此 在 除草 剂 和 防疫 剂 的 分 子 中 参 人 某 些 光敏 化 或 光 防 护 的 基 团 以 便 更 精确 地 控制 它们 在 环境 中 存留 的 时 间 也 许 是 可 行 的 。 已 经 有 人 建议 用 光化学 技术 来 清除 工业 废水 中 的 化 学 污染 物 ; 例 如 :已 经 在 一 些 初 步 的 研究 里 用 某 些 光 动力 敏 化 剂 来 光 氧化 一 种 主要 类 型 的 有 毒 水 污染 物 一 一 酚 。 人 们 越 来 越 忧虑 来 源 于 工农 业 的 含 纤维 素 废物 的 积累 ， 初 步 的 研究 已 经 表明 。 133° 光 动 力 敏 化 剂 可 以 提高 畜牧 业 地 区 废物 的 降解 速率 24。 为 了 发 展 在 阳光 下 不 变质 的 塑料 而 历来 就 进行 了 大 量 的 研究 , RIT, 把 光敏 化 合 物 挨 人 用 于 食物 包装 ,冷饮 杯 等 的 塑 料 中 ， 以 便当 它们 被 遗弃 在 路 边 或 其 他 室外 场地 上 时 将 能 迅 速 地 光 降 解 。 虽 然 传 统 上 是 从 防止 光 引 起 变质 的 方面 来 包装 某 些 饮料 和 食物 ,但 往往 用 的 却 是 透明 的 容器 ,于 是 在 超级 市 场 的 高 强度 水 平 的 荧光 灯 下 使 许多 种 食品 迅速 地 敏 化 变质 。 采用 适宜 的 光 吸 收 物质 作为 包装 和 发 展 一 些 允 许 的 落 加 剂 以 阻止 敏感 食物 成 分 的 敏 化 光 氧 化 ,都 可 以 大 大 防止 这 种 浪费 。 正如 在 4.3.11 中 所 述 ,在 治疗 表皮 肿瘤 OP ET 面 , 光化学 疗法 已 经 取得 了 一 定 成 功 。 希望 在 将 来 会 改进 和 发 展 这 些 技术 (参阅 第 7 章 )。 最后, 随 着 我 们 对 光敏 化 反应 中 包含 的 基本 机 制 的 进一步 了 解 ， 也 许 有 可 能 创造 出 更 好 的 办 法 来 防止 人 类 身体 的 光敏 化 。 4.6 实 IKy TE HE ECSU EB ROR i BRS BAY 光 动 力 致死 (Raab 在 发 现 光 动 力作 用 时 就 是 使 用 的 这 一 生 MH), 这 个 实验 可 以 用 许多 方式 来 做 ; 下 面 的 实验 指南 只 应 该 视 为 一 个 总 的 轮廓 。 制 备 1X 10M 的 玫瑰 红 染 料 贮 滚 (分 子 - H=974; ~10mg/100ml 蒸馏 水 )。 给 三 个 编号 1 一 3 的 样品 盘 或 小 瓶 每 个 都 加 10 滴 培 养 的 草 履 虫 。 然后 在 暗 条 件 下 在 1 号 样品 盘 中 加 10 滴 蒸 饮水 ,在 2 号 和 3 号 样品 盘 中 加 10 滴 玫 瑰 红 溶液 ,并 把 它们 混 匀 。 立 即 把 3 号 样品 盘 盖 好 ,并 放 置 于 暗 处 作为 暗 对 照 把 1 号 和 2 号 样品 盘 放 在 光源 下 ,并 定 时 用 低 倍 显 微 镜 来 检查 。 如 果 把 样品 盘 放 置 在 距 一 15 允 冷 曰 荧光 灯泡 ~5cm 处 ， 那 么 在 1 分 钟 之 内 就 会 观察 到 细胞 膨胀 。134 。 “<>, > & a x ee -ar S 4 rt wi - ge Nees Py br i > at ia » on 8 plat eet RE hee. eed Fi, iia be . fr Peg PLA ae Pen ~ 六 ae, 2 2% 7 : ’ = Po 和 草 履 虫 尾 核 游泳 速率 的 降低 ， 两 分 钟 左右 大 多 数 草 履 虫 就 不 动 了 或 是 反常 游 动 了 ,在 5 分 钟 左 右 大 多 数 都 不 动 了 ,并 有 一 些 草 履 下 会 发 生 破裂 。 使 90 儿 或 100 多 的 草 履 虫 失去 活动 性 所 需 的 光照 时 间 ( 以 分 或 秒 计 ) 的 倒数 可 以 作为 光 动力 停止 活动 的 速率 。 你 不 仅 应 该 观察 活动 性 , 而 且 还 应 该 观察 细胞 的 形态 学 和 伟 缩 胞 的 行为 等 等 。 工 号 样品 盘 用 作 光 对 照 (无 WE); 当 2 号 样品 盘 中 的 大 部 分 草 履 虫 都 死亡 时 , 检查 暗 对 照 的 样品 (3 号 样品 盘 ) 中 的 草 履 虫 。 染料 溶液 可 能 会 在 某 些 培养 的 草 履 虫 中 过 分 浓 集 。 如 果 反 应 进行 得 很 快 , 或 在 瞳 对 照 中 观察 到 明显 的 效应 ,就 试用 3X10-5M 或 1X10-5M 的 染 BK _ 这 个 实验 是 结果 相当 分 明 的 ， 它 可 以 测量 出 光 动 力 停 正 活动 性 和 形态 改变 的 发 展 与 染料 浓度 、 染 料 类 型 ( 亚 甲 蓝 、 中 性 红 、 曙 红 了 等 都 可 使 用 )、 光 强度 、 光 颜色 ,温度 等 等 的 关系 。 此 外 ， 还 可 以 比较 一 下 其 他 生物 的 敏感 性 (其 他 的 原生 动物 、 眼 虫 营 、 瀑 类 、 海 虾 、 线 虫 \ 小 尹 时 \ 小 鱼 等 等 ); tT 但 是 为 了 测定 钝 化 ,必须 在 光照 期 间 不 断 地 定时 取出 样品 。 根据 化 合 物 对 草 履 虫 光 动 力 停止 活动 的 敏 化 作用 ， 人 们 建立 了 一 种 非常 灵敏 的 分 析 空 气 和 水 中 致癌 的 碳 氧 污染 物 的 方 法 ca。 “ 另 一 个 很 简单 但 引信 注意 的 实验 是 红 血 细胞 的 光 动 力 深 血 实验 ; 在 有 敏 化 染料 存在 的 情况 光照 一 段 足 够 的 时 间 后 发 生 溶 胞 ， 而 且 散 射 很 强 的 红血球 的 不 太 透 明 的 试管 变 得 相当 透明 。 此 实验 与 上 面 所 讲 的 实验 的 不 同 之 处 在 于 所 有 的 溶液 都 必须 用 等 渗 生 理 盐 水 配制 , 以 防 对 细胞 的 渗透 压 效应 。 已 经 发 表 了 为 大 学 生 进行 光 动力 溶血 实验 用 的 一 本 详细 的 讲 bata (Pe AF KH Wt) * 1356 第 5 章 ”紫外线 对 分 子 和 细胞 的 效应 Kendric C. Smith 《斯 坦 福 大 学 医学 院 放射 学 系 5.1 FE BY conc sesesccescccnqcearensasereseesasensions 4asés sgvisedelindge 137 5.2 核酸 的 光化学 .pe 138 5.2.1 紫外 线 对 脱氧 核糖 的 效应 ………………… 139 5.2.2 RANE TMS AZALI pe 140 5.2.3 PRE A ZKAL FEY .pp 140 5.2.4 RO BRMRO , OME FOLK MEE ER Te dF ok one ccccccccccccccccnsceccecssesescsseuscserevesseseeewsss 141 5.2.5 WWE ASL ASE CAEL -…………… 45 5.2.6 DNA PRAGA FAL ever sesearccseneecevuressonnes 146 5.2.7 DNA 5 FEE JAS Be cee ce scence ee eeneeeeeeceeens 147 5.2.8 RNA 的 光化学 .……………… rene ens ce t0e dose Tee cases 149 5.2.9 结论 和 pe 150 5.3 氨基 酸 和 蛋白质 的 光化学 .ppp 150 5.3.1 氨基 酸 的 相对 光化学 敏感 性 pp 150 5.3.2 蛋白 质 的 一 般 光 化 学 反应 .0 serene 153 . 人 3 酶 的 光化学 鳃 化 PPrrrrrrrrrrrrri tit 154 5.3.4 结论 .999 156 5.4 光化学 损伤 的 修复 ee 157 5.4.1， 引 言 .ee Peet 5.4.2 关于 光化学 损伤 的 修复 机 制 .7 159 a 结论 wo 167 5.5 致 突 。veeoeoeeee 168 5.5.1 DNA 上 导致 突变 的 变化 pp 168 。 136 。 aA 致 突 的 分 子 机 制 169 5.5.3 研究 致 突 所 用 的 方法 170 5.5.4 校正 基因 的 罕 变 .ee 171 5.5.5 对 温度 敏感 的 突变 型 pp 172 Dib Wee) 172 5.6 实验 bdevecapedodasdcbettetcocescsureccuseeebsacccccavassestcecos 172 ace. 核酸 的 光化学 .pp Sooved 172 5.6.2 紫外 存活 曲线 和 光复 活 coo cecee rete eeeenerscenene 173 51 Ke & 紫外 (CUV) 线 的 有 害 效 应 已 有 充分 资料 证 明 , 这 种 有 害 效 应 看 来 主要 是 通过 紫外 线 对 脱氧 核糖 核酸 (DNA) 的 作用 造 成 的 。 当然 ;最 有 害 的 效应 是 细胞 致死 ,其 他 的 效应 则 包括 致 突 ; Bu, DNA, 核糖 核酸 (RNA) 和 和 蛋白 质 合成 的 干扰 ,细胞 分 受 的 延迟 ,以 及 在 通 透 性 和 能 动 性 上 的 变化 。 除了 在 人 的 皮肤 中 产生 维生素 D 以 外 ， 还 没有 充分 资料 证 明 紫 外 线 的 有 益 效 应 (参阅 7.6)。 紫外 线 是 ,JW. Ritter 于 1801 年 发 现 的 ， 他 在 研究 不 同 波长 的 光 使 氧化 银 变 黑 的 时 候 观 察 到 ， 可 见 光 谱 的 紫 端 (380 nm) 稍 往外 的 不 可 见 区 域 比 可 见 光 更 为 有 效 。1877 年 人 们 第 一 次 观察 了 紫外 线 对 生命 系统 的 效应 ， 当 时 Downes 和 Blunt 报道 了 细菌 的 钝 化 。 在 1928 年 是 第 二 个 里 程 碑 ， 当 时 Gates 发 现 , 对 杀 死 细菌 而 言 不 同 波长 辐射 的 相对 效率 ( 即 致死 的 作 用 光谱 ) 平 行 于 核酸 碱 基 的 吸收 光谱 。 对 核酸 的 早期 光化学 研究 主要 涉及 喀 啶 环 的 破坏 性 劈 开 ; 而 在 1949 年 Sinsheimer 和 Hastings KHL, BE BTL AA By 逆 的 光化学 反应 。 后 来 弄 清楚 了 这 种 光化学 反应 是 喀 啶 的 © 137 « 5,6 双 键 上 加 上 了 一 个 水 分 子 。 在 1960 4 Beukers 和 Berends 观察 到 紫外 线 引 起 DNA 的 一 条 链 上 两 个 相 邻 胸腺 喀 啶 残 基 的 稳定 联结 。 形 成 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 这 一 发 现 重 又 激 起 对 紫 外 光 生 物 学 的 兴趣 , 并 延续 至 今 。 由 于 看 到 了 胸腺 喀 啶 二 聚 体 对 生物 失 活 的 重要 性 ， 因 此 造成 了 一 种 过 多 研究 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 紫外 光 生 物 学 的 倾向 。 在 细胞 的 核酸 内 产生 的 还 有 许多 其 他 类 型 的 光 产 物 ， 这 些 产 物 之 中 有 的 已 被 分 离 出 来 并 描述 出 其 特征 。 在 某 些 情况 下 , 还 确定 了 它们 的 相对 生物 学 重要 性 。 在 细菌 对 紫外 线 致死 的 敏感 性 上 ,不 同 的 株 系 差 别 极 大 。 AGF K 12 recA uvrB 是 一 个 缺少 两 种 类 型 DNA BRR - 统 (在 5.4.2 里 将 要 讨论 ) 的 突变 株 ， 注 量 为 0.1J/ 的 254nm © 的 紫外 线 把 它 杀 死 到 10 多 的 存活 水 平 , 要 杀 死 到 同样 的 存活 水 平 ， 对 单 突变 株 uvrB 需要 9.5Jjm?， 对 单 突变 株 recA 需要 5.8J/m", 而 对 野生 型 母 株 则 需要 68.0J/m?。 因 此 ,在 大 肠 杆 获 K 12 里 , 不同 菌株 的 敏感 性 几乎 相差 700 倍 ， 而 敏感 性 取决 于 它们 修复 DNA 光化学 损伤 的 能 力 。 目前 ， 在 紫外 光 生 物 学 领域 研究 的 重点 主要 是 关于 细胞 通过 什么 机 制 修复 其 DNA, 以 及 在 产生 突变 时 错误 的 修复 所 可 能 起 的 作用 。 在 本 章 里 也 将 体现 这 一 重点 。 5.2 “核酸 的 光化学 上 -9 现在 可 以 依据 在 DNA 上 特殊 的 化 学 和 物理 变化 来 解释 许多 紫外 线 的 生物 学 效应 。 但 是 ， 并 非 在 所 有 的 实验 条 件 下 DNA 对 紫外 线 都 表现 出 同样 的 敏感 性 。 通 过 种 种 生物 的 〈 例 如 细胞 的 生长 状况 入 化 学 的 《例如 碱 基 类 似 物 取代 ) 及 物理 的 (例如 变性 、 冷 冻 、 干 燥 ) 技 术 可 以 改变 DNA 对 光化学 变化 * 1386 _ 的 国有 敏感 性 。 例 如 ,在 紫外 线 照射 的 细菌 细胞 里 一 种 产 额 很 高 的 光 产 物 看 来 是 引起 细胞 死亡 的 主要 原因 ， 但 是 在 细菌 钨 子 里 它 产生 的 并 不 多 。 使 受 照 射 的 生长 细胞 和 孢子 失 活 的 看 来 是 不 同类 型 的 光 产物 。 因 此 ,不 能 简单 地 说 DNA 上 的 哪 一 “种 光 产物 是 最 重要 的 ， 它 取决 于 不 同 的 实验 条 件 和 不 同 的 受 照射 细胞 。 除了 DNA 的 固有 敏感 性 外 ,我 们 还 必须 考虑 到 细胞 修复 其 损伤 的 能 力 。 如 果 某 一 种 损伤 被 细胞 准确 和 定量 地 修复 了 ， 那么 这 一 损伤 对 该 细胞 就 不 会 有 生物 学 重要 性 ， 而 那些 不 可 修复 的 (或 未 被 修复 的 ) 损 伤 才 是 有 生物 学 意义 的 。 5.2.1 紫外 线 对 脱氧 核糖 的 效应 虽然 糖 类 构成 核酸 重量 的 约 41 罗 ,但 它们 在 230nm 以 上 的 波长 基本 上 无 紫外 线 吸 收 , 因而 在 用 大 于 230nm 波长 的 光 照射 时 就 不 可 能 期 望 其 发 生 光 化 学 反应 。 紫外 线 对 脱氧 核糖 的 直接 效应 已 有 过 报道 。 如 果 5-K bret (BrUra) 取代 细胞 DNA 内 的 胸腺 喀 喧 ,那么 这 个 细胞 对 紫外 线 的 致死 就 敏感 得 多 。 紫外 线 对 DNA 中 BrUra 的 一 个 效应 是 脱 溴 ， 随 之 产生 一 尿 喀 啶 自由 基 。 在 无 别 的 氢 供 体 情况 下 , 它 就 会 从 邻近 的 脱氧 核糖 抽 提 出 一 个 氨 原 子 。 这 就 导致 尿 旷 啶 的 产生 和 脱氧 核糖 的 破坏 (通过 目前 未 知 的 机 制 ),， 最 后 导致 DNA NHR, 在 有 敏 化 剂 酮 存在 的 情况 下 ,例如 二 甲苯 酮 ,也 会 产生 DNA 的 链 断 裂 。 当 用 313nm 的 光 激 发 这 些 试剂 时 ， 它 们 就 可 以 从 水 中 抽 提 出 氢 原 子 而 产生 产 基 上 自由 基 ， 然 后 羟基 自由 基 攻 击 DNA HT RITA A 此 ，, 在 一 定 的 条 件 下 , 当 核 酸 受 到 紫外 线 和 近 紫 外 光照 射 时 ， 即使 光子 的 初始 吸收 并 不 发 生 于 糖 上 ， 也 还 是 可 以 导致 核酸 的 糖 上 的 化 学 变化 。 © 139 。 5.2.2 FoR HAY 在 纯 深 液 中 , MEMS SLE LAE AR CAN Ae EL ELT 10 fo 因为 在 对 光化学 变化 的 敏感 性 上 的 这 一 差别 意味 着 ,在 大 量 的 味 叭 损伤 出 现 之 前 细胞 就 已 经 由 于 喀 啶 损伤 而 失 活 ， 所 以 嗓 叭 的 光化学 没有 生物 学 上 的 重要 性 。 虽 然 在 绕 计 学 上 这 一 假定 很 可 以 成 立 ， 但 还 不 能 就 这 样 匆 忙 排除 叮 吟 光化学 的 生物 学 意义 。 虽 然 呆 叭 吸收 紫外 线 并 不 引起 嗓 叭 环 高 效 的 化 学 变化 ， 但 它 吸 收 的 能 量 的 一 部 分 可 能 会 传递 给 喀 啶 或 DNA 的 糖 -磷酸 主 链 , 并 因此 而 导致 化 学 变化 。 胸腺 喀 啶 自 由 基 的 形成 和 多 聚 脱氧 腺 昔 - 脱 氧 胸 苷 中 胸腺 喀 啶 的 磷 光 都 与 来 目 腺 嗓 叭 的 能 量 传递 有 关 。 但 是 核酸 在 细胞 内 部 并 非 纯 溶 沾 ， 同 时 Elad 等 人 已 经 证 明 , 呆 叭 容易 与 其 他 有 机 化 合 物 发 生 光 化 学 反应 。 事 实 上 :在 进行 这 些 杂 加 成 反应 上 ， 嗓 叭 比 喀 啶 有 更 大 的 光化学 反应 活 Heo 只 是 在 最 近 , 人 们 才 了 解 到 这 些 杂 加 成 反应 在 生物 学 上 的 重要 性 ”。 5.2.3 喀 啶 的 水 化 产物 当 尿 了 罚 叫 及 其 衍生 物 的 溶液 受 紫 外 线 照 射 时 ， ABR 失 其 特征 的 紫外 吸收 ,但 通过 热 、 碱 或 酸 处 理 大 体 上 都 可 以 恢 复 。 有 人 假定 尿 喀 啶 5,6 双 键 的 水 化 作用 可 能 是 吸收 谱 形 失 及 随后 用 酸 或 热处理 可 以 复原 的 原因 。 当 人 们 合成 出 了 6- 羟 图 5-1 6- 羟基;5- 氢 尿 喀 啶 。 基 ， 5- 氧 尿 喀 啶 《图 5-1)， 且 证 明 它 与 尿 喀 啶 的 可 逆 辐 射 产 es。 140 。 _ 物 是 一 样 的 (注意 : 5- 羟 基 ;6- 氧 尿 喀 啶 对 热 是 稳定 的 ) 之 后 ， 终于 证 实 了 这 个 假定 。 还 会 生成 胞 喀 啶 和 胸腺 喀 啶 的 光化学 水 合 物 ， 但 这 些 水 合 物 (特别 是 胸腺 喀 啶 的 水 合 物 ) 与 尿 喀 喧 衍生 物 相 比 是 极 不 稳定 的 。 根据 240nm 附近 出 现 的 热 可 逆 吸 收 峰 ,人 们 推断 在 受 昭 射 的 变性 DNA 内 形成 了 胞 喀 啶 的 水 加 成 光 产 物 。 二 氢 胞 喀 We TE ( 即 无 5,6 双 键 ) 在 这 个 波长 有 一 特征 吸收 峰 。 但 是 ， 照 射 的 天 然 DNA 就 没有 这 样 的 热 可 逆 的 吸收 峰 。 其 他 一 些 资料 也 说 明 ， 在 照射 的 双 链 DNA 内 可 能 形成 不 了 可 以 测量 出 的 胞 喀 喧 水合 物 ， 而 在 单 链 DNA 的 情况 则 形成 胞 喀 喧 水 合 物 。 但 是 ,其 他 的 光 产 物 ( 如 喀 啶 二 聚 体 ) 可 能 使 DNA 变形 并 产生 局 部 变性 ( 即 单 链 区 )， 因 此 可 能 会 在 这 种 局 部 变 VERY MSE DNA 中 形成 水 合 物 。 在 DNA 的 复制 和 转录 期 间 , 可 能 有 短 的 单 链 区 , 在 这 些 区 域 喀 啶 水合 物 的 形成 可 能 很 重要 。 在 离 体 模式 系统 中 已 经 证 明 喀 啶 水 合 物 可 能 在 引起 突变 上 起 作用 c。 多 聚 胞 苷 酸 受 紫外 线 照 射 时 ， 它 在 RNA 聚合 酶 系统 中 的 编码 特性 发 生变 化 。 受 照射 的 多 聚 胞 背 酸 丧失 其 为 鸟 背 酸 参 人 进行 编码 的 能 力 ， 除 非 在 系统 中 加 人 腺 苷 酸 。 随 着 紫外 线 注 量 的 增加 ， 腺 昔 酸 在 多 聚 胞 昔 酸 中 的 参 人 亦 增加 ， 由 于 这 种 参 人 的 增加 在 已 知 是 使 喀 喧 水合 物 脱水 的 条 件 下 是 热 可 逆 的 ， 因 此 人 们 认 为 编码 改变 可 能 是 形成 胞 喀 喧 水合 物 的 结果 《〈 即 胞 喀 啶 水 合 Oe SRA REE. MES ZEB). A 此 ， 在 DNA 的 单 链 区 水 合 物 的 形成 可 能 在 产生 突变 中 具 有 ， 重要 意义 。 5.2.4 GRRE RHE BEAT eA Re FAAS bee (254nm ) 照射 胸腺 喀 啶 的 水 溶液 时 ， 胸 腺 旷 喧 。141 ， 便 失 去 其 特征 的 吸收 性 质 ， 失 去 的 速率 约 为 尿 喀 啶 受 照 射 时 丧失 特征 吸收 的 速率 的 十 分 之 一 《对 于 胸腺 喀 喧 中 一 0.4 X 1073) 如 果 把 胸腺 喀 啶 溶液 冷冻 ,然后 用 紫外 线 照 射 ， 光 化 学 反应 性 就 会 大 大 增加 (% = ~~0.2) ,而 且 所 形成 的 主要 产物 是 二 聚 体 。 冷 冻 的 效应 可 能 是 使 胸腺 旷 啶 分 子 治 一 定 方向 平 行 排列 ,从 而 有 利于 双 分 子 光 化 学 反应 。 为 形成 胸腺 喀 啶 二 聚 体 ( 图 5-2)， 两 个 胸腺 喀 喧 分子 就 CHs a JX) NH co 《内 消 旋 7 << 左旋 ) i yack | on f “ut, ‘ > ti! a» - : ti - 5.2.7 DNA 与 蛋白 质 的 交 联 8 随 着 紫外 线 注 量 的 增加 ， 从 细菌 和 哺乳 动物 细胞 中 所 能 提取 的 不 含 蛋白 质 的 DNA 的 量 则 不 断 减 少 。 根据 沉降 物 中 所 含 的 变性 蛋白 质 ,可 以 定量 地 算出 有 多 少 DNA 由 于 紫外 线 照射 而 变 为 不 可 提取 的 ， 但 是 用 胰 蛋 白 酶 处 理 此 沉淀 物 则 得 到 游离 的 DNA。 这 些 结果 表明 ，, 紫外 线 引 起 了 DNA SEA 质 的 交 联 。 更 为 直接 的 证 明 来 自 一 些 离 体 实 验 , 这 些 实验 证 明 在 离 体 条 件 下 紫外 线 能 使 DNA 和 蛋白质 发 生 交 联 。 TERRA DNA 和 和 蛋白质 发 生 交 联 的 确切 的 化 学 机 人 制 还 不 清楚 ;但 是 ,从 离 体 紫外 线 照 射 的 胸腺 喀 啶 和 半 胱 氨 酸 溶 洲 中 分 离 出 来 的 一 种 胸腺 喀 喧 和 半 胱 氨 酸 的 混合 光 产 物 〈5-S- 半 胱 氨 酸 6- 氢 胸腺 喀 啶 X 图 5-57 可 以 用 来 作为 交 联 现象 的 一 种 可 能 的 模型 。 半 胱 氨 酸 还 可 以 通过 光化学 反应 接 到 多 聚 尿 HR (Poly-rU), 2 Fit All FR (Poly- ae Be Nit A li (Poly-dT), RNA #11 DNA 上 。 除 半 胱 氨 酸 外 ， 下 列 氨基 酸 也 可 以 通过 光化学 反应 与 胸 腺 喀 啶 加 成 : aR, MAR. Re AaB RR. OF 列 氨基 酸 可 以 通过 光化学 反应 与 尿 喀 啶 加 成 : AR Bi AAARAMAR. 其 他 常见 氨基 酸 在 此 实验 条 件 下 则 不 反应 。 最 能 证 明 DNA- 蛋 折 质 交 联 的 生物 学 重要 性 的 实验 是 冷 冻 条 件 下 照射 细菌 细胞 的 那些 实验 。 大 肠 杆 菌 B/r 细胞 在 紫 外 线 照射 后 的 存活 率 与 受 照 射 时 的 温度 有 很 大 的 关系 《图 5-6), 当 把 温度 从 十 21%C 降 低 到 一 79*C 时 ,细菌 对 紫外 线 的 敏 感性 增加 ,存活 曲线 的 肩 和 斜率 都 发 生 改 变 , 在 一 196*C 下 , 细 胞 不 像 在 一 79*C 时 那样 敏感 ,但 由 于 存活 曲线 上 没有 肩 区 ,所 。147。 SS) ee 以 还 是 比 在 十 21ac 时 更 敏感 。 当 细 胞 受 照 时 的 温度 从 十 21sC 降 到 —79° #1 — 196°C ESS » SAN] Sore 22 fit Hg a ie — FR ATE PRR RT a AE Hig 0.36 0.73 1.09 45 : 紫外 辐射 注 量 (Jrmiz x 10) 5-6， 在 不 同 温 度 下 * 大 肠 慎 菌 B/r 的 存活 率 与 紫 外 线 〈254nm) 注 量 的 函数 关系 [ 转 引 目 K. CsSmith and M. E. O?'Leary，Screzce 155, 1024, (1967)], We ee — RR kA Pe iS —79°C FI—196°C 下 照射 时 大 肠 杆 菌 致死 率 的 增加 之 间 没 有 任何 相关 性 。 这 说 明 环 丁 烷 型 胸腺 喀 啶 二 聚 体 在 导致 冷冻 条 件 下 受 照 射 的 细胞 死亡 的 事件 中 不 像 其 在 室温 下 那样 起 重要 作用 。 这 些 结果 进一步 证 明 , 依 生长 和 - 照射 条 件 的 不 同 ， 某 一 确定 的 光 产 物 的 相对 生物 学 重要 性 可 能 有 很 大 的 改变 。 但 是 与 此 相反 ,与 蛋白 质 交 联 的 DNA 的 量 作为 照射 时 温 度 的 函数 却 与 存活 率 的 变化 有 着 同样 的 趋势 。 因此 , 当 细 胞 。 1486 在 冷冻 时 受 照 射 ,看 来 与 其 生活 力 相 关 的 光化学 事件 是 DNA 与 蛋白 质 的 交 联 。 冷 冻 可 能 会 改变 细胞 内 的 蛋 晶 质 和 DNA 的 构 型 或 接近 程度 ， 从 而 因 照 射 而 形成 DNA- 蛋 白质 交 联 的 可 能 性 大 大 增加 ,因此 在 这 些 条 件 下 就 观察 到 较 高 的 致死 效应 。 $i ER ER Micrococcus radiodurans 是 已 知 的 抗 辐 射 能 力 最 强 的 一 种 生物 ， 杀 死 它 的 作用 光谱 与 杀 死 较为 敏感 的 生物 大 肠 杆 苑 的 作用 光谱 显著 地 不 同 ， 其 差别 在 于 此 微 球菌 对 280nm 和 260nm 的 光照 有 很 高 的 敏感 性 。 按 经 典 的 观点 ， 在 280nm 处 的 反应 表示 牵涉 到 蛋白 质 的 情况 , 而 在 260nm 处 的 反应 则 说 明 与 核酸 有 关 。 因此 , 人 们 认为 这 种 生物 对 紫外 线 的 抗 性 是 由 于 其 极 强 的 修复 喀 啶 二 聚 体 的 能 力 ,而 最 终 导致 这 种 生 物 死亡 的 是 涉及 到 DNA 和 有 蛋白 质 两 者 的 损伤 。DNA 和 和 蛋白 质 的 交 联 可 能 构成 这 种 损伤 的 一 种 类 型 。 我 们 有 理由 认为 ， 当 蛋白 质 和 DNA 一 起 受 照射 与 它们 分 别 受 照 射 时 相 比 较 可 能 会 产生 不 同类 型 的 光化学 反应 。 由 于 DNA 和 有 蛋白质 并 不 是 以 单独 分 子 的 纯 溶 液 存在 于 细胞 之 中 ， 而 是 处 于 彼此 密切 接触 之 中 ,所 以 可 以 预料 , 在 某 些 条 件 下 DNA 和 蛋白质 (及 其 他 分 子 ) 间 的 光化学 反应 在 紫外 线 照 射 的 细胞 失 活 上 可 能 起 着 重要 作用 42。 5.2.8 RNA 的 光化学 RNA 5 DNA 的 不 同 在 于 核糖 取代 了 脱氧 核糖 、 尿 喀 喧 代替 了 胸腺 喀 啶 , 以 及 具有 更 多 的 单 链 区 段 。 这 些 差 别 影响 着 svt lela al ， 但 一 般 说 来 它 相 当 类 似 于 DNA。 RNA 在 体内 的 光化学 不 像 DNA 的 光化学 研究 得 那样 广 Zo KM DNA 对 细胞 存活 的 极 大 重要 性 来 看 ,这 或 许 是 可 以 理解 的 。 由 于 RNA 分 子 在 细胞 里 一 般 有 多 个 复制 品 , 所 以 这 。149 。 些 分 子 的 百 分 之 几 被 钝 化 将 不 会 像 DNA 的 一 小 部 分 的 光 化 学 变化 那样 对 细胞 产生 那么 不 利 的 影响 。 尽管 如 此 ，, 在 一 些 特殊 的 情况 下 , mRNA Al tRNA 的 光化学 变化 对 细胞 可 能 会 造成 严重 的 后 果 ( 人 参阅 15.7.2.1) 0 某 些 病毒 含有 作为 遗传 决定 因素 的 RNA (如 烟草 花 叶 病 毒 ), 对 于 这 样 的 病毒 ,其 RNA 的 光化学 变化 导致 它们 迅速 地 钝 化 。 人 们 用 RNA 病毒 极为 广泛 地 研究 了 紫外 线 对 RNA 的 生物 和 化 学 效应 钙 。 5. 2.9 结论 - 我 们 对 细胞 内 喀 啶 二 聚 体形 成 的 化 学 和 生物 学 后 果 的 了 解 是 相当 完善 的 ， 但 是 对 核酸 光化学 的 兴趣 已 经 多 少 有 所 下 降 了 。 关 于 许多 非 环 丁 烷 型 喀 啶 光 产 物 及 其 生物 学 重要 性 我 们 知道 得 很 少 , 关 于 味 叭 光化学 也 是 如 此 。 虽然 可 能 有 的 味 叭 和 喀 啶 的 单 体 和 二 聚 体 的 光化学 变化 类 型 的 绝对 数目 是 有 限 的 ,但 是 可 能 有 的 DNA 的 光化学 加 成 物 的 数目 却 几 乎 是 无 限 的 。 目 前 ,对 DNA 杂 加 成 反应 领域 重 又 有 了 兴趣 (例如 , 蛋白 质 与 DNA 的 交 联 \ 对 于 DNA 的 致癌 物 等 等 ) ,因为 它们 与 衰老 、 致 瘤 及 光 生 物 学 有 关 ”。 Akt, 在 核酸 的 光化学 领域 至 今 仍 在 作出 许多 令 人 兴奋 的 发 现 。 5.3 氨基 酸 和 蛋白 质 的 光化学 813214 5.3.1 和 氢 基 酸 的 相对 光化学 敏感 性 由 于 必须 吸收 光 以 后 才能 发 生 光 化 学 过 程 ， 那 么 就 有 理 由 认为 ,对 于 在 光 生 物 学 中 通常 使 用 的 波长 ( 即 > 240nm) 是 透明 的 那些 氨基 酸 在 这 些 波 长 下 将 极 少 进行 或 不 进行 光化学 反应 。 这 样 就 基本 上 把 脂肪 族 氮 基 酸 排除 于 我 们 考虑 的 范围 *。， 150+ PEN Taree Saree) ances = Ft ages hee ee Ny “ho 5k aed oN < ‘ < 人 了 pe Fert ‘S > oe ; ‘ ‘ {Us ~ 之 外 。 虽 然 我 们 应 该 想到 ,吸收 的 光 不 一 定 必然 导致 光化学 反 应 ( 印 臣 收 的 能 量 以 热 或 通过 荧光 或 磷 光 无 害 地 散失 )， 但 芳 香 族 氨基 酸 对 240nm 以 上 波长 辐射 的 强烈 吸收 无 疑 说 明了 它 们 的 光化学 的 重要 性 。 有 两 个 在 单 体 氨基 酸 中 没有 而 出 现在 蛋白 质 中 的 发 色 团 : 肽 键 和 二 硫 键 。 肽 键 的 吸收 谱 在 180 一 190nm 区 域 出 现 一 个 峰 , 在 较 长 波长 则 迅速 降低 。 但 是 甚至 在 254nm 时 ，, 肽 键 断 收 的 量子 产 额 都 有 很 大 的 数值 ( 表 5-1)。 二 度 兽 认 为 半 胱 氨 酸 和 胱 氨 酸 在 光化学 上 不 重要 ， 因 为 根据 其 在 酸性 盗 液 中 的 吸收 谱 来 看 , 它们 在 .230nm 以 上 基本 上 是 光学 透明 的 。 然 而 在 中 性 和 碱 性 pH 条 件 下 ,这 些 化 合 物 的 吸收 甚至 在 250nm 以 上 波长 都 变 得 很 明显 了 。 这 一 事实 再 加 王 它 很 高 的 光化学 变化 的 量子 效率 ， 使 得 胱 氨 酸 成 为 影响 BARDEM EHR. 如 果 一 个 化 合 物 的 摩尔 吸收 率 ( 摩 尔 消光 系数 ) (s) 是 该 化 合 物 吸 收 特定 波长 光 的 机 率 的 一 个 量度 ， 而 量子 产 额 (四 ) 是 吸收 的 光 引 起 化 学 变化 的 几率 ,那么 这 两 个 值 的 乘积 (s Xx 6) 就 是 该 化 合 物 的 光化学 敏感 性 的 一 个 量度 (参阅 15.2)。 5-1 给 出 了 和 蛋白质 中 最 重要 的 发 色 团 在 254nam 处 这 些 参数 的 值 。 当 蛋白 质 中 存在 胱 氨 酸 时 , 它 就 是 最 不 稳定 的 靶 。 这 时 不 稳定 性 由 高 到 低 的 次 序 是 : 色 氮 酸 、 苯 丙 氨 酸 、 栈 氨 酸 、 肽 键 及 组 氨 酸 。 但 应 着 重 指出 ， 在 其 他 波长 紫外 线 的 敏感 性 (HF s 和 邮 的 改变 ) 将 有 改变 ， 于 是 这 些 丢 在 某 一 特定 蛋白 质 的 光化学 钝 化 上 的 相对 重要 性 亦 发 生 改 变 。 对 氨基 酸 的 大 多 数 早 期 的 光化学 研究 都 没有 采用 单 色 光 ， 而 光化学 变化 的 分 析 人 靠 的 是 容易 测量 的 最 终 分 解 产 物 如 氨 * 三 氧化 碳 、 硫 及 光谱 特性 的 丧失 。 然 而 , 这 些 数据 提供 不 了 多少 关 于 在 生物 学 上 有 意义 的 那些 紫外 线 注 量 下 发 生 的 反 9" 151» 表 5-1 在 254nm 处 氨基 酸 的 相对 光化学 敏感 性 & & ® 8 由 (seXg) 胱 氨 酸 (一 S — S 一 键 ) 270 0.13 -35.1 色 氨 酸 2870 0.004 he Te ERA 140 0.013 1.8 栈 氨 酸 320 0.002 0.6 Ke CRA AR) 0.2 0.05 0.01 $F ARR 0.24 <0.03 <0.0072 a. 数据 引 自 参考 文献 8;97 页 。 8 是 在 254nm 处 的 摩尔 吸收 率 6 给 定 的 化 合 . 物 吸收 254nm 辐射 的 几率 ); & FEZE 254nm 处 的 量子 产 额 (吸收 的 224am 的 辐射 引起 化 学 变化 的 几率 );《〈8X 中 ) 是 某 一 个 氨基 酸 光化学 敏感 性 的 度 量 。 应 的 有 用 信息 。 在 最近 关于 苯 丙 氨 酸 的 光化学 研究 中 区 用 放 射 性 MC 选择 性 地 标记 在 不 同 的 部 位 ) 证 明 ， 在 芳香 族 氨基 酸 残 基 的 最 大 吸收 波长 (258nm) 处 照射 茶 丙 氨 酸 时 形成 了 栈 氨 i, — IEAM (Dopa) KARE PR KEARUE 高 分 子 量 的 黑 素 多 聚 物 。 以 最 大 量子 效率 发 生 的 反应 是 通过 脱羧 作用 放出 二 氧化 碳 * 这 些 结果 表明 存在 侧 链 碳 键 的 断裂 ， 并 且 由 于 所 有 的 能 量 最 初 都 是 被 苯 环 吸收 的 ， 因 而 有 理由 推 论 必 然 存在 着 能 量 的 迁移 。 人 们 认为 ， 蛋 白质 中 激发 〈 即 电子 能 量 ) 的 迁移 部 分 地 通过 共振 传递 机 制 发 生 ， 如 果 供 体 和 受 体 之 间 的 上 距离 足够 小 (~ I0nm)， 同 时 此 二 者 之 间 的 相对 方位 又 适当 ， BA RII 谱 与 能 量 受 体 的 吸收 谱 有 重 倒 的 供 体 就 可 以 把 电子 能 量 传递 给 受 体 。 由 于 能 把 葵 丙 氨 酸 、 酷 氨 酸 和 色 氨 酸 的 发 射 谱 区 别 开 来 ， 所 以 蛋白 质 的 荧光 光谱 就 可 以 给 出 在 这 些 氨基 酸 之 间 能 量 传递 方向 的 信息 。 虽 然 几 乎 总 是 可 以 观察 到 酷 氨 酸 组 分 的 HI KS REA KAMARA ARIE. Ri * 152° 酸 荧光 对 于 那些 含有 色 氨 酸 的 蛋白 质 的 总 荧光 仅仅 贡献 一 小 部 分 。 因此 , 能 量 传递 看 来 是 从 葵 丙 氨 酸 到 酷 氨 酸 再 到 色 氨 酸 这 样 进行 的 (参阅 2.7.4)。 在 上 面 提 到 的 对 苯 丙 氨 酸 所 描述 的 那 类 化 学 研究 中 ， 分 离 并 鉴定 了 这 种 氨基 酸 光化学 变化 的 原初 产物 ， 除 此 之 外 还 有 三 些 采 用 闪光 光 解 、 电 子 顺 磁 共振 技术 以 及 发 射 光 谱 的 更 精巧 复杂 的 研究 ， 这 些 研究 阐明 了 导致 光 产 物 的 某 些 光化学 中 间 产 物 。 已 经 证 明芳 香 族 氨基 酸 (RH) 由 于 被 击 出 一 个 水 合 电子 而 发 生 光 电离 (RH )。 阳 离子 自由 基 (RHY) 能 够 分 解 而 产 生 一 个 中 性 自由 基 (R "和 一 个 氢 离 子 (H+)。 然 后 中 性 氨基 栈 自由 基 和 水 合 帅 子 可 以 进行 互相 反应 ， 也 可 以 与 其 他 分 子 反 应 产生 多 种 产物 思 。 胱 氨 酸 破坏 的 产 额 在 含有 色 氨 酸 的 蛋白 质 内 要 高 得 多 ， 有 证 据说 明 色 毛 酸 敏 化 胱 氨 酸 的 光化学 变化 是 通过 放出 电子 的 机 制 。 最 容易 与 水 合 电子 反应 的 氨基 酸 是 胱 氨 酸 ,这 一 事实 与 此 观察 结果 也 是 一 致 的 ca。 很 时 我 们 就 已 经 知道 ,X 射线 的 主要 作用 是 产生 自由 基 ， 因而 辐射 化 学 实际 上 是 自由 基 的 反应 化 学 。 一 般 还 不 了 解 某 些 类 型 的 光化学 反应 (如 上 所 述 ) 也 导致 自由 基 的 产生 ， 而 且 不 论 是 以 光化学 方式 产生 的 或 以 别 的 方式 产生 的 自由 基 都 进 行 其 本 身 特 征 类 型 的 反应 。 因此 , 光化学 和 辐射 化 学 比 年 看 起 来 的 情况 更 有 共同 之 处 。 5.3.2 和 蛋白质 的 一 般 光 化 学 反应 “” 当 和 蛋白质 受到 此 外线 照射 时 ， 形 成 的 较 低 和 较 高 分 子 量 的 产物 都 有 ，, 溶解 度 发 生变 化 ,对 热 变性 的 敏感 性 增加 ， 胰 蛋 白 酶 对 它 的 消化 率 增加 以 及 光学 和 物理 特性 发 生 改 变 。 但 是 一 般 说 来 ， 要 在 比 使 酶 钝 化 高 很 多 的 紫外 线 注 量 下 才 出 现 这 些 变化 ua。 ©1536 5.3.3 酶 的 光化学 印 化 长 期 以 来 建立 了 两 种 不 同 的 酶 的 钝 化 机 制 的 理论 ，Mc- Laren 和 Hidalgo-Salvatierra 认为 :作为 一 级 近似 ;任何 氨基 酸 残 基 的 改变 都 会 引起 酶 的 钝 化 。 如 果 把 各 个 氨基 酸 的 量 (eX 由 ) ( 它 是 每 种 氨基 酸 的 光化学 敏感 性 的 一 个 量度 ,参阅 表 5=1) 乘 以 该 氨基 酸 在 蛋白 质 中 的 数目 (n), 然 后 把 它们 相 加 并 除 以 酶 的 摩尔 吸收 率 ,我 们 就 能 算出 使 酶 钝 化 的 量子 产 额 , 这 个 计 . 算 值 在 某 些 情况 下 很 接近 于 观测 到 的 量子 产 额 。 在 表 .5-2 中 所 列 出 的 10 种 蛋白 质 中 ;有 7 种 所 计算 的 量子 产 额 与 实验 测 定 值 相差 不 超过 一 倍 。 对 于 羧 肽 酶 、 胃 蛋白 酶 和 胰岛 素 就 不 大 符合 这 个 假设 了 。 作者 们 自己 已 经 指出 了 这 些 计算 的 革 些 缺点 ， 因 为 不能 保证 每 一 种 氨基 酸 的 摩尔 吸收 率 或 者 量子 产 额 (在 给 定 pHE 和 波长 下 ) 在 蛋白 质 中 和 在 游离 溶液 中 都 是 相 疝 的 ; SRE. 有 些 证 据 表 明 , 当 氨基 酸 参 人 蛋白 质 时 这 些 数 值 便 发 生 了 变化 。 此 外 我 们 知道 ， 在 一 给 定 的 蛋白 质 内 并 不 是 所 有 的 氨基 酸 残 基 对 于 酶 的 功能 都 具有 同等 的 重要 性 。 对 于 研究 过 的 少数 几 种 蛋白 质 来 说 ， 虽 然 在 其 他 波长 上 存在 较 大 的 差别 ,但 在 254nm 波长 上 的 吸收 与 游离 氨基 酸 的 当量 混合 物 的 吸收 没有 显著 差别 ， 这 一 事实 加 上 在 表 ,5-2 中 引证 的 计算 和 测定 的 量子 产 额 之 间 相 当 一 致 就 可 以 认为 ,在 一 定 的 条 件 下 ， 氨 基 酸 残 基 实际 上 是 不 受 其 周围 分 子 影响 的 独立 的 光 吸 收 体 。 因 此 ，McLaren 等 人 得 出 结论 : 为 了 解释 光化学 钝 化 不 一 定 要 求助 于 在 酶 分 子 内 发 色 团 之 间 的 能 量 传 Ho 但 是 ，Augenstein 和 Riley 对 于 这 一 结论 表示 反对 "9。 他 们 提出 一 种 理论 ， 认 为 紫外 线 使 酶 纯化 是 由 于 特异 胱 氨 酸 残 +1546 基 的 破坏 和 维系 酶 的 活性 中 心 空 间 完 整 性 的 氨 键 破坏 的 结 果 s 他 们 的 理论 强调 在 此 过 程 中 能 量 迁 移 的 重要 性 。 与 这 些 候 定 相 一 致 的 是 这 样 的 观察 结果 ， 核 糖 核酸 酶 上 的 光化学 损伤 eo Oo NST ON b. [ og a 表 5-2 计算 的 和 实验 得 到 的 254nm 的 紫外 线 使 酶 钝 化 的 量子 产 额 ** 发 ” 色 Gi xk FY ms & A a anes Denner eee ee Cys|His|Phe|Trp| Tyr} 实验 值 证 算 值 ? . FBR 2 15 | 6 | 20 0.001¢ 0.01 。 胰 凝 乳 蛋白 酶 5 ET 0.005 0.01- (0.007)4 . KAR Subs biysd} Bry 2 0.024 0.014 _ (0.0097)4 . BSH 3/2] 91 4 | 16 0.002 0.01 | (0.006)4 。 核 糖 核酸 酶 414] 3}01] 6) 0.027 0.03 | (0.026)4 。 枯 草 杆 菌 蛋白 酶 A 0; 5] 4] 1413] 0.007 0.0051 - 枯草 杆菌 蛋白 酶 B 4 0.006 0.011 . (Japanese Nagarse) | 0| 6] .31413101 0.007 0.01 . RES eee Ao Aho. Gon 0.02 (0.014)4 - 胰岛素 18] 12] 18} 0 |24] 0.015 0.06 : 数据 取 自 参考 文献 15。 PENZ = DS 28D j/Een.( Bld .3.3), R. Piras 和 B. L. Vallee WHRKMBNE TREE T Me [ Biochemistry 6，2269〈1976)] :为 0.0049, 这 就 使 计算 值 (0.01) 与 观测 值 相差 一 倍 左右 。 更 新 的 资料 指出 ( 据 Piras 和 Vallee 的 引证 )， 羧 肽 酶 不 含 二 硫 键 (S 一 S)。 如 采 在 计算 中 只 采用 胱 氨 酸 残 基 而 不 是 用 所 有 吸收 紫外 线 的 氨基 酸 ， 在 观 察 和 计算 的 量子 产 额 之 间 常 可 得 到 更 好 的 吻合 。 作为 一 种 特殊 条 件 下 的 公 式 ? 这 样 做 是 允许 的 。 但 是 必须 说 明 ,McLaren 和 Hidalgo-Salvatierra 所 说 的 那 段 话 一 一 在 蛋白 质 内 吸收 量子 的 部 位 和 光化学 反应 的 部 位 是 同一 部 位 ， 而 且 不 需要 求助 于 在 吸收 分 子 内 吸收 的 能 量 从 一 种 生 色 团 迁 移 到 另 一 种 生 色 团 的 机 制 “22 ,不 是 对 所 有 和 蛋白质 都 能 成 立 的 。 “<(1) RA Cys RRA ALD A» AR ALE DEAR; (2) Japanese Nagarse 是 日 本 产 的 一 种 酶 的 商品 名 ;(37) 核 糖 核酸 酶 的 Tyr 数 原文 16 系 误 写 。 。，155。 a ee ee - ” ” ‘> i) = 7 是 非 随机 的 ;在 其 活性 丧失 之 前 ,四 个 组 分 胱 氨 酸 之 中 至 少 两 个 或 许 三 个 必然 受到 破坏 ， 也 就 是 说 对 光 最 敏感 的 胱 氨 酸 对 于 酶 的 活性 并 不 每 个 都 是 关键 的 。- 胰 蛋 白 酶 和 溶菌 酶 的 情况 与 此 类 似 ， 对 光 最 敏感 的 胱 氨 酸 的 完整 性 看 来 对 于 保持 酶 的 活性 也 不 是 关键 性 的 > 但 是 在 胰岛 素 , 所 有 三 个 胱 氨 酸 看 来 对 其 活性 都 是 关键 性 的 ,而 且 有 大 约 相等 的 光敏 感性 。 在 不 同 的 蛋白 质 中 胱 氨 酸 敏感 性 土 的 这 些 差 别 必然 特异 性 地 依赖 于 发 色 基 团 之 间 的 能 量 传递 和 化 学 反应 。 胱 氨 酸 的 破坏 在 含有 色 氨 酸 的 那些 蛋白 质 中 要 大 得 多 。 有 证 据说 明 ， 由 于 酶 的 三 级 结构 而 不 是 其 一 级 结构 使 靠 近 色 氨 酸 的 胱 氮 酸 成 为 对 光 最 敏感 的 胱 氨 酸 。 关于 紫外 线 照射 使 酶 钝 化 的 机 制 ， 虽 然 在 我 们 面前 看 来 有 两 个 相反 的 结论 ,但 是 下 这 样 的 结论 或 许 更 为 输 雪 :这 种 理 论 对 这 种 酶 是 正确 的 , 那 种 理论 对 那 种 酶 也 是 正确 的 。 ER 些 氨基 酸 能 够 作为 与 其 他 组 分 独立 无 关 的 吸收 体 看 待 ， 并 且 光化学 钝 化 事件 显然 是 随机 发 生 的 蛋白 质 中 ， 必 然 存 在 有 独 特 的 结构 特征 或 独特 的 氨基 酸 序列 ,而 在 另 一 些 蛋白 质 中 ;不 同 的 结构 特征 则 导致 相反 的 结果 。 即 非 随机 的 光化学 事件 以 及 在 酶 的 钝 化 中 包含 有 能 量 的 迁移 ts CR 5. 3.4 结 论 近年 来 ,由 于 在 核酸 光化学 方面 的 研究 莲 勃 兴起 ,使 得 对 氨基 酸 和 蛋白 质 的 光化学 兴趣 大 为 逊色 。 然 而 ,只 有 了 解 了 核 . 酸 和 和 蛋白质 这 两 者 的 光化学 ， 我 们 才能 正确 理解 紫 处 线 对 细 胞 的 作用 机 制 。 人 们 发 现在 细胞 和 病毒 内 蛋白 质 和 核酸 相互 之 间 发 生 光 化 学 反应 ，- 这 个 发 现 不 可 避免 地 使 得 在 氨基 酸 和 蛋白 质 的 光化学 反应 方面 的 研究 重 又 开展 起 来 ， 特 别 是 在 有 + 1506。 其 他 壬 物 分 子 参加 的 情况 下 研究 氨基 酸 和 和 恒 白质 的 光化学 反 ”应 。 5.4 光化学 损伤 的 修复 二 ”1 5.4.1 引言 细胞 可 能 具有 从 辐射 损伤 中 恢复 过 来 的 能 力 的 第 一 个 局 示 是 看 到 在 细胞 的 处 理 上 较 小 的 变动 (例如 生长 培养 基 ` 刘 度 等 等 ) 对 受 照 射 细胞 的 存活 能 力 发 生 明 显 的 影响 在 1937 年 ， Hollaender 和 Claus 发 现 ， 如 果 在 琼脂 培养 基 上 接种 之 前 把 R 外 线 照 射 过 的 真菌 孢子 在 水 或 盐 溶 液 中 保持 一 段 时 间 ， 就 可 以 得 到 较 高 的 存活 水 平 Roberts 和 Aldous 扩 展 了 这 些 观察 ,他 们 证 明 : 只 要 在 接种 到 琼脂 培养 基 上 之 前 把 受 照射 的 细胞 在 缺乏 能 量 来 源 的 介质 中 保持 不 同时 间 ， 就 可 以 使 大 肠 杆 效 B 的 紫外 线 照 射 存活 曲线 形状 发 生 相 当 大 的 改变 吧 CAI 5-7)。 这 个 现象 叫做 小 体 保持 的 恢复 (LHR)， 已 经 证 明 这 种 现象 需要 完整 无 损 的 uvyr 基因 ,此 基因 是 控制 切除 修复 第 一 步 的 基因 《参阅 下 文 )。 Abt, 看 来 把 细胞 保持 于 没有 营养 的 介质 中 会 提高 切除 修复 过 程 的 效率 8?"。 不 像 液 体 保持 的 恢 复 那 样 明 随 其 分 子 基础 的 其 他 恢复 现象 已 经 有 人 作 了 综 述 929] 辐射 存活 曲线 不 同形 状 的 意义 的 重新 解释 也 导出 了 某 些 细胞 能 够 修复 辐射 损伤 的 假说 。 REAR MHC, 存活 曲线 的 肩 应 该 表明 有 多 个 靶子 或 对 靶 的 多 次 击 中 )。 但 是 ， 大 肠 杆 戎 的 一 些 关系 很 近 的 突变 型 预料 不 会 有 数目 或 类 型 相 差 很 多 的 靶 , 然 而 它们 的 存活 特征 曲线 却 明 显 不 同 ( 图 5=8)。 抗 辐 射 较 强 的 菌株 的 存活 曲线 的 肩 被 重新 解释 为 这 些 细胞 修 复 辐射 损伤 的 能 力 的 体现 22。 于 是 , 存活 曲线 的 户 就 代表 着 。 1357。 4.5 存活 率 {%) O,| 160 40 80 120 紫外 辐射 注 量 ( 相 对 单位 ) 图 5-7 ”大 肠 杆菌 的 紫外 线 照射 存活 曲线 。 照 射 后 在 接种 到 琼脂 培养 基 上 之 前 把 受 照 射 的 细胞 悬浮 于 缺少 能 量 来 产 的 流体 介质 里 保持 图 中 所 标的 时 间 。 显然 ， 细 胞 的 这 种 照 后 处 理 可 以 改变 存活 曲线 的 斜 率 和 形状 ( 转 引 自 文献 [18])。 细胞 能 够 在 多 大 剂量 范围 内 克服 产生 的 损伤 。 在 存活 曲线 变 得 陡峭 的 较 高 剂量 上 ， 或 者 是 修复 系统 本 身 可 能 被 辐射 所 钝 化 ， 或 者 在 DNA 中 的 损伤 数目 可 能 超过 了 修复 系统 对 付 这 种 损伤 的 能 力 。 和 158 。 40 60 120 紫外 辐射 注 量 (Jm”) 5-8， 不 同 的 大 肠 杆菌 B 的 突变 型 的 紫外 线 存活 曲线 。[ 转 5|— R. H. Haynes, Photochem. Photobiol. 3, 429(1964)] Wii 2p FETE ne A RE JL CR 5-9) 和 SLAPS ae Tr AE (ERR TGE, AE RSET Be 损伤 的 酶 促 机 制 的 存在 及 其 重要 性 。 5.4.2 ”关于 光化学 损伤 的 修复 机 制 为 大 量 资料 所 证 明 的 有 三 种 修复 模型 : C1) 分 子 的 损伤 部 分 在 原 位 恢复 其 功能 状态 。 这 可 能 是 由 于 损伤 自发 的 衰减 为 一 无 害 的 形式 ， 例 如 喀 啶 水合 物 的 脱水 或 目 由 基 复 合 产生 一 复原 的 分 子 ( 例 如 R'` 十 瑞 ' 一 >RH); 或 者 这 可 能 是 通过 某 些 酶 促 机 制 来 实现 的 ， 例 如 光复 活 作 Filo 光复 活 是 通过 可 见 光照 作为 动力 的 环 丁 烷 型 旷 啶 二 聚 体 ry 159 e 5-9 在 大 肠 杆 菌 中 影响 辐射 敏感 性 的 突变 ( 见 下 表 )。[ 转 引 自 B.J Bachmann, K. B. Low 和 A.L.Taylor，Bactefiol. Rev.40,116(1976) } 突变 体 命 名 lex(exr) lon phr polA(res) polB polC(dnaE) recA recB,C recF uvrA,B uvrC uvrD lig 缺少 的 功能 复制 后 修复 (PRR); 切除 修复 CER) 有 中 隔 形成 ( 即 形成 丝 状 体 ) 光复 活 酶 DNA 多 聚 酶 1，ER DNA 4 3@4@ Il, ER DNA #4 i ARI, ER 重组 ; PRR; ER 重组 ;外 切 酶 V; PRR; ER 重组 ; PRR 核酸 内 切 酶 ; ER ER PRR; ER % RAPHE HEN; ER, PRR 在 原 位 的 酶 促 裂 解 ， 它 是 在 分 子 水 平 阐明 的 第 一 个 修复 系 He 13), ; 1949 年 Kelner 观 察 到 ,如 果 受 紫外 线 照 射 的 细菌 接着 用 很 强 的 蓝光 照射 ， 那 么 其 细胞 的 存活 率 可 区 大 大 增加 。1960 年 Rupert 证 明了 光复 活 酶 的 存在 ,并 和 弄 清 了 它 的 基本 特性 在 暗 条 件 下 ,这 种 酶 与 紫外 线 照 射 的 DNA 结合 形成 一 个 酶 - 底 物 复 合 物 。 吸 收 320nm 和 410nm 之 间 的 光 就 使 这 个 复合 物 激活 , 底 物 就 由 环 丁 烷 型 喀 啶 二 聚 体 转化 为 单 体 喀 啶 ,同时 释放 出 酶 。 在 一 定 的 条 件 下 ,多 达 80 匈 的 由 低 注 量 的 254nm 的 紫外 线 在 细菌 中 引起 的 致死 损伤 可 以 受到 光复 活 ， 这 就 表明 了 作为 臻 死 损伤 的 喀 啶 二 聚 体 的 重要 性 。 从 最 简单 的 活 细胞 支原体 到 人 的 皮肤 和 白血球 ,在 很 多 种 生物 里 都 找到 了 光复 活 酶 29。 (2) 去 掉 DNA 链 的 损伤 片段 并 以 未 损伤 的 核 昔 酸 代 之 ， 从 而 恢复 DNA 的 正常 功能 。 这 一 机 制 是 以 通常 叫做 “切割 和 修补 ”的 切除 修复 系统 为 基础 的 世 屯 约 。 它 是 第 一 个 发 现 的 瞳 修复 机 制 ， 所 以 叫 瞳 修复 是 为 了 与 以 可 见 光 为 动力 的 光复 活 机 制 相 区 别 。 已 经 证 明 切 除 修复 系统 可 以 修复 一 系列 辐射 和 化 学 物质 引起 的 _DNA 上 的 结构 缺陷 ,但 是 最 初 观察 到 的 还 是 对 于 修复 紫外 线 引 起 的 环 丁 烷 型 喀 啶 二 聚 体 的 一 种 机 制 。 图 5-10 给 出 在 切除 修复 中 包含 的 可 能 步骤 的 图 示 说 明 。 在 这 一 修复 系统 中 第 一 步 是 损伤 (或 许 有 时 是 DNA 螺旋 的 变形 ) 的 辨认 ,以 及 在 靠近 损 衔 部 位 的 DNA 链 上 切断 (内 切 步骤 )。 然 后 通过 DNA RA ABATE FALL DNA 的 另 一 条 互补 链 为 模板 开始 重新 合成 (修复 复制 );， 然 后 把 损伤 切 去 而 完成 切 除 过 程 ;最 后 当 切 去 的 那 一 段 由 未 受 损伤 的 核 苷 酸 填 满 时 , 通 过 多 聚 核 苷 酸 连接 酶 使 单 链 中 断 处 连接 起 来 ， 于 是 得 到 修复 A DNAs 最 近 对 切除 修复 的 酶 学 已 有 综述 中 他 7 切除 修复 可 以 分 两 条 途径 图 5-11)。 :在 主要 途径 上 ， es。 161 。 BA (wr4,82 BBA DS) BROS gos er as ALLLILIELI LL, 2 修复 复制 (DNA 2G I) ! oe i | 切除 人 TOT TT 一 TTTTTTT BR (SRBSREESB) SURE SEE SLEW EER CESS SE 图 5-10 切除 修复 主要 途径 的 一 般 模式 。 一 个 酶 先 辨认 出 损伤 ， 这 里 是 用 环 丁 烷 型 喀 啶 二 聚 体 来 表示 的 ?然后 在 DNA 链 上 切 开 一 个 切口 。 再 用 DNA 的 另 一 条 互补 链 作 为 模板 开始 修复 复制 ( 粗 线 )。 最 后 ,把 DNA 的 损伤 部 分 切除 ， 并 把 DNA 链 上 的 断口 连接 起 来 。 垂 直 箭头 表示 核酸 酶 在 损伤 的 DNA 链 上 切 开 的 位 置 ， 水 平 箭头 表示 修复 复制 的 方向 ,复制 从 DNA 的 3"O 了 末端 开始 [ 转 引 自 P. C. Hanawalt, Endeavour, 31, 83—87 (1972)], 修复 可 以 在 缓冲 液 中 进行 并 需要 DNA 聚合 酶 , KGPolA ) 在 缺少 这 种 酶 的 情况 下 ( 即 在 PolAr7 突变 型 的 情况 )7 DNA 聚合 酶 I (PolCt) 可 部 分 地 代替 之 。 次 要 的 途径 (对 修复 损伤 的 数目 而 言 ) 需要 完善 的 生长 培养 基 和 若干 基因 产物 。 BRE 径 明显 地 引起 突变 ， 大 概 是 由 于 错误 修复 所 致 。. 虽 然 根 « 162 。 foo A at ai RRS ae ae “ip he gl a aa yee 据 几 个 必需 的 基因 产物 勾画 出 了 这 两 条 途径 ;但 很 清楚 ,对 于 完成 各 个 途径 的 修复 将 会 需要 比 在 图 5-11 中 表示 出 的 更 多 的 基因 产物 ( 酶 ? )。 例 如 ,如 果 DNA 的 链 断 裂 是 作为 修复 的 一 个 步 聚 产生 的 ,于 是 为 了 使 链 重 新 接 起 来 (图 5-10) 就 需要 多 聚 核 昔 酸 连接 酶 。 对 于 由 X 射线 照射 产生 的 DNA 单 链 断 裂 的 修复 已 证 明 同样 是 这 些 途径 ca。 AK sR ”上 生长 培养 基 不 限 条 件 的 ”有 条 件 的 图 ?-11 大 肠 杆菌 中 切除 修复 的 不 同 途 径 之 遗传 和 生理 控制 。 虽 然 仅 仅 是 根据 必需 的 几 个 基因 产物 来 匀 画 这 些 途 径 y， 但 是 为 完成 每 一 途径 的 修复 所 需 的 基 Ary DRS A LARS SS. EA 5-9 中 定义 过 各 种 突变 型 。 毛 霉 素 (CAP)、 二 硝 基 苯 酚 CDNP) 和 混合 琼脂 培养 基 抑 制 与 生长 培养 基 有 关 的 途 径 [ 转 引 自 D. A. Youngs, E. Van der Schueren 和 K. C. Smith, J. Becteriol. 117, 717—725 (1974) ], 哺乳 动物 细胞 内 切除 修复 的 研究 使 我 们 看 到 ， 致 冶 作 用 和 了 DNA 的 修复 缺陷 之 间 有 明显 的 联系 2 ,大 们 发 现 从 患 有 遗 传 着 色 性 干 皮 病 患者 身上 取 下 的 成 纤维 细胞 在 紫外 线 照 射 后 ws 163 。 dl ae ee VF Pea ed ™ 修复 复制 的 水 平 非常 低 。 有 人 认为 这 种 切除 修复 上 的 缺陷 可 能 与 得 这 种 病 的 患者 在 受到 阳光 照射 时 就 会 造成 引起 致命 的 RKBAKA. 最 近 有 人 报道 , 还 有 一 些 着 色 性 于 皮 病 的 患 A Aris“ XP 变态 体 ”) ,他 们 的 皮肤 细胞 具有 正常 水 平 的 切除 修复 ， 但 在 复制 后 修复 上 稍 有 缺 欠 (复制 后 修复 的 定义 见 下 文 )。( 人 参阅 文献 [17], 第 617 WW). (3) 其 损伤 虽 非 直接 被 修复 ,但 是 可 以 忽略 或 者 绕 过 , 丢 失 的 遗传 息 信 可 以 由 细胞 内 多 祭 的 信息 去 填补 叫 ”2。 多 方面 的 证 据 表明 ， 修 复 的 切除 模型 并 不 是 细胞 能 在 暗 条 件 下 修复 | 其 DNA 辐射 损伤 的 唯一 机 制 。 第 一 个 证 据 是 , 既 不 能 切除 修 复 (uvr) 又 不 能 遗传 重组 (rec) 的 细菌 细胞 碟 只 带 有 其 中 之 一 种 突变 的 细胞 对 紫外 线 致死 要 敏感 得 多 (图 5-12)。 这 说明 在 遗传 重组 中 的 某 些 步骤 在 辐射 损伤 的 修复 中 可 能 是 重要 的 。 (在 遗传 重组 时 ,把 取 自 -父亲 ”细菌 的 DNA 注入 母亲 细菌， 于 是 给 体 的 DNA 与 受 体 的 DNA 结合 , 结果 是 子 代 细胞 包含 有 来 自 双 亲 的 遗传 信息 。) 第 二 个 证 据 是 ; 当 把 uvr 细胞 接种 在 最 低 限 度 的 培养 基 上 时 ， 它 的 活力 的 恢复 比 种 在 较 完 全 培养 基 上 的 情况 要 多 ( 即 最 低 限 度 培养 基 恢 复 ), 这 个 事实 表明 , 缺 乏 切 除 作 用 的 细胞 仍然 能 修复 辐射 损 符 。 为 了 表现 出 最 低 限 度 培养 基 恢 复 ,细胞 必须 是 rect 型 的 。 第 三 个 证 据 是 ,有 人 已 经 证 明 ,与 早期 资料 的 解释 相反 , 像 喀 啶 二 聚 体 这 样 的 光 产 物 不 会 永久 地 阻塞 缺乏 切除 修复 方式 的 细胞 中 的 DNA 合成 。 第 四 个 证 据 是 ;大 肠 杆 菌 K12 细胞 在 紫外 线 照 射 之 后 立即 合 成 的 DNA ,在 碱 性 蔗糖 衫 度 条 件 下 分 析 时 有 碎 的 片段 。 在 缺 乏 切 除 修 复 的 细胞 中 ,重新 合成 的 DNA 的 平均 长 度 近 似 等 于 亲 代 DNA 链 上 喀 啶 二 聚 体 之 间 的 距离 。 但 是 在 细胞 进一步 培养 以 后 ,这 些 碎 的 片段 消失 了 ,这 时 合成 的 DNA 的 长 度 近 似 等 于 未 照射 的 对 照 细 胞 的 DNA 的 分 子 大 小 6 这 就 表明 , 复 es 1646 10° 细胞 存活 分 数 5 10 紫外 辐射 注 量 (J mv) 图 5-12 AMR K12 突变 株 的 紫外 线 存活 曲 线 。 这 些 突变 型 已 在 图 -9 中 定义 过 了 [ 转 引 自 P. Howard-Flander 和 R.P. Boyce, Radiat. Res. Suppl. 6, 156 (1966)], 制 后 修复 方式 看 来 是 通过 在 遗传 重组 中 涉及 到 的 某 些 酶 为 中 间 媒 介 s 图 5-13 中 图 示 了 这 一 过 程 。 现在 可 以 把 复制 后 修复 分 为 斤 个 途径 (图 5-14)。 在 recA 突变 型 内 不 填充 重新 合成 的 子 代 DNA 链 上 的 间隙 。recB、 exrA (lexA) 和 uvrD 菌株 都 只 是 部 分 地 缺乏 (和 增加 ) 它们 修 复 间 隙 的 能 力 。 和 氧 霉 素 (一 种 蛋白 质 合成 抑制 剂 ) 部 分 地 阻塞 间隙 的 填补 ， 但 是 ， 如 果 细 胞 是 exrA (lexA)、uvrD 或 recB 罕 变型 , 氯 霉 素 就 不 能 阻塞 间隙 的 填补 ,这 说 明 除 了 它们 独立 的 功能 表现 之 外 ,还 必然 有 需要 所 有 这 三 种 基因 产物 共同 作用 的 另 二 种 途径 。 已 经 证 明 recF 突变 在 复制 后 修复 中 的 作用 是 ws 1656 ee ee eg meeereneereemeeeeeeneacaaura 和 mo b) | ————— ani ”卫生 本 ee ee fer ess a —— 7 aw acon = wn eee ee ee ny ee eee Ve me nite ae Ve 5-13 ”紫外 线 损伤 的 DNA 复制 后 修复 的 模式 。 (a) 圆 点 表示 在 DNA 两 条 链 上 所 产生 的 光化学 损伤 ; (b) DNA 合 成 越过 母体 链 中 的 损伤 部 位 进行 ， 在 子 代 链 上 留 下 间隙 ;(《c) 通过 重组 过 程 用 母体 链 上 的 物 质 把 子 代 链 中 的 间 险 填 满 (取决 于 功能 基因 recA-); (4) 通过 修复 复制 把 母体 链 上 的 间隙 修复 。 读者 要 ILE FR (c) A (4) 是 高 度 设 想 性 的 * AAR. 的 资料 时 ,它们 可 能 要 加 以 修改 ( 转 引 自 文献 [19])6”- 与 recB 无 关 的 ;是 否 与 exrA(lexA) 和 uvrD 无 关 ， 至 今 仍 未 确 定 。 除 了 在 图 5-14 中 表示 出 的 基因 产物 之 外 ,为 了 要 完成 经 由 这 些 途 径 的 修复 , 无 疑 将 需要 核酸 酶 多 聚 酶 、 连 接 酶 等 等 的 作用 。 这 些 途 径 的 专 一 性 尚 待 阐明 。 当 我 们 以 在 一 定 注 量 的 紫外 线 照 射 之 后 存活 的 每 个 细胞 的 突变 数 作 图 时 ,uvrA 和 uvrB 菌株 看 来 要 比 野 生 型 细胞 更 易 突变 。 这 样 我 们 就 可 以 认为 ,复制 后 修复 (显然 在 周二 菌株 中 只 保留 有 了 暗 修复 型 ) 由 于 错误 修复 而 导致 突变 。 支持 这 一 观点 的 观测 结果 是 , 不 能 进行 复制 后 修复 的 reccA 和 exrA "166。 feck? CAP uvrD exrA rec8 图 5-14 大 肠 杆 菌 中 复制 后 修复 的 不 同 途 径 的 基因 Bil, 虽然 这 些 途 径 是 在 只 有 几 种 必需 的 基因 产物 的 基础 上 勾画 出 来 的 ,但 很 清楚 , 要 完成 各 途径 上 的 修复 将 会 需要 比 所 表示 出 的 数目 多 得 多 的 基因 产 物 。 在 图 5-9 中 已 定义 过 这 些 突变 型 。 照 后 用 氧 霉 素 (CAP) 处 理 抑制 可 能 由 于 错误 修复 而 产生 突变 的 复制 后 修复 的 次 要 途径 [ 引 自 D. A. Youngs AIK. C. Smith, J. Bacteriol., 125, 102—110 (1976)], ClexA ) Balt AN BE EH BS Shoe BREE LEG SE Fl 5 sks WE — 2 8 变 。 5.4.3 结论 我 们 不 能 不 为 细胞 所 具有 的 修复 途径 的 多 样 和 精巧 所 折 Ito 到 个 系统 能 够 在 非 生 长 条 件 下 修复 母 链 上 的 损伤 ， 而 另 一 个 系统 则 去 修复 子 链 上 的 间隙 ， 这 种 修复 只 能 在 完备 的 培 养 基 条 件 下 出 现 。 细 胞 的 相当 大 百分数 的 能 量 要 消耗 在 酶 的 SRE, 以 便 修 复 和 维持 其 DNA 内 遗传 密码 的 完整 性 。 但 是 有 证 据 表明 ， 这 些 修 复 系统 不 只 是 为 修复 对 DNA 的 辐射 或 化 学 损伤 才 设立 的 ， 而 看 来 是 在 细胞 的 日 常生 活 中 必 备 的 «167° 功能 。 这 一 结论 是 建立 在 这 样 的 观察 结果 上 的 ,虽然 某 些 有 修复 缺陷 的 突变 型 在 无 辐射 条 件 下 正常 生长 ， 但 是 缺少 两 个 修复 系统 的 突变 型 (例如 PolA recA) 是 不 能 生存 的 。 因 此 , 正 背 的 生长 过 程 可 以 在 DNA 土产 生 斯 有 裂 或 其 他 损伤 ， 而 为 了 维持 其 生活 能 力 就 必须 把 它们 修复 起 来 。 DNA 修复 过 程 的 发 现 极 大 地 推动 了 分 子 生 物 学 、 遗 传 学 、 瘤 生物 学 以 及 衰老 的 研究 。 DNA 修复 的 发 现 和 阐明 可 算是 紫外 光 生 物 学 家 和 辐射 生物 学 家 对 科学 发 展 所 做 出 的 最 重要 的 贡献 。 5.5 至 OR PZ117530-34] | 紫外 线 是 一 个 很 有 效 的 致 突 因素 。 在 低 注 量 紫外 线 情况 下 ， 细菌 的 突变 频率 可 能 会 增加 到 自然 突变 水 平 的 192 到 10° 倍 , 而 在 高 注 量 紫外 线 情况 下 ,几乎 所 有 存活 下 来 的 细胞 都 可 Base EE Se ee 全 全 本 和 时 的 作用 光谱 很 像 核酸 (DNA) 的 吸收 光谱 。 因 此 , 为 了 了 解 致 突 的 分 子 基 础 ， 我 们 就 必须 从 复制 和 修复 两 方面 来 了 角 DNA 的 生物 化 学 。 5.5.1 DNA 上 导致 突变 的 变化 at “Se 第 一 种 类 型 的 变化 是 一 种 碱 基 对 被 另外 一 种 碱 基 对 取 fi, 这 种 取代 可 能 有 两 种 : 换 同 型 碱 基 的 取代 和 换 异 型 碱 基 的 取代 。 在 换 同型 碱 基 的 情况 下 ,在 一 个 DNA 链 目 的 某 一 呆 吟 碱 基 由 另 一 种 厢 叭 取代 (如 G—>A), BRIE — ME 障 啶 所 取代 (如 C—+T )o 在 换 有 异型 碱 基 的 情况 下 * 某 一 叮 聆 由 某 一 旷 啶 所 取代 ， 或 者 某 一 喀 啶 被 某 一 厌 叭 取代 [ 即 《G 或 A)-——>(C K T)]o * 1686 ) 第 三 种 类 型 的 致 突变 化 是 碱 基 对 的 缺失 或 插入 ,， 因 而 产 -” 生 移 码 突变 。 加 进 或 去 掉 一 个 碱 基 对 将 会 改变 合成 蛋 白 质 的 ”遗传 密码 的 连续 性 ， 其 结果 或 是 由 于 无 意义 密码 子 而 使 多 肽 链 终止 《无 意义 密码 子 即 不 为 氨基 酸 编 码 的 核 背 酸 三 联 kK), 或 是 在 酶 中 插 人 一 个 不 正确 的 氨基 酸 ， 众 而 使 其 钝 化 〈 误 义 )。 5.5.2 和 致 突 的 分 子 机 制 二 在 产生 突变 时 存在 两 种 一 般 的 分 子 机 制 。 一 个 存活 下 来 的 细胞 可 以 因为 一 个 未 修复 的 DNA 损伤 在 DNA 复制 期 间 产生 错误 而 发 生 突变 。 我 们 已 经 讨论 过 (5.2.3 节 ), 胞 喀 啶 的 光 水 合 物 在 体外 的 酶 系统 中 译 码 为 腺 味 叭 而 不 是 鸟 味 吟 。- 然 而 由 于 紫外 线 不 会 引起 recA 和 lexA (exrA) 菌株 突变 ( 见 下 文 ), 虽 然 在 这 些 菌株 中 可 以 通过 用 某 些 化 学 药品 处 理 而 引起 突变 ;但 这 样 直接 导致 突变 的 光化学 损伤 在 活体 内 谅 必 少见 。 目前 在 若干 实验 室 正 积极 研究 之 中 的 第 二 种 机 制 是 基于 这 样 一 种 假说 ， 即 一 种 诱发 的 有 差错 的 修复 系统 在 恢复 一 个 可 存活 的 DNA 结构 的 过 程 中 改变 了 .DNA 的 碱 基 顺 序 。 这 个 概念 部 分 地 是 根据 如 下 的 观察 结果 ， 大 肠 杆 菌 的 某 些 修复 能 力 有 缺陷 的 菌株 [BY recA 和 lexCexrA)]) 不 会 由 于 紫外 线 而 进一步 突变 ,这 些 菌 株 也 缺少 一 些 别 的 由 辐射 诱发 的 功能 , 例 如 形成 丝 状 体 和 引入 ,1 噬菌体 的 功能 wo。 人 人 们 认为 导致 突变 的 有 差错 的 修复 是 经 由 两 个 基本 途径 实现 的 。 在 一 种 过 程 中 ;突变 看 来 是 通过 由 recA 和 lex(exrA) 控制 的 次 要 修复 系统 错误 地 修复 了 在 切除 旷 喧 二 聚 体 和 其 他 光 产 物 之 后 留 在 DNA; 上 的 间隙 所 引起 的 。 另 一 突变 过 程 看 来 和 DNA 上 的 光 产 物 直到 复制 时 仍 未 切除 有 关 ， 在 这 种 情 况 下 复制 时 ,由 于 有 差错 地 修复 新 合成 的 对 应 于 亲 代 DNA 链 。 169» 的 损伤 区 域 的 子 代 DNA 链 内 所 形成 的 间隙 就 产生 了 突变 [ 即 复制 后 修复 也 受 recA 和 lex(exrA ) 基 因 的 控制 ]。 突变 的 产 额 对 紫外 线 注 量 的 响应 曲线 非常 符合 注 量 平方 WKAR, 人们 在 解释 这 种 关系 时 提出 下 列 看 法 : 为 了 产生 一 个 突变 需要 在 细胞 里 产生 两 个 损伤 ， 其 中 之 一 可 能 用 来 诱发 BARNES AB". 5.5.3 研究 致 突 所 用 的 方法 因 细 菌 生长 迅速 而 且 容 易 大 量 获 得 ， 因 而 它 是 研究 致 突 的 常用 材料 。 所 研究 的 突变 类 型 是 那些 可 用 简便 的 方法 进行 检验 的 突变 型 。 因 此 大 多 数 研究 是 观察 细菌 所 获得 的 抗 噬 菌 体 或 抗 抗 菌 素 致死 的 能 力 和 观察 向 原 质 营养 型 的 逆转 ( 即 ; 营 养 缺 陷 型 的 细菌 为 了 其 生长 可 能 需 某 种 氨基 酸 ， 而 原 质 营养 型 细菌 则 不 需要 )。 向 原 质 营养 型 逆转 是 最 常用 的 检验 方法 ， 这 是 因为 用 它 不 难 探测 到 很 低 的 突变 率 , 并 可 以 用 同样 的 培养 基 ( 含 一 1xg/ ml 所 需 氨 基 酸 的 部 分 浓 集 培养 基 ) 计 数 突变 和 存活 。 测定 存活 时 接种 的 密度 很 低 ， 这 时 营养 缺陷 型 形成 小 的 但 是 可 以 看 得 见 的 菌落 ; 为 了 计数 突变 ， 接 种 的 细胞 密度 很 高 ,这 时 营养 缺陷 型 的 细胞 形成 了 一 块 有 界限 的 细胞 * 草 地 史 以 这 块 “ 草 地 ”为 背景 , 原 质 营养 型 突变 体 则 形成 大 的 菌落 为 了 计数 天 然 存 在 的 突变 ( 即 无 紫外 线 照 射 情况 下 ) 的 频率 ， 就 必须 把 细胞 接种 在 完全 没有 所 需 氨 基 酸 的 培养 基 里 。 带 有 一 种 新 的 属于 原 质 营养 型 突变 的 营养 缺陷 型 细胞 在 表现 型 上 将 仍然 是 营养 缺陷 型 的 ， 如 果 它 在 接种 到 欠 佳 的 培 养 基 上 之 前 不 能 首先 有 机 会 合成 出 某 种 酶 ， 它 就 不 能 在 欠 佳 的 培养 基 上 形成 菌落 。 这 就 解释 了 上 面 所 说 的 为 什么 需要 那 种 部 分 浓 集 的 培养 基 的 原因 。 * 170° 测定 突变 的 这 一 方法 是 根据 这 样 的 假定 ， 即 在 细胞 稀 蕊 的 培养 板 上 (为 计数 存活 ) 和 在 细胞 密集 的 培养 板 上 (为 计数 突变 ) 细 胞 的 存活 率 是 一 样 的 。 对 某 些 细胞 株 来 说 ,特别 是 对 那些 受 致 突 因 素 作 用 后 形成 丝 状 体 的 细胞 株 , 情 况 并 非 如 此 。 形成 丝 状 体 的 细胞 在 密集 的 培养 板 上 可 以 表现 出 100 多 的 存 活 ( “邻居 恢复 ) ,而 在 稀 芒 的 培养 板 上 只 有 5 多 的 存活 率 。 这 样 一 种 反应 对 表 观 突变 产 额 将 有 很 大 的 影 啊 。 在 辐射 生物 学 中 有 一 个 经 典 的 而 又 悬而未决 的 问题 ， 为 了 比较 两 个 对 辐射 致死 有 不 同 敏感 性 的 细胞 株 的 某 一 辐射 效 应 ;是 在 相同 的 辐射 注 量 下 进行 比较 好 呢 , 还 是 在 相同 的 存活 率 干 进行 比较 好 ? 当 我 们 想 要 比较 辐射 敏感 的 和 辐射 不 敏感 ， 的 菌株 的 突变 频率 时 ,也 同样 存在 这 一 问题 。 5.5.4 校正 基因 的 突变 DNA 上 一 些 特 姑 基因 内 的 变化 导致 原 发 突变 , 当 一 个 突 变型 细 确 由 于 在 不 同 部 位 或 位 点 上 的 另 一 个 突变 而 又 逆转 为 野生 型 时 ,这 第 三 个 突变 就 叫做 第 一 个 突变 的 校正 基因 。 例 如 ,如 果 色 氨 酸 合成 酶 的 174 位 上 的 栈 氨 酸 被 半 胱 氨 酸 取代 ， 那么 这 个 酶 就 是 无 活性 的 ;但 是 ,如 果 在 210 位 上 的 甘氨酸 代 之 以 谷 氮 酸 , 酶 的 活性 就 又 恢复 了 ;这 是 基因 内 校正 的 一 个 例 子 。 基 因 之 间 校 正 的 例子 是 这 样 一 种 情况 ,次 要 成 分 的 tRNA ( 即 有 两 种 型 式 的 了 NA， 主 要 型 式 的 tRNA 和 次 要 型 式 的 RNA, 它 们 都 翻译 同一 种 氨基 酸 ) 发 生 了 突变 ,结果 它 的 反 密 码 子 就 翻译 了 一 个 它 不 携带 的 不 同 的 氨基 酸 双 ,于 是 ,在 色 氮 酸 合成 酶 中 , 210 位 甘氨酸 由 精 氨 酸 取代 产生 一 无 活性 的 酶 ， 但 如 果 一 个 突变 的 了 NA RAH ARTA RAR, 结果 得 到 一 个 有 活性 的 酶 。 这 种 类 型 校正 的 效率 是 低 的 ,在 有 校正 基 因 存 在 的 情况 下 , 既 生 成 有 活性 又 生成 无 活性 形式 的 酶 。 © 171. 5.5.5 对 温度 敏感 的 突变 型 最 近 , 分 离 出 了 若干 对 温度 敏感 的 突变 型 ， 这 在 DNA 移 复 的 研究 上 是 很 有 价值 的 《例如 , pol C 缺少 DNA Fe & ie TH; lignes 缺少 多 聚 核 音 酸 连接 酶 )o 在 一 般 随意 条 件 PF RIE ~ 30*C 时 ) 它 们 都 是 和 野生 型 有 同样 行为 的 突变 型 而 在 限制 条 件 下 \ 即 在 如 42°C 那样 较 高 的 温度 下 ) 就 是 突变 型 。 如 果 一 个 细胞 完全 没有 DNA 聚合 酶 II， 那 它 就 不 可 能 复制 其 DNA， 这 种 突变 将 是 致死 的 。 因 此 , 把 polC 突变 叫做 有 条 件 的 致死 RAE, 即 它 有 赖 于 其 生长 时 的 温度 条 件 。 温度 敏感 性 寅 于 容 - 变型 的 酶 分 子 内 ， 芋头 竹 信 同门 证 放 二 本 作 了 国生 全 和 守 变 ( 变 性 ? ) 到 失去 活性 的 程度 。 5.5.6 结论 近来 发 现 的 致 突 与 DNA 修复 的 关系 重新 激 起 大 们 对 致 突 问题 的 普遍 兴趣 , 并 将 为 该 领域 的 迅速 进展 提供 基础 。 另 一 个 刺激 因素 是 近来 发 现 的 致癌 和 致 突 之 间 的 关系 。 现在 知道 ， 许 多 致癌 剂 必 须 首先 经 过 代谢 才能 形成 最 终 的 致 癌 物 ,已 经 证 明 几 乎 所 有 的 最 终 致癌 物 都 是 致 突 剂 呈 。 因 此 ， 如 果 我 们 能 够 了 解 致 突 的 基础 ， pple - 瘤 的 分 子 基础 。 + oy 5.6. 3 Hs 5.6.1 核酸 的 光化学 水 合 物 的 形成 : WE RAR (30 ng/ml) 的 吸收 光谱 (200 一 300nm)。 在 254nm(15WGE 灭 菌 灯 ) 于 石英 池内 照射 , 然后 观察 在 260nm 处 的 吸收 随时 间 的 消失 。 当 260nm 处 的 吸收 © 172° See ee nee ig oy , - 小 于 约 0.2 时 ， 测 定 全 吸收 光谱 。 用 浓 盐 酸 (~0.1lml) 调节 照射 溶液 使 之 到 ~ pHI， 盖 好 , 并 置 于 室温 下 24 小 时 , 混合 ， 并 测定 吸收 光谱 [R. L. Sinsheimer, Radiat. Res. 1, 505—513 (1954)]。 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 形成 : 测定 胸腺 喀 啶 (25wg/ml) 的 吸 收 谱 (230 一 300nm)。 在 几 个 10ml 的 烧杯 中 每 个 都 加 入 250m RONG BREUER I (500wg/ml)， 冷 冻 并 在 冷冻 器 中 照射 〈254 nm)( 你 必须 在 室温 下 打开 光源 , 然后 放 人 冷冻 器 )。 在 不 同 的 时 间 取 样 ， 熔化， 并 定量 地 转移 到 5ml 的 容量 瓶 中 ， 测 定 在 260nm 的 吸收 ; 当 吸 收 率 降 低 到 0.3 左右 时 , 测定 样品 的 吸收 ， 谱 以 证 明 胸腺 喀 啶 的 特征 吸收 谱 的 丧失 。 然 后 在 室温 下 照射 此 溶液 ， 并 观察 在 260nm 处 的 吸收 随时 间 的 恢复 。 当 吸收 增 长 到 最 大 值 时 ; 测定 全 吸收 谱 来 证 实 胸腺 喀 啶 的 形成 。( 在 冰 冻 期 间 ; 胸 腺 喀 啶 发 生平 行 排列 ,这 时 二 聚 体 的 形成 和 裂解 之 闻 的 光化学 平衡 有 利于 二 聚 体 的 形成 ,然而 在 深 液 中 ,重新 照 射 又 使 二 聚 体 裂 解 , 然 后 其 单 体 扩散 开 去 而 不 能 再 二 聚 化 。) 胸腺 旷 啶 二 聚 体 (在 冷冻 时 照射 后 ) 可 以 进行 层 析 并 与 残 留 的 胸腺 喀 啶 分 离 [ 玫 .C. Smith, Photochem. Photobiol., 2, 503 一 517(1963)]。 虽 然 使 用 放射 性 标记 的 胸腺 喀 啶 时 可 以 大 大 便利 于 这 些 研 究 ， 但 是 可 以 把 层 析 谱 裁 成 lem 的 小 条 (横向 地 六 在 水 中 洗 脱 ; 并 在 260mm 检验 其 吸收 。 可 以 把 怀疑 含有 、 胸腺 喀 啶 三 聚 体 的 溶液 再 如 上 所 说 的 进行 光照 ， 以 使 二 聚 体 裂解 ,并 得 到 在 260nm 处 有 吸收 的 胸腺 喀 啶 。 5. 6.2， 紫 外 存活 曲线 和 光复 活 存活 率 : 可 以 从 耶鲁 大 学 医学 院 人 类 遗传 学 系 大 肠 杆 著 遗传 材料 中 心 获 取 菌 株 AB 1157 (野生 型 ) AB 1186 (uvrA 6), AB 2463(recA 13)， 及 AB 2480(uvrA6 recA 13)， 这 个 实验 需 » T7389 要 一 些微 生物 技术 方面 的 专长 , 并 需要 一 个 在 254nm 处 刻度 过 的 紫外 灯 。 可 以 用 10 一 M AYR EER COMP) 作为 化 学 光度 计 进 行 粗略 的 刻度 (参阅 参考 文献 8 第 193 TA), i oe 38 (J/m’s) A; — Ag} |mol(UMP) 11.9 X 108JE-: | A, | oa || micume)| | 2537( a [1.9 X 10 *molE“*() 11 FE an AR) m? (CR A TA BY 式 中 Ai 和 At 是 UMP 在 260nm 处 的 初始 和 最 终 的 吸收 。 按 如 下 操作 可 能 得 到 接近 于 图 5-12 中 的 存活 曲线 : “在 酵母 提取 的 营养 并 中 过 夜 生 长 之 后 收集 细胞 ， 并 在 缓冲 液 中 稀释 1: 10 DAH ~ 1X 10° 细胞 /ml。 在 10cm AY nee BB BG RS 养 四 (Petric dish) MRA 10m! 左右 细胞 ， 放 在 摇 床 上 用 不 同 注 量 的 紫外 线 照 射 C8WGE 灭 菌 灯 放 在 细胞 上 方 约 47cm 处 ， 给 出 约 1J/ms 的 注 量 率 ), 适当 稀释 (根据 图 5-12 来 估算 )， 使 10cm 佩 特 里 氏 培 养 焉 平板 上 铺 样 0.1ml 时 ， 每 块 平 板 得 到 大 约 200 个 存活 细胞 。 在 生长 24 一 48 小 时 之 后 就 可 以 计数 背 % So 光复 活 : TEED FR LTA 2 X 10° 4 AB2480(uvrA 6 recA13) 菌 株 的 细胞 。 立 即 对 4 个 平板 进行 0.4J/ 呈 的 紫外 线 照射 (存活 率 约 为 7X 10)。 然后 在 3 个 紫外 线 照 射 过 的 平 PEMA 1 个 未 经 紫外 线 照 射 过 的 平板 上 面 〈《 它 们 都 没有 塑 料 盖 ) 放 上 装 满 水 的 硬 质 玻璃 假 特 里 氏 培 养 下 盖 , 作 为 紫外 线 和 红外 线 的 过 滤器 。 在 平板 琼脂 表面 的 土方 5cm 处 放 士 两 个 ， 晶 光 型 荧光 灯泡 ,紫外 线 照 射 过 的 平板 照射 1.5 及 10 分 钟 ， 未 经 紫外 线 照 射 过 的 平板 照射 10 分 钟 二 让 所 有 平板 奉 37°C He 养 24 一 48 小 时 ,然后 测定 光复 活 作 用 对 存活 率 的 影响 (He AIF VO MA) * 174° 第 6 章 “环境 光 生 物 学 Howard H. Seliger (AR: 堆 普 金 斯 大 学 麦克 拉 姆 - 普 拉 特 研究 所 和 生物 系 ) (we Meee = oe 175 6.2， 太 阳 是 维持 地 球 上 生命 的 自由 能 的 来 源 coerce …176 6.2.1 引起 进化 的 光谱 强度 onmigesduaharebadhoaaun Acantls 177 6.2.2 臭氧 ,核酸 和 和 蛋白质 紫外 吸收 的 巧合 ………: 179 6.2.3 对 臭氧 层 的 可 能 扰动 pe， 180 6.2.4 “ 楷 外 线 增强 可 能 带 来 的 生物 学 后 果 ………… 185 6.3 水 生 光 生物 学 和 190 6.3.41 ”河口 的 生态 系统 pe 192 6.3.2 ”水 王 阳 光 的 谱 分 布 pe 195 6.3.3 WRF EA FRR LA] pp 197 6.3.4 PPAR DA POE coceeeeeeeeeee 本 202 6:23.05 性 光 和 光 透 区 的 填 序 joseseas soonsoeo esare 207 6.3.6 结论 .9 209 6.4 实验 RS SRennaccasccvvdsvesedeteecGeusccevecesecccsecssueséssBacns 210 BF ke ee 在 光 生 物 学 的 许多 领域 ， 人 们 的 兴趣 往往 集中 在 光化学 反应 的 机 制 上 ,在 光合 膜 和 光敏 色素 这 些 比较 复杂 的 系统 中 ， 还 必须 考虑 它们 的 结构 和 生化 调节 。 环 境 光 生物 学 的 显著 特 点 首先 在 于 它 把 光 生 物 学 的 机 制 统一 在 一 个 完整 的 生物 身 © 175 上 ， 其 次 是 把 这 些 机 制 统 一 在 组 成 生态 系统 或 其 中 一 部 分 的 那些 生物 之 间 的 关系 上 。 在 水 生生 态 系统 中 ， 环境 光 生物 学 关心 的 也 许 是 这 样 一 个 问题 : APPS ot be ORE 量 增 加 ,水 的 混浊 度 加 大 了 ，* 这 就 可 能 因为 缺少 充足 的 阳光 而 使 有 根系 的 水 生 植物 绝迹 。 在 这 种 情况 下 , 光合 作用 的 光 生 物 学 过 程 没有 改变 ,但 是 因为 没有 达到 某 一 特定 的 国 值 ,植物 将 会 死亡 或 不 能 繁殖 ， 这 个 阔 值 指 的 是 对 于 光合 作用 的 光 强 补偿 点 ， 它 是 这 样 一 个 水 下 的 光 强 ,在 这 个 光 强 下 ， 水生 植 物 从 太阳 光 获 得 的 自由 能 等 于 植物 为 保持 其 生命 《概括 为 一 般 所 说 的 呼吸 ) 所 消耗 的 能 量 。 水 生 植 物 的 死亡 又 可 能 使 那些 以 这 些 植 物 为 食物 或 栖身 之 所 的 高 营养 水 平 的 生物 ( 鱼 或 蟹 ) 的 数目 减少 。 再 看 第 二 个 例子 ， 供 给 一 个 水 生生 态 系统 的 养分 如 果 增 加 (营养 充足 )， 它 将 往往 造成 译 游 植 物种 类 分 布 的 改变 。 由 于 捕食 或 其 它 行 为 方面 的 特征 对 体形 大 小 提出 的 要 求 ， 译 游 动物 或 一 些 食 草 水 生动 物 因 此 也 可 能 改变 它们 的 种 类 分 布 ， 这 最 终 可 能 影响 捕食 这 些 序 游 动物 的 鱼 群 和 捕食 小 鱼 的 大 鱼 的 种 类 分 布 。 因此 ,环境 光 生 物 学 是 一 个 命名 非常 准确 的 领域 , 它 要 检 验 一 些 光 生 物 学 的 过 程 和 它们 与 整个 生态 系统 的 关系 s 6.2 太阳 是 维持 地 球 上 生命 的 目 由 能 的 来 源 自从 我 们 的 太阳 系 形 成 以 来 ， 一 直 以 每 秒 钟 落 在 地 球 表 面 2kg 阳光 的 速率 向 地 球 上 的 所 有 生命 提供 着 自由 能 。 射 在 外 层 大 气 层 上 的 太阳 稼 数 是 2.0cal/cm?min， 它 相当 于 每 年 癌 地 球 递 交 5.61 X 10") AAEM. 按 质 能 等 效 单 位 计 ， 这 个 能 量 等 于 每 年 68600 吨 或 2kg/so 这 样 射 来 的 阳光 的 光谱 强度 分 e。 176 。 布 表示 在 图 6-1 上 ,曲线 工 是 波长 的 函数 ,其 波长 范围 从 紫外 (UV) 区 内 的 200nm 到 红外 区 里 的 1800nm， 纵 轴 的 单位 是 光 子 / 秒 cminm, 由 于 大 气 层 中 的 臭氧 对 紫外 和 可 见 光 的 吸收 及 水 蒸气 对 红 光 和 红外 线 的 吸收 ， 光 谱 分 布 从 曲线 1 变 成 曲线 2 所 示 的 形状 ， 曲 线 2 是 目前 射 在 地 球 表面 上 的 阳光 的 光谱 强度 290nm 是 穿 过 大 气 层 到 达 地 球 表面 的 阳光 的 短波 极限 ， 在 这 个 波长 上 ,由 于 大 气 中 臭氧 层 的 减弱 和 分 子 的 散射 ,光谱 强度 减弱 了 2 X 105 倍 。 在 图 6-1 的 曲线 3 上 , 以 对 数 单位 画 出 了 地 球 表面 阳光 里 的 紫外 辐 照 度 ， 那 条 与 它 重 登 的 曲线 d 表示 在 同样 的 波长 范围 内 紫外 线 引 起 皮肤 红 斑 的 相对 作用 光谱 ,这 个 波长 区 域 我 们 在 后 面 还 将 涉及 。 6.2.1 引起 进化 的 光谱 强度 图 6-1 的 曲线 4 和 5 表示 两 种 不 同类 型 的 海水 对 水 下 阳 光 光 谱 强度 的 吸收 效应 ;曲线 4 是 在 清澈 “ 蓝 色 的 ”热带 海洋 水 中 10m 深 处 2 = 立体 角 内 向 下 射 的 光谱 辐 照 度 辐 ， 而 曲线 5 是 在 养分 丰富 的 湖水 中 仅仅 Im 深 处 向 下 射 的 光谱 辐 照 度 。 一 般 认 为 原始 的 大 气 层 里 基本 上 没有 氧 和 它 的 光 解 产 物 ; 包括 没有 臭氧 。 因 此 人 们 假定 生命 是 在 一 些 深度 大 于 10 m 的 法 池塘 的 底部 起 源 和 进化 的 ， 这 些 池 壤 的 水 层 厚 度 足 以 减弱 能 引起 生命 死亡 的 波长 在 300nm 以 下 的 紫外 线 , 在 参考 文献 8 中 可 以 找到 对 这 一 观点 比较 全 面 的 讨论 和 文献 资料 。 但 也 可 能 是 另 一 种 情况 : 由 于 光 固 定 过 程 (photostationary pr- ocess) 的 结果 ， 由 紫外 线 合成 出 来 的 有 机 和 无 机 化 合 物 的 原 始 “ 汤 ”提供 了 一 个 起 保护 作用 的 紫外 吸收 层 , 因此 比 10m 浅 的 养分 丰富 的 泥 塘 反 而 有 利于 一 些 原始 生命 形式 的 进化 。 在 实验 室 里 复 现 紫外 线 引 起 的 原始 生物 分 子 合成 的 困难 之 一 在 *。177。 6 Fant | 和 1 有 : my iS “eee Me x : *., gr" 会 4 ra 8 2 4 “ss, eS 296 300 x8 nn “es (nm) ER ~* 名 Mo Se 3 ° x = 2. r= FR. Eom } . x K m ah fale T 400 600 800 1000 1200 1400 1600 ， 1800 HK (am) 图 6-1 以 10" 光子 /cmaz nms 为 单位 的 太阳 光 的 光谱 辐 昭 度 。 曲 线 1: 在 地 球 大 气 层 外 55 公里 距离 处 太阳 辐 照 度 的 分 布 , 数据 是 根据 参考 文献 中 的 表 813 重新 计算 的 ;曲线 2; 按 对 太阳 的 天 顶 角 为 60" 计算 的 地 球 表 面 的 阳 | 光 辐 照度 的 分 布 , 天 顶 角 60° 相当 于 两 个 大 气 层 (数据 是 根据 参考 文献 1 中 的 表 815 重新 计算 的 ) ;曲线 3; 在 地 球 表面 引起 皮肤 红斑 的 作用 光谱 的 波 长 区 域内 太阳 光 的 辐 照 度 的 对 数 (数据 和 根据 参考 文献 1 中 的 表 815 重新 计 算 ) ;曲线 4: Islas Tres Marias 附近 蓝 色 清澈 的 热带 海水 中 10m 深 处 向 下 射 的 辐 照 度 的 分 布 ( 引 自 参 考 文献 2, 360nm 以 下 的 数据 是 根据 参考 文献 1 中 表 559 和 表 563 并 参考 紫外 辐射 分 别 在 水 和 大 气 中 的 透射 率 计 算出 来 的 ?而 人 射 的 光谱 辐 照 度 则 取 自 同一 文献 的 表 813); 曲线 5: 在 养分 丰富 的 淡水 湖 中 lm 深 处 向 下 射 的 辐 照 度 的 分 布 ( 引 自 参考 文献 2 相对 吸收 率 或 作用 光谱 。 曲 线 a: MIM Gonyaulax polyedia 的 相对 吸 收 率 ( 数 据 根 据 参 考 文献 3 重新 计算 ); 曲 线 b: 绿色 光合 细菌 CholLorobiztzz sp. 的 相对 吸收 率 〈 引 自 参考 文献 9); 曲线 cs -紫色 光合 细菌 Rhodospiril- lum spheroides 的 相对 吸收 率 ( 取 自 文献 5); 曲 线 'd: 此 外线 诱 发 皮肤 红斑 的 作用 光谱 ( 引 自 参考 文献 6 和 7)。 ， 于 石英 照射 容器 的 内 壁 上 沉积 了 一 层 强烈 吸收 紫外 线 的 合成 分 子 的 膜 , 与 其 说 是 比较 均匀 的 “ 汤 ”, 不 如 说 这 层 原始 的 “外 衣 " 更 能 产生 图 6-1 上 曲线 4 和 5 所 表示 的 辐 照 度 的 谱 分 布 。 © 178 。 / 在 10m 的 深度 , 即使 是 在 最 清洁 的 海水 里 ， 与 地 表 辐 照度 的 曲线 2 相 比 ， 射 进来 的 阳光 强度 在 620nm 以 上 已 被 减弱 到 可 以 忽略 的 水 平 。 在 养分 丰富 的 浅水 中 ， 大 约 500nm 以 下 就 出 现 强烈 的 短波 长 吸收 ,这 种 水 域 只 对 含有 黄 光 吸 收 色素 (省 红 蛋白 ) 和 红 光 吸收 色素 (叶绿素 ) 的 生物 适合 。 Be WRIA Be Gonyaulax polyedia 的 相对 吸收 光谱 表示 在 图 6-1 的 曲线 a 上 ， 造 成 光谱 辐 照 度 曲 线 5 的 主要 吸收 位 于 蓝 区 和 700nm 以 下 的 红 区 , 这 两 个 区 域 是 光合 作用 色素 主要 吸 收 的 谱 区 。 硫磺 绿色 的 光合 细菌 ( 绿 杆 菌 Chlorobium) 和 蓝 绿色 光合 细菌 ( 红 螺 菌 Rhodospirillum AY FAX RUCIEIE D BID 6-1 上 的 曲线 b 和 曲线 ¢ 给 出 ,由 曲线 “ 可 以 看 出 ,由 于 水 的 红外 吸 收 , 红 螺 菌 在 较 深 的 水 里 不 能 很 好 地 生长 。 因 此 ,如 果 光 合 细 菌 出 现在 进化 过 程 的 早期 ( 氧 进 化 之 前 )， 则 它们 势必 限制 在 某 种 原始 的 合成 分 子 层 的 下 面 ， 这 种 分 子 层 厚 到 足以 吸收 掉 能 致死 的 紫外 线 而 又 薄 到 足以 透 过 900nm 的 光 。 如 果 光 合 细菌 出 现 较 晚 (绿色 植物 出 现 以 后 ) 的 话 ， 那 么 它们 就 应 该 生 长 在 能 够 接收 直到 900nm 让 长 光 的 营养 丰富 的 缺 氧 地 表 水 中 。 6.2.2， 生 氧 、 核 酸 和 和 蛋白质 紫 外 吸收 的 巧合 由 大 气 中 有 效 厚 度 3mm 的 臭氧 层 造 成 的 紫外 吸收 谱 和 没有 氧气 的 原始 地 球 表面 上 的 阳光 辐 照 度 表示 在 图 6-2 上 ， 在 核酸 和 蛋白质 吸 收 谱 带 的 最 大 值 260nm 和 278nm 处 , 射 到 地 面 的 阳光 被 分 别 减弱 了 10" 和 107 倍 。 培 养 的 哺乳 动物 细胞 在 接受 了 注 量 低 到 10J/m? 的 水 银 杀 菌 灯 的 紫外 线 (254 nm) 后 ， 可 以 观察 到 明显 的 致死 ,这 样 一 个 注 量 的 紫外 线 相当 于 135xXi105 光 于 /cm ， 造 成 这 种 致死 的 作用 光谱 在 270nm ” 179 e Ret 4 附近 有 一 个 较 宽 的 峰 , 其 半 宽 度 为 50nme 根据 图 6-2 有 可 能 估计 出 ,在 没有 臭氧 的 情况 下 ,这 个 作用 光谱 内 总 的 辐 照 度 将 是 1.3 X 10° 光子 /cm Att, 即使 照射 阳光 工 秘 钟 , 这 个 数 值 也 无 疑 是 致死 的 照射 率 。 120 100 60 0.0. 大 气 中 臭氧 层 (3mm) 的 光 密 度 无 臭氧 时 的 辐 照 度 、 40 (102 光 了 于 /s + cm? . am) . — ~ P 下 220 240 260 280 300 320 340 BK (nam) 图 6-2 fe SA SURCRE SEO UI SS Tk ELEC @ FL 在 大 气 中 0.3 ATE-BKNRA BASIE (a )(5| A SB 8). 图 6-2 表明 了 臭氧 吸收 谱 带 巧 合 的 位 置 ， 它 说 明 大 气 中 3mm Se ee eee 7 现在 地 表 水 中 ,然后 再 出 现在 陆地 上 。 6.2.3 ”对 臭氧 层 的 可 能 扰动 从 内 氧 层 对 地 面 生物 的 重要 性 来 看 ， 有 必要 了 解 产生 这 *，180 。 < 个 很 薄 的 保护 层 的 化 学 和 光化学 机 制 。 肉 氧 层 在 温带 地 区 平 均 为 0.3 大 气压 -厘米 ,在 赤道 和 北纬 20 度 之 间 ， RABE 度 是 0.25 大 气压 -厘米 ,在 北纬 60 度 以 上 它 可 能 厚 到 0.48 大 气压 -厘米 ， 在 瑞士 的 达 弗 斯 (Davos) (海拔 1575m) 观 察 到 的 臭氧 层 的 厚度 在 0.197 一 0.373 大 气压 -厘米 范围 内 ,这 种 变化 引起 了 紫外 区 (特别 是 在 产生 皮肤 红 认 的 作用 光谱 的 峰值 波 Kk 290—300nm 1B) 光谱 强度 的 很 大 变化 (图 6-1 的 曲线 d)。 贞 氧 的 吸收 是 指数 式 的 ， 任 一 波长 处 的 光 密 度 (O D.) 由 下 式 给 出 : O.D., = log 这 = 6,cd (6-1) 式 中 e 是 波长 处 的 以 10 为 底 的 消光 系数 ,其 单位 是 (AR FE-BK) 7 cd 是 以 大 气压 -厘米 为 单位 的 臭氧 层 的 厚度 。 由 这 个 关系 可 以 看 出 : dl, d(cd | 7 = 2.300.D., oe (6-2) 在 290nm %b,0.D.. = 5, RA ERD 10% 就 会 使 地 表 辐 照度 在 290nm Ab 115 %; ZE 300nm 处 增加 46% ;由 (6-2) 式 和 图 6-1 的 曲线 d 可 以 清楚 地 看 到 ， 大 气 中 臭氧 层 的 厚度 略微 减少 一 点 ， 就 可 能 使 皮肤 红斑 区 域 里 紫外 线 的 强度 大 大 增加 。 “看 到 最 近 人 们 还 以 为 空气 污染 的 主要 后 果 是 增加 了 大 气 的 混浊 ， 说 的 更 具体 一 点 就 是 增加 了 对 光谱 区 里 小 于 310m 的 紫外 线 的 吸收 。 但 是 , 有 元 种 形式 的 空气 污染 可 以 引起 臭 氧 层 减 小 ， 从 而 可 能 使 皮肤 红 资 作用 光谱 区 里 的 紫外 线 强度 WA, 示意 图 (6-3) 给 出 了 NO 破坏 臭氧 的 催化 循环 , ERS 4 NO, #1 0, 的 光 分 解 e 181 。 div ee 2 if 0; hy (6-3) 第 二 种 甚至 是 更 有 效 的 催化 循环 涉及 到 游离 的 氯 原 子 呈 ,一 组 与 NO 循环 类 似 的 反应 由 示意 图 (6-4) 给 出 : hv, ape 0; - a 03 Rui Re "ee 在 NO 和 ClO 两 者 同时 存在 的 情况 下 ， 我 们 还 可 能 有 从 ClO 到 Cl 的 转换 : ClO 十 NO 一 >Cl + NO, (6-5) ZARA: @ 由 土壤 中 的 细菌 产生 的 一 氧化 三 氮 (N;O) 慢 慢 地 扩散 到 同 温 层 里 ， 它 们 在 那里 与 光 解 产生 的 氧 原子 反应 生成 一 氧化 氮 : N,O 十 O* 一 >2NO (6-6) Ah 0* 是 氧 原 子 的 激发 态 ，@ 氨 可 以 被 羟 自 由 基 (OH ) 氧 化 或 被 光 光 解 生成 自由 基 NH; ,NH; 又 可 以 进一步 反应 形成 一 氧化 氮 ;@@ 宇 宙 射 线 的 电离 可 以 产生 激发 态 氮 原 子 N*,NY* « 1826 又 和 分 子 氧 反 应 生成 NO + O: | N* + 0 一 >NO + O (6-7) N,O #71 NH; 的 氧化 是 同 温 层 里 天 然 一 氧化 氮 的 主要 来 源 , 它 们 控制 着 O; 的 稳 态 浓度 。 字 宙 射 线 的 电离 在 同 温 层 里 平均 产生 107NO 分 子 /cm?s, 而 由 其 它 天 然 来 源 提供 给 同 温 层 的 一 氧化 氮 分 子 的 总 数 估计 是 (3 一 30) X 107 分 子 /cm"s ”。 ”大 提出 ,如 果 不 是 由 于 生物 的 活动 所 产生 的 一 氧化 氮 , 臭 氧 层 将 可 能 是 它 正 常 厚度 的 两 倍 。 然 而 在 使 用 这 些 数字 时 应 该 小 心 ; 现 在 的 臭氧 层 是 生物 活动 (光合 作用 ) 所 释放 的 氧 的 结果 ， 这 种 生物 活动 已 经 克服 了 Urey 提出 的 原始 大 气 层 中 O, RE 的 自身 调节 机 制 空 。 6.2.3.1 同 温 层 飞行 产生 的 一 氧化 得 一 个 同 温 层 扩散 模型 现在 包含 着 12 个 光 解 速率 方程 和 65 个 与 产生 臭氧 及 其 被 NO 催化 分 解 有 关 的 反应 的 化 学 速 率 方程 ， 其 中 的 NO 是 由 超 音速 运输 机 的 高 空 飞行 引进 同 温 层 的 将: 来 源 于 天 然 生成 的 NO 的 NO 大 约 是 108 分子/cmz?se 在 28 公里 以 上 的 高 空 存在 着 一 个 稳定 的 反馈 和 温度 耦 联 , 通 过 这 种 反馈 和 耦 联 ，O; 的 减少 也 使 由 NzO 产生 的 NO 减少 。 300 架 协和 式 飞 机 (〈 英 -法 合 制 的 超 音速 客机 ) 的 飞行 将 给 同 温 层 带 来 0.2 X 108NO 分 子 /cm2s,， 如 果 目 前 天 然 的 NO 源 确 实 使 臭氧 层 减少 一 半 的 话 ， 可 以 想象 到 这 个 额外 增加 的 NO 将 可 能 使 臭氧 层 减 少 10 多 ,这 样 一 个 减少 将 使 300nm 以 下 的 太阳 光 辐 照度 增加 50 多 [参见 (6-2) 式 ]。 6.2.3.2 BIER FAM ALR RV REE Ila EAS PBA Bh Pee A NO," 9), Ht 于 1962 年 核 禁 试 之 前 由 于 核 爆炸 引起 的 臭氧 层 的 减少 有 各 » 183° 种 估计 ,其 范围 从 减少 3 匈 到 减少 6 多 ,复原 的 半 值 时 间 是 :2.5 年 , 因此 ,即使 是 一 场 有 限 的 核 战 争 , 其 长 远 的 后 果 也 将 是 世 界 范围 的 ,主要 在 300nm 以 下 增加 的 太阳 辐 照 度 将 络 大 类 和 其 它 动物 群 以 及 某 些 植物 带 来 灾难 性 的 后 果 。 ”6.2.3:3 宇宙 射线 产生 的 一 氧化 氨 目前 射 到 地 球 寺 的 宇宙 射线 可 以 用 超新星 的 爆炸 来 解 Fe!) BEER 50 亿 光 年 的 一 个 超新星 的 爆炸 可 以 使 同 刘 层 的 ” 核 辐 射 剂量 率 也 将 增加 差不多 同样 的 倍数 ,达到 2.5rem 年 从 而 增加 了 辐射 引起 的 癌症 的 发 病 几 率 (rem FE “PEE Re ”人 ”的 英文 字 头 的 缩写 ， 请 参阅 参考 文献 16)。 通过 反应 (6- ”7)， 一 氧化 氮 的 浓度 可 以 比 目 前 由 各 种 来 源 造成 的 水 平 提高 1 一 10 倍 ， 与 此 同时 将 引起 臭氧 层 的 明显 减 小 。 因此 情况 可 能 是 : ”对 于 地 球 近 处 的 超新星 的 爆炸 ,如 果 引 起 的 辐射 剂量 不 是 致死 的 ， 但 它 通过 使 紫外 线 增强 将 会 产生 显著 的 生物 效 应 。 | 6.2.3.4 RAP ROAD FER 氟 里 昂 12(CCLF,) 和 氟 里 昂 11(CCHF) 大 量 用 于 喷气 推 进 剂 和 致 冷 , 由 于 它们 在 化 学 上 的 惰性 ,过 去 一 直 认 为 它们 是 无 害 的 ,但 是 ,这 部 分 夜 代 甲烷 扩散 到 同 温 层 后 可 以 光 致 分 解 而 放出 游离 的 氯 原子 ， 这 种 游离 的 氯 原子 在 催化 臭氧 的 分 解 上 [参见 图 式 (6-4)] 甚 至 比 一 氧化 氮 更 有 效 凹 。 到 目前 为 正 ， 大 约 已 经 生产 了 5 X 10%g 或 4 X 10°mol ARICA, FFA 差不多 都 释放 到 大 气 中 去 了 ，1990 FAA, RRR bee 同 温 层 里 (在 那里 可 以 发 生 光 解 ) 将 达到 最 大 的 浓度 。 一 种 大 气 层 的 模型 预测 : 如 果 立 即 停止 再 释放 任何 芮 代 甲烷 到 大 气 184 。 Hie, 十 目前 浓度 的 秽 代 甲烷 引起 的 臭氧 分 解 速率 也 将 会 增 sn, 346 1990 年 达到 最 高 点 , 那 时 钢 代 甲烷 引起 的 臭氧 分 解 速率 在 数值 上 可 以 相当 于 天 然 来 源 的 NO 所 引起 的 臭氧 分 解 速率 。 如 果 卤 代 甲 烷 继 续 以 目前 的 速率 (一 10 引 g/ 年 ) 释 放 的 话 , 由 氧 引 起 的 臭氧 分 解 将 在 1986 年 时 超过 天 然 NO 源 引 起 的 臭氧 分 解 。 | | 于 是 氧 氟 甲 这 代表 了 一 种 潜在 的 对 地 球 表 面 上 所 有 生物 ae - hy + O,——>0 + O, (6- -8) O + O0,—~20, (6- 9) 如 果 天 然 存在 的 NO 源 使 臭氧 层 的 厚度 减少 一 半 是 确实 的 话 ; 由 于 氧 氛 甲烷 的 缘故 , 则 似乎 不 可 避免 地 会 使 臭氧 层 再 进 二 步 减少 20 一 50 多， 这 种 减少 将 在 今后 持续 几 十 年 ， 因 些 ， 者 可 能 使 皮肤 红 资 区 (图 6-1 曲线 d) 现在 的 紫外 辐 照 度 翻 一 番 。 6.2.4 紫外 线 增强 可 能 带 来 的 生物 学 后 果 对 于 臭氧 层 可 能 减 小 和 紫外 线 预 计 增 强 的 主要 关切 是 因 为 紫外线 照 射 与 皮肤 瘤 之 间 存 在 着 因果 关系 。 皮 肤 瘤 作用 光 谱 的 峰值 在 297nm, 在 这 个 波长 上 , 白 种 人 角质 层 (一 层 死亡 的 表皮 细胞 ) 的 光 密 度 是 0.5 左右 ,而 对 色素 很 深 的 黑 种 人 的 角质 层 来 说 ,这 个 值 是 2 左右 。 根 据 对 蝴 状 细胞 癌 和 基底 细胞 瘤 《 这 两 种 瘤 几 乎 总 是 可 以 治愈 的 ) 以 及 恶性 黑色 素 瘤 ( 它 往 往 是 致命 的 ) 发 病 率 的 流行 病 学 的 研究 ,估计 奥 氧 层 减 少 5 多 将 会 使 美国 的 白 种 人 中 每 年 增加 8000 BIR. 死亡 增加 300 Pl"), AEE HA, 1966—1970 年 期 间 比 起 1951 一 1955 年 期 间 ， 由 恶性 黑色 素 瘤 造成 的 死亡 率 有 明显 的 增加 《50 一 100% ); 它 的 原因 还 不 大 请 楚 。 e 185 。 27 , a te aes) 7» ee < 除了 人 类 的 皮肤 癌 外 ， 还 有 一 些 光 生物 学 的 领域 可 能 受 紫外 线 增强 的 影响 。 昆虫 的 视觉 灵敏 度 可 进 人 近 紫 外 区 ta， 因此 作为 一 个 例子 ， 如 果 光 谱 辐 照度 的 其 他 所 有 条 件 都 保 持 不 变 ，300 和 400nm 之 间 紫 外 线 强度 的 增加 将 会 改变 密 蜂 HRS BEAR. 但 这 似乎 不 会 造成 识别 上 的 问题 ; 这 是 因为 在 整个 白天 和 昆虫 活动 的 整个 季节 内 ， 紫 外 线 的 辐 照 度 与 400nm 以 上 光 的 辐 照度 相 比 已 经 有 很 大 的 变化 。 在 可 能 出 现 的 最 坏 的 情况 下 ， 假 如 昆虫 的 识别 行为 受 紫外 线 光谱 绝对 辐 照 度 的 某 一 函数 的 特异 性 支配 那么 这 个 光谱 辐 照 度 的 变 化 也 许 会 改变 昆虫 每 天 现 食 行为 的 时 相 ， 甚 至 改变 它们 的 地 理 活 动 范围 (因为 此 外 线 强 度 也 是 纬度 的 函数 )。. 我 们 显然 不 十 分 了 解 这 个 光谱 辐 照 度 的 改变 对 昆虫 全 部 行为 方式 的 影 响 ， 根 据 仅仅 用 年 前 很 偶然 地 移 殖 到 南美 洲 的 一 种 非洲 “ 杀 人 ” 蜂 ( 不 分 青红皂白 地 刺 人 ) 从 南美 洲 向 北 较 迅 速 地 迁移 这 一 现象 ， 可 以 推断 光谱 辐 照度 的 改变 可 能 只 有 很 小 的 影响 在 非洲 蜂 这 个 例子 里 ;总 辐 照 度 中 紫外 线 的 相对 比重 随 纬 并 -的 变化 看 来 没有 制止 它们 从 赤道 地 区 的 光谱 分 布 ( 紫 处 线 成 分 相对 较 多 ) 向 较 北 的 纬度 迁移 。 太阳 的 指向 机 制 史 部 分 地 包括 分 析 地 磁极 化 平面 和 偏振 光 强 度 的 能 力 , 在 测定 地 磁极 化 平面 时 ,把 太阳 作为 光源 ， 空 气 作为 射 散 体 ,眼睛 作为 分 析 器 , 某 些 节 足 动物 则 利用 水 面 反 射 的 偏振 作用 。 在 这 些 情 况 下 ,由 于 瑞 利 散射 按 ;二 变化, 紫 外 辐射 的 增强 一 般 来 说 将 会 增强 生物 接收 到 的 偏振 信号 。 对 于 昆虫 趋 光 性 的 作用 光谱 也 包括 近 紫 外 光 。 AA 蝴蝶, 雄 蝶 翅 膀 上 的 色素 对 近 紫 外 光 (A < 400nm) 有 非常 专 一 的 吸收 ， 而 峻 蝶 却 对 这 些 波长 有 很 专 一 的 反射 20， 雌 蝶 在 380 一 400nm 波长 范围 的 这 种 反射 是 飞舞 的 雄 蝶 借 以 识别 待 交配 唆 蝶 的 媒介 ,而 峻 蝶 这 时 停 在 植物 的 叶子 上 ,并 合 上 它们 ”186 ， TGS, 具有 嗅觉 功能 的 刺 对 于 它们 反 到 无 关 紧要 。 在 这 些 波长 上 ， 臭 氧 的 消光 系数 比 260nm 处 的 最 大 值 小 很 多 , 臭氧 层 的 少许 减少 将 使 紫外 线 大 大 增加 (增加 的 比例 与 消光 系数 减 小 的 比例 大 致 相同 ), 如 果 雄 蝶 的 行为 反应 只 和 近 紫 外 光 的 强度 有 关 ， 那 么 由 于 信 噪 比 的 提高 ， 对 识别 是 一 种 有 利 的 影 响 。 如 果 识 别 涉及 到 色彩 ,例如 蜜蜂 对 花茶 颜色 的 视觉 ,那么 ”对 塞 峰 的 论点 也 同样 适合 于 白 蝴 蝶 。 在 植物 的 王国 里 ， 主 要 的 功能 是 经 过 电子 激发 态 做 化 学 功 ， 我 们 可 以 料 到 已 经 由 进化 产生 了 一 个 防止 有 害 光 化 学 反 应 的 保护 机 制 。 在 很 多 植物 里 ,要 最 佳 利 用 太阳 光 ; 就 要 求 受 到 太阳 光谱 中 “正常 的 ” 近 紫 外 成 分 的 照射 , Ast, 对 由 于 季 节气 候 条 件 和 地 理 区 域 造成 的 光 强 的 很 大 变化 ,植物 的 适应 能 力 将 是 有 限度 的 。 各 种 各 样 的 环境 参数 也 影响 着 地 球 上 植 物 的 自然 选择 和 它们 的 地 理 分 布 , 这 些 参数 包括 温度 \ 水 和 士 壤 的 条 件 以 及 阳光 ， 那 些 已 经 只 在 一 些 狭 罕 的 生态 带 生长 的 侯 叶 农作物 或 者 那些 已 经 受到 其 它 环境 因素 抑制 的 植物 可 能 受 太 阳 辐 射 中 紫外 成 分 变化 的 影响 最 大 。 通 过 这 些 例 子 我 们 可 以 得 出 这 样 一 个 结论 : 紫外 线 的 增加 可 能 会 通过 生态 系统 中 多 条 复杂 的 途径 ， 而 不 仅 是 通过 引起 急性 的 光化学 损伤 产 生 它 的 影响 。 | 在 养分 丰富 的 地 上 水 中 ;蓝光 的 吸收 特别 强 ,在 400nm 处 每 米 水 的 光 密度 可 以 高 达 3， 并 随 波 长 变 短 迅速 增 大 。 这 些 养分 丰富 的 水 中 的 浮游 植物 不 断 地 混 人 水 柱 ， 在 白天 它们 被 带 到 水 面 和 较 沪 的 深度 ， 由 于 蓝光 和 紫外 线 的 强度 在 水 面 上 比 在 水 柱 的 深层 相对 要 高 ， 所 以 浮游 植物 必须 能 够 最 大 限度 地 适应 变化 范围 很 大 的 光谱 强度 的 分 布 。 其 次 , 藻类 必须 最 大 限度 地 适应 晴天 和 阴 天 时 不 同 的 光谱 分 布 。 浮游 植物 在 睛 天 比 在 阴 天 多 ,而 紫外 线 的 相对 贡献 在 睛 天 比 在 阴 天 高 ,于 是 ° 187 。 也 许可 以 用 浮游 植物 的 增加 来 “指示 ”由于 尝 氧 层 的 减少 所 引 起 的 紫外 辐 照 度 的 增强 ， 这 种 解释 也 应 该 适合 于 清洁 的 低 养 分 水 中 的 浮游 植物 ， 现 在 还 不 清楚 紫外 辐 照 度 的 增 天 是 否 可 能 影响 某 些 藻类 的 正 趋 光 性 2。 显 然 ,在 紫外 线 对 求生 生物 的 影响 方面 还 有 大 量 的 实验 研究 要 做 核 战争 或 者 超新星 的 爆炸 可 能 带 来 的 紫外 辐 照 度 的 大 增 提出 了 一 个 完全 不 同 的 问题 ,但 是 ,从 已 经 讨论 过 的 所 有 内 容 我 们 可 以 清楚 地 知道 ,人 类 将 受到 威胁 (无 论 从 光 生 物 学 角度 还 是 从 社会 学 的 角度 )。 如 果 人 类 这 个 脆弱 的 物种 都 被 毁灭 的 话 ， 为 了 使 人 类 得 以 生存 而 保护 和 培育 的 植物 和 动物 品种 的 现存 分 布 也 就 无 关 紧 要 了 ,但 是 生命 将 会 继续 ,并 可 能 通过 一 条 更 加 意 想 不 到 的 途径 进化 ， Mee Bere Eaertee 强 的 物种 。 在 结束 臭氧 影响 的 讨论 之 前 应 该 总 结 几 点 ,不 幸 的 是 ;与 核能 和 环境 化 学 致癌 这 两 个 问题 一 样 ， 在 危害 和 利益 的 估价 土 一 直 存 在 着 不 同 的 意见 ， 这 里 包含 着 科学 研究 资料 不 可 避 . 免 的 不 完全 给 政治 经 济 政策 的 制定 所 投下 的 阴影 。 目 前 已 被 大 们 接受 的 事实 如 下 : C1) 由 于 光合 作用 使 水 分 解 而 放出 的 氧气 ， 使 大 气 中 的 氧 含量 从 原始 地 球 上 比 现在 水 平 的 0.001 还 低 的 起 始 浓度 主 升 到 目前 大 气 中 1.51 X 10 大 气压 -十 米 的 水 平 。 (2) 分 子 氧 的 光 分 解 产 生 氧 原子 ， 氧 原子 与 氧 分 子 结合 KR Alo (3) BRIN RAB (0.3 大 气压 -厘米 ) 是 一 个 光平 衡 态 ， Os 的 化 学 催化 分 解 和 与 氧 原子 的 化 学 结合 都 影响 这 个 平衡 态 。 某 些 化 学 催化 剂 本 身 就 是 光 解 反应 的 产物 ， 光 解 反应 和 催化 反应 都 是 光谱 强度 按 高 度 分 布 \ 反 应 物 、 催 化 剂 和 温度 的 函数 ， 温 度 的 影响 造成 了 臭氧 层 的 厚度 在 一 天 之 内 的 变化 和 188 。 x 随 季 节 的 改变 。 GCG) 气候 的 任何 变化 都 会 改变 光合 作用 的 水 平 ， 它 都 应 该 在 氧 的 平衡 和 9; 的 稳 态 浓度 上 反映 出 来 。 (5) 由 于 生物 作用 产生 的 NO， 大 气 中 NO 的 天 然 波 度 是 不 可 忽视 的 : N,O Bie Ne + O* 6-10) ig gti ( O* + N,O—~>2NO 这 种 NO 的 产生 速率 估计 为 2.5 X 107-15 X 10%m™s™5 (6) 任何 人 为 增加 的 对 尝 氧 的 化 学 破坏 都 应 该 反映 在 0， 稳 态 浓度 的 减少 上 ;但 是 ,由 于 这 些 参数 之 间 的 反馈 机 制 不 十 分 清楚 ,所 以 O, 稳 态 浓度 减 小 的 幅度 还 不 得 而 知 。 (7). 每 年 生产 的 3 X 108kg CECI, 和 5 X 108 kg CE,Cl, 在 25 公里 上 空 光 照 分 解 产 生 Cl 原子 ， 其 稳 态 产生 速率 是 5 X 10’cm~’s~* (8) 在 实验 室 进 行 实验 发 现 , Cl 一 ClIO 链 比 NO 一 NO, 链 在 催化 O, 的 分 解 上 要 有 效 得 多 。 根据 这 些 事实 ,我们 可 以 得 到 一 个 合乎 罗 辑 的 结论 ， 大 量 使 用 氧 氮 甲 烷 和 向 大 气 中 排放 一 氧化 氮 将 造成 起 保护 作用 的 臭氧 层 的 减少 。 问 题 是 ,究竟 减少 多 少 ? 由 皮肤 癌 发 病 率 的 流行 病 学 研究 估计 臭氧 层 减 少 可 能 引 起 的 有 害 效应 时 , 遇 到 的 一 个 问题 是 : 服装 习惯 和 度假 方式 的 改变 (于 是 多 受 紫外 线 的 照射 )、 施 用 氮肥 的 日 益 增多 (增加 了 大 气 中 NO WAKE), 污水 的 氧化 处 理 〈 使 大 气 中 增加 了 毛 的 化 合 物 )、 光敏 化 药物 、 化 妆 品 和 环境 污染 物 的 未 知 的 和 可 能 是 协同 作用 的 效应 等 这 些 因素 也 许 会 掩盖 或 加 剧 最 终 的 结 果 , 因此 对 整个 该 学 科 领 域 必 须 更 加 审慎 地 加 以 检验 。 为 了 ee 189 。 oh ae ; miriod, 3 Ses Sah (iit RABE ROR DIES WOE ERO SER, .必须 对 不 同 环境 中 紫外 线 的 积分 辐 照 度 进行 比较 精确 的 物理 测量 ， 必须 较 准确 地 测定 那些 引起 臭氧 催化 分 解 的 源 的 贡献 ;必须 ， 二 户 ww (os < is 4 * —_ ys 估计 出 紫外 线 的 增强 对 敏感 生物 种 属 的 特定 效应 ， 还 必须 了 解 那些 反馈 机 制 (生物 学 和 物理 化 学 两 方面 的 机 制 )5 在 一 切 环境 研究 中 都 要 考虑 的 一 个 问题 是 害 益 比 的 概 念 ,这 个 概念 给 科学 家 们 引进 了 一 组 奇怪 的 单位 , 它 试 图 建立 一 个 等 式 ， 该 等 式 一 边 的 量 纲 ,单位 或 量 不 同 于 它 的 另 一 边 ， 例如 ,在 应 用 X 射线 的 领域 ,人 们 知道 辐射 的 增加 一 般 引 起 寿 命 的 缩短 和 癌症 ,但 是 我 们 又 知道 ,在 某 些 情况 下 少许 增加 的 X 射线 致癌 的 危险 被 它 在 骨折 接合 、 肠 胃 道 检查 等 方面 的 诊 断 价 值 或 和 射线 在 治疗 上 杀伤 恶性 肿瘤 的 用 途 所 抵消 。 虽然 在 这 个 医学 应 用 中 害 益 比 概念 的 运用 是 最 清楚 不 过 的 ， 但 是 当 它 被 用 于 权衡 核电 站 事故 与 我 们 对 增加 能 源 的 需要 时 ， 当 它 被 用 于 权衡 刺激 肺 的 危险 与 消除 工厂 和 汽车 污染 物 的 经 济 成 本 时 ， 当 它 被 用 来 权衡 某 些 海滩 的 破坏 与 在 经 济 上 娱乐 十 对 船舶 海运 业 ,高 尔 夫 球场 和 海滨 别墅 的 需要 时 ,这 个 概念 就 变 得 比较 含混 不 清 了 。 显 然 , 这 些 害 益 的 权衡 还 适用 于 抽烟 、 喝酒 滑雪、\ 农 作物 的 施肥 和 喷雾 冷却 缸 中 用 的 氟 里 昂 等 。 环境 光 生 物 学 的 任务 在 于 了 解 光 与 生态 系统 各 组 成 部 分 之 间 的 相互 作用 ， 以 便 能 够 准确 地 说 出 某 些 扰动 可 能 带 来 的 影响 。 关 于 紫外 线 生 物 效 应 的 更 一 般 的 讲述 可 以 在 考 参 文献 [22] 中 找到 。 6.3 水 生 光 生物 学 已 经 有 很 多 文章 论 及 了 光合 作用 的 机 制 和 对 于 陆地 动 杆 物 的 研究 。 藻 类 (例如 小 球 菠 属 ) 一 直 主 要 用 于 光合 作用 栅 制 "190。 的 研究 ,直至 最 近 , 研 究 海洋 浮游 植物 生态 学 的 工作 仍然 比较 消 。 概 括 起 来 说 ,各 种 不 同 的 浮游 生物 生态 系统 都 是 由 “ 蓝 色 的 ?水 、 低 产量 和 低 营 养 (养分 不 足 ) 的 水 域 构成 的 , 这 些 水 域 是 由 于 牺 理 循环 弱 所 形成 的 , 其 特点 是 : ”加 水 平方 向 和 垂直 方向 的 平流 弱 ;@@ 输 大 的 养分 少 ;@ 光 的 贯穿 情况 接近 于 纯净 海水 的 情况 ;@@ 有 机 物 浓度 低 ;@ 在 空间 和 时 间 上 具有 高 度 的 连续 性 ;@@ 物 种 丰富 程度 的 排列 次 序 基 本 上 不 变 ;@@ 就 地 再 生 的 养分 作为 水 生 植 物 营养 的 主要 来 源 。 可 以 预期 : 在 这 些 条 件 下 进化 的 各 种 生物 将 适宜 于 保存 较 少 的 营养 盐 类 ， 并 具有 争夺 这 些 盐 类 的 有 效 机 制 。 这 类 浮游 生物 的 生长 时 间 相 对 较 长 ,因此 ,为 了 保证 顺利 地 繁殖 ,它们 将 不 得 不 在 一 个 相应 的 长 时 期 内 保护 自己 ， 以 免 被 其 它 生 物 所 捕食 ,海洋 双 厢 甲 藻 (Dinoflagellate) 的 生物 荧光 也 许可 以 起 阻止 挠 脚 虫 (甲壳 类 ) 捕食 它们 的 功能 29， 因 此 它们 能 在 很 长 的 生长 时 期 内 具有 很 大 的 选择 系数 值 。 人 们 可 以 测量 网 状 序 游 动物 (它们 大 到 足 以 留 在 网 眼 大 小 通常 在 120 微米 的 拖网 中 ) 排 泄 的 营养 物 ,并 估计 泽 游 植物 和 浮游 动物 之 间 营 养 循环 的 速率 。 在 这 个 系统 中 必须 估计 : @@ 在 营养 物 循 环 中 浮游 细菌 和 吞食 细菌 的 作 用 ;@ 在 下 沉 颗 粒 的 混合 层 中 所 含 营养 物 的 损失 ; 国 颗 粒状 营 养 物 被 迁移 生物 向 上 输 运 。 海洋 生物 种 属 谱 的 对 生 端 可 能 出 现在 强 环 流 占 优势 的 海 岸 养分 丰富 的 水 域 , 在 这 种 水 域 有 一 些 容 易 辨 认 的 特点 ,它们 是 : 外 水 平和 垂直 方向 的 平流 很 强 ;@ 输 入 的 养分 多 ; ON 穿 透 力 降 低 ;@ 有 机 物 的 浓度 高 ;@ 空 间 和 时 间 上 变化 大 ， 这 些 条 件 给 与 那些 生活 在 这 种 水 域 的 生物 一 组 完全 不 同 的 选择 压力 。 输 入 的 营养 物 多 , 使 藻类 的 生长 速度 快 , 还 可 以 预期 ， 动物 的 行为 方式 也 将 表现 出 对 表层 和 浅水 层 海 水 水 流 的 适应 性 ,由 于 这 种 适应 性 ,它们 的 浮 卵 和 幼虫 才 得 以 保留 在 生态 系 e 191。 “ ZA. REMMARE TD HM HF A eA EME! KY 至 我 们 可 以 认为 浅水 区 的 水 生生 物 的 特征 已 经 按照 这 些 环境 条 件 进 行 了 自然 选择 。 如 果 营 养 不 足 和 营养 丰富 的 生态 系统 类 似 于 不 同 的 生物 社会 ， 则 以 陆地 生态 系统 的 研究 为 基础 的 大 量 生 态 学 理论 也 可 以 用 来 了 解 海 洋 。 例如 , 水 本 身 类 似 于 陆地 生物 社会 的 主 HE, 即 海水 的 化 学 性 质 受 生物 的 影响 很 大 , 因此 ;在 不 同 的 生 态 系统 里 , 海水 的 化 学 性 质 可 能 甚 为 不 同 。 对 浮游 植物 的 生 长 来 说 ， 水 的 “合适 条 件 "必然 发 生 在 比 平 流 的 时 间 尺 度 短 的 时 间 斥 度 上 ,因此 ,在 营养 丰富 的 水 域 , 序 游 植物 的 生长 必然 进行 得 快 , 而 在 营养 不 足 的 水 域 , 生 长 期 则 可 能 长 得 多 。 较 高 的 纬度 造成 不 同 平流 状况 下 光 强 度 的 很 大 变化 ;例如 ,北冰洋 RZ eA FR tbe RN, ACRE 的 水 域 则 受 光 强 季节 性 变化 的 影响 很 大 。 第 三 种 可 以 归 为 一 类 的 生物 社会 是 深海 ， 它 和 前 两 类 生 物 社会 的 区 别 在 于 缺少 阳光 ,因而 没有 初级 产品 , 它 和 其 它 生 物 社 会 没有 联系 , 这 个 社会 占 海洋 体积 的 4/5 bo 深 诲 是 一 个 黑暗 和 阴冷 的 环境 ,其 生理 化 学 条 件 的 季节 变化 很 小 , 它 的 特征 是 极 高 的 静水 压 ， 我 们 对 生活 在 这 个 环境 里 的 生物 的 进化 适应 能 力 的 了 解 比 对 容易 接近 的 海洋 区 域 要 少 得 多 ， 人 得 是 ,在 深海 发 现 的 数目 惊人 的 生物 品种 说 明 : “这 个 环境 并 非 敌视 生命 。 6.3.1 河口 的 生态 系统 沿海 营养 丰富 水 域 的 生物 社会 属于 河 日 生态 系统 。 在 河 流入 海口 (例如 营养 充足 的 切 塞 皮 克海 湾 )， 水 的 运动 (潮汐 ， 从 下 游 支 流 流 进 海湾 的 水 流 ) 和 气候 条 件 变 化 的 时 间 斥 度 使 我 们 不 可 能 用 稳定 态 描述 浮游 生物 的 生态 系统 ， 它 们 总 是 向 ° 192° 一 个 新 的 稳定 态 变化 。 此 外 , 由 于 这 种 水 域 的 水 浅 和 海岸 线 环绕 ,沼泽 的 、 海 底 的 (生长 在 海底 的 ) 和 浮游 的 生物 社会 之 间 存在 着 较 强 和 较 复杂 的 相互 作用 。 a 许多 河 妆 研究 的 最 终 目 标 都 是 为 了 弄 清 影响 水 生生 物 生 命 活力 的 那些 因素 之 间 的 相互 关系 ， 特 别 是 对 那些 有 经 济 价 值 和 有 利 娱乐 和 观赏 的 品种 ， 从 而 为 最 有 效 地 利用 这 种 生态 系统 商定 基础 。 人 们 可 以 提出 一 些 关 于 如 何 处 置 生态 系统 某 | 一 部 分 的 建议 ;例如 ,是 否 让 氯气 处 理 过 的 废水 直接 排放 进 一 企 鱼 类 产 卵 的 水 域 ? 或 者 是 否 要 在 一 个 水 生动 物 养 殖 区 内 设 置 自来水 的 吸水 口 ? 这 种 有 关 生 命 循环 关系 和 生理 学 方面 的 一 般 知 识 往往 能 给 出 正确 的 劝告 ， 并 可 避免 一 些 灾难 性 的 后 果 。 但 是 ; 在 因果 关系 不 那么 明显 或 者 营养 水 平 之 间 有 复杂 相互 作用 的 情况 下 ,就 不 存在 一 个 预 卜 先知 的 模型 ,这 一 方面 是 由 于 最 重要 的 摄食 类 水 生生 物 ( 贝 过 类 、 鱼 类 和 条 类 ) 的 生 命 循环 很 复杂 ， 也 由 于 所 有 这 些 生物 物种 之 间 营 养 的 相互 作 用 很 复杂 ， 另 一 方面 还 由 于 对 这 些 自然 界 的 生态 系统 进行 实 验 时 的 变量 (一 天 的 、 季 节 的 和 年 的 变化 ) 太 多 。 由 于 泽 游 杆 物 的 生长 时 间 很 短 ( 儿 小 时 到 几 天 ) ,它们 的 移动 能 力 又 差 , 因 此 可 以 估计 到 它们 的 生长 和 生理 状态 可 能 强烈 地 与 反映 它们 特殊 的 地 理 区 域 特征 的 物理 和 化 学 的 环境 参数 发 生 联 系 ， 由 于 这 种 强烈 的 联系 ， 应 该 有 可 能 用 一 个 强烈 衰减 的 准 稳定 系 统 来 描述 不 移动 的 浮游 作物 的 生长 和 分 布 的 动力 学 ， 这 个 准 稳定 系统 受 一 个 反映 周围 物理 和 化 学 环境 所 决定 的 天 然 扰动 的 强迫 函数 的 支配 ， 这 个 扰动 可 能 是 由 一 场 大 雨 带 来 的 养分 的 8 函数 , 它 可 以 是 早春 或 晚秋 的 温度 变化 , 它 还 可 以 是 一 次 有 意 给 予 环境 的 有 毒物 质 。 由 于 水 的 交换 ， 多 余 的 养分 和 生 物 的 扩散 损失 以 及 由 于 被 浮游 动物 摄食 造成 的 浮游 植物 的 损 失 都 属于 衰减 因素 。 ° 193 « 假如 知道 较 重 要 的 生理 速率 常数 和 它们 与 功能 的 关系 ， 并 把 反馈 包括 在 内 ， 就 应 该 有 可 能 确定 生态 系统 稳定 性 的 极 限 , 即 预测 物理 和 化 学 的 环境 参数 (养分 :温度 \ 光 ;等 等 ) 的 最 高 的 稳 态 水 平 ,不 超过 这 个 稳 态 水 平 ,天 然 的 浮游 生态 系统 才 能 从 大 的 天 然 扰动 下 恢复 过 来 ,因此 ,那些 最 高 的 水 平和 观察 到 的 水 平 之 间 的 差别 (无 论 其 重要 性 如 何 ) 将 是 该 浮游 生态 系 绕 稳 定性 的 一 种 度量 。 我 们 认为 营养 和 营养 的 转 枇 ;盐分 \ 温 度 \ 混 浊 度 、 物 种 的 选择 和 继承 、 摄 食 和 水 的 交换 这 些 因 素 之 间 的 定量 关系 是 可 以 测定 的 > 然后 将 得 到 一 些 特殊 的 参数 ,这 些 参数 可 以 作为 生理 状态 和 过 去 历史 的 诊断 指标 ， 并 帮助 人 们 预测 浮游 植物 群体 的 稳定 性 ,针对 所 提出 的 营养 \ 盐 分 或 热 负载 的 数据 ， 这 些 关系 应 能 帮助 我 们 预测 浮游 村 物 群体 变 北 的 方向 。 在 自然 界 的 任何 生态 系统 的 研究 中 ， 实验 者 都 可 以 把 笠 品 搬 到 实验 室 ,在 可 控制 的 条 件 下 进行 研究 。 但 是 ,具有 各 种 各 样 群体 的 自然 界 的 生态 系统 在 任何 时 候 都 是 包括 所 有 出 现 的 周期 不 定 的 气候 、 生 物 和 化 学 相互 作用 的 一 个 整体 因此， 在 一 个 自然 界 的 生态 系 里 得 到 实验 上 的 重复 是 很 困难 的 5 我 们 立即 面临 这 样 一 个 问题 : 如 何在 这 种 可 变 的 系统 中 进行 有 统计 学 意义 的 测量 ”让 我 们 考虑 一 个 有 待 测 量 的 自然 界 生 态 AA; 总 的 测量 误差 将 包括 与 < 处理 ”或 强调 所 希望 加 以 分 析 的 效应 有 关 的 误差 ; 和 由 于 风 ,潮汐 ,阳光 ,降雨 等 方面 的 日 、 季 和 年 的 涨 落 引 起 的 生态 系统 的 大 的 自然 变化 。 Alb, 原则 上 一 个 生态 系统 “以 前 ”和 “以 后 ”的 基准 线 的 研究 将 会 遇 到 这 两 方面 的 误差 来 源 , 只 有 产生 足够 大 的 平均 差别 ( 即 以 前 的 减 ”去 以 后 的 ) 的 “处 理 ” 才 能 以 一 定 的 统计 学 显著 性 进行 估价 。 由 于 诸如 标准 偏差 、X 方 检验 、Student FG ¢ 检验 、 下 方差 比 检 - 验 、Chauvenet 氏 判 据 和 可 信 度 这 些 统计 学 参数 只 有 在 假定 测 。 194 。 “ Ah lt th Pa See ee” Token Sy Cage eA, age , peer ee, hey TY h a yo wee ak eee Nae hi : < * ¢ 1 多 eae | » 重 数 据 是 正 态 分 布 的 情况 下 才 可 应 用 ， 于 是 使 问题 进一步 复 杂 。 再 者 ;如 何 对 从 一 个 季节 到 下 一 个 季节 \、 从 一 年 到 下 一 年 的 这 些 量 的 时 间 平 均值 的 差 给 出 可 信 度 呢 ? 应 能 选择 第 二 个 生态 系统 , 它 对 天 然 涨 落 的 响应 类 似 于 第 一 个 系统 ,但 是 在 没 有 那个 特殊 的 “处 理 ? 时 又 不 同 于 第 一 个 系统 ， 在 这 些 条 件 下 应 该 能 够 分 析 这 两 个 系统 之 间 的 差别 ， 并 把 大 的 天 然 变化 与 处 理 的 效果 分 开 , 通 过 这 两 个 系统 的 比较 ,差别 平均 值 的 期 户 值 经 过 适当 地 归 一 化 后 应 该 是 零 。 除开 测量 误差 外 , 每 一 系 统 内 的 不 均匀 性 和 它们 对 局 部 气象 的 变化 作出 的 不 同 反 应 也 将 使 服从 统计 分 析 的 差 值 产生 一 个 正 态 分 布 的 离散 ， 巧 妙 的 泵 法 仍然 是 使 用 两 个 可 以 比较 的 系统 。 对 于 变量 总 数 和 这 些 变量 间 的 函数 关系 不 十 分 清楚 的 任何 生态 系统 的 研究 ， 都 有 一 些 基本 的 限制 ,人 们 不 得 不 就 待 测 的 参数 、 取 样 频数 、 取 样 区 域 和 待 取 样 的 物种 等 项 作出 一 些 合理 和 直观 的 决定 ， 但 是 所 有 这 些 参数 和 取样 的 方式 都 只 能 在 研究 计划 的 物理 和 财政 的 限度 之 内 。 数 据 收集 在 时 间 速 率 和 空间 梯度 两 方面 都 存在 一 个 阔 值 ; 低 于 这 个 阔 值 ,研究 工作 就 降低 成 一 个 收集 数据 的 练习 了 。 在 环境 研究 的 这 个 领域 ， 人 们 必须 仔细 地 限定 要 由 一 系 列 实验 回答 的 一 些 专门 的 问题 ， 其 中 的 一 个 问题 涉及 到 海洋 的 水 下 阳光 和 养分 丰富 的 河口 的 水 下 阳光 之 间 在 光谱 上 的 明 显 不 同 , 是 什么 决定 了 河口 处 水 的 光 吸 收 率 ? 由 此 造成 的 水 下 光谱 辐 照 度 的 改变 是 如 何 选 择 出 那些 具有 能 适应 该 光谱 区 的 辅助 色素 (天 线 叶绿素 ) 的 浮游 植物 ? 6. 3.2 水 下 阳光 的 谱 分 布 在 大 多 数 养分 丰富 的 河流 入 海口 ， 透 光 层 的 次 度 是 十 分 有 限 的 。 赛 区 琪 圆 盘 ( 一 种 白色 的 漫 散 射 圆 盘 ) 在 水 中 看 不 见 © 195。 时 的 深度 可 能 低 到 0.5m, KS PR RE RY BLES BE PY AS Pk 面 光 强 的 2/10, 作为 一 个 粗略 的 近似 , 阳光 强度 减 小 到 它 在 水 面 数值 的 1% 的 深度 是 赛 克 琪 圆 盘 的 轮廓 变 得 模糊 不 清 时 的 深度 的 三 倍 。 由 于 这 种 方法 是 一 种 视觉 的 方法 , BRA 是 人 类 明 视 觉 波长 范围 内 的 相对 吸收 ， 明 视觉 的 峰值 灵敏 度 位 于 555nm， 介 于 叶绿素 的 吸收 峰 和 大 多 数 吸收 蓝光 的 辅助 色素 的 吸收 峰之 间 , 因 此 人 们 必须 作 一 个 不 完全 正确 的 梧 定 ， 即 吸收 系数 不 随 深度 或 泥 沙 的 含量 而 变 。 图 6-3 HY DEBE HE 海湾 的 一 个 河口 给 出 水 面 和 水 下 0.8m 深 处 阳光 的 相对 谱 分 布 ; 0.8m 相当 于 当天 赛 克 琪 圆 盘 在 水 中 达到 看 不 见 时 的 次 度 。 曲线 表明 : “这 些 水 的 消光 系数 不 能 用 一 个 数值 来 代表 ， 而 是 在 光谱 的 蓝 区 要 高 得 多 。 而 且 还 受到 浮游 植物 造成 的 光 吸收 的 影响 。 400 500 600 700 波长 Cam) 6-3 1972 年 7 月 27 A dE Bi (Rhode River) 未 面 和 水 下 0.8m 深 处 的 阳光 的 相对 光子 谱 分 布 , 强度 数据 都 以 710nm 处 的 值 归 一 化 处 理 ( 引 自 参 考 文 献 23)6 图 6-3 的 主要 意义 在 于 说 明 河 口 透 光 区 内 在 500nm 以 es 196， wme4 : 下 的 波长 上 有 明显 的 吸收 , 正 像 海 岸 和 大 洋 水 在 大 于 600nm 的 波长 上 有 强烈 的 吸收 一 样 29《〈 请 看 图 6-1 里 的 曲线 4) ， 原 来 的 太阳 光谱 有 了 明显 的 畸变 ， 蓝 光 吸 收 (真正 的 吸收 和 散 射 ) 的 平均 自由 程 从 最 清洁 的 大 洋 水 中 的 33m 变 为 切 赛 皮 克 海湾 的 一 个 河口 一 一 罗 得 河 里 的 0.5m。 由 于 泥 沙 和 养分 流 - 入 河口 , 光 也 许 是 对 浮游 植物 生长 的 一 个 限制 因素 ,混在 水 柱 里 的 浮游 植物 在 它们 的 大 部 分 日 照 时 间 内 可 能 处 在 低 于 使 它 们 的 光合 作用 达到 饱和 数值 的 光 强 下 ， 泥 沙 含量 的 有 时 减少 可 能 造成 水 柱 里 浮游 植物 产量 的 增加 。 但 是 , 伴随 泥 沙 而 来 的 养分 与 向 浮游 植物 和 浮游 动物 提供 养分 时 泥 沙 (包括 碎 石 ) 的 直接 和 间接 影响 之 间 的 关系 还 没有 完全 乔 清 楚 。 6.3.3 WHR PRAIA RA wl 在 泥 沙 沉 积 属 目 然 现 象 的 条 件 下 ， 可 以 预期 将 会 选择 出 一 种 能 运动 的 有 正 趋 光 性 的 营 类 ， 这 种 藻类 可 以 在 一 定 程度 上 克服 垂直 的 平 度 混合 。 在 日 天 的 大 部 分 时 间 里 这 些 菠 类 将 在 水 面 附近 度 过 ， 因 而 它们 能 比 不 具 运 动能 力 的 真正 的 浮 洲 植物 获得 更 大 的 光合 作用 产 率 ,这样 就 会 造成 一 个 负 的 梯度 ， 或 者 有 时 将 使 泽 游 植物 浓度 的 垂直 分 布 在 水 面 附近 出 现 一 个 + 峰值， 这 类 型 式 的 垂直 分 布 是 河 六 和 海口 处 双 凌 甲 藻 群体 的 特征 。 图 6-4 上 给 出 了 切 赛 皮 克 海 湾 里 双 凌 甲 营 群 体 在 垂直 方向 上 的 这 种 有 峰值 的 分 布 咖 ,在 这 种 情况 下 , 译 游 植物 的 有 效 浓度 以 可 提取 的 叶绿素 a ( 落 类 的 主要 光合 作用 色素 ) 的 浓 度 表 示 ( 图 上 的 实 线 ) ， 它 也 可 以 用 活体 内 叶绿素 a 的 荧光 来 表示 ,活体 叶绿素 a 的 菊 光 将 在 下 一 节 中 讨论 。 在 图 6-4 中 ， 代 表 译 游 植物 浓度 的 叶绿素 a 的 峰值 非常 接近 于 水 面 , 大 约 离 水 面 0.25 一 0.50mo 但 是 我 们 时 常 发 现 , 砚 #2 (Cerataulina bergonti 和 Rhizoselenia delicutula) 在 切 赛 皮 克 «© 197 « 温度 (C ,一 ) EBS (%eo , 二 -| YS 3A (ppmx 10,--—- ) Hee a(ug/L, +—e) 0 25 50 75 0 125 |50 O 50 100 150 200 250 300 350 活体 荧光 单位 (--) 6-4 在 切 赛 皮 克海 湾 (北纬 38"59'; PSS 76°23"). HOHE RE 大 桥 附 近 ， 温度, 盐分 ,溶解 氧 (D. O. )、 可 提取 的 叶绿素 a A 叶绿素 a 的 活体 荧光 的 垂直 分 布 , 测量 是 在 1971 年 8 AE 甲 薰 的 生长 季节 进行 的 ( 引 自 参考 文献 28) 湾内 却 主 要 浓 集 在 4m 到 8m 之 间 的 深度 上 ，, 在 这 个 深度， 水 下 阳光 的 强度 仅 为 水 面 光 强 的 1% 7, 这 两 个 例子 给 册 了 大 洋 、 海 岸 和 河口 水 域 里 一 般 出 现 的 与 浮游 植物 数量 有 关 的 现象 的 两 个 极端 ， 这 种 现象 是 浮游 杆 物 对 光 的 行为 反应 ,是 浮游 生物 群体 在 由 于 密度 的 不 连续 (这 种 不 连续 是 由 盐分 或 者 温度 引起 的 ) 而 和 其 它 海水 分 开 的 一 定 的 水 域内 作物 理 迁 移 但 又 不 会 离 去 的 现象 ， 这 些 秀 游 生物 常常 沿 不 同 的 方向 运动 。 在 图 6-4 的 浮游 植物 数量 分 布 的 例 子 中 , 叶绿素 浓度 的 峰值 在 不 到 0.5m HOW, ENA HF 与 光 强 有 关 的 趋 光 寻找 机 制 才 选 择 这 样 一 个 深度 的 ， 从 早晨 一 直到 光 最 强 的 中 午 ,这 个 峰值 始终 保持 在 同样 的 深度 , 它 是 由 于 流入 表面 的 低 密 度 河水 中 不 含 这 些 双 凌 甲 藻 而 造成 的 候 © 198 。- OEE ae a ee 象 ” 当 测量 水 的 密度 垂直 分 布 时 ， 我 们 发 现 密度 的 不 连续 点 区 比重 突变 ) 也 恰好 在 0.5m 的 地 方 ,并 发 现 表面 水 的 流动 矢量 AIF 0.5m 以 下 的 水 流 矢量 ， 这 种 不 连续 性 发 生 在 0.5m 以 内 的 表面 水 层 中 ， 它 说 明 在 比 海岸 和 大 洋 水 浅 的 河流 人 海口 处 有 时 也 需要 了 解 不 同 深度 的 情况 。 4 AY MERA ZE 4 一 gm 的 深度 时 , 水 的 密度 的 垂直 分 布 图 表明 : 在 3m 处 有 一 个 比重 拐点 ,并 在 9m 处 有 第 二 个 更 大 的 比重 突变 叹 , 因 此 ,可 以 在 密度 既 不 同 于 最 上 层 也 不 同 于 最 下 层 的 中 间 水 层 里 找到 浮游 植物 。 除非 知道 水 的 循环 方式 , 否 则 根据 浮游 植物 分 布 的 数据 有 可 能 得 出 错误 的 光 生 物 学 的 解 释 , 例 如 ;对 克 藻 分 布 的 数据 (如 果 没 有 水 的 密度 分 布 资 料 ) 就 可 能 作出 一 个 狐 视 有 理 实际 是 错误 的 解释 : 在 上 层 水 中 营养 (硝酸 盐 和 磷酸 盐 ) 被 销 耗 贻 尽 ， 所 以 克 藻 沉 到 一 个 养分 更 多 的 区 域 ; 于 是 砂 藻 为 了 得 到 较 高 浓度 的 营养 ,不 得 不 牺牲 光 的 强度 。 从 这 个 例子 可 以 学 到 的 知识 还 有 这 样 一 点 ; 环境 光 生 物 学 涉及 到 生态 系统 各 个 部 分 的 相互 作用 。 在 风平浪静 天 空 晴朗 的 条 件 下 ， 正 的 趋 光 性 会 使 双 鞭 四 藻 大 量 集聚 ;形成 许多 有 颜色 的 斑点 吧 ; 这 是 形成 双 鞭 甲 藻 花 和 红 潮 的 机 制 之 一 ,这 个 现象 有 几 点 重要 的 启示 : ， (1) 浮游 植物 群体 在 一 些 水 层 中 的 相对 的 娶 集 是 有 高 度 选择 性 的 ， 它 选择 那些 能 够 忍受 这 些 水 层 特有 的 光 强 和 养分 浓度 范围 的 浮游 植物 品种 ， 因 此 它 能 够 造成 一 些 特殊 的 浮游 植物 在 水面 下 迁移 相当 长 距离 的 情况 ， 当 这 些 水 混 进 营养 丰 富 和 温暖 的 沿海 岸 的 表面 水 时 ,这些 迁移 的 浮游 植物 可 能 再 通过 正 的 趋 光 性 开花 和 形成 致密 的 水 面 班 点 。 (2) 关于 利用 海水 的 反射 光学 性 质 从 飞机 或 卫星 上 监测 浮游 植物 群 的 概念 还 有 一 些 严重 的 障碍 ,在 计算 和 测量 海水 的 光谱 反射 特性 时 ,人 们 假定 叶绿素 的 让 度 是 均匀 的 ,但 是 浮 © 199» 游 植 物 (叶绿素 ) 浓 度 的 垂直 分 布 很 少 表明 叶绿素 的 浓度 是 均 匀 的 。 4m 和 8m 深 之 间 的 砂 藻 浓 度 将 不 能 由 光谱 反射 率 数 SERN 5 Et 6-4 ELLE PRS HG SI eee ne 绿 素平 均 浓度 过 于 偏 高 的 估计 。 (3) EBRFESRDARABO, 蓝光 的 强烈 散射 和 吸收 可 能 选择 那些 辅助 色素 的 吸收 落 在 较 长 波长 区 的 浮游 植 物 ， 因此 ， 河 口 生态 系统 里 的 水 层 输 运 机 制 应 该 选择 这 样 的 浮游 植物 : 全 它们 具有 正 的 趋 光 性 ;@ 它们 有 在 绿 区 和 黄 区 吸 收 光 的 辅助 的 光合 作用 色素 (多 甲 莞 黄 素 , 藻 红 素 ); ® Gf] AEA AE 078 FBR BE A EE oD in EASE Ro 总 结 起 来 ， 双 车 甲 藻 的 局 部 的 大 量 积聚 是 由 正 的 趋 光 性 、 合适 的 辅助 色素 和 大 的 生长 耐 受 能 力 三 者 与 直列 因素 结合 在 一 起 造成 的 : O 限制 在 一 些 水 层 中 ;这 些 由 于 密度 不 连续 而 分 层 的 水 层 作 横向 运动 ; @ 在 沿海 岸 的 浅水 中 ;垂直 方向 的 ieee PEAKE PER ZK; @ 强劲 的 海岸 风 产 生 一 些 KF RH AH: @ 不 同 密度 的 水 再 会 聚 ;@ 被 风 驱 动 的 对 流 小 区 。 五 月 末 六 月 初 , 在 北 切 赛 皮 克 海 湾 ( 北 纬 39°00" ) 开花 并 形成 稠密 的 可 见 兽 点 的 双 鞭 甲 藻 Prorocentrum mariae lebouriae 〈 最 小 的 一 种 双 鞭 甲 藻 ) 在 三 个 半月 的 时 间 里 被 表面 水 从 海湾 中 (北纬 37?037 向 外 推移 了 216 公里 的 距离 , 这 个 过 程 被 认 为 是 上 面 讲 的 过 程 @、Q@ 和 人 国 合作 的 结果 。 在 切 赛 皮 克 河 口 ， 营 养 物 的 浓度 有 一 个 从 支流 到 主 河 再 到 中 央 海 湾 然 后 南下 到 大 海 的 梯度 ， 那 里 是 一 个 表面 水 一 般 向 南 流 而 底部 的 水 向 北 六 的 双 层 系统 ,在 这 个 双 层 系统 中 ,十 分 有 利于 那 种 可 以 周期 性 地 迁移 到 上 层 表 面 水 然后 又 迁移 到 底层 水 去 的 生物 的 生长 繁殖 ,与 潮汐 适当 地 配合 ,这 种 生物 就 能 借助 周期 性 的 垂直 迁移 得 到 一 个 净 的 向 北 或 向 南 的 横向 位 * 200 PMA DALAT. 由 于 浮游 植物 都 是 光合 作用 的 生物 , 它 们 应 该 表现 出 太阳 相位 的 光 周 期 的 节律 ， 白 天 是 正 的 趋 光 性 (向 上 的 运动 )， 夜 晚 的 12 小 时 则 向 下 运动 《 趋 地 性 或 趋 化 性 *)， 只 有 那些 每 小 时 能 游 动 lm 左右 以 便 在 适当 的 时 间 内 利用 这 种 双 层 系统 中 上 下 水 层 里 的 水 流 的 生物 体 CRAB 双 Hi FAR) A REAL KA ” 双 鞭 甲 营 (Ceratium furca) EWR RIBS R Hk Be 行 夜 止 的 迁移 可 以 从 图 6-5 上 推理 得 知 ， 这 些 数据 是 以 下 列 方式 取得 的 : 当 调 查 船 匀速 向 南 治 横 切 区 运动 约 30 公里 时 ， 不 停 地 把 革 米 深 处 的 表层 水 抽 人 一 人 台 流 动 式 细胞 荧光 分 光 光 度 计 。 清 晨 , 双 鞭 甲 菠 均 匀 地 分 布 于 整个 水 柱 内 ,因此 活体 叶 绿 素 a 的 荧光 较 低 (虚线 )。 睛 天 时 ,这 种 生物 向 水 面 迁 移 , 然 后 在 下 午 往 回 运动 ,这 时 再 在 lm RE. BH 1 ARRAY 浓度 高 了 很 多 , 这 是 正 趋 光 性 的 结果 (例如 ，, 请 看 图 6-4 上 时 绿 素 a 浓度 的 峰值 )。 浓度 沿 横断 面 随 距 离 的 振荡 是 实际 的 情况 ,， 它 给 出 由 于 当地 的 刮 风 特 点 和 表面 水 流 造 成 的 这 个 生 ” 态 系统 的 外 观 斑纹 。 这 个 图 说 明了 对 河口 生态 系统 中 浮游 植 物 进行 有 绕 计 学 意义 的 测量 的 困难 ， 浓 度 在 垂直 方向 和 横 方 同上 可 能 都 有 变化 ,变化 的 情况 取决 于 物种 .一 天 之 中 的 什么 时 候 、 潮 汐 的 相位 和 气候 条 件 。 我 们 能 够 进行 有 意义 的 河口 光 生 物 学 的 测量 ,但 是 方法 和 手段 必须 是 多 学 科 的 。 A tte) BAN — ALAA I] a OE A 388 Gymnodinium nelsoni 在 夜晚 向 下 迁移 到 中 间 水 层 , 而 在 白天 向 上 迁移 到 表面 水 中 , 白 天 癌 上 和 晚上 向 下 的 结合 是 为 了 在 晚上 利用 中 间 层 水 和 底层 水 的 较 高 浓度 的 养分 ， 并 减少 比 水 柱 内 均匀 分 布 的 微 浮 游 生 i) FREE INF 10 微米 ) 大 的 双 鞭 甲 菠 与 海湾 水 的 交换 速率 ， “ 趋 地 性 指 生物 的 生长 或 运动 趋向 或 离开 地 球 之 趋势 , 即 生 长 或 运动 受 重力 的 影 响 。; 浇 化 性 指 生 物体 的 运动 由 化 学 物质 的 浓度 梯度 所 引起 。 一 一 译 者 ”201。 于 是 ， 这 种 双 粹 甲 薄 的 数量 要 比 仅仅 根据 表面 水 中 可 溶性 养 分 的 清 度 所 预计 的 数值 高 得 多 。 200 1 50 ay we = 100 Ae ® 去 50 I : - A \ \. Ward \ 、 Vv. Ae ds als 观 察 站 ) ‘nd (804 观 察 站 km 〈 从 海湾 嘴 算 起 ) 6-5 1974468 月 12 日 测定 的 lm FE AA 叶绿素 a 的 荧光 在 表层 水 中 由 北向 南 的 变化 ;虚线 是 早晨 《8: 50 一 10:50) 在 帕 图 克 森 特 河 〈818 站 ) 南 段 1m 深 处 的 横 切 线 上 的 变化 , 实 线 是 同一 天 的 下 午 (14:30 一 17:30) ll — 线 上 im 次 处 的 变化 。 由 于 横 切 面 穿 过 整个 双 粹 甲 莹 集聚 的 区 域 ， 所 以 这 两 条 曲线 下 方面 积 积分 的 比值 是 双 凌 甲 营 向 最 - 上 面 的 lm 表 水 层 迁 移 的 度量 ( 引 自 参考 文献 31)。 6.3.4 浮游 植物 的 现 有 产量 在 切 赛 皮 克海 湾 的 一 些 支流 河口 和 中 央 海 湾 ,，80 多 到 90 匈 的 浮游 植物 的 初级 产品 是 来 自 微 浮 游 生 物 的 。 水 柱 和 混 浊 度 的 稳定 性 使 混合 充分 的 表层 水 包含 了 能 使 光合 作用 进行 的 整个 光 强 范 围 , 也 就 是 说 它 是 透 光 的 。 登 加 在 这 个 平均 10 一 20wg/1 可 提取 的 叶绿素 a 背景 上 的 是 一 片 有 季节 性 的 强烈 趋 光 的 比较 大 的 双 鞠 甲 莹 ， 在 上 海湾 生长 的 是 下 列 品 种 的 双 医 甲 省 : ~Prorocentrum mariae lebouriae (一 种 最 小 AY Ae) * 202° Gymnodirium nelsoni, G. splendens 和 Katodinium rotundatum, ZEB 6 4 KAS FB Ceratium jwrcz。 在 微 浮游 生物 生 产 的 第 一 个 循环 和 捕食 微 序 游 生 物 之 后 ， 这 些 双 鞭 甲 菠 的 浓 度 增加 起 来 ， 在 溶解 的 无 机 氮 和 无 机 磷 向 有 机 物 形式 的 转化 和 这 些 种 类 的 双 鞭 甲 藻 的 出 现 之 间 似 乎 存在 某 种 相关 性 。 6.3.4.1 叶绿素 a 的 测量 比较 重要 的 测量 之 一 与 估计 泽 游 植物 现 有 的 产量 有 关 。 很 明显 ,列举 浮游 植物 的 品种 和 数量 浓度 是 意义 不 大 的 ,这 是 因为 品种 的 数目 很 多 ， 品 种 中 间 的 大 小 分 布 很 宽 ( 从 2am 的 蓝 绿 藻 到 6um 的 金黄 藻 ， 再 到 70um A AREAL B oom 的 砂 藻 链 ) ,而 且 这 些 品 种 中 光合 作用 的 效率 有 时 有 很 大 的 变化 。 由 于 我 们 关心 的 是 序 游 植物 和 它们 的 初级 光合 作用 产 品 , 又 由 于 叶绿素 a 是 主要 的 光合 作用 色素 , 因此 ,对 浮游 植 物 现 有 产量 的 一 种 可 能 的 测量 办 法 是 测定 叶绿素 a 的 体积 浓 度 ,这 是 一 种 广泛 用 于 泽 游 植物 生态 学 的 化 验方 法 ， 它 的 理论 基础 如 下 。 叶绿素 a 的 功能 是 敏 化 由 吡啶 核 苷 NADP 到 NADPH 的 光 还 原 , 并 生产 ATP。 如 果 我 们 假定 在 这 个 光 还 原 系统 中 有 一 个 共同 的 速率 限制 反应 , 于 是 , 在 光 很 强 时 (光合 作用 达到 饱和 ) 固 夏 的 速率 将 直接 正比 于 主要 的 叶绿素 a 分 子 或 反应 中 心 的 数目 。 At, 浮游 植物 里 所 含 叶 绿 素 :a 的 体积 浓度 5 应 该 和 这 块 体积 水 的 光合 作用 潜力 有 关 。 这 个 最 大 的 固 碳 速 率 可 以 认为 是 碳 的 全 部 质量 〈C) 的 一 个 恒定 的 分 额 , 如 果 SS es. ee : 06 一 ar? a BL (6-11) 在 光 饱 和 的 情况 下 ， e。 203 ¢ (42) ~ [叶绿素 a] (6-12) t / tx i 于 是 有 arian a se ie (6-13) 因此 ， 测 量 特殊 叶绿素 a 的 体积 浓度 应 该 是 浮游 植物 中 碳 的 生物 质量 的 一 个 合理 的 近似 。 在 实验 室 培养 的 浮游 植物 和 处 于 对 数 期 生长 的 天 然 浮 游 植物 中 ， 每 个 生物 的 叶绿素 a 的 质 量 看 来 是 相当 恒定 的 * 对 碳 与 叶绿素 * 的 比值 作 了 测量 ,其 数 值 为 50 一 100g/g。 测定 天 然 水 样 的 叶绿素 浓度 有 一 种 迅速 且 可 以 重复 的 方 法 ,通过 一 个 水 管 把 水 样 抽 进 一 台 荧 光 分 光 光 度 计 里 ,观察 菊 光 分 光 光 度 计 测量 体积 内 活体 叶绿素 a 的 荧光 强度 za。 这 种 连续 抽 吸 样品 测量 活体 荧光 的 技术 在 时 间 和 空间 分 辩 能 力 上 均 比 手工 取样 测量 具有 了 明显 的 优越 性 。 活体 叶绿素 a 荧光 技术 的 基本 前 提 是 在 观察 到 的 活体 样 品 的 荧光 强度 和 可 提取 的 叶绿素 a (mg/m’) 之 间 有 一 个 不 变 的 比值 : _ 活体 净 荧 光 强度 (任意 单位 ) 。 《6-14) 可 提取 的 叶绿素 a (mg/m?) - ”长 期 以 来 ， 人 们 一 直 认为 叶绿素 的 活体 内 荧光 效率 是 它 在 光合 系统 中 的 状态 的 指示 ， 活 体内 荧光 的 量子 产 额 的 增加 被 认为 是 光合 作用 效率 低 的 度量 ， 因 为 荧光 代表 了 可 以 在 光 合作 用 过 程 中 转化 为 化 学 能 的 自由 能 的 损失 。 活体 内 叶绿素 a 的 荧光 技术 是 一 种 测定 浮游 植物 现 有 产 量 的 方便 而 迅速 的 化 验 技术 , 它 虽然 很 有 吸引 力 , 但 也 不 是 可 以 随意 使 用 的 29。 当 总 种 的 组 成 保持 相对 不 变 时 , 用 提取 叶 绿 素 a 的 方法 测定 R 值 [公式 (6-14)] 将 适用 于 适当 的 时 期 和 +2046 Re ee 足够 大 的 调查 区 域 ,这 时 ,提取 后 下 再 测 量 的 方法 是 有 价值 的 。 6.3.4.2 Sea ARE ah IE 因为 光子 探测 技术 有 极 高 的 灵敏 度 , 又 由 于 ATP 普遍 地 存在 于 所 有 的 生命 形式 里 ， 所 以 在 美国 国家 字 航 局 (NASA) ”探测 太空 生命 的 计划 中 提出 了 一 种 方法 ， 它 是 在 充 氧 的 缓冲 溶 沪 里 加 和 过量 的 虫草 光 素 、 虫 曹 光 素 酶 和 Mg” 离子 ， 用 这 -种 体外 的 反应 混合 物探 测 蓝 火 虫 的 生物 获 光 ， 在 这 种 充 氧 的 缓冲 溶液 里 可 以 加 入 从 太空 取得 的 样品 。 发 光 将 是 对 ATP 的 直接 证 据 ， 多 半 也 是 对 活 的 生物 过 去 合成 的 ATP 的 证 明 。 ”用 最 灵敏 的 仪器 ， 这 种 化 验 技术 能 够 探测 低 到 0.01pg (微微 #5) BR 2 10~Spmol (微微 摩尔 ) 的 ATP, 在 使 用 未 完全 钝 化 的 虫草 光 素 酶 时 , “残余 光 ” 的 存在 使 该 技术 限制 到 lpg ATP. 发 光 的 动力 学 表明 ,发 光 强度 先 上 升 ;峰值 高 度 取决 于 注 和 的 迅速 程度 和 注入 后 的 混合 ,然后 光 强 有 一 个 复杂 的 衰减 ;衰减 的 情况 取决 于 虫草 光 素 酶 的 纯度 、 浓 度 和 ATP 的 浓度 ， 一 些 研究 者 喜欢 用 该 闪光 的 高 度 ， 另 一 些 人 则 倾向 于 用 某 一 固定 时 间 内 光 强 的 积分 。 用 目前 的 一 些 技术 可 以 探测 少 到 10 个 大 肠 杆 菌 细胞 ， 每 个 细菌 含有 10-g ATP, 在 海洋 生物 学 中 现在 用 ATP 化 验 法 测量 深度 在 阳光 充 足 区 下 方 大 洋 水 中 异 养生 长 的 细胞 和 阳光 充足 的 水 层 里 浮游 植物 的 生物 质量 s9。 在 阳光 充足 的 水 层 , 根据 样品 是 取 自 大 洋 水 、 较 混浊 的 沿岸 海水 还 是 非常 混浊 的 河口 水 ,生物 质量 可 以 圳 多 部 有 机 质 的 20% 到 接近 于 100%, ATP 存在 于 活 细 胞 里 ; 它 从 死亡 的 细胞 里 迅速 地 扩散 出 去 ,一 般 来 说 ,它们 不 大 会 吸附 在 沉积 物 和 细碎 的 颗粒 上 ,但 是 ,如 果 对 大 量 含有 许 多 泥 沙 沉淀 物 的 水 进行 过 滤 的 话 , 吸附 就 不 能 忽视 了 。 我 们 * 205 « 发 现 , 细胞 中 有 机 碳 的 质量 与 ATP 的 比值 对 海洋 和 淡水 的 菠 类 接近 于 286g/g, 而 对 细菌 、 霉 菌 、 肿 瘤 细 胞 和 一 些 浮游 动物 WWE 250g/g。 对 于 天 然 的 浮游 植物 样品 ， 人 们 发 现 碳 与 叶 绿 素 a 的 比值 是 50 一 100g/g。 ATP 化 验 法 可 以 验证 为 知 计 表 层 水 中 生物 质量 所 作 的 对 浮游 植物 (浮游 植物 是 表层 水 中 全 部 有 机 碳 的 主要 来 源 ) 叶 绿 素 a 的 化 验 , 它 的 另 一 个 优点 是 可 以 给 出 总 的 生物 质量 数 , 即 | ROK ATP) 一 碳 (来 自 叶 绿 素 a) = FEW (6-15) 式 中 异 养 的 碳 是 参与 非 光 合作 用 生产 或 次 级 生产 的 生物 质 量 。 由 %C 研究 得 到 的 与 初级 生产 〈 摄 碳 ) 速率 有 关 的 浮游 植 物 中 碳 的 质量 将 给 出 该 体积 水 中 光合 作用 的 总 生产 速率 常 数 ,知道 了 这 些 速率 常数 和 浮游 植物 中 碳 : 氮 : 磷 的 比值 ;并 测 量 取 样 水 中 可 溶性 氮 和 磷 养 分 的 浓度 ， 就 能 计算 出 营养 的 周 ” 转 率 ， 这 个 周转 率 在 对 生态 系统 的 任何 系统 处 理 方法 中 都 是 很 重要 的 。 C:ATP 比值 法 的 一 个 优点 是 由 关系 (C)pISasOGaNeY [g]】 算出 的 碳 代 表 着 活 的 或 原生 质 的 碳 ， 这 种 碳 不 同 于 腐朽 的 碳 ( 即 来 自 过 去 是 活 的 动 植物 的 有 机 微粒 碳 ) 于 是 比值 250(ATP)[g/l] : (6-16) 化 学 测定 的 所 有 微粒 状 有 机 碳 [g/] 就 是 水 样 中 活 有 机 体 中 所 含 碳 的 分 额 ， 在 养分 不 足 的 水 或 深 7k (>1000m) 里 ,这 个 比值 可 以 是 1 一 10 匈 ,在 营养 充足 的 沿 岸 海水 中 , 这 个 比值 接近 于 100%, 数值 为 250 一 300 的 C:ATP 的 比值 [g/g] 对 天 然 水 中 处 在 “正常 的 ”指数 生长 期 的 各 种 浮游 植物 \ 浮 游 动物 和 海底 无 HD MARIE, 但 是 , 即使 对 于 生长 在 恒温 器 的 细菌 ， 观察 到 的 数值 却 从 91 变 到 333。 对 于 在 营养 严重 不 足 ( 缺 铁 、 氮 、 磷 ) 条 件 下 培养 的 浮游 植物 , C:ATP 的 比值 可 能 高 达 « 206 « res eT a a ae ; 2000。 利 用 与 体内 叶绿素 a 荧光 效率 的 情 名 同样 的 类 比 ，5C: ATP 的 比值 和 在 亮 - 暗 照 光 或 试验 照 光 下 该 比值 的 动力 学 变 化 ,可 以 作为 生物 机 体 生 理 状 态 的 一 个 诊断 指标 。 6.3.5， 光 和 光 透 区 的 填充 ”靠近 水 面 的 混合 层 厚 度 和 光 透 区 的 深度 之 间 紧 密 相关 ， ”这 一 点 在 生态 学 分 类 上 很 有 意义 。 颗 粒状 植物 色素 造成 了 在 营养 充足 的 河口 水 中 对 光 的 主要 吸收 , 泥 沙 散射 体 的 存在 ( 混 THRE) 使 下 射 光 的 有 效 几 何 路 程 增长 。 在 少雨 酷 晒 期 以 后 的 NAA > 切 赛 皮 克海 湾 里 的 混浊 度 是 最 轻 的 , 这 时 ,在 整个 靠 近 水 面 的 混合 层 里 都 有 足够 的 光 强 保证 浮游 植物 的 生长 ， 它 们 的 浓度 不 断 地 增加 ， 直 到 它们 吸收 掉 这 个 靠 水 面 的 混合 层 - 里 用 于 光合 作用 的 全 部 人 射 光 , 这 是 一 种 理想 的 情况 。 浮游 植物 的 生长 速率 减 去 由 于 水 的 交换 和 浮游 动物 的 捕食 造成 的 浮游 植物 的 损失 速率 使 浮游 植物 的 浓度 维持 在 一 个 稳定 不 变 的 状态 ， 它 使 全 部 得 到 的 光 都 用 于 光合 作用 上 ， 因 此 光 透 区 的 厚度 就 等 于 舍 近 水 面 的 混合 层 的 厚度 。 当 靠 近 水 面 的 混合 层 里 的 养分 浓度 降低 时 (营养 有 限 的 情形 ), 浮游 植物 的 生长 速率 常数 较 低 , 这 时 靠近 水 面 的 混合 层 中 浮游 植物 的 浓度 将 不 足以 吸收 掉 全 部 可 用 于 光合 作用 的 光 ， 于 是 光 强 减 小 到 表面 光 强 度 1% 的 那个 深度 将 处 在 靠 水 面 的 混合 层 的 下 方 , 即 1% 光 强 的 深度 大 于 比重 突变 的 深度 ， 也 即 大 于 靠近 水 面 的 混合 层 的 厚度 。 | 当 人 靠近 水 面 的 混合 层 里 的 养分 水 平 由 于 河水 的 流 人 而 增 高 时 ,河水 还 携带 着 泥 沙 ,由 泥 沙 增加 的 散射 加 上 光合 作用 色 素 浓 度 的 增加 所 增加 的 光 吸 收 使 光 透 区 的 厚度 压缩 了 ， 从 而 使 它 这 时 的 厚度 小 于 比重 突变 的 深度 ， 这 就 是 光照 有 限 的 情 形 。 。 207… 上 面 的 两 种 情况 都 是 暂时 的 现象 ， 当 河口 的 条 件 季 节 性 改变 时 ,它们 都 将 接近 理想 的 效率 (1 多 光 强 的 深度 等 于 比重 突变 的 深度 )。 在 光照 有 限 的 情形 ,由 于 泥 沙 的 沉淀 和 与 浮游 植物 的 浓度 保持 同步 的 摄食 增加 ， 也 将 达到 最 有 效 地 利用 光 的 状态 《图 6-6)， 即 译 游 植物 靠 太 阳 和 风能 在 其 中 迁移 的 整个 靠近 水 面 的 混合 层 将 吸收 掉 全 部 可 得 的 光 能 记 于 光合 作 FAS", 在 这 样 的 条 件 下 , 较 小 的 、\ 相 对 来 讲 不 活动 的 微 浮 游 生 物 就 不 需要 任何 正 的 趋 光 性 了 。 S) Y = 1.32X ~ 1.22 R* = 0.94 0 人 靠 水 面 的 混合 层 的 深度 [m] b i 2 3 4 5 ol ANF 8 1% 光 强 水 平 的 深度 [m] 6-6 1974 年 8 月 份 ， 切 赛 皮 克海 湾 里 靠近 水 面 的 混合 层 的 深 度 与 光 透 区 深度 〈 它 多 少 有 点 任意 地 被 规定 为 表面 光 强 的 195) 之 间 的 关系 ， 与 数据 点 相对 应 的 那些 观察 站 的 数字 是 纬度 的 缩写 ， 即 : 848 一 北纬 28"48' ,808= 44; 28°08’,C 表示 该 纬度 上 的 一 个 特定 的 经 度 。Y 和 X 是 线性 过 归 时 所 用 的 座 标 ; 愉 : 是 过 归 系 数 ( 引 自 参考 文献 31)。 从 这 个 一 般 性 的 描述 中 我 们 可 以 看 到 ， 只 要 知道 相互 作 用 的 机 制 ， 就 可 以 通过 对 光 强 和 水 密度 的 垂直 分 布 进行 简 单 的 物理 测量 来 监测 极为 复杂 的 营养 -浮游 植物 -浮游 动物 的 循 Ko + 208 。 -6.3.6 结论 在 河流 人 海口 这 种 复杂 的 水 生 光 生物 学 情形 ， 人 们 一 直 在 努力 研究 光 和 主要 生产 者 二 一 浮游 植物 的 相互 作用 ， 有 必 要 追踪 包括 碳 在 内 的 无 机 养分 是 如 何 通过 浮游 植物 参 人 到 下 一 个 更 高 一 级 的 营养 水 平一 一 食 草 水 生生 物 中 去 。 “即使 是 对 整个 河口 生态 系统 的 这 一 小 部 分 来 说 ， 实 验 者 不 能 直接 控制 的 变量 数目 也 是 相当 可 观 的 ,气候 条 件 的 迅速 变化 和 季节 、 年 份 的 很 大 涨 落 这 些 进一步 的 复杂 因素 使 问题 变 得 非常 困难 ,相对 来 说 ,比较 宁静 和 变化 较 小 的 大 洋 生态 系 统 反 而 容易 研究 。 但 是 , 河流 人 海口 是 很 多 海洋 鱼 类 产 卵 和 幼苗 养殖 的 水 域 , 它 是 螃蟹 、. 牡 时 、 贝 虹 、. 蛤 和 各 种 市 售 鱼 类 的 来 源 。 河 口 沿岸 又 是 人 类 生活 和 工业 发 达 的 区 域 , 因 此 ; 它 的 保护 和 不 断 地 健康 发 展 是 至 关 重 要 的 问题 。 这 二 章 里 给 出 的 一 些 例子 仅仅 是 初步 触及 了 一 下 环境 光 生物 学 这 个 复杂 的 领域 ， 光 生物 学 已 经 成 为 一 个 学 科 交 叉 的 | 领域 ， 它 包括 分 子 的 电子 激发 态 物 理学 和 复杂 的 生物 系统 中 这 些 激 发 态 反 应 的 化 学 ; 例如 光合 作用 、 视 觉 和 DNA 的 损伤 与 修复 。 光 生物 学 扩展 到 环境 光 生 物 学 还 要 加 上 另 一 个 有 待 芳 虑 的 重要 方面 ， 即 一 个 光 生 物 学 上 完整 的 生物 与 它 的 环境 的 相互 作用 。 在 浮游 植物 的 水 生生 物 学 中 , 了 解 光合 作用 的 机 制 是 必需 的 , 但 这 还 不 够 , 学 生 必 须 了 解 趋 光 性 、 光 对 代谢 路 径 的 调节 、 辅 助 色素 的 分 布 、 营 养生 理学 、 各 级 浮游 植物 的 分 类 学 、 大 洋 、 沿 海 和 河口 生态 系统 中 水 的 散射 和 吸收 特性 ， 必须 了 解 在 这 些 系统 中 水 循环 情况 的 水 力学 、 浮 游 植物 的 营 养 来 源 和 影响 捕食 浮游 植物 的 一 些 因素 。 环境 光 生 物 学 是 一 个 迫切 需要 的 课题 ， 它 是 二 门 一 方面 需要 专门 的 技术 ， 另 一 方面 需要 有 宽广 的 普遍 概念 的 学 科 。 ee 209 « ”必须 建立 一 些 新 的 系统 分 析 的 方法 ,， 这 种 方法 类 似 于 对 大 的 健康 情况 所 作 的 分 析 ,假定 人 这 个 系统 处 于 某 一 个 稳 态 ,血压 的 读数 、 尿 和 血 的 分 析 或 运动 后 脉搏 速率 的 恢复 都 是 与 人 这 个 系统 的 总 的 功能 有 关 的 诊断 指标 ， 往 往 并 非 必须 分 离 和 化 验 所 有 的 酶 循环 、 激 素 和 抗体 。 医生 的 诊断 检查 来 自 于 对 人 © 体 生 物化 学 和 生理 学 的 了 解 ,在 环境 光 生 物 学 中 也 是 如 此 ;大 们 应 该 有 可 能 了 解 生 物 机 体 的 需要 、 相 互 作用 3 生物 化 学 和 生 理学 ,以 及 由 环境 造成 的 外 部 的 物理 和 化 学 因素 ,根据 这 些 知 识 ， 人 们 应 能 描述 出 对 该 环境 里 的 生物 的 一 系列 诊断 指标 。 对 那些 热衷 于 充分 运用 光 物 理光 化 学 .生物 化 学 机 理 和 数学 模型 等 所 有 科学 领域 的 学 生 和 那些 愿意 走出 条 件 可 以 控制 的 实验 室 用 自然 环境 里 的 全 部 生物 进行 研究 工作 的 学 生来 说 ， 这 是 一 个 令 人 神往 和 不 断 有 所 发 现 的 境地 ;是 一 个 充满 活力 的 领域 , 是 多 学 科 的 科学 家 们 渴望 的 领域 。 除 了 它们 固有 的 科学 价值 外 ， 这 些 问 题 还 极 大 地 关系 到 如 何 正 确 使 用 我 们 这 个 日 益 拥挤 的 星球 上 的 资源 。 6.4 实 验 如 果 能 用 放射 性 示 啼 技术 测量 无 机 碳 的 总 的 摄取 速率 ( 它 反映 了 藻类 生长 速度 的 一 个 方面 ) 那 将 是 很 有 补益 的 。 这 个 技术 的 基本 要 点 在 参考 文献 32 的 267 一 274 DEG BT, 但 是 应 该 向 那些 较 好 地 掌握 了 测量 技术 的 学 生 提 出 下 列 的 建 议和 简化 步骤 。 从 有 一 般 营 业 执 照 的 商社 可 以 买 到 *Cc 标记 的 10 nC (HK 居 里 ) 的 碳酸 氧 钠 , 实 验 室 可 以 去 订货 ， 而 用 不 着 建立 特殊 的 放射 性 设施 。 大 多 数 大 学 都 已 经 有 使 用 研究 用 放射 性 物质 的 执照 , 放射 性 碳酸 氧 盐 溶 被 可 以 通过 辐射 安全 员 去 订货 。 学 *210 ， Wats = 生 应 能 使 用 液体 闪烁 计数 器 ,但 如 果 做 不 到 这 一 点 ,那么 在 微 孔 滤 膜 上 收集 到 的 样品 可 以 放 在 含 3ml [AA RAIA 玻璃 瓶 中 长 期 保存 ， 以 后 可 以 在 任何 时 候 把 玻璃 瓶 拿 到 有 液 体 闪 烁 计数 设备 的 实验 室 去 测量 ; 任何 以 二 氧 六 环 为 溶剂 的 ”补体 闪烁 液 都 可 以 放 进 这 些 玻璃 瓶 进行 样品 计数 ,由 于 ”C 的 ”半衰期 是 5780 年 ,所 以 分 析 之 前 放射 性 活 度 的 衰变 将 是 可 以 忽略 的 。 | 任何 海洋 或 河口 的 天 然 水 样 都 能 用 来 作为 浮游 植物 的 来 源 , 如 果 能 得 到 实验 室 培 养 的 浮游 植物 , 那 就 更 好 了 。 作 为 一 个 粗略 的 经 验 ， 取 译 游 植物 溶液 的 样品 放 进 一 个 玻璃 试管 并 置 于 暗室 ,等 待 15 分 钟 以 便 让 眼睛 适应 黑暗 ,然后 用 黑光 灯 (发 射 紫 外 线 365nm 十 405nm) 照射 试管 ,如 果 可 以 看 见 时 绿 素 的 红色 荧光 ， 则 该 样品 中 定 含 有 足够 的 络 类 ， 从 而 在 摄 人 实验 里 给 出 好 结果 ,但 不 要 用 这 个 样品 做 实验 ,因为 过 多 的 紫 外 线 可 能 杀 死 了 一 些 水 菠 。 BUH VE TRIB AEE in YE ZE ZS 0.22 um 或 0.45wm (孔径 ) 微 FL tis Be aot PEAS TIA 7k BS FEE A, IEEE KA A0.5 wCiml™ NAR, RMESTE 100ml 菠 类 样品 的 玻璃 瓶 中 加 人 严格 为 lml 的 这 种 示 踪 碳酸 氢 盐 溶液 。 为 了 保证 光照 条 件 不 变 ， 培养 时 应 使 用 冷 白 荧光 灯 , 所 有 样品 瓶 (包括 一 些 不 透 光 的 黑 WRF ZEA) 都 应 装 人 100ml 的 浮游 植物 溶液 。 为 了 使 这 些 序 游 植物 能 够 适应 它们 将 要 在 实验 室 里 受到 的 最 强 的 光照 ， 这 些 样 品 瓶 在 往 里 加 放射 性 示 踪 的 碳酸 氢 盐 溶液 之 前 ， 要 放 在 距 两 根 菊 光 灯 组 成 的 一 个 光源 一 定 距离 《~15cm) 的 地 方 至 少 1 个 小 时 。 在 亮 ”" 瓶 子 外 面包 上 一 层 、 两 层 或 三 层 普 通 的 塑料 丝 网 屏蔽 材料 (作为 中 性 滤 光 片 ,请 参阅 1. 3. 2)， 以 此 得 到 不 同 的 光 强 ，0、1、2 和 3 层 屏 蔽 下 光照 的 样品 和 OR” HR 于 应 该 每 种 做 3 个 。 归 一 化 处 理 的 方法 如 下 :在 一 个 液体 闪烁 e 211。 玻璃 瓶 内 直接 加 和 人 0.1ml 的 示 踪 用 碳酸 氢 盐 溶液 ， 这 个 玻璃 瓶 里 还 要 加 入 一 张 过 滤 过 100ml 冷 的 浮游 植物 溶液 的 0.22pmm (和 孔径) 的 微 孔 滤 膜 ,这 样 一 来 ,对 任何 由 可 以 “ 儿 灭 2*C8 射线 所 致 闪光 的 藻类 色素 带 进 闪 烁 液 的 “颜色 ” 都 能 加 以 修正 。 培养 时 间 应 在 1 一 2 h (培养 时 间 从 加 大 放射 性 碳酸 氨 盐 溶液 开始 算 起 ,这 个 时 间 应 该 对 所 有 的 样品 都 相同 妃 然后 应 将 样品 放 在 昏暗 的 光线 下 ,并 尽快 地 过 滤 到 0.22 0m 的 微 孔 滤 膜 上 ， 那 些 含 浮游 植物 的 滤 膜 必须 再 用 经 0.22 Bt 0.45 um 滤 膜 过 滤 的 样品 水 淋 洗 两 次 ， 以 便 保 证 留 在 滤 膜 上 的 放射 性 只 是 营 类 内 部 所 含 的 。 当 这 些 滤 膜 放 在 闪烁 瓶 内 用 液体 闪烁 计 RAT, TER EA ETA BH EDD 将 是 : 培养 样品 的 净 计 数 /分 下 一 化 样品 的 净 计 数 /分 1° | 6 因子 10 是 由 于 加 入 归 一 化 闪烁 瓶 里 的 示 除 碳酸 氢 盐 溶液 是 0.1ml 的 缘故 , 这 个 值 必须 对 少量 的 “ 暗 ” 摄 和 进行 修正 , 于 是 真正 的 摄 和 人 比 是 万 一 加， 然后 应 将 真正 的 摄 人 比 画 成 吸收 屏 蔽 层 数目 的 函数 ， 以 便 证 明 存 在 着 一 条 随 光 强 增加 光合 作用 逐渐 饱和 的 曲线 。 对 更 有 进取 心 的 学 生 , 可 以 用 参考 文献 32 里 介绍 的 技术 测量 叶绿素 的 浓度 和 浮游 植物 样品 的 碳酸 盐 碱 性 ， 如 果 得 到 这 两 不 值 ,就 能 规定 两 个 新 的 参数 ,其 比值 定义 为 同化 数 : _ 每 升水 摄 人 的 碳 的 微克 数 /小 时 《6-18) 每 升水 中 叶绿素 a 的 微克 数 利用 50g 碳 /1g 叶绿素 a 的 比值 ， 可 以 估计 出 浮游 植物 总 的 生长 速率 常数 : ji K= 2}" (6-19) 50 Git iF) ° 2126 Rei 7 me y 5 小 vw CN 2 -8 第 7 章 KE 学 John H. Epstein 《加 利 福 尼 亚 大 学 医学 院 皮肤 病 学 系 ) 序 =. TITITITITITITITITI TTT TTT TTT 214 皮肤 的 光学 特性 cece en etee ccc eee rene eeseeceeeeeseeneaseecees 214 日 光 对 皮肤 的 急性 效应 pp 217 ree BE: Py 斑 ccceeceececccnccecseceereccecccccesseeeresee sees 217 7.3:2 SG eee 220 723.3 KAY FAI AIG LEG) Ge eee eeeeeencedeceeeneees 222 7.3.4 DNAS .pp 223 7.3.5 ”黑色素 的 生成 ………… SR 223 日 光 对 皮肤 的 慢性 效应 pp eat 226 7.4.1 日 光 引 起 的 ( 光 化 ) 变 性 .pp 226 7.4.2 ”肿瘤 的 发 生 pp 227 度 肤 对 日 光 的 有 害 反 应 on se 236 7.5.1 光敏 性 OG bade cu dawseUonte gece udsdpdesthsiswoctcsnetiede 236 2532 临床 上 的 问题 人 1 241 日 光 和 人 造 光 的 有 益 效应 ……… 汉 30244 7 6 (2. | BERRI HDIOTT sor ot che cence is 245 7.6.3 全 身 性 疾病 ( 婴 幼儿 黄 剖 病 ) 的 治疗 eee 249 光 的 间接 效应 .pp oa Ts 251 结 论 …… et 251 e 213° A. ek; 光 生 物 学 的 医学 方面 是 这 门 科 学 最 重要 的 部 分 之 -=， 因 为 它 主 要 涉及 非 电离 辐射 对 人 的 直接 效应 。 两 个 器 官 系统 直 ”接受 到 太阳 光 的 影响 : 眼睛 和 皮肤 。 对 眼睛 的 影响 将 在 第 10 章 中 讨论 ;本 章 将 主要 讨论 皮肤 对 太阳 光 的 反应 aa 达到 地 球 表面 的 太阳 辐射 从 紫外 区 的 大 约 . 290nm (或 许 288 am) 到 可 见 区 和 红外 区 乃至 波长 更 长 的 区 域 。 几 乎 皮肤 发 生 的 所 有 光 生 物 学 反应 都 是 由 290( 或 288)nm 到 320nm( 紫 外 -B) 的 辐射 引起 的 。 这 些 波 长 的 辐射 抑制 有 丝 分 裂 、DNA、 RNA 和 和 蛋白 质 的 合成 ; 产生 维生素 D; 诱 发 皮肤 癌 ; 刺 激 色 素 产生 以 及 我 们 称 之 为 “ 晒 斑 ?的 红斑 反应 。 这 些 波长 构成 了 通 常 称 作 的 “ 晒 斑 谱 ”。 320 到 400nm 之 间 ( 紫 外 -=A) 的 较 长 波 长 的 紫外 线 产生 较 轻 的 光 生 物 效 应 ,诸如 即 发 性 的 色素 加 深 (IPD) 和 即 发 性 的 红斑 反应 ; 但 问题 是 紫外 -A 辐射 显著 地 加 重 了 紫外 -B 辐射 产生 的 急性 损伤 , 增加 了 致癌 的 可 能 性 。 此 外 , 外 源 性 光敏 化 物质 产生 的 绝 大 多 数 反应 都 是 紫外 -A 辐 射 引起 的 。 太 阳 谱 的 其 他 部 分 对 皮肤 没有 多 少 特殊 的 效应 ， 只 是 红外 辐射 能 产生 热 烧 伤 ， 以 及 能 加 强 紫外 辐射 引起 的 光 生物 反应 。 7.2 ”皮肤 的 光学 特性 ”1 发 生 光 生 物 反应 ,必须 有 三 个 要 素 : 生物 系统 、 辐 射 和 该 生物 系统 内 的 辐射 吸收 体 。 我 们 关心 的 生物 系统 是 皮肤 (图 7-1、7-2) ;辐射 来 自 太阳 ; 皮 肤 中 吸收 辐射 的 分 子 , 总 的 来 说 还 有 待 于 鉴别 ,不 过 , DNA 似乎 是 其 中 一 种 重要 的 分 子 。 。214 。 如 果 角 质 层 的 死 细胞 中 有 一 个 光敏 化 分 子 ， 那 么 其 作用 就 很 象 一 块 防护 性 的 滤 光 片 。 如 果 这 个 分 子 在 表皮 层 的 生发 层 或 胚层 里 ， 那 么 吸收 合适 波长 的 辐射 之 后 它 可 能 启动 一 个 光 反 应 。 很 清楚 ,为 了 使 这 种 反应 发 生 , 辐 射 一 定 得 穿 透 皮 肤 表层 并 达到 这 个 吸收 分 子 的 部 位 。 皮肤 把 大 量 的 人 射 的 可 见 区 辐射 和 近 红 外 区 辐射 反射 掉 。 白 皮 肤 对 这 些 辐射 以 及 紫外 -A 辐射 的 反射 较 黑 皮肤 有 效 得 多 。 无 论 哪 种 颜色 的 皮肤 , 对 320nm 以 下 的 紫外 辐射 的 反射 都 很 少 。 皮肤 的 散射 和 吸收 对 减弱 晒 斑 辐射 所 起 的 作用 比 皮肤 的 反射 所 起 的 作用 还 大 。 角 质 层 的 扁平 细胞 、 黑 素 体 、 核 酸 、 蛋 ， 白质 .类 脂 化 合 物 ; 组 氨 酸 、 尿 刊 酸 、 肽 .胆固醇 等 等 都 通过 散 Z-1 皮肤 的 结构 。 皮 肤 主 要 包括 三 层 , 最 外 层 是 表皮 层 ， 它 通 过 基 膜 (BMD) 与 真皮 层 分 开 。 真 皮层 主要 包括 结缔 组 织 、 大 部 分 胶原 蛋白 和 一 些 由 纤维 细胞 产生 的 弹性 组 织 ; 真皮 层 也 含有 血管 和 淋巴 管 . 汗 腺 (3W)、 皮 脂 腺 (FE)、 肌肉 和 神经 。 AP mei APA 射 和 吸收 来 减弱 紫外 辐射 的 穿 透 。 由 于 短波 紫外 线 在 产生 光 生 物 反应 方面 的 重要 性 ;大 科 对 这 些 波长 的 透射 率 进行 了 广泛 的 研究 E& a。 这 些 研究 所 得 到 的 结果 彼此 不 太 相 同 , 但 有 一 点 是 一 致 的 那 就 是 ; CEB 区 或 紫外 -B 区 (290 一 320nm) 内 的 人 射 辐射 ;8 有 相当 一 部 分 补 角质 层 吸收 。 白 种 人 的 皮肤 内 , 这 种 辐射 至 少 有 200 KFT 图 7-2 ”表皮 层 的 结构 。 表 皮层 包括 四 层 : 基底 层 4B) 由 单 层 或 双 层 生发 细胞 组 成 在 这 里 进行 着 细胞 分 裂 而 不 断 补 充 表皮 ; 马尔 皮 基 氏 层 由 多 棘 的 细胞 ( 角 蛋 白细胞 ) 组 成 ， 这 些 细胞 之 MARE: 它们 从 基底 层 向 外 生长 ， 延 伸 到 死去 的 外 角质 层 。 这 些 马尔 皮 基 氏 细 胞 变 成 了 颗粒 层 〈G7)， 在 颗粒 层 中 形 成 对 角 蛋 白 的 生成 可 能 是 必需 的 一 些 特异 性 蛋白 质 。 然 后 ， 这 些 细胞 失去 核 * 含 有 大 量 角 蛋 白 从 而 形成 防护 角质 层 (CJ。 最 后 它们 脱落 到 外 环境 中 。 黑 色素 细胞 (P) 是 树 突 状 的 位 于 HERA, EMO BRA CHIARA) Ze th REI A Be aE 层 。 这 些 细胞 产生 黑色 素 ， 它 们 使 黑色 素 通 过 树 突进 人 马尔 皮 基 氏 细 胞 里 。 黑 色素 细胞 和 与 它们 相 联系 的 马尔 皮 基 氏 细 胞 组 成 了 表皮 层 的 黑色 素 单 元 。 sg216， 马尔 皮 基 氏 细 胞 (Malpighian cells), 大 约 10% 穿 过 表皮 而 到 达 上 部 真皮 层 。 黑色 皮肤 的 角质 层 ,由 于 有 黑色 素 而 吸收 了 大 量 的 人 射 辐射 的 能 量 。 大 部 分 波长 较 长 的 紫外 线 (紫外 -A) 和 可 见 光 穿 过 表皮 被 真 诡 内 的 光敏 化 物质 吸收 。 这 种 能 量 的 吸收 ,在 生 色 团 中 产生 了 激发 态 。 这 种 激发 态 可 以 通过 若干 途径 退 激 、 包 括 热 癌变 或 者 发 射 比 吸 收 波长 长 的 光 ( 参 阅 第 2 章 )。 皮 肤 的 光敏 性 反应 的 启动 、 或 者 是 通 过 吸收 了 能 量 的 分 子 中 的 直接 变化 ， 或 者 是 这 种 能 量 传递 到 其 它 分 子 或 细胞 组 分 ,如 膜 、 线 粒 体 、 核 酸 等 等 。 7.3 日 光 对 皮肤 的 急性 效应 7.3.1 wgpE 2 栖 斑 是 日 光 引 起 的 最 稼 见 的 有 害 效 应 。 皮肤 的 变化 , 无 论 是 形态 学 上 肉眼 可 见 的 变化 还 是 显微镜 下 可 见 的 变化 ， 均 与 引起 红斑 的 辐射 的 剂量 、 皮 肤 黑 色 的 程度 以 及 角质 层 的 厚 度 直接 有 关 。 因 为 可 以 设想 ,即使 皮肤 中 黑色 素 很 多 ,如 果 受 到 足够 多 的 有 效 波长 的 照射 ,皮肤 也 会 发 生 晒 斑 。 红斑 是 最 明显 可 见 的 一 种 晒 兽 反应 ， 它 的 表现 分 两 个 阶 段 。 受 照射 时 出 现 模 糊 的 红斑 , 并 且 很 快 消失 。2 一 4h 后 出 现 延 退 反应 ，14 一 20h 达到 高 峰 ， 并 持续 24 一 48 h。 最 后 是 死亡 的 表皮 细胞 脱落 。 日 光 所 致 红斑 的 作用 光谱 主要 在 288 (BK 290)nm 和 300 nm 之 间 ( 图 7-375 1934 年 由 Coblentz 和 Staiv 得 到 的 标准 红 PE HARSHA, FOR AAR KE 297om, 效果 最 小 的 波长 是 280nm 和 320nmo 以 后 的 研究 得 到 的 结果 是 ， 产 生 红 斑 的 最 有 效 波 长 的 可 能 范围 在 290 一 294 nm 之 间 。 而 Urbach 及 其 同 事 利用 效率 和 有 效能 量 的 一 些 参数 ， 发 现 最 有 效 的 波长 大 约 。 217。 为 308 nm (人 参阅 3.7)J 320 一 400 nm 的 辐射 能 产生 轻微 的 红 BE, 但 照射 量 需 增 大 100 倍 。 然 而 ,紫外 -A 辐射 能 极 大 地 加 强 紫 外 -B 辐射 引起 的 红斑 Ph, 由 人 造 光 源 产生 的 波长 短 于 紫外 -B 区 的 辐射 也 可 引起 红斑 。 实 际 上 ， 对 产生 红斑 来 说 ,254nm 的 紫外 -C 辐射 比 紫 外 -B 辐射 更 有 效 。 虽 然 不 同 的 研究 未 得 出 一 致 的 红斑 效应 曲 线 , 但 有 一 点 是 一 致 的 , 就 是 波长 为 254 nm 的 辐射 对 产生 红 斑 最 有 效 。 随 着 波长 的 增加 ， 致 红斑 效率 迅速 下 降 ， 尤 其 在 270 一 280 nm 之 闻 ， 效率 下 降 得 更 快 。 关 于 这 一 点 有 些 分 歧 ， 相对 于 290nm 来 说 ,有些 研究 者 在 270 一 280nm 处 看 到 效率 下 降 , 而 另 一 些 研究 者 在 这 个 波长 范围 看 到 的 是 一 个 平坦 区 . _ 随 着 波长 的 增加 ,该 曲线 继续 下 降 , 在 320nm 处 趋 于 零 , 但 并 未 降 为 零 。 波 长 短 于 290nm WERE. 在 外 征 及 潜 、 _ 口 相对 红斑 效应 oO 一 N w : On a ~N o o 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 波长 (am) 图 7-3 ”红斑 作用 光谱 。 对 红斑 作用 光谱 至 今 未 取得 完全 一 致 的 意见 。 这 个 曲线 反映 了 参考 文献 1 和 2 中 谈 到 的 不 同 的 看 法 。 还 不 清楚 280nm 附近 波长 的 效应 是 一 低谷 (点 线 ) 还 是 一 平坦 部 分 《 实 线 ) ss 218 伏 期 方面 都 不 同 于 紫外 -B 区 产生 的 反应 ， 也 就 是 说 , CEH 红色 而 不 是 深 红 色 的 ， 它 在 8 h 达到 峰值 而 不 是 14 一 20 ho 因此 , 它 或 许 表 示 一 种 不 同 的 现象 。 “MBE IX ARIE RRS EBED 288 (或 290)nm 到 320 nm 波长 的 辐射 引起 的 若干 复杂 的 皮肤 损伤 反应 。 显 然 ,许多 变化 是 同时 发 生 的 。 此 外 ， 很 难 区 分 效应 是 原 发 性 的 还 是 继 发 性 的 。 目 前 还 不 明了 吸收 光 能 引起 原初 光化学 反应 的 生 色 团 的 未 质 。 从 含有 芳香 氨基 酸 的 蛋白 质 的 吸收 谱 及 紫外 线 对 这 些 分 子 的 深刻 影响 来 看 ,人 们 认为 ,这 些 蛋白 质 可 能 就 是 生 色 团 。 不 过 ;若干 其 它 物质 ,包括 核 蛋白 (DNA 和 RNA)、 咪 只 丙烯 酸 ,黑色 素 ! 甚 至 磷脂 的 不 饱和 脂肪 酸 在 光 能 的 原初 吸收 ， 中 都 可 能 起 作用 。 类 脂 的 过 氧化 作用 在 体内 和 体外 都 已 被 证 Po 因为 溶 酶 体 的 膜 容易 被 类 脂 过 氧化 物 损伤 ， 所 以 类 脂 过 氧 北 物 的 生成 可 能 在 紫外 线 所 致 的 损伤 中 起 重要 作用 。 看 来 “在 这 个 复杂 过 程 中 很 可 能 涉及 到 多 种 生 色 团 。 WG BELT PERS Aes LEE SB PATER ee we, 不 过 “还 未 衣 定 它 是 一 种 原 发 现象 还 是 继 发 现象 。 虽 然 人 们 认为 后 者 的 可 能 性 更 大 ， 但 已 经 证 明 紫 外 线 对 上 部 真皮 血管 有 直接 损伤 。 Van det Leun 的 研究 表明 , 从 250 nm 到 长 波 紫 外 区 的 范围 很 宽 的 辐射 对 血管 有 直接 的 效应 说 。 此 外 , 在 320nm 附 近 ;, 作 用 光谱 上 出 现 一 个 尖锐 的 峰 , 它 能 诱发 可 扩散 的 血管 扩 - 张 物质 的 产生 。 “8 HED RHE ST SR TG BE RM EY Be EI BE 个 问题 上 ”2。 积 标的 证 据 指 出 ， 在 哺乳 动物 组 织 中 最 普遍 的 影响 血管 的 物质 之 一 ,组 胺 ,与 这 个 过 程 无 关 。 另 外 , 尽管 受到 晒 斑 辐射 后 释放 出 激 肽 ,可 能 还 有 5- 凑 色 胺 ,但 它们 不 象 是 与 这 种 特有 的 延迟 性 的 红斑 反应 有 关 。 最 近 的 研究 认为 ， 这 种 影响 血管 的 媒介 是 前 列 腺 素 ”。 不 过 ， 为 了 确定 这 个 看 * 219° 法 是 否 正确 ,还 需 做 进一步 的 工作 ;因为 目前 这 种 看 法 基本 止 还 是 推测 性 的 。 7.3.2 显 微 解剖 学 7.3.2.1 光学 显微镜 检查 在 紫外 线 照射 后 几 小 时 内 ， 人 的 皮肤 在 组 织 学 士 所 见 的 变化 很 小 。 皮 肤 白 暂 的 人 ， 了 照射 后 24 h 首先 可 见 的 变 楷 是 表皮 马 氏 层 中 出 现 角 化 不 良 细胞 (了 晒 斑 细胞 ) 的 病灶 。 在 48 内 ， 整 个 表皮 都 能 观察 到 损伤 : 染色 异常 的 ( 角 化 不 良 的 尖 空 泡 化 的 细胞 以 及 皱 缩 的 核 。 黑色 素 细胞 的 树 突 这 时 也 变 得 相当 明显 。 再 生 往往 增强 , 受 损伤 的 细胞 在 72 h 时 形成 二 个 脱落 ( 死 肉 ) 层 。 这 时 ，, HREM (SR) 非常 明显 (图 :7-4)。 96 h 时 ,对 二 羟 葵 丙 氨 酸 (多 巴 ) 敏 感 的 黑色 素 细 胞 大 量 增加 ， 树 突 具 有 了 明显 的 树 状 分 枝 。 这 些 黑色 素 细 胞 的 变化 在 深 色 皮肤 内 也 发 生 ， 但 是 角 化 不 良 的 变化 几乎 是 看 不 到 的 ,细胞 的 瓦解 也 很 不 明显 。 组 织 化 学 和 生物 化 学 技术 揭示 了 表皮 受 照 射 后 所 发 年 的 许多 其 它 的 急性 变化 中 2 117 471 6a es i Ok RE AR 8, 类 脂 过 氧化 物 形成 , 许多 酶 的 活性 被 抑制 , 硫 氢 基 和 三 往 化 物 基 人 团 的 增加 ， 以 及 尿 刊 酸 从 反 式 到 顺 式 同 分 异 构 穆 的 转 化 ; 这 后 一 种 变化 在 分 散 晒 斑 的 能 量 上 可 能 起 着 重 亚 的 帮 用 。 另 外 ,在 照 后 12 h， 糖 原 在 表皮 层 基底 细胞 内 积累 ,可 能 是 为 其 后 的 有 丝 分 裂 活性 的 突然 增强 提供 能 量 真皮 的 变化 一 般 不 显著 。 可 见 的 变化 是 发 生 血 管 扩张 ; 并 且 在 吐 齿 动物 中 ; 早 在 照 后 30 min 就 可 见 到 包括 多 形态 悉 白细胞 的 炎 性 浸润 , 这 种 浸润 在 8 一 24 h 之 间 达 到 高 峰 乌 .在 人 类 皮肤 中 ,这 种 细胞 反应 如 果 有 ;也 是 很 轻微 的 。 这 种 显 微 变化 的 作用 光谱 ,主要 在 紫外 -B 区 .不 过 ,对 于 "220。 as lL i 图 7-4 受 紫 外 线 照射 72h 时 小 鼠 的 皮肤 。 〈A) 正常 的 未 受 照射 的 无 毛 小 鼠 的 表皮 ， 它 一 般 有 三 个 细胞 层 厚 。 基 底层 中 有 一 个 有 丝 分 裂 。E. 表皮 层 ，D. 真皮 层 ( 苏 木 精 - 伊 红 染色 ; x 600); (B) 显示 受 紫 外 线 照 射 后 72 h 时 表皮 层 的 增 厚 ， 在 基底 技 中 有 多 个 有 丝 分 裂 。 E. RRED. 真皮 层 〈 苏 木 精 - 伊 红 A; x600)(5| BBS XM 6), 红斑 反应 ， 长 波 紫外 -A 辐射 能 显著 地 增强 最 初 由 短波 《此 外 -B) 引 起 的 显 微 损伤 m。 7.3.2.2 电子 显微镜 检查 0 微 镜 观察 到 之 前 就 已 经 发 生 了 。 目前 见 到 的 最 早 的 变 伦 发生 在 黑色 素 细胞 内 ,它们 与 照射 后 很 快 出 现 的 色素 变 黑 现 象 . 微 管 、 黑 素 体型 以 及 粗 丝 状 体 的 变化 有 关 4, 照射 后 2 一 3 小 时 ,在 表皮 细胞 的 细胞 质 、 细 了 胞 核 以 及 核 仁 内 也 见 到 明显 的 变化 , 如 形成 空 泡 、 丝 状 体 到 集 以 及 溶 酶 体 的 明显 表 失 巴 思 5 因此 ， 紫 外 照射 后 很 快 出 现 的 若干 结构 上 的 变化 看 来 是 几 处 - 同时 损伤 的 结果 。 * Rete (133 大 分 子 的 合成 和 有 丝 分 列 晒 刘 谱 对 哺乳 动物 皮肤 中 的 DNA, RNA 和 蛋白 质 ne : 成 以 及 有 丝 分 裂 有 深刻 的 影响 @ z。 放射 自 显影 、 生 物化 学 和 细胞 分 裂 中 期 停止 技术 表明 ， 中 等 红斑 剂量 在 照射 后 第 个 小 时 内 抑制 了 这 些 大 分 子 的 合成 和 有 丝 分 裂 ， 且 至 少 持续 _ 6 h。 到 24h, 功能 恢复 , 接着 活力 加 强 , 并 在 48 一 72h 达到 一 峰值 ， 然 后 又 逐渐 下 降 。 但 是 ， 一 次 照射 后 40 天 肉 ， 小 鼠 皮肤 中 的 有 丝 分 裂 活 性 一 直 是 增强 的 pa。 有 丝 分 裂 活 性 增强 “ 的 阶段 与 表皮 的 增生 是 相 联系 的 ， 在 以 后 的 两 个 月 肉 ， 表 皮 的 增生 也 逐渐 减弱 。 这 种 表皮 增生 和 有 丝 分 裂 活性 增强 的 机 “ 理 目前 还 不 清楚 。 最 近 与 表皮 层 有 丝 分 裂 抑 制剂 〈《 抑 素 渎 的 存在 以 及 环 腺 一 磷 和 环 鸟 一 磷 的 作用 有 关 的 - SRT 一 些 有 趣 的 可 能 性 ,2。 此 外 , 已 经 鉴别 出 照射 后 出 现 刺激 有 丝 分 裂 的 物质 ,这 说 明 ,这 种 增生 过 度 是 由 于 拍 制 作用 的 消 除 和 生长 的 刺激 合 起 来 的 结果 。 ¢ 222 7.3.4 DNA 修复 表皮 细胞 DNA 合成 的 抑制 是 活体 哺乳 动物 皮肤 内 发 生 的 最 早期 的 此 外线 照射 后 所 发 生 的 现象 之 一 ， 这 与 在 人 工 培 养 的 哺乳 动物 细胞 中 所 见 到 的 现象 类 似 。 在 可 能 发 生 的 损伤 中 ， 主 要 在 相 邻 的 胸腺 喀 啶 碱 基 之 间 形 成 的 喀 啶 二 聚 体 受到 “ 大 们 格外 注意 。 细菌 中 DNA 的 碱 基 损伤 的 修复 一 般 有 三 种 机 制 : 光复 活 、 切 除 修复 和 复制 后 修复 〈 参 阅 5.4)。 在 哺乳 动物 细胞 中 ,切除 修 复 似乎 是 主要 机 制 史 ' 和 。 人 们 用 放射 自 显影 (图 7-5): 密 度 梯 度 和 色谱 技术 证 明了 日 光 和 人 造 紫外 线 可 以 引起 胸腺 喀 啶 的 二 聚 作 用 。 通 过 切除 二 聚 体 并 用 正常 的 碱 基 接 正确 的 序列 替换 它们 可 以 使 DNA 修复 。 这 种 损伤 和 修复 发 生 在 活体 和 离 体 的 表皮 中 以 及 细胞 培养 系统 中 。 人 类 光敏 性 疾病 ,着 色 性 干 皮 症 的 特点 是 没有 这 种 修复 系统 。 这 个 发 现 为 评价 人 类 皮肤 中 这 种 修复 系统 的 重要 性 提供 了 一 个 Ho), 念 人 感 兴趣 的 是 ， 在 切除 修复 方面 有 缺陷 的 细 菌 , 不 仅 对 紫外 线 的 致死 效应 更 敏感 ,而 且 受 照射 后 突变 数目 增加 。 患 有 着 色 性 干 皮 症 的 病人 对 光敏 感 的 主要 问题 是 他 们 对 日 光 致 癌 效 应 异常 敏感 。 这 种 疾病 是 否 代表 了 细胞 的 突变 尚 待 确定 。 人 工 培 养 的 小 鼠 细胞 的 复制 后 修复 明显 地 取决 于 全 程 合成 而 不 是 复合 机 制 -"% , Lehman 最 近 的 研究 指出 ,在 患 有 着 色 性 干 皮 症 (XP 变异 ) 的 四 名 患者 的 培养 细胞 中 ,没有 这 种 修复 机 制 ea。 7.3.5 ”黑色 素 的 生成 上 24-pp.165,25 黑色 素 是 黑色 或 褐 黄色 的 色素 。 它 们 似乎 是 各 种 氧化 水 FES E-AE. 5, 6-— AGRA 5, 6-— FA WR- 2 -羧基 酸 由 * 223 。 °O7LX: BRE A-BY¥ OBMYY GH {20 at SH TT fie a PT Se SAAS VNG FA AYU sp chk Ee De Oe A 2 A SB AAMT ‘hMAGY HTS ee DMM SePHY boas PALMS ePe Awe MA RAMWS vNG HUM ABD MAY Gee Cow ROALD LS Ge ig TV io ARIA OAD A MOOV LS cl SRNR OPO AAR fogs) upi-H, Af (a) :(ozLx /- BRE A-AY DAS WNG HAAWMNRY ZEEE ST By Hf A SF AL ch OY) DSS BS EY Re SEEMS RAGES WHwA@sase aig) Carp..-Hy,) Me WGA WH CV) °RAGH VNG db cl SR 5- 国 +2246 各 种 类 型 的 键 结合 在 一 起 的 复合 多 聚 物 。 哺 乳 动物 皮肤 中 的 这 种 色素 是 在 一 些 特异 细胞 (黑色 素 细胞 ) 中 由 酷 氨 酸 和 多 巴 酶 促 产生 光 能 既 可 使 色素 立即 变 黑 , 又 可 刺激 新 色素 生成 。 -色素 的 立刻 黑 化 在 形态 学 上 的 特点 是 受到 320 一 700nm 光 的 照射 后 几乎 立即 发 生 的 皮肤 变 黑 。 它 可 能 是 由 于 已 经 存 在 于 表皮 黑色 素 细胞 中 的 还 原 的 或 部 分 还 原 的 黑色 素 的 氧化 引起 的 (参看 图 7-2)。 照 射 后 1 一 2 h， 这 种 现象 达到 高 峰 ; 而 到 照 后 3 一 24 h 又 减弱 了 。 电 子 显 微 镜 的 研究 说 明 ， 色 素 的 立即 黑 化 与 下 面 两 种 情况 有 关 : 在 微 管 和 微 丝 的 主动 运动 的 力 的 作用 下 黑 素 体 向 树 突 末 端 分 布 和 在 不 太 影 响 黑 素 体 特 性 的 情况 下 把 它们 明显 地 转移 到 马尔 皮 基 氏 细 胞 中 去 。 在 合成 新 的 黑 素 体 所 必需 的 生 黑 色素 的 细胞 器 中 没有 任何 明显 的 变 化 。 新 的 黑色 素 形 成 延迟 的 皮肤 晒 黑 ) 在 形态 学 上 的 特点 是 照射 后 48 一 72 h 皮肤 开始 出 现 褐色 的 色素 。 到 13 一 21 天 ,这 种 现象 达到 高 峰 , 然 后 在 以 后 几 个 月 逐渐 减弱 。 这 种 反 应 的 作用 光谱 主要 落 在 晒 斑 区 (290 一 320nm)。 然而 , 如 果 供 给 足够 的 能 量 ， 长 波 紫外 和 可 见 光 ( 至 少 达到 700nm) 也 能 引 起 新 的 色素 形成 。 250--280nm 的 紫外 线 对 产生 新 的 黑色 素 也 不 是 很 有 效 的 。 光 学 显微镜 和 电子 显微镜 结合 生物 化 学 的 研究 指出 ， 这 种 新 的 色素 生成 发 生 在 叫做 黑 素 体 的 胞 质 细胞 器 的 内 部 或 表面 ;这 些 细胞 器 是 在 表皮 黑色 素 细胞 内 形成 的 。 随后 ;有 色素 的 黑 素 体 转移 到 角 蛋 白细胞 , 它 与 黑色 素 细胞 共 同 组 成 表皮 黑色 素 单元 ( 见 图 7-2)。 然后 色素 被 带 到 角质 层 ， 造 成 明显 的 色素 过 量 。 这 种 新 的 色素 沉着 对 防止 日 光 引 起 皮肤 损伤 提供 了 最 有 效 的 天 然 屏 障 。 在 “延迟 变 黑 ” 中 ,皮肤 色素 沉着 过 度 与 下 列 变 化 有 关 : @@ 黑 色素 细胞 的 增殖 和 休 眼 状态 的 黑色 素 细胞 的 活化 ; @ 黑 。 225 色素 细胞 的 过 度 增 大 以 及 树 突 的 分 枝 增加 ; 国 黑 素 体 合成 的 增加 ; 国 黑 素 体 的 黑 化 速率 增加 ;@ 黑 素 体 向 角 和 蛋白 细胞 的 转 移 增 加 ,这 与 角 蛋 白细胞 的 转换 增加 有 关 ;@@ 黑 素 体 复合 体 的 太 小 增加 (在 高 加 素 人 和 蒙古 人 中 更 加 明显 ); 名 通过 直接 影 啊 表 皮 中 抑制 酷 氨 酸 酶 的 〈 硫 氮 基 ) 化 Co ee Ay pk 7.4 “日 光 对 皮肤 的 慢性 效应 [52271 7.4.1 日 光 引 起 的 ( 光 化 ) 变 性 FARA BY Be HK ae SS Re = th So TIE Pi MAC Se. HH SL 6 PR BES RSE TK. REAR ABIL RIAA. CRAM, THERKAR 的 人 ,如 果 受 到 太阳 的 大 量 照 射 ， sae tba tig 可 以 看 到 皮 TRAC AE BA Sv SAY SE Ao 组 织 学 上 ， fe AFA ATE A HEI OA SEB 3 i BEATE F 8H 图 7-1) AY 4a EE He BZ BY FEAR. ARE A ALUAE SAS eS ae, RR ER AH WL 8 XS A A SEI ANE ABE MWA). HDR 氮 酸 酶 的 含量 有 很 大 变化 。 此 外 ,在 基底 部 的 黑色 素 细胞 中 ， 在 它们 的 大 小 和 形成 黑色 素 的 活性 方面 与 正常 皮肤 有 很 大 不 同 。 在 慢性 太阳 损伤 部 位 ， 色 素 丛 黑色素 细胞 向 和 销 蛋 白细胞 的 转移 似乎 也 减弱 了 ”。 在 受 控制 的 条 件 下 反复 照射 无 毛 小 鼠 的 皮肤 后 会 出 现 更 为 明显 的 变化 ”es 如 所 有 的 表皮 层 和 表皮 -真皮 基底 膜 明 显 变 厚 (图 7-6)。 此 外 ,处 于 DNA 合成 和 有 丝 分 裂 状 态 中 的 基 底细 胞 的 数目 增加 ,细胞 通过 表皮 层 的 时 间 缩 短 。 当 这 种 可 见 的 要 对 有 限 的 表皮 变化 成 对 照 ， 人 的 皮肤 中 © IID6 。 发 生 与 日 光 所 引起 的 变性 相 联系 的 深刻 的 真皮 层 的 变化 。 在 真皮 层 的 上 部 发 生 进 行 性 变性 。 这 些 特殊 的 变化 包括 血管 扩 张 加 剧 酸性 粘 多 糖 累积 和 纤维 细胞 异常 ,成熟 的 胶原 蛋 日 减 少 (但 可 溶 成 分 增加 ), 以 及 弹性 组 织 的 明显 增加 和 变性 ( 光 化 弹性 组 织 变性 )。 光 化 弹性 组 织 变性 ,慢性 日 光 损 伤 引 起 的 结 缔 组 织 的 这 个 最 重要 最 明显 的 变化 是 一 种 进行 性 过 程 ， 这 种 变化 在 十 几 岁 的 童年 时 代 就 能 见 到 "最早 的 变化 似乎 是 ， 弹性 纤维 数目 的 单纯 增加 ;接着 的 变化 是 纤维 的 变 粗 、 卷 昌 和 分 又 增多 ;最 后 取代 了 真皮 ,以 及 结缔 组 织 瓦解 成 无 定型 的 团 块 。 虽 然 关 于 染色 情况 象 弹性 组 织 的 那些 纤维 的 起 源 可 能 仍 然 存在 着 某 些 疑 问 ， 但 生物 化 学 和 电子 显微镜 的 研究 已 经 上 表 定 ， 光 化 弹性 组 织 变性 是 由 于 弹性 组 织 的 积累 。 使 实验 动物 产生 弹性 组 织 变性 的 作用 光谱 在 枉 交 区 。 有 人 认为 ， 这 种 结缔 组 织 的 变化 是 成 纤维 细胞 受 紫外 线 照 射 在 功能 于 发 生 的 光化学 变化 ,而 不 是 结缔 组 织 成 分 的 变性 吓 . 这 种 很 说 的 证 据 是 , 人 的 皮肤 在 波长 短 于 320nm 的 紫外 线 照 身 后 几 分 钟 内 就 能 观察 到 真皮 层 内 结缔 组 织 细胞 DNA 的 直接 损伤 ?0。 因 此 ， 产 生 晒 斑 的 这 种 辐射 很 可 能 在 日 光 对 真皮 结 绕组 织 的 慢性 损伤 中 起 重要 作用 。 较 长 的 波长 是 否 也 有 了 明显 的 影响 目前 只 能 进行 猜测 。 7.4.2 肿瘤 的 发 生 7.4.2.1 人 类 皮肤 癌 的 发 生 直接 用 实验 验证 太阳 在 人 类 皮肤 癌 的 生成 中 的 作用 是 不 可 能 的 。 不 过 ， 大 量 的 观察 经 验 有 力 地 说 明光 能 在 诱发 这 些 肿瘤 的 病因 学 中 所 起 的 作用 。 白 种 大 的 皮肤 瘤 在 日 照 率 最 高 《也 就 是 接受 太阳 辐射 量 最 大 ) 的 地 理 区 域 以 及 在 接受 照射 最 多 的 人 (也 就 是 那些 户外 工作 的 入 ) 之 中 一 般 发 病 率 高 。 在 黑 © 227。 5 228° 图 -6 ”长 期 紫外 线 照射 对 小 鼠 皮 肤 的 影响 。《Ay 匹 毛 小 鼠 呈现 有 规则 的 、 缓 慢 的 增生 , 基 膜 CBM) 呈 中 度 的 有 规则 的 变 X600); 〈B) 无 毛 小 鼠 的 皮肤 受 紫外 线 反复 照射 四 个 月 后 星 极 性 以 及 染色 质 形状 的 异常 , 基 膜 显著 增 厚 和 笋 缩 y 有 几 处 已 的 皮肤 受 紫外 线 反复 照 射 一 个 月 后 ,发 生 良性 增生 过 度 * 表 庆 厚 ; HERES, ERKRE. D. 真皮 层 〈 苏 木 精 - 伊 红 染 色 ， 现 亚 恶性 到 恶性 的 改变 。 它 的 特点 是 基底 细胞 的 大 小 \, 形 状 、 变 成 示 连 续 的 了 ( 苏 未 精 - 伊 红 染色 : 义 6007( 选 自 文献 23)。 。 229° 人 以 及 其 它 深 肤 色 人 种 中 ,他 们 防御 紫外 线 损伤 的 能 力 最 强 ， 因此 ， 皮 肤 癌 的 发 病 率 比 较 低 。 此 外 ,肤色 最 淡 的 人 种 ,如 苏 格 兰 、 爱 尔 兰 血统 的 人 , 当 他 们 住 在 紫外 线 辐射 强 的 地 理 区 域 时 ,似乎 最 容易 产生 皮肤 癌 。 如 果皮 肤 癌 是 在 深 肤 色 人 种 中 发 生 ;, 则 肿瘤 主要 不 是 按 阳 光照 射 的 区 域 分 布 ,这 点 不 同 于 小 色 皮 肤 人 种 中 的 情况 。 在 深 肤 色 的 人 人 中， 肿瘤 的 产生 往往 与 受 其 它 形 式 创伤 的 刺激 有 关 : 患 慢性 腿 部 溃疡 或 因 不 穿 鞋 、 使 用 康 格律 (一 种 充满 炭火 的 陶 缸 , 捆 在 腹部 取暖 )、 缠 腰 布 等 ， 容易 使 受 刺激 的 皮肤 部 位 产生 肿瘤 。 与 此 相反 ,皮肤 癌 在 班 图 皮肤 变 白 症 和 着 色 性 干 皮 症 的 人 中 的 分 布 取决 于 太阳 照 射 的 方式 。 支 持 日 光 在 皮肤 癌 生 成 中 起 作用 这 个 论 志 的 论据 可 概 括 如 下 : @ 皮 肤 瘤 主要 发 生 在 身体 曝露 于 阳光 照射 的 部 分 ; @ 受 到 阳光 照射 多 的 地 区 皮肤 癌 发 病 率 高 ;加 深 肤 色 的 天 不 如 白 种 人 那么 容易 产生 皮肤 总 。 尽管 这 些 论点 不 能 构成 绝对 的 证 据 ， 况 于 它们 未 身 还 条 完全 肯定 ,但 有 相当 多 的 偶然 的 证 据说 明 , 至 少 在 三 种 皮肤 癌 的 产生 中 日 光 起 作用 : 基底 细胞 上 皮 癌 、 鳞 状 细胞 癌 和 黑色 素 瘤 。 最 普遍 的 皮肤 癌 ( 因 此 ,最 普遍 的 人 类 恶性 肿瘤 ), 即 基 底细 胞 上 皮 癌 和 鳞 状 细胞 癌 的 形成 , 受 四 种 主要 因素 的 影 Ajay (4-259), (1) 总 的 阳光 照射 时 间 。 长 期 受 日 光照 射 ， 象 在 得 克 萨 斯 和 澳大利亚 那样 ， 在 皮肤 癌 的 发 生 中 似乎 是 个 重要 因素 。 不 过 ,比较 高 尔 韦 、 爱 尔 兰 和 费城 的 皮肤 瘤 发 生 情况 说 明 ， 照 里 时 间 并 未 说 明 全 部 问题 。 总 照射 时 间 少 得 多 的 费城 所 发 生 的 癌 就 是 一 例 。 (2) 日光 中 紫外 成 分 的 强度 和 巾 身 时间。 最 近 的 研究 指 出 ， 更 精确 地 讲 ， 皮 肤 癌 的 产生 与 引起 红斑 的 辐射 290 一 320nm) 的 照射 时 间 的 关系 比 总 的 阳光 照射 时 间 更 密切 。 根 据 ° 2306 这 种 观点 ， 在 总 光照 多 得 多 的 高 尔 韦 农村 地 区 的 癌症 发 生 与 总 光照 时 间 少 的 费城 市 区 瘤 症 发 生 却 相似 ， 这 种 现象 就 容易 理解 了 5 : 受 晒 斑 谱 的 照射 最 多 的 时 间 在 高 尔 韦 可 能 是 1.33 月 /年 ;在 费城 是 4 月 /年 (如 果 人 们 在 有 光照 的 时 间 内 连续 在 户外 的 话 )。 这 样 ,费城 和 高 尔 韦 这 两 组 皮肤 癌 的 有效" 照射 时 间 就 比较 相似 了 。 (3) 遗传 素质 。 着 色 性 干 皮 症 是 遗传 素质 对 皮肤 癌 形 成 有 影响 的 最 有 说 服 力 的 例子 O°, 在 不 能 修复 紫外 线 损伤 的 DNA 的 大 中 , 所 有 各 种 阳光 诱发 的 恶性 肿瘤 通常 在 20 岁 之 内 发 生 。 不过， 遗传 素质 也 似乎 影响 一 般 人 群 中 基底 细胞 癌 和 鳞 状 细胞 癌 的 产生 。 许 多 研究 指出 ,这些 癌 症 与 痰 眼色 、 KKRARRE AZM, AZRAWMMU RR SAME 应 史 之 间 有 了 明显 的 联系 。 此 外 ， 凯 尔 特 看 统 的 人 比 其 它 淡 肤 色 的 人 更 容易 产生 这 种 肿瘤 。 (4) 与 阳光 无 关 的 因素 。 受 有 效 致 红斑 波长 的 阳光 照射 似乎 是 产生 皮肤 恶性 肿瘤 的 主要 因素 。 鳞 状 细胞 癌 似 乎 与 太 阳 了 照射 有 直接 关系 。 不 过 ,最 普遍 的 皮肤 癌 , 基 底细 胞 赴 皮 癌 的 形态 学 的 分 布 指出 ， 其 它 因素 也 肯定 起 作用 。 约 三 分 之 一 的 基底 细胞 上 皮 癌 发生 在 受到 阳光 照射 最 少 的 皮肤 部 位 。 因 此 ,尽管 阳光 似乎 是 产生 肿瘤 的 突出 因素 ， 但 肯定 有 尚未 确 定 的 其 它 因素 存在 。 黑色 素 瘤 是 一 种 最 可 怕 的 皮肤 癌 。 与 基底 细胞 癌 和 鳞 状 细胞 癌 不 同 , 这 种 癌 很 容易 转移 到 体内 其 他 器 官 ,死亡 率 也 比 较 高 5 舍 运 的 是 ， 它 们 不 常见 。 与 那 二 种 常见 的 恶性 肿瘤 不 同 守 目光 对 黑色 素 瘤 发 生 的 作用 还 不 够 清楚 ca。 黑 色素 瘤 主 要 的 发 病 区 不 是 受 日 光照 射 多 的 区 域 ; 黑色 素 对 产生 黑色 素 瘤 的 防护 效应 不 像 它 在 其 他 皮肤 癌 中 那 委 明显 。 不 过 ,许多 调 查 说 明 ;, 至 少 对 这 些 恶 性 肿瘤 中 的 某 一 些 ;, 阳 光 的 确 影响 它们 « 231° 的 发 生发 展 。 从 统计 上 看 ， 患 有 黑色 素 瘤 的 白 种 人 与 未 串 黑 色素 瘤 的 对 照 组 的 人 相 比 , 往 往 是 淡 眼 色 、 淡 发 色 * RRA 以 及 在 户外 的 时 间 较 多 。 这 种 癌症 的 地 理 分 布 调查 表明 BD 使 在 遗传 学 上 相近 的 人 群 中 ， 日 栖 多 的 人 较 日 栖 少 的 人 产生 黑色 素 瘤 的 要 多 得 多 。 太 阳 辐 射 在 着 色 性 干 皮 症 患者 中 引起 黑色 素 瘤 以 及 慢性 紫外 辐射 能 使 实验 动物 从 良性 色素 损伤 产 生 黑 色素 瘤 ， 这 些 事实 进一步 证 实 了 阳光 在 合适 的 条 件 下 能 促进 这 些 肿瘤 的 发 生 。 另 外 ， 从 限界 性 癌 前 黑 变 病 发 展 而 来 的 黑色 素 瘤 的 分 布 有 力 地 说 明 ， 阳 光 至 少 部 分 地 与 这 些 损 个 有 关 。 人 然而 ,黑色 素 瘤 解剖 部 位 的 分 布 指出 ， 在 这 些 肿瘤 的 病 因 学 中 ,其 它 一 些 因素 比 阳 光 更 重要 。 7.4.2.2， 肿 瘤 的 实验 发 生 7.4.2.2a 定量 研究 通 向 用 百 化 病 小 鼠 耳 条 的 皮肤 ， 偶 而 也 用 白化 病 大 鼠 耳 条 的 皮肤 作为 用 紫外 辐射 产生 肿瘤 实验 的 实验 对 象 ， 因 为 这 部 分 皮肤 没有 三 种 主要 的 天 然 防 御 因 素 : 色素 、 厚 角质 层 和 密实 的 毛 。 在 这 种 组 织 中 产生 的 肿瘤 , 主要 是 肉瘤 ， 对 Blum 及 其 同事 所 完成 的 具有 历史 意义 的 定量 研究 它 是 非常 适用 的 ”。 用 纯 系 白化 病 有 毛 小 鼠 的 耳 条 为 材料 ,以 主 辐射 为 320 nm 以 下 波长 的 紫外 源 照 射 , 他 们 证 明 ,就 剂量 -生长 率 的 关系 而 言 ， 交 的 生长 期 遵循 反比 规律 。 增 加 剂量 或 缩短 照 光 之 间 的 间隔 ,都 加 速 肿瘤 的 产生 ,但 不 改变 发 病 率 曲 线 的 形状 。 目前 还 未 前 明 的 紫外 线 产生 皮肤 癌 的 一 个 因素 是 日 照 剂 量 的 加 大 对 反比 规律 的 影响 。 在 阐述 化 学 药品 ”作用 谱 等 的 影响 时 ， 不 同 实验 者 所 采用 的 照射 时 间 从 几 秒 钟 到 斤 小 时 不 等 。 目 前 所 发 表 的 资料 还 没 能 说 明 ， 如 果 一 定 的 照射 量 在 几 秒 钟 内 或 者 减弱 在 几 小 时 内 给 出 ， 两 种 情况 下 皮肤 瘤 的 发 病 。 232° ie. Slt yaa ° 和 4 rt . é a i : . rd 和 das 四 B ~ 3 4 4 . E* 多 c- 率 是 否 相 同 。 ”对 条 件 加 以 控制 ,使 在 足够 长 的 时 间 内 给 出 足够 的 能 量 ， 则 将 产生 皮肤 癌 22。 然 而 ,如 果 能 量 作 用 时 间 不 够 长 ,那么 无 论 多 少 能 量 也 不 产生 肿瘤 。Blum 推测 ,紫外线 诱 导 癌 的 产生 是 一 种 从 最 初 照射 开始 的 连续 过 程 。 在 动物 的 寿命 期 内 出 现 肿瘤 是 和 动物 生长 过 程 的 充分 加 速 有 关系 的 。 已 有 报道 ,一 次 紫外 照射 后 再 用 巴豆 油 刺 激 ， 能 在 无 毛 小 鼠 的 皮肤 上 产生 鳞 RA; 这 个 事实 支持 了 生长 加 速 是 产生 肿瘤 的 一 种 重要 因素 这 个 观点 22。 — 肿 汶 生 长 加 速 的 机 制 仍 待 阐明 。 促 有 丝 分 裂 物 质 的 产生 ， 或 许 更 重要 的 ,有丝分裂 抑制 剂 . 抑 素 的 排除 ， 可 能 在 这 个 过 程 中 起 作用 。 7.4.2.2b 定性 研究 0Tp.23,20.2] 用 无 毛 小 鼠 的 皮肤 研究 了 紫外 线 引 起 的 上 皮 癌 发 展期 间 组 织 中 发 生 的 进行 性 变化 ; 这 些 肿瘤 与 日 光 在 人 类 皮肤 中 诱 发 的 主要 肿瘤 是 一 样 的 。 另 外 ， 这 些 动物 被 证 明 在 研究 紫外 线 对 黑色 素 瘤 形成 的 影响 中 是 有 用 的 加 。 许多 研究 者 认为 ,在 上 皮 癌 的 发 生 中 ,真皮 的 影响 是 最 重 要 的 。 过 去 一 直 认 为 ， 光 化 弹性 组 织 变性 是 这 种 疾病 进程 中 的 一 个 可 怕 的 中 间 阶 段 ; 不 过 , 最 近 的 几 项 研究 表明 ,这 种 变 化 在 人 和 实验 动物 身上 都 是 不 重要 的 史 , 23。 许多 研究 者 相 信 ， 平 述 变 化 中 的 某 些 或 全 部 可 能 与 真皮 对 表皮 恶性 肿瘤 发 生 的 重要 影响 有 联系 : 弹性 组 织 和 胶原 蛋白 的 分 解 ; 幼稚 胶 承 蛋 自 的 增生 ;酸性 粘 多 糖 、 肥 大 细胞 或 成 纤维 细胞 的 积累 ; 新 的 弹性 组 织 的 形成 以 及 真皮 血管 的 改变 。 用 来 观察 解剖 学 变化 和 细胞 动力 学 的 组 织 化 学 和 同位 素 CH ft hee) 示 踪 技术 展示 了 在 无 毛 小 鼠 种 系 中 从 良性 增 生 经 过 光 角 化 病 到 症状 明显 的 侵 绪 性 恶性 肿瘤 的 渐进 发 展 过 ”2 大 ————————————————— 程 。 这 些 研 究 表明 了 上 部 真皮 层 中 酸性 粘 多 糖 的 积 味 $ AK 性 胶原 蛋白 的 消失 以 及 肥大 细胞 和 成 纤维 细胞 的 增殖 计 最 明 显 的 反应 出 现在 表皮 -真皮 层 基 膜 中 (图 7-602 在 基 膜 二 5 这 种 构造 的 进行 性 变 厚 伴随 着 表皮 的 过 度 增生 。 随 着 不 规则 和 异常 的 表皮 细胞 的 增殖 , 基 膜 表现 出 增 厚 , AR) AER 离 ,而 在 症状 明显 的 侵袭 性 恶性 肿瘤 中 , 基 膜 全 然 消 失 8 在 大 类 皮肤 癌 和 化 学 诱发 实验 性 肿瘤 中 ， 在 基 膜 土地 现 到 类 似 的 破坏 。 电 子 显 微 镜 观 察 指出 ; $F A HA 可 以 反映 肿瘤 发 生 最 早 阶 段 的 变化 。 表皮 细胞 动力 学 的 研究 表明 ， 合成 DNA 和 进行 分 裂 的 发 的 基底 细胞 的 数目 不 断 增加 。DNA 合成 时 间 以 及 与 表皮 变 化 有 关 的 G2 期 缩短 am。 同时 ,尽管 表皮 厚度 增加 8 租 细 胞 通 过 表皮 的 过 渡 时 间 不 断 减少 .对 于 症状 明显 的 恶性 肿瘤 ;萌发 细胞 层 消 失 , 许 多 外 表 异 常 的 有 丝 分 裂 在 整个 肿瘤 中 存在 。 因 此 , 致癌 过 程 的 特点 是 细胞 产生 、 成 熟 和 周转 的 加 快 。 还 有 ， ”表皮 萌发 基底 细胞 看 来 是 异常 增殖 的 主要 部 位 或 初始 部 位 。 在 实验 上 , 已 经 用 短 于 320nm 的 辐射 在 无 毛 水 鼠 的 皮肤 中 使 良性 色素 瘤 转化 成 恶性 黑色 素 痢 2。 反 复 照 射 几 个 月 ， 产生 了 在 组 织 学 、 放 射 自 显影 和 电子 显微镜 观察 十 具有 恶性 肿瘤 特征 的 大 量 的 侵袭 性 黑色 素 细胞 瘤 。 此 外 ， 其 中 的 一 些 转移 到 局 部 淋巴 结 。 这 些 结果 指出 ,在 实验 动物 身 下 ,良性 色 SAAD AIRC RAHEAS HeA 生 类 似 的 过 程 仍 有 待 于 研究 。 热 对 皮肤 损伤 程度 的 增强 效应 和 对 紫外 线 引起 的 红斑 反 应 强度 的 增强 效应 的 影响 已 经 有 详细 记载 PM5 WA, BBE 明 ， 在 紫外 照射 时 升 高 温度 将 加 速 肿瘤 的 产生 。 临床 经 验 也 证 明 ,事实 上 ; 热 确 实 加 剧 了 紫外 线 引起 大 的 皮肤 瘤 s 1 我 们 生活 环境 中 存在 的 致癌 和 促 肿 瘤 化 学 物质 所 产生 的 。234 。 效应 已 经 使 我 们 认识 了 化 学 物质 对 紫外 线 引 起 的 一 些 重要 至 瘤 过 程 的 影响 21。 最 近 的 研究 表明 ， 紫 外 辐射 和 化 学 致癌 物 的 作用 是 相 加 的 。 此 外 ， 反 复 使 用 非 致癌 物 巴 豆油 能 在 一 次 紫外 线 照 射 后 引起 恶性 肿瘤 。 这 些 实验 说 明 ， 环 境 的 化 学 物 质 在 皮肤 肿瘤 的 发 生 中 可 能 是 一 种 重要 的 因素 。 ` 或许， 紫外 线 诱发 癌 的 问题 最 使 人 感 兴趣 的 是 急性 反应 5RADLEZAWKAT 8), 只 有 当 急性 光 害 性 红斑 - 也 产生 时 才 出 现 光 诱 发 癌 。 巴 豆油 实验 还 指出 ， 紫 外 线 致癌 的 过 程 是 从 最 初 的 照射 开始 的 。 但 是 ， 导 致癌 的 生成 的 早期 变化 仍 未 搞 清 。 许 多 研究 表明 : 紫外 线 和 化 学 致癌 物 对 哺乳 动物 表皮 的 某 些 重要 功能 (包括 DNA 和 RNA 的 合成 ,细胞 转 变 和 有 丝 分 裂 速度 ) 的 影响 是 类 似 的 但 并 不 完全 相同 。 BS -* 7-7 ”着 色 性 干 皮 证 。 患 有 着 色 性 干 皮 症 的 病人 的 临床 照 Fr 9 期 片 显示 光 化 损 伤 的 皮肤 * 多 发 性 光 化 角 化 病 以 及 肿瘤 © 235。 —— 最 令 人 感 兴趣 的 发 现 是 从 DNA 修复 系统 和 不 常见 的 遗传 疾 病 着 色 性 干 皮 病 的 研究 得 到 的 ， 它 们 把 急性 光 损 伤 与 冶 的 产 生 联系 了 起 来 。 正 如 在 7. 3. 4 中 所 看 到 的 ,在 这 种 疾病 中 , 光 RHE RHA AIG RA BRR KRY?) (7-7), 这 些 病人 的 细胞 ,没有 修复 紫外 损伤 的 DNA 的 能 力 。 组 织 培养 的 着 色 性 干 皮 症 病 和 人 的 细胞 受 紫外 线 照 射 后 与 正常 人 细胞 相 比 _ 也 有 较 高 的 突变 率 29。 人 们 估计 这 种 缺陷 可 能 导致 在 目光 照 射 后 产生 较 高 的 突变 率 , 从 而 引起 瘤 的 产生 。 7.5， 皮 肤 对 日 光 的 有 害 反应 [272251. 日 光 对 皮肤 的 大 多 数 效应 都 是 有 害 的 。 我 们 在 下 面 将 对 这 种 能 量 的 某 些 有 害 效应 的 致 病 过 程 予以 解释 。 这 些 解 释 难 免 是 粗糙 的 ,因为 目前 我 们 在 这 方面 的 知识 是 有 限 的 。 7.5.1 光敏 性 光敏 性 是 一 个 广义 的 术语 ， 用 来 描述 日 光 或 人 造 光 能 量 的 有 害 反应 。 可 能 发 生 两 种 光敏 反应 ， 其 性 质 可 能 是 光 有 害 的 也 可 能 是 光 变 态 反 应 性 的 。 7.5.1.1 #84829 我 们 可 以 把 光 所 引起 的 与 过 敏 机 制 无 关 的 皮肤 损伤 看 做 是 光 有 害 。 从 理论 上 讲 ， 如 果皮 肤 受 到 适宜 波长 的 足够 光 能 的 照射 ,并 有 足够 的 分 子 吸收 这 种 波长 的 话 , 这 些 反 应 能 在 每 SKE ER APR, WOE A SE Ze BZA HE A 反应 发 生 的 分 子 上 。 了 栖 斑 反应 是 光 有 害 反应 的 一 个 经 典 例子 。 临床 上 ， 光 有 害 反应 往往 表现 为 红斑 ， 有 时 表现 为 水 肿 《〈 肿 胀 ), 这 些 症 状 都 是 在 照 后 几 分 钟 到 几 小 时 内 出 现 的 。 随 后 在 照射 部 位 出 现 色素 沉 着 过 度 和 脱皮 (皮肤 剥落 儿 图 7-8) 0 组 织 学 上 , 当 光 敏 化 剂 在 表皮 层 内 时 ,表皮 细胞 变性 可 能 * 236° ee Fe 图 7-8 ， 光 有 害 反 应 。 在 前 达 的 两 个 区 域 B 和 C 上 ， 由 于 局 部 eR RWS SA BSAA re Ati 〈320 一 400nm 之 闻 ) 的 紫外 线 照 射 而 发 生 的 光 有 害 反应 。 它 的 特征 是 出 现 红斑 和 水 肿 。B 和 C 之 间 的 部 位 也 受 紫外 照射 ， 但 预先 没 施用 颖 HAR AKE Do FEAR. FETE AMEE BULHIT RK, Kei 的 。 可 以 看 到 真皮 层 内 有 轻 度 到 中 度 炎 性 细胞 盗 人 的 水 肿 ， 它们 主要 由 多 形 核 的 日 细胞 组 成 (图 7-9)。 尽管 进行 了 大 量 的 研究 ， 发 生 光 害 反 应 的 机 制 并 不 很 了 解 。 在 使 用 外 源 性 光敏 化 剂 的 情况 下 ,要么 是 分 子 本 身 , 要 么 是 光敏 化 剂 与 细胞 器 的 复合 物 被 吸收 的 光 所 激发 。 于 是 可 能 形成 三 线 态 或 自由 基 ; 这 种 能 量 的 耗 散 可 以 造成 奋 干 变 化 , 包 括 过 氧化 物 的 形成 、 细 胞 膜 或 溶 酶 体 膜 的 损伤 以 及 核 或 线 粒 体 的 损伤 。 损伤 机 制 很 可 能 随 光敏 化 剂 而 异 。 有 证 据 支 持 这 种 观 点 , 即 陵 哺 香 豆 素 导 致 的 光 损 害 〈 见 图 4-3) 是 和 这 种 药物 与 DNA 形成 加 成 物 有 关 的 。 氯 普 马 嗪 看 来 主要 与 RNA 形 ° 237 。 成 类 似 的 加 成 物 。 其 它 化 学 光敏 化 剂 。 AONE SEIS AY Bee 玫瑰 红 和 中 啉 需要 有 和 氧 存在 。 化 学 光敏 化 剂 引 起 的 这 类 光 损 考古 作 * 光 氧化 敏 化 作用 ”( 参 阅 第 4 章 )。 7511.2 AESRE™ | 光 恋 态 反 应 可 以 定义 为 皮肤 为 了 对 单一 因素 的 光 能 或 存 在 光敏 化 剂 时 对 光 能 作出 反应 的 一 种 应 变 能 力 这 里 所 指 的 si a ee 7-9 光 看 震 反 应 的 组 织 学 图 。 该 图 是 图 7-8 PRAT 害 反应 的 活 组 织 检查 》 显 示 表 皮层 的 明显 破坏 : -细胞 向 和 细 Rayhia7k int CG). 产生 空 泡 乃 至 细胞 死亡 。 真皮 层 内 显示 很 少 的 细胞 浸润 。E. 表皮 层 ;》 D. MRR OAM FARE; X50)( 引 自 参考 文献 /" e 238 。 _———— 光敏 化 剂 多 半 依 赖 于 循环 抗体 的 产生 或 者 以 细胞 为 中 介 体 的 免疫 应 答 。 这 些 反应 不 常见 ， 临 床 症状 是 从 即 发 性 的 荨 麻疹 反应 (图 7-10) 到 延迟 性 的 发 痒 、 鳞 局 和 剥落 或 渗水 (图 7-11)。 疹子 常常 扩展 到 受 照 射 区 域 之 外 ， 在 远 处 的 以 前 发 生 过 疹子 的 部 位 也 可 能 再 发 生 。 在 人 为 控制 条 件 下 ,通过 测定 潜伏 期 、 皮肤 自发 发 红 和 这 一 过 程 向 正常 部 位 的 蔓延 ， 可 以 了 解 过 敏 反应 的 特 征 。 通 常 ,与 光 害 反应 相 比 ,有 同样 作用 谱 的 较 少 的 驾 射 能 就 能 引起 光 变 态 反应 。 me 7-10 BHSRE. ARMA ARRUMHSH SK 泡 ( 疹 子 ) 的 临床 照片 ; 在 30 分 钟 内 消退 ( 引 自 参 考 文献 2)。 在 组 织 学 上 ， 光 变态 反应 不 同 于 光 害 性 。 即 发 性 的 荨 麻 DBT) 的 损伤 在 光学 显微镜 下 是 很 小 的 , 只 有 一 些 水 肪 和 面 管 扩张 。 延 迟 性 反应 表现 出 在 真皮 层 血 管 周围 出 现 密 集 的 环形 的 细胞 浸润 ， 虽 然 这 种 环形 的 细胞 浸润 不 是 这 些 反应 的 诊断 指标 , 但 却 是 这 些 反应 的 特点 (图 7-12)。 与 光 害 性 类 似 ; 无 论 有 或 没有 已 知 的 外 源 光敏 化 剂 的 存在 ,都 能 产生 光 变 。 239° UL AOD Ae A HE BD AE 并 用 其 作用 光谱 (320 一 400nm 的 紫外 线 ) 照射 所 引起 的 湿疹 光 过 效 接 触 性 皮炎 。 使 用 含有 图 7-11 型 光 过 敏 接触 性 皮炎 的 临床 照片 。 。240 。 图 7-12 , 光 过 敏 接触 性 皮炎 的 组 织 学 图 。 光 接 触 过 敏 反应 的 活 组 织 检 查 图 显示 ， 在 真皮 层 血 管 周 围 有 密集 的 细胞 浸润 《真皮 层 申 的 密集 黑 点 )， 这 是 延迟 的 过 敏 反应 的 特点 。E. 表 Riz; D. 真皮 层 。( 苏 木 精 - 伊 红 染色 ; X80)GIR XM), 7.5.2 临床 上 的 问题 关于 临床 芭 应 问题 本 章 不 准备 详细 和 叙述， 它们 主要 属于 皮肤 病 学 的 领域 。 不 过 ， 概 述 一 下 这 些 反 应 也 许 对 于 正确 看 待 光 能 的 医学 效应 是 有 用 的 。 有 害 的 临床 效应 可 以 分 为 三 大 类 : 四 因 和 缺少 或 没有 防护 而 发 生 的 反应 ; OATES LWIA 存在 而 引起 的 反应 ; 国 不 是 由 于 缺少 防护 或 存在 已 知 的 光敏 化 剂 而 发 生 的 反应 。 ”241， I pis 3k to hh RS KR RO 63 黑色 素 是 皮肤 中 主要 的 天 然 防 咎 物质。 因此 。 这 类 效应 的 几乎 所 有 临床 问题 都 与 黑色 素 的 缺乏 有 关 。 这 类 大 包括 患 有 白化 病 的 病人 ,他 们 缺少 酷 氨 酸 酶 系统 ,因此 丕 能 产生 足够 的 黑色 素 ; 白 阅 风 病人 ,他 们 没有 色素 细胞 ,因此 没有 黑色 素 ; EMR iz (PKU) 病人 ,这 些 人 由 于 茉 丙 氨 酸 代谢 中 的 遗传 抽 陷 而 发 生 色素 淡化 ; Chidiak-Higashi 病 , 这 是 一 种 先天 性 的 色 素 淡 化 综合 病 , 它 显然 是 由 于 黑 素 体 结 构 的 异常 所 致 ;以 及 所 有 光敏 条 件 中 最 常见 的 , 淡 发 色 , 淡 眼色 的 皮肤 白 暂 的 人 。 这 类 人 也 包括 患 有 着 色 性 干 皮 症 的 病人 ,这 些 人 ;不 是 由 于 缺乏 黑色 素 ,而 是 由 于 自身 不 能 修复 被 紫外 线 损伤 的 DNA TI BG (图 7-7)5 有 SL NE 2 PR 7 5 Jae MIRAE, TEAC IA HC CR 7-13) ALB ie esc ERM HINOHL, SMEAR Fal AY (290 —320nm), 7.5.2.2 HRD 本 节 中 讨论 的 光敏 化 剂 是 这 样 一 些 物质 ,， 即 它们 吸收 大 阳 能 后 ， 在 皮肤 中 产生 一 些 有 害 的 反应 。 这 些 光敏 化 物质 就 其 来 源 可 以 是 内 源 性 的 或 外 源 性 的 。 中 呆 是 人 体内 产生 的 唯一 搞 清 楚 的 光敏 化 物质 。 它 们 是 吡咯 环 结构 ， 这 种 结构 对 全 身 的 细胞 代谢 是 至 关 重 要 的 。 此 外 ,血红 蛋白 的 血红 素 部 分 是 由 这 些 分 子 形成 的 。 然而 ,在 串 吡咯 紫 质 沉着 病 的 病人 中 ,大量 的 中 啉 是 在 骨髓 和 肝 组 织 中 产生 的 。 在 这 些 情 况 下 ,中 啉 不 与 铁 结合 , 它 是 强 有 为 的 光敏 化 物质 。 因 此 ， 它 们 使 皮肤 发 生 从 皮肤 和 它 下 面 组 织 的 明显 荐 坏 到 单纯 的 色素 增生 变化 。 变 化 的 程度 与 太阳 的 照射 和 可 利用 的 中 啉 分 子 的 数量 有 关 。 皮 肤 的 这 种 变化 是 由 于 光 氧 化 7I42 . LS Po tl ee Fh totes 四 oy ee gla SI gal” Seer ome oy er, 后 敏 化 的 光 害 反应 引起 的 ， 其 作用 光谱 的 峰值 在 ,400nm 附近 。 外 源 性 光敏 物质 可 以 通过 局 部 使 用 (接触 ) 或 通过 血液 循 环 (全 身 的 ) 到 达 皮 肤 。 (1 局 部 的 化 学 药剂 可 以 有 意 地 引起 一 些 光 敏 反应 〈 如 像 在 治疗 牛皮 癖 和 白 闻 风 时 使 用 焦油 和 补 骨 脂 素 时 发 生 的 那 样 * 见 图 :4-3)， 或 者 无 意 地 引起 一 些 光 敏 反 应 (如 像 使 用 植物 和 香料 中 的 补 骨 脂 素 分 子 、 除 臭 皂 、 磺 胺 药 及 酚 哮 嗪 药物 中 的 De FR ADR A HR ASIN FT A AEB), 这 些 反应 常常 是 光 害 性 的 ;但 偶而 是 光 变 态 反应 性 的 。 作 用 光谱 通常 在 320 一 400 的 范围 。 图 7-13 ”慢性 日 光 ( 光 化 ) 损 伤 。 光 角 化 病 患者 手背 的 慢性 光 化 损伤 C(AK)。 ”243。 (2) 全 身 的 化 学 药物 也 可 以 有 意 地 引起 光敏 性 反应 Wl in, 像 在 使 用 补 骨 脂 素 化 合 物 治 疗 白 闻 风 和 和 牛皮 瘤 时 发 生 的 那样 ,或 者 无 意 地 引起 光敏 性 反应 。 而 后 者 是 常见 的 情况 5 这 种 出 乎 意料 的 光 反 应 一 般 是 由 通常 使 用 的 药物 引起 ， 如 抗菌 ekk25. “EREAIR TN, GRERRERRAD. DREUR 广 谱 抗菌 素 , 去 甲 基 毛 四环素 2% 2。 绝 大 多 数 本 质 寺 是 光 有 害 的 ,尽管 偶而 可 发 生 延 迟 的 过 敏 反 应 。 光 害 性 反应 和 光 变 态 反 应 的 作用 光谱 常常 包括 长 波 紫外 辐射 7.5.2.3 防御 系统 正常 且 不 存在 已 知 的 光 烙 化 物质 的 情况 不 是 由 于 缺乏 防护 也 不 是 由 于 存在 已 知 的 光敏 化 物质 丙 发 生 的 光 反 应 包括 许多 情况 ， 如 即 发 性 的 以 抗体 为 媒介 的 太 阳 莓 麻疹 (疹子 ) 和 明显 的 以 细胞 为 媒介 的 多 形态 光 疹 ， 某 些 自身 免疫 性 疾病 ， 维 生 素 缺 乏 以 及 许多 遗传 上 的 问题 。 一 般 说 来 ,除了 多 形态 光 疹 外 ,这 些 都 不 是 常见 病 。 作用 光谱 和 作 用 机 理 在 各 种 情况 下 是 不 一 样 的 。 由 于 这 类 问题 的 复杂 性 和 基本 属于 临床 的 性 质 , 所 以 这 里 不 打算 进一步 讨论 它 2%?。 7.6 ”日光 和 人 造 光 的 有 益 效应 虽然 紫外 线 的 有 害 效应 比 有 益 效应 更 为 通常 ， 但 它 在 治 疗 上 是 有 用 的 。 7.6.1 维生素 了 的 产生 %24-P-247,26) 紫外 线 对 正常 人 皮肤 的 唯一 完全 搞 清 楚 的 有 益 效应 或 许 就 是 维生素 D 的 产生 。 维 生 素 D 是 钙 从 肠 道 输 运 中 区 及 骨骼 代谢 中 的 一 个 因子 。 这 些 维生素 通过 确保 适量 的 骨 和 钙化 以 防 止 儿童 患 软骨 病 ( 骨 软化 ) 以 及 成 年 人 患 骨 软 化 病 ( 骨 璐 物质 损失 )。 +2446 时 Ye ‘ 本 i otis . oe He ED, (EGR) 在 紫外 线 作 用 下 通过 转化 7-H SH 固 醇 在 皮肤 中 生成 ， 很 大 的 可 能 是 在 马尔 皮 基 氏 细 胞 中 生成 (A) 7-2), RAK D, 的 进一步 羟基 化 变 成 25-OH 导 钙 素 , 它 是 一 种 更 有 效 的 化 合 物 。 大 们 认为 ， 皮 肤 的 颜色 Chime 了 紫外 辐射 的 量 ) 按 地 理 位 置 的 调节 能 够 防止 天 然 发 生 的 维 生 素 D 中 毒 22。 于 是 ， 北 欧 人 的 肤色 痰 是 需要 的 ， 因 为 那里 天 然 紫外 线 照射 量 不 大 ; 住 在 热带 的 人 的 肤色 深 , 这 对 防止 产 生 过 多 的 维生素 D 是 必要 的 。 不 过 ,至 今 尚 无 迁居 南方 的 淡 肤色 的 人 发 生 天 然 维生素 D 中 毒 的 报道 。 因 此 说 ,紫外 线 产 ”第 维 生 素 D 基 本 上 仍然 是 种 有 益 的 效应 。 7.6.2 皮肤 病 的 治疗 Niels Finsen ,一 位 杰出 的 物理 学 家 和 光 生 物 学 的 先驱 , A 使 用 紫外 线 治 疗 皮 肤 结 核 而 在 1903 年 获得 了 诺 贝尔 奖金 。 虽 然 由 于 医学 的 发 展 今天 已 不 再 需要 这 种 治疗 方式 ， 但 在 许多 情况 下 ， 光 能 还 是 有 治疗 价值 的 , 如 对 粉刺 、 BE. BRA BeBe AeA Re a ES 7.6.2.1 BoM ARMM RA, HRABRA BRAM RE 有 色素 (图 7-14)， 其 病因 目前 还 不 完全 清楚 。 光 疗 几乎 是 唯 一 可 行 的 疗法 ， 但 最 好 的 情况 下 成 效 也 是 很 有 限 的 。 治 法 是 局 部 或 全 身 施 用 叶 喃 香 豆 素 化 合 物 ， 然 后 用 该 药物 作用 光谱 《320 一 380nm) 的 紫外 线 进 行 照射 入 呈 0。 应 该 注意 ,刺激 色素 沉着 和 产生 红 开 病 的 作用 光谱 很 相似 ， 但 它们 可 能 并 不 完全 相同 。 直 到 前 不 入, 人 们 还 认为 ,明显 的 光 有 害 红 斑 效应 是 引起 色素 再 生 所 必需 的 ; 但 是 ,现在 的 一 些 研究 指出 ， 色 素 反应 可 以 与 光 有 害 损伤 分 开 ( 正 如 红斑 病 和 可 见 损伤 所 表明 的 那样 )”"。 关 于 叶 喃 香 豆 素 化 合 物 和 长 玻 紫外 线 产生 色素 © 2456 沉着 过 度 的 基本 机 制 一 直 不 清楚 。 然 而 ,在 用 4, 5 ,8 三甲 基 呐 喃 香 豆 素 (TMP) 和 这 些 波长 的 光照 射 后 已 经 观察 到 如 下 WR: Ow FREI ee im eA RS 色素 细胞 的 数目 增加 (在 使 用 TMP 并 用 紫外 -A EEE HAR 照射 后 48 一 72 h AWTS OBB): © 黑色 素 细胞 异常 增 大 以 及 角 蛋 白细胞 周围 的 树 突 向 外 扩展 ; © BAe 胞 以 及 角 蛋 白细胞 中 的 黑 素 体 的 数目 增加 ; @@ 黑色 素 细胞 中 的 酷 氨 酸 酶 的 活性 增加 ; © 黑 素 体 向 角 蛋 白细胞 转移 的 速率 增加 ; 轿 非 聚 集 分 布 的 角 蛋 白细胞 中 的 黑 素 体 弥 散 (最 后 这 MARLEE HAW RRA), BRR ED 可 以 持续 九 个 多 月 ,这 说 明 可 能 出 现 某 些 长 时 间 的 基因 抑制 ， 这 可 能 与 叶 哺 香 豆 素 光 加 成 到 DNA LAK (SR 44.0 | 7.6.2.2 47K 牛皮 癣 是 种 病因 不 明 的 常见 皮肤 病 ; rere, 患 有 这 种 病 , 美 国有 :2 一 8 百 万 人 患 这 种 病 。 它 的 临床 表现 是 从 局 部 鳞 状 殉 到 大 片 剥落 (图 7-15)。 该 病 最 明显 的 特征 是 表皮 细胞 明显 增生 ; 伴 以 条 发 细胞 的 迅速 转 枇 治疗 牛皮 癣 方法 的 核心 是 想方设法 抑制 表皮 细胞 过 分 增 和 ;在 这 方面 ,光疗 是 久 享 盛名 安全 而 有 效 的 方法 之 二 乓 z7m。 深信 的 临床 观察 及 其 后 的 对 照 研 究 证 明 , ROD -B RA 射 〈《290 一 320nm) 对 治疗 这 种 疾病 是 有 效 的 。 1925 年 ; Goe- kerman FR ea BAS (8 FR SAE eh BE A BET PE a 的 好 处 。 由 于 煤 焦 油光 敏 化 作用 的 作用 光谱 在 紫外 - 区 ;新 以 效应 的 增强 其 本 质 必然 是 相 加 的 ,也 就 是 说 ， 煤 焦油 与 紫 ”外 - 妇 加 射 是 互相 独立 地 起 作用 的 。 Goekerman FY AUR AS 二 是 煤 焦 油 太 脏 ;所 以 一 般 不 得 不 在 医院 环境 中 使 用 5 在 以 往 ILS, 已 有 报道 , 局 部 施用 补 骨 脂 素 化 合 物 并 用 紫外 =&A 区 的 光照 射 ， 可 使 病 势 减轻 。 最 近 , 有 天 叙述 了 一 种 相当 有 效 的 + 246° eek: 全 身 施用 补 骨 脂 素 并 用 一 种 新 发 明 的 高 强度 光 照 系统 产生 的 紫外 -A 光照 en。 虽然 牛皮 癖 的 光疗 效应 的 机 理 至 今 仍 不 完全 清楚 ,但 细 Al7-14 ARM. ARAMA MR > 表明 因 缺 少 色素 细胞 - 而 引起 的 整个 手脚 区 域 没 有 色素 。 e 247 « 胞 增生 的 减弱 很 可 能 起 着 部 分 作用 。 320nm 以 下 波长 的 紫外 线 对 表皮 细胞 DNA 有 明显 的 影响 关照 身 丝 分 裂 的 合成 和 有 tm A Juz) > . , 时 内 也 如 此 “。 与 此 类 做 射 也 明显 地 抑制 这 后 不 入, 它们 就 被 抑制 ， WM RNR Ib 功能 ， 这 可 些 线 照 了 喧 碱 基 之 间 在 光 作 用 能 是 由 于 这 种 化 学 物质 和 DNA Sate MS A ed Hy AY BA 也 可 能 光疗 直接 或 间接 地 影 病程 。 》 下 发 生 了 加 成 反应 里 的 血管 ， 于 是 这 个 问 ELAR TF BBE AY 进一步 研 Lo ? [30] Lb, fe HH Re He 感染 是 单 Te 7M ead 引起 原 发 的 一 种 闻 见 的 人 类 病原 体 ， 它 Lo 单纯 牛皮 购 。 和 牛皮 将 的 临床 表现 ， 特点 是 大 片 的 红色 鳞 图 7-15 TK Hl 7% Ho © 248 « 和 再 发 的 皮肤 和 粘膜 感染 ,有 时 也 可 能 波及 其 它 器 官 。 近 来 ， 有 人 谈 到 了 这 种 病毒 与 人 类 产生 癌症 的 可 能 关系 。 最 常见 的 临床 问题 是 再 发 性 单纯 疱疹 感染 ,其 特征 是 面部 特别 是 导 和 生殖 器 局 部 起 小 泡 。 有 两 种 密切 相关 的 病毒 与 这 种 疾病 有 关 系 ， 发 生 在 腰部 以 上 的 单纯 疱疹 感染 常 由 I 型 病毒 引起 ， 腰 部 以 下 出 现 的 疱疹 感染 一 般 由 开 型 病毒 引起 。 疹 子 可 能 一 个 月 或 不 到 二 个 月 就 出 现 一 次 ,这 是 令 人 烦恼 的 ,而 且 常 使 身体 衰弱 。 最 近 ， 一 个 研究 小 组 倡导 采用 光 钝 化 方法 治疗 : 使 用 诸 如 三 胺 基 呼 啶 和 中 性 红 等 光 氧 化 敏 化 染料 和 可 见 光 钝 化 这 些 感染 部 位 的 病毒 。 这 个 想法 来 自 一 个 这 样 的 事实 : 采用 这 种 方法 能 使 组 织 培 养 的 病毒 钝 化 。 人 们 认为 下 面 设想 的 机 制 最 合理 地 解释 了 单纯 疱疹 病毒 的 钝 化 : 假定 在 复制 期 间 这 些 杂 三 环 染料 分 子 嵌 入 病毒 DNA 的 碱 基 之 间 , 这 个 染料 -DNA 复 各 和 侏 吸收 光 能 ;产生 氧化 反应 ,使 DNA 受 破 坏 并 丢失 鸟 嘎 叭 ， 这 就 使 碱 基 序列 中 出 现 一 些 “ 空 洞 *， 从 而 导致 DNA 链 的 断 胞 ， 和 于 是 病毒 就 不 能 复制 了 。 另 一 种 理论 认为 病毒 寄居 的 细 胞 被 破坏 * 从 而 使 支持 这 种 病毒 颗粒 的 细胞 的 数目 减少 了 。 ” 目前 ， 还 没有 确定 这 种 单纯 疱疹 病毒 纯化 技术 的 临床 效 果 和 安全 性 。 由 于 很 难得 到 足够 的 病人 作 适 当 的 对 照 ， 所 以 至 今 这 些 临床 结果 还 不 是 令 人 信服 的 。 此 外 ,一些 体 外 研究 表明 5 这 个 方法 有 导致 癌症 的 危险 。 因 此 ,在 进 二 步 的 资料 获 得 之 前 ;应 该 对 这 种 方法 有 所 保留 。 7.6.3 全身 性 疾病 ( 婴 幼 儿 黄 让 病 ) 的 治疗 历史 土 ， 光 疗 一 直 用 于 多 种 疾病 的 治疗 。 正 如 以 前 所 指 出 的 ;有 证 据说 明 , 紫 外 辐射 由 于 在 皮肤 中 通过 光化学 变化 产 生 维 生 素 D 而 对 钙 代 谢 疾病 如 伯 供 病 和 骨 软 化 是 有 益 的 。 。249 。 人 ee 说 明 紫 外 辐射 有 好 处 的 另 一 例子 就 是 婴 幼 儿 黄 冶 病 的 治 - og Red ona ABLE (Cy Hes O; N4) 是 人 胆汁 中 的 主要 色素 ,， 它 是 当红 血球 的 血红 蛋白 被 破坏 时 (主要 被 肝脏 的 枯 否 氏 细胞 破坏 ) 由 血红 素 形 成 的 ; 它 似 乎 是 中 啉 环 被 打开 的 结果 。 在 初生 机 儿 时 期 ， 大 量 未 结合 的 胆 红 素 存在 于 循环 系统 中 。 这 是 由 于 红 血球 的 寿命 短 以 及 婴 幼儿 肝脏 功能 不 成 熟 ， 从 而 使 它 把 胆 红 素 从 脂 溶 性 化 合 物 转 化 到 能 随 尿 排出 的 水 溶性 化 合 物 (结合 作用 ) 的 能 力 受 到 限制 。 另 外 , 血 脑 屏障 的 渗透 性 增加 使 新 生 儿 的 中 枢 神经 系统 更 容易 由 于 胆 红 素 在 脑 细 胞 里 的 沉积 ( 脑 核 性 黄 癌 ) 而 受 损 对 早产 婴儿 ,这 种 危险 更 值得 注意 。 目 前 ， 治疗 的 方案 就 是 维持 未 结合 的 胆 红 素 水 平 低 于 10-15% 减少 循环 系统 中 未 结合 的 胆 红 素 的 方法 之 一 就 是 光疗 ， 它 最 近 受 到 相当 多 的 注意 。 体外 研究 指出 ， 可 见 光 将 引起 胆 红 素 的 光 降 解 。 实 验 动 Hy (Gunn KEL) 和 婴 幼儿 受到 强 可 见 光 照射 , 一 方面 使 胆 红 素 发 生 光 化 学 变化 ， 另 一 方面 使 循环 中 的 未 结合 胆 红 素 的 浓 度 迅 速 降低 。 体 外 研究 表明 ， 可 见 光谱 的 蓝 区 波长 人 主要 是 450 一 500nm) 的 光 最 能 使 胆 红 素 发 生 光 氧化 。 这 些 体外 光 氧 化 产物 没有 胆 红 素 的 毒性 。 不 过 ,虽然 体外 产生 的 光 衍生 物 与 体内 产生 的 相似 ， 但 它们 并 不 完全 一 样 。 体 内 衍生 物 容易 排泄 ， 因 此 可 能 不 会 在 中 枢 神经 系统 中 积累 而 引起 丘脑 下 部 的 损伤 。 或 许 , 这 个 过 程 中 最 有 趣 的 ` 至 今 未 被 解释 的 方面 是 光疗 的 原初 效应 可 能 与 胆 红 素 的 光 降 解 无 关 。 受 到 蓝光 照射 的 动物 和 婴 幼儿 的 大 部 分 排泄 物 是 未 结合 的 胆 红 素 。 因 ， 光疗 加 速 了 这 种 神经 毒性 物质 的 排泄 。 目 前 还 不 了 解 这 种 加 速 排 泄 的 机 理 。 | 正如 所 有 治疗 一 样 ， 必 须 考虑 到 那些 潜在 的 危害 。 幸 好 sa 250° 产 具 的 光 产 物 似 乎 既 无 毒性 又 很 容易 排出 ， 因 些 它们 不 会 在 让 枢 神经 系 绕 趾 积累 。 对 皮肤 细胞 的 光 动 力作 用 损伤 虽然 还 未 观察 到 ;但 必须 把 它 看 成 是 二 种 可 能 的 有 害 效应 。 另 外 , 关 于 对 红 菌 和 提纯 的 DNA 的 损伤 效应 已 有 报道 。 这 样 一 些 发 现 是 否 能 与 临床 反应 联系 起 来 还 需 进 一 步 研究 。 也 许 ， 光 疗 ”的 最 他 大 担心 的 有 害 效应 是 可 能 引起 视网膜 损伤 ， 在 受到 蓝 荧光 照射 的 猪 身上 已 引起 这 种 损伤 。 人 类 婴 幼 儿 尽 管 也 受到 大 量 照 射 ; 但 至 今 未 见 有 这 种 损伤 的 记载 。 7.7 ， 光 的 间接 效应 [42.239 光 能 对 动物 功能 多 方面 的 间接 效应 已 有 论述 ， 如 对 生物 节律 (第 8 章 )、 性 腺 功能 (第 oO 章 )\ 肾 上 腺 皮质 激素 的 产生 等 的 控制 。 除 视觉 外 ， 最 有 代表 性 的 间接 效应 之 一 是 射 在 视 网 膜 上 的 光 能 抑制 了 松 果 体 中 褪色 激素 的 形成 。 最 近 的 研究 认 为 ， 松 果 体 在 人 类 内 分 沁 和 神经 系统 的 功能 中 可 能 起 最 重要 的 生理 作用 。 但 这 种 反应 产生 怎样 的 全 面 的 影响 仍 需 进 一 步 研究 。 这 些 间接 效应 似乎 是 通过 视网膜 感受 器 调节 的 ， 但 目 前 尚未 证 实 。 其 它 一 些 间 接 效应 有 心脏 收缩 压 和 舒张 压 的 降 低 , 活 动 耐 受 性 的 增加 , 血 中 胆固醇 的 减少 和 血清 酷 氨 酸 的 减 少 。 78 ” 结 论 光 能 对 哺乳 动物 的 结构 和 功能 有 深刻 的 影响 。 这 些 影 响 在 人 类 与 其 环境 之 间 的 关系 中 起 着 关键 的 作用 。 主 要 的 效 应 , 无 论 是 有 害 的 还 是 有 益 的 ,都 发 生 在 光 直 接 照 射 的 部 位 ， BURR BRAD RATER WA RS LEB. ii tbe «25k * 进行 研究 和 检查 的 最 方便 的 人 类 组 织 。 因 此 ， 医 学 光 生 物 学 家 有 极 好 的 条 件 进 行 研究 ， 他 们 可 以 随 着 瘤 的 形成 来 观察 瘤 的 发 生发 展 过 程 ， 联 系 疾 病 的 状态 来 估价 辐射 和 化 学 的 相互 作用 ,他 们 可 以 研究 光 能 对 免疫 过 程 的 影响 (参阅 巧 5) 等 等 虽然 研究 人 类 的 这 些 反 应 的 方法 学 比 光 生物 学 中 其 它 二 些 学 科 更 要 真实 ， 但 这 些 研究 的 意义 也 不 要 强调 过 头 咏 医学 光 生 物 学 的 领域 是 宽广 的 ,现在 我 们 刚刚 揭 开 子 它 的 序幕 oo (AEAE tH ee) e 252 ¢ 和 NE ee Se, — Sse £yeeGSRie) Beatrice M. Sweeney 《加 利 福 尼 亚 大 学 生物 科学 系 ) 8:2 ， 近 层 夜 节律 的 例子 ee 8.2.1， 膝 沟 藻 生物 钟 cnveeceeeeeeeeseeceesenenseceenennennee 8.2.2 其 他 生物 的 近 屋 夜 节律 pp 8.2.3 ”人 的 近 屋 夜 节律 “pe 8.3 环境 明 - 暗 周期 对 近 层 夜 节 律 的 调整 cece eee ece eee eee 8.4 近 尽 夜 节律 的 相 移 ee 8.4.1 单 次 光 限 coceecceeeeceecencsereeseceeeeeeeeseeecwecees 8.4.2 螺旋 调 相 面 和 奇异 点 .0 8.4.3:. 对 节律 调整 的 一 种 解释 .pe .5 ”使 近 恒 夜 基 律 产生 相 移 的 作用 光谱 cece ec ee center en en eee .6 光 和 某 些 近 层 夜 节律 的 启动 winlos sh ode 420 ALA BERET .7 以 强 光 使 近 层 夜 节律 停止 .pp .8 ; 光 对 近 层 夜 节律 周期 的 影响 ppp 88.01 « FRANC BURAK cecer eens nesnessresccesacesnonees 8.8.2 自动 分 相 .pp 8.9 光 及 近 屋 夜 钟 的 膜 模 型 .pe 全 son 和 2 人 oo 8 . © 81 序 ， 言 IC-9] 我 们 的 地 球 在 不 停 地 自转 着 ， 每 .24h 转 一 周 时 MRK 种 旋转 的 轴 和 太阳 光线 的 平面 一 致 ， 那 么 半 个 地 球 将 永远 处 于 黑暗 中 ， 另 一 半 永 远 处 于 光亮 下 。 幸好 地 球 并 非 以 这 种 方 式 旋 转 。 它 的 旋转 轴 大 臻 与 太阳 的 光线 垂直 ， 这 和 样 就 使 地 球 的 大 部 分 表面 都 交替 地 被 照 亮 或 处 于 阴影 之 中 。 所 有 的 机 体 都 是 在 这 种 变化 着 的 照明 ;, 即 白天 和 黑夜 交替 中 进化 而 来 的 。 因此 毫 不 奇怪 ,它们 都 适应 于 这 种 环境 。 例 如 ;有 些 动 物 只 有 在 白天 才 活 动 ， 而 另外 一 些 则 是 夜行 性 的 。 可 能 只 有 细菌 才 不 在 乎 自然 照明 周期 性 的 变化 。 除 少 数 例外 ， 比 细菌 复杂 的 动物 全 能 感受 光 。 有 一 个 心 照 不 宣 的 假设 ,认为 机 体 首先 感受 到 环境 光 的 变化 ,而 后 就 作 出 适当 的 反应 。 只 是 在 最 近 人 才 认 识 到 有 屋 行 和 夜行 的 行为 并 不 是 这 样 直接 地 受 环境 控制 的 。 现 在 我 们 知道 ， 可 以 用 一 种 更 精巧 的 方式 控制 在 复杂 的 机 体 上 所 观察 到 的 周期 为 24h 的 活动 。 已 经 发 现 有 很 多 机 体 当 不 处 在 悬 夜 交 替 的 环境 中 时 仍 保持 它们 的 循环 。 这 种 现象 自然 地 发 生 在 昆虫 和 哺乳 类 中 ,例如 白天 居于 阴暗 洞穴 中 的 蜂 螂 和 老鼠 。 生物 钟 学 “对 机 体 如 何 按照 一 天 内 的 时 间 调 节 其 功能 和 其 它 自 然 产生 的 周期 性 变化 的 研究 , 始 于 De Mairan 1729 年 的 工作 。De Mairan 本 来 是 个 天 文学 家 ,对 植物 的 周期 性 活动 发 生 了 兴趣 。 多 少 世 纪 以 来 ， 人 们 就 知道 某 些 植物 ， 特 别 是 豆 科 植 物 的 叶子 晚上 合拢 ,白天 张 开 。De Mairan 想 知 道光 对 叶 子 早 晨 张 开 是 否 是 必需 的 。 他 把 植物 置 于 黑暗 中 数目 ， 发 现 它们 的 叶子 继续 合拢 和 张 开 。 他 认识 到 明 - 暗 交替 并 非 必 要 - 条 件 ， 一 定 有 一 种 别 的 定时 装置 控制 叶子 的 运动 。 。254 。 tr ey Ng COU tee oe ee | . a pio pcan Ss AIP eae , . 时 bbe eh — FRETS, AERA DA RIE HN 器 。 用 同位 素 和 计数 器 、 氧 电极 、 灵 敏 的 记录 仪 . 光 电 倍增 管 和 其 它 装置 ， 生 物 学 家 可 以 对 其 实验 对 象 的 活动 作 定 量 的 测 Ho 很 多 大 惊奇 地 发 现 : 动 植物 的 各 种 生理 过 程 的 速率 并 非 不 随时 间 变 化 的 。 在 二 天 内 这 些 速率 作为 时 间 的 函数 而 波 动 ; 有 时 波动 相当 大 。 特 别 是 当 机 体 在 自然 的 ,或 在 实验 室内 模拟 的 县 夜 环境 中 时 ,尤其 如 此 。 这 类 波动 并 不 是 随机 的 , 它 们 常常 表现 为 与 屋 夜 有 关 的 周期 性 的 模式 。 在 很 多 情况 下 ， 例如 豆 类 叶子 的 运动 ， 这 种 速率 的 周期 性 变化 并 不 需要 屋 夜 的 交替 。 把 机 体 移 至 连续 的 黑暗 或 光照 中 之 后 ， 仍 然 可 以 看 到 这 种 模式 的 波动 5 在 恒定 照明 (或 无 照明 ) 及 常温 下 ， 测 量 到 的 各 种 速率 每 约 24 h 达到 一 次 最 大 值 。 因为 在 恒定 条 件 下 ,其 循环 周期 大 约 为 248， 而 不 是 恰好 为 24h， 这 些 现象 被 称 为 “ 近 屋 夜 " 节 律 ， 即 “大 约 为 一 天 ”的 节律 。 在 这 一 章 里 我 们 考察 光 对 这 些 近 昼夜 节律 的 作用 。 8.2 HERETO 由 于 发 现 了 不 仅 奇 妙 的 豆 科 植物 的 叶子 运动 有 近 尽 夜 节 律 , 而 且 那 些 明 显 重要 的 生理 过 程 也 有 节律 ,这 就 提出 了 如 下 的 可 能 性 : 即使 不 是 大 多 数 ， 也 有 很 多 生物 能 根据 它们 的 需 要 而 获得 二 天 内 的 时 间 信 息 ; 而 且 , 这 种 功能 是 先天 的 ,与 外 FHA ICK. PAR 告诉 时 间 ” 的 能 力 在 多 大 范围 内 存 在 呢 ? 它 如 何 工 作 > 有 什么 用 途 ?” 所 有 这 些 问题 都 变 得 迫切 了 。 在 这 一 蔬 我 们 讨论 某 些 近 居 夜 节律 ， 以 及 每 一 种 节律 又 是 如 何 被 发 现 的 。 ¢ 255。 8.2.1 RR (Gonyaulax) ~ Me?) % WERE 9 BE(Gonyaulax polyedia) 3: — PEP: HEB » 见于 很 多 靠近 海岸 的 浮游 生物 中 。 它 们 是 二 些 能 够 进行 光 各 作用 的 单 细胞 生物 。 它 们 有 一 种 很 有 趣 的 性 质 ; 窒 然 摇动 时 能 发 出 蓝 旨 色 的 闪光 。 由 于 出 现 了 光电 倍增 管 及 其 附加 线路 ， 就 有 可 能 测量 这 种 闪光 的 光量 。 很 令 类 意外 的 是 在 明 -上 腾 周 期 的 不 同时 间 内 取 来 的 细胞 发 出 的 闪光 可 有 :100 倍 的 变化 。 在 夜晚 , 观察 到 的 闪光 很 亮 ; 而 在 白天 ;细胞 发 出 的 光 比较 弱 (图 8-1). 如 果 把 培养 的 膝 沟 咯 样 可 移 到 光 强 不 变 并 且 仅仅 够 进行 补偿 呼吸 的 光合 作用 的 环境 中 ;这 种 生物 发 光 NUUUHVUVNUNN AUHUI AHNW 也 Lik hh hha dhhhd hdd hdhdhhdhte 8 [2 16 20 «24 4 8 12 16 20 24 太平 洋 标 准时 间 8-1 多 夏 肤 沟 藻 生 物 发 光 的 近 尽 夜 节律 。 实验 样品 为 同 . 一 次 培养 的 。 一 组 留 在 明 -了 暗 周 期 (X ) 中 : 另 一 组 (9 7) 在 测量 前 60h 移 到 连续 照明 的 冷 白 荧光 下 [580 lx Che) I. 两 种 情况 下 温度 缘 为 22%2。 环 境 变 暗 期 间 在 横 轴 上 表示 为 暗 条 形 。 箭 头 指示 计算 的 生物 发 光 最 大 值 的 时 间 。 注意 : 在 明 - 暗 循环 中 的 一 组 周期 是 24h;， 而 在 连续 光照 中 的 那 一 组 周 期 则 为 21.5h。 sa 256 s 的 亮度 仍 按 约 24 h 的 周期 而 变化 (图 8-1)。 已 经 发 现 这 种 生 物 发 光 节 律 的 确切 的 周期 与 环境 温度 有 关 ， 但 周期 长 短 随 温 度 变 化 并 不 甚大 。 有 趣 的 是 在 较 高 的 温度 下 ;周期 稍 长 。 二 生物 发 光 的 节律 并 非 膝 沟 菠 属 唯一 的 生理 节律 。 如 果 以 C= 碳 酸 氨 盐 对 光合 作用 中 的 固 碳 作用 进行 测量 ， 这 个 过 程 也 随时 间 而 变化 。 固 碳 作 用 最 大 的 时 间 约 在 明 - 暗 周期 的 中 点 :而 且 , 把 细胞 移 至 连续 的 昏暗 光照 下 之 后 ,周期 性 仍 很 明 显 。 光 合作 用 的 这 种 近 尽 夜 节律 也 可 以 通过 测量 细胞 产生 氧 的 能 为 来 衡量 。 膝 沟 藻 细 胞 只 在 黑夜 即将 结束 时 分 裂 ， 这 种 活动 也 不 直接 依赖 于 明 - 瞳 周期 性 地 变化 。 所 有 这 些 节 律 活 动 似乎 都 为 一 种 定时 机 构 , 即 一 种 生物 钟 控 制 。 8.2.2 其 他 生物 的 近 和 昼夜 节律 已 经 发 现 很 多 其 它 生 物 也 有 近 尽 夜 节律 ,， 这 里 无 法 二 一 列举 习 少 数 例 予 就 足以 说 明 有 周期 性 的 过 程 的 多 样 化 了 。 果 蝇 (Dyoropjz12) 由 肾 变 为 成 虫 的 过 程 明 作 “ 羽 化 "， 它 仅仅 发 生 在 接近 拂晓 的 几 小 时 内 。 白 天 眼 虫 营 (Englena) 会 游人 光束 A ,但 在 夜晚 却 不 能 。 一 种 霉菌 脉 孢 菌 (Vewrorporxa) 的 某 些 菌 株 能 形成 孢子 ; 叫 作 分 生 犯 子 , 这 种 过 程 只 能 在 每 天 的 二 个 很 短 的 时 间 内 进行 。 这 种 菌 在 固体 表面 生长 时 ， 那 些 颜 色 发 暗 的 钨 子 每 天 形成 二 个 可 见 带 。 任 何人 ， 只 要 在 一 个 内 装 滚 轮 并 能 发 出 轧 轧 响 的 笼子 里 养 过 一 窝 小 鼠 ， 他 就 会 知道 这 些 动 物 在 夜晚 活动 。 所 有 这 些 过 程 若 处 于 恒定 的 环境 中 ， 在 一 段 时 间 内 仍 继续 是 周期 性 的 ， 且 周期 接近 24h。 一 般 ， 适 于 光 照 环 境 的 过 程 只 发 生 在 白天 ， 而 那些 在 光照 下 没有 用 或 有 害 的 过 程 则 仅 发 生 于 夜晚 。 © 257 8.2.3 人 的 近 昼 夜 节律 大 体 也 是 有 节律 的 。 体 温 、 尿 的 排泄 和 睡眠 等 都 是 大 近 层 夜 节律 的 例子 。 虽 然 人 作 实验 对 象 并 不 方便 ， 但 是 蕊 经 建造 了 环境 恒定 并 且 没 有 时 间 暗 示 的 特殊 房间 ,已 有 志愿 受 试 者 在 这 种 房间 内 生活 了 数 周 甚至 数 月 am。 他们 的 功能 仍然 是 周 期 性 的 ,而 且 一 般 周 期 长 于 24ho。 我 们 人 的 近 尽 夜 节律 对 旦 常生 活 的 影响 有 时 比 我 们 意识 到 的 还 要 大 。 我 们 的 体温 在 下 午 比 一 天 里 其 它 任何 时 间 都 要 高 。 与 此 相应 的 是 此 时 作 乘 法 和 卡片 分 类 工作 更 有 效 m5 在 上 午 的 头 几 小 时 内 我 们 会 感到 疫 痛 更 剧烈 ,焦躁 更 厉害 ,气管 炎症 更 严重 ， 犹 如 刚 开 始 作 体 力 劳动 和 身体 衰弱 下 去 时 的 感 觉 。 虽 然 很 少 有 人 不 用 钟表 而 靠 这 种 能 力 计算 时 间 ， 但 很 多 人 都 注意 到 了 自己 常常 刚好 在 闹钟 铃 响 之 前 醒 来 5 对 动物 的 研究 表明 ,在 一 天 当中 某 二 定时 间 用 药 比 在 其 他 时 间 更 有 效 。 利 用 这 种 差别 可 以 减少 用 药剂 量 ,， 从 而 减 小 有 害 的 副作用 om。 只 要 旅行 的 速度 较 慢 ， 我 们 就 很 难 发 现时 区 s: 而 现在 喷 气 式 飞 机 是 如 此 之 快 ， 致 使 我 们 可 能 在 几 小 时 之 内 体验 到 自 天 和 黑夜 完全 颠倒 。 很 多 人 到 达 一 个 新 的 时 区 时 都 感到 筋 疲 力 尽 。 众 所 周知 的 “ 暑 气 时 滞 ”# 就 是 由 于 体内 外 时 间 矛 盾 的 结 果 。 我 们 对 人 的 各 近 尽 夜 节律 如 何 互 相同 步 并 如 何 与 环境 同 步 的 问题 还 知之 不 多 。 光 能 够 像 影响 其 他 生物 一 样 地 重 调 大 的 节律 吗 ? 如 果 我 们 能 对 这 一 点 了 解 得 多 二 些 ; 就 可 能 计划 我 们 的 旅行 ,以 使 得 各 种 节律 都 能 迅速 地 同步 ;避免 喷气 时 清 的 不 适 之 感 。 * 高 速 飞行 时 引起 的 生理 节律 破坏 。 一 一 译 者 。 258 « 8.3 “环境 明 - 暗 周期 对 近 量 夜 节律 的 调整 6-5.3] 如 果 在 二 非 周 期 性 的 环境 中 测量 近 尽 夜 节律 ， 通 常会 发 现 其 周期 与 24 h 稍 有 差别 。 但 是 在 自然 条 件 或 在 明 - 暗 周 期 为 24h 的 实验 室内 ， 近 层 夜 节律 的 周期 则 恰好 为 24 bo 如 果 不 这 样 ; 有 节律 的 过 程 就 迅速 地 与 环境 失去 同步 ,而 且 不 能 起 到 有 用 的 计时 功能 。 因 此 ,环境 的 明 - 暗 模式 一 定 影响 近 月 夜 节律 ， 或 “调整 ”它们 ,从 而 使 其 与 白天 -黑夜 的 变化 一 至 起 来 。 虽 然 近 尽 夜 节律 的 存在 不 以 周期 性 的 环境 为 条 件 ， 但 它们 对 这 样 一 种 环境 并 非 不 敏感 。 在 对 各 种 近 层 夜 节律 研究 的 相当 早期 的 阶段 就 已 经 清楚 了 : 如 果 在 夜晚 给 生物 照明 ;而 在 白天 使 其 处 于 黑暗 之 中 ,; 那 么 它 的 节律 就 会 重新 调整 ,而 与 新 的 明 - 瞳 周 期 一 致 。 转 变 之 前 在 夜晚 达到 最 高 值 的 那些 过 程 ， 现 在 在 新 的 黑 喀 的 期 间 内 《 即 外 界 的 白天 ) 达到 最 高 值 。 原 来 发 生 在 白天 的 过 程 , 现在 发 生 在 夜晚 。 由 此 可 见 各 种 节律 性 过 程 的 定时 功能 并 非 由 地 球 旋转 而 决定 的 , 不 是 不 可 改变 的 , 而 是 由 生物 感受 到 的 明 - 上 暗 周 期 决定 的 。 把 各 种 有 节律 的 生物 暴露 于 周期 短 于 或 长 于 24 Rh 的 明 = 瞳 环境 中 的 实验 表明 : 假如 这 个 新 周期 与 已 习惯 的 24h 的 自然 周期 差别 不 大 , 那么 在 这 种 条 件 下 , 这 些 节 律 重新 调整 ， 与 新 的 环境 周期 一 致 。 机 体 并 不 能 学 会 新 的 循环 ; :这 二 点 是 很 清楚 的 。 因 为 把 它们 放 回 到 连续 的 条 件 下 ;它们 立刻 恢复 通常 的 近 24 b 的 节 律 ， 甚 至 当 那 种 不 正常 的 循环 已 经 继续 了 数 月 之 后 ; 仍 能 如 Ho 事实 上 已 经 证 明 在 机 体 生 活 的 任何 时 期 , 明 - 暑 周期 对 其 近 尽 夜 节律 的 存在 都 不 是 必要 的 。 肤 沟 藻 即 使 在 连续 的 亮光 ©2596 “a “ ee 四 a! ; or Pe 下 培养 了 多 代 ， 已 经 失去 了 节律 性 ， 但 正如 后 面 我 们 将 要 看 到 的 ,只 要 把 它们 移 至 连续 的 黑暗 中 (好 像 正常 情况 下 夜晚 开 始 一 样 ) ,它们 马上 就 变 为 有 节律 的 了 。 把 在 连续 的 光照 中 养 的 果 蝇 幼虫 移 到 连续 黑暗 中 时 ， 它 们 也 变 为 有 节律 的 了 。 对 棉 蛾 (Peczzzoppoxra goxsjpze11a) 正 在 发 育 的 卵 给 以 短 时 光照 就 能 引起 孵化 过 程 产生 近 屋 夜 节 律 ， 以 后 我 们 还 要 谈 到 这 一 点 。 由 此 可 见 近 层 夜 周期 不 是 学 习 的 结果 ， 而 是 由 编 在 遗传 密码 中 的 信息 决定 的 。 最 近 的 工作 再 次 肯定 了 这 一 点 。 在 绿营 (Chlamydomonas )"), Fx 50 BF Bal PG ACY SE BE SB Fish Hala . 84 近 有 昼夜 节 律 的 相 移 8.4.1 BRR PBR E/E se Mi SE eA Be BY 明 - 陪 周 期 匹配 的 呢 9 使 处 于 连续 黑暗 中 的 生物 接受 一 单个 光 脉 冲 的 实验 对 此 提供 了 一 些 信 息 。 把 人 工 培 养 的 肤 沟 藻 由 明 =- 暗 循 环 的 环境 移 至 连续 的 黑暗 之 中 ， 生 物 发 光 仍 然 继续 3 一 5 天 ， 而 后 才 因 没有 光合 作用 饥 狐 致死 。 如 果 把 这 种 已 移 至 连续 黑暗 中 的 培养 物 的 一 部 分 在 其 发 光 增 加 的 时 候 施 以 强 光 昭 3ho-?x7n， 则 以 后 发 光 的 最 大 值 将 会 比 未 光照 那 部 分 来 得 迟 (图 8-2)。 但 是 ,如 果 在 发 光 最 亮 或 发 光 减 少 的 时 相 内 给 予 光 脉冲 ， 随 后 的 最 大 值 将 比 连 续 黑暗 中 的 对 照 组 来 得 早 〈 图 8- 2)。 如 果 在 发 光 弱 的 白天 里 给 以 光 脉 冲 ， 则 随后 的 生物 发 光 最 大 值 的 出 现时 间 不 受 影响 ， 或 影响 很 小 。 可 以 把 这 些 发 现 归纳 在 一 个 图 内 > 把 以 小 时 表示 的 节律 提前 或 节律 延 后 作为 给 予 光 脉冲 的 时 间 的 函数 画 出 。 这 样 的 曲线 叫 作 时 相反 应 曲 线 。 在 不 同 的 机 体 中 ， 这 种 在 一 个 亮光 脉冲 之 后 发 生 相 移 的 « 260。 时 相反 应 曲线 的 一 般 形 状 惊人 地 相似 (图 8-3)。 所 有 曲线 都 表明 节律 周期 中 一 般 发 生 在 白天 的 那 部 分 受 光 的 影响 很 小 ;而 在 夜晚 则 会 有 大 得 多 的 相 移 。 正 常情 况 下 ,在 周期 的 夜 间 部 分 的 中 点 发 生 由 延 后 变 为 提前 的 突然 变化 ， 这 是 所 有 时 相反 应 曲线 的 特点 。 相 差 很 远 的 生物 PRM), AS 高 凉菜 (Kalanchoe )"*, Reva Be) AKA, EMH 应 很 相似 ,这 一 点 很 难说 是 巧合 。 O 时 间 ( 小 时 ) 图 8-2 多肉 肤 沟 藻 生 物 发 光 节 律 的 相 移 实验 。 最 下 面 的 曲 线 表 示 在 连续 黑暗 中 的 节律 。 其 它 两 条 曲线 表示 细胞 用 冷 白 荧光 (14000 lx) 光 照 6h 的 结果 ; 中 间 曲 线 : 在 发 光 增 加 的 时 候 光 照 ， 时 相 延 后 ; 上 面 的 曲线 : 当 发 光 下 降 时 光照 $ 时 相 提 前 ( 引 自 参考 文献 9， p.567), * 261 引起 相 移 的 光敏 性 在 不 同 机 体内 有 很 大 的 变化 ， 对 肤 海 藻 来 说 比较 暗 的 光 对 果 蝇 可 能 就 是 非常 明亮 的 了 5 8.4.2 虹 旋 调 相 面 和 奇异 点 图 8-3 中 的 那 类 时 相反 应 曲线 ,每 一 条 都 代表 不 同时 间 上 单 次 光照 (通常 光 注 量 都 比较 高 ) 的 效应 。 为 子 表示 改变 光 注 量 和 光照 时 间 对 后 面 的 市 律 时 相 的 影响 ， 需 要 有 三 维 表示 BSAA IE a. 3 小 时 白光 T | i | RR TERE ee 2INATAIG ; ! SN OPK, Rea Tk | RY 15 分 钟 白光 KRESERF 45 oh Lee 洋 紫 苏 属 叶子 运动 | 4 小 时 白光 12 24 12 光 脉 冲 的 时 间 ( 小 时 )》 a 图 8-3 ARAL A eT FE AS IS A Re BY RPE ‘ 意 : 时 相 提 前 为 正人 向 上 ); 时 相 延 后 为 负 。 以 虚线 连接 曲线 的 提前 和 延 后 的 部 分 。 取 光照 的 中 点 为 细胞 接受 光 的 时 间 ( 横 th). FRA RAYE Hastings 和 Sweeney 的 数据 重 画 的 。 高 凉菜 的 数据 引 自 Zimmer51， 果 蝇 的 数据 引 自 Pitten- drighc7。， 脉 钨 菌 的 数据 引 自 Sargent 和 Briggs’, GAIA (Coleus): 引 自 Halaban"'”), 位 相 变 化 (小 时 ) O 〇 法 。 Winfree) 搜集 了 大 量 的 资料 说 明 在 不 同 的 时 间 上 给 以 不 同 注 量 的 光 对 果 晶 羽化 节律 的 影响 。 这 在 技术 上 之 所 以 可 能 是 因为 可 以 自动 地 在 黑暗 情况 下 收集 由 肾 变 来 的 成 虫 。 Winfree 利 用 所 得 的 数据 作 了 一 个 三 维 模型 ,表示 光照 射 剂 量 、 时 间 对 节律 的 影响 实验 中 在 大 多 数 晴 变 为 成 虫 时 施 以 光照 ， 图 中 第 三 个 轴 是 光照 后 的 时 间 。 结 果 表 明 以 这 种 方法 作出 的 立体 图 是 一 个 螺旋 面 , 图 8-# 旭 为 这 个 螺旋 面 的 两 个 侧 视 图 。 这 个 螺旋 的 轴 停 留 在 SS 一 54s MIT = 68h 的 一 个 点 上 。 Winfree 把 这 个 点 叫 作 “奇异 点 >。 黑 暗 开始 以 后 6.8 小 时 这 个 时 间 和 光照 引起 相 移 由 延 后 变 为 提前 的 时 间 相 同 ( 见 图 8-3)。 螺旋 调 相 面 就 绕 着 这 一 点 旋转 向 上 ， 每 24h 一 周 。 沿 一 个 6 值 画 的 所 有 的 线 都 交 于 这 个 轴 的 S 一 50s Sho Winfree 推 Wl: WRER ATER 6.8 h 处 ， 即 在 奇异 点 上 对 一 个 群体 给 以 恰好 S=50s 的 光照 ,群体 中 每 只 果 蝇 可 能 有 任 一 6 值 ， 因 此 这 一 群体 表现 为 无 节律 。 他 的 实验 证 明 节 律 性 确实 由 于 这 样 处 理 而 消失 。 后 来 又 找到 了 高 凉菜 花瓣 运动 的 奇异 点 0 8.4.3 ”对 节律 调整 的 一 种 解释 生物 在 各 种 明 - 瞳 周 期 性 环境 中 的 节律 活动 可 以 通过 它 们 对 单 次 光照 的 反应 来 了 解 s 在 夜晚 光照 有 节律 性 活动 的 生 物 可 以 引起 多 到 12 个 小 时 的 相 移 。 这 就 解释 了 人 为 地 使 白天 同 黑夜 相反 时 节律 活动 的 重新 调整 。 用 生物 在 不 同时 间 对 光 的 敏感 性 不 同 也 可 以 解释 近 层 夜 节律 是 如 何 按 环 境 的 明 - 暗 周期 (包括 一 个 周期 内 明 、 了 暗 长 短 不 同 的 情况 ) 调 整 的 。 用 未 习惯 的 光 在 黑夜 即将 结束 时 照射 有 节律 的 生物 ， 引 起 其 节律 的 提前 .同样 ,在 明 - 暗 变 化 中 ,如 果 暗 的 时 间 短 于 12 个 小 时 ， 则 引起 每 一 周期 的 时 相 提 前 。 这 和 短 周期 类 似 。 在 光照 时 间 长 。 263。 STS EER SS ann ee eee Ee Pera e ean Soe SS ae oe ae A 8-4 以 果 蝇 群体 羽化 节律 的 数据 作出 的 三 维 调 相 面 的 两 个 视图 。 符 号 $ 代表 光 的 剂量 ; 了 代表 光照 时 间 ; 6 代表 光照 后 大 多 数 晴 都 变 为 成 虫 的 时 间 ( 小 时 )e 左 侧 的 小 圆圈 表示 T>7.3h 各 点 的 投影 给 出 的 三 维 的 效果 。 为 了 清楚 起 见 ， 7T 从 第 15h 一 24h 已 删 去 。 右 侧 投影 给 出 在 各 种 8 数值 下 的 数据 : AFH S. 一 0 一 30s ， 小 圆圈 为 3 = 31 一 60 s， 较 大 圆圈 为 S= 61 一 90 s ， 而 最 大 的 圆圈 表示 更 大 的 S 值 。 所 用 的 光 为 蓝 色 ， 强度 约 为 10 pw/cm’? ( 引 自 参考 文献 20)。 F 12h 的 周期 性 环境 中 ;如果 在 节律 的 夜晚 时 相 的 早期 照射 机 体 ，: 就 使 下 一 高 峰 延 后 ， 使 表现 周期 加 长 。 在 屋 长 夜 短 的 节律 变化 的 夜晚 时 相 内 ， 时 光照 和 了 晚 光照 的 共同 作用 各 是 先 使 时 相 延 后 ,而 后 又 使 它 提前 。 如 果 在 几 小 时 之 内 相继 给 予 两 次 光 脉 冲 ， 第 一 个 脉冲 的 效果 表明 基本 的 节律 已 经 迅速 地 被 第 一 个 脉冲 重新 调 过 了 。 然而 不 会 立即 得 到 节律 的 最 后 时 相 ， 这 只 有 经 过 几 个 过 渡 的 周期 之 后 才 可 能 ， 特 别 是 在 多 细胞 生物 情况 下 尤其 如 此 。 这 就 是 说 与 新 的 明 - 暗 周 期 的 同步 不 会 立刻 实现 。 8.5 ”使 近 尽 夜 节律 产生 相 移 的 作用 光谱 光 生 物 学 的 一 个 普遍 的 原理 是 要 想 产 生效 应 ， 光 必须 被 吸收 。 因 此 有 时 可 以 通过 测量 一 种 效应 的 作用 光谱 来 证 实 光 感受 器 分 子 ， 方 法 是 判断 出 它 是 哪 一 种 已 知 分 子 的 吸收 光谱 《参阅 1.5.4 和 3.7)。 找 出 是 哪 一 种 光 受 体 与 节律 的 相 移 有 关 很 有 意义 ， 特 别 是 因为 对 节律 系统 的 生物 化 学 还 了 解 得 很 参 。 是 人 否 所 有 生物 都 利用 同样 的 光 受 体 分 子 移 相 ? 当 一 个 生 物 内 有 一 种 以 上 的 节律 过 程 时 ， 它 们 用 同一 光 受 体 吗 ? 时 相 提前 和 时 相 延 后 是 不 是 都 与 同一 种 光 受 体 有 关 ? 作用 光谱 可 以 对 这 些 问 题 作 出 回答 。 至 今 只 测 出 了 少数 节律 活动 的 较为 详细 的 作用 光谱 。 果 蝇 羽 化 节律 的 时 相 提 前 和 时 相 延 后 仅 由 波长 短 于 500nm 的 蓝光 引起 ,但 是 在 作用 光谱 的 350nm 和 500nm 之 间 却 没有 任何 可 以 说 明光 受 体 本 质 的 峰 ( 图 8-5)。 棉 蛾 旷 卵 、 玖 化 和 产 卵 的 节律 全 由 蓝光 的 明 - 暗 周期 引起 ,而 203 (600nm) 却 不 行 。 膝 沟 藻 的 生物 荧光 节律 时 相 提 前 既 可 以 由 蓝光 引起 ， 也 可 以 由 红 光 引起 (图 8-5)， 其 作用 光谱 在 470 nm 和 650 nm 处 有 很 陡 的 峰 。 但 是 在 这 些 光 谱 区 叶绿素 « 265 « 有 挡 光 的 作用 ,这 可 能 使 光 受 体 的 作用 光谱 搓 走 ;所 以 它 并 未 真正 代表 光 受 体 的 作用 光谱 。 很 显然 叶绿素 并 不 是 这 种 光 受 体 。 红 光 能 够 使 肉质 植物 落地 生根 (Bryo 邑 )75 裔 ) 的 时 子 吸 收 CO, 节律 的 时 相 提 前 ,但 蓝光 却 不 能 29 aT ye ea HK (Coleus) 的 叶子 节律 性 地 移 上 和 移 下 ;在 光 引 起 时 相 提 400 500 波长 (nm) 图 8-5 引起 果 蝇 羽化 节律 和 多 条 膝 沟 菠 生 物 发 光 节 律 相 移 的 作用 光谱 。 虽然 果 蝇 的 时 相 提 前 和 时 相 延 后 的 波长 特异 性 和 间 值 强度 都 一 样 ， 但 它们 与 膝 沟 藻 的 相 移 有 效 波 长 却 显 著 不 同 ， 说 明 这 两 种 生物 有 不 同 的 光 受 体 。 果 蝇 的 作用 光谱 是 根据 Frank 和 Zimmerman 的 资料 重新 画 的 ? 膝 沟 藻 的 作用 光谱 资料 来 自 Hasting 和 Sweeney59。 “266， ‘ies Se ae Fir, ae: ay, eee aH E a el 前 的 作用 中 红 光 有 效 ,而 时 相 延 后 则 只 能 由 蓝光 引起 , 红 光 不 ff. BE (Phaseolus) 的 叶子 也 有 节律 性 运动 ， 用 红 光 照射 可 以 作出 它 的 时 相反 应 曲线 。 以 光照 射 产 生 运动 的 部 位 即 叶子 基部 的 叶 座 时 ,了 既 能 引起 时 相 的 延 后 , 也 能 引起 时 相 的 提前 。 很 显然 ,不同 生物 体内 引起 节律 相 移 的 光 受 体 是 不 同 的 。 蓝 光 能 有 效 地 使 棉 蛾 的 所 有 节律 发 生 相 移 ， 说 明 每 种 生物 的 各 种 节律 相 移 可 能 都 是 由 一 种 光 受 体 负责 的 ;但 这 一 点 还 需要 用 其 它 机 体 实验 肯定 。 至 今 ， 还 没有 证 实 与 这 些 节 律 有 关 的 任何 光 受 体 分 子 s 然而 有 有 力 的 证 据说 明 果 蝇 的 光 受 体 分 子 不 是 类 胡 梦 卜 素 ， 因 为 不 给 它们 吃 胡 葛 卜 素 并 不 能 改变 光敏 感性 CD。 紫外 线 和 可 见 光 都 能 使 膝 沟 藻 的 生物 荧光 节律 和 细胞 分 裂 节律 产生 相 移 ca。 在 夜晚 ， 把 它们 短 时 地 (2 一 4 min) EB 在 紫外 线 辐射 之 下 (254nm，24Jm2) ， 可 足以 使 那些 节律 产生 多 到 9 个 小 时 的 相 移 。 而 在 白天 这 种 照射 只 能 引起 很 小 的 相 移 。 紫 外 线 照 射 后 产生 的 相 移 全 是 时 相 提 前 ， 可 见 其 时 相反 应 曲线 和 可 见 光 的 十 分 不 同 。 原 生动 物 草 履 虫 (Poramcci- um) 9) 的 性 融合 节律 也 能 以 紫外 线 照 射 调整 。 8.6” 光 和 某 些 近 昼 夜 节律 的 启动 如 上 所 述 , 有 些 生物 如 果 饲 养 在 黑暗 中 ,它们 是 没有 节律 性 的 ,但 经 短 时 光照 后 就 开始 了 节律 活动 。 棉 蛾 暑 化 节律 Bk fd Fal bal PR“ timex 的 孢子 分 生 节 律 都 是 如 此 。 两 种 生物 中 引起 节律 活动 的 作用 光谱 都 已 测 过 ，400 一 500nm 的 蓝光 最 为 有 效 ( 图 8-6)。 这 些 作 用 光谱 有 某 些 特点 : 在 大 约 420nm 和 460nm 处 有 些小 的 峰 。 两 种 作用 光谱 在 波长 短 到 350nm 处 仍 有 活性 。 但 是 很 难 鉴 定 峰 值 在 蓝 区 的 作用 光谱 属于 什么 特殊 。267。， 的 色素 ， 因 为 在 光谱 的 这 个 区 域 有 一 些 类 胡 梦 卜 素 和 黄 素 也 有 了 吸收。 最 近 Munoz 等 在 蓝光 区 研究 了 脉 钨 菌 的 完整 细 胞 及 其 提取 物 ， 目 的 是 检查 照明 时 是 否 有 色素 发 生 床 白 。 他 们 观察 到 : b 型 细胞 色素 的 光 还 原 是 通过 一 种 黄色 光 感 受 物 进行 的 ,这 种 光 感 受 物 质 在 460、410 和 360nm 处 有 吸收 并 且 可 以 为 黄 素 腺 味 叭 二 核 苷 酸 代 替 。 由 此 ， 他 们 提出 黄 素 是 节 律 对 蓝光 反应 的 受 光 物 。 启动 棉 蛾 和 脉 钨 菌 节律 的 作用 光谱 和 引起 果 蝇 时 相 变 化 的 作用 光谱 明显 地 相似 。 但 这 可 能 只 是 一 种 偶合 ， 并 不 意味 着 节律 的 启动 和 时 相 的 调整 有 着 共同 的 机 理 。 8.7 ”以 强 光 使 近 恒 夜市 律 停止 已 经 发 现 亮光 能 使 一 些 节 律 停止 ， 这 可 能 是 所 有 近 尽 夜 节律 的 一 个 共同 性 质 。 这 些 节 律 不 仅 在 连续 的 强 光 中 会 入 a So of or 09 a Sa em Qa, 400 480 560 640 BRK (nm) 8-6 ”引起 脉 孢 菌 菌株 “timex> 孢子 分 生 节 律 和 棉 蛾 孵化 节律 活动 的 作用 光谱 。 脉 孢 菌 作用 光谱 是 根据 Sargent 和 Br- iggsc 的 资料 重 画 的 。 棉 蛾 的 是 根据 Bruce 和 Minis py 资料 重 画 的。 显然 * 这 两 种 作用 光谱 很 相似 。 * 268° 正 ; 在 128 光照 期 将 要 结束 的 某 一 时 刻 给 强 光 照明 , 节律 也 会 停止 。 而 当 把 这 些 细胞 由 土 述 强 光 下 再 移 至 黑暗 中 或 弱 光 照 下 时 ,节律 立刻 开始 出 现 ， 好 像 这 个 时 间 代 表 正 党 夜晚 升 始 一 样 。 还 不 了 解 这 种 效应 的 作用 光谱 ， 因 此 也 就 不 能 说 明 这 种 强 连 续 光 效应 的 实质 ， 不 知 它 是 否 只 是 已 观察 到 的 在 主 观 夜晚 开始 时 给 以 光 脉 冲 引起 时 相 延 后 的 一 种 极端 的 情况 。 8.8 ” 光 对 近 昼 夜 节 律 周 期 的 影响 8.8.1 ABA EHeRe : 光 对 近 尽 夜 节律 还 有 另外 一 种 作用 有 待 讨论 ， 这 就 是 在 连续 光照 下 周期 对 强度 的 依赖 关系 。 强 光 能 完全 抑制 节律 (“ 强 ”是 一 个 相对 的 词 , 对 不 同 的 生物 “ 强 ” 的 含义 不 同 )。 因 此 用 来 研究 连续 照明 中 影响 周期 变化 的 强度 范围 很 小 。 尽 管 有 这 种 局 限 ， 还 是 知道 了 一 些 生 物 的 周期 与 光 强 有 一 定 的 关 系 ( 图 8-7)。 有 些 生物 节律 的 周期 在 强 光 中 较 短 ， 另 一 些 生 物 则 恰好 与 此 相反 。 8.8.2 ”自动 分 相 Brown 汪 曾 提出 一 种 见解 ,认为 一 般 观 察 到 的 在 恒定 环境 中 近 层 夜 节律 周期 并 不 恰好 是 24 h 这 一 点 与 不 同 的 光 反 应 有 关 。 这 些 不 同 的 光 反 应 可 以 从 时 相反 应 曲线 (图 8-3) 清 楚 地 看 到 。Brown 相信 ， 近 屋 夜 节律 是 对 一 种 未 知 天 体 因素 的 反应 , 那 种 因素 随地 球 以 24h 为 周期 的 旋转 而 变化 。 如 时 相 反应 曲线 所 示 : 虽然 环境 的 光 强 不 变 ， 但 在 一 个 周期 内 生物 体 对 光 的 敏感 性 却 发 生变 化 。 因 此 表 观 周期 代表 时 相反 应 曲 线 的 积分 。 如 果 这 个 “自动 稳 相 ”假说 成 立 ， 那 么 在 恒定 照明 环境 中 某 一 温度 下 ， 当 时 相反 应 曲线 包含 的 时 相 提 前 多 于 时 © 2696 fe ; - 7 aa 5 相 延 后 时 ， 周 期 就 短 于 24h ;如 果 时 相 提 前 少 于 时 相 延 后 ， 周期 就 长 于 24 bo (HE, RABE 24°C 的 恒定 光照 下 周期 长 于 24 ho TAR 24°C 温度 下 几 种 不 同 REE 的 时 相反 应 曲线 中 时 相 提 前 多 于 时 相 延 后 ， 也 就 是 说 积分 为 正 (《 根 据 作 者 实验 室 的 R. Christianson 未 发 表 的 资料 )5 如 果 发 生 自动 稳 相 ,周期 应 短 于 24 ho。 Alb, 似乎 在 恒定 条 件 下 观察 到 的 周期 是 生物 钟 的 自然 周期 ,而 恰好 为 24h -的 周期 是 通过 相 移 达到 的 。 8.9 并 及 近 昼 夜 钟 的 膜 模型 如 果 我 们 能 在 分 子 水 平 上 解释 光 使 近 尽 夜 节律 停止 和 开 始 ， 以 及 引起 其 时 相 变 化 的 原因 ， 那 是 很 理想 的 。 遗 憾 的 是 01 10 100 1000 10000 光 强 的 对 数 (lx) 8-7 各 种 生物 在 不 同 强度 的 连续 光照 中 ， 近 尽 夜 节律 局 期 的 长 短 。 此 图 解释 了 Aschoff 的 论点 ， 即 当 光 强 增 加 时 尽 行动 物 如 蜥 蝎 (Zacerta) 的 近 恒 夜 节律 周期 缩短 ?而 夜行 动物 Sv Mus), Fe fit (Peromyscus) ith AME. IA 参考 文献 34 中 的 表 115，1164 117), * 270° 现在 还 不 能 做 到 这 一 点 ， 因 为 我 们 无 论 对 生物 钟 光 受 体 还 是 对 生物 钟 的 光化学 都 还 没有 很 好 的 了 解 。 最 近 的 一 个 膜 假说 的 重型 可 能 对 此 提供 一 条 线索 吧 妃 。 按 照 这 个 模型 ;“ 钟 由 反馈 环 组 成 ,此 环 有 两 个 部 分 ,其 一 是 与 细胞 内 膜 结合 的 离子 泵 ， 另 一 个 是 泵 运输 的 离子 的 跨 膜 分 布 。 泵 一 直 工作 到 膜 丙 侧 的 离子 水 平 达 到 一 临界 值 ， 此 时 泵 关闭 。 膜 允许 一 定量 的 离子 沿 浓度 梯度 正 向 扩散 ， 所 以 此 膜 两 侧 的 离子 浓度 将 逐渐 变 得 一 样 。 此 时 泵 又 开始 工作 。 已 经 证 明 ,光照 某 些 细胞 ( 例 如 僵 营 Acetabularia™) 的 原生 质 膜 ,能 改变 它 的 静 息 电位 ,说 明光 引起 了 膜 通 透 性 的 变化 。 而 任何 这 类 的 变化 都 影响 设想 的 生物 钟 反馈 环 的 状态 。 如 果 照 明 出 现在 和 泵 不 工作 的 时 间 内 ， 会 观察 到 时 相 提 前 , 如 果 发 生 在 和 泵 工作 的 时 间 内 35 会 引起 时 相 的 延 后 。 只 有 知道 是 否 存在 这 种 对 离子 分 布 敏感 的 泵 ， 知道 这 是 些 什么 离子 ; 更 多 地 知道 在 各 种 系统 中 光 对 离子 通 透 性 的 影响 ,我们 才能 肯定 地 解释 光 对 近 屋 夜 节律 的 影响 。 8.10 4 语 我 们 已 经 看 到 : 可 见 光 至 少 以 四 种 明显 不 同 的 方式 影响 近 屋 夜 节律 。 环 境 的 明 - 暗 循 环 ， 不 管 是 自然 的 还 是 人 工 的 ， 都 能 引起 这 些 节律 变化 ， 使 其 周期 与 环境 一 致 。 这 是 通过 一 系列 对 光 反 应 的 单个 相 移 达到 的 。 在 不 同 的 时 间 进行 单 次 曝 > 引起 近 县 夜 节律 的 相 移 不 同 。 用 对 各 种 机 体 来 说 比较 亮 的 光照 射 它们 ， 得 到 的 时 相反 应 曲线 形状 一 样 。 尽 管 因 资料 还 不 完全 ,不 能 下 最 后 的 结论 ,但 很 可 能 用 弱 光 照明 的 结果 也 同样 如 此 。 某 些 生物 培养 在 黑暗 中 节律 停止 ， 此 时 光照 能 引 - 起 节律 重新 开始 。 光 也 能 引起 节律 的 停止 ， 起 作用 的 时 间 是 在 白天 即将 结束 的 时 候 。 最 后 ， 光 还 能 影响 恒定 条 件 下 近 硫 * 271° 夜 节律 的 周期 。 很 多 种 近 尽 夜 节律 都 对 蓝光 有 反应 ;但 是 红 光 也 能 使 某 些 节 律 ,特别 是 植物 的 节律 产生 相 移 。 很 明显 ;不 同 生物 中 光 受 体 分 子 并 不 相同 ， 但 至 今 还 没有 证 实 任何 三 种 分 子 类 型 。 果 蝇 的 光 受 体 不 是 胡 葛 卜 素 ” 植物 的 光 受 体 也 不 是 叶绿素 。 至 少 有 两 种 近 层 夜 节律 可 因 紫 处 线 照射 而 发 生 相 移 。 | . 光 对 所 有 近 尽 夜 节律 都 能 产生 强烈 作用 。 我 们 有 理由 相 信 光 受 体 受到 光 的 照射 时 发 生 的 光化学 反应 与 生物 钟 化 学 有 密切 关系 。 和 但 是 ， 至 今 还 没有 把 光 受 体 作 为 研究 细胞 内 近 硫 夜 节律 的 探 针 来 加 以 利用 。 为 了 搞 清 这 一 令 大 费解 的 现象 一 个 最 富 于 成 果 的 途径 可 能 就 是 证 实 光 感 受 分 子 以 及 光照 引 起 的 反应 。 | 了 解 近 昼夜 节律 有 理论 意义 ， 也 有 实际 意义 。 大 脑力 的 锐 敏 程度 和 体温 、 睡 眠 清醒 程度 、 激 素 水 平等 等 一 样 ; 在 一 天 之 内 是 随 着 时 间 而 变化 的 cas 如 果 能 有 效 地 使 大 体 节律 产生 相 移 ， 飞 行 员 就 可 以 在 夜晚 飞行 ， 而 不 必 为 他 们 不 是 处 在 解 决意 外 事件 的 最 好 生理 状态 担忧 。 夜 班 工人 能 增加 生产 ， 而 且 不 感到 疲劳 。 一 个 工人 是 经 党 交替 地 作 夜 班 和 白天 班 好 WE? 还 是 不 变动 好 ? 工作 班次 改变 后 ， 有 什么 办 法 可 以 促进 体内 节律 的 重新 调整 ?y 研究 不 同 的 光照 方式 对 人 体 近 昼夜 节 律 的 影响 ,就 可 以 找到 这 些 及 其 它 类 似 问题 的 答案 s 越 来 越 多 的 证 据说 明 对 各 类 药物 的 敏感 性 是 按 近 屋 夜 节 律 而 变化 的 。 在 一 天 当中 的 某 一 时 间 用 药 ， 比 其 它 时 间 用 小 得 多 的 剂量 就 能 生效 ， 这 一 点 对 包括 农业 害虫 在 内 的 动物 和 植物 也 适用 。 在 最 适宜 的 时 间 喷 撒 农 药 ， 需 要 的 剂量 最 小 s 这 样 ,就 可 以 减少 杀 虫 剂 . 除 草 剂 对 环境 的 污染 。 我 们 的 近 尽 夜 节律 知识 在 诸如 此 类 问题 上 的 应 用 才刚 刚 开 始 ， 它 们 可 能 导致 人 类 生活 的 某 些 惊人 的 意 想不到 的 改善 。 es ITID 。 8.11 & 难 荣 豆 (Phaseolus vulgaris) 时 子 的 “睡眠 运动 ” (1) 用 第 一 二 个 叶子 已 经 展开 的 菜豆 幼苗 (2 一 3 周 )。 由 于 测量 近 和 昼夜 节律 需要 不 止 数 小 时 的 时 间 ， 因 此 需要 把 植物 带 回 家 , 放 在 窗子 上 不 动 ,或 某 一 有 利于 接受 尽量 多 光照 的 地 方 。 花 盆 干 燥 时 要 随时 由 水 。 如 果 光 照 只 从 一 个 方向 来 ， 每 天 要 把 花 盆 转 一 次 ， 以 防止 趋 光 弯 曲 。 尽 可 能 经 常 地 测量 两 个 原 叶 的 位 置 , 至 少 在 起 床 后 ,中午 和 睡觉 以 前 各 测 一 次 , 共 测 两 天 ,用 一 个 量 角 器 或 其 它 装 置 按 下 图 所 示 测 量 角 度 。 (2) 在 如 上 述 的 两 天 后 的 晚上 ， 把 植物 放 在 连续 的 黑暗 中 或 人 工 光 照 下 2 日 ,并 继续 测量 。 “ 《3) 在 连续 光照 中 试 将 你 的 实验 植物 暴露 于 声 或 其 它 变 _ 化 的 环境 中 。 记 录 并 将 测量 的 结果 作为 时 间 ( 以 小 时 为 单位 ) 的 函数 画图 .对 你 的 发 现 写 一 份 简 短 的 报告 (参阅 文献 8, 1 一 | 12 Td, 19 一 21 页 , 文献 9,， 507 一 530 页 )。 (Jas F th WR) ©2736 第 9 章 ， 网 膜 外 的 光 感 受 Michael Menaker 《得 克 萨 斯 大 学 动物 系 7 9.1 序言 9 274 9.2 无 脊椎 动物 中 的 网 膜 外 光 感 受 onvseseeceeeceneneee .277 9.3， 关 椎 动物 中 的 网 膜 外 光 感 受 .ee 278 9.4 ， 榴 省 的 网 膜 外 光 感 受 neoeeeesoeeeeeeeossseses Rag ET 279 9.4.1 光 对 近 层 夜 钟 的 影响 :调整 .ee 279 9.4.2 光 对 近 恒 夜 钟 的 影响 :_ Aschoff 规律 282 9.4.3 ” 光 对 近 昼 夜 钟 的 影响 : 连续 强 光 使 钟 停止 …282 9.4.4 ， 光 对 生殖 系统 的 影响 ， 光 周期 性 .….…。……… 285 9.4.5 - 对 光 的 其 他 可 能 的 反应 pe 288 9.5 结论 2 289 o1 Fe. 我 们 平时 总 把 光 对 生物 的 作用 与 视觉 感受 环境 图 象 联系 起 来 。 但 是 光 还 起 着 很 多 其 他 作用 。 因 此 把 如 下 的 情 次 加 以 区 别 是 有 益 的 : @ 光 对 生物 的 重要 性 主要 在 于 它 的 能 量 ; 四 光 是 作为 一 种 信号 、 刺 激 或 ”触发 物 而 起 作用 的 ,从 生物 学 观 点 ,能 量 的 考虑 是 第 二 位 的 。 当然 ,第 一 种 情况 的 最 明显 不 过 的 例子 就 是 光合 作用 (第 13 章 ) ,在 光合 作用 中 生物 特别 “寻求 .的 是 光 能 ;确实 ?进行 光 合作 用 的 “机 器 得 到 了 巧妙 的 进化 ， 能 用 最 高 的 效率 扑 获 和 ,274 。 利用 光 能 s 如 果 带 着 先 验 论 的 观点 ,我 们 可 能 会 认为 植物 用 来 不 获 太 阳光 能 的 叶绿素 分 子 也 可 用 于 感受 日 出 和 日 落 。 正 如 我 们 将 要 说 明 的 ,这 种 假设 虽然 似乎 有 道理 ,但 却 是 不 对 的 。 我 们 最 就 悉 的 光 的 信号 功能 就 是 形状 视觉 。 在 这 种 活动 中 牵涉 到 的 光 能 的 量 是 比较 不 重要 的 。 大 多 数 眼 睛 没有 进化 到 使 它们 吸收 最 大 量 的 光 ; 事 实 上 在 大 多 数 视觉 情况 下 ,眼睛 的 结构 起 着 控制 并 往往 是 减少 到 达 色 素 分 子 的 能 量 的 作用。 对 视觉 过 程 来 说 空间、 时 间 模 式 的 建立 ,强度 的 微小 变化 , 波 长 的 差异 等 要 比 刺 激光 能 量 的 大 幅度 变化 重要 得 多 。 对 光 在 其 中 起 信号 、 刺 激 或 触发 作用 的 一 些 其 他 过 程 来 说 ,上 述 那 一 点 则 不 十 分 明显 。 这些 过 程 包括 光 形态 建成 (第 11 章 ), 光 运 3) 8 12 章 ), 近 昼夜 节律 (第 8 UREA AWC FX)» 由 光 色 素 吸 收 光量 子 的 事实 可 以 清楚 地 看 出 这 些 过 程 也 涉及 光 感 受 。 光 感 受 的 特点 在 于 它 引 发 的 生物 活动 需要 加 工 处 理 的 能 量 大 大 超过 光 刺 激 本 身 所 包含 的 能 量 。 因 此 ， 当 发 现 一 只 老 虎 正在 偷偷 向 你 远近 时 ， 你 逃脱 所 需要 的 焦耳 数 将 比 把 老虎 的 影像 传 到 你 的 视网膜 上 所 需 的 焦耳 数 大 得 无 法 比拟 ， 而 不 管事 情 是 在 月 光 还 是 正 车 阳光 的 照明 下 发 生 。 植 物 朝 向 太阳 方向 弯曲 或 者 在 长 的 白 县 开花 都 是 在 处 理 着 数量 上 大 大 超过 触发 这 些 运动 的 光 刺 激 的 能 量 , 这 一 点 虽然 不 太 明 显 ;但 同样 也 是 事实 。 而 在 另 一 方面 ,光合 作用 中 被 固定 的 碳 量 、 紫 外 线 杀 死 的 细胞 数 ， 以 及 至 少 在 一 定 程度 上 人 皮肤 被 晒 黑 的 程度 都 更 直接 地 依赖 于 产生 这 些 效应 的 光量 子 数 。 光 感受 是 通过 光 感 受 器 里 光 色素 进行 的 ， 光 感受 器 是 比较 复杂 的 ， 它 们 形 成 二 个 天 的 系统 以 放大 对 光 的 生物 反应 8 :把 止 面 两 种 情况 区 分 开 来 以 后 就 很 明显 了 : 一 个 机 体 可 能 具有 很 多 光 色 素 ; 有 些 在 光 感 受 器 内 起 作用 ,而 另 一 些 主要 © 275。 SO a. e 与 能 量 传递 有 关 。 因 此 认为 绿色 粳 物 一 定 利用 其 叶绿素 分 子 感受 日 出 是 没有 道理 的 , 正如 在 8.5 内 所 说 的 ;实际 也 并 非 奶 此 。 和 大 多 数 生 物 一 样 ， 绿 色 植 物 的 近 县 夜 节律 是 直 自 然 光 周期 调整 (同步 ) 的 ,在 这 过 程 中 所 用 的 对 光 起 到 应 的 光 色 素 ， 虽然 还 没有 证 实 ， 但 很 明显 并 不 是 叶绿素 。 甚 至 引起 光 谷 成 能 力 的 节律 变化 的 光 色素 也 不 是 叶绿素 。 生物 中 的 一 条 规律 就 是 有 多 种 色素 ， 并 有 能 对 光 作 出 反 应 的 多 种 光 感 受 器 。 从 上 面 的 讨论 来 看 这 一 点 并 不 奇 径 ,但 是 由 于 我 们 主观 光 感 的 经 验 与 眼 有 极 大 的 关系 ， 当 知道 生 有 成 像 眼 睛 的 高 度 进 化 了 的 生物 还 有 一 些 不 甚 明显 的 光 感受 器 用 来 监视 光环 境 中 某 些 重要 方面 的 时 候 ; 会 感到 奇怪 。 导 致 上 面 结论 的 基本 观察 是 即使 以 外 科 手 术 将 动物 的 眼睛 摘除 或 将 其 视 东 破坏 ;它们 仍 能 以 各 种 方式 对 光谱 的 可 见 部 分 反应 5 为 了 抵 销 我 们 对 图 像 视觉 的 过 份 强调 ， 我 们 考虑 这 样 三 些 环 境 信息 ， 即 仅 有 简单 的 光 感 受 器 而 不 能 形成 像 的 生物 可 以 利 用 的 信息 。 对 白天 和 夜晚 的 区 别 使 生物 钟 系统 得 到 调整 ,而 且 保证 了 对 多 种 生理 和 行为 活动 的 适应 性 调节 35 每 二 年 中 白 朋 长 短 的 有 规律 的 变化 可 以 明白 无 误 地 作为 季节 的 信号 ;控制 每 年 的 生殖 周期 .迁徙 、 清 育 和 各 种 生物 的 其 他 重要 生理 反应 (这 种 现象 叫 作 光 周期 性 )。 照 射 到 生物 上 的 光 强 能 提供 关于 有 无 阴云 的 暗示 , 即 生物 是 处 于 明亮 的 阳光 下 还 是 阴影 中 ; 世 能 提供 一 天 内 时 间 的 暗示 。 而 且 如 果 可 以 感受 到 月 光 交 甚至 提供 月 亮 周 期 的 位 相信 息 。 简 单 的 感受 器 也 能 检测 照射 到 它 们 的 光 的 组 成 ， 并 能 大 致 检测 光 射 来 的 方向 。 感受 器 的 结构 稍 复杂 一 些 就 可 大 大 增加 上 述 的 后 一 种 能 力 。 虽然 已 知 植物 和 各 种 简单 动物 利用 极其 简单 的 感光 结构 从 其 光环 境 中 提取 多 种 信息 ， 最 近 发 现 有 成 像 眼 的 着 椎 动物 和 复杂 的 无 脊 椎 动物 也 有 网 膜 外 光 感 受 器 一 事 甚至 使 大 多 数 * 2766 光 生 物 学 家 都 感到 人 惊 奇 。 毕 沉 ， 即 使 生物 不 需要 有 了 眼 来 作出 这 禹 反应 ,二 是 眼 由 于 感受 像 的 选择 压力 而 在 进化 中 形成 , 它 似乎 也 应 该 能 够 很 好 地 执行 这 些 任务 。 9.2 无 脊椎 动物 中 的 网 膜 外 光 感 受 多 种 无 脊椎 动物 利用 网 膜 外 光 感 受 这 一 点 已 经 得 到 实验 证 明 。 上 用 个 例子 就 已 足够 说 明 以 这 种 方式 控制 的 活动 的 多 样 性 。 由 于 天 短 蛾 体 大 ,在 它们 身上 作 手 术 比较 简单 ,很久 以 来 它们 就 是 昆 吕 学 家 的 实验 对 象 。 在 了 解 发 育 过 程 例 如 滞 育 的 诱发 和 结束 等 的 激素 基础 方面 已 取得 很 大 进展 。 滞 育 是 由 环 ， 境 的 光 周 期 调节 的 ( 滞 育 是 一 种 代谢 活动 大 大 降低 的 状态 , 昆 HES) 已 知 与 滞 育 及 其 相关 过 程 的 控制 有 关 的 激素 有 几 种 产 于 和 (或 者 ) 储存 在 脑 和 其 他 中 枢 神经 系统 的 结构 中 。 产 生 这 些 反 应 的 光 感 受 器 也 位 于 脑 内 。 Williams 和 Adk- isson™ 以 精巧 的 实验 首先 证 明 滞 育 的 短 蛾 肾 的 头 端 有 光 感 受 器 ， 短 蛾 晴 就 用 这 些 感受 器 感受 长 的 白天 以 触发 成 虫 的 发 育 (HSER). 后 来 他 们 把 长 在 头 内 正常 位 置 的 脑 移植 到 腹 部 未 端 一 个 新 的 位 置 ， 证 明光 敏感 性 便 从 蚕 蛾 肾 的 前 半 部 迁 移 到 后 半 部 去 了 。 Truman 和 Riddiford 在 类 似 的 实验 中 证 明 所 有 蛾 脑 内 都 有 光 感 受 器 以 使 羽化 〈 由 晴 变 成 虫 ) Ae 夜 节律 与 明 - 暗 周期 以 及 对 这 些 过 程 起 定时 作用 的 生物 钟 同 步 s 在 控制 昆虫 的 光 周 期 性 和 近 尽 夜 节律 的 网 膜 外 光 感 受 方 面 有 广泛 的 文献 报道 。 由 于 在 各 种 各 样 的 昆虫 中 都 有 很 多 这 种 现象 的 例子 ， 因 此 在 文献 中 有 几 个 证 据 确 汕 的 说 明光 感受 仅 涉及 到 使 用 复眼 积 单眼 的 例子 (例如 暗 螂 和 暑 贬 ) 就 特别 令 。277。 人 感 兴 趣 。 一 些 时 间 以 前 ， 以 电 生 理 技术 研究 果 晨 腹 神 经 索 的 科学 家 发 现 ， 光 照 第 六 腹 神 经 节 可 以 引起 神经 索 纤 维 电话 动 的 变 化 ,但 光照 其 它 任何 神经 节 都 无 效 。 进 一 步 的 工作 证 明 第 六 腹 神经 节 内 有 一 对 感受 光 的 神经 元 。 这 些 光 感受 器 的 作用 光 谱 说 明 有 关 的 色素 是 一 种 视 紫 红 质 ， 与 师 是 眼中 光 感 受 色 素 非常 相似 外。 - 眼 不 再 起 作用 的 穴居 师 时 仍然 保留 这 些 所 谓 的 尾 端 光 感受 器 。 它 们 的 功能 还 不 清楚 。 尽 管 有 理由 相信 它们 对 运动 行为 可 能 有 某 些 影响 ， 但 显然 它们 与 近 有 昼夜 节律 的 产 生 无 关 。 此 外 ， 师 是 还 有 其 它 确切 位 置 不 详 的 网 膜 外 光 感 受 器 (可 能 在 咽 上 神经 节 内 )， 它 们 与 运动 近 恒 夜 节 律 的 调整 有 “Ko Page 和 Larimer 包 也 研究 了 师 蚌 眼 视网膜 电 图 (ERG ) 的 近 层 夜 节律 。 他 们 发 现 ， 即 使 像 这 样 一 种 网 膜 成 分 本 身 对 光敏 感 的 节律 也 可 以 通过 可 能 位 于 脑 内 的 网 膜 外 光 感 受 器 而 被 同步 。- N 93， 养 椎 动物 中 的 网 膜 外 光 感 受 证 明 某 些 鸟 类 和 鱼 有 网 膜 外 光 感 受 已 经 有 50 SET LR 而 只 是 近年 来 这 种 现象 的 广泛 性 、 复 杂 性 和 重要 性 才 变 得 明 显 起 来 。 在 状 椎 动物 的 五 个 纲 中 ， 至 少 已 知 某 些 种 动物 根据 网 膜 外 感受 的 光 来 调节 自己 的 重要 生理 功能 及 行为 中 对 鱼 类 和 哺乳 类 知道 的 很 少 (因为 对 前 者 的 工作 很 少 , 而 后 者 的 网 膜 外 光 感 受 似 乎 只 限于 新 生 的 动物 @@)。 这 一 点 即使 不 考虑 松 果 腺 的 光 感 受 也 是 如 此 。 关 于 松 果 腺 的 光 感 受 ， 这 里 只 能 提 一 名 。 所 有 变温 养 椎 动物 (冷血 动物 ) 的 松 果 体 和 有 关 的 结构 (如 果 有 ) 例 如 顶 眼 和 额 器 可 能 都 能 感光 。 在 某 些 鱼 类 ， 两 栖 «2786 类 和 岭 行 类 中 这 一 点 有 可 靠 的 电 生理 证 据 。 松 果 丛 的 感光 结 构 有 及 简单 而 分 散 的 外 段 样 的 细胞 器 ， 到 高 度 有 序 的 看 来 像 ， 简单 视网膜 一 样 的 光 感受 器 阵列 ， 它 像 侧 生 眼 的 视网膜 一 样 配 有 透镜 并 且 通 过 神经 束 与 脑 连接 起 来 只。 我 们 还 不 知道 久 类 松 果 体 是 否 能 感受 光 ; 但 能 相当 肯定 大 多 数 成 年 哺乳 动物 的 松 果 体 没有 这 种 功能 。 BAIN BEARER Passer domcsticws) 网 膜 外 光 感受 了 解 得 比 任何 其 它 着 椎 动物 都 多 。 为 了 说 明 这 种 感觉 能 力 的 复 杂 性 ， 本 章 的 其 余部 分 全 部 用 来 详细 叙述 这 种 动物 中 的 有 关 现象 。 为 了 比较 ;有 时 也 引用 其 他 种 动物 的 资料 。 9.4 ” 檐 和 驮 的 网 膜 外 光 感 受 9.4.1 光 对 近 昼 夜 钟 的 影响 : 调整 树 栖 乌 如 燕 竹 的 近 昼 夜 运动 节律 很 容易 检验 ， 方 法 是 连 续 记 录 当 乌 在 栖 木 上 跳跃 时 造成 的 电 键 闭 合 。 以 这 种 方法 可 以 记录 几 周 或 几 个 月 时 间 内 鸟 活动 的 时 间 分 布 ( 图 9.1)。 当 有 光 周 期 存在 时 JER RRP SEAN EK, SKAEILE 同一 时 间 开 始 活 动 〈《 如 果 明 - 暗 周期 恰好 是 24h)， 据 说 它们 由 光 周 期 调整 (或 与 其 同步 欠 苑 第 8 章 )。 把 鸟 放 在 持续 黑暗 中 ， 它 仍然 明显 地 保持 运动 节律 , 但 因为 不 再 有 环境 的 暗示 ， 这 种 节律 “自行 存在 ”， 其 周期 接近 24 h。 实际 上 大 多 数 檐 省 类 都 有 长 于 24h 的 自行 存在 的 周期 ,每 天 开始 活动 的 时 间 逐渐 变 晚 。 被 同步 的 和 有 自行 存在 的 运动 节律 之 间 的 差别 在 木 栖 实 验 的 原始 数据 中 看 得 很 清楚 (图 9-2)。 因为 鸟 的 活动 只 能 与 它 可 以 感受 到 的 光 同 步 ， 因 此 这 种 节律 的 调整 是 对 光 感 受 的 明 白 无 误 而 又 容易 记录 的 检验 。 BU GEO EAU ERIS AA ees BRL a, “Eek Se a 2279 = 1B ee Ae SD 2B FA § ste BBL) EE GH Ak BY BRE ZB REY ORR AGRE ch A) — Sig EE i K PIS AHS CGMS WHS EOS OT BEN Cmopy 64) LE 8T PALS “GERMS 02 BY) — BOS EY — Eh SA RY Se CR OY DLS 1-6 Bi ee - 半幅 oS rey - - > a Civ) = ss sh ee a? 二: = 7 ——————— EPE eed at Lo ‘ aia te * 280 <— IKKE 生 光 周期 性 。 而 且 很 多 谨慎 的 有 对 照 的 实验 证 明 它们 是 对 可 克 光 而 不 是 对 其 他 周期 性 的 特征 如 热 \ 噪 声 或 电场 等 起 反应 。 引起 同步 的 强度 阔 值 惊人 地 低 : 有 50% HREM 12h 黑 RS, 12h 强度 为 0.11x 的 照明 交替 变化 同步 《这 种 照明 相当 于 满月 的 亮度 )o 可 以 认为 这 个 照明 水 平 就 是 通过 网 膜 外 方式 调整 节律 活动 的 粗略 的 阔 值 m。 眼睛 完好 的 榴 尖 能 够 与 光照 强度 航 低 的 明 - 暗 周期 同步 ,说 明 眼 睛 和 网 膜 外 感受 器 都 有 输 再 送 到 调整 机 构 中 去 。 而 且 , 它 们 是 近似 可 加 的 (图 9-3)。 通 TS le 小 时 24, = 9-2 PEATHFENNABHLERSHHe. 记录 的 前 14 天 乌 处 于 连续 黑暗 中 ;其 节律 自行 存在， 周期 大 约 为 25 hb。 从 第 15 KAR SUS 天 的 明 - 暗 周期 中 (表示 在 图 的 土 部 ， LD 12: 12 ,每 一 周期 中 光照 部 分 的 强度 为 0.11x);? 在 这 种 情况 下 节律 与 光 周 期 同步 。 虽 然 实 验 前 已 把 这 只 乌 的 双眼 摘除 了 ， 但 是 它 的 记录 和 正常 鸟 的 记录 没有 区 别 〈 引 目 参 考 文献 ?)。 * 281 ° 过 拔 去 头顶 的 羽毛 以 增加 到 达 脑 的 光 强 ， 或 在 头皮 平和 注射 不 透明 的 物质 (例如 印第安 墨汁 ) 以 减少 到 达 脑 的 光 强 的 方法 已 证 明 网 膜 外 感受 器 位 于 脑 内 ”os 几 位 作者 曾 试图 精确 地 定位 。 但 是 肯定 的 资料 还 有 待 于 建立 一 种 更 为 精巧 的 技术 来 解决 s 9.4.2 CMSA: Aschoff 规律 在 第 8 章 已 经 讨论 过 光 对 近 有 昼夜 节律 的 几 种 不 同 的 影 响 。 除 了 周期 性 的 变化 [ 明 -上 暗 (LD)] 的 光 可 以 引起 近 尽 夜 节 律 调 整 以 外 , 当 它 以 连续 的 形式 [ 明 - 明 (LL)] 存在 时 还 可 以 影响 自行 存在 的 近 尽 夜 节律 的 周期 。 连 续 光 照 的 强度 增加 ; 它 照 射 下 的 屋 行 生 物 的 自行 存在 周期 缩短 ， 而 夜行 生物 的 周 期 则 加 长 。 这 个 经 验 的 概括 及 其 他 与 此 有 关 的 规律 统称 Asc- hoff 规律 (以 -Jrgen Aschoff 博士 名 字 命 名 , 因为 这 个 领域 内 的 大 部 分 工作 都 与 他 有 关 )s 虽然 也 有 例外 ;但 这 个 规律 得 到 来 自 各 种 十 分 不 同 的 生物 的 资料 支持 。 Wee Aschoff 规律 ,并 且 在 它 频 了 之 后 仍然 如 此 。 像 网 莘 外 引起 调整 的 情况 一 样 ， 有 关 的 感受 器 也 存 于 脑 内 5 在 完整 的 岛 中， 它们 和 成 像 眼 共 同 起 作用 s 眼睛 和 脑 内 光 感 受 器 都 完整 的 鸟 类 与 摘除 了 眼睛 的 或 将 脑 屏蔽 起 来 的 鸟 比较 ， 前 者 的 自行 存在 周期 随 LL 光 强 改变 而 有 更 大 的 变化 (图 9- 4)。 因 此 檐 汰 网 膜 外 脑 的 光 感 受 器 足 能 调整 节律 并 表现 出 Aschoff 规律 。 但 在 自然 条 件 下 它们 可 能 和 眼 ( 昌 无 直接 证 据 ， 有 可 能 是 网 膜 光 感 受 器 ) 共同 对 光 反 应 s。 RMR LL 还 有 另外 一 种 普遍 的 反应 ;而 且 对 这 种 反应 来 说 ; 至 少 在 榴 涯 身上 ,只 有 脑 内 的 光 感 受 器 是 不 够 的 。 9.4.3 光 对 近 昼 夜 钟 的 影响 : 连续 强 光 使 钟 停止 在 很 多 生物 中 如 果 连 续 光 照 强度 超过 某 一 国 值 ， 生 物 钟 * 282° 小 时 "Col YW ae SAIE) 47 BI IES 2 LE HRA ‘wMet MOM K-SKHLARSYRHMYH OS OC BHP A PR IAM Ca MRICS EY By SiG) 49] °PAIGWHY Cao) MMR ACAI VRIES «°C €0°0~ S21 271 GT) RUG ANCA HC OR CTL GH Cf SE ar heh EEE BE 1) GH a Gh fe Sat Ey SIX LC Eg -6 rae as aR 4H 周期 B 光 的 AAR < = «0,55 | as。 2836 就 停止 。 这 种 阔 值 随 种 属 不 同 而 有 很 大 的 变化 。Binkleyc2 证 明 榴 汰 也 是 如 此 。 人 们 可 能 会 认为 这 种 作用 只 简单 地 是 低 强 BE LL 对 自 存 周期 作用 的 延伸 , (BS EEE a. Be 感受 器 机 制 不 同 。 虽 然 引 起 桥 雀 非 节 律 性 运动 (是 钟 已 经 停 目的 指示 ) 的 恒定 光 强 在 10 一 100 lx 之 间 3; 和 但 失明 的 檐 省 即使 在 强度 高 到 20000 ly 的 恒定 光照 下 也 不 丧失 节律 性 。 根 据 这 些 实验 来 看 ， 脑 的 光 感 受 器 不 足以 调整 檐 汰 的 生物 钟 。 考 虑 到 5 起 同步 的 实验 结果 ， 即 脑 的 光 感 受 器 对 大 药 50.11x 的 光 强 都 是 敏感 的 ， 这 就 是 说 强度 为 20000 lx 的 光照 已 高 于 阔 值 2X10? 倍 。 很 明显 ,在 光 对 近 昼 夜 节律 这 种 特殊 影响 方面 , 眼 是 必要 的 。 9-4 二 改变 到 达 脑 的 光 强 对 榴 汰 自 存 运动 节律 周期 的 影响 。 实验 动物 眼 完 好 ， 并 处 在 连续 不 变 的 光照 (0.11x) 中 5 周期 起 初 稍 长 于 “Ph。 拔 去 头 上 的 羽毛 3 -周期 变 短 ， 而 随后 在 头皮 下 注射 碳 黑 (C.B) 则 起 相反 的 作用 《3 引 让 参 考 文献 世 坊 。284 。 二 东 面 的 事实 可 以 进一步 说 明 这 个 问题 的 复杂 性 。 在 完整 的 灼 傣 身上 ,虽然 脑 的 光 感 受 器 未 身 并 不 足以 实现 对 强 便 定 光 的 反应 ， 但 它们 参与 这 种 反应 8。 如 果 以 强度 稍 高 于 阔 值 (~10] 坟 揭 醒 定 光 引 起 完整 榴 汰 失去 节律 ,那么 还 可 以 简单 地 通过 遮蔽 其 脑 的 光 感 受 器 ， 而 不 必 改 变 照 明光 强 使 这 种 节 律 活动 恢复 Ps | 在 实现 光 对 近 有 昼夜 节律 的 影响 方面 ， 眼 和 脑 的 光 感 受 器 之 间 不 同形 式 的 互相 作用 的 生物 学 含义 还 不 清楚 。 但 是 ,上 面 简单 叙述 过 的 实验 结果 突出 了 一 种 动物 的 一 个 系统 对 环境 光照 反应 在 光 感 受 器 水 平 上 的 复杂 性 。 尽 管 论 及 这 一 现象 的 比较 复杂 的 方面 已 超出 本 章 的 范围 ， 但 值得 说 明 的 是 已 经 在 几 种 蜥 蝎 上 作 过 关于 光 对 近 尽 夜 节律 影响 的 类 似 分 析 。 一 般 来 说 ， 蜥 蝎 实 验 的 结果 和 鸟 的 相似 。 但 是 在 几 点 细节 上 二 者 之 间 十 分 不 同 特别 是 在 眼 和 脑 的 光 感 受 器 互相 作用 方面 ,其 至 一 种 蜥 蝎 与 另 一 种 蜥 蝎 之 间 也 有 相当 的 差别 。 9.4.4 ， 光 对 生殖 系统 的 影响 ， 光 周期 性 很 多 动 植物 ,特别 是 大 多 数 温 带 鸟 类 ,利用 每 年 白天 长 短 周期 性 变化 的 信息 以 使 其 生殖 周期 与 适宜 的 季节 一 致 (图 9- 5)。 这 样 的 反应 既 涉及 到 感受 也 涉及 到 “测量 ”白天 的 长 度 ， 总 称 光 周期 性 反应 。 对 光 周 期 性 反应 可 能 提出 的 最 简单 的 问 题 就 是 机 体 用 什么 光 感 受 器 感受 光 周 期 的 ? Jacques Benoit 在 1935 年 特别 针对 鸭 的 尘 丸 反应 提出 这 个 问题 时 , 他 得 到 的 回 答 震 惊 了 科学 界 。 这 个 回答 大 大 出 人 意外 ,以 至 于 直到 二 、 三 十 年 之 后 才 为 人 们 完全 接受 。 现 在 来 看 ， 你 就 不 会 对 此 感到 惊奇 ， 回 答 是 鸭 至 少 部 分 地 用 它们 位 于 脑 内 的 网 膜 外 光 感 受 器 来 监测 环境 的 光 周 期 变化 和 调节 它们 自己 的 生殖 生理 。 自 Benoit 的 开创 性 工作 以 来 ， 通 过 脑 光 感 受 器 进行 的 对 «285 6 光 周 期 的 光 感 受 至 少 已 经 在 四 种 互相 间 没 有 密切 关系 的 鸟 类 中 得 到 了 直接 证 明 ， 这 类 光 感 受 如 果 不 是 在 全 部 有 光 周 期 性 的 鸟 类 中 也 是 在 大 多 数 这 样 的 岛 中 存在 。 对 檐 涯 光 感 受 的 周期 性 ， 特 别 是 眼睛 所 起 的 作用 进行 过 广泛 的 研究 。 很 容易 证 明 檐 汰 利用 脑 的 光 感 受 器 感受 白 量 的 1000 一 o SIL (mg) S$. 6 oe 50 beats a. . . iis [ - ain Cc ‘ x Ba of | we ee e 7. Se ms sree anna > 4 2 48 TORS SY 8 32 SOC AR TR i 一 n+ ‘ . : dee Als CURA eee ate Eco Mk AY A es aa ‘ ‘yl ; ) tes Ei £3. a SCL TALL ’ 可 | ves a ma =) Ce mis ne * or. - iy Fi tN ie 3] 生生 上 Nts : - y 4 e tf t mot x he - ‘ i TE 2h CURR AaREI g tea 人 + 3 i > * - ? , LS ’ : f é iy «- rf e 7 J # 7 ¢ : Se Sy eee ee. 1h coy PY L ~ ) 9 * . a 第 10 章 视 党 Edward A. Dratz (加 里 福 尼 亚 大 学 自然 科学 部 化 学 研究 委员 会 ) 10.1 FR 言 ov。9o 7 人 4 101.1) 视觉 的 重要 短信 有 计 292 10.1.2 视觉 系统 的 种 系 发 生 oooooesoesosieoosooseooi 293 10.1.3 Ais MIR AWMDAEDL 制 概述 ……: 294 10.2 PSP IF PAIGE HY ppp 297 10.2.1 FACE BABU SINT BEE eee 297 10.2.2 用 电子 显微镜 观察 到 的 光 感 受 器 超 微 结构 shindddiine gk Wen dacewideanks ISende od ceacnreussmankewens 301 10.2.3 用 化 学 和 和 射线 衍射 方法 观察 到 的 分 子 结构 人 303 10.3 色素 光谱 和 生 色 团 seooeeeeooososooesooososeoooosseoosieo。 309 10.3.1 HE fa FA i RE denbosdeee oo 309 和 312 10.3.3 视 色素 光谱 的 波长 调节 问题 we eee eee eres eee 316 10.3.4 生 色 团 类 似 物 pp 318 10.3 .5 光化学 Cann PROR REED OS ROAM EAD e460 基本 和 7 到 全 全 他 相克 319 10.4 光 刺 激 的 可 测 反 应 pp 319 10.4.1 “漂白 ”中 间 产 物 的 光谱 及 其 性 质 cesses 319 10.4.2 视觉 循环 CasbaeUeroer Uively kbboacuneue sce dese Senene 322 10.4.3 I FE BE AE ROVE FASE RE cence cece ee ewe rec ceeeeen 323 10.4.4 视网膜 电 图 (ERG ) sosoeesaescasssoseopaoeas0ssoio5 325 10.4.5 “早期 感受 器 电位 (ERP) sssceresceeseeceececeecs 326 10.4.6 细胞 内 记录 的 光 感 受 器 反应 .ve 327 10.4.7 细胞 外 微 电 极 记录 sosesvoevsosveoooooosooooovoo， 328 10.4.8 通过 网 透 压 反应 测量 的 视 村 外 段 离子 电流 eevcesccecs occ vceccecvesenccsccesesesecessossencesses 3 DY) 10.4.9 ers ite Las jaakine sq daseean besos 330 ee Cees AVES Meo oe 33] 10.5.1 内 传递 介质 假说 331 10.5.2 传递 介质 的 必 备 条 件 ee rie ocskawenSepand 331 10.5.3“ 征 作用 的 证 据 cert ees tee cer ces encteceeceerenceenes 332 10.5.4 GRIPE KARRI ceeec tree cence eee eee 333 10.6 结 语 pe 人 335 10.1.1 视觉 的 重要 性 : 视觉 的 产生 无 疑 是 一 个 具有 购 力 的 问题 ， 因 为 光 通 过 视 觉 为 人 和 动物 提供 了 关于 周围 环境 的 非常 详细 的 信息 。 视 觉 对 人 类 尤为 重要 。 了 解 眼 及 其 机 理 有 重要 的 实际 意义 ， 这 样 就 可 以 避免 或 更 有 效 地 治疗 这 个 重要 感官 的 功能 失调 。 眼 是 怎样 把 感觉 信息 从 光 的 形式 转换 成 电信 号 并 送 到 脑 的 呢 ? 本 章 的 主要 目的 是 介绍 对 这 个 问题 了 解 的 重要 进展 。 脊椎 动物 眼 含 有 两 种 类 型 的 光 感 受 器 细胞 :; 视 杆 细胞 和 视 锥 细胞 。 负 责 微 光 视觉 的 视 杆 细胞 送 到 脑 中 的 信号 使 我 们 -感觉 到 的 是 只 有 灰 度 变化 的 无 色 物 体 。 视 锥 细胞 在 亮光 下 起 作用 ,并 能 使 我 们 感觉 到 颜色 。 当 眼 经 过 调节 很 好 地 适应 于 黑 暗 时 ， 我 们 就 说 它 是 “ 暗 适 应 ”的 眼 。 在 暗 适 应 的 眼中 可 以 观 察 到 视 杆 细胞 的 一 个 显著 特点 : 如 果 在 一 灸 500 个 视 杆 细胞 中 只 有 5 一 14 个 细胞 吸收 了 光子 ,我 们 就 能 感觉 到 光 。 在 这 样 低 的 光 通 量 下 ， 没 有 一 个 视 村 细胞 吸收 一 个 以 上 的 光子 。 障 适应 的 视 杆 细胞 是 一 个 有 效 的 单 光 子 检测 器 ; 这 样 敏感 的 检 测 是 如 何 实现 的 呢 ? 这 是 一 个 看 来 正在 接近 解决 的 难题 。 ° 292 « 计 可 见 光波 长 范围 定义 为 人 眼 能 够 检测 到 的 各 种 波长 。 光 谱 的 可 网 范 围 大 约 从 380nm 到 700nmo 下 面 将 要 详细 地 谈 到 ， 眼 的 敏感 性 由 视觉 色素 的 吸收 光谱 决定 。 瞳 适应 的 脊椎 动物 眼 〈 暗 视觉 ) 的 最 大 敏感 度 位 于 500nm YUE, 在 这 里 网 膜 的 视 杆 细胞 吸收 的 光量 子 最 多 。 图 1-2 给 出 明 视 觉 的 波长 敏感 度 , 所 有 动物 的 视觉 系统 的 敏感 度 都 接近 这 条 曲线 。 然 而 昆 也 却 在 接近 紫外 的 区 域 有 最 大 敏感 度 。 光 感受 器 位 于 肴 椎 动 物 的 视网膜 中 ， 视 网 膜 是 在 眼球 后 壁 上 的 一 层 很 薄 的 组 织 。 由 于 糊 椎 动物 的 视网膜 是 脑 的 延长 ， 因 此 具有 重要 意义 。 神 经 系统 中 许多 信号 处 理 的 问题 都 可 以 通过 视网膜 来 进行 研 究 , 因 为 视 网 障 比较 易于 接近 ,也 易于 实现 对 它 的 刺激 。 10.1.2 视觉 系统 的 种 系 发 生 所 有 养 椎 动物 都 有 非常 类 似 的 光 感 受 细胞 。 蛙 、 鼠 、 牛 等 相差 甚 远 的 动物 的 光 感 受 器 差别 似乎 并 不 大 ， 甚 至 可 以 说 是 二 样 的 。 因 此 研究 动物 光 感 受 器 所 得 到 的 结论 似乎 可 以 直接 用 于 人 的 光 感 受 器 。 但 另 一 方面 ,无 着 椎 动物 在 进化 中 形成 了 形态 各 蜡 的 视 MRK, 它们 与 兰 椎 动物 的 视觉 系统 十 分 不 同 &2a。 在 最 原始 的 光 感 受 器 中 , 光 不 通过 聚焦 装置 而 直接 作用 到 色素 细胞 上 。 在 许多 无 养 椎 动物 中 已 出 现 了 原始 的 折光 机 构 。 头 足 类 动物 有 状 椎 动物 样 的 完整 的 角膜 -晶状体 系统 (图 10-1)。 无 状 椎 动物 的 眼 是 从 止 皮 组 织 ( 皮 肤 ) 发 育 来 的 ， 以 单 细胞 或 多 细胞 形式 排列 成 一 层 , 并 旦 杯 状 。 对 无 冰 椎 动物 视觉 的 研究 是 一 个 活路 的 领域 5 某 些 无 脊 椎 动物 有 很 大 的 视 细胞 ， 比 状 椎 幼 物 的 小 细胞 更 容易 用 微 电 极 方法 仔细 的 研究 。 某 些 无 状 椎 动物 (例如 果 蝇 ) 丰 富 的 遗传 学 资料 提供 了 极为 有 用 的 研究 手段 已 经 发 现 变异 能 改变 无 脊 椎 动物 视觉 系统 的 发 育 和 功能 机 +. 293 * 制 。 对 变种 的 利用 为 视觉 研究 提供 了 很 多 新 的 途径 。 无 脊椎 动物 的 光 感 受 器 已 不 属于 本 章 的 范围 ， 但 我 们 将 考虑 那些 与 相应 结构 有 关 的 重要 资料 和 某 些 功能 机 制 研 究 & -9。 10.1.3 FHM DIR BMAD Mme AED MIRA It+ Dea SER ASL. Al0-1 是 一 人 眼 横 切 面 的 示意 图 。 光 通过 由 角膜 和 可 聚焦 的 晶状体 构成 的 复合 透镜 进入 眼 内 ,通过 可 变 的 光圈 即 虹膜 ,被 聚焦 在 薄 薄 的 光敏 层 即 视网膜 上 。 灵 长 类 的 视网膜 有 一 很 小 的 特 化 了 的 部 分 即 中 央 止 ,这 里 的 光 感 受 器 密度 很 大 ,能 形成 高 分 辨 率 〈 细 颗粒 度 ) 的 物 像 。 图 10-1 中 还 画 出 眼睛 看 一 棵 树 时 简 化 的 光路 原理 ,与 物体 在 照相 机 底片 上 成 像 类 似 。 然而 眼 的 功能 比照 相机 复杂 得 多 ， 它 能 快速 实时 地 将 图 像 传递 到 脑 中 ， 并 能 在 光 强 变化 10” 的 范围 内 调节 其 敏感 度 ， 以 产生 有 用 信号 。 眼 的 “机 械 的 虹膜 孔 的 调节 只 能 使 光 强 有 10° 的 变化 。 眼 完全 暗 适 应 以 后 ,其 敏感 性 比 任何 照相 ”机 底片 要 高 出 几 个 数量 级 。 人 还 没有 造 出 与 眼 性 能 一 样 的 装 置 ,但 却 已 造 出 类 似 的 装置 , 那 就 是 极为 灵敏 的 黑白 电视 摄像 机 与 高 保 真 度 的 彩色 摄像 机 二 者 结合 ， 能 在 极 大 的 光 强 范围 内 产生 有 用 的 信号 。 人 们 已 大 致 地 了 解 了 光 感 受 器 的 功能 机 制 ， 它 可 以 扼要 地 归纳 如 下 : 光 被 含有 维生素 A 的 蛋白 质 即位 于 网 膜 光 感受 器 膜 致密 的 片 层 结构 上 的 视 紫 红 质 吸 收 。? 受 激 的 视 紫 红 质 似 乎 引起 感受 器 细胞 内 的 光 感 受 器 膜 释 放出 一 种 未 知 的 化 学 物 质 凡 这 种 化 学 物质 浓度 的 增 大 改变 了 光 感 受 器 细胞 的 屯 位 ， 这 种 电 反应 又 经 过 视网膜 中 一 系列 互相 连接 的 细胞 的 加 工 处 理 , 并 被 编 为 一 串 电 脉冲 码 传 到 脑 。 图 10-2 是 一 个 简 图 , 表示 视网膜 上 接收 ` 加 工 和 传递 信 , 294， ER 号 的 帮 种 细胞 的 互相 联系 。 养 椎 动物 视网膜 的 一 个 奇怪 的 特 征 是 它 “ 背 向 > 人 射 光 排列 的 。 在 这 个 图 中 ， 光 从 下 面 垂 直人 射 ， 到 大 感受 器 之 前 要 穿 过 几 层 其 它 细胞 。 光 感受 器 在 视 网 Te: zs 区 tb) = 100 m iy ee 10-1 (2) 人 眼 横 切 面 图 。 眼 各 部 分 已 在 正文 中 描述 。 眼 内 空间 充满 透明 的 胶 冻 样 的 物质 ， 只 作 玻 璃 该 。 视神经 离开 视网膜 之 点 没有 光 感 受 器 , 叫 作 " 言 点 ”; (b) 正 在 看 一 棵 树 的 眼 的 简化 光路 贺 。 任何 透镜 系统 的 中 心 都 有 一 点 ， 在 此 点 人 射 的 光线 并 不 折射 离开 原来 的 路 径 。 在 人 眼 内 此 点 (图 中 点 如 与 视网膜 的 距离 约 17mm。 由 简单 的 几何 学 就 可 确定 出 视 网 膜 上 像 的 大 小 : 在 本 例 中 像 的 大 小 等 于 17 mmX30m/100m 三 5.1mmy， 视 角 w =arctan (30/100) 人 16”《 引 自 参 考 文献 62)。 sg teenie Rat, xSP ict Ee. UA A“ al 排列 的 方式 看 来 对 光 感 受 器 细胞 有 效 地 检测 光 没 有 多 大 影响 。 光 首先 穿 过 的 视网膜 前 部 刀 层 对 光 的 吸收 很 小 s :本 图 中 光 感 受 露 的 上 方 是 色素 上 皮 细 胞 (图 中 没有 表示 出 来 )， 它 们 供应 光 感受 器 以 营养 物质 。 SS Ee URS ea 因此 were * iia w% 和 (光学 像 ) ， 8K 图 10-2 根据 显 微 照 片 画 出 的 脊椎 动物 视网膜 简化 图 。 视 贺 膜 标本 以 高 尔 基 方法 制备 ， 这 种 方法 能 选择 性 地 使 少数 细胞 体 及 其 突起 染色 。 图 中 标 出 了 各 种 细胞 类 型 和 主要 的 层次 。 如 正文 中 所 述 , 光 从 图 的 底 端 射 人 ,并 为 视 杆 感受 器 和 视 锥 感 受 器 吸收 。 感受 器 的 信号 在 横向 上 由 水 平 细 胞 传递 而 双 极 细胞 则 把 信息 传 到 神经 节 细 胞 层 。 无 足 细胞 也 具有 横向 传递 的 功能 。 最 后 的 输出 通过 神经 节 细 胞 的 轴 罕 传 到 脑 《 引 自 Werblin，F.S ., Scientific American 228, 70-79, 1973), 四 296 四 YA 也 有 助 于 减少 光 在 感受 器 之 间 散 射 造成 的 物 像 质量 不 佳 。 感受 器 下 面 的 一 层 含有 双 极 细胞 和 水 平 细胞 ， 它 们 中 每 个 都 与 几 个 光 感 受 器 相连 ， 并 且 它 们 之 间 也 互相 连接 。 这 一 层 与 下 面 各 层 一 起 ， 具 有 类 似 脑 的 信息 加 工 功能 。 经 过 加 工 的 信号 传递 到 视网膜 的 下 一 部 分 ， 即 无 足 细胞 和 神经 节 细 胞 层 ， 并 将 脉冲 信号 通过 视神经 纤维 送 到 脑 中 。 经 过 对 光 的 最 初 检测 之 后 ， 接 着 就 激发 了 一 系列 变化 异乎 寻常 的 复杂 的 神 经 生物 学 事件 。 在 本 章 内 我 们 将 首先 考虑 感受 器 细胞 的 结构 ; 其 次 是 关 于 视觉 色素 视 紫红 质 的 最 新 知识 ; 第 三 是 各 种 可 测量 的 光 反 应 ; 最 后 是 现在 已 知 的 关于 这 个 系统 的 作用 机 制 问题 。 我 们 “的 光 感 受 器 知识 是 通过 量子 力学 、 光 化 学 和 物理 化 学 \ 生 物化 学 及 电 生 理学 的 实验 方法 得 到 的 。 最 近 儿 年 对 光 感 受 器 已 经 、 THERES, :这 方面 的 资料 启示 我 们 还 有 广大 的 领域 需要 去 探索 。 10.2 “和 疹 椎 动物 视网膜 的 结构 10.2.1 ”用 光学 显微镜 观察 到 的 视网膜 结构 用 光学 显微镜 可 以 研究 细胞 的 大 小 、 形 状 和 它们 在 组 织 中 的 位 置 。 为 了 对 细胞 做 显微镜 观察 ， 先 要 以 各 种 化 学 药物 处 理 ; 以 使 其 稳定 ,保持 结构 的 完整 。 其 次 ， 要 将 组 织 包 埋 在 蜡 或 塑料 支持 介质 中 ,以 切片 机 切 成 薄片 。 为 了 便于 观察 , 需 以 不 同 的 染料 对 组 织 的 各 部 分 染色 。 0 图 10-3 是 猴 的 视网膜 组 织 切片 。 视 网 膜 是 分 层 的 ,每 一 层 有 不 同 的 细胞 类 型 。 营 养 光 感受 器 的 色素 上 皮 是 从 视网膜 的 边缘 向 外 延伸 的 一 个 细胞 薄 层 ， 从 视网膜 深度 标尺 上 的 100 9 处 延伸 到 :105 锡 处 。 照片 中 感受 器 靠近 上 部 ,所 占 的 位 “297。 色素 上 皮 Bs L AB 感受 器 细胞 外 突 触 层 [一 内 核 层 神经 节 细 胞 层 i00 Am 10-3 ”人 恒 河 猴 视 网 膜 辕 边 部 分 薄 切 片 的 光学 显微镜 照片 。 苏 木 精 - 伊 红 染 色 使 细胞 核 呈 现 为 暗 的 颗粒 。 眼 背 部 的 色素 上 皮 在 图 中 位 于 顶部。 正常 情况 下 光 由 图 的 底 端 射 人 和 图 10-2 一 样 ) 各 层 细 胞 名 称 已 在 正文 中 讨论 过 [ 引 自 K.T. Bro- wn, K. Watanabe, and M. Murikami, Cold Spring Har- - bor Symp. Quant. Biol. 30, 457—482, (1965).] 置 大 约 为 视网膜 厚度 的 45 多--100% 处 ， 大 量 细胞 核 的 存在 表明 它们 是 视网膜 中 数量 最 多 的 细胞 类 型 。 在 感受 器 以 下 ， 深度 约 为 20 一 45 多 的 一 层 中 细胞 比较 少 。 因 此 这 一 层 内 每 一 双 极 细胞 和 水 平 细 胞 接受 几 个 感受 器 细胞 的 输入 。 图 中 视 网 膜 深度 大 约 为 0 一 20 狗 的 最 下 层 有 无 足 细胞 和 神经 节 缅 胞 ， 但 它们 比较 稀 划 。 视 网 膜 各 层 厚 度 百 分 数 自视 网 膜 的 申 心 向 外 周 是 变化 的 。 感 受 器 检测 的 信号 在 视网膜 的 下 层 进行 加 工 ， 大 量 光 感受 器 的 输出 被 译 码 为 少数 输出 通道 即 神经 元 的 发 身 速率 。 在 实验 动物 上 已 经 发 现 是 这 样 进行 编码 的 : 某 些 神经 元 专门 对 小 的 运动 以 及 有 各 种 取向 的 明 - 暗 边 缘 作 出 反应 。 光 感 受 器 细胞 在 形态 上 又 分 为 若干 部 分 。 KARA 10-3 上 部 色素 上 皮 突 起 中 的 所 谓 外 段 (在 眼 的 背部 ) 位 于 视网膜 次 BE 90 一 100 参 处 ;所 谓 的 内 段位 于 '80 一 90 多 处 ,外 核 层 在 60 一 80 匈 处 ;纤维 层 在 50 一 60 多 :处 ;一 个 突 触 区 在 45% 附近 。 在 « 298 « 光学 显微镜 下 ， 在 几乎 每 种 贿 椎 动物 视网膜 的 绝 大 部 分 区 域 上 至 少 可 以 看 到 两 种 光 感 受 器 ,但 在 图 10-3 中 却 不 能 区 分 出 它们 。 杆 状 细胞 通常 有 较 粗 的 外 段 和 较 细 的 内 段 ， 锥 状 细 胞 通 向 外 段 较 短 , 而 内 段 要 粗 得 多 。 视 杆 细胞 和 视 锥 细胞 的 分 布 以 及 它们 的 形态 在 整个 视 网 膜 上 并 不 是 一 成 不 变 的 。 灵 长 类 的 视网膜 有 一 个 特 化 的 中 央 区 称 为 中 央 凹 ， 这 里 的 视 锥 细胞 很 密 而 且 没 有 视 杆 细胞 。 图 10-4 说 明 人 的 视网膜 中 视 杆 细胞 与 视 锥 细胞 的 横向 分 布 情 总 。 在 视 网 有 的 周边 部 分 视 杆 细胞 占 优势 ， 那 里 仅 有 少数 视 锥 细胞 。 在 中 央 止 排列 得 很 密 的 视 锥 细胞 有 细 长 的 外 段 和 内 段 ， 因 此 它们 看 起 来 很 像 周 边 网 膜 的 视 杆 细胞 。 这 些 紧 密 排 列 的 视 锥 细胞 提供 了 高 的 空 STL BES, 因而 保证 了 高 的 视 敏 180,000 160,000 140,000 上 120,000 100,000 80,000 60,000 视 村 细胞 或 视 锥 细胞 数 40,000 20,000 Boe 6 4 2 0 虽 ?ee OP 6 8% 100 sa i) -图 10-4 人 视网膜 上 视 杆 细胞 和 视 锥 细胞 的 分 布 。 位 于 0° 的 中 心 点 是 中 央 止 ， 此 处 密 密 地 排列 着 视 锥 细胞 。 在 视网膜 的 周边 只 有 少数 视 锥 细胞 ， 有 大 量 的 视 杆 细胞 。 由 于 言 点 是 视神经 离开 视网膜 处 ,并 且 血 管 也 通过 这 里 ， 所 以 这 里 没有 光 感受 器 细胞 (5/8 G. Osterberg, Acta Ophthal. Suppl. 6, 1—102, (1935)], ° 299 « 二 * 图 10-5 以 成 二 醛 - 铁 酸 固定 的 豚鼠 视网膜 斜 切片 的 电 Se 照 片 ， 图 中 显示 三 个 外 段 以 及 它们 与 内 段 连接 的 情况 。 ARS 一 对 中 心 粒 〈C)， 其 一 产生 一 个 由 一 连接 片 构成 的 变化 了 的 AE (CP), FERRARA PT th Ob Be RIE MX PERE OE ok 的 。 外 段 由 圆 盘 膜 紧密 堆积 构成 (D), 内 段 内 挤 满 线 粒 体 CNMD [5 引 自 A. W. Clark, and D. Branton, Z. Zellforsch. Mtkrosk. Anat. 91, 586—603 (1968) ], * 300 « | a i 2 ae ee ae" ee a ; Y . mS = On : 2 < 4 度 。 许 多 种 动物 的 视网膜 中 心 附近 都 有 特 化 的 高 分 辩 率 区 ， 但 在 灵 长 类 视网膜 上 这 个 区 域 发 育 得 最 好 。 每 个 视网膜 都 有 一 个 言 点 ;如 图 10-4 所 示 。 由 于 此 处 是 视神经 离开 视网膜 的 地 方 , 因 此 无 光 感 受 器 。 因 为 脑 能 在 刘 点 处 卦 上 "图 像 ”所 以 我 们 通常 并 不 感到 言 点 的 存在 。 “感受 器 层 没有 血管 。 感 受 器 必须 从 视网膜 100% 厚度 的 上 方 的 色素 上 皮 ( 图 10-3) 取 得 营养 。 大 多 数 哺乳 动物 视 网 膜 的 血管 在 远离 感受 器 的 视网膜 内 层 穿行 。 在 图 .10-3 RH 网 膜 饭 片 中 可 看 到 两 根 血 管 ， 它 们 的 粗 开口 位 于 深度 约 为 10% 的 神经 节 细 胞 层 中 。 很 多 动物 视网膜 内 没有 血管 ， 其 营 养 是 从 色素 上 皮 得 到 的 。 10. 2. 2 用 电子 显微镜 观察 到 的 光 感受 器 超 微 结构 电子 显微镜 (简称 电镜 ) 对 细胞 结构 的 放大 比 光 学 显微镜 要 高 得 多 。 图 10-5 示 网 膜 光 感受 器 层 的 薄 切 片 。 对 光敏 感 的 部 分 ， 即 外 段 , 是 由 紧密 堆积 的 膜 (在 本 图 的 下 部 ) 构 成 的 。 SRB MD RAR, SAE SA A”, BU 体 。 在 靠近 图 10-5 的 顶端 处 可 以 看 到 大 量 的 线粒体 。 “图 10-6 绘 出 视 杆 外 段 薄 切 片 的 高 千 放 大 , 它 清 楚 地 显示 册 为 原生 质 膜 包围 起 来 的 片 层 堆积 在 一 起 。 内 膜 成 扁平 的 空 - 扎 袋 形状 * 称 为 圆 盘 。 每 个 扁平 的 圆 盘 都 是 中 空 的 ,我 们 可 以 在 圆 盘 的 两 端 看 到 不 封闭 的 圆圈 ,此 处 圆 盘 膜 转 了 一 个 弯 儿 ， 我 们 还 可 以 看 到 沿 着 某 些 圆 盘 的 中 心 有 一 条 窜 的 亮 带 。 对 活 视网膜 的 光 感 受 器 进行 X 射 线 衍射 测量 清楚 地 证 明 在 盘 内 有 一 个 空间 ;但 是 在 制备 电镜 观察 标本 时 ,这 个 空间 由 于 脱水 而 部 分 地 或 全 部 地 去 塌 了 。 圆 盘 膜 内 表面 之 间 的 空间 在 等 张力 的 条 件 下 约 为 2.5 nm。X 射线 衍射 测量 表明 它 对 应 于 次 透 压 的 变化 。 圆 盘 与 圆 盘 之 间距 离 约 15nm， 圆 盘 厚 度 也 大 约 为 ”301。 oat ate \ hl OP eee We 15nm。 因 此 圆 盘 重 复出 现 的 距离 为 30nmo 圆 盘 膜 是 由 折 倒 的 原生 质 膜 形成 的 ， 在 视 杆 中 大 多 数 贺 盘 口 收 紧 形 成 闭合 的 口袋 ， 它 与 原生 质 膜 是 分 开 的 。 多 数 视 人 位 Re dito ll sie: Lao eis eS 000); (B 经 高 倍 放大 的 加 盘 膜 和 原生 质 膜 ,注意 横 切 片 中 的 圆圈 , 圆 盘 膜 在 这 里 折 回 形成 封闭 的 口袋 (又 24;0007J[ 仿 M. J.Hogan, J.A. Alvarado and J.E. Wed- dell, Histology of the Human Eye, W.B. Saunders and Co., Philadelphia (1971)], 。 302° Sas ate. ee ene Pe ate ey 装配 机 理 和 控制 过 程 都 尚未 研究 清楚 。 MAHA” 用 放射 性 前 体 和 放射 性 自 显 影 的 方法 揭示 了 光 感 受 器 膜 的 合成 及 翻 折 的 二 般 轮廓 。 对 进一步 仔细 研究 膜 的 装配 问题 ， 光 感 受 器 的 膜 系统 是 很 有 希望 的 材料 。 在 与 内 段 连接 的 地 方 , 能 生出 新 的 圆 盘 。 视 杆 外 段 的 顶端 一 小 部 分 一 小 部 分 地 、 周 期 性 地 从 细胞 体 上 脱落 ,被 色素 上 皮 知 哦 和 消化 。 同 样 ,色素 上 皮 细 胞 也 吞 只 脱落 的 视 锥 外 段 四 。 | 视 杆 外 疏 比 视 锥 外 段 要 大 ， 在 大 多 数 动 物 的 视网膜 中 视 杆 细胞 的 数目 又 非常 多 ， 因 此 在 大 多 数 视 网 膜 中 视 杆 色素 比 视 锥 色素 要 多 得 多 。 另 外 ， 视 杆 外 段 比 视 锥 外 段 更 容易 被 分 离 和 提纯 ， 因 此 几乎 所 有 有 关 光 感受 器 性 质 的 工作 都 是 在 视 杆 上 进行 的 。 关 于 颜色 感受 器 视 锥 的 组 成 和 结构 尚 待 研究 。 我 们 看 到 , 光 感 受 器 细胞 的 外 段 是 高 度 膜 结 构 化 的 ,这 些 膜 规则 地 堆积 在 一 起 。 这 种 有 序 排列 的 膜 结构 外 表 很 像 绿 色 植物 叶绿体 的 片 屋 。 这 两 类 膜 都 含有 吸收 光 的 色素 。 每 种 膜 MAEM (AN 6 am)， 在 外 段 和 叶绿体 片 层 两 种 情况 下 , 光 ”吸收 的 玫 率 都 由 于 膜 堆砌 程度 的 进化 而 得 到 提高 。 当 然 这 两 种 膜 的 功能 是 很 不 同 的 ,叶绿体 将 吸收 的 光 能 转换 成 化 学 能 ， 而 外 段 则 起 检测 器 的 作用 ， 它 利用 吸收 的 光子 作为 控制 代谢 能 量 的 信号 。 近 来 Stockennis RES” HRT —-MRAS 的 特征 ， 这 种 膜 在 某 些 方面 既 与 叶绿体 类 似 又 与 视 杆 外 段 类 Wo 它们 不 是 堆积 成 层 , 而 是 铺 在 一 种 叫做 盐 生 盐 杆菌 (Z4 obacterium halobium) KIER KURI FAY Yea EH 紫红 质 ; 有 点 像 视 色 素 视 紫红 质 。 然 而 ,细菌 视 紫 红 质 的 主要 功能 是 进行 光合 作用 ,而 不 是 作为 一 种 光 的 受 体 。 10. 2.3 用 化 学 和 X 射线 衍射 方法 观察 到 的 分 子 结构 _ 电子 显微镜 未 能 提供 关于 分 子 水 平 的 结构 资料 。 幸 运 地 * 303。 是 可 以 利用 其 它 方法 来 获得 这 方面 的 详细 资料 ， 可 以 将 视 网 膜 由 眼 的 视 杯 上 和 剥离 下 来 ， 而 外 段 又 可 以 从 视网膜 上 断裂 下 来 。 在 悬 译 液 中 轻 轻 地 抖动 视网膜 就 可 以 获得 完整 视 杆 外 段 的 粗 制 悬浮 波 。 这 种 外 段 对 许多 实验 都 是 很 有 用 的 5 这样 的 HSK, 外 段 经 常 连 着 一 小 部 分 内 段 从 视网膜 二 断 王 来 。 由 于 内 段 有 丰富 的 线粒体 ， 所 以 这 样 的 制备 液 中 混杂 着 大 量 ”的 线粒体 。 至 今 ， 报 道 的 最 纯 的 、 含 外 段 量 高 的 制备 液 都 是 通过 强力 搅拌 均匀 处 理 ， 将 视 杆 外 眉 (ROS) 打 成 大 的 和 碎片 2 得 到 的 。 因 为 视 杆 外 段 的 圆 盘 膜 有 几乎 独 一 无 三 的 质量 密 Laken TUR Al 聚合 物 ) 密 度 梯 度 离 心 来 分 开 。、 _ 视 杆 外 民 呈 透明 的 粉红 色 ,如果 对 大 部 分 可 网 光 桌 光 , 册 漂白 成 淡 黄 色 , 但 在 红外 线 或 微弱 的 红 光 下 ,可 似 一 直 保持 粉 红色 。 因 此 ,大 多 数 制备 过 程 和 操作 都 是 在 弱 红 光 下 进行 的 s 视 杆 外 段 的 色素 部 分 不 能 被 蔡 取 到 缓冲 水 溶液 中 ， 它 们 牢固 地 附 在 膜 上 上 s 然而 色素 能 溶解 在 一 些 适 当 的 去 拍 剂 中 ,而 县 其 特征 吸收 光谱 并 不 改变 。 颜 色 是 由 一 种 称 为 视 紫 红 质 的 蛋 白质 造成 的 。 如 果 用 有 效 的 去 垢 剂 十 三 烷 基 硫酸 钠 (SDS) 共 取 色 素 ; 则 视 紫红 质 的 可 见 光谱 在 黑暗 中 消失 。: 在 ;SDS 处 理 过 的 悬浮 液 中 ， 可 用 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电 泳 法 按照 分 子 重量 将 视 杆 外 段 各 组 成 成 分 分 离开 s 图 10-7 表示 从 提纯 的 视 杆 处 段 中 这 样 分 离 出 来 的 蛋白 质 的 光 密 度 扫 描 。ROS 蛋白 质 至 少 有 90% 位 于 明胶 的 一 条 致密 带 内 。 已 证 明 此 处 的 蛋 自 质 即 为 视 紫红 质 。 还 未 确定 那些 比较 小 的 峰 都 代表 什么 s 正如 我 们 将 : 要 在 10.5. 4 节 讨 论 的 那样 , 在 视 杆 外 段 有 几 种 酶 的 活性 oj 荣 : 些小 的 峰 可 能 对 应 于 视 杆 外 段 的 一 些 酶 。 在 凝 胶 上 运动 的 牛 视 紫 红 质 的 分 子 量 蒂 近 ,35000， 此 秆 与 用 其 它 方 法 得 到 的 倡 相当 。: 许 多 分 子 量 大 于 视 紫 红 质 的 微量 蛋白 质 成 分 位 于 图 7 * 304 « BRO Em, 其 中 有 些 可 能 是 杂质 。 它 们 的 定位 和 功能 还 不 清楚 。 5 BPETRRA 43% 的 蛋白 质 ，53 驳 的 类 脂 ,4 % A 类 。 膜 的 类 脂 可 以 用 有 机 溶剂 蔡 取 ,并 通过 色谱 层 析 方法 分 , 离 。 这 种 处 理 过 程 还 能 放出 生 色 团 ， 即 维生素 和 A 的 一 种 衍生 物 5 关 于 这 一 点 我 们 将 在 10. 3.1 讨论 。 大 多 数 类 脂 都 是 磷脂 酰 胆 奏 ; 磷脂 酰 乙醇 胺 ,磷脂 酰 丝氨酸 ,磷脂 酰 肌 醇 等 ,它们 的 比 秽 是 40:45:15:2。 这 些 类 脂 都 有 不 同 的 高 度 极 化 的 、 与 甘 油分 子 发 生 酯 化 的 磷酸 二 酯 “ 头 基 ”， 而 甘油 分 子 又 与 两 个 长 链 脂肪 酸 发 生 酯 化 。 胆固醇 量 很 少 。 REIT AA BE. 可 能 还 有 少量 的 糖 脂 ;但 对 它们 的 特性 还 一 无 所 知 。 膜 磷脂 中 的 脂肪 酸 都 是 明显 的 多 聚 不 饱和 酸 。- 在 牛 的 视 杆 外 段 中 至 少 有 35% 的 脂肪 酸 是 22 碳 6 烯 酸 (22 个 碳 ,6 个 双 键 , 称 为 22:6 脂肪 酸 )。 大 多 数 其它 脂 肪 酸 是 饱和 的 软 脂 酸 (16:0) 和 硬 脂 酸 (18:0)。 典 型 的 磷脂 有 一 个 与 甘油 的 一 个 羟 基 酯 化 的 饱和 脂肪 酸 和 一 个 与 另外 的 产 基 酯 化 的 "22:6 脂 肪 酸 。 从 鼠 的 食物 中 去 掉 多 聚 不 饱和 脂肪 酸 ， 其 视 杆 外 段 仍 然 BASRA MAIER, 而 类 多 数 其 它 细胞 和 器 官 在 这 种 情况 下 都 不 具有 这 种 脂肪 酸 。 视 杆 外 段 含有 大 量 22:6 脂肪 酸 ,而 且 它 们 能 持久 地 保持 这 种 脂肪 酸 , 这 种 特性 说 明 这 些 脂 肪 酸 对 于 这 个 系统 的 功能 是 重要 的 22。 已 有 几 个 水 组 对 完整 视网膜 视 杆 外 段 作 的 X 射 线 衍射 分 析 达 到 了 :2.5nam 的 分 辩 率 s 这 些 研究 证 明 圆 盘 膜 中 许多 类 脂 成 双 层 排列 。 双 层 膜 由 两 层 类 脂 组 成 ,类 脂 的 排列 是 使 它们 的 极 性 “ 头 ” 与 水 接触 ， 脂 肪 酸 的 碳 氢化 合 物 构成 亲 脂 的 内 面 。 关于 蛋白 质 在 模 内 的 位 置 ， 用 X 射 线 衍 射 方法 得 到 了 互相 了 巴 盾 的 结论 。 这 种 矛盾 看 来 主要 是 由 于 在 分 析 中 忽视 了 膜 的 空 aa 305 。 间 排 列 的 不 规则 性 造成 的 。 近 来 针对 这 种 不 规则 性 发 展 了 新 的 方法 ， 得 到 了 正确 的 圆 盘 膜 的 电子 密度 剖面 图 。 后 来 对 如 此 得 到 的 2.5nm 分 辩 率 的 剖面 图 的 分 析 表 明 : 有 相当 多 的 视 紫 红 质 从 圆 盘 膜 的 外 表面 突起 ， ayy 5 圆 盘 膜 排列 的 。 也 用 其 他 方法 研究 过 视 紫 红 质 在 圆 盘 膜 上 的 位 置 。 膜 在 结构 上 有 一 个 脆弱 区 ， 在 这 里 碳 氧 链 在 双 层 膜 两 半 之 间 中 点 相遇 。 dsiaieonoiakinusloa oo cm 10-7 ”提纯 过 的 溶 于 十 二 烷 基 硫酸 钠 (SDS) 中 的 视 杆 外 段 膜 的 聚 丙 烯 酰胺 凝 胶 电泳 图 。 为 了 显示 和 蛋白质 组 分 * 电 泳 后 以 考 马 斯 蓝 〈Coomassie blue) RR RE. RAR 示 于 上 部 , 下 部 为 用 光 密 度 计 对 凝 胶 测 得 的 扫描 图 (在 染 上 色 的 位 置 吸收 最 大 )。 主峰 为 视 蛋白 * 即 视 紫 红 质 的 蛋白 质 部 分 。 在 2， 45 8cm 处 的 尖峰 是 为 进行 长 度 校正 用 的 针 刺 标记 。9cm 处 的 小 峰 为 派 若 宁 站 示 踪 染料 (P.Y7， 它 指出 这 种 移动 迅速 的 标记 物 走 过 的 距离 。 其 它 的 小 峰 都 是 各 种 蛋白 质 组 分 没有 一 - 个 峰 超 过 视 蛋 白峰 的 1 摩尔 ?6。SDs 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 按 分 子 重量 把 有 最 大 运动 性 的 最 小 组 分 分 开 。 和 牛 视 蛋 白 移 动 的 表 观 分 子 量 为 35000, 几 乎 所 有 其 他 微量 组 分 都 有 较 大 的 表 观 分 子 量 [ 引 自 D.S. Papermaster and W.J. Dreyer, Biochemistry 13, 2438—2444 (1974)], * 306 ME 伸 到 矶 氧化 物 区 域 的 蛋白 质 在 断裂 的 表面 上 呈 肿块 状 。 样品 断裂 时 ， 视 紫红 质 仍然 连 在 圆 盘 膜 外 层 上 。 这 些 实验 说 明 视 紫红 质 与 圆 盘 膜 的 连接 是 不 对 称 的 。 在 分 离 的 圆 盘 膜 ， 用 不 能 透 过 膜 的 化 学 试剂 进行 标记 ， 证 明 视 紫红 质 的 11 个 氮 基 中 有 一 半 区 上 易 受 圆 盘 膜 外 有 水 空间 的 影响 0。 这 些 氨基 除 一 个 与 生 色 团结 合 较 紧 (参阅 10.3) 以 外 ”其 余 的 都 易 受 能 透 过 膜 的 类 似 试剂 的 影响 。 几 个 实验 室 都 证 明 ， 用 一 些 不 能 穿 过 膜 的 蛋白 酶 处 理 膜 能 使 视 紫 红 质 的 肽 链 断 开 。 视 紫红 质 有 两 个 短 的 由 已 糖 和 N- 乙 酰氯 基 葡萄 糖 组 成 的 守 聚 糖 链 , 它 们 伸 到 有 水 区 与 具有 守 聚 糖 特异 性 的 伴 刀 豆 球 蛋白 (concan- avalin ) A MIA FRAG o 土 述 资料 说 明 视 紫红 质 在 膜 上 不 对 称 排列 ， 其 一 部 分 表 面 和 很 大 部 分 质量 都 暴露 在 圆 盘 膜 外 的 水 空间 。 图 10-8 表 示 至 今 提 出 的 视 紫 红 质 在 圆 盘 膜 中 位 置 的 各 种 拓扑 模型 。 模型 工 和 模型 II 已 被 排除 。 把 视 紫 红 质 表示 为 跨 膜 排 AY 10-8 ” 视 紫 红 质 在 视 杆 外 段 圆 盘 膜 上 拓扑 排列 模型 。 模 型 工 示 视 紫 红 质 仅 暴露 在 圆 盘 的 外 表面 ;模型 工 则 正 相 反 ? 视 紫红 质 仅 露 于 圆 盘 的 内 空间 ,不 从 膜 的 外 表面 突起 ;模型 II 示 视 紫 红 质 分 子 既 从 圆 盘 膜 的 内 表面 突起 又 从 膜 的 外 表面 突 起 ,形成 对 称 分 布 。 但 单个 分 子 并 不 横 跨 膜 ; 在 模型 IV 和 V 中 * 视 紫红 质 横 跨 类 脂 层 。IV 和 .V 之 间 的 差别 在 于 穿 透 到 圆 盘 内 空间 的 相对 深度 。 视 紫红 质 的 实际 形状 并 非 如 图 所 示 * 这 个 示意 图 仅仅 从 拓扑 关系 上 表示 视 紫 红 质 在 圆 盘 的 内 、 外 空 间 的 暴露 情况 。 这 些 模 型 代表 时 间 平 均 "的 形象 ， 视 紫红 质 在 圆 盘 膜 中 的 深度 可 以 改变 。 © 307 e 列 的 模型 IV 和 V 得 到 化 学 标记 法 冰冻 断裂 资料 和 射线 衍 射 分 析 的 证 明 。 用 抗 视 紫红 质 的 抗体 标记 实验 也 被 解释 为 可 以 证 明 视 紫红 质 是 跨 膜 的 。 化 学 标记 实验 :9 乌 瞳 示 类 脂 很 不 对 称 地 跨 膜 排列 ， 大 多 数 磷脂 酰 乙 醇 胺 和 多 数 磷脂 酰 丝 毛 酸 向 着 外 侧 ,大 多 数 磷脂 酰 胆 奏 可 能 在 内 表面 。 视 杆 光 感受 器 的 膜 有 高 度 特异 的 功能 : :以 信号 表示 对 光 的 吸收 。 生 物 的 进化 找到 了 用 组 成 相当 简单 的 膜 来 作 这 种 特 殊 工 作 的 方式 。 膜 主要 含有 一 种 蛋白 质 即 活跃 的 光 吸 : 收 体 一 一 视 紫红 质 , 另 外 还 有 一 个 相当 简单 的 类 脂 成 分 6 因此 这 些 膜 已 经 吸引 了 许多 对 膜 的 一 般 结 构 功 能 感 兴 趣 的 王 作 者 下 如 果 在 浓度 接近 等 渗 的 盐 溶液 中 用 斩 断 和 密度 梯度 的 方 法 将 圆 盘 膜 分 离 出 来 ， 它 们 往往 互相 粘连 成 堆 s ;把 这 些 胶 连 的 膜 用 稀 盐 溶液 (等 渗 液 冲 稀 100 倍 )u9 处 理 ; 可 将 它们 部 分 CAT ALAAAE ESAS TONER: 乎 包括 蛋白 质 和 多 糖 。 贺 盘 之 间 的 粘连 分 子 可 以 用 低 浓度 的 盐 湾 液 者 分 地 洗 掉 。 如 果 将 洗 过 的 膜 用 离心 的 方法 重新 堆积 起 来 ， 并 将 水 的 含量 减 到 原来 的 比例 -( 约 50 多 ) 熏 则 膜 互相 己 就 更 为 接近 了 , 此 在 完整 的 视 杆 外 段 扒 积 得 更 整齐 。 这 祥 得 到 的 圆 盘 腊 制备 液 的 X 射线 衍射 图 的 分 辨 率 比 完整 的 视 杆 外 疏 高 ， 可 以 得 到 0.8nm 分 辨 率 的 电子 密度 剖面 图 z9。 在 分 辩 率 为 0.8nm 时 ， 证 明 圆 盘 膜 并 不 就 是 一 个 简单 的 双 层 类 脂 膜 ， 它 要 更 复 杂 。 其 内 表面 有 一 个 大 而 清晰 的 电子 密度 峰 ， 可 能 是 由 极 性 的 磷脂 头 基 造成 的 ， 而 外 层 则 有 更 多 的 细微 结构 。 把 圆 盘 膜 曝露 在 可 见 光 下 ， 其 电子 密度 图 有 很 大 变化 。 关 于 电子 密度 ， 图 的 更 深入 的 解释 正在 进行 之 中 ,这 种 探讨 将 得 到 一 些 更 为 详细 的 圆 盘 膜 资料 。 视 紫 红 质 分 子 在 圆 盘 膜 平面 上 的 二 维 排列 似乎 处 于 动态 * 308。 之 中 对 视 此 红 质 生 色 团 作 分 光 镜 测量 提供 了 一 些 膜 上 视 紫 红 质 旋 转 及 转换 的 资料 (10.3)。 103 色素 光谱 和 生 色 团 10.3.1 生 色 团 的 结构 及 其 光谱 Wald 在 许多 年 以 前 就 证 明了 视 紫 红 质 的 生 色 团 为 11- 顺 多 烯 维生素 A 醛 的 异 构 体 , 一 般 称 这 个 分 子 为 11- 顺 视 黄 醛 。 图 10-9 示 这 种 分 子 的 结构 (TD 及 某 些 有 关 分 子 的 结构 。 EM 紫红 质 的 生 色 团 被 分 离 以 前 将 视 紫 红 质 曝 光 ， 则 发 现 视 黄 醛 为 全 反 型 的 异 构 体 (结构 II)oWald 实 验 室 的 Bownds 发 现 曝 光 后 视 黄 醛 通过 础 氢化 钠 还 原 ， 能 固定 在 视 紫 红 质 中 赖 氢 酸 的 e- 氮 基 上 ,所 以 很 可 能 在 还 原 前 是 通过 希 夫 碱 基 (Schiff base) ” 键 (结构 V， 和 项 夫 碱 基 键 相 当 于 结构 了 开 连接 一 个 R 一 NH2) 与 BARBER. 全 一 反 视 黄 醛 的 还 原 项 夫 碱 基 键 在 图 10-9 中 由 VEI 表示。 在 黑暗 情况 下 , 硼 氢 化 物 不 能 到 达 生 色 团 键 , 视 紫红 质 曝 光 后 , 硼 氢 化 物 与 这 个 键 迅 速 反 应 。 可 以 制备 出 来 几 种 不 同 的 视 黄 醛 几 何 异 构 体 ， 包 括 7- 顺 、9- 顺 ,113 顺 、13- 顺 ,9311- 双 顺 .9,13- 双 顺 、11,13- 双 顺 、 9，11，13= 三 顺 等 等 。 天 然 的 11- 顺 异 构 体 在 能 力学 上 是 最 难 生成 的 单 顺 异 梅 体 ， 因 为 在 13- 甲 基 和 10-H Via) CALA 10=9, 结构 D 有 很 大 的 空间 阻力 。 如 果 视 黄 醛 通过 碘 催化 作 用 ,经 加 热处理 异 构 化 形成 平衡 的 混合 物 , 那 公 王 1- 顺 异 构 体 要 比 其 它 的 单 顺 异 构 体 难 形成 得 多 ， 因 此 在 数量 上 某 些 双 顺 、 型 异 构 体 比 112j 质 异 构 体 多 。 理论 计算 指出 11- 顺 视 黄 醛 的 立体 应 变 由 于 第 .12 一 13 单 键 附近 的 扭曲 而 减 小 岂 。 预计 接近 于 12-S- 顺 构象 的 〈S- 顺 指 一 单 键 左右 为 顺 式 构象 )( 图 10-9 结构 ID 扭曲 的 非 平 面 es 309 。 本 ‘ % a. a bom - ae. Me Pe. es 构象 的 能 量 最 低 , 而 12-S- 反 (图 10-9 结 构 ID) 的 非 平面 构象 的 能 量 稍 高 。 还 可 以 预测 ,这 两 种 形式 的 构象 都 在 6 一 7? 键 附近 扭 油 得 很 厉害 ,并 最 接近 于 6-S 顺 式 构象 。 此 后 不 入 ,就 推出 了 11- 顺 视 黄 醛 的 晶体 结构 ,而 这 些 理论 预测 被 在 晶 态 情况 下 定 量 地 证 实 了 。 一 个 非 平面 12-S- 顺 构象 扭曲 到 平面 外 40? ,而 6 一 7 键 从 S- 反 式 方位 扭曲 了 135°, 5 6-$- 顺 构象 近似 正如 核磁 共振 (NMR ) 测 量 所 证 明 的 那样 ， 这 些 键 的 非 平面 构象 在 溶液 中 也 继续 存在 。 在 某 些 视觉 色素 中 找到 了 另 一 个 密切 相关 的 多 烯 生 色 图 10-9 视觉 中 起 重要 作用 的 各 种 维生素 有 衍生 物 的 结构 5 I 为 11- 顺 视 黄 醛 , II 为 11- 顺 -12- S- 顺 视 黄 醛 , II 为 全 反 视 本 黄 醛 ,TV 为 全 反 视 黄 醇 ,V 为 11- 顺 -12-S- 顺 视 黄 醛 希 夫 碱 基 或 11- 顺 -N- 亚 视 黄 基 - 烷 基 胺 ,VEI 为 质子 化 的 11- 顺 =12-S- 顺 视 黄 醛 希 夫 碱 基 或 质子 化 的 11- 顺 -12-S- 顺 亚视 黄 基 - 烷 | He, VIL 为 还 原 的 全 反 视 黄 醛 希 夫 碱 基 或 全 反 -N- 视 黄 基 - j 烷 基 腕 ，VII 为 全 反 3- 脱 氮 视 黄 醛 或 维生素 A, 醛 。 “310。 团 ， 称 为 3- 脱 氢 视 黄 醛 或 维生素 A; 醛 (图 10-9 结 构 VII) ,在 -也 环 中 有 一 个 附加 的 双 键 。 维 生 素 A, 醋 简 记 作 AL 同样 , 维 生 素 A 醛 则 记 作 A. 现 已 对 上 百 种 动物 的 视觉 色素 进行 过 分 析 , 它们 全 都 有 A 或 A; 生 色 团 。 某 些 视 网 膜 即 含有 带 A 的 视 色 素 叉 含有 带 A; 的 视 色素 ， 其 相对 的 比例 可 能 与 年 龄 、 i ah AMAR A， 醛 生 色 团 的 希 夫 碱 基 衍 生物 很 容易 用 溶 于 有 机 溶剂 的 脂肪 胺 制备 ， 它 们 在 接近 紫外 区 有 最 大 吸收 。 图 10-10 中 的 实 线 和 长 划 线 分 别 表 示 11- 顺 和 全 反 - 构 象 的 Al 希 夫 碱 基 的 光谱 。A: 生 色 团 的 类 似 化 合 物 的 最 大 吸收 长 较 AEA 团 的 类 似 化 合 物 的 最 大 吸收 波长 要 长 。 11- 顺 生 色 团 在 最 强 吸收 带 的 短波 侧 有 两 个 峰值 , 称 为 顺 峰 ， 而 且 在 每 种 顺 - 多 烯 中 都 有 。 全 反 生 色 团 较 顺 式 的 有 强 得 多 的 主 吸 收 带 和 较 弱 的 短波 吸收 带 。 如 果 视 黄 醛 的 希 夫 碱 基因 加 酸 而 质子 化 ， 那 委 光谱 的 峰 将 移 到 长 波段 。 图 10-10 中 点 线 表示 11- 顺 Ai 希 夫 300 “400 500 600 | BK Cam) 图 10-10 ， 带 ' 1- 氨 基 -2- 丙 醇 的 视 黄 醋 希 夫 碱 基 的 吸收 光谱 。 虚线 表示 全 反 -N- 亚 视 黄 基 -1- 氮 基 -2- 丙 醇 。 实 线 代表 . 11- 顺 -N= 亚 视 黄 基 -1- 氮 基 -2- 丙 醇 。 点 线 代表 在 11- 顺 -N= 亚 视 黄 基 -1- 氮 基 -2- 丙 醇 中 加 入 等 摩尔 “HCLO， 制备 的 质子 化 的 和 希 夫 碱 基 。 全 部 光谱 都 是 在 1, 2- 二 氧 乙 烷 中 测 出 的 [根据 :J. QO. Frickson and P.E. Blatz Vision Res, 8, 1367—1375 (1968), 资料 复制 ] 有 / BEAT Ate sa FA 10-9 (VD, ARKH 多 数 视 色素 生 色 团 的 吸收 比 质子 化 的 希 夫 碱 基 的 吸收 离 红 光 Bio 蛋白质 环 境 引 起 的 吸收 峰 的 位 移 将 在 10,3;3 里 讨论 。 10.3.2 REALE 视 色 素 (VP) 的 吸收 光谱 可 以 用 三 种 方法 测量 。 第 一 种 ， 视 色 素 可 以 从 分 离 的 视网膜 中 用 适度 的 去 握 剂 盗 液 节 取 。 第 二 种 ， 可 以 在 原 位 用 显 微 分 光 光 度 计 对 单个 光 感 受 器 处 眉 直 接 测量 。 第 三 种 是 可 以 在 完整 的 动物 身上 (包括 人 ) 用 Rushton 和 他 的 同事 ”所 发 展 的 技术 进行 估计 : 对 亮光 曝光 前 后 分 别 测量 从 眼 后 壁 上 反射 回来 的 光量 ， 所 用 的 亮光 使 大 部 分 色素 BA. PAR VPs 都 有 形状 类 似 的 吸收 光谱 ， 其 消光 系数 很 大 ;接近 40000 1Molrim-:。 所 有 天 然 的 视 色 素 被 闲 白 的 量子 效率 都 很 高 (接近 0.67)。 不 同 动物 的 不 同类 型 的 光 感 受 器 视 色 素 吸 收 光谱 的 惊人 特点 是 它们 的 最 大 吸收 波长 的 范围 相当 大 。 最 大 范围 为 从 蓝 光 区 域 的 435nm 到 红 光 区 域 的 625nm。 现在 对 这 种 使 人 印 象 深刻 的 波长 调节 的 机 理 还 不 很 理解 ， 但 是 它 一定 水 及 到 和 蛋 白质 和 生 色 团 的 相互 作用 。 这 个 波长 调节 的 问题 将 在 下 一 章 加 以 讨论 。 在 大 多 数 完 整 的 动物 眼中 或 网 膜 萃取 物 中 都 有 不 同 的 视 色素 共同 存在 。 如 果 不 同 色素 的 最 大 吸收 光谱 互相 靠 得 不 近 ; 那 么 就 可 以 推论 出 上 述 结论 ,而 且 可 以 用 "部 分 漂白 ”的 技 术 计 算 其 最 大 吸收 。 方 法 是 测量 在 不 同 光 照 条 件 下 曝光 的 视 色素 样品 之 间 的 吸收 差别 (差异 光谱 )。“ 漂 白 是 一 个 广 泛 地 被 用 来 描述 视 色 索 曝 光 以 后 发 生 的 颜色 变化 的 术语 立 在 典型 的 实验 中 ,相继 地 对 远 红 光 曝光 , VPs 混合 物 中 吸收 远 红 光 的 色素 首先 被 漂白 ,每 次 漂白 后 记 干 差异 光谱 ,直到 不 能 观察 到 " 312。 进一步 的 变化 为 止 。 然 后 减少 诬 白 光 的 波长 再 重复 上 述 过 程 。 如 果 在 实验 过 程 中 随时 改变 法 白 光 的 波长 以 保证 在 每 一 阶段 上 都 有 1/4 VP 被 漂白 ， 则 各 个 差异 光谱 的 峰 都 接近 VP 的 最 大 吸收 峰 。 图 10-11 表示 提纯 的 牛 视 村 色素 和 分 离 的 11- 顺 视 黄 醛 的 光谱 。 位 于 498nm 处 的 高 峰 称 为 “ 峰 , 在 340nm 附近 的 小 WENY iE, 278nm 处 的 很 强 的 峰 叫 5 峰 。 5 ME EH BA 质 中 的 芳香 氢 基 酸 、 酷 氨 酸 和 色 氮 酸 造成 ,当然 生 色 团 在 这 些 波 长 上 也 可 能 有 一 些 贡 献 。 在 5 波段 吸收 的 光 以 很 高 的 量子 效率 使 视 紫红 质 麻 白 。 虽然 茶 些 昆虫 能 看 见 紫 外 线 , 但 人 类 却 不 能 ， 因 为 紫外 线 在 光 通 过 角膜 和 晶状体 时 被 吸收 了 CHUA 10-1)。 近年 来 应 用 显 微 分 光 光 度 计 对 分 离 的 单个 光 感 受 器 进行 测量 ,对 VP 光谱 的 研究 特别 有 用 。 不 同 的 单个 视 锥 光 感 受 器 0 250 300 350 400 450 500 550 600 650 (nm) 图 10-11 WFAA Ammonyx LO 中 的 提纯 的 片 视 紫红 质 的 吸收 光谱 ( 实 线 ) 和 11- 顺 视 黄 醛 的 吸收 光谱 (虚线 ) ( 引 目 参 考 文献 33)。 。 313。 有 不 同 的 光谱 ， 多 种 动物 都 有 具有 红 、 绿 、 蓝 吸收 峰 的 视 锥 细 胞 2。 这 些 观察 支持 色觉 的 三 色 说 : 有 三 种 类 型 的 视 锥 细 胞 ,各 具有 某 一 种 不 同 颜色 的 VP。 某 些 动物 似乎 具有 二 种 或 两 种 视 锥 细胞 ， 在 这 类 动物 中 有 些 ( 鸟 类 及 两 栖 类 ) 具 有 彩色 的 油 滴 ,只 有 通过 这 种 油 滴 光 才能 到 达 视 杆 外 段 5 同 二 -种 动物 的 不 同 视 锥 细胞 可 能 有 不 同 颜色 的 油 滴 ， 它 们 显然 是 起 泪 色 片 作用 的 。 因 此 视 锥 细胞 有 两 种 类 型 的 光谱 敏感 性 控制 方 法 : VP 吸收 光谱 的 波长 调节 及 某 些 情 况 下 的 油 滴 彩 色 滤 光 。 灵 长 类 视网膜 的 中 央 区 域 称 为 黄斑 8。 这 个 区 域 包括 多 视 锥 细胞 的 中 天 凹 和 多 视 杆 细胞 的 外 周 区 。 黄 诬 含 有 一 种 叫做 黄体 素 的 黄色 色素 ， 它 在 组 织 中 的 位 置 还 不 清楚 。 黄斑 色素 在 蓝 、 绿 区 有 一 系列 相当 尖锐 的 吸收 峰 , 因 此 人 眼 的 光谱 敏感 性 在 这 个 区 域 有 所 下 降 ， 这 是 由 于 这 种 色素 的 吸收 屏蔽 了 光 感受 器 而 造成 的 。 现 在 还 不 了 解 黄 次 色素 的 功能 六 利用 偏振 光 做 显 微 分 光 光 度 测 量 表明 ， 视 紫红 质 生 色 团 在 圆 盘 膜 内 整齐 地 朝向 一 侧 cn。 图 10-12 表示 看 到 的 视 杆 的 几何 关系 : 从 一 端 看 , 如 同 光照 在 完整 的 眼睛 上 ; 从 一 侧 看 ， 犹如 实验 中 在 分 离 出 的 光 感 受 器 上 所 能 做 的 。 用 偏振 光 从 侧面 去 看 光 感 受 器 ， 可 以 发 现 : 如 果 极 化 的 电 矢量 平行 于 腊 的 平面 ， 视 紫红 质 对 光 的 吸收 要 比 电 矢量 垂 直 膜 时 强 得 多 。 如 图 10-12 所 示 , 在 光学 显微镜 下 从 侧面 观察 ,如 果 偏 振 光 平 行 于 视 杆 的 长 轴 振 动 ， 此 视 杆 细胞 就 是 无 色 的 。 如 果 光 平行 于 圆 盘 膜 振 动 , 视 杆 细胞 明显 地 旦 红色 。 之 所 以 为 红色 是 因为 视 色素 吸收 了 绿 光 和 蓝光 而 让 红 光 通过 的 缘故 。 平 行 偏振 光 与 垂直 偏振 光 的 吸收 比 ( 圆 二 色 性 比 ) 为 4 一 6, 这 样 大 的 圆 二 色 性 说 明生 色 团 强烈 地 沿 膜 的 平面 取向 。 光 进 和 完整 的 眼 时 总 是 射 到 光 感 受 器 的 顶端 ， 并 沿 其 长 轴 行 进 。 视 紫红 质 的 排列 最 有 利于 吸收 这 种 光 ， 因 为 从 顶端 ,314， 进来 的 人 射 光 电 矢 量 位 于 圆 盘 膜 的 平面 内 ， 没 有 任何 组 分 与 它 垂直 。 正 如 图 10-12 所 示 ， 从 顶端 看 时 不 管 光 是 如 何 偏振 的 视 杆 都 呈 红 色 ( 即 无 圆 二 色 性 )。 即 从 顶端 看 时 ， 视 紫红 质 的 生 色 团 的 排列 没有 方向 性 。 因 此 与 昆虫 眼 不 同 ， 关 椎 动物 眼 对 光 的 偏振 面 不 敏感 。 如 果 在 视 杆 顶端 射 人 一 东 短 暂 明 亮 的 偏振 光 ， 就 引起 很 大 的 圆 二 色 性 ,但 它 随即 又 很 快 地 冰 失 2 开始 的 圆 二 色 性 是 由 于 那些 排列 取 癌 恰好 最 有 利于 吸收 此 偏振 闪光 的 视 紫 红 质 的 光 选 择 性 及 有 效 麻 白 引 起 的 。 后 来 , 视 紫 红 质 的 分 子 在 膜 平 面 内 迅速 旋转 ， 因 此 圆 二 色 性 迅速 消失 。 旋 转 引起 的 半 失 序 时 间 在 温度 为 5*c 时 约 为 20 us, 温度 每 增加 loc, WK Fe ial (BY Qi 值 ) 下降 2.5 倍 。 用 分 光 光 度 计 方 法 也 测 出 了 视 紫 红 质 在 膜 平面 内 向 外 侧 的 移动 2223。 在 25, Qn = 2 时 间 外 扩散 的 常数 为 4X10 (cm'/s)。 很 显然 ， 圆 盘 膜 的 类 正面 观 图 10-12 ”这 是 一 幅 示意 图 。 说 明 当 以 偏振 光照 明 从 侧面 看 视 杆 外 段 时 ， 有 圆 二 色 性 ， 从 一 端 看 时 无 圆 二 色 性 〈 详 见 正 文 ) 视 蒜 红 质 生 色 团 的 排列 是 高 度 受 限制 的 : 它们 全 部 位 于 圆 盘 膜 平面 内 ;而 在 此 平面 内 的 取向 则 是 随机 的 。 。 315° 脂 基 质 为 视 紫红 质 的 运动 提供 了 一 种 较为 流动 的 介质 。 视 紫 红 质 的 扩散 常数 可 用 于 估计 膜 平面 中 的 有 效 粘 兆 系 数 ， 它 大 约 为 2P, 与 大 部 分 橄榄 油 的 粘 滞 系数 相当 ， 而 为 水 烙 兆 系数 的 200 倍 2。 戊 二 醛 固 定 能 使 视 紫 红 质 的 转动 和 移动 售 止 。 并 且 , 虽 然 视 紫 红 质 仍 能 被 漂白 , 仍 能 经 历 其 正常 的 构象 变化 , 但 网 膜 的 感受 器 电位 却 因 戊 二 醛 固 定 而 消失 ( 见 10.4.5 关于 早期 感受 器 电位 的 讨论 )。 虽 然 对 固定 造成 的 结果 可 以 有 很 多 解释 ， 但 是 最 有 吸引 力 的 还 是 认为 光 激 发 要 求 视 紫红 质 分 子 在 膜 的 平面 内 运动 的 假说 。 10.3.3 ” 视 色 素 光 谱 的 波长 调节 问题 VPs 吸收 峰 范 围 相 当 宽 , 相当 于 0.75 eV 的 生 色 团 激 发 能 差 。 这 样 宽 的 范围 部 分 地 是 由 于 有 两 种 稍 有 不 同 的 生 色 A, AA, 造成 的 。 但 是 A, 色素 本 身 的 范围 就 接近 0.5 eV (430 一 575nm) ， 就 单 种 生 色 团 来 说 这 已 经 相当 大 了 。 在 不 同 VPs 中 ， 生 色 团 结合 位 置 周围 不 同 蛋白 质 环境 或 多 或 少 地 引起 生 色 团 吸收 峰 由 蓝 向 红 移动 。 蛋 白质 对 生 色 团 的 这 种 影响 叫 作 波长 调节 。 其 机 理 还 不 清楚 ， 但 是 已 经 提出 几 种 假说 来 解释 这 个 现象 。 同样 的 VP 蛋白 质 , 当 与 A, 生 色 团 耦 联 时 ,，VP 吸收 的 光 波长 要 比 与 A, 生 色 团 耦 联 时 吸收 的 波长 要 长 。 如 果 用 数 种 VPs 作 A; 一 A, 位 移 的 比较 , 则 发 现 对 吸收 远 红 光 的 色素 来 说 这 个 差别 最 大 ,而 对 吸收 移 向 蓝光 的 色素 来 说 ,这 个 差别 就 变 小 。 实 际 上 ，A; 一 A, 位 移 对 AiVP 或 AiVP 的 最 大 吸收 峰 (EA, 得 到 平滑 的 近 直线 的 结果 ， 而 且 AWA 之 差 在 短波 端 会 聚 到 接近 0。 这 种 现象 叫 作 “ 会 聚 ”。 在 多 种 鱼 中 ,吸收 峰 似乎 “成 镁 ”地 位 于 某 些 不 同 波长 的 附近 2 ,见于 图 10-13 中 的 直方 图 。 这 种 现象 说 明生 色 团 在 。316。 VPs 中 的 环境 的 变化 也 是 不 连续 的 。 高 峰 最 经 常 出 现在 500 nm 处 。 在 海平 面 上 太阳 的 光谱 峰 大 约 在 520 nm 处 ， 在 水 深 。 20 严 处 , 光谱 峰 变 为 500 nm 在 约 50m 深 处 则 降 为 480nmtoa Jo 在 很 多 种 脊 椎 动物 的 视 杆 中 ， 最 常见 的 吸收 峰 位 于 500 nm 附近 (例如 牛 为 498nm, 蛙 为 520nm)。 与 分 离 的 生 色 团 比较 ， 视 紫红 质 的 希 夫 碱 基 键 的 质子 化 引起 较 大 的 红 移 ( 见 10-9 结构 VI 及 图 10-10)。 喇 曼 共 振 光谱 学 实验 已 证 明 视 紫红 质 中 希 夫 碱 基 键 是 质子 化 的 。 与 质 子 化 的 希 夫 碱 基 配对 的 离子 的 性 质 对 光谱 峰 有 很 大 影响 。 羧 基 可 能 是 蛋白 质 环境 中 唯一 可 以 利用 的 阴离子 ， 阴 离子 性 质 ， 的 变化 可 能 不 足以 解释 吸收 峰 范 围 之 宽 。 在 某 些 溶剂 中 , Ai 的 质子 化 的 希 夫 碱 基 的 吸收 峰 红 移 至 KA 500nm， 但 是 永远 不 会 转移 到 最 红 的 VPs 的 吸收 峰 处 视 紫 质 Xmax (nm) 480 490 500 510 520 530 540 550 470 480 490 500 510 520 530 视 紫 红 质 Amax (nm) 图 10-13 硬 骨 鱼 视网膜 的 视 紫 红 质 ( 生 色 团 A,) 及 视 紫 质 ( 生 BHA.) 吸收 峰 的 繁 状 分 布 。 平 滑 的 实 线 是 通过 各 数据 点 画 出 的 。 用 线 连接 起 来 的 视 紫 红 质 和 视 紫 质 高 峰 对 ， 是 根据 A， BAA A, 色素 吸收 峰 的 经 验 关系 得 到 的 ,而 此 关系 是 从 各 种 动物 的 色素 对 推导 出 来 的 ( 引 自 参考 文献 61)。 « 317 。 wee : 45 7 + P >, x ™~ 全 a a NOS ee Se oe Yk Je (24 575nm)。 已 经 证 明 ,如 果 蛋 白质 能 把 第 二 个 阴离子 (或 偶 极 子 ) 加 在 视 黄 醛 的 环 端 附近 ,那么 此 蛋白 质 就 能 引起 大 的 红 移 ( 图 10-9)"9, Ak, 不 同 颜色 的 VPs 中 视 黄 醛 的 环 和 第 二 个 电荷 之 间 的 距离 不 同 。 蛋白 质 使 VP 生 色 团 在 < 带 和 8 带 有 大 的 圆 二 色 性 (CD), 这 说 明生 色 团 的 环境 是 不 对 称 的 ， 而 且 蛋 白质 内 的 这 个 环境 是 有 倾向 的 。 现 在 对 CD 的 起 因 还 不 清楚 。 把 CD 和 对 生 色 团 吸 收 峰 的 控制 (波长 调节 ) 结 合 起 来 研究 ， 比 单独 用 一 种 方法 去 研究 能 有 更 大 的 成 功 机 会 。 牛 的 视 紫 红 质 及 吸收 光 后 的 两 种 产物 光 视 紫红 质 及 异 视 紫 红 质 的 <“ 带 ,8 带 CD 很 相 WA?" (GL 10.4.1)e。 给 这 个 谜 找到 答案 是 未 来 研究 工作 的 课 题 。 下 面 的 内 容 中 就 包括 这 类 研究 的 一 条 可 能 的 途径 。 10.3.4 生 色 团 类 似 物 比较 目 然 产 生 的 视 色 素 A, 和 A, 的 性 质 , 对 VP 光谱 理论 , 提供 了 检验 的 标准 。 除了 11- 顺 异 构 体 以 外 ， 这 些 生 色 团 的 9- 顺 和 9、13-2 顺 寞 构 体 也 能 与 蛋白 质 形 成 色素 。 一 些 时 间 以 来 化 学 家 们 一 直 在 合成 键 长 、 立 体 性 质 和 构象 限制 等 都 不 相同 的 维生素 A 醛 的 类 似 物 。 已 经 发 现 ， 在 接受 何 种 其 它 生 色 团 方面 ， 视 紫红 质 的 结合 位 置 是 十 分 局 限 的 。 长 些 或 短 些 的 多 烯 分 子 都 不 能 形成 VPs，, 必须 有 6 碳 环 存在 , 环 中 的 O 和 3 个 双 键 之 间 任 何 地 方 都 可 以 被 接纳 。 形 成 VPs A ita Be 基 ， 可 是 某 些 失去 甲 基 的 类 似 物 却 没有 天 然 生 色 团 结合 得 牢 固 。 由 9- 去 甲 基 ( 图 10-9 结构 工 缺少 9- 甲 基 ) 形 成 的 色素 的 吸收 光谱 峰 和 CD 的 强度 都 与 天 然 生 色 团 有 很 大 的 差别 。 与 天 然 生 色 团 比较 ， 大 多 数 结构 变化 了 的 生 色 团 与 蛋白 质 生 成 ”的 色素 都 是 不 稳定 的 ， 而 且 光 敏 性 下 降 。 对 这 方面 大 部 分 工 作 已 有 综述 叫 ' 加 ,详细 讨论 这 些 结果 已 经 超出 本 章 的 范围 。 本 318 。 我 只 想 强调 在 研究 蛋白 质 和 生 色 团 相互 作用 方面 ， 视 黄 醛 类 似 物 是 非常 有 用 的 。 10.3.5 光 化 学 视 紫 红 质 激发 的 量子 效率 非常 高 ,接近 0.67。 在 10.3.1 中 已 经 指出 视 紫 红 质 的 麻 白 引起 生 色 团 由 11- 顺 蜡 构 体 ( 图 10-9 中 结构 ID 向 全 反 构 象 (图 10-9， 结构 IH) HRM RK 收 光子 后 引起 的 构象 变化 又 引起 了 本 章 下 一 节 将 讨论 的 一 系 列 变化 。 了 吸收 一 个 光子 后 ， 关 椎 动物 光 感 受 眉 的 一 系列 其 它 变化 都 发 生 在 黑暗 中 ， 因 此 这 个 体系 的 光化学 的 中 心 问题 就 是 完 构 化 机 理 以 及 异 构 化 是 通过 单线 态 途 径 还 是 通过 三 线 态 途径 产生 的 问题 * 视 紫红 质 中 第 一 个 可 测 的 光谱 变化 在 短 于 6ps (6X 10°"s) 内 出 现 。 虽然 这 个 观察 结果 并 没有 解 释 机 理 ， 但 它 排除 了 蛋白质 结合 位 置 同时 发 生 较 大 变化 的 可 能 ， 而 且说 明 把 分 离 的 生 色 团 作 为 模型 来 研究 蛋白 质 内 所 发 生 的 早期 过 程 可 能 是 有 益 的 。 人 似乎， 视 黄 醛 至 少 部 分 地 通过 三 线 态 机 理发 生 异 构 化 。 虽 则 11- 顺 视 黄 醛 在 溶液 中 主要 是 通过 三 线 态 机 理 异 构 化 的 ， 但 质子 化 的 希 夫 碱 基 却 能 更 迅速 地 通过 单线 态 机 理发 生 蜡 构 化 eol。 这 说 明 视 黄 醛 对 研究 视 紫 红 质 的 光化学 可 能 不 是 一 个 好 的 模型 ， 而 质子 化 的 希 夫 碱 基 则 具有 重要 的 不 同 的 性 质 。 10.4 光 刺 激 的 可 测 反应 10.4.1 “漂白 ”中间 产物 的 光谱 及 其 性 质 视 紫 红 质 受 光 照 后 经 历 一 系列 变化 ， 颜 色 也 从 原来 的 粉 红色 经 过 -~ 些 步 骤 而 变 为 黄色 。 如 上 所 述 ， 这 一 整个 过 程 叫 作 * 漂 白 ”。 图 10-14 给 出 漂白 过 程 的 一 系列 已 经 证 实 的 中 间 e 3196 产物 、 它 们 的 最 大 吸收 峰 以 及 在 视网膜 中 或 分 离 的 外 段 内 当 温度 为 20"C 或 37sC 时 的 半 转 化 期 第 一 个 变化 一 一 众 视 紫 红 质 到 前 光 视 紫红 质 一 一 是 由 光 诱 发 的 ， 所 有 其 它 的 变化 都 是 了 瞳 反 应 。 所 有 的 中 间 产 物 都 能 发 生 光 逆反 应 而 重新 形成 视 紫 红 质 。 然 而 有 人 提出 ,有 一 种 间 视 紫红 质 ( 称 为 Peta 工 ,在 me- taI 之 后 形成 ) 不 能 在 光照 下 变 回 为 视 紫红 质 2。 因为 存在 着 光 逆 反应 ,所 以 单 次 闪光 ,不 管 它 多 么 亮 都 不 能 使 所 有 的 视 紫 红 质 谭 白 在 一 次 饱和 闪光 中 漂白 量 与 下 面 玫 个 因素 有 关 : 视 紫红 质 及 中 间 产 物 在 闪光 全 部 光谱 上 的 相对 积分 吸收 本 领 ， 光 逆 反应 的 量子 效率 ,以 及 与 闪光 长 短 比较 中 间 产 物 的 寿命 。 中 间 产 物 的 寿命 ,可 能 还 有 光 逆 反应 的 量子 效率 ,都 和 视 紫 红 质 的 环境 有 关 。 例如 在 多 种 去 拍 剂 中 ，metaI 一 meal 应 速率 加 快 约 1000 倍 。 在 这 些 去 拍 剂 中 ， 经 一 次 1 ms WI 光 几 乎 就 能 达到 完全 漂白 。 相 比 之 下 ， 在 完整 膜 的 类 则 环境 中 ;经 过 一 次 亮 闪光 ,很 难 做 到 漂白 350 多 以 上 。 光谱 变化 的 动力 学 过 程 与 温度 有 相当 密切 的 依赖 关系 。 鼠 的 视网膜 在 37°C 时 meta TE 出 现 的 半 转 化 期 为 0.25 ms, 低 于 0°C 时 meta 工 出 现 的 非常 慢 。 而 metaI 可 用 改变 温度 的 方法 在 低 于 一 15%c 时 扑 获 。 研究 得 比较 仔细 的 牛 视 紫红 质 有 同样 的 与 温度 有 关 的 动力 学 过 程 ， 但 也 有 某 些 差别 。 例 如 温度 低 于 一 40sC 可 得 到 光 视 紫红 质 ， 低 于 一 140se 时 才能 得 到 前 光 视 紫红 质 。 前 光 视 紫红 质 也 可 在 液 氮 温度 (一 196%C ) 形成 ,在 此 温度 下 , 还 有 光 逆 反应 ， 再 变 为 视 紫 红 质 。 但 某 些 9- 顺 色素 (在 牛 视 紫 红 质 中 ,Max = 486， 称 为 异 视 紫 红 质 ) 也 是 在 这 种 条 件 下 的 逆反 应 中 形成 的 。 把 在 一 196sc 时 形成 的 前 光 视 紫红 质 放 在 室温 下 黑暗 中 ， 它 们 就 完成 了 漂白 过 程 。 称 为 视 紫 蓝 质 的 鸡 视 锥 细胞 色素 则 不 同 ， 在 一 196"C 时 形成 的 前 光 视 紫红 质 ,温度 升 高 后 又 变 回 为 视 紫 蓝 质 。 * 320° j 在 metaI 一 meta 工 的 过 渡 中 ， 视 紫红 质 吸收 一 个 质子 。 这 是 很 奇怪 的 ， 因 为 meta I 视 紫红 质 的 吸收 光谱 与 未 质子 化 的 希 夫 碱 基 类 似 。 而 metaI 视 紫红 质 的 吸收 光谱 与 质子 化 的 希 夫 碱 基 类 似 。 因 此 似乎 在 meta 工 形成 时 生 色 团 失 去 一 个 质 子 , 而 在 由 metaI 向 metaI 的 过 渡 中 ,蛋白 质 一 定 吸收 了 这 个 质子 。 在 5sc 时 可 以 观察 meta /imneta II 比例 随 改变 pH 值 的 变 化 ,因为 在 此 温 下 和 牛 meta II 的 寿命 有 数 小 时 之 久 。 在 酸性 液 视 紫 红 质 j498nm) Taosc < 6X 10s hy 前 视 紫红 质 (543 nm) Tooee *_3X10°s T = -140°C 光 视 紫红 质 (497 nm) -6 -40° ne ea T 2 -40°C TOWRA I 478 om) Te%¢ ¥ 107s f 本 +H] ‘| = Tz -15°C Tsze¢ ¥ 0.25-10°s 间 视 紫红 质 下 (380 nm) Tape & 10* s T 20°C 间 视 紫红 质 IE (465nm) 。 | Tyo0¢ 8 10"s Tzoesc * 102 s ” 浅 反 视 黄 醛 十 视 蛋 日 + 视 蛋 a Berd Ve HAE RO. REMEA FHA = RRB (330 nm) 图 10-14 视 紫 红 质 的 漂白 和 再 生 过 程 。 原初 光 事 件 表 示 为 波形 线 ; 以 下 的 热力 学 暗 反应 以 实 线 表示 。 每 一 中 间 产 物 的 最 大 吸收 峰 表 示 在 名 称 后 面 的 括号 内 ， 这 些 值 是 用 咎 视 紫 红 质 得 到 的 。 Troe 和 Tsr00 分 别 近似 地 为 各 中 间 产 物 在 20C 和 TC 时 的 半 转 化 期 。 大 写字 母 T 表 示 发 生 转 化 的 大 致 的 温 度 国 值 。 由 间 视 紫红 质 工 向 闻 视 紫红 质 工 的 转化 ?由 亚 向 全 反 视 黄 醛 十 视 蛋 白 的 转化 和 由 全 反 视 黄 醛 向 11- 顺 视 黄 醛 的 - 转化 各 自 都 又 包括 若干 步骤 。 * 321. 中 metaf 占 优势 ,此 时 比值 遵守 Henderson-Hasselbalch 平 衔 式 ， 其 中 尼 近 似 于 6.5。 在 较 高 的 温度 下 .metaII 和 以 后 的 产物 就 都 形成 了 。 在 meta II 以 后 形成 的 禄 白 产 物 的 颜色 也 与 pH 有 关 ， 其 变化 方式 似 反 映 了 视 黄 醛 希 夫 碱 基 键 的 各 种 质子 化 情况 当 视 紫红 质 位 于 盘 膜 的 类 脂 环境 中 时 ， 在 温度 为 5% 时 meta [45 meta 开 的 比值 也 与 压力 有 关 吧 oj 施加 讨 为 5 metaI 增 加 ，meta I 减少 。 在 大 约 为 2.8 X 10°kg/m? 的 压力 下 metal <== meta I 的 平衡 完全 翻 向 metaTIs 这 些 观察 表明 ，metaI 的 形成 导致 膜 体积 肛 胀 。 这 种 体积 膨胀 有 赖 于 膜 中 类 脂 -蛋白 互 相 作 用 ,因为 如 果 把 视 紫 红 质 提取 到 去 拍 剂 胶 束 中 去 ,就 没有 这 种 压力 效应 。 在 去 拍 剂 提取 物 中 形成 meta 工时,， 视 紫红 质 还 让 另外 某 些 硫 氢 基 团 暴露 在 外 并 与 硫 氨基 反应 物 作 用 。 相 反 地 , 盘 膜 中 的 视 紫 红 质 在 形成 meta II 的 时 候 并 没有 暴露 出 硫 氢 基 团 呈 ])。 这 些 说 明 去 拍 剂 提取 物 并 不 是 研究 meta I 时 的 视 紫 红 质 性 质 的 适当 的 模型 ; 借 环 境 是 非常 重要 的 。 视 紫红 质 漂白 的 前 期 各 阶段 ,包括 由 meta I [A] meta 开 的 转化 ,是 特别 有 意义 的 ,因为 metaI 形 成 以 后 的 光谱 变化 太 慢 ,不 能 解 释 由 光 的 吸收 到 视觉 兴奋 之 间 短 暂 的 时 间 延 迟 。 10.4.2 视觉 循环 视 紫 红 质 的 漂白 导致 慢 慢 地 释放 全 反 视 黄 醛 》 ERA, 酶 促 全 反 视 黄 醛 转 变 为 11- 顺 视 黄 醛 ， 从 而 产生 漂白 的 视 紫 红 质 。11- 顺 视 黄 醛 又 能 与 床 白 的 视 蛋 白 自 行 结 合 ,重新 生成 视 紫 红 质 。 在 形成 11- 顺 视 黄 醋 过 程 中 有 很 多 中 间 步 又 , 这 些 已 被 表示 在 图 10-15 中 。: 从 视 紫 红 质 被 漂白 到 其 再 生 的 整 个 过 程 叫 作 视觉 循环 。 在 剥离 的 视网膜 ,提纯 的 ROS 中 ,或 去 拍 剂 提取 液 中 很 少 有 或 者 说 不 能 自发 再 生 。 而 如 果 在 漂白 的 e 322 。 视 紫 红 质 所 处 的 膜 环 境 中 ， 或 在 少数 几 种 去 垢 剂 中 的 某 种 内 ( Pl ane Wes EF, Tween-80 Meee BEA) 加 人 1IL1- 顺 视 黄 醋 ， 就 可 以 有 再 生 。 大 多 数 去 垢 剂 并 不 有 助 于 11- 顺 视 黄 醛 再 生 为 视 紫红 质 。 如 果 膜 内 含有 磷脂 酰 乙醇 胺 ， 则 视 黄 醛 和 其 它 醛 类 使 膜 能 透 过 离子 ， 但 是 相应 的 醇 类 没有 这 种 作 用 sa。ROS 膜 有 丰富 的 磷脂 酰 乙醇 胺 。 在 膜 中 漂白 时 并 无 视 黄 醛 的 积累 ， 因 为 氧化 还 原 酶 的 活动 ( 见 图 10-14) 迅 速 地 把 它们 还 原 为 视 黄 醇 (图 10-9 结构 IV' ， 同 时 消耗 掉 还 原型 磷 酸 尼克 酰胺 逐 腰 叭 核 蔡 (NADPH)。 在 分 离 的 ROS HPA 些 视 黄 醛 还 原 活动 ,但 NADPH 则 已 大 部 分 消耗 光 了 。 在 视 循环 中 ， 视 黄 醛 形成 以 后 的 过 程 的 详细 情况 还 没有 FE, 如 条 大 量 色素 被 漂白 , 视 黄 醛 就 还 原 为 视 黄 醇 , 再 被 脂 化 为 脂肪 酸 ， 运 送 到 色素 上 皮 。 视 循环 通过 变 为 11- 顺 的 异 构 化 、 再 回 到 ROS、 酯 水 解 以 及 视 黄 醛 氧 化 而 完成 ; 但 这 些 过 程 的 位 置 和 顺序 还 不 完全 清楚 。 如 果 视 色素 的 漂白 在 接 近 生理 光照 水 平顺 利 地 发 生 ， 那 就 证 明 有 一 种 “短程 视 循环 ” 存在 。 在 这 个 循环 中 视 黄 醛 不 离开 ROS HRA RIL, 脱离 色素 上 皮 的 视网膜 供 以 葡萄 糖 和 一 些 简单 的 盐 类 ， 并 不 能 使 被 漂白 的 视 紫红 质 发 生 再 生 。 但 如 果 将 剥离 的 视网膜 保 持 在 一 个 小 室内 ， 会 有 很 慢 的 再 生活 动 g。 很 显然 剥离 的 视 网 膜 失去 或 冲 稀 了 某 种 因子 ， 而 这 种 因子 是 视 循环 中 再 生 所 需要 的 。 为 了 找 出 视 循环 中 的 这 种 因子 及 色素 上 皮 的 作用 ， 还 需要 进一步 的 工作 。 10.4.3 心理 物理 学 和 作用 光谱 研究 感觉 系统 的 一 种 有 效 的 方式 就 是 让 完整 动物 以 某 种 方式 “报告 * 它 检测 到 了 什么 ,或 者 它 实 际 上 是 否 检测 到 实验 者 精心 设计 的 刺激 。 这 种 方法 叫 作 心理 物理 学 方法 。 另 外 一 。323。 4 oe oe 种 光 生 物 学 常用 的 有 效 方法 是 测量 反应 的 量子 效率 ， 把 它 作 为 激发 波长 的 函数 。 测 得 的 曲线 叫 反 应 的 作用 光谱 ( 见 工 5.4 和 3.7)。 已 经 用 心理 物理 学 方法 在 多 次 实验 中 证 明子 视 党 作用 光 谱 与 存在 的 视 色 素 的 吸收 光谱 完全 一 致 。 在 只 含有 视 杆 细胞 或 只 含有 视 锥 细胞 的 视网膜 中 这 种 测量 是 很 简单 的 ,， 但 是 在 既 有 视 杆 细胞 也 有 视 锥 细胞 的 混合 视网膜 中 就 复杂 得 多 了 。 PEK Dr 视觉 兴 奉 RATATD “一 人 By) 间 视 紫 红 质 nm ? MSS + 11- 顺 视 黄 醛 . SRM NADPH NADPH ' Ky wappt NApP+ —4 “! 11- 顺 视 黄 醇 全 反 视 黄 醇 1 1-12 BS ekRMRieke Lia «---- -全 反 视 黄 醇 本 “ 全， i ? ? Y : ra eli +----=+- SR MRM r? 1? ' ? 1i-wAke 和 一 一 aon RMR 图 10-15 视觉 色素 在 眼 内 视 循环 的 路 线 。 以 实 线 表示 的 反应 是 已 证 实 的 ， 虚 线 表示 的 反应 是 否 存在 于 生理 光 刺 激 条 件 下 还 不 能 肯定 ， 每 种 反应 发 生 的 部 位 玫 示 在 左 侧 。I TAM, R,，R: 为 视 黄 醛 氧化 还 原 酶 。 « 324。 混合 视网膜 的 敏感 性 在 暗 光 下 与 视 杆 细胞 的 VP 吸 收 光 谱 相 符 ,在 亮光 下 与 视 锥 细胞 的 吸收 光谱 相符 。 经 亮光 刺激 之 后 ， 光 感 受 器 的 敏感 性 明显 地 下 降 ， 这 种 现象 叫 作 光 适 应 。 有 一 种 误 知 的 经 验 ， 当 从 瞳 光 环境 进入 亮光 照明 的 环境 中 时 会 暂 时 地 有 视觉 言 现 象 ， 而 后 很 快 地 就 适应 于 在 此 亮光 下 视 物 To 类 似 地 ， 由 亮光 环境 进入 暗 光 环境 时 ， 光 感受 器 敏感 性 增加 ， 这 种 现象 叫 作 暗 适应 ， 也 是 日 常生 活 中 熟知 的 经 Ws . | 瞳 适 应 的 动力 学 过 程 很 复杂 。 视 锥 细胞 敏感 性 恢复 很 迅 速 , 但 是 它们 的 活性 似乎 却 压抑 了 视 杆 细胞 的 恢复 后 。 视 杆 细 胞 敏感 性 恢复 比 视 锥 细胞 慢 得 多 ,其 半 饮 复 期 约 为 5 一 8 min。 视 杆 细胞 完全 暗 适 应 需要 30 min。 了 解 光 适 应 和 暗 适 应 的 机 制 尚 需要 更 多 的 光 感 受 器 内 部 机 制 方面 的 知识 。 10. 4.4， 视 网 膜 电 图 (ERG) 可 以 用 几 种 方法 测量 光 感 受 器 对 光 的 电 反应 。 一 种 简单 而 有 效 的 方法 是 跨 完整 动物 眼 测 量 它 对 光 刺 激 反 应 产生 的 电 位 ， 用 解剖 下 来 的 眼 或 视网膜 也 可 以 。 这 些 电位 叫 作 视 网 膜 电 图 (ERG)， 可 以 用 粗 电 极 《〈《 例 如 用 盐水 浸 湿 的 棉线 ) 或 细 胞 外 微 电 极 测 量 。 可 以 把 这 些 反应 分 离 为 几 个 组 分 ， 其 中 有 起 源 于 光 感 受 器 的 〈a 波 或 称 为 PII)， 起 源 于 视网膜 深层 的 (b 波 ) 以 及 起 源 于 色素 上 皮 的 (c 波 )。 在 剥离 的 视网膜 中 加 天 冬 氮 酸 钠 可 以 把 2 波 分 离 出 来 ， 因为 这 种 氨基 酸 盐 可 以 使 位 于 感受 器 以 下 的 水 平 细胞 钝 HP, a 波 对 缺 氧 和 缺 葡萄 糖 极为 敏感 ,说 明 需 要 氧化 能 源 。 另外 a 波 可 因 缺 Na” 和 增加 Ca’? 而 受到 抑制 。 a 波 在 光 刺 ZS RELA HL ¢ 3256 10.4.5 早期 感受 器 电位 (ERP) 很 强 的 闪光 刺激 能 引起 一 个 探测 不 到 有 和 任何 延迟 的 电 位 吧 。 此 反应 叫 作 早期 感受 器 电位 (ERP)o ERP 5 a eA, 它 有 很 高 的 耐 缺 氧 能 力 ,并 且 与 环境 中 的 盐 的 关系 并 不 严格 。 ERP 与 被 谭晶 的 视 紫 红 质 量 有 线性 关系 ;而 视网膜 产生 的 其 它 电 位 则 与 被 诗 白 的 视 紫 红 质 量 有 非 线性 关系 呈 。 利 用 麻 白 的 中 间 产 物 的 光 逆 反应 已 经 证 明 , 可 以 用 ERP 来 监视 视 紫 红 质 中 间 产 物 之 间 的 互相 转化 oo Hagins 和 Rappelt 证 明 ERP( 他 称 为 快 光 电位 或 了 PVD) 似 乎 与 电荷 跨 视 杆 细胞 原生 质 膜 的 移动 相对 应 。 可 能 在 潭 自 中 间 产 物 互相 转变 过 程 中 视 紫 红 质 改变 了 构象 ， 而 这 种 构象 变 化 导致 电 谷 跨 膜 分 布 的 变化 。 脱 落 膜 盘 中 的 视 紫 红 质 对 ERP 没有 任何 净 电 位 贡献 ， 因 此 ERP 仅仅 是 外 包 原 生 质 膜 人 (当然 也 包括 视 杆 外 段 基部 没 脱落 的 圆 盘 ) 内 的 视 紫 红 质 变化 引起 的 。 麻 白 以 后 的 光谱 变化 主要 是 由 于 膜 盘 内 视 紫 红 质 变化 的 结果 。 因 为 ROS 膜 中 97 一 99 多 的 面积 都 是 圆 盘 膜 。 光 谱 和 ERP 变化 的 动态 过 程 不 论 是 正 向 的 还 是 反 铅 的 都 非常 相似 ， 这 一 点 说 明 在 圆 盘 内 和 原生 质 膜 内 的 视 紫 红 质 性 质 相似 5 ERP 研究 对 于 了 解 视觉 兴奋 的 机 制 几乎 没有 什 委 贡献 ， 但 是 它 确 实 表明 漂白 以 后 视 紫 红 质 经 历 了 构象 变化 ， 特 别 是 在 meta I 形成 时 发 生 的 构象 变化 更 为 明显 。 在 10. 4.1 中 讲 到 的 压力 实验 和 化 学 反应 实验 中 已 测 出 形成 metaI 时 有 构象 的 变化 。Meta I 视 紫红 质 形成 相当 快 ， 它 是 与 视觉 兴奋 有 关 的 并 且 已 经 测 出 光谱 的 最 后 中 间 产 物 。meta I 以 前 的 所 有 中 间 产 物 都 是 在 由 明胶 底片 中 的 毛 地 黄 皇 苷 胶 束 制备 的 干系 统 中 形成 的 。 如 果 把 曝光 的 底片 在 黑暗 中 水 化 ,就 形成 meta Il, 因此 meta I 又 是 需要 有 水 环境 的 第 一 个 中 间 产 物 。 所 有 这 些 320。 都 说 明 在 形成 meta 了 时 产生 重要 的 构象 变化 , 而 且 meta I] 的 形成 可 能 是 触发 视觉 兴奋 的 首要 步骤 。 10.4.6 细胞 内 记录 的 光 感 受 器 反应 所 谓 细 胞 内 记录 就 是 把 微细 玻璃 管 电极 刺 人 一 个 细胞 内 ， 直 接 测 量 跨 细胞 膜 的 电位 。 在 微细 玻璃 管 中 充 以 浓 盐 溶 液 ， 提 供电 的 接触 。 细 胞 内 记录 对 了 解 各 种 细胞 特别 是 神经 细胞 和 肌肉 细胞 的 电学 人 性质 及 离子 流 一 直 非 常 有 用 。 光 感受 器 细胞 比较 小 ,细胞 内 记录 很 困难 ,然而 近 几 年 技术 的 改进 使 得 可 以 在 几 种 光 感 受 器 大 的 动物 视网膜 上 作 细 胞 内 记录 。 对 视网膜 深层 接受 光 感 受 器 刺激 的 其 它 细胞 也 作 了 大 量 细胞 内 记录 研究 cm。 对 逐渐 变化 的 光 刺 激 ， 光 感受 器 并 不 像 轴 突 那 样 产生 峰 电位 ,而 是 产生 平稳 的 逐渐 变化 的 反应 所 也 匀 。 光 感受 器 像 所 有 其 它 细 胞 一 样 ,细胞 内 为 负电 位 ,但 是 它们 对 光 反 应 时 发 生 超 极 化 (细胞 内 变 得 更 负 ) 而 不 是 去 极 化 。 视 网 膜 深层 的 水 平 细胞 和 双 极 细胞 对 刺激 的 反应 也 是 逐渐 的 去 极 化 。 神 经 节 细 腹 的 反应 性 质 和 “标准 ”的 神经 元 一 样 , 对 刺激 的 反应 为 去 极 化 ,其 输出 是 由 一 串 峰 电位 组 成 的 。 通过 研究 光谱 敏感 性 、 饱 和 特性 和 记录 之 后 所 作 的 细胞 内 染色 标记 证 明 ， 对 视 锥 细胞 和 视 杆 细胞 都 能 进行 细胞 内 记 录 。 与 视 锥 细胞 比较 ， 视 杆 细胞 电 反应 的 动力 学 过 程 要 慢 得 多 ， 特 别 是 在 一 短暂 刺激 之 后 的 人 恢 复 时 相 。 视 杆 细胞 也 接受 附近 视 杆 的 会 聚 信号 ， 这 种 信号 的 会 聚 是 视 杆 视觉 高 敏感 性 的 原因 之 一 ， 当 然 它 也 导致 视 杆 视觉 的 视 敏 度 (空间 分 辩 率 ) 下 降 。 如 果 对 邻近 较 大 面积 上 的 视 杆 细胞 施 以 刺激 ,那么 单 不 视 杆 细胞 在 大 大 低 于 1 个 量子 / 视 杆 细胞 的 水 平 就 能 产生 可 检测 到 的 信号 。 在 此 强度 以 上 , 视 杆 细胞 的 反应 振幅 饱和 ， 。 327。 并 且 随 着 超 饱 和 刺激 的 增强 ,其 恢复 变 得 越 来 越 慢 s 光 感受 器 电压 反应 的 幅度 遵循 如 下 关系 式 : AV/AV max = 1°/CI” + K™)3 ”这 里 AY 是 电压 反应 ,7 为 刺激 强度 ， n HAR, BOERS 璐 不 同 而 在 0.8 一 2.0 的 范围 内 变化 ， 玉 是 产生 半 饱 和 的 刺激 强度 ,其 值 大 约 为 30 个 量子 / 视 杆 细胞 。 瞳 适 应 的 视 锥 细胞 在 大 约 每 个 细胞 吸收 100 个 光子 的 时 候 出 现 可 测 到 的 反应 ， 所 要 求 吸收 的 平均 光量 子 数 随 强度 而 增加 ， 一 直到 每 个 细胞 10'—10° 个 光量 子 。 半 饱和 强度 开 约 为 1200 一 1300 个 光量 子 。 这 些 数 字 都 是 近似 的 , 但 是 ,很 明显 可 以 看 出 视 锥 细胞 的 敏感 性 比 视 杆 细胞 要 低 得 多 。 在 有 背景 适应 光 的 情况 下 , 视 锥 细胞 就 失去 敏感 性 ,而且 有 的 甚 臻 只 对 背景 光 以 上 10 个 光量 子 / 视 锥 细胞 才 有 可 检测 的 反应 。 视 杆 细胞 和 视 锥 细胞 两 类 感受 器 一 起 使 可 检测 的 有 用 强度 变 化 范围 为 102 倍 。 10.4.7 细胞 外 微 电 极 记录 Hagins 和 他 的 同事 "9 建立 了 一 种 方法 ， 用 以 在 解剖 下 来 的 视网膜 上 测定 电流 的 空间 定位 。 这 种 方法 就 是 在 两 个 低 阻 抗 的 微 电 极 之 间 测 量 细胞 外 电压 梯度 。 细 胞 外 介质 的 阻抗 虽 小 ， 但 不 可 忽视 。 在 组 织 的 两 个 区 域 各 放 一 个 电极 ， 两 区 之 间 的 电流 就 在 两 个 电极 间 产 生 一 个 小 的 电压 。 可 用 电压 梯度 沿 光 感受 器 的 空间 分 布 来 确定 电流 源 和 塞 的 位 置 ， 并 测量 这 些 电流 的 大 小 s 在 无 脊 椎 动物 的 视网膜 中 ， 有 光 时 流 大 光 感 受 器 外 段 的 钠 电流 增加 5 , MEE, 情况 恰好 相反 4。 例如 鼠 视 网 膜 在 黑暗 中 有 一 大 的 Nat 电流 (107 Nat/ 视 杆 . 秒 ) 由 内 段 流向 外 段 ， 而 光 则 能 降低 这 个 电流 。 每 个 视 杆 细胞 吸收 一 个 + 3286 司 OO lt Ee a eee Oe J 光子 可 降低 电流 约 1%. 这 种 下 降 一 直到 最 大 反应 的 一 半 ， 即 接近 每 个 视 杆 细胞 吸收 30 个 光子 处 ， 都 是 线性 的 。 而 对 闪光 刺激 的 整个 反应 曲线 遵循 关系 式 FT/Fnx 一 7/(T 十 30); 与 在 其 它 视 杆 细胞 内 记录 的 结果 类 似 。 Yoshikami 和 Hagins“*! 发 现 高 浓度 Cat ( 约 10mM ) 能 反 过 来 模拟 光 压 抑 光 感受 器 Nat 电流 的 作用 。 他 们 提出 : Ca“ 是 控制 Na* 通 透 性 的 细胞 内 信号 ,而 细胞 外 施加 Caz+ 不 能 很 有 效 地 进 人 细胞 内 。 在 有 奥 巴 因 (一 种 Nat-,K?-ATP 酶 抑制 物 ) 存 在 时 Nat+ 暗 电流 下 降 ， 而 光照 或 加 细胞 外 Ca’? 能 减 慢 此 下 降 速 度 。Ca 一 可 能 是 视觉 兴奋 的 细胞 内 信 号 ,这 就 是 5 (ER iio FE 10.5.3 将 对 此 作 进 一 步 说 明 。 10. 4.8 ”通过 渗透 压 反应 测量 的 视 杆 外 段 离子 电流 分 离 的 新 鲜 蛙 或 鼠 的 ROS 经 超 郊 处 理 后 迅速 地 收缩 ””。 在 大 多 数 盐 溶液 中 , 视 杆 细胞 仍 处 于 收缩 状态 , 但 在 NaCl 溶 液 中 在 黑暗 条 件 下 ;它们 却 能 迅速 恢复 到 原来 的 长 度 * 如 果 在 NaCl 溶液 中 , 收缩 了 的 视 杆 细胞 受到 光 的 照射 , 或 在 此 溶液 中 同时 也 有 高 浓度 的 Ca (10mM) 存 在 ,那么 它们 的 长 度 就 不 ”能 恢复 。 这 个 实验 及 其 它 一 系列 实验 表明 光 和 细胞 外 的 Ca? 能 够 控制 流 和 人 外 段 的 Na 。 如 果 制 备 流 内 ROS 浓度 不 高 ,或 ROS 存在 的 时 间 目 网 膜 被 解剖 下 来 算 起 超过 15 分 钟 ， 则 超 B NaCl 处 理 后 的 恢复 就 不 出 现 了 。 似乎 在 视 杆 细胞 圆 盘 之 间 15nam 的 空间 上 有 一 个 "弹簧 ”， 当 高 浓度 盐 存 在 时 , 这 个 空间 就 破坏 了 ，, 在 黑暗 中 NaCl 溶液 内 又 恢复 了 Som 的 间隔 。 这 是 用 冰冻 刻 蚀 方法 测量 盘 膜 间 隔 证 明 的 。 在 黑暗 中 ROS 原生 质 膜 是 能 透 过 NaCl 的 ,因而 使 它 从 超 次 引起 的 收缩 状态 下 恢复 。 由 恢复 速度 可 以 计算 出 : 在 黑暗 中 每 秒 有 10° 个 Nat 通过 每 一 视 杆 细胞 的 原生 质 膜 ， as 3296 而 每 个 视 杆 细胞 吸收 一 个 量子 就 可 降低 Nat 通 透 性 的 1 一 3 5pL7。 10.4.9 人 工 类 脂 膜 内 的 视 紫 红 质 黑 脂 膜 (CBLM) 是 一 种 宏观 的 双 层 类 脂 膜 , 它 是 在 把 两 个 盛 水 小 室 隔 开 来 的 特 氟 隆 片上 的 一 个 小 圆 孔 的 两 边 形 成 的 。 因为 用 反射 的 日 光照 明 观 察 时 ,这 种 双 层 膜 是 黑色 的 ,因而 叫 黑 脂 膜 。 可 以 把 视 紫 红 质 参 人 到 BLM HA, 视 紫红 质 放 到 膜 的 两 侧 并 不 稳定 ， 如 果 仅 放 在 一 侧 可 以 得 到 腊 常 稳定 的 膜 。 与 天 然 的 盘 膜 相 比较 , 这 个 性 质 是 很 有 意思 的 ;因为 正如 我 们 在 10. 2. 3 中 讨论 过 的 ,冷冻 蚀刻 和 化 学 标记 实验 证 明 的 。 因为 可 以 较 易 于 测量 电导 ,，BLM 系统 特别 有 用 as 在 黑暗 中 ,; 视 紫红 质 对 膜 的 电导 并 无 很 大 影响 。 RMR es 视 紫 红 质 的 膜 的 电导 显著 增加 。 现 在 还 没有 关于 光 诱 发 电 寻 的 离子 选择 性 或 单 通道 电 寻 的 报道 。 现在 已 经 可 以 把 提纯 的 视 紫 红 质 重新 装 进 用 各 种 各 样 的 磷脂 做 成 的 类 脂 小 泡 中 去 ”5 六 。 MALIA EK EAR 有 天 然 盘 膜 的 非 对 称 性 ,而 是 对 称 地 排列 在 双 层 膜 的 内 外 s 如 果 用 这 样 一 种 类 脂 ， 它 在 适当 的 实验 温度 下 就 由 固 相 变 为 被 相 , 在 相 变温 度 以 下 , 视 紫 红 质 就 被 从 纯 固 态 的 类 脂 中 挤 出 去 ， 但 是 被 漂白 的 视 紫红 质 在 某 些 情况 下 仍然 分 散在 其 中 宕 。 由 自 旋 标记 测量 推测 ， 视 紫红 质 能 降低 类 脂 碳 氢 链 的 活性 加。 ASH AEA A He EH metal meta I 的 动力 学 过 程 而 县 在 这 种 重新 组 成 的 系统 中 ， 这 种 动力 学 过 程 可 以 恢复 到 接近 其 天 然 速度 “。 重 新 做 的 系统 可 以 对 视 紫 红 质 的 类 质 环境 提 盘 膜 中 视 紫 红 质 并 非 对 称 排列 的 ， 而 是 具有 外 向 的 不 对 称 性 和 供 实 验 控 制 ,这 在 多 种 实验 中 都 是 很 有 用 处 的 。 ] 。 330。 天 ‘ < ye oe “aa ae eee \ Fae Ld ‘ «phe AS er le Rabid ys fe ts wey. > . ~ ii catin bb a ero ae 和 bs * ; 10.5 视觉 兴 和 但 和 适应 的 机 制 10.5. 1 内 传递 介质 假说 视 杆 细胞 的 拓扑 结构 说 明 -一 定 有 一 种 细胞 内 “传递 介质 ” 把 信号 从 圆 盘 上 吸收 光 的 位 置 带 到 原生 质 外 膜 上 Nat 电导 变化 的 位 置 ; 只 有 在 视 杆 细胞 基部 新 形成 的 圆 盘 与 原生 质 腊 连接 在 一 起 , 大 多 数 圆 盘 都 已 经 脱落 ,不 与 原生 质 膜 连 接 。 厌 生 质 膜 只 十 外 女 全 部 膜 面积 的 1 一 3 多 ,其 余 的 9799 % ABLE 圆 益 膜 。 又 因为 视 紫 红 质 在 原生 质 上 膜 上 不 可 能 比 在 圆 盘 上 堆 RAE, RUA MRE BL. SP RET Se 是 非常 敏感 的 那些 不 与 原生 质 膜 连 接 的 圆 盘 也 必然 被 用 来 引起 细胞 反应 。 这 种 论点 要 求 在 圆 盘 和 原生 质 膜 之 间 有 一 种 言 号 或 “传递 介质 *。 这 个 信号 似乎 极 不 可 能 是 一 种 强 电 看 合 ;因为 那样 圆 盘 就 需要 接受 或 释放 足够 的 离子 以 参与 产生 膜 电位 5 关于 不 可 能 是 电 厕 合 的 更 详细 的 讨论 可 以 参阅 文 献 思 。 视 杆 细胞 的 高 敏感 性 与 细胞 内 传递 介质 是 化 学 物质 并 对 应 着 原生 质 蜡 上 的 特异 的 受 体 的 看 法 是 一 致 的 。 即使 瞪 放 或 接受 极 少量 这 种 特异 的 传递 介质 ， 它 们 与 原生 质 膜 上 特 异 位 置 结合 ,就 能 影响 膜 的 Nat 通 透 性 。 1 10.5.2 传递 介质 的 必 备 条 件 要 改变 传递 介质 在 原生 质 膜 上 的 浓度 ， 圆 盘 释 放 或 接受 它 的 速度 就 必须 相当 快 ， 这 个 时 间 与 对 弱 闪 光 的 峰 反应 时 间 (100 一 200ms) 相 当 。 吸收 一 个 光子 之 后 ， 就 必须 吸收 或 释放 足够 量 的 传递 介 质 ， 只 有 这 样 才 能 检测 出 高 于 视 杆 细胞 本 底 泄 凋 和 原生 质 膜 电导 热 噪声 的 传递 介质 浓度 的 变化 。 几 个 方面 的 理论 分 析 说 e 331 。 明 这 个 数目 必须 大 于 100 一 1000 个 传递 介质 /光子 。 传递 介质 一 定 要 结合 在 原生 质 膜 上 ， 而 这 种 结合 一 定 会 影响 Na ”电导 。 在 黑暗 的 情况 下 实验 性 地 改变 传递 介质 浓 度 应 该 与 光 的 作用 类 似 。 在 黑暗 中 传递 介质 的 浓度 必须 很 快 地 回 到 其 初始 水平， 只 有 这 样 才 能 解释 原生 质 膜 电 压 的 恢复 速度 。 用 瞳 光 刺激 时 其 半 恢 复 期 为 0.15 一 0.5s ， 而 用 亮光 刺激 时 这 个 时 间 要 长 得 多 。 盘 膜 上 的 视 紫 红 质 必须 以 某 种 形式 控制 光照 下 传递 介质 的 水 平 ， 这 可 能 通过 如 下 方式 实现 : @@ 结 合 传递 介质 的 表面 的 变化 ; @ 控 制 传递 介质 水 平 的 酶 活性 的 变化 ; 图 视 紫 红 质 作为 一 种 跨 膜 载体 的 性 质 的 变化 ， 这 种 变化 能 保证 传递 介质 从 圆 盘 内 向 外 以 一 定 速率 输 运 ; 四 它 作为 一 种 穿 膜 细 和 孔 的 性 质 的 改变 ,这 种 改变 引起 传递 介质 从 圆 盘 内 释放 。 因为 光 感 受 器 细胞 的 敏感 性 非常 之 高 ， 很 可 能 细胞 内 传 递 介 质 在 上 暗 适应 时 浓度 很 低 ， 并 且 光 激发 的 视 紫 红 质 引起 这 一 水 平 的 升 高 而 不 是 引起 其 降低 。 按 这 种 方式 ， 传 递 介质 绝 对 量 有 很 小 的 增加 就 能 引起 其 比例 有 较 大 的 变化 。 因 为 蛙 视 杆 细胞 每 吸收 一 个 光子 就 要 关闭 大 约 10 个 Na® 通道 / 视 杆 ， 所 以 传递 介质 需要 有 很 大 的 增益 。 10.5.3 钙 作 用 的 证 据 钙 在 光 兴 奋 中 似乎 起 某 种 作用 。 尽 管 还 没有 证 明 ， 但 很 可 能 ROS 中 的 内 传递 介质 就 是 钙 。 在 10.4 中 已 经 提 到 ,高 浓 度 的 细胞 外 钠 盖 如 为 10mM 量 级 就 能 模拟 光 的 关闭 流 过 原生 质 膜 钠 电 流 的 作用 。 但 是 用 解剖 下 的 鼠 视 网 膜 实 验 , 如 果 加 一 种 叫 作 X 537 A 的 跨 膜 离子 载体 ， 则 微克 分 子 水 平 的 细胞 外 钙 就 可 以 模拟 光 的 作用 了 ”。 这 个 观察 对 钙 耦 联 假说 是 一 个 s 332» | | J 有 力 的 支持 ， 但 还 没有 以 应 有 的 简单 方法 肯定 地 证 明 它 的 作 Flo 离子 载体 X 537A 的 特异 性 相当 低 ， 除 Ca’? 以 外 它 也 能 运送 很 多 其 它 离子 。 在 把 Ca 运 进 的 同时 ，X 537 A 也 倾 向 把 其 它 阳 离子 带 出 来 。 有 证 据说 明 质 子 可 能 是 视觉 兴 得 的 原初 触发 因子 ， 而 Ca 水 平 的 变化 只 是 光 激 发 的 次 级 结果 。 可 能 在 外 Ca2+ 低 的 情况 下 , 加 一 点 X 537 A 会 从 圆 盘 上 移 去 cas+ ， 从 而 消除 视 杆 细胞 对 光 的 敏感 性 。 在 有 X 537 A 的 低 鳃 液 中 视 杆 细胞 的 光敏 性 持续 至 少 20 DH ARR. BT 载体 A 23187 对 二 价 离子 有 较 大 的 特 卉 性 ， 但 还 没有 用 此 种 离子 载体 进行 研究 的 报道 。 各 种 各 样 的 研究 工作 者 作 了 大 量 的 努力 去 证 明 在 光照 下 Ca 被 从 圆 盘 上 释放 下 来 ， 在 黑暗 中 被 结合 上 去 。 几 个 研究 证 明 在 黑暗 中 Ca 六 被 ROS 片断 吸收 ,但 是 未 能 证 明 在 同样 制 备 液 中 光 诱 发 Caxt 的 释放 。 在 这 些 制备 液 中 混 有 线粒体 可 能 . 是 一 个 间 题 ,因为 线粒体 极 能 吸收 Ca ,而 且 当 然 不 会 因为 有 光 再 把 它们 释放 出 来 。 几 个 小 组 已 证 明光 诱 使 Ca 释放, 但 这 些 作用 的 量子 效率 非常 之 低 4 委 工 个 ca/ 光子 )。 最 近 的 评论 已 更 为 详细 地 谈 到 了 Ca+ WOT REE AO, 很 显然 ， 需要 更 多 的 工作 来 充分 鉴别 传递 介质 ， 还 需要 发 展 一 种 方法 检验 传递 介质 的 释放 。 在 这 个 领域 内 ， 研 究 者 正在 确定 视 紫 红 质 起 什么 作用 ,一 旦 解决 了 这 个 问题 ,就 可 能 确定 它 如 何 起 作用 了 。 10.5.4 “与 光 刺 激 有 关 的 酶 的 活动 已 经 发 现 ， 当 视 杆 感受 器 细胞 受到 光照 兴奋 时 有 几 类 酶 活性 变化 , 虽 则 大 多 数 变化 似乎 太 慢 , 不 能 解释 视觉 兴奋 ,但 是 它们 可 能 与 敏感 性 控制 有 关 ( 光 适应 、 瞳 适应 )o 然而 也 有 的 变化 很 迅速 ,可 能 与 兴奋 有 关 。 e 3336 为 了 在 刺激 之 后 使 系统 复原 ， 大 多 数 内 传递 介质 机 制 都 需要 主动 地 把 光 释 传递 介质 转移 开 ， 而 且 这 种 过 程 又 是 和 能 量 有 关 的 。 因 此 在 ROS 中 与 能 量 有 关 的 过 程 是 热门 的 研究 课 题 。 在 蛙 ROS 片 断 的 制备 液 中 已 经 测 出 一 种 Ca 或 Mg2+ 的 ATP 酶 吗 活 性 ,其 中 一 小 部 分 (~15 多 ) 可 重新 产生 ,并 且 为 光照 所 抑制 。 这 说 明 至 少 这 一 部 分 活性 位 于 ROS 内 s 总 活性 的 80% 能 被 线粒体 Ca+ATP 酶 抑制 物 消除 , 但 是 剩 下 部 分 的 光敏 感 性 还 没有 进行 过 测试 。 这 种 Ca+ 或 Mg2+ ATP 酶 的 作用 物 是 Mg ATP， 它 为 低 浓 度 Ca+ ( 几 微 摩尔 ) 激发 ， 为 高 浓度 Cax+ 所 抑制 。 各 种 形式 的 Ca+ 耦 联 假说 都 提出 盘 膜 上 有 二 种 Ca¥ Fo 视 杆 细胞 对 光 的 高 敏感 性 意味 着 圆 盘 外 传递 介质 《例如 Cat) 的 正常 暗 适 应 浓度 很 低 。 如 果 这 种 ATP 酶 就 是 盘 腊 Cat, 那么 可 以 预料 在 低 Cot 情况 下 它 运 转 良好 。ATP BS 的 光敏 感性 反映 了 在 光 刺 激 时 释放 的 高 浓度 Cat 的 抑制 作 用 。Bownd 及 其 同事 证 明 喇 , 经 过 纯化 之 后 ROS 中 的 ATP i 活性 降低 ;而且 最 纯 的 部 分 没有 ATP 酶 活性 。 然 而 ，ROS 中 ATP 酶 的 产生 问题 仍 未 解决 , 因为 纯化 过 程 本 身 就 可 能 使 这 种 酶 失 活 。 不 论 在 完整 的 动物 还 是 在 膜 的 制备 液 中 (外 加 ATP)》 在 光照 射 下 视 紫 红 质 就 发 生 磷酸 化 。 视 紫红 质 底 物 有 光敏 感 性 ,而 磷酸 化 酶 则 没有 ,因为 不 论 是 在 光照 下 还 是 在 黑暗 中 这 种 酶 都 能 使 外 源 性 的 底 物 磷酸 化 。Kihn559 提 出 磷酸 化 可 能 有 增益 控制 作用 ,因为 在 完整 的 动物 中 ,去 磷酸 化 与 暗 适 应 有 类 似 的 动力 学 过 程 。 有 报道 说 GTP tt ATP 能 更 有 效 地 使 视 紫 红 质 磷酸 化 。 已 发 现在 纯化 的 峭 椎 动物 视 杆 细胞 外 段 制备 液 中 鸟 昔 酸 环 化 酶 5 和 环 化 磷酸 二 酯 酶 吧 有 很 高 的 活性 ， 而 这 两 种 酶 活 性 都 对 光敏 感 。 光 照 后 磷酸 二 酯 酶 的 活性 增加 ， 而 且 在 暗 适 ° 334。 应 的 制备 液 中 加 少量 完全 漂白 的 ROS 膜 就 能 使 其 激活 “9。 相 反 ; 有 报道 说 岛 背 酸 环 化 酶 却 受 光 的 抑制 吕 。 完 整 动物 网 膜 光 照 后 环 鸟 化 萌 5 一 单 磷酸 (cGMP) 水 平 急剧 下 降 中 。cGMP 在 光 感 受 器 中 的 作用 还 不 清楚 ， 岛 昔 酸 环 化 酶 要 求 钙 有 一 最 佳 水 平 , 这 种 环 化 酶 的 活性 在 高 钙 和 低 钙 时 都 有 很 大 的 下 降 5。 虽然 还 没有 作 过 钙 激 活 与 钝 化 的 动态 测量 ; 但 它们 似乎 是 相 ERA WRAL AE ROS 中 有 一 传递 介质 链 ,在 其 每 一 阶段 士 都 以 同样 的 增益 工作 。 有 证 据说 明 其 中 一 个 链 是 各 > Ht cax+ -> 磷酸 二 酯 酶 ,这 里 环 化 酶 能 使 系统 复原 。 在 由 光 向 脑 能 进行 处 理 的 电信 号 的 转换 中 ， 早 期 过 程 是 一 个 颇 有 魅力 的 问题 。 了 解 这 些 过 程 以 及 光 适 应 和 暗 适 应 机 制 的 时 机 已 经 成 熟 了 。 10.6 & 视觉 系统 是 未 来 工作 的 肥沃 土壤 。 现在 未 知 的 问题 比 已 知 的 要 多 得 多 ， 但 我 们 已 积累 了 足够 的 知识 来 提出 一 些 更 好 的 间 题 。 引 起 视觉 色素 有 如 此 大 的 差异 的 机 制 还 不 清楚 。 我 们 对 盘 膜 结构 的 了 解 还 很 肤浅 ， 而 且 对 光 感 受 器 原生 质 膜 的 结构 还 是 知之 甚 少 , 甚 至 是 一 无 所 知 。 我 们 还 不 知道 视 紫红 质 起 什么 作用 ， 因 此 对 其 作用 的 机 制 也 还 没有 清楚 的 认识 。 大 多 数 的 组 成 和 结构 的 资料 只 限于 视 杆 细 胞 ; 而 生物 化 学 工作 者 几乎 还 没有 触及 到 视 锥 细胞 (颜色 感受 器 )。 在 光 适 应 和 暗 适 应 情况 下 的 敏感 性 控制 机 制 问题 还 没有 解决 ,虽然 已 经 进行 了 某 些 有 益 的 观察 。 在 膜 合成 , 翻 折 及 其 控制 方面 也 有 一 些 吸引 人 的 问题 ， 这 些 方面 的 研究 工作 正在 积极 地 进行 着 , 这 里 仅仅 提 - 一 提 。 我 们 对 视网膜 和 脑 对 视觉 言 号 的 加 工 几乎 没有 提 到 ， 而 这 方面 的 研究 工作 是 相当 活跃 © 3356 的 5 | 可 以 期 望 ， 搜 集 视觉 系统 的 基本 知识 会 使 我 们 对 视网膜 的 医学 问题 有 更 深入 的 了 解 。 例 如 已 知 视网膜 光 感 受 器 退化 症 有 很 多 种 类 型 。 这 种 病 在 老年 人 中 是 相当 普遍 的 ,但 是 其 中 某 些 类 型 同样 地 苦恼 着 老年 人 和 青年 人 ， 例 如 色素 性 视网膜 炎 。 正 常 的 光 感 受 器 的 一 个 令 人 感到 意外 的 性 质 是 它们 可 因 光照 而 严重 地 损害 对 多 。 对 很 多 动物 造成 严重 损 衔 的 光照 水 平 比 人 通常 遇 到 的 光照 水 平 仅 稍 高 一 点 。 某 些 动物 受到 相当 于 晴朗 的 海滨 照明 的 光照 8h, 或 在 正常 的 环境 照明 中 2 一 3 天 就 会 造成 严重 的 损伤 5。 动物 实验 证 明 ， 光 致 损伤 在 很 大 程度 上 是 可 逆 的 。 但 还 没有 资料 说 明 重 复 的 光 致 损伤 是 否 会 有 积累 。 在 黑暗 条 件 下 ， 分 离 提纯 的 视 杆 光 感 受 器 膜 上 的 不 饱和 脂肪 酸 极 易 为 大 气 中 的 氧 所 破坏 2。 在 这 种 情况 下 ， 由 于 氧 的 存在 使 视 蛋白 永远 失去 再 生 的 可 能 性 。 估 计 ， 光 可 能 通过 一 种 动力 学 机 制 促进 氧 造成 的 破坏 。 最 近 ， 一 个 俄罗斯 研究 组 的 报告 证 实 了 这 一 点 吧 。 在 分 离 的 膜 中 ， 高 浓度 维生素 王 对 减缓 氧 造 成 的 破坏 有 所 帮助 。 但 是 维生素 下 在 空气 中 即 被 消耗 ， 因 此 在 完整 系统 中 必然 存在 其 它 有 效 的 机 制 对 抗 氧 的 破坏 吧 。 光 感受 器 的 代 谢 是 很 旺盛 的 ,它们 含有 大 量 线粒体 ,一 定 会 通过 吸收 周围 介 质 中 的 氧 而 起 作用 。 但 是 对 抗 氧 致 损伤 和 光 致 损伤 的 有 效 保护 机 制 也 一 定 是 有 限度 的 。 这 大 概 就 是 稍 高 于 通常 的 光照 水 平 会 造成 动物 光 感受 器 损伤 的 原因 。 有 些 人 经 常 遇 到 潜在 的 损伤 性 光照 , 它 们 可 能 造成 积累 损伤 ， 这 点 在 老年 人 中 已 有 证 明 。 可 以 预料 营养 因素 (例如 维生素 ) 对 维持 光 感 受 器 长 期 健康 有 一 定 的 作用 。 比 较 严重 的 光 感 受 器 退化 症 可 能 是 由 于 在 正常 时 能 有 w 336。 +9...” _ ay _ so co! i foe 第 11 章 光 形 态 建成 Walter Shropshire, Jr. (RERFK 辐射 生物 实验 室 ) 11.1 FS 本 339 11.2 光敏 色素 系统 pe 341 11.2.1 光敏 色素 ,一 种 光 致 变色 人 分子. 346 11.2.2 光敏 色素 的 反应 cove ceceeceeceecenceneeercereeees 349 11.2:3 帮 用 的 原初 人 位置“ +352 yt ate Be 高 辐 照 度 反 应 系统 oo 354 11.2.5 异化 基因 的 激活 pp 357 11.2.6 和 膜 的 相互 作用 conn eeececeseeeceeceeeeereeseeees 358 11.3 蓝光 反应 po 360 11.3.1 光 诱 导 的 类 胡 昔 下 素 的 合成 coerce ces eeeeeees 360 11.3.2 光 受 体 的 性 质 pp 361 11.4， 营 类 的 光 形 态 建成 ceeeeeceeeeeceeecereeeeeseeteareeneenes 362 11.5 光 形 态 建成 的 重要 性 pp 366 11.5.1 光谱 品质 在 自然 环境 中 的 重要 性 ee 367 11.5.2 FEW LAMAR EM EERE pe 369 ~ 11.6 结论 ea 371 11.7 实验 ee 372 11.7.1 实验 方法 372 人 Ph 光源 材料 及 简 评 二 375 as 338 。 11,1 ARE ey 光 形 态 建成 是 描述 有 桃 体 对 于 光 信 号 反应 的 一 个 集合 术 语 ， 这 些 光 信号 在 宏观 水 平和 亚 细 胞 及 分 子 水 平 上 调节 着 结 构 和 形态 的 改变 。 如 果 机 体 在 黑暗 中 发 育 ， 发 育 的 速度 和 特 异 结构 的 大 小 与 形状 受 其 基因 组 的 控制 ， 而 基因 组 又 受 某 一 酶 作用 底 物 和 储存 的 食物 的 制约 。 但 是 ,如 果 用 光 刺 激 机 体 ， 则 发 育 的 速度 发 生 改 变 ， 并 且 产生 出 决定 机 体形 态 结构 和 形 状 的 新 的 分 子 产物 ; 例如 , 暗 处 生长 的 幼苗 的 叶片 小 而 坚实 ， 而 光照 下 生长 的 幼苗 的 叶片 则 大 得 多 ， 而 且 为 了 光合 作用 而 有 宽阔 的 表面 以 捕获 最 佳 的 光量 ; 在 某 些 菌 类 中 ， 瞳 处 生长 的 细胞 几乎 是 无 色 的 ， 而 亮 处 生长 的 细胞 有 鲜明 的 颜色 。 就 叶子 的 情况 来 说 ,细胞 的 增 大 和 不 断 分 裂 改变 了 叶子 的 形状 ， 而 在 菌 类 里 ， 色 素 分 子 的 合成 大 大 加 速 了 。 两 者 都 是 光 形 态 建成 的 过 程 。 之 所 以 建立 起 来 这 些 光 形态 建成 反应 ， 是 因为 它们 给 生 活 在 周期 性 光照 的 环境 中 的 有 机 体 带 来 巨大 的 生存 优势 。 植 物 和 动物 的 形态 发 育 和 生理 发 育 都 受到 光 的 调节 ， 光 不 仅 控 制 着 为 了 从 环境 中 吸取 最 佳 数量 的 能 量 而 形成 的 结构 ， 而 且 也 调节 机 体内 能 量 流动 的 速度 。 一 般 说 来 , 光 形 态 建成 反应 是 一 些 受 光 调节 的 生长 ,发 育 和 分 化 的 过 程 。 在 这 种 调节 控制 中 光 的 几 个 参数 很 重要 : 它 们 是 光谱 质量 、 照 度 、 光 照 的 频率 和 持续 时 间 ， 以 及 光 的 空 间 对 称 性 或 非 对 称 性 。 为 了 讨论 方便 ， 我 们 通常 把 光 形 态 建 成 限制 在 那些 光照 是 非 周 期 性 的 和 不 定向 的 光 反 应 。 于 是 ， 像 向 光 性 这 样 的 光 运 动 ， 以 及 开花 之 类 的 光 周 期 反应 常常 不 属于 光 形 态 建成 所 讨论 的 范围 。( 参 阅 第 12 章 关 于 光 运 动 和 e 339 。 = oh te ea “~~ 2 era = : ‘as . ‘ oe 和 “uw: 第 8 章 关 于 生物 钟 部 分 )。 然 而 , 光 周 期 反应 和 向 光 反 应 是 在 光照 具有 时 间 和 空间 不 对 称 的 特殊 条 件 下 生长 和 分 化 的 表 钢 。 它 们 具有 和 光 形 态 建成 同样 的 色素 系统 ， 并 且 反 应 是 通 过 生长 发 育 来 调节 的 。 因 此 ， 我 在 适当 的 场合 用 它们 作为 有 关 光 形态 建成 反应 的 信息 源 。 | 光 形 态 建 成 反应 有 几 个 明显 的 特征 : 第 一 ， 为 了 产生 可 观测 到 的 形态 和 结构 变化 所 需要 的 能 量 不 是 从 光 信号 本 身 获 得 的 ,而 是 由 食物 代谢 得 来 的 , 光 形 态 建成 的 光 信 号 只 不 过 是 ) 为 了 调节 代谢 的 总 速度 而 开启 或 关闭 这 些 代谢 反应 。 因此 ， 可 以 把 光 形 态 建成 看 做 是 一 种 开关 机 制 。 在 光合 作用 中 ， 由 于 希望 捕捉 和 以 化 学 潜能 形式 储存 能 量 , 所 以 吸收 大 量 的 光量 子 。 然 而 ,在 光 形 态 建成 反应 中 仅仅 ”吸收 少量 的 光量 子 。 与 高 辐 照 度 * 的 光合 作用 过 程 相反 ;这 是 低 辐 照度 的 光 调 节 过 程 。 因 此 ， 第 二 个 特点 是 接收 光 信 号 以 ”后 ,信号 有 很 大 的 放大 ,最 后 在 形态 或 产物 的 积累 上 产生 一 个 可 观察 的 变化 。 第 三 ,根据 最 有 效 的 光谱 区 域 , 光 形 态 建成 反应 可 以 人 为 地 分 成 几 类 。 例 如 ,叶片 增 大 主要 是 红 光 反应 ;而 在 某 些 菌 类 中 诱发 色素 的 形成 主要 是 蓝光 和 近 紫 外 光 反 应 s 我 们 把 典型 的 光 形 态 建成 反应 或 者 说 成 是 红 光 反应 或 者 说 是 蓝光 反应 ? 在 其 它 光 谱 区 内 也 存在 少数 具有 最 大 效率 的 光 形 态 建成 反 最 后 ,， 光 形态 建成 的 光 信 号 和 机 体内 影响 反应 大 小 的 某 些 因素 相互 作用 。 例 如 ， 机 体内 好 像 有 能 测定 时 间 的 内 源 振 荡 系 统 。 如 果 植 物 在 环境 自然 屋 夜 循环 的 午夜 接受 光 信号 ， 则 对 于 调节 花形 成 的 形态 建成 反应 这 种 光 信 号 可 能 非常 有 *# 这 一 章 中 所 说 的 辐 照 度 即 为 第 1 章 中 定义 的 能 量 注 量 率 。 一 一 诺 者 « 340 。 效 。 但 是 ,同样 的 光 信 号 若 在 天 刚 黑 或 快 天 亮 时 给 予 ,就 可 能 完全 没有 效果 。 同样 , 当 有 机 体 发 育 到 不 同 阶段 时 ,对 于 光 信 号 的 敏感 性 也 存在 着 显著 差别 ,这 种 敏感 性 的 变化 可 能 与 许多 因素 有 关 ， 包括 光 形 态 建成 上 活跃 的 色素 含量 的 变化 或 能 迅速 反应 的 结 ” 构 的 效力 的 不 同 。 一般 来 说 ， 在 光 刺 激 的 大 小 (吸收 的 量子 总 数 ) 和 反应 程 度 之 间 观 察 到 一 种 定量 关系 。 但 是 ， 在 测量 光 形 态 建成 反应 以 估价 其 与 内 源 节律 和 发 育 方式 相互 作用 的 程度 时 实验 上 必 须 特 别 小 心 。 这 种 光 调 节 过 程 在 上 个 世纪 就 已 经 认识 到 了 ， 但 在 分 子 水 平 上 研究 这 些 过 程 的 仪器 和 技术 只 是 到 本 世纪 50 年 代 以 后 才 发 展 起 来 。 这 些 光 形态 建成 反应 中 研究 最 多 的 一 个 是 光 敏 色 素 系统 ( 因 植 物 中 所 含 的 色素 而 得 名 ) ， 这 是 我 要 详细 介 绍 的 一 个 方面 o 已 知 许多 生理 反应 受 光 敏 色 素 的 调节 。 已 经 摘 述 过 的 反应 数目 现 已 超过 100 种 "和 , 并 且 包 括 像 葵 的 伸 长 、 种 子 萌发 .叶片 扩展 以 及 叶绿素 \. 叶 红 素 和 花 青 素 合 成 等 如 此 不 同 的 过 程 。 光 敏 色素 是 一 个 吸引 人 的 系统 ， 已 有 大 量 文献 资 料 可 查 ”， 但 这 方面 仍然 有 许多 未 解决 的 问题 有 待 科学 家 们 去 竭力 研究 。 11.2 光敏 色素 系统 本 世纪 早期 一 些 看 上 去 完全 不 同 的 观察 意外 地 结合 起 来 Je 植物 生理 学 家 早已 知道 植物 在 一 年 的 不 同时 间 开 伦 , 开 FES BERGA RA. At, 短 日 照 植物 ,譬如 菊花 或 大 戟 属 植物 ,在 秋天 开花 。 实 际 上 ,这 些 植物 都 对 黑夜 的 长 度 敏感 ， 开 伦 以 前 必须 要 有 一 段 长 而 且 不 间断 的 黑暗 时 期 。 假 。 341。 oe wane FA11- (A) AER 1 到 9 天 的 黑豆 苗 。 注 意 观 光照 条 件 生 长 3 到 9 天 的 黑豆 幼苗 。 看 到 倒 钩 打开 ， 以 低 强 度 红 光 连 续 照 射 (630 一 700nmy 100mWm-"), Hl Bo « 3426 on 察 钩 状 需 官 和 子叶 与 根 之 间 荃 〈 胚 轴 ) 的 长 度 ; (B) 子叶 和 之 间 胚 轴 长 度 抑 制 ， 以 及 叶片 伸展 。 幼 苗 } FRA °CUORHAL AB KKB FSB ¢ 343 如 菊花 生长 在 完全 加 以 控制 的 条 件 下 ,给 以 8h 光照 和 :16h 的 黑暗 ， 它 们 将 会 开花 。 但 如 果 在 黑暗 时 期 中 间 用 很 短 的 红 光 闪光 ( 秒 级 ) 来 中 断 黑 暗 ,它们 将 不 开花 。 结 种 子 的 植物 有 一 种 能 测量 黑夜 的 长 度 和 在 适宜 的 季节 开花 结子 的 机 制 。 在 漫长 的 冬眠 之 后 ， 种 子 在 来 年 的 春天 气 候 条 件 适 宜 时 萌发 ,所 需要 的 适宜 条 件 之 一 就 是 白天 的 长 度 。 这 种 光 周 期 反应 在 物种 的 延续 上 显然 有 很 大 用 处 。 为 了 能 在 第 一 次 致命 的 霜降 之 前 结 出 种 子 ， 并 允许 光合 作用 积累 最 适 量 的 贮备 养分 以 维持 幼苗 自己 在 来 年 春天 能 通过 光合 作用 制 造 自己 的 食物 之 前 的 生长 ,时间 的 测量 必须 是 十 分 精确 的 。 在 发 现 黑夜 的 长 短 是 一 个 重要 的 因素 和 黑暗 期 被 光 中 断 能 抑制 开花 的 现象 以 后 ， 了 解 对 光 信 号 有 反应 的 色素 系统 的 性 质 就 有 了 可 能 。 因此 可 以 测定 作用 光谱 (参阅 1.5. 4. 和 72) 5: 作用 光谱 是 在 不 同 波长 上 光量 子 产生 一 个 反应 的 效率 的 度量 。 光 化 学 第 一 定律 说 明 要 产生 化 学 变化 必须 吸收 光 ， 因 此 ,作用 光谱 与 吸收 物质 ( 即 色素 ) 的 吸收 特性 有 关系 。 于 是 ， 如 果 红 光 产 生 反应 最 有 效 , 那 就 一 定 有 吸收 红 光 的 色素 存在 ， 这 样 的 一 个 色素 也 可 能 是 蓝 色 的 ， 可 以 根据 作用 光谱 的 测定 实验 预计 它 的 吸收 光谱 印 。 植物 生理 学 家 早 就 知道 的 另 一 种 反应 是 具有 基本 相同 的 遗传 组 分 而 生长 在 除 光照 环境 外 都 相同 的 条 件 下 的 幼苗 表现 出 不 同 的 生长 情况 。 大 家 都 熟悉 的 一 个 例子 就 是 储藏 在 黑暗 地 窖 里 的 土豆 长 芽 的 情形 ,这 些 芽 细 长 , 呈 白 色 , 并 且 有 小 的 叶子 ， 这 种 苗 称 之 为 黄 化 苗 。 在 见 光 地 方 发 育 的 土豆 芽 则 较 短 , 呈 绿色 ,并 有 肥大 的 叶片 。 在 暗 处 和 见 光 条 件 生 长 的 幼苗 有 类 似 的 反应 (图 11-1)。 比较 从 第 一 次 吸水 时 算 起 苗 龄 完全 相同 的 幼苗 ， 可 看 到 若干 3144。 形态 土 的 差别 。 最 为 显著 的 一 个 差别 是 胚 轴 长 度 (种 子 储藏 养分 的 器 官 一 一 子 叶 和 根 之 间 葵 的 部 分 ) 上 的 差别 , 胚 轴 长 度 受 光 的 调节 并 对 红 光 特别 敏感 。 在 短 豆 苗 开 始 破土 而 出 的 时 候 ， 茎 形成 一 个 倒 钩 以 保护 脆弱 的 生长 尖端 不 受 土 壤 颗 粒 的 机 械 损 伤 (图 11-1)。 这 个 脆弱 的 生长 点 包 在 子叶 的 中 间 ， 它 被 不 断 伸 长 的 荃 部 拉 出 而 不 是 推出 泥土 。 在 弯 钩 冒 出 地 面 见 光 以 后 ， 这 个 弯 钩 迅速 地 伸 平 ,而 使 生长 尖端 处 于 植物 的 顶端 ; 子叶 张 开 , 嫩 叶 迅速 地 增 大 \ 变 绿 、 并 开始 进行 光合 作用 。 除 光合 作用 之 外 , 所 有 这 些 发 育 过 程 ( 包 括 去 黄 化 \ 葵 伸 长 、 倒 钧 伸 平 .叶片 增 大 和 叶 绿 素 合成 ) 都 是 光 形 态 建成 反应 。 通过 作用 光谱 的 测量 发 现 : 红 光 对 产生 这 些 反应 最 有 效 。 如 果 覆 盖 休 眠 种 子 的 土壤 被 犁 过 ， 露 出 来 的 种 子 就 将 因 为 曝光 而 萌发 。 假 如 种 子 不 曝光 ， 那 就 可 以 保持 休眠 状态 很 多 年 。 1937 年 测定 的 一 个 作用 光谱 (图 11-2) 证 明 : 所 测量 的 红 光 量 可 使 50 允 的 种 子 萌发 。 但 是 ,如 果 种 子 以 不 同 波长 400 800 1000 600 波长 (nm) 图 11-2 fe de AM Hl PIE UY SP A BE FC. 萌发 百分率 对 波长 作 图 。 用 实验 前 以 恒定 量 的 红 光 照射 造成 5092 的 萌发 率 作为 对 照 ; 然 后 在 标 出 的 波长 上 进行 照射 ,并 测 量 促进 或 抑制 发 芽 的 效率 ( 引 上 自 参 考 文献 5)。 。345 。 的 光照 射 , 则 蓝光 和 远 红 光 抑制 发 天 ,而 红 光 可 提高 发 芽 的 百 分 率 。 因 此 ,在 一 定 的 条 件 下 , 光 既 能 促进 又 能 抑制 种 子 的 戎 发 。 | 11.2.1 光敏 色素 ， 一 种 光 致 变色 分 子 光 对 种 子 萌发 的 促进 或 抑制 作用 直到 二 十 世纪 五 十 年 代 才 受 到 重视 ,当时 提出 这 两 个 过 程 都 受 一 个 色素 的 控制 ”。 这 个 假说 在 很 多 红 光 敏感 的 系统 中 作 了 检验 ， 并 产生 出 一 个 这 样 的 概念 : 所 有 红 光 形态 建成 反应 都 受 具 有 某 种 未 曾 预 料 到 的 光 致 变色 特性 的 一 个 单一 色素 的 控制 。 光 致 变色 色素 是 这 样 一 种 色素 ,在 照 光 以 后 它 的 吸收 特性 发 生变 化 ,但 再 放 回 暗 处 时 又 会 缓慢 地 恢复 到 原来 的 构 型 。 在 某 些 情况 焉 ， 这 种 恢 复原 状 的 反 转 (了 瞳 反 转 ) 可 以 由 于 光照 而 加 强 ( 光 反 转 )。 Bi 如 , 红 光 (660nm) 了 照射 把 色素 转化 成 促进 生物 反应 的 构 型 ,这 时 它 的 吸收 峰 移 到 光谱 的 远 红 区 (730nm)。 如 果 该 色素 的 吸 收 远 红 光 的 构 型 受到 远 红 光 照射 ， 这 色素 就 转变 成 不 再 起 促 进 作 用 的 构 型 ， 其 吸收 最 大 值 又 回 到 红 光 区 。 如 果 把 该 色素 放 回 上 暗 处 ， 吸 收 远 红 光 的 构 型 便 缓 慢 地 变 回 到 吸收 红 光 的 构 型 。 这 种 色素 实际 上 起 着 一 个 开关 的 作用 ， 它 能 由 于 受 红 光 或 远 红 光照 射 而 被 打开 或 关闭 ， 而 且 继续 用 红 光 或 远 红 光 照 射 可 使 这 个 过 程 重复 多 次 。 一 认识 到 光 形 态 建成 过 程 中 涉及 的 只 是 一 种 光 致 变色 的 色素 不 久 ， 几 个 实验 室 就 开始 为 分 离 这 种 有 活性 的 色素 而 进 行 了 广泛 的 研究 。 但 是 ,这 种 色素 以 很 低 的 浓度 ( 少 于 10 M) 存在 ， 在 五 十 年 代用 通常 的 分 光 光 度 计 通 过 直接 测量 吸收 在 活体 内 检测 不 出 来 。 大 们 利用 了 这 种 色素 在 红 光 和 远 红 光照 射 以 后 发 生 的 光 致 变色 的 吸收 位 移 这 一 特点 ， 用 一 种 灵敏 的 双 波 长 分 光 光 度 计 在 660nm ( 红 光 ) 和 .730nm《( 远 红 光 六 处 探 + 346 « 测 到 这 种 光 可 逆 的 吸收 差 值 ， 这 两 个 吸收 差 为 鉴定 色素 的 存 在 和 存在 的 构 型 提供 了 一 种 灵敏 和 定量 的 物理 测定 方法 。 测 量 在 660nm 和 730nm 处 吸收 变化 的 这 个 技术 为 分 离 和 提纯 这 种 叫做 光敏 色素 的 色素 开辟 了 道路 。 已 经 有 几 家 实验 室 分 离 和 提纯 了 光敏 色素 9。 这 个 色素 是 二 种 易 深 于 缓冲 水 溶液 的 蛋白 质 ， 它 有 一 个 开 链 四 吡咯 环 作为 发 色 团 (吸收 光 的 基 团 )。 用 普通 的 蛋白 质 化 学 技术 可 以 使 丝 度 提高 许多 倍 ， 一 般 认 为 其 分 子 量 约 为 120000 道 尔 顿 ， 并 能 形成 大 约 250000 道 尔 顿 的 二 聚 体 。 高 度 纯化 的 这 种 色 素 的 吸收 光谱 〈 见 图 11-3) 在 照射 红 光 或 远 红 光 后 是 光 可 道 的 ， 它 与 大 多 数 生 理 反 应 的 作用 光谱 匹配 得 很 好 ( 见 图 11- 4)o 这 种 色素 分 子 的 超 结构 还 不 清楚 ,以 前 得 到 的 四 聚 体 ` 六 聚 体 或 双 亚 铃 形 状 的 八 聚 体 的 电子 显微镜 照片 现在 经 鉴定 得 知 是 在 分 离 过 程 中 随 光 敏 色 素 一 起 带 来 的 外 源 蛋 白质 四 。 从 流体 力学 上 看 ,光敏 色素 的 行为 像 是 一 个 轴 比 为 10:169 BO HR 200 300 400 500 600 700 800 HK Com) 图 11-3 ARG MAE AUR Be PH HE AY ER RM Hi. Pr (光敏 色素 的 吸收 红 光 的 构 型 ) (一 一 ) 和 了 Pte (光敏 色 索 吸 收 远 红 光 的 构 型 久 ……") 的 摩尔 消光 系数 (lmol-:cm- 2) 分 别 以 实 线 和 虚线 表示 。 光 谱 是 用 Cary15 型 分 光 光 度 计 在 4.5%C 下 用 1.4X1I10- M RKB RGA FB 60000 计算 )(pPH 7.2) 和 lcm 光 程 测定 的 ( 引 自 参考 文献 7)。 ° 347 圆 体 分 子 ;有 人 认为 它 是 一 种 糖 蛋白 ,其 重量 的 大 约 ,4 多 是 碳 水 化 合 yt) | 最 有 说 服 力 的 资料 表明 发 色 团结 构 是 一 个 开 链 的 四 吡咯 请 一 = 相对 量子 反应 性 Tans 66S pores 22s SS oO 350 400 450 500 550 600 ”550 700 750 800 BK (am) 图 11-4 ”典型 的 受 光 敏 色素 调节 的 作用 光谱 ; 拟 南 芥 (4rap- dopsis 1pa1iianza) 种 子 萌发 的 光 诱 导 和 光 钝 化 作用 。 图 中 实 线 代表 诱导 作用 ; 虚线 代表 钝 化 作用 。 对 于 钝 化 曲线 种 子 在 用 单 色 远 红 光照 射 之 前 先 用 660nm 的 红 光 照射 (0.15 Jm™*) fF 那些 曲率 变化 较 大 的 点 上 标 出 了 平均 值 的 标准 偏差 GIS 考 文献 8)。 R = CH=CH, P=CH,CH2CO2H 图 11-5 HEMMER AKA AFA. Pe 和 Pte 对 应 的 发 色 团 有 相同 的 环 状 结构 ， 但 是 Pte RARBG Pr RAR 统 少 一 个 A、B 环 之 间 次 甲 桥 的 双 键 〈( 引 自 参 考 文献 12)。 sa 348 。 = ACURA 11-5)， 然 而 ,每 个 蛋白 上 的 发 色 团 的 数目 ,发 色 团 和 蛋白 质 之 间 化 学 连接 的 性 质 ， 或 吸收 光量 子 以 后 分 子 内 即刻 发 生 的 变化 仍 是 不 清楚 的 中 。 11.2.2 光敏 色素 的 反应 在 分 离 提 纯 技 术 不 断 发 展 的 同时 ， 用 灵敏 的 双 波 长 分 光 光度 计 包 测定 黑暗 中 生长 的 组 织 在 两 个 波长 上 的 吸收 差 值 的 FE, 人们 更 多 地 了 解 了 活体 中 光敏 色素 的 反应 "9。 为 了 利 用 最 大 的 光 致 变色 位 移 , 通 常 选 用 660nm 和 730nm 两 个 波长 。 然而 ;由 于 在 黑暗 中 生长 的 组 织 照 射 红 光 以 后 存在 着 叶绿素 合成 的 问题 ， 因 此 经 常 只 在 730nm 波长 上 进行 测量 ， 并 和 红 或 远 红 作用 光照 射 后 没有 任何 吸收 变化 的 800nm 的 稳定 参 考 波 长 相 比较 ， 用 这 种 分 光 光 度 计 可 以 很 容易 地 在 活体 中 观 察 该 色素 的 光 致 变色 性 质 , 并 且 可 用 式 (11-1) 的 形式 表示 : 600 nm Be ree (11-1) 730 nm P, 表示 光敏 色素 的 吸收 红 光 的 构 型 , Pee 表示 它 的 吸收 远 红 光 的 构 型 。 当 大 们 企图 把 活体 测 出 的 Pt 含量 与 一 定量 的 红 光 照射 所 产生 的 生理 反应 联系 起 来 时 ， 很 快 就 认识 到 这 种 联系 是 不 那么 简单 的 , 终 反 应 除 受 Pt 浓度 的 影响 外 , 还 受 其 它 因 素 的 影响 。 第 一 个 复杂 之 处 是 这 两 种 构 型 色素 的 吸收 在 某 些 光谱 区 域 严 重地 重合 ， 并 且 不 可 能 通过 照射 使 色素 从 一 种 吸收 构 型 完全 变 成 另 一 种 吸收 构 型 。 这 一 事实 从 图 11-3 中 给 出 的 吸 收 光谱 看 得 很 清楚 ， 通 常用 660nm 红 光 照射 时 得 到 的 是 两 种 吸收 的 混合 物 。 这 种 光平 衡 的 定量 数值 可 由 方程 式 (11-2) 计算 得 到 : 。349 。 [Pro Lien, 0, (11-2) [Pr] Tne De, =e ADE, 3 比值 [Pt.]-/ [Po] 接近 于 0.80, KB [Pro} = (P,] + [Pe] (PrJos [Per lo = EF RT PA FPR HY ARE 1, = FER 1 处 的 照度 ; Sra. 6rd = 波长 1 处 吸收 红 光 和 吸收 远 红 光 的 . 构 型 的 摩尔 消光 系数 ; 2.， 9, = 吸收 红 光 和 吸收 远 红 光 的 构 型 的 量子 产 额 。 于 是 , 在 660nm 光照 下 产生 两 种 构 型 之 间 的 光平 衡 人 得 约 80% 的 色素 以 Pre 构 型 存在 。 对 受到 730nm 光 的 光照 来 说 ,只 有 约 3% 的 色素 处 于 Pr 构 型 。 在 以 后 讨论 高 辐 照 度 的 反应 和 天 然 环 境 中 白光 条 件 下 这 种 色素 的 状态 时 将 会 看 到 这 些 比值 的 重要 性 。 第 二 点 复杂 之 处 是 照 光 以 后 出 现 的 比较 缓慢 的 暗 反 应 。 . 如 果 在 短暂 的 红 光 照射 以 后 测定 光 可 逆 的 光敏 色素 的 总 量 [Po] 随 时 间 的 变化 ,发 现 可 逆 的 色素 总 量 迅 速 下 降 ( 见 图 11- 6)。 这 过 程 就 是 所 谓 的 暗 破坏 ,因为 这 过 程 依赖 温度 ,并 且 对 诸如 爱 氮 钠 或 氰 化 钠 之 类 的 代谢 抑制 剂 敏感 ,所 以 Pe 看 来 被 酶 促 转变 成 一 种 不 再 能 光 逆 转 的 钝 化 构 型 。 但 是 ， 生 理 土 的 反应 看 来 确实 与 短暂 ( 少 于 5 min) 照射 红 光 最 初 产 生 的 -Pu 水 平 有 定量 的 关系 。 另 一 个 出 现 的 过 程 是 暗 逆转 ， 在 这 个 过 程 中 新 形成 的 1 Pe, 在 暗 处 自发 地 转变 成 P,。 在 某 些 组 织 中 很 难看 到 这 个 过 程 ， 并 且 由 于 在 红 光 建立 的 初始 光平 衡 中 Pt AP, 分 别 为 80 多 和 20% ,使 这 过 程 复杂 化 了 。 当 发 生 暗 破坏 时 ,可 逆 色 素 的 总 量 减少 ，P: 的 百分比 似乎 作为 时 间 的 函数 而 增加 ， 这 只 是 因为 在 Pe. 含量 降低 时 ， 原 来 得 到 的 20 多 的 P, 只 要 不 再 受 红 光 照 射 就 不 会 消失 。 Mi, th 以 后 ， 第 三 次 照射 红 光 将 建立 一 个 80 Jo HY Pe, 和 20% 的 P. 的 同样 的 光平 衡 , 但 是 由 于 到 这 时 « 350 。 a we yer Sang” Sad” ape 二 aes > -" om - Shas Sd 7 oe ; - 为 止 全 部 的 Pt 的 多 一 半 已 经 破坏 ， 于 是 一 部 分 P, 被 转变 成 Pt。 可 能 会 不 正确 地 解释 这 些 结果 而 认为 是 合成 了 P.， 而 事 实 上 ,即使 有 合成 的 话 , 合成 速度 也 是 非常 低 的 ( 见 图 11-6)。 Pe, 可 以 以 质子 化 的 形式 PeH 存在 吗 , 它 能 转换 成 P,。 当 aR, PL. 也 可 以 再 由 前 体 合成 。 在 活体 内 可 逆 的 光敏 色素 的 增 加 可 以 用 分 光 光 度 法 测量 。 光 敏 色 素 随时 间 的 增加 与 暗 处 生 长 的 幼苗 鲜 重 的 增加 大 致 上 平行 ,但 是 , 光 可 逆 的 (植物 ) 光 繁 0.040 时 间 ( 小 时 ) 11-6 ERA, BEAR 660om 25M IA ADE 照 以 后 CIKJnm-)， 分光 光 度 计 上 可 以 检测 到 的 (植物 ) 光 敏 色 索 的 含量 在 黑暗 中 随时 间 的 变化 。 -新 形成 的 Pt* 迅速 消失 。 《9 ) 代 表 测 量 可 逆 的 (植物 ) 光敏 色素 的 总 含量 所 得 到 的 值 ; 《 公 ) 代 表 用 660nm 红 光 第 二 次 照射 以 后 吸收 率 的 增长 ; (@) 代表 直接 测量 的 Pt' 的 数值 。 在 所 有 情况 下 都 是 以 800nm 为 参考 波长 测量 的 吸收 率 差 值 。 误差 线段 代表 20 次 重复 测量 平 均值 的 标准 偏差 《 引 自 参考 文献 15)。 e。 351 。 色素 的 这 种 增长 可 能 不 完全 是 由 于 合成 。 例 如 , 当 种 子 吸水 并 开始 萌发 的 时 候 ， 光 可 逆 的 光敏 色素 的 水 平 提 高 了 。 所 有 这 一 切 可 能 是 光敏 色素 分 子 微 环 境 变化 的 结果 ， 这 种 微 环 境 的 改变 使 光 转 换 成 为 可 能 。 虽 然 组 织 中 的 其 他 蛋白 都 能 标记 ， 但 是 将 放射 性 氨基 酸 参 人 由 种 子 或 切 下 来 的 胚 全 长 成 的 裸 麦 幼苗 中 可 提取 的 光敏 色素 中 去 的 企图 却 未 能 成 功 m。 因 此 说 明 几 乎 所 有 存在 于 幼苗 中 的 光敏 色素 都 早已 存在 于 千 种 子 或 胚芽 里 。 显 然 ， 光 敏 色素 的 合成 一 定 是 发 生 在 照 光 生长 的 植 物 中 ,但 是 ,人 们 几乎 完全 不 知道 合成 的 速率 和 在 什么 地 方 进 行 合成 。. 已 经 在 培养 的 胡 葛 卜 细 胞 中 观察 到 光敏 色素 的 谷 成 sa。 光敏 色素 总 量 的 增加 与 形成 的 细胞 数目 的 增加 是 平行 的 。 明 枕 卜 细胞 培养 系统 的 一 个 问题 是 : 在 最 初 取 自 同一 母体 的 不 同 的 二 倍 体 细胞 灶 中 所 产生 的 光敏 色素 的 水 平 相差 一 倍 。 虽 然 如 此 ， 在 理论 上 这 种 组 织 培养 的 方法 对 观察 光敏 色素 的 合 成 速率 仍 提供 了 很 多 便利 人 们 特别 感 兴趣 的 是 要 了 解 光敏 色素 的 蛋白 部 分 和 发 色 团 相 比 是 否 有 不 同 的 转换 速率 。 图 11-7 是 概括 所 有 这 些 过 程 的 一 个 总 图 式 。 尽 管 黑暗 中 P, 转换 成 Pe 在 热力 学 上 很 不 可 能 ,但 在 万 曹 属 种 子 中 看 到 了 这 种 转换 。 可 是 ， 在 体外 或 幼苗 中 却 从 来 没有 观察 到 这 种 反 过 来 的 暗 逆 转 。 因 此 ， 这 可 能 是 和 种 子 抑制 作用 有 关 的 一 种 假象 , 所 看 到 的 可 能 是 光敏 色素 的 一 种 中 间 构 型 650%"), P650 〈 在 脱水 的 极端 分 子 环境 中 形成 的 ) 在 暗 处 可 以 转换 成 P;,, 因 而 可 以 解释 在 远 红 光照 射 以 后 从 外 表 上 看 到 的 由 P: 到 Pr, 的 合成 。 11.2.3 作用 的 原初 位 置 虽然 这 不 是 所 有 研究 者 一 致 的 意见 ,但 一 般 都 认为 Pt 形 © 352° | 镶 式 是 光敏 色素 的 有 生理 活性 的 形式 。 这 主要 根据 以 下 两 个 事 x: 人 @@ 在 暗 处 生长 的 幼苗 中 光敏 色素 的 主要 形式 是 P,。 如 果 铠 苗 继续 留 在 黑暗 中 ， 则 大 部 分 发 育 过 程 (例如 去 黄 化 过 程 ) 不 会 发 生 , 除非 在 很 长 时 间 ( 几 天 或 几 周 ) 以 后 , 故 推测 Pt 是 引起 反应 的 活性 部 分 ; @ 在 暗 处 生长 的 幼苗 里 的 P, 是 比较 稳 定 的 , 而 Pe 一 经 形成 就 开始 从 组 织 中 消失 , 这 可 能 是 它 被 用 于 触发 发 育 过 程 的 缘故 。 不 难 设想 ;P, 是 发 育 过 程 的 抑制 剂 ， 一 且 把 它 去 除 , 反 应 就 可 以 发 生 ， 但 只 有 了 解 Pt 作用 的 精确 的 分 子 模 型 以 后 ,这 个 问题 才能 最 终 得 到 解决 在 图 11-7 给 的 总 图 式 中 指出 : Pe 和 某 些 反 应 物 X 相 结 合 , 然 后 产生 可 观察 的 生理 反应 。X 的 性 质 尚 不 清楚 ,但 它 可 能 与 Pt 分子 效应 的 放大 有 关 。 虽 然 效应 被 放大 了 ,但 反应 的 大 小 通常 与 产生 Pr 的 量 成 比例 , 并 且 遵 从 反比 定律 , 也 就 是 Bip ag: 未 知 反应 物 X a x \ try 1 8 eda ies ra 1 RS hi gi Pers gi a ORT a 4 \ OST Bo ec | \ nae | tt se- -破坏 生理 反应 \ \. | 六 \ \ Me 3 tae 无 活性 的 gad \ / ia 4 a _ —_—™~. _. = 11-7 假定 的 光敏 色素 的 各 种 构 型 之 间 的 关系 , P: 是 吸收 红 光 的 构 型 ，Pt* 是 吸收 远 红 光 的 构 型 ， 实 箭头 表示 光 转 化 ， , AP, 分 别 是 红 光 和 远 红 光 构 型 的 量子 效率 。 虚线 表示 瞳 反应 ， Pee 和 未 知 的 反应 物 XX 结 合 引起 生理 反应 。 PtrcH 是 正文 中 讨论 过 的 质子 化 形式 ( 引 自 参 考 文献 14)。 。 353 。 说 ， 如 果 调 节 辐 照度 和 时 间 这 两 个 变量 使 它们 的 乘积 为 一 个 篆 数 ， 那 么 在 相当 宽 的 辐 照 度 和 照 光 时 间 范 围 内 所 产生 的 反 应 是 相同 的 。 显 然 , 如 果 辐 照度 极 低 ,而且 所 需 的 照 光 时 间 与 观察 生理 反应 所 需 的 时 间 是 同一 个 数量 级 ， ee AKA T o 11.2.4 高 辐 照度 反应 系统 在 光敏 色素 研究 的 早期 就 认识 到 ; 对 连续 照射 特别 是 高 辐 照 度 的 连续 照射 吗 所 产生 的 反应 来 说 ;反应 的 大 小 不 是 简 单 地 与 原先 存在 的 Pt 的 含量 成 正比 ,而 是 与 整个 期 间 保 持 的 Pt: 水 平和 辐 照 度 值 两 者 成 正比 例 。 这 些 反 应 是 与 辐 照 庆 有 关 的 ， 即 不 遵从 反比 定律 ， 并 且 往 往 难以 证 明 它 们 是 光 可 道 的 。 然 而 ,在 正确 的 实验 条 件 下 对 短暂 的 光照 而 言 ;往往 能 够 表明 这 些 反应 是 能 被 红 光 和 远 红 光 完全 加 以 光 逆 转 的 ， 因 此 证 明 这 些 反应 是 受 光敏 色素 调节 的 。 图 11-8 中 所 给 出 的 芥菜 苗 中 花 青 苷 的 合成 就 是 这 种 系 统 的 一 休 例 子 。 当 用 连续 的 红 光 或 者 远 红 光照 射 时 ， 这 种 红 的 色素 产物 的 积累 明显 地 依赖 于 辐 照 度 。 在 12 h 的 照射 时 闻 内 ，, 远 红 光 使 Pt 保持 近似 恒定 的 水 平 ， 但 是 如 果 辐 照度 增 加 1000 倍 ， 则 反应 提高 4 倍 。 可 是 对 短暂 光照 来 说 ,反比 定 律 还 是 能 够 成 立 的 岂 。 如 果 测 定 这 类 高 辐 照度 反应 的 作用 光 谱 ,它们 既 不 符合 P. 的 吸收 谱 也 不 符合 Pr 的 吸收 谱 〈 图 11- 9; 参看 图 11-3)。 这 些 作 用 光谱 一 般 都 在 720nm- 附 近 有 一 个 最 大 值 , 在 光谱 的 蓝 区 有 多 个 吸收 峰值 。 此 外 ,两 个 单独 使 用 效果 不 大 的 波长 .( 即 658nm 和 766nm) 合 在 一 起 同时 照射 却 很 有 效 ， 在 效应 上 它们 是 协同 的 。 如 果 一 个 有 效 的 波长 比 如 717nm 和 658nm 混合 照射 , 则 717nm 的 效率 大 大 地 降低 ， 1X a BAF ET YE Fo * 3546 从 这 类 资料 中 产生 了 一 个 循环 过 程 的 概念 ， 它 认为 系统 似乎 在 “计数 ”R 和 Pr 构 型 之 间 分 子 循环 的 次 数 。 对 于 任意 两 不 或 多 个 波长 混合 照射 来 说 ， 如 果 假 定 暗 反应 的 速率 常数 比 图 11-7 中 标示 的 光 反 应 的 速度 常数 小 得 多 ,那么 一 旦 达到 光平 衡 ，P:/Pt 的 相对 比例 就 保持 恒定 。 辐 照度 越 大 ,这 两 种 构 型 之 间 的 相互 转化 就 越 快 ,尽管 这 时 平衡 值 可 能 保持 相同 。 如 果 反 应 与 相互 转化 的 速度 成 比例 而 不 是 简单 地 和 了 es 分 子 的 浓度 成 比例 ， 那 么 反应 的 大 小 将 依赖 于 辐 照 度 。 这 也 可 以 用 来 解释 两 个 波长 混合 照射 时 观察 到 的 协同 效应 ， 因 为 两 个 单独 使 用 效果 不 大 的 波长 (658 和 766nm) 同 时 照射 提高 了 相 a} ’ 76 = y & 0.150 a S 三 红 ! 人 7 Hino = 三 a 0.050 CTT 346 9 [hj 12 和 9 [h] 12 光照 开始 后 的 时 间 | 光照 开始 后 的 时 间 播种 后 36 小 时 播种 后 36 小 时 图 11-8 高 辐 照 度 反应 。 芥菜 苗 在 红 光 (675mWm™) Rie 红 光 《3.2 Wm 一 ) 连 续 照 射 下 ， 花 青 苷 随时 间 的 积累 与 辐 照 度 的 关系 。 这 两 个 辐 照 度 用 脚注 1 表示 ， 而 其 它 脚 注 表示 这 两 个 辐 照 度 的 倍数 。 芥 菜 苗 在 暗 处 生长 35 h， 然 后 以 标明 的 辐 照度 连续 照 光 。 对 于 远 红 光 来 说 ，Pt: 的 水 平 在 12 h 内 基本 保持 不 变 ， 因此 很 请 楚 ， 花 青 苷 积累 的 量 是 辐 照度 的 函数 。 对 于 短暂 的 (<35 min) 红 光 或 远 红 光照 射 ， 反 应 遵从 反比 定 律 并 且 是 完全 光 可 逆 的 。 355 ¢ 互 转换 的 速度 。 “最 近 ， 有 人 用 连续 远 红 光 照射 下 全 部 光敏 色素 的 稳 态 水 平 来 解释 这 些 高 辐 照 度 反 应 所 ' ”。 如 果 从 数学 上 建立 一 个 表 明 这 些 过 程 相互 关系 的 模型 来 分 析 光 敏 色 素 发 生 的 所 有 光 过 程 和 上 暗 过 程 (包括 推 测 的 中 间 构 型 ),( 见 图 11-7)，, 那 么 全 部 光 敏 色素 的 平衡 值 是 与 辐 照度 有 关 的 人 们 发 现 Ps 的 稳 态 水 平 反比 于 远 红 光 的 辐 照 度 。 如 果 用 这 一 同样 的 数学 找 “ 述 ”…” ;并 以 已 知 或 估算 的 数值 代 人 每 一 过 程 的 速率 常数 ， 就 可 得 到 一 些 与 若干 实验 测定 的 作用 光谱 一 致 的 理论 作用 光谱 。 但 需要 做 如 下 的 假定 :@ 存 在 一 个 阔 值 , 低 于 此 闭 值 光敏 色素 将 不 再 衰变 ;@ 从 一 种 生物 系统 变 到 另 一 种 生物 系统 ,反应 的 速率 党 数 只 是 稍 有 改变 。 这 个 数学 描述 之 所 以 非常 引 人 注 目 就 在 于 RE PRN HK 相对 量子 效率 Non /NA 波长 (nm) 图 11-9 ”抑制 万 曹 下 胚 轴 生 长 的 高 辐 照 度 作 用 光谱 。 每 一 波长 的 相对 量子 效率 都 以 720nm 的 量子 效率 为 基准 。 速生 万 昔 苗 在 播种 后 54 和 72 小 时 之 间 连 续 地 照 光 ， 并 测量 这 期 间 下 胚 轴 长 度 的 增长 。 在 25°C 时， 对 720nm 处 辐 照 度 为 145X:10-42mol 光子 cm- s* 的 情形 观察 到 下 胚 轴 长 度 比 障 处 生长 的 对 照 苗 增长 5092〈 引 自 参 考 文献 20)。 «© 356 。 & 它 能 对 作用 光谱 最 大 值 很 不 相同 的 各 种 各 样 的 反应 定量 地 预 计 观 察 的 结果 。 然 而 ， 这 个 数学 模型 的 普遍 适用 性 沿街 进 一 步 的 实验 验证 。 11.2.5 异化 基因 的 激活 数学 模型 和 Pt- 的 浓度 计算 不 能 解决 在 分 子 水 平 上 Pe 分 子 对 于 产生 生理 反应 起 了 什么 作用 的 问题 。 换 言 之 , Pet 与 之 反应 的 化 合 物 X 是 什么 2” 人 们 提出 了 两 个 互 不 排斥 的 一 般 机 Se, eco CPI, C Pee J 3 4 | | | i 4 ; 1 钝 化 的 基因 可 阻 过 的 基因 (PT ) NA, mRNA. 正 的 光 反 应 产物 《例如 花 青 苍 ) 图 11-10 对 光敏 色素 所 调节 的 反应 提出 的 说 明 由 Pt: 控制 的 异化 基因 的 激活 和 异化 基因 的 抑制 的 假说 的 框图 。 圆圈 里 面 代表 植物 的 基因 组 。 当 光照 产生 有 活性 的 Pr 时 , 它 或 者 能 够 抑制 一 些 基因 而 停止 一 些 酶 的 产生 《 负 的 光 反 应 )， 或 者 能 够 诱发 酶 的 全 程 生物 合成 ( 正 的 光 反 应 ) 引 自 参 考 文献 14)。 。357。 制 。 一 种 机 制 认为 光敏 色素 作用 的 主要 方式 是 引起 异化 基因 的 激活 (图 11-10)。 当 Pu 产生 时 , 它 特 异性 地 影响 有 潜在 活 性 的 和 可 阻 遏 的 基因 ， 结 果 伴 随 着 那些 调节 产物 检 成 的 酶 的 产生 或 抑制 。 支 持 这 种 异化 基因 激活 机 制 的 最 明显 的 例子 是 Py, 对 诱发 茉 丙 氨 酸 解 氨 酶 和 抑制 脂 氧 合 酶 的 控制 。 受 忆 , 水 平 控制 的 35 个 酶 和 率 和 不 受 Pe 影响 的 8 个 酶 系 已 经 制 成 表 《参阅 参考 文献 3, 488 页 )。 然 而 ,用 重水 3620 密度 标记 的 数 据 指 出 : 光敏 色素 可 能 不 是 在 所 有 情况 下 都 直接 控制 酶 的 全 程 合成 四。 11.2.6 和 膜 的 相互 作用 光敏 色素 系统 调节 的 一 些 反应 可 以 在 几 分 钟 内 迅速 发 生 ， 这 表明 光敏 色素 是 通过 改变 膜 的 通 透 性 在 细胞 膜 水 平 上 进行 控制 的 .这 种 效应 最 明显 的 一 个 例子 是 Tanada( 棚 田 ) 效 应 a9。 如 果 切 下 大 麦 或 绿豆 的 根 尖 ;再 羽 红 光 进 行 照 射 , 则 在 根 尖 表面 产生 正 电 荷 。 当 把 根 尖 放 在 一 个 其 玻璃 表面 已 预先 用 磷酸 根 离子 处 理 过 的 烧杯 里 的 液体 介质 中 ， 根 尖 就 会 吸 在 带 负 电 的 玻璃 表面 上 。 如 果 这 时 再 用 远 红 光 照射 根 尖 ， 根 尖 就 不 再 吸 在 壁 上 。 这 种 红 光 ， 远 红 光 的 光 可 逆 性 是 光敏 色素 控制 的 反应 的 标志 。 由 光 引 起 的 禾 草 幼苗 的 胚芽 精 生 物 电 位 的 变化 的 直接 测量 表明 ， 膜 的 这 些 电位 的 变化 是 受 光敏 色素 控制 的 20。 在 蚕豆 幼苗 不 同 器 官 间 光敏 色素 调节 信号 的 迅速 传递 也 与 膜 有 关 52a。 与 颗粒 状 细胞 物质 结合 的 光敏 色素 的 分 离 工作 已 获 成 功 c9， 目 前 正在 广泛 探讨 这 种 假定 的 光敏 色素 - 膜 系统 的 特 征 。 红 光照 射 后 ,从 南瓜 幼苗 中 提取 的 光敏 色素 中 的 40 多 作 为 结合 的 Pt 旦 颗粒 状 沉淀 ,如 果 红 光照 射 以 后 跟着 再 用 远 红 光照 射 , 便 只 有 4 卿 的 光敏 色素 是 里 粒状 帝 淀 的 , Pe 似乎 是 有 9 358 » 选择 地 结合 到 微粒 状 物 质 上 。 此 外 ， 由 于 它 逐 渐 失 去 光 可 首 性 ;结合 的 Pr 则 被 破坏 。 如 果 在 提取 以 前 插 进 2 小 时 的 黑暗 期 ;发现 光 敏 色素 很 少 处 于 结合 状态 。 因 此 ,得 出 结论 : 当 光 敏 色素 结合 到 膜 上 时 ，Pe 便 遭 到 破坏 。 但 是 有 一 点 是 清楚 的 ， 即 栖 粒状 沉淀 的 光敏 色素 的 存在 不 能 证 明 色素 是 与 膜 结合 的 27。 已 经 从 纯化 的 光敏 色素 制备 出 特殊 的 免疫 着 色 剂 。 这 个 方法 已 被 用 于 光敏 色素 在 细胞 内 的 定位 ， 定 位 数据 证 明 在 红 光照 射 后 光敏 色素 位 于 与 膜 结 合 的 部 分 。 红 光照 射 之 前 光敏 色素 是 均匀 分 布 的 ,但 在 变 成 Pr 构 型 后 则 迁移 到 特异 的 受 体 fp Be, . ‘ 这 些 数据 与 对 暗 处 生长 的 幼苗 中 叶绿素 积累 而 言 的 光 注 量 -生理 反应 曲线 的 变化 是 一 致 的 。 也 和 以 任何 一 种 光 预 先 照射 后 的 幼苗 敏感 性 的 改变 一 致 2J。 如 果 幼 苗 已 用 红 光 照射 过 ， 或 者 先 用 红 光 再 用 远 红 光 照射 过 ， 或 者 只 用 远 红 光 照射 it, 则 光 注 量 -反应 曲线 沿 能 量 轴 发 生 位 移 , 使 得 为 产生 叶 绿 素 的 积累 现在 就 需要 较 大 的 照 光 量 。 但 是 , 光 注 量 -反应 曲线 的 斜率 较 大 ,因此 吸收 的 光量 子 看 来 更 加 有 效 。 现在 有 一 种 假说 , 它 认为 P, 分 子 近乎 均匀 地 分 布 在 整个 细胞 中 ， 而 任何 光照 以 后 ，Pe 分 子 集中 在 膜 上 的 活性 部 位 。 由 于 光敏 色素 集中 在 膜 上 而 使 接受 人 射 光 能 的 色素 吸收 体 的 面积 缩小 ,因此 捕获 人 射 光 量子 的 机 率 减 小 了 。 然 而 ,一 旦 量 子 被 吸收 ， 它 对 于 刺激 光 形 态 建 成 反应 就 更 为 有 效 。 在 单独 用 远 红 光 照射 或 者 先 用 红 光 再 用 远 红 光 照射 这 样 的 光 北 转 特 环 以 后 7 RIP AY Pe 的 总 量 很 少 , 但 是 它 结合 到 膜 上 并 影响 以 后 的 光 注 量 - 反 应 曲线 。 也 许 这 就 解释 了 光敏 色素 分 子 吸 收 的 任何 光照 都 可 以 产生 去 黄 化 的 现象 。 无 论 建 立 什 么 样 的 [Pe]/[P.] 的 光 稳 态 , 都 有 一 些 Pe 变 成 与 膜 结合 的 ,这 种 结合 。359。 的 物质 能 改变 系统 以 后 的 光敏 感性 。 11.3 KER Ww 第 二 类 光 形 态 建成 反应 是 那些 习惯 上 叫做 蓝光 调节 的 反 应 。 这 类 光 形 态 建成 反应 是 大 量 存在 的 ， 从 作用 光谱 数据 来 看 ， 它 们 似乎 有 一 个 共同 的 光 受 体 。 光 运动 (参阅 第 12 B), 真菌 的 光 诱 导 生 长 反应 、 原 生 质 的 流动 细胞 质 粘度 的 改变 ， 以 及 能 改变 生长 和 分 化 的 很 多 反应 都 属 这 一 类 反应 色 a6 11.3.1 光 诱 导 的 类 胡 切 小 素 的 合成 一 个 典型 的 蓝光 反应 系统 是 在 真菌 脉 孢 菌 (Nezraspora) 菌 100 wo °o 80 7O0 x * 50 x 40 30 20 0 i 320 380 44D 500 600 700 800 波长 mm) 图 11-11 在 真菌 脉 胞 菌 的 菌 丝 中 光 诱 导 类 胡 昔 卜 素 的 生物 合成 的 作用 光谱 ， 这 是 一 种 蓝光 的 光 形 态 建成 反应 〈 引 自 参 考 文献 32). * 360 « 丝 体 申 诱导 的 类 胡 葛 卜 素 的 合成 。 对 这 种 系统 来 说 ,几乎 绝对 需要 的 是 光照 ,在 黑暗 中 只 有 微量 的 类 胡 葛 卜 素 在 合成 。 假 若 暗 处 生长 的 菌 丝 受 到 短暂 的 光子 总 数 不 高 的 光照 ,然后 在 6sC 保持 48 小 时 , 则 有 大 量 类 胡 梦 小 素 被 合成 出 来 。 有 黄色 的 、 栖 黄 色 的 和 红色 的 类 胡 葛 卜 素 , 但 主要 的 一 种 是 脉 孢 菌 黄 Ji (neurosporoxanthin) ) , 它 是 一 种 栖 红 色 的 35-C BMA AAS bh Ao HA 11-11 上 给 出 了 一 个 详细 的 作用 光谱 ， 它 是 这 种 蓝 光 反 应 的 一 个 典型 。 在 400 一 500nm 区 域 中 有 多 个 吸收 峰 。 520nm 以 上 没有 任何 活力 ， 但 在 近 紫 外 区 有 活力 。 在 这 些 反 应 中 近 紫 外 辐射 的 效率 是 可 变 的 ， 因 此 引起 很 多 有 关 光 受 体 本 质 的 争论 。 某 些 蓝 光 反 应 作用 光谱 在 365nm 附 近 有 一 个 明 显 的 峰值 ， 这 证 明 是 黄 素 类 型 的 光 受 体 。 其 它 一 些 作 用 光谱 在 365nm 处 只 有 一 个 小 峰 , 从 而 证 明 是 类 胡 葛 bh RANE B41, 11.3.2 光 受 体 的 性 质 大 多 数 令 人 信服 的 资料 认为 有 一 种 黄 素 型 光 受 体 ， 但 仍 存在 和 争论”。 当 然 , 最 有 力 的 证 明 是 分 离 光 受 体 体系 ,并 在 体 外 观察 受 体 执 行 功 能 的 情况 。 活体 透射 率 的 测量 表明 蓝光 照射 后 脉 孢 菌 和 粘 菌 (Diczy- ostelixmz) 的 吸收 发 生 位 移 , 提 取 的 物质 ?% 当 也 表明 有 同样 的 吸 收 变化 ,并 且 已 经 证 明黄 素 对 细胞 色素 的 减少 起 着 调节 作用 。 但 是 ， 这 个 体系 是 否 就 是 对 蓝光 光 形 态 建成 反应 负责 的 生理 上 有 关 的 体系 尚 不 清楚 。 在 支持 黄 素 光 受 体 的 观点 方面 ， 人 们 已 经 能 直接 光 激 发 光 受 体 的 最 低 三 线 态 9。 利用 可 调频 的 激光 进行 刺激 ,对 于 须 霉 属 (Phycomyre*) 的 芽 钨 否 的 向 光 反 应 和 光 生 长 反应 两 者 观察 到 的 作用 光谱 的 最 大 值 都 在 595nm， 595nm 处 的 最 大 值 高 度 是 455nm 处 的 最 大 值 高 度 的 10-", 这 。361。 ae Ee ee a “3 ‘7 J > 和 计算 出 来 的 核 黄 素 在 这 个 光谱 区 的 吸收 截面 是 一 致 的 。 虽然 蓝光 反应 似乎 是 受 一 个 共同 的 光 受 体系 统 的 调节 ， 但 可 能 不 是 对 所 有 情况 都 是 如 此 。 光 反应 系统 的 进化 多 半 有 多 种 途径 ,并 且 恰 好 发 生 在 若干 结合 点 上 。 例 如 ;在 脉 孢 菌 和 头孢 菌 (Ceppalorporzzm diortpy7) 属 中 ， 类 胡 枕 卜 素 的 光 诱 导 只 对 小 于 520nm 的 波长 才 出 现 吧 31， 某 些 细菌 和 分 枝 杆 菌 属 也 对 红 光 反应 ;它们 的 光 受 体 被 认为 是 一 种 中 啉 2。 此 外 ;在 SED PRA bh AWA ey HE SEM ARAB a nage fea! 11.4 ”藻类 的 光 形 态 建成 在 藻类 中 还 有 其 它 的 光 形 态 建成 反应 ， 其 中 之 一 是 色 适 应 s?。 根 据 藻类 生长 的 环境 中 光 能 的 波长 分 布 ， 这 些 反应 可 以 改变 藻类 的 色素 组 成 ， 色 素 组 成 的 这 些 改变 通常 是 由 于 合 RAMI RSA AK MHS BREAK 蛋白 总 量 的 不 同 引起 的 。 胆 蛋白 作为 整体 起 着 辅助 色素 的 作用 ， 它 把 吸收 的 光量 子 传递 给 有 光合 作用 活性 的 部 位 ,因此 ,如 果 藻 类 生活 在 能 引 起 光合 作用 的 光 很 弱 的 区 域 , 就 会 产生 色 适 应 ,并 且 将 合成 出 在 这 个 光谱 区 有 强烈 吸收 的 色素 。 具 有 色 适 应 的 机体 能 够 获 取 大 部 分 能 利用 的 能 量 , 因 而 生存 能 力 强 。 伴随 着 亚 细 胞 水 平 上 色素 组 成 的 变化 ， 还 出 现 宏 观 的 光 形态 建成 反应 。 例 如 对 丝 状 蓝 绿 注 (Fremyella diplosiphon)™ 所 描述 的 那些 反应 。 当 藻 丝 体 在 白光 荧光 灯 下 生长 时 时 平均 长 度 是 460km， 每 个 藻 丝 体 平 均 有 40 一 60 个 细胞 。 RM 丝 体 生长 在 红 光 下 ， 平 均 丝 长 度 是 50um, 只 由 10 一 15 个 细 胞 组 成 ， 不 同 波长 的 光 对 形态 的 这 些 影响 在 用 光 继 续 处 理 后 。 362。 是 完全 可 逆 的 〈 见 图 11-12), 这 些 反应 的 作用 光谱 (图 11-13) 表 明 绿 光 刺激 产生 长 的 藻 丝 体 ( 无 序 生 长 )， 红 光 产 生 有 具有 短 藻 丝 的 培养 物 。 寻 找 与 作用 光谱 中 那些 最 大 值 匹 配 的 色素 的 工作 没有 取得 成 功 。 大 多 数 作 者 认为 别 藻 蓝 蛋 折 是 与 红 光 区 最 大 值 对 应 的 受 体 ,但 是 绿 光 区 的 最 大 值 说 明 存 在 着 一 种 色素 的 聚集 体 。 通 过 与 光 敏 色 素 类 比 ， 还 提出 了 有 一 个 光 可 逆 的 色素 体系 的 看 法 。 但 是 至 今 还 没有 分 离 出 具有 活性 的 光 受 体 。 对 于 吸收 最 大 值 在 11-12 “对 荧光 辐射 (图 上 方 ) 和 红 光 照射 (图 下 方 ) 适 应 了 的 丝 状 蓝 绿 葵 蒙 丝 体 之 间 形 态 学 的 差别 。 荧光 照射 (250 英尺 旭光) 培养 的 藻 丝 平均 长 约 460knmy 45 一 60 个 细胞 。 红 光照 射 (一 0-1 Wm) sg 42 均 长 度 50um, 含 10 一 15 个 细胞 。 这 些 光 诱导 的 变化 是 完全 光 可 逆 的 。 图 中 所 画 线段 的 长 度 是 10kmX1950( 引 自 参 考 文献 40)。 e 363 。 蓝 绿 色 和 黄色 光谱 区 的 其 它 莹 类， 类 似 的 可 逆 色 素 已 有 报 = NEEL MAA. MUA IES BA Me EM 不 仅 在 不 利 条 件 下 作为 辅助 色素 帮助 进行 光合 作用 ， 而 且 相 似 的 或 者 完全 相同 的 色素 还 同时 控制 着 代谢 过 程 。 完 全 有 理 由 认为 藻 丝 体 长 度 的 抑制 和 生长 过 程 是 在 胆 蛋 白 控制 之 下 进 行 的 ,并 且 与 高 等 植物 的 光敏 色素 的 情况 一 样 , 只 是 在 进化 过 程 的 后 期 才 出 现 单一 的 光 致 变色 的 胆 蛋白 。 还 有 一 点 很 有 趣 ， 这 种 色 适 应 的 反应 可 以 和 光环 境 中 自 每 个 量子 的 相对 活 度 500. 640 700 波长 图 11-13 ”从 无 序 生长 培养 的 蓝 绿 洛 灰 色 念珠 蔬 A (Nostoc muscorum ATE RSH KOI FAVED HIE DIC. HE | si Mea Ee Pr RSE I A He RO PO ee Ke ra CAREER 14 | 18 天 )， 用 每 一 波长 上 的 注 量 都 是 150Jm- 的 光 加 以 诱导 ;为 了 逆 变 ,对 这 些 细胞 进行 饱和 的 红 光 照射 ， 然后 在 每 一 波长 上 接受 注 量 为 288Jm- 的 照射 ,记录 在 暗 处 4 天 以 后 发 育成 的 藻 丝 体 ( 引 自 参考 文献 39)。 ,364。 然 的 周期 性 波动 相配 合 ， 起 着 自身 调节 的 形态 建成 功能 。 在 水 生 环境 中 ， 太 阳光 的 红 光 部 分 比 蓝 光 或 绿 光 随 着 水 的 深度 更 快 地 减弱 。 此 外 ,浮游 植物 本 身 起 着 光谱 泪 光 片 的 作用 , 随 着 溶 在 水 中 的 养分 的 增加 和 浮游 植物 数量 的 增加 ， 在 浅水 区 光谱 的 绿色 成 分 相对 增加 。 在 深水 区 和 红 光 比重 增加 的 情况 下 ,念珠 藻 在 发 育 上 表现 出 延迟 形成 藻 丝 的 特点 , 因此 , 当 念 珠 藻 数 量 增加 时 ， 无 序 生 长 阶段 的 出 现 是 和 绿 光 的 透 进 相对 应 的 ,这 样 生长 周期 就 变 成 同步 了 ,并 且 可 能 是 调节 浮游 生物 蓝 绿 藻 开花 的 途径 @9。 ”形态 学 上 的 这 些 变化 (多 形态 化 ) 受 到 照射 机 体 的 光 的 光 谱 分 布 的 调节 。 形 态 学 上 受 环境 的 控制 ， 这 种 形态 上 的 变化 给 分 类 学 家 根据 形态 和 结构 进行 分 类 带 来 了 许多 麻烦 、 许 多 这 类 藻类 被 分 类 为 不 同 的 品种 ， 而 实际 上 它们 却 只 不 过 是 同 一 品种 的 多 形态 化 的 变形 。 光 形 态 建成 反应 另 一 个 一 般 原理 是 它们 往往 不 是 那些 绝 对 地 依赖 于 光 的 过 程 。 在 很 多 情况 下 ,发 育 过 程 已 经 完成 , 然 后 光敏 感 的 光 受 体 改 变 成 环境 感受 器 。 例 如 ,在 念珠 藻 里 , 藻 红 和 蛋白 的 合成 速度 受 光 的 调节 ， 如 果 念 珠 藻 在 完全 黑暗 的 条 件 下 培养 ; 当 加 进 一 个 外 部 能 源 时 , 几 周 后 仍然 会 最 终 合 成 出 营 红 蛋白 。 高 等 植物 的 开花 过 程 有 类 似 的 情况 ， 如 果 现 豆 或 马铃薯 在 完全 黑暗 条 件 下 放置 6 周 或 更 长 的 时 间 ， 也 会 开 出 -许多 花 来 。 在 美洲 Wonder 现 豆 无 论 开 花 和 结果 都 是 在 完全 黑暗 中 进行 的 吧 。 大 多 数 光 敏感 的 种 子 如 果 在 黑暗 中 保存 足 够 长 的 时 间或 用 其 它 物 理 方 法 刺激 (例如 剥 掉 种 皮 或 用 次 透 分 离 ) SERRE, 结论 是 : 在 光 形 态 建成 反应 中 光 似乎 起 纯 烷 的 调节 作用 ， 而 启动 光 形态 建成 反应 并 不 绝对 需 Et. + 365+ cr “jp ss. ~ « rer « > 2s ek i) ene 11.5 SERA RMA BE 我 们 所 描述 的 大 多 数 反应 其 分 子 机 制 已 在 实验 室 里 完全 ”确定 和 控制 的 条 件 下 得 到 嚼 明 。 由 于 和 环境 相互 作用 的 复杂 性 ;这样 做 是 唯一 合理 的 途径 ,但 是 我 们 现在 正 处 于 这 样 一 种 知识 状况 : 我 们 相信 在 实验 室 成 立 的 事情 实际 填 反 映 子 自然 环境 中 所 发 生 的 情况 。 至 今 还 没有 任何 人 能 测定 在 自然 条 件 王 生 长 的 绿色 植物 材料 中 的 [Pt:]/[P:] 比 值 。 事 实 上 ，, 还 没有 任何 人 从 完全 是 绿 色 的 植物 中 成 功 地 分 离 出 (植物 ) 光 敏 色 素 , 但 是 ,由 观察 到 的 反应 我 们 有 理由 相信 光敏 色素 确实 存在 。 例 如 半 植 物 生理 学 家 早 就 观察 到 所 谓 阳 面 生长 的 植物 和 阴 面 生长 的 植物 之 间 在 叶片 大 小 和 形状 上 的 差别 ， 阴 面 生 长 的 植物 叶片 通常 比 在 开 阔 地 生长 的 同 种 植物 叶片 面积 大 ， 而 阳 面 生长 的 植物 叶片 比 较 厚 ,并 且 靠 近 节 中 间 部 分 的 叶子 有 最 大 的 趋势 “6 关于 叶片 的 大 小 和 形状 受 光 控制 的 问题 在 文献 中 亦 很 浊 乱 * 这 是 由 玫 个 因素 引起 的 ””: 外 不 仅 辐 照度 是 重要 的 ;四 叶 片 表面 辐 照 度 的 光谱 品质 也 是 重要 的 , (RE 11.4 中 所 描述 的 念珠 藻 体 系 那样 ,高 等 植物 叶子 是 极 好 的 远 红 透射 滤 光 片 , 若 测量 穿 过 叶 冠 的 光 的 光谱 品质 随 距 植物 顶端 距离 的 变化 ， 发 现 光谱 的 远 红 部 分 增加 。 植 物 顶 部 的 叶子 可 能 是 处 在 红 光 在 富 的 环境 中 ， 而 植物 中 部 的 叶子 则 可 能 是 在 远 红 光 丰富 的 环 境 中 ,因此 , 蕉 的 伸 长 和 时 片 的 增 大 必然 受到 天 然 背 阴 的 强烈 影响 ;@ 在 实验 室 条 件 下 ,植物 根部 的 矿物 质 和 水 的 比例 对 所 观察 到 的 发 育 影响 很 大 。 在 白杨 树叶 子 中 光合 作用 能 力 不 仅 是 光 强 度 的 函数 ,而且 也 与 水 和 离子 之 间 的 平衡 有 关 ”。 | 有 许多 因素 在 起 作用 ， 而 一 直 被 人 们 忽略 的 那些 因素 是 "366。 an elt et te | ie " ud easneRU EM a 质 的 难以 捉摸 的 变化 ， 关 于 这 个 参数 和 它 的 影响 我 们 知道 的 太 少 。 再 举 一 例 ， 许 多 文献 讨论 了 阳 面 植物 和 阴 面 植物 的 补偿 点 (刚好 能 平衡 植物 对 能 量 的 需求 时 所 需 的 光 强 度 的 数值 )*a ,虽然 与 这 些 补偿 值 对 应 的 辐 照度 变化 可 达 10 倍 , 但 却 很 少 考虑 到 光环 境 的 光谱 品质 。 在 确定 这 些 补偿 值 时 可 能 会 涉及 起 调节 作用 的 光 形 态 建成 的 过 fo : | | 新 品种 在 某 些 地 理 区 域 的 蔓延 和 植物 的 竞争 都 是 一 些 复 杂 的 问题 。 借 助 绿 戎 下 远 红 光环 境 增强 的 办 法 可 以 在 很 大 程 度 上 防止 杂 草 种 子 的 萌发 "9。 一 株 植物 所 给 种 子 的 发 芽 灵 敏 度 受 其 亲本 植物 在 种 子 成 熟 之 前 所 接受 的 光 的 光谱 品质 的 调 节 , 这 现象 至 少 在 实验 室 能 证 明 '"”"。 但 是 ,在 自然 界 中 这 种 过 程 的 生存 价值 还 不 清楚 。 11.5.1 光谱 品质 在 自然 环境 中 的 重要 性 。 对 环境 中 光谱 品质 的 重要 性 了 解 得 还 很 少 ， 由 于 实验 上 的 困难 和 花费 大 ， 往 往 都 是 根据 一 些 太 阳 和 天 空 的 理论 模型 进行 计算 ， 而 不 是 实地 测量 光谱 品质 。 BRAM: 红 光 与 远 红 光 的 比值 变化 不 大 ， 但 是 测量 日 出 和 日 落 前 后 直接 的 太阳 辐射 光 以 及 总 的 太阳 和 天 空 光 的 宽带 光谱 指出 : 这 个 比值 不 是 没有 变化 ( 胸 图 11-14)。 总 天 空 光 ( 包 括 直 射 光 \、 散 射 光 和 反射 光 ) 是 很 重要 的 , 因 为 照射 到 象 时 片 这 样 一 个 伸展 的 接收 器 上 的 不 只 是 直接 的 太 阳光 ， 而 正 是 这 样 的 天 空 光 。 在 测量 到 达 地 球 表面 的 波长 最 短 的 紫外 辐射 时 ， 可 以 看 出 总 天 空 光 的 重要 性 。 如 果 测 量 太 阳 辐 射 时 准 直 管 的 方向 放 成 使 得 只 有 太阳 圆 球 和 紧 靠 它 的 边 KKK RMS], MGI FIRE 290nm 左右 。 但 是 , 如 果 在 同样 的 测量 仪器 上 放 上 一 个 石英 漫 散 射 器 ， 使 测 到 的 光 来 。 367 « 自 整个 半球 空间 (包括 太阳 辐射 和 天 空 辐射 两 部 分 )， 则 记录 到 285nm 的 辐射 。 这 个 结果 符合 于 这 样 一 个 假说 : 285nm 的 辐射 明显 地 是 由 太阳 的 直射 光 散 射出 来 的 ， 面 它 通过 多 次 散 射 和 反射 成 为 天 空 光 的 重要 成 分 “。 为 了 探究 生物 体系 可 能 对 光 刺 激 做 怎样 的 反应 ， 除 了 对 光环 境 中 实际 出 现 的 光谱 分 布 进行 直接 测量 外 , 别 无 其 它 办 法 。 FR/R ° 600 10 20 30 40 50 700 10 20 3 40 SQ 800 10 20 30 40 SO 900 时 间 11-14 在 华盛顿 市 对 两 个 典型 的 晴天 测量 了 日 出 后 不 到 1 分 钟 内 太阳 光 中 远 红 光 〈730 士 4nom，FR) 和 红 光 《〈660 士 4nm, R) 辐 照 度 的 比值 。 测 量 是 用 一 个 放 在 对 红 光 敏感 的 光 检测 器 上 方 的 准 直 管 进行 的 ， 该 准 直 管 的 接收 立体 角 比 让 来 自 太 阳 表 面 的 所 有 直射 光 进 入 所 需 的 立体 角 大 2 度 。 用 手 调 整 该 仪器 的 位 置 ， 使 准 直 管 的 中 心 对 准 太阳 的 中 心 ? 在 光路 土 交替 放 上 两 个 干涉 滤 光 片 ， 并 测量 透 过 干涉 滤 光 片 的 光 通 量 ， 相继 在 两 个 波长 上 测量 的 时 间 不 超过 5 秒 。 上方 的 曲线 是 上 午 5 点 47 分 9 当 太 阳 圆 球 的 上 缘 出 现在 地 平 线 上 时 测量 的 。 而 下 方 的 曲线 是 在 上 午 5 点 45 分 测量 的 。 这 两 次 测量 是 1263 年 5 月 31 日 和 6 月 1 日 从 美国 华盛顿 国立 博物 馆 北 旗 塔 顶 上 进行 的 ( 引 自 参考 文献 47 Do "368。 a * ae | s 11.5.2 ”商业 上 和 经 济 上 的 重要 性 如 果 能 用 喷 撒 化 学 药剂 使 农作物 的 光敏 色素 分 子 变 成 Pt 形式 ,从 而 调节 商品 农作物 开花 和 结果 的 时 间 ， 那 将 有 很 大 经 济 意 义 。 遗 憾 的 是 我 们 对 光敏 色素 的 作用 方式 及 作用 位 置 的 了 解 还 不 足以 设计 和 合成 能 够 引起 这 种 改变 的 化 学 药 物 。 租 是 ,由 于 光 能 够 调节 这 种 光 致 变色 的 变化 ,所 以 大 们 提 出 并 成 功 地 证 明了 生长 在 比较 大 面积 上 的 植物 可 以 用 红色 激 光束 来 控制 5。 不 幸 的 是 ， 能 控制 的 面积 还 不 能 大 到 足以 引 起 商业 主 重 视 的 程度 , 因为 这 需要 遇 贵 的 大 型 激光 器 。 理 论 上 讲 , 如 果 所 需 的 功率 和 光源 的 大 小 是 现实 的 话 ,这 样 的 控制 在 经 济 上 也 许 是 可 行 的 。 但 是 ,从 光 生 物 学 家 的 角度 来 看 ;更 应 该 了 解 受 光 形 态 建成 控制 的 自然 环境 中 发 生 的 光 形 态 建成 及 其 过 程 。 例 如 ， 有 人 建议 在 固定 轨道 上 的 大 型 卫星 上 用 大 的 反射 表面 使 世界 一 些 地 区 在 夜晚 也 保持 光照 。 技 术 上 这 样 的 卫星 是 可 以 建造 的 ， 并 且 1966 年 吧 在 为 了 军事 目的 Abel 计划 中 郑重 提出 过 。 幸 好 由 于 一 些 担心 失去 黑暗 的 夜空 将 无 法 进行 天 文 观测 的 天 文学 家 的 反对 和 对 光 形 态 建成 感 兴趣 的 光 生 物 学 家 的 关注 ,卫星 的 这 种 应 用 还 未 实现 。 和 如果 这 样 一 个 反光 的 卫星 偶然 发 生 一 个 转动 ， 就 会 使 一 个 辐 照 度 只 是 满月 光 的 三 倍 的 白光 闪光 扫 过 北半球 ， 可 以 想 象 到 这 样 一 个 闪光 将 会 使 很 多 商业 上 重要 的 作物 不 开花 或 不 结果 ， 只 要 想到 大 面积 的 蔬菜 植物 在 人 冬 以 前 不 能 结 成 果实 或 种 子 这 种 后 果 ， 更 不 必 说 这 种 光 扰 动 对 于 光 周 期 敏感 的 岛 类 和 哺乳 动物 会 产生 什么 样 的 影响 了 52。 联系 到 上 面 建议 的 人 造 卫 星 向 光 生 物 学 家 提出 的 一 个 问 GE: 热带 植物 需要 什么 样 的 光 周 期 呢 9 在 赤道 附近 白 尽 的 长 度 变 化 是 很 小 的 ; 因此 长 期 以 来 人 们 一 直 认 为 在 热带 地 区 369， 光 周 期 的 作用 是 可 以 忽略 的 ,但 是 ,对 巴拿马 的 一 些 树种 的 观 RAEI, RRP KAMA EM eK 12h 内 可 精确 到 土 15 min， 一 些 热带 植物 甚至 可 以 更 精确 地 用 来 测量 白 屋 的 长 度 。 有 目前 我 们 的 确 不 了 解 光 周 期 对 于 大 多 数 热带 植物 控制 到 什么 程度 。 随 着 新 光源 的 发 展 也 引起 了 -一些 光 形 态 建 成 方面 的 考 虑 ,经 济 和 省 电 的 钠 蒸 气 灯 破坏 了 我 们 城市 里 的 一 些 树种 ca 钠灯 光谱 的 红 光 部 分 相对 来 讲 比较 丰富 ,由 于 这 种 灯 能 整 夜 点 燃 ， 它 可 能 通过 (植物 ) 光 敏 色素 影响 树木 的 生长 速度 和 所 需要 的 天 然 光 照 -黑暗 的 循环 ;这 种 循环 是 树木 在 首次 严 霜 之 前 就 进入 冬眠 状态 所 必需 的 。 像 红 枫 或 榆树 显然 不 能 种 在 用 钠 蒸气 灯 作 常 规 照 明 的 城市 地 区 ,如 果 种 植 这 些 树木 , 则 必须 适当 地 遮蔽 灯光 。 最 后 在 我 们 使 用 人 造 光源 方面 有 着 越 来 越 多 的 商业 上 的 重要 问题 。 商 业 温室 的 种 植 者 通过 调节 光 周 期 很 容易 调节 一 些 作物 的 生产 ,例如 复活 节 百合 花 之 类 的 开花 植物 \ 圣 诞 节 用 的 一 品 红 或 一 年 四 季 都 开花 的 菊 属 植物 就 是 用 这 种 办 法 调 节 生 产 的 。 对 世界 上 很 多 地 区 来 说 ;时 菜 类 蔬菜 和 像 西 红 术 那样 的 果菜 在 冬天 是 很 贵 的 食品 ， 因 此 菜农 在 控制 的 温室 中 补 种 或 种 植 这 些 作物 ， 并 花 大 量 的 电能 生产 这 些 植 物 。 光 形 态 建成 反应 在 调节 光合 作用 效率 上 可 能 是 重要 的 ;如果 光 谱 品质 以 及 照 光 的 强度 和 时 间 速 率 都 是 最 佳 条 件 ， 那 么 生产 每 单位 鲜 重 蔬菜 所 需 的 电能 就 将 大 大 地 减少 。 目 前 我 们 还 不 能 预计 对 于 以 最 低 的 成 本 来 有 效 的 生产 出 所 需要 的 作物 来 说 什 入 样 的 光 形 态 建成 的 光照 条 件 组 合 是 最 好 的 ， 因 为 我 们 对 光 合作 用 和 可 调节 的 光 形 态 建成 过 程 之 间 相 互 作 用 中 涉及 的 光 生物 学 实在 知道 的 不 够 。 «370° a — —-- 116 & 了 论 自然 界 进化 出 了 若干 色素 ， 它 们 能 使 生物 体系 对 自然 界 的 光环 境 的 涨 落 作 出 反应 。 其 中 的 某 坚 色素 系统 是 单独 起 作 用 的 ,但 是 为 了 能 使 各 个 物种 生存 下 去 ,很 多 色素 系统 似乎 是 协调 起 来 起 作用 的 。 对 大 多 数 这 些 复杂 的 过 程 中 所 发 生 的 分 子 事件 ， 我 们 知道 的 很 少 。 甚 至 对 我 们 了 解 最 多 的 系统 二 一 光敏 色素 也 有 许多 还 未 解决 的 问题 。 例 如 : @@ 一 天 之 中 绿色 植物 中 光敏 色素 的 吸收 状态 与 辐 照 度 和 光谱 分 布 两 者 有 什么 样 的 函数 关系 ?9 @@ 为 什么 暗 处 生长 的 幼苗 产生 那样 多 的 光敏 色素 9 这 些 附 加 的 光敏 色素 有 还 未 发 现 的 作用 吗 ? 图 为 什 委 生长 在 森林 边缘 处 远 红 光 丰富 的 环境 的 植物 在 它 的 种 子 发 芽 之 前 需要 较 强 的 光照 ?这 对 它 有 什么 好 处 ?9 轩 这 些 种 子 不 大 可 能 在 黑暗 中 发 伸 ;这 有 什么 优越 性 ? 关于 光 形 态 建成 反应 概括 地 说 有 下 面 几 个 问题 : 1) 大 阳光 和 天 空 光 光 谱 分 布 的 自然 波动 有 多 大 ? 它们 是 怎样 与 植物 的 自身 过 滤 作 用 相 作 用 来 调节 生长 和 形态 的 ? (2) 对 光 受 体 色素 被 光 激 发 以 后 发 生 的 任何 这 些 光 形态 ， 建成 过 程 来 说 ,原初 反应 的 产物 是 什么 ? (3) 对 有 商业 价 值 的 发 育 过 程 来 讲 ， 是 否 有 什么 化 学 上 的 方法 能 取代 对 光 信 号 的 需要 ? 《4 六 当 我 们 发 展 新 的 人 工 光 源 时 ， 什 委 样 的 生物 过 程 将 受到 光污染 的 影响 ? (6) 还 有 多 少 在 光 控 制 下 发 生 的 其 它 调 节 过 程 有 待 发 现 ? 解决 和 回答 这 些 光 形态 建成 的 问题 不 仅 是 对 科学 家 的 肉 策 和 挑战 ,而 且 对 人 类 也 有 重要 和 深远 的 意义 。 ° 371° 由 7 实验 11.7.1 实验 方法 实验 1 光 形 态 建成 反应 的 最 简单 的 证 明 是 比较 生长 在 完全 黑暗 条 件 和 生长 在 光照 条 件 下 的 委 豆 或 豌豆 幼苗 。. 在 生 长 几 天 以 后 就 可 以 在 色素 形成 、 茎 的 长 度 和 叶片 面积 等 方面 观察 到 许多 差别 。- 用 两 个 小 花 盆 装 上 湿润 松软 的 土 , 装 到 花 盆 的 四 分 之 三 ; 并 使 花 盆 能 够 排水 ,在 表面 撒播 上 6 一 12 RRB MS, 盖 上 lem 厚 的 混 土 ,温度 保持 在 23%cC。 用 两 个 大 烧杯 倒 扣 在 花 盆 上 以 维持 大 于 80 多 的 相对 湿度 。 一 盆 盖 上 黑 布 放 在 暗室 里 以 保证 不 曝光 , 另 一 盆 放 在 实验 室 里 ,在 强度 大 于 100 英尺 烛光 的 白色 日 光 灯 下 照射 6 一 7 天 。 观察 到 的 大 部 分 差别 都 属于 光 形 态 建成 反应 。 如 果 比 较 在 两 种 条 件 下 生长 的 幼苗 的 干 重 , 那 差别 是 很 小 的 ,因为 幼苗 把 比较 大 量 的 食物 都 贮藏 在 种 子 里 ， 因 此 在 这 段 时 期 是 不 依 赖 于 光合 作用 的 。 实验 2 ”可 以 用 一 些 生理 反应 定量 地 测量 光 形 态 建成 反 应 ， 例 如 在 蚕豆 幼苗 中 测量 弯 钩 的 张 开 或 叶 盘 的 扩大 。 如 果 短 豆 幼苗 生长 在 黑暗 中 , 像 上 面 概述 的 那样 , 6 天 以 后 在 昏暗 的 绿色 安全 灯 下 ， 在 正好 子叶 下 面 的 茎 部 切 下 含有 次 子叶 弯 钩 的 2.5cm 的 一 段 ， 把 切 下 的 部 分 放 在 皮 氏 (Petri) 培养 四 里 的 湿 滤 纸 上 , 用 低 辐 照 的 红 光 (0.1 Wm?) eae 弯 钩 张 开 的 角度 用 半圆 规 来 测量 。 在 实验 开始 时 ， 黑 暗中 生 长 的 胚 轴 钩 的 短 臂 和 长 璧 近 于 平行 。 在 红 光 照射 以 后 ， 胚 轴 钩 内 部 区 域 的 细胞 增 大 ， 短 臂 和 长 臂 之 间 的 角度 与 光 注 量 成 正比 ,对 1 mW m’20h 的 光照 观察 到 的 张 角 大 约 65 55 © ¢ 372° 如 果 在 短暂 的 红 光 照射 1 kJ m ,照射 30 min 以 后 ， 接 着 用 远 红 光 照射 (0.3 kJ m 一 )， 则 胚 轴 钧 张 开 的 程度 就 减 小 。 如 果 用 软木 打 孔 器 从 瞳 处 生长 的 叶片 上 切 下 一 些 Smm 的 叶 组 织 圆 片 , 放 在 用 5.8 x 10°7M BEREAN 1 X 10-7MKNO, 浸 强 的 滤纸 上 ,这 些 圆 片 将 会 增 大 , 圆 片 的 直径 可 以 用 干 分 矿 或 解剖 显微镜 的 刻度 目镜 测量 。 这 组 织 圆 片 应 从 叶子 中 脉 的 ， 两 边 切 下 ， 并 在 把 它们 放 在 皮 氏 培养 下 里 以 后 用 红 光 或 远 红 光照 射 10 分 钟 ， 然 后 把 叶 组 织 圆 片 放 进 金属 盒 里 (咖啡 负 头 盒 就 可 以 用 ) 并 在 一 25%C 黑 暗中 放置 3 天 。 由 学 生 们 ”获得 的 典型 数值 见 下 表 : - 处 理 方 法 圆 片 的 直径 (mm) za # 6.47+0.31 - 远 红 光 * 红 光 8.01 士 0.37 远 红 光 * 红 光 * 远 红 光 6.77 士 0.45 这 两 种 实验 材料 都 以 定量 的 方式 证 明光 敏 色 素 系统 的 红 光 构 型 , 远 红 光 构 型 的 可 逆 性 。 类 似 地 ,这 两 种 材料 都 适合 于 加 入 像 植 物 生长 素 、 核 背 酸 或 拟 光 类 化 学 物质 (例如 钴 离子 ) 等 外 源 性 物质 来 研究 光照 的 作用 。 实验 3 种 子 的 萌发 为 证 明光 敏 色 素 的 控制 作用 提供 了 —AMREF RAB FE (Lactuca )MIZP SR ( Arabidopsis) FF FA 得 最 多 ， 但 其 它 种 子 亦 可 同样 用 来 试验 。 很 多 实验 都 证 明 有 类 似 的 反应 存在 。 把 种 子 放 在 用 10-°-MKNO, BEM LHF IS 型 地 是 用 三 张 华 特 受 1 号 滤纸 ,10ml 10 “MKNO,, 50 粒 芥菜 种 子 撒布 在 直径 10cm RABEL” ARAL 土 ， 放 在 冰箱 中 《2 一 4%C)48h， 表 和 严 应 在 完全 黑暗 中 处 理 ， 单独 地 或 以 不 同 次 序 用 红 光 或 远 红 光照 射 。 选 择 你 自己 的 光 注 量 值 或 者 用 与 实验 2 中 使 用 的 注 量 差 不 多 的 光 注 量 ， 种 子 © 373。 特别 适合 于 测量 曝光 在 1—10000s 范围 的 光 注 量 -效应 曲 线 , 曝 光 以 后 ,把 培养 下放 在 黑暗 中 ,芥菜 种 子 放 4 天 :, 芮 曹 种 子 在 25%C 下 放 2 天 ,然后 数 萌 发 的 种 子 数 。 实验 4 在 光敏 色素 系统 控制 下 色素 的 产生 可 以 通过 测 量 芥 菜 幼苗 中 产生 的 红 的 色素 花 青 苷 史 的 量 来 证 明 。 把 芥 荣 子 (Sizazpzr) 放 在 玻璃 瓶 中 (5cm 深 ) 用 水 漫 湿 的 着 纸 上 ， 或 放 在 一 些 透 明 的 小 塑料 冰箱 储藏 盒 里 , 播种 并 在 黑暗 处 生长 36 bh 以 后 光照 幼苗 ， 红 光 的 有 效 辐 照度 是 0.7 Wm”, eZ 的 有 效 辐 照 度 是 3.5 W m 一 ,在 曝光 后 3 一 24h AMEN, 发 现 曝光 时 间 5 min 反应 最 好 。 选 取 25 PRAHA. HA 30ml W 醇 - 盐 酸 -水 溶剂 (体积 比 18:1;:81) 提 取 纺 苗 的 子叶 和 次 子 叶 ， 提 取 时 把 盛 有 幼苗 的 提取 瓶 ( 带 有 塑料 盖子 的 50ml 玻璃 闪烁 瓶 即 可 ) 漫 在 沸水 中 孝 1.5 min, 带 帽 的 瓶子 夹 在 一 个 金 BRL, DIETMAR AINA, HRN 最 后 是 把 瓶子 放 在 室温 下 冷却 24h， 然 后 以 大 约 5000g 速度 离心 40 min， 在 535 和 650nm 处 测量 吸收 , 校正 的 吸收 值 按 下 式 计 算 : Asss 一 2.2A = 校正 的 As (11-13) 这 系统 对 证 明 高 能 辐 照 反应 是 非常 合适 的 。 测量 了 12h 内 在 红 光 或 远 红 光 连 续 辐 照 下 产生 的 花 青 苷 随时 间 的 变化 ， 清楚 地 看 到 它 是 所 用 辐 照 度 水 平 的 函数 m)。 为 了 快速 得 到 定性 的 结果 ， 可 以 通过 缩短 提取 时 间或 在 测量 吸收 之 前 过 滤 提 取 物 对 这 个 实验 做 一 些 改动 。 同样 , WU 定 不 同 照 射 时 间 和 照射 的 光 注 量 下 产生 的 花 青 苷 的 量 【( 强 RE) x (时 间 ) = & CBO), 这 个 系统 是 证 明 反比 定律 (本 生 -罗斯 科 定律 ) 成 立 的 一 个 很 好 的 系统 。 实验 5 在 蓝光 辐射 能 作用 下 的 光 形 态 建成 可 以 通过 测 量 真菌 脉 孢 菌 中 光 诱 导 产 生 的 黄色 类 胡 葛 卜 素来 证 明 。 野 生 ,374 。 型 菌 种 保存 在 Vogel 氏 最 低 限 培养 基 的 2 多 琼脂 斜面 上 , 用 几 个 盛 有 20ml MAINS 0.8% 的 Tween-80 AY Vogel 氏 最 低 限 培养 基 的 锥 形 瓶 ,每 瓶 里 加 人 几 滴 野生 型 菌株 Em5297a 的 顶端 芽孢 的 水 悬浮 液 , 把 这 些 锥 形 瓶 放 到 暗 处 ， 在 远 度 25°C 下 放 4 天 或 (18°C 下 放 6 天 。 在 红色 安全 灯 下 (GE-BCJ 60 W 白炽 灯 ) 将 由 顶端 芽孢 生长 成 的 菌 丝 垫 从 瓶 内 倒 出 来 , 铺 在 滤 KE ,在 瓷 漏 斗 上 抽 滤 ,然后 放 在 直径 15cm 的 诺 氏 培养 四 上 ， 每 个 培养 焉 放 3 个 菌 丝 热 ， 这 些 菌 丝 热 漂浮 在 新 鲜 的 培养 基 上 (每 个 菌 丝 垫 2 一 8ml1), 并 在 与 光照 时 欲 用 的 刘 度 下 放 在 暗 处 平衡 2h， 用 蓝光 照射 这 些 菌 丝 热 (0.1W m-?) ,然后 让 它们 Zé 25°C 或 6°C 下 在 暗 处 生长 24h。 然 后 用 甲醇 (一 单位 鲜 _ 重用 4 倍 体积 的 甲醇 ) 提 取 两 次 ， 每 次 15 一 20 ming PB 提取 液 合 并 在 一 起 ， 再 用 4 倍 体积 的 丙 醇 提取 几 次 ， 直 到 从 菌 丝 中 抽 提 出 所 有 的 色素 。 把 所 有 提取 液 合 并 一 起 ， 再 加 等 体积 5% 的 NaCl 水 溶液 ， 在 分 液 漏 斗 里 加 环 已 烷 ( 总 体积 的 十 分 之 一 ) 提 取 色 素 。 合 并 环 已 烷 提 取 物 并 在 硫酸 钠 上 干燥 。 倒 掉 环 已 烷 并 在 475nm 波长 处 测量 吸收 。 结 果 表 明 , 色素 在 25°C 比 在 6°C 时 出 现 得 快 ,但 在 24h RAHA. ERR 度 产 生 的 全 部 色素 量 更 多 ca。 11.7.2 光源 材料 及 简 评 对 于 任何 光 形 态 建成 实验 来 说 ,辐射 能 源 是 很 重要 的 。 对 于 精确 的 定量 实验 ,需要 精确 测量 辐 照 度 的 仪器 (用 标准 灯 校 准 的 辐射 计 )， 并 仔细 的 控制 所 用 的 光谱 带宽 (干涉 滤 片 或 光 学 色 若 系统 ,例如 光栅 或 乱 镜 单 色 仪 )。 但 是 ， 用 廉价 和 容易 制作 的 宽带 滤 光 卢 也 能 得 到 很 多 的 信息 。 比 如 : 红 光 源 : 冷 白 日 光 灯 外 面包 上 几 层 市 售 的 红 玻 璃 纸 59。 WALI: 安装 一 个 白炽 反射 探照灯 ,在 距 灯 15cm 处 装 e。 375 ， 上 几 层 市 售 红 的 或 蓝 的 玻璃 纸 ， 在 光 通 过 玻璃 纸 滤 片 之 前 先 EW EK AR 10cm 厚 的 水 ,这 能 除去 系统 中 的 热能 。 ae 这 套 光 源 可 放 在 简单 的 木 制 的 或 硬 纸板 做 的 盒子 里 。 如 果 有 分 光 光 度 计 ， 则 应 测 出 滤 片 的 透射 率 。 优 质 的 红 光 ` 远 红 光 塑料 泪 片 可 以 从 Rohm 和 Haas 公司 〈Chemische Fa- * brik,61 Darmstadt, West Germany ) 买 到 , 如 果 打 算 做 精确 的 实 he, REMI SRAF Bb ABT UL 1. 3. 2)。 : ee, 的 和 “ 负 ”* 的 这 两 个 形容 词 的 方向 上 的 含义 ， 大 们 就 把 活动 力 与 刺激 强度 成 正比 的 反应 称 为 正 运动 (direct Kineses)， 而 把 活动 力 与 刺激 强度 成 反比 的 反应 称 为 反 运动 (inverse kin- * 378。 Per eee SL Sag Fe ny. ao ¥ eses)o 例 如 ,如 果 生 物 游 动 速度 随 着 周围 光 强 度 的 增加 而 增加 ， 这 就 是 对 光 的 正直 向 反应 。 如 果 生 物 随 着 周围 光 强 度 的 增加 “而 降低 了 它 随意 向 某 一 方向 偏转 的 速度 ( 即 前 进 的 较 直 )， 这 就 是 对 光 的 反 远 旋 运动 反应 。 图 12-1 里 对 这 些 反应 作 了 一 个 小 结 。 还 有 一 类 与 光 相 关 的 运动 我 必须 加 以 考虑 ， 这 些 运动 水 及 到 这 些 生物 利用 光源 作为 它们 在 迁移 或 飞行 时 的 参 孝 后 ， 这 种 现象 叫做 ( 光 - 指 向 反应 ,对 包括 甲壳 动物 `. 昆虫 和 乌 类 在 . 内 的 几 种 后 生动 物 形 式 已 经 描述 了 这 些 反 应 。 在 其 中 的 很 多 到 应 中 ， 光 源 ( 通 常 是 太阳 ) 的 偏振 平面 在 动物 群 的 迁移 和 养 护 中 ,在 症 群 或 鱼 群 的 形成 中 起 着 导航 的 作用 。 04626440 2 JUNE ° ‘ WT teegegyte ete 3; 舍 1 口 aooooopaoo9 ra % HB aa %o, 02% oo % 2 ©0°9 P09 WGN 二 56 和 图 12-1 由 光 刺 激 产 生 的 三 种 类 型 的 能 动 性 反应 。 (a) 趋 光 性 ,请 注意 刺激 (箭头 ) 的 方向 性 质 ; (b)(c) 光 激 运 动 : (A 示 一 个 反 直 向 运动 ;(c) 给 出 一 个 正 远 旋 运 动 。 注 意 (b) 和 (c) 的 刺激 是 不 定向 的 。 * 379 。 12.2 向 光 性 向 光 性 的 研究 一 直 是 主要 研究 激素 对 高 等 植物 生长 的 控 il, ZEEE - 达尔 文 和 他 的 儿子 弗 郎 西 斯 (Francis) 以 卡 那 瑞 草 (canary grass SU PAETT LAK”, 达尔 文 父子 看 到 幼苗 都 朝明 亮 ， 的 窗户 弯曲 。 为 了 确定 接受 光 刺 激 的 是 植物 的 哪 一 部 分 ， 他 们 确定 种 三 组 植物 : 一 组 只 露 顶 端 将 其 余部 分 遮盖 起 来 ， 另 一 组 完全 不 遮盖 ;第 三 组 只 履 盖 顶端 ,然后 把 这 些 幼苗 放 在 窗 户 附 近 ， 并 观察 植物 的 向 光 性 。 第 二 天 达尔 文 看 到 完全 曝光 的 幼苗 和 只 让 顶端 见 光 的 幼苗 都 明显 地 弯 向 窗户 ,而 遮盖 顶 端的 幼苗 则 没有 表现 出 任何 的 向 光 性 。 可 见 接收 光 刺 激 的 表 面 显然 在 顶部 。 er. 在 达尔 文 的 实验 及 后 来 Paal 和 Boysen-Jensen 实验 的 基础 上 ;，F.Went 又 进行 了 一 系列 实验 ， 这 些 实 验 为 后 来 植物 激素 的 研究 商定 了 基础 "“。 Went 1926 年 作为 研究 生 在 荷兰 的 乌 得 勒 支 他 父亲 的 实验 室 从 事 工 作 ,他 把 燕麦 (4vemasaxiza) 胚 本 鞘 的 顶端 取 下 ,并 放 在 上 暗 处 的 琼脂 上 , 过 一 段 时 间 以 后 , 他 把 放 过 胚 村 鞘 顶 端的 琼脂 块 不 对 称 地 放 在 准备 好 的 去 顶 问 的 胚 2F i + aR. 这 个 胚 车 鞘 放 有 琼脂 块 的 一 侧 生 长 迅速 , 从 而 导致 向 相反 的 方向 弯曲 (图 12-2)。 这 实验 表明 在 植物 顶端 存在 一 种 化 学 生长 物质 。 接 着 ，Went 又 用 实验 证 明 : 在 一 侧 照 光 的 胚芽 精 里 ， 有 较 多 的 这 种 生长 物质 扩散 到 放 在 植物 顶 端 背 光 侧 下 方 的 琼脂 块 中 ， 他 把 这 种 玩 脂 块 物质 命名 为 植物 ”生长 素 。 在 二 十 世纪 三 十 年 代 初 期 ， 荷 兰 的 Kogl 和 美国 的 Thimann 从 化 学 上 描述 植物 生长 素 ， 并 给 予 化 学 名 称 为 喔 嗓 乙酸 (IAA)。 自从 这 些 开创 性 的 研究 以 后 ， 人 们 已 经 乔 请 楚 了 植物 生 « 380 。 人 hy / e =i ~ € 了 Pant Ar 长 素 在 向 光 性 中 的 作用 。Briggs 及 以 后 的 Leopold’ jE T 物 生 长 素 从 胚芽 东 的 照 光 一 侧 向 背光 一 侧 的 横向 转移 ， 这 就 造成 了 幼苗 背光 一 侧 上 的 细胞 不 对 称 的 伸 长 和 生长 ， 使 幼苗 弯 向 照 光 的 方向 。 确定 担负 这 种 生长 反应 的 感受 器 的 性 质 和 作用 方式 ， 仍 然 是 一 个 没有 解决 但 是 引起 广泛 兴趣 的 问题 ， 虽 然 已 对 某 些 高 等 植物 (特别 是 燕麦 ) 作 了 研究 ， 但 是 许多 研究 者 却 把 相当 大 的 努力 放 在 真菌 类 的 须 霉菌 属 (Piycomycecr) 上 (图 12-3)", 这 种 真菌 的 孢子 囊 蒂 所 呈现 的 向 光 性 作用 光谱 有 三 个 主要 的 峰值 ， 分 别 在 385nm, 455nm 和 485nm。 这 个 作用 光谱 表明 类 胡 划 下 素 或 者 黄 素 是 可 能 的 受 体 色素 。 然 而 须 霉 菌 不 含有 大 量 的 胡 葛 卜 素 ， 因 此 比较 有 希望 的 可 能 是 黄 素 蛋 白 。 在 某 些 情况 下 ， 这 些 蛋 白 在 须 霉菌 中 是 以 晶体 形式 存在 的 。Wol kin 认为 这 样 的 晶体 可 能 是 一 个 光 感 受 器 ,他 提出 ; 类 似 的 黄 素 类 晶体 同 贿 椎 动物 的 视网膜 系统 有 联系 四。 KUM, RA al | Re aye aaa ea > _» — C d 12-2 FE.Went- 确 定 燕麦 胚芽 精 向 光 反 应 的 化 学 本 质 的 实 验 。(a) HREM ANT By ee; Cb) 前 下 的 顶端 放 在 琼脂 块 上 ”并 使 其 放置 一 段 时 间 ;(c) 然后 将 琼脂 块 转移 到 去 顶端 的 胚芽 RE; (d) 幼苗 发 生 弯 曲 [ 取 自 F.B.Salisbury and C.Ross， Plant Physiology, P.446, Wadsworth, Belmont, Calif. (1969)]。 。381 。 感受 器 是 由 什么 构成 的 这 一 问题 解决 之 后 ; 才 有 可 能 对 感受 _ 器 的 作用 模式 进行 适当 地 描述 。 图 12-3 须 霉菌 孢子 囊 蒂 的 向 光 反 应 。 位 置 上 的 移动 表示 每 隔 5 分 钟 的 变化 。 箭 头 指示 刺激 源 的 方向 ( 取 自 参考 文献 6)。 12.3 68° % 由 于 整个 生物 增加 了 一 维 迅速 的 运动 ， 因 而 给 趋 光 性 的 定量 描述 带 来 了 许多 技术 上 的 问题 ， 其 中 包括 关于 是 什么 构 成 了 趋 光 反应 的 问题 。 历 史上 , 趋 光 性 研究 是 建立 在 对 能 动 的 生物 直接 观察 的 基础 上 的 ， 特 别 是 观察 原生 生物 。 在 上 世 纪 的 整个 后 半 时 ， 研 究 工 作者 们 观察 了 能 动 的 营 类 细胞 向 着 定向 光 刺 激 的 迁移 &9。 « 3826 最 近 几 年 ， 采 用 了 各 种 技术 来 对 趋 光 反应 进行 研究 和 定 量 说 明 o 吕 。 这 些 技术 可 分 为 两 大 类 : 群体 运动 的 方法 和 单个 细胞 生物 的 方法 。 所 有 群体 运动 的 方法 都 用 了 测量 细胞 悬 液 光 密 度 改 变 的 原理 。 这 个 测量 的 基本 部 件 有 : 一 个 盛 有 细胞 悬 液 的 烧瓶 ;一 个 试验 灯 ,和 一 个 与 记录 用 电位 计 连 接 的 光电 池 。 由 于 细胞 对 测试 光 的 反应 ， 它 们 会 改变 通 往 光 电池 的 光 路 上 的 细胞 密度 ， 密 度 的 变化 又 以 电位 的 变化 记录 在 记录 仪 上 。 这 种 系统 可 以 精确 地 测量 光 刺 激 对 细胞 群体 产生 的 结 果 ， 但 不 能 测量 细胞 达到 这 个 结果 的 过 程 。 许 多 研究 者 都 未 能 越过 这 条 重要 的 分 界线 ， 并 且 因 此 下 结论 说 他 们 正在 对 趋 光 性 进行 定量 描述 , 实际 上 , 他 们 当时 所 观察 的 也 许 是 趋 光 性 ,也 许 是 光 激 运 动 或 者 是 两 者 结合 在 一 起 造成 的 结果 。 单个 细胞 的 方法 是 由 显微镜 、 记 录 装 置 (胶片 .电视 摄 相 机 );, 视 野 照 明 器 (通常 经 过 滤 光 成 为 趋 光 上 “中 性 ”的 波长 ) 和 刺激 光源 组 成 。 待 观察 的 细胞 放 在 显微镜 镜 侣 上 的 小 杯 或 并 型 载 玻 片 中 ， 在 与 显微镜 镜 台 表面 平行 的 一 个 平面 上 对 细胞 ”进行 光 刺 激 , 把 反应 记录 下 来 。 最 近 ，Davenport RHA 已 经 成 功 地 把 计算 机 同一 个 闭路 电视 显微镜 技术 结合 起 来 ， 这 个 系统 在 密切 观察 趋 光 作用 的 工作 中 极 有 希望 ， 因 为 它 能 同时 观察 许多 反应 生物 的 微小 运动 ， 这 系统 唯一 的 缺点 是 它 只 能 有 效 地 用 在 主要 在 x-y 平面 上 运动 的 生物 。Berg REA 事 52 已 经 用 一 种 机 械 化 的 显微镜 镜 台 实现 了 对 运动 的 三 维 分 析 : 在 这 个 系统 中 细胞 保持 不 动 ,而 让 显微镜 镜 台 沿 xy 或 方向 移动 。 这 三 个 方向 的 运动 能 传送 给 一 台 图 纸 记 录 仪 ， 画 出 细胞 运动 的 三 维 图 形 。 这 个 系统 的 主要 缺点 是 一 次 只 能 观 察 一 个 细胞 ,因此 ,要 得 到 关于 一 个 群体 的 运动 的 统计 学 信息 则 是 一 个 工作 量 很 大 的 任务 。 对 这 些 方法 的 全 面 评 述 可 以 参 阅 Hand 和 Davenport AY e 383 。 大 们 也 许 首 先 会 问 : 趋 光 性 是 不 是 以 同样 的 方式 出 现在 所 有 生物 中 间 ? 在 后 生动 物 中 ， 感 受 器 成 对 地 安排 在 两 侧 成 为 一 个 规律 ， 因 此 这 种 形式 的 动物 与 那 种 形式 的 动物 的 反应 在 道理 上 应 该 是 相同 的 ， 正 是 在 单 细 胞 生物 中 人 们 观察 到 了 差别 。 比 如 ,人 们 已 经 广泛 研究 了 的 眼 虫 藻 《BEzgleza)a 表现 出 的 趋 光 反应 大 大 不 如 任何 一 种 后 生动 物 来 得 精确 。 早 期 的 研究 者 ， 例 如 Jennings 和 Mast) 观察 到 眼 晶 蒙 细 ” 胞 按照 光 刺 激 的 方向 相当 精确 地 一 步 一 步 地 移动 它 的 体 轴 : ”直到 细胞 本 身 的 长 轴 和 和 刺激 方向 相 平行 。 由 这 种 运动 得 到 的 最 为 广泛 接受 的 一 种 假说 认为 ， 在 这 种 细胞 上 存在 着 一 个 单 个 的 光 感 受 器 ,这 个 感受 器 通过 一 个 辅助 细胞 器 一 一 眼 点 ;在 ”两 点 上 同时 测量 刺激 光 强 度 来 确定 光 刺 激 的 方向 。 这 个 眼 点 位 于 感受 器 的 旁边 , 当 眼 虫 藻 旋转 时 , 它 周期 性 地 “和 遮 住 * 威 受 器 ,这 短暂 的 强烈 的 瞬 变 讯号 引起 鞭毛 运动 的 瞬息 变 花 ;结果 使 它 的 长 轴 偏 向 游泳 的 方向 〈 许 多 作者 用 “ 贡 惧 反应 ?这 个 术 语 形容 这 个 现象 )。 当 感受 器 的 刺激 信号 的 这 些 周期 性 变化 停 止 时 ， 细 胞 便 要 么 朝向 光源 ,要 么 背 向 光源 ,这 种 反应 扼要 地 表示 在 图 12-4 中 。 朝 向 刺激 光源 的 细胞 将 使 其 感受 器 持续 地 受到 光照 ， 而 负 趋 光 的 眼 虫 藻 将 使 其 感受 器 继续 被 细胞 内 大 量 吸 收 光 的 细胞 器 遮蔽 。 这 种 性 质 的 反应 过 程 同 任何 两 侧 对 称 的 后 生动 物 相 比 是 缓慢 的 。 除 Jennings 和 Mast 的 早期 观察 以 外 ,还 有 什么 资料 支 持 旗 蔽 假说 吗 ? 遗 憾 的 是 ,在 眼 虫 藻 情况 下 ,真正 支持 这 种 假 说 的 研究 工作 很 少 ， 一 个 原因 就 是 因为 这 细胞 的 趋 光 反应 难 以 观察 。 有 另外 一 些 细胞 ,它们 对 这 个 假说 的 支持 要 好 得 多 ， 但 对 假说 要 作 一 些 修改 。 这 类 研究 涉及 海洋 的 双 鞭 甲 藻 , 它 不 像 眼 虫 藻 , 双 肉 甲 藻 的 趋 光 反应 容易 观察 ,并 且 是 完全 可 以 预测 的 。 双 肉 甲 藻 的 反应 在 程度 上 而 不 是 类 型 上 与 眼 豆 营 不 ,384。 邮 ; 双 次 甲 莹 受到 光 刺 激 便 停 止 游泳 (这 种 "停顿 ”反应 取决 于 刺激 强度 ), 并 作 单纯 的 前 后 轴 旋转 ,直到 面向 刺激 ,然后 开始 恢复 向 前 的 游 动 (图 12-5)。 和 眼 虫 藻 相 比 ,这 是 非常 迅速 的 反应 ,因为 它 在 几 毫 秒 到 半 秒 钟 之 内 就 完成 了 ,时 间 的 长 短 取 决 于 光 刺 激 的 强度 。 最 近 的 研究 给 出 某 些 有 关 双 鞭 甲 藻 细 胞 如 何 实现 取向 的 征兆 叹 。 可 以 认为 用 眼 虫 幕 看 到 的 “恐惧 反 应 ”类 似 于 双 炊 甲 营 的 “停顿 "反应 。 在 刺激 之 下 双 肉 甲 营 产 生 一 种 特殊 的 可 预见 的 鞭毛 反应 ， 这 个 反应 可 能 直接 关系 到 细 胞 的 重新 取向 ， 执 行 器 是 如 何 与 感受 器 发 生 联 系 的 问题 还 在 猜测 5 在 这 种 细胞 中 有 一 些 橙色 的 像 眼 点 样 的 细胞 器 ， 但 它 们 的 位 置 和 数目 在 细胞 与 细胞 之 间 变化 很 大 ， 通 常 不 像 在 眼 -"O~ ) 游泳 细 胞 受到 光 刺 激 * 鞭 毛 运 动 停止 ;(c) 鞭毛 运动 恢复 ; Cd) 细胞 转 向 刺激 * 直 到 处 于 和 刺激 平行 的 平面 时 为 止 * 这 时 又 恢复 了 正 常 的 游泳 ( 取 自 参考 文献 14，15 六 « 386 。 就 能 预言 双 炊 甲 藻 细 胞 在 趋 光 取向 中 所 涉及 的 一 连 串 事件 。 当 细 胞 受 刺激 时 , 它 就 停 在 一 个 位 置 上 ， 使 止 沟 - 环 带 连 接 部 面向 光源 ， 这 反应 包括 一 个 单纯 的 但 是 可 以 预计 的 纵 鞭 毛 的 横向 重新 调整 位 置 ， 用 直接 摄影 证 明了 这 两 点 推测 。 当 纵 鞭 ” 毛 恢 复 其 煽动 时 , 它 以 预计 的 方式 转动 细胞 ,因为 当 纵 鞠 毛 开 始 扇 动 时 ， 它 又 同时 使 自己 复原 到 拖 在 细胞 后 面 的 正常 位 置 上 ,这 样 做 的 时 候 鞭 毛 使 细胞 转动 以 便 细 胞 朝 阿 光 刺 激 ,细胞 的 前 部 连带 它 上 面 的 有 色 体 一 起 有 效 地 站住 感受 器 ， 使 连续 的 光 刺 激 照 不 到 感受 器 上 ， 于 是 细胞 朝 着 光 的 方向 恢复 疝 前 的 游 动 。 假 如 细胞 偏离 了 与 刺激 平行 的 路 线 时 , 光 将 进入 凹 沟 的 光 通 道 ,并 部 分 地 刺激 感受 器 , 引起 鞭毛 反应 ,于 是 又 根据 光 刺 激 重 新 调整 细胞 的 方位 。 人 们 已 经 观察 到 并 记录 下 这 样 的 一 些 反应 “。 如 果 下 结论 ,人 们 可 以 说 趋 光 取 疝 包括 两 步 (至 少 对 于 到 目前 为 止 研究 过 的 生物 是 这 样 ) 外 感受 器 上 刺激 水 平 改变 ; 四 刺激 水 平 的 改变 又 引起 可 预知 的 嘱 毛 反应 ， 从 而 使 细胞 同 刺激 源 重新 排 成 一 线 。 正 如 我 已 经 指出 的 那样 ， 假 若 这 里 提 出 的 假说 要 变 成 衣 定 的 理论 ,还 需要 继续 研究 这 些 细 胞 反应 。 感受 器 是 由 什么 构成 的 呢 ? 关于 后 生动 物 , 可 参阅 第 10 - ” 章 ， 在 该 章 中 关于 视觉 系统 作 了 详细 的 描述 。 至 于 单 细 胞 生 物 ， 电 子 显微镜 的 研究 对 于 确定 感受 器 的 性 质 提 供 了 当前 最 有 和 希望 的 手段 。 人 们 可 以 在 肴 椎 动物 视网膜 的 外 视 杆 段 和 带 鞭毛 的 原生 动物 的 原始 感受 器 之 间 直 接 进 行 比较 ， 两 者 都 有 一 个 片 层 结构 ， 一 层 是 起 源 于 鞠 毛 或 纤毛 的 物质 ， 一 层 是 色 素 一 一 类 明 葛 卜 素 ， 有 类 明 梦 下 素 说 明光 的 感受 中 涉及 到 化 学 物质 (人 参阅 第 10 章 )。 间 接 证 据 表明 类 胡 梦 卜 素 与 单 细 胞 形 式 生 物 的 感受 器 有 关 ， 也 就 是 说 作用 光谱 的 分 析 与 吸收 光谱 的 数据 相互 对 应 的 情况 支持 了 这 种 看 法 。 大 多 数 研究 过 的 生 ¢ 387。 物 的 作用 光谱 是 在 光谱 的 蓝 区 ， 这 正好 符合 在 这 些 细胞 和 其 他 类 似 细 胞 中 发 现 的 类 胡 枕 卜 素 的 吸收 光谱 。 在 眼 虫 莹 中 有 一 种 黄 素 类 物质 (可 能 是 核 黄 素 )， oo 感受 器 的 色素 27。 某 些 辅助 色素 还 与 细胞 的 光 感 受 状 态 有 关 ， 最 明显 的 是 光敏 色素 "8。 在 这 种 情况 下 ， 这 种 色素 控制 着 反应 的 正 负 和 敏感 性 。 人 们 也 必然 想到 像 叶绿素 之 类 的 色素 可 能 对 海藻 毛 的 反应 起 一 种 间接 的 作用 。 下 一 个 重要 的 问题 是 : 光 刺 激 是 如 何 转换 成 某 一 种 行动 NUE? 后 生动 物 的 接收 和 转换 作用 涉及 类 胡 葛 卜 素 的 异 构 化 ， 这 种 异 构 化 又 通过 某 种 方式 转换 为 电 脉冲 。 目 前 正在 进 行 许 多 有 关 这 个 系统 中 从 一 个 化 学 状态 到 一 个 电 状 态 的 信息 变化 机 制 的 研究 。 单 细胞 生物 中 信息 传递 的 本 质 完全 是 推测 的 , 像 在 后 生动 物 中 一 样 , 可 能 也 涉及 电 转 换 。 大 们 在 有 趋 光 性 能 的 双 凌 甲 藻 细 胞 中 记录 了 膜 电位 ， 膜 电位 可 能 与 有 纤毛 的 草 履 虫 的 逆 游 泳 反 应 有 关 5。 这 种 小 而 可 测量 的 电位 直接 与 草 履 虫 的 纤毛 扇 动 引起 的 倒退 有 关 ， 因 此 这 种 膜 电位 可 能 接触 到 了 与 光 定 向 连 系 在 一 起 的 鞭毛 扇 动 的 变化 的 本 质 所 | 在。 人 们 可 以 设想 ， 光 刺激 引起 的 色素 的 初始 反应 “触发 "了 一 连 串 的 类 似 于 平衡 的 氧化 还 原 RAW BE, A 件 将 造成 电子 的 流动 ,从 而 改变 附近 的 膜 的 流动 态 * 由 于 凌 毛 在 生化 上 可 以 认为 是 一 小 型 的 肌肉 ， 因 此 改变 界面 膜 的 状 态 可 能 导致 凌 毛 收缩 反应 的 变化 叫 。 此 外 ， 还 应 该 考虑 鞭毛 的 可 能 的 压 电 性 质 。 正如 Jahn 和 Bove AAMC, HE 毛 是 以 一 种 准 晶体 状态 存在 ,因此 它 应 该 是 有 压 电 性 质 的 ,如 果 是 这 样 的 话 ， 由 初始 光化学 事件 产生 电压 变化 可 能 引起 几 毛 的 局 部 弯曲 ， 并 改变 它 整 个 的 扇 动 方式 。 这 里 当然 有 许多 不 确定 的 东西 ， 但 是 这 些 假 说 的 某 些 方 面 是 可 以 用 标准 的 生 ”388， 理学 剂量 -反应 方法 加 以 检验 的 ,这 个 很 复杂 的 问题 的 解决 需 ”要 比较 透彻 地 了 解 膜 的 系统 以 及 它们 与 其 它 亚 细 胞 成 分 的 相 互 作用 。 12.4 光 激 运动 和 趋 光 性 不 同 ， 光 激 运 动 (photokinesis) 同 光 刺激 的 方向 无 关 而 与 刺激 的 强度 有 关 。 扁 虫 (Planaria gozocepjhalz) 在 完全 ”黑暗 中 以 平均 每 秒 57mm 的 速度 运动 。 当 它 被 放 在 昏暗 的 光线 下 时 ,其 运动 速度 大 约 增加 25% ”。 这 一 反应 在 功能 上 的 意义 是 使 这 种 生物 有 效 地 “ 藏 ” 在 黑暗 之 中 ， 这 个 想法 是 和 扁 虫 的 生活 习性 一 致 的 ， 因 为 人 们 经 常 在 岩石 下 面 和 其 它 黑暗 的 地 方 找到 它们 。 这 种 反应 是 一 种 对 光 的 正光 激 直 向 运动 ,证 明 这 种 反应 并 不 困难 ,因为 可 以 把 它们 拍照 下 来 ,并 及 时 测量 和 标明 其 路 径 的 长 度 。 另 一 方面 ,证 明光 激 他 旋 (klinokinetic) 反 应 是 比较 困难 的 ， 因 为 要 在 连续 偏转 的 路 程 上 测量 角度 的 改 ， 变相 当 困 难 ;而 且 常 常 带 有 主观 的 因素 。Ullyottca 对 Dendro- coclom lacreum 进行 了 这 样 的 研究 ， 他 用 旋转 角 作 为 改变 方向 的 速率 (RCD) 的 度量 , 随 着 照明 强度 的 增加 ，RCD 值 也 相应 ”地 增加 。 但 是 ,一 定时 间 以 后 , 扁 虫 的 感觉 就 适应 了 , 对 所 给 的 高 强度 光照 的 RCD 值 重 又 恢复 到 正常 水 平 ， 这 导致 Den. drocoelom 在 黑暗 处 聚集 ,因为 当 光 照 水 平 降低 时 RCD 的 水 平 也 降低 ,于 是 迫使 扁 虫 寻找 最 暗 的 地 方 休 息 。 相 反 , 当 强 度 增 iY, HA RCD 值 高 ， 扁 虫 前 进 的 速度 就 减 慢 了 。 Rohlf 和 Davenport) 从 数学 上 检验 了 这 种 对 光 激 进 旋 反应 的 适应 性 的 意义 的 解释 。 如 果 把 一 个 假想 的 “臭虫 放 在 一 个 网 格 上 ， 并 且 给 它 非 定向 的 刺激 ， 所 产生 的 光 激 人 过 旋 反应 将 把 “臭虫 ” 引 向 网 格 上 的 某 一 预定 位 置 。 e 389， 往往 难于 把 这 两 类 光 激 运动 分 开 ， 因 为 每 一 个 成 分 往往 是 在 总 的 能 动 性 反应 中 观察 的 。Surtees!55 用 几 种 甲 束 进行 试 验 ， 为 了 测定 两 种 反应 中 主要 是 哪 种 反应 引起 所 看 到 的 分 散 或 聚集 ， 他 设计 了 一 种 简单 的 分 析 方法 ， 他 用 所 走 的 距离 (DT) 与 直线 位 移 (LD) 的 比值 来 衡量 路 径 的 相对 不 规则 程 度 或 旋转 强度 。 按照 这 种 方法 :“ 如 果 DT 大 大 减少 ,而 DT/LD 没有 减少 , 则 光 激 运动 的 机 制 主要 是 速度 的 改变 。 如 “ 果 DT 有 所 减少 或 保持 不 变 , 而 DT/LD 显著 变 大 , 则 机 制 主 要 是 路 径 不 规则 程度 的 加 剧 "。 这 一 简单 的 比较 消除 了 设计 演示 光 激 运动 的 实验 中 的 很 多 问题 。 但 是 ， 在 实验 设计 上 仍 然 留 下 一 个 主要 的 问题 ， 这 就 是 要 保证 试验 的 刺激 不 给 出 任 何方 向 性 的 问题 。 在 运动 反应 中 涉及 的 接受 光 的 表面 可 能 是 一 些 位 置 一 定 的 感受 器 ,或 者 可 能 是 某 些 一 般 的 膜 反应 或 组 织 反应 。 例 如 ， BUBB (Paramecium) 的 授 避 反应 就 可 以 划 在 授 旋 运动 类 里 ， 它 不 需要 任何 特殊 的 感受 器 ， 而 是 细胞 前 部 的 质 膜 ( 细 胞 膜 ) 状态 改变 的 结果 。 当 草 履 虫 遇 到 一 个 物体 时 ,物理 接触 使 膜 发 “生变 形 ,引起 离子 流 的 改变 ,于 是 产生 纤毛 的 复位 ”0。 当 膜 重 新 建立 正常 的 离子 流 时 ,纤毛 又 恢复 正常 的 启动 方 癌 ,这 一 过 程 一 直 重 复 直 到 细胞 绕 过 障碍 物 为 止 。 12.5 细胞 器 的 运动 最 后 必须 考虑 细胞 内 细胞 器 的 取向 运动 四。 这 些 反应 可 以 是 运动 性 质 的 ， 也 可 以 是 趋向 性 质 的 。 例 如 ， 在 伊 乐 藻 属 (Elodea) 和 昔 草 属 (Valisneria) 中 叶绿体 的 旋转 流动 就 是 围绕 细胞 内 壁 的 细胞 质 运动 的 结果 。 这 种 胞 质 环流 能 被 光 的 强度 所 改变 , 较 高 的 强度 可 提高 运动 的 速度 ,由 于 看 不 到 任何 的 取 © 390° 机 oY ay, _ 局 如 二 AN st ad j 向 ,所 以 这 种 运动 纯 属 直 向 反应 。 几 种 藻类 的 叶绿体 取向 运动 已 经 得 到 证 实 ， 而 取向 的 叶 绿 体 在 功能 上 的 意义 在 于 最 大 限度 地 利用 光 能 。 在 这 些 反应 中 ;时 绿 体 可 以 主动 运动 ， 也 可 以 随 胞 质 环流 被 动 地 移动 ,无 论 哪 一 种 情况 ， 人 们 都 还 不 大 了 解 这 些 运 动 是 如 何 发 生 的 。 这 类 细胞 中 研究 得 最 充分 的 一 种 是 转 板 藻 (Mongeoria) 细胞 ， 每 个 细 长 的 转 板 蔡 细 胞 含 一 个 扁平 的 叶绿体 ， 当 用 低 强 度 光 照射 时 ， 这 个 扁平 的 叶绿体 从 侧面 的 位 置 转 到 面向 刺激 的 位 置 ， 这 个 反应 可 以 被 宽度 很 窗 的 光 刺 激 所 触发 。 在 完全 黑暗 的 条 件 下 ,只 要 一 刺激 , 细胞 就 发 生 反应 , 这 种 细胞 里 的 光 感 受 器 看 来 是 一 种 光敏 色素 ,这 种 色素 可 能 位 于 原生 质 膜 上 ,对 两 个 限定 的 红 光 波长 660nm 和 730nm 发 生 反应 。 叶绿体 的 位 置 看 来 由 两 个 主要 因素 所 决定 : 一 个 因素 是 光敏 色素 分 子 的 取向 。 第 二 个 因素 是 任何 时 刻 系统 中 P 660 与 P730 的 比 值 吧 。 光 人 敏 色素 分 子 有 很 强 的 两 色 性 取向 ， 它 们 的 主要 光 吸 收 矢量 的 方向 平行 于 原生 质 膜 的 表面 ;而 和 细胞 的 长 轴 倾 斜 这 种 取向 产生 一 个 吸收 梯度 , 朝 前 的 面 (正面 ) 和 朝 后 的 面 ( 背 面 ) 吸 收 的 能 量 大 约 是 侧面 的 两 倍 。 用 红 光 照射 时 ，P 660 变 成 P730 ,建立 起 一 个 P730 的 梯度 。 叶 绿 体 将 这 样 取向 : 使 它 的 边缘 最 靠近 P 660( 避 免 和 P730 紧密 结合 ) ,因此 ， 这 种 取向 就 使 叶绿体 的 扁平 表面 对 着 光 ， 这 个 反应 画 在 图 12-6 上 。 就 控制 取向 行为 的 感受 器 一 一 执行 器 系统 来 说 ， 这 个 例 - 子 是 比较 独特 的 ， 它 提供 了 观察 这 些 体系 的 一 种 令 人 兴奋 的 新 方法 。 12.6 光 指 向 反应 在 二 十 世纪 四 十 年 代 后 期 到 六 十 年 代 中 期 进行 的 很 多 研 。391。 究 指出 ， 许 多 动物 利用 太阳 作为 迁移 和 积累 食物 活动 的 指向 盘 。 最 常 引 证 的 有 两 项 研究 : 一 个 是 欧 述 鸟 (starling) 的 飞 翔 , 另 一 个 是 蜜蜂 的 摇摆 舞 。 在 1953 年 ，Karl von Prischea 报 道 密 峰 能 通过 舞蹈 把 食物 来 源 的 方向 告诉 给 其 他 的 蜜蜂 ， 这 种 舞蹈 是 由 绕 圈 和 向 前 摇 摆 组 成 的 。 后 者 按照 太阳 相对 于 蜂 房 和 蜜源 的 相对 位 置 通报 食物 的 方向 ，Von Frisch 看 到 , 这 角度 在 一 天 之 中 按照 太阳 的 方位 而 改变 。《 图 12-7)2 用 易 位 实验 也 证 明 在 太阳 周期 和 蜜蜂 舞蹈 取向 之 间 有 类 似 的 关系 光 5。 有 人 训练 蜜蜂 使 它们 在 白天 的 某 一 特定 的 时 间 飞 同 长 蕊 饲养 站 ， 以 后 大 们 在 一 天 夜 间 把 它们 运 到 加 利 福 尼 亚 州 的 达 维 斯 ， 第 二 天 早晨 蜜蜂 正常 地 况 食 ,但 它们 寻找 食物 的 方向 发 生 偏 移 , 偏 移 的 角度 相当 于 达 维 斯 和 长 岛 之 间 太 阳 方 位 角 的 改变 8。 但 是 ;应 当 说 明 eat 几 年 人 们 对 蜜蜂 舞蹈 中 包含 信息 的 假说 提出 了 异议 ;Wenrer 和 Wells!” 提出 一 个 更 简单 的 假说 ， EAE LSE ge aaa 解释 它们 确定 蜜源 位 置 的 能 力 。 P730 d 12-6 转 板 菠 (Mougeotia) 的 叶绿体 旋转 反应 。 (a) 一 个 细胞 ,其 叶绿体 面向 低 强 度 的 刺激 ;~ Cb). 叶绿体 横 过 来 ， 以 对 高 温度 刺激 作出 反应 ; 〈c) 这 种 蔬 细 胞 原生 质 膜 上 光敏 色素 分 子 的 两 色 性 取向 ; 〈d) 说 明 叶绿体 运动 受 光敏 色素 P660 和 P 730 的 位 置 调节 的 横 切 面 ( 引 自 参 考 文献 25), 61392.e — ATR, (Sturnus vulgaris) 是 利用 太阳 作为 参 SAM", MCRL MET BAL ERA 标 但 可 以 看 见 太 阳 的 笼子 里 时 ,虽然 受到 这 样 的 限制 ,欧洲 桩 - 岛 ( 处 于 迁移 状态 下 的 ) 虽 然 关 在 笼子 里 仍 将 拍打 翅膀 或 企图 飞翔 。 在 迁移 行为 中 太阳 的 作用 可 以 由 鼓 必 的 方向 来 确定 ， 如 果 太 阳 被 云彩 遮蔽 或 者 从 装置 里 看 不 见 太阳 ， 就 观察 不 到 任何 定 方位 反应 。 当 用 反射 镜 改 变 鸟 所 看 到 的 太阳 的 方向 ， 则 可 以 预言 定向 反应 也 会 改变 ， 这 样 的 定向 “飞翔 能 维持 几 个 小 时 。 上 述 研究 以 及 对 于 养 椎 动物 和 无 脊 椎 动物 的 其 他 研究 都 清楚 地 表明 太阳 是 运动 中 的 参考 点 。 必 须 指出 ， 这 种 运动 不 是 真正 的 趋 光 运动 或 光 激 运动 ， 但 可 能 含有 这 两 种 运动 的 成 分 。 比 如 ， 甲 壳 类 水 蚤 属 的 长 刺 温 (Daphnia longispina) 白天 移 栖 离开 海岸 ， 夜 晚 又 返回 @。 当 把 它们 放 在 一 个 圆 形 树脂 玻璃 格子 上 时 ;水 蚤 就 在 垂直 海岸 线 方向 土 游 动 , 在 黑暗 中 这 些 运动 则 是 杂乱 无 章 的 。 白 天 ,这 种 运动 包含 着 趋 光 性 ,但 不 是 直接 地 朝向 或 背 向 太阳 ,而 是 同 太阳 成 某 一 角度 ,这 个 角度 取决 于 海岸 线 相 对 于 光源 的 位 置 。 ae wt 2h ‘ 所 .. 60 O.1d. ‘a ”太阳 人 e 3 b 图 12-7 SBHOAMEAEHHNRARNMESS 蜂 舞 蹈 的 关系 。 @) 当 食 源 放 在 与 太阳 和 蜂 房 成 一 直线 .的 位 置 土 时 ;舞蹈 的 向 前 方向 垂直 于 蜂 房 的 表面 ;(b) 当 食 源 偏 移 时 ,舞蹈 的 角度 也 相应 地 改变 [ 引 自 P. Marler and W. J. Hamilton, Mechanism of Animal behavior, P.543, Wiley, N.Y.(1967)], « 393 AMIS iF GS BK EE Talivrus salrator™3 所 表现 出 的 按 月 亮 定向 的 现象 不 大 注意 ， 当 把 这 些 甲壳 类 放 在 一 个 圆柱 形 房间 里 的 时 候 , 它 们 立刻 朝 着 月 亮 的 方向 移动 ,这 显然 是 正 的 趋 光 反 应 ,但 是 比 起 按 太阳 定向 运动 的 类 似 反 应 ,这 是 对 很 弱 的 光 的 趋 光 反 应 。 然 而 , 当 人 们 把 Talirrus 放 在 海滩 上 时 ， 它 就 表现 出 更 奇妙 的 以 月 亮 为 参照 的 定向 反应 。 海 滨 跳 备 的 生物 钟 机 制 的 特征 看 来 是 对 地 球 和 月 亮相 对 位 置 变化 的 一 种 代 ° 123 7 ae ie SE DS SF BU A A Ey SE ES EE HE 现 出 来 ,但 是 在 某 些 情况 下 ,一 种 生物 的 生态 特征 可 能 很 微妙 地 受到 这 种 生物 的 行为 的 影响 。 趋 光 性 对 于 鞭毛 虫 来 说 在 形态 学 上 是 一 个 重要 的 反应 ， 因为 它 把 这 种 光合 作用 细胞 放 在 最 佳 的 光环 境 中 。 几 种 海 双 内 甲 藻 的 垂直 迁 栖 是 与 日 光 的 周期 性 变化 相对 应 的 ,白天 ;这 种 生物 上 升 到 水 面 附近 ， 晚 上 又 沉 下 水 去 @。 如 果 这 些 细胞 没有 趋 光 能 力 ,而 且 只 停留 在 某 一 固定 的 深度 (这 个 深度 由 细 胞 解剖 学 上 的 物理 特性 决定 ) ,它们 能 有 繁殖 自己 的 功能 吗 ? 它们 还 能 进行 足以 产生 细胞 分 裂 所 必需 的 “超额 ”能 量 的 光合 作用 过 程 吗 ?我们 可 以 检验 和 进一步 研究 这 些 问 题 ， 才 能 了 解 趋 光 性 在 群体 生长 的 动力 学 中 的 作用 。 对 于 这 个 系统 人 们 还 能 提出 一 些 其 他 的 问题 ， 例 如 : 什么 样 的 环境 因素 能 改 变 “ 正 常 的 ” 光 反 应 ?温度 是 如 何在 行为 .生理 或 生化 水 平 上 影响 光 反 应 的 ? 这 些 问 题 中 还 没有 一 个 被 充分 地 加 以 研究 。 人 们 发 现 : 当 海 生生 物 幼虫 从 一 个 阶段 发 育 到 另 一 个 阶 段 时 69 ,它们 就 改变 光 反 应 的 正 负 号 ,这 种 反应 的 功能 意义 还 as。 394 。 不 清楚 , 尚 需 适 当地 进行 研究 ,对 这 种 行为 最 旦 而 易 见 的 解释 是 : 〈1) 这 种 反应 使 生物 处 于 水 中 比较 有 利 的 摄食 位 置 , (2) 这 种 反应 使 生物 处 于 防止 被 捕食 的 最 安全 位 置 。 然 而 事实 上 ， 在 海洋 鱼 类 ,甲壳 类 、 环 节 动 物 以 及 其 他 较 小 的 生物 的 总 的 行为 表现 上 , 光 取 向 反应 是 它们 的 一 个 共同 特征 。 正 是 在 这 些 生 态 学 问题 的 研究 中 ， 人 们 才 了 解 了 生物 光 行为 的 普遍 重要 性 。 一 个 简单 的 行为 上 的 改变 可 能 使 一 个 在 解剖 学 特征 上 适应 环境 的 物种 延续 了 无 数 代 ， 因 此 大 们 以 极 大 的 兴趣 来 考察 这 种 简单 的 行为 上 的 改变 所 可 能 带 来 的 深远 意义 。 例 如 : 如 果 海 中 双 凌 甲 莹 没有 趋 光 反应 ,如 果 它 们 不 可 能 在 行为 上 变换 它们 的 光环 境 的 话 ， 它 们 能 像 今天 这 样 生 存 吗 ? 虽然 海洋 中 的 双 凌 甲 藻 达 到 它们 现在 的 状态 已 经 经 历 了 几 次 解剖 学 上 的 适应 性 变化 ， 但 是 如 果 它 们 用 其 他 的 一 些 办 法 来 应 付 这 个 生存 问题 的 话 , 那 会 遇 到 多 么 大 的 困难 呢 ? 现在 让 我 们 从 实践 的 观点 考虑 一 下 光 运 动 在 适应 环境 上 的 重要 性 ， 我 已 经 详细 地 论述 了 双 凌 甲 藻 Cyrodinium HEH 反应 ， 双 凌 甲 蒙 和 它们 的 同属 是 构成 通常 所 说 的 “ 红 潮 ” 的 主 要 生物 , 红 潮 的 发 生 是 世界 范围 的 ,但 至 今 没 有 找到 任何 办 法 来 控制 红 潮 ， 很 可 能 双 凌 甲 营 的 趋 光 反 应 是 决定 甲 营 群 体 在 数量 上 的 爆炸 性 增长 是 否 与 红 潮 有 关 的 一 个 主要 因素 。 水 中 存在 的 一 些 特殊 离子 (NH+ Ca’* Mgz+) 可 能 提高 这 种 细胞 的 总 的 敏感 性 ,从 而 使 它们 较 长 时 间 地 停留 在 水 面 上 ,这 种 长 期 留 在 水 表面 的 情况 再 加 上 存在 着 足够 的 营养 就 能 产生 加 速 细 胞 分 裂 所 需要 的 过 量 的 生物 化 学 能 。 我 上 面 所 说 这 些 纯 属 推 测 ， 不 过 人 们 可 以 很 容易 地 看 到 它 提出 了 很 多 未 来 需要 探索 的 领域 (参阅 6. 3.3)。 这 些 问题 和 概念 需要 实验 来 证 实 。 只 有 在 有 了 这 些 实验 资料 以 后 ,我 们 才 有 可 能 清楚 地 了 解 光 运 动 的 重要 性 ,为 了 统 。395 。 一 现 有 的 知识 并 揭示 新 的 现象 ， 必须 进行 学 科 之 间 的 合作 。 12.8 演 难 12.8.1 向 光 性 可 以 利用 燕麦 的 肥 车 鞘 很 容易 地 演示 向 光 性 ， 燕 麦 种 子 可 以 从 生物 供应 站 获得 。 用 前 让 种 子 在 22—24°C 下 ， 在 黑暗 中 萌发 244h， 在 萌 发 的 前 12h 期 间 ， 给 幼苗 照射 5min 的 红 光 , 24h 以 后 ;把 幼苗 转移 到 用 混 滤 纸 盖 着 的 烧杯 或 托盘 中 ， 使 其 穿 过 滤纸 插 we, FEBANAARER, MRILAKE, ibaa 续 生 长 直到 它们 大 约 有 30mm 高 (3 到 5 天 )， 重要 的 是 整个 | 给 胚芽 精 以 不 同时 间 (30 s, 1,5 15 min, 1h) ERIS 炽 灯 光照 ,并 记录 结果 ， i ceria 照 的 效果 。 可 以 用 Went 设计 的 方法 进行 加 和 向 光 性 的 诱导 剂 〈《 植 物 生长 素 ) 的 进一步 实验 ， 关 于 这 个 实验 的 详细 描述 请 参 阅 : A.Dunn and J.Arditti, Experimental Been te) Rinehart, te Seeing New York (1968), 12.8.2 趋 光 性 可 以 用 初期 培养 的 有 鞭毛 的 眼 虫 藻 (Euglexa gracilis) 简 单 地 演示 光 致 聚集 现象 。 眼 虫 藻 可 以 由 生物 供应 站 得 到 的 初始 培养 祖 加 2 一 31 Difco 眼 虫 藻 培 养 液 ( 肉 汤 ) 来 制备 眼 虫 藻 的 单 胞 薄 悬 滚 , 这 个 悬浮 液 应 在 阳光 充足 的 地 方 放置 约 一 周 时 间 直 到 变 成 鲜 绿 色 ， 然 后 把 一 些 细 胞 悬 淤 倒 人 一 个 用 硅 水 泥 把 两 块 玻璃 板 粘 © 390。， ‘i col 结 在 一 起 制 成 的 大 模子 里 (20cm X 20cm)， 从 一 侧 用 幻灯 机 光照 并 把 一 个 图 象 投影 在 该 液 模 上， 这 样 照射 5 min 以 便 眼 虫 营 聚集 ,然后 关 掉 幻灯 机 ,这 时 应 有 用 眼 虫 营 画 出 -的 那个 ”投影 的 映 象 。 然 后 由 于 细胞 又 随意 分 布 , 影 象 将 渐 新 消失 。 为 了 测定 这 个 反应 的 光谱 敏感 性 ,可 用 彩色 纪 灯 片 , 这 些 幻灯 片 可 以 用 从 物理 或 化 学 教 课 书 上 拍摄 的 光谱 图 制 成 。 注 意 眼 虫 营 在 什么 位 置 集 聚 得 最 多 ， 并 把 这 个 位 置 直接 与 液 模 -上 光谱 显示 的 位 置 联系 起 来 。 为 了 确定 这 个 聚集 是 由 于 趋 光 性 造成 的 还 是 由 于 光 激 反 应 造成 的 ,建议 用 显微镜 直接 观察 细胞 ， 其 基本 方法 步 又 已 在 12.3 和 12.4 中 讨论 过 。 REDE ih wR) 397 第 13 章 光合 作用 David C. Fork (华盛顿 卡 内 基 学 院 植物 系 ) 13.1 引言 po ne teense 399 143.121 光合 作用 是 怎样 进化 的 ? crereesereeecees wiley 400 13.1.2 光合 作用 概述 ee 401 13.2 植物 中 的 光合 作用 色素 ……………… ee 403 13.2.1 叶绿素 在 活体 内 的 状态 ……………… 省 403 13.2.2 菠 类 和 高 等 植物 中 色素 的 分 布 ……… 二 二 405 13.2.3 类 胡 葛 下 素 的 功能 “pn 09 13.3 光 捕 获 和 光化学 转化 pe 409 13.3.1 光 的 吸收 和 色素 的 荧光 pe 409 13.3.2 滞后 荧光 pp 410 13.3.3 能 量 传递 ev oo 411 13.3.4 反应 中 心 pe 412 13.3.5 光合 作用 单元 ee 413 13.4 光合 作用 研究 中 的 光谱 学 方法 pe 414 13.5 在 营 类 和 高 等 植物 光合 作用 中 的 两 个 光 化 反 应 …415 13.5.1 增益 和 双 光 反应 人 sn 415 13.5.2 Hill-Bendall 图 .oo 417 13.5.3 两 个 光 系 统 间 的 光 分 布 ee 419 13:6 光合 作用 中 的 电子 输 运 和 两 个 光化学 系统 ote 420 13.6.1 光 系 统 工 oo 420. 13.6.2 光 系 统 Ul ccpubeiede dbocbesvencccs casceneabebnalauaen 423 13.7 光合 磷酸 化 作用 ee 428 « 398 。 343.7.1 不 循环 的 和 循环 的 光合 磷酸 化 作用 oe 428 13.7.2 高 能 中 间 产 物 和 化 学 渗透 假说 0 429 13.7.3 ”色素 的 电化 学 变化 和 吸收 位 移 432 13.8 光合 作用 的 结构 组 织 coeceeceec cee ceeeeeeeeceeeceeceeeees 434 13.8.1 了 时 绿 体 pe 434 13.8.2 片 层 、. 基 粒 和 基质 ep 434 13.8.3 基 粒 叶绿体 和 非 基 粒 叶 绿 体 coeceeeseeceeeeeee 435 13.9 ”二氧化碳 的 固定 pp 436 13.9.1 Calvin—Benson 循环 或 C3 碳 和 循环 436 13.9.2 C4 循环 ee 437 13.10 “作为 能 源 的 光合 作用 pp 438 13.11 FREUD -oncencccccccccccccecsenccascacscccccnesscsoacecsoosceses 442 13.12 实验 .ee eve 443 13.12.1 叶子 中 主要 色素 的 分 离 和 鉴别 ……………… 443 13.12.2 与 DCIP 的 希 尔 反 应 ee 444 13.1 3). & 光合 作用 是 将 光 能 转变 成 稳定 化 学 能 的 过 程 ， 这 个 过 程 包括 色素 对 光 的 吸收 ,能 量 传递 .反应 中 心 对 能 量 的 捕获 或 稳 定 、 启 动 从 给 体 分 子 到 受 体 分 子 的 化 学 反应 。 这 个 过 程 之 后 是 由 电子 输 运 所 组 成 的 一 系列 氧化 还 原 反 应 ， 电 子 输 运 导 致 还 原型 烟 酰胺 腺 味 叭 二 核 背 酸 磷酸 (NADPH) 和 腺 起 三 磷酸 (ATP) 的 形成 。 固 碳 反应 能 够 进行 就 是 利用 了 NADPH 和 ATP 分 子 中 的 能 量 。 可 以 从 许多 角度 来 研究 光合 作用 ,包括 从 物理 学 家 、 物 理化 学 家 、 生 物化 学 家 生物 学 家 、 生 态 学 家 和 农学 家 的 角度 研究 光合 作用 。 本 章 侧重 于 绿色 植物 的 光合 作用 。 细 菌 的 光合 作用 在 许 多 书刊 中 都 谈 到 了 %#-3。 最 近 出 版 了 许多 关于 光合 作用 的 评 。 399-« 述 和 专著 ， 在 这 些 评述 和 专著 里 可 以 找到 比 未 章 更 多 的 的 次 #L4- sia 13.1.1 光合 作用 是 怎样 进化 的 ”9? | eT UME LWAKESSRWACEDRARNS H 联 生物 化 学 家 Oparin A"), 4NARAPBAA, MESRD 是 氨 和 甲烷 ， 同 时 还 存在 较 少量 的 氨 ` 氮 ,硫化 氢 和 水 。 当 人 们 认为 存在 于 原始 地 球 大 气 中 的 这 些 物 质 受 到 紫外 线 、 放 射 性 \ 热 和 放电 的 作用 后 \ 则 会 产生 各 种 各 样 的 物质 ， 如 和 氰 氢 酸 (HCN), i. BEB KBE RRR S ROBE INK 在 原始 地 球 上 ， 由 于 环境 中 没有 活 的 有 机 体 使 这 些 物质 进行 新 陈 代谢 ， 可 以 想像 在 漫长 的 岁月 里 二 定 有 大 量 物 质 的 积累 。 而 当 大 量 氨基 酸 受热 时 则 会 形成 类 似 蛋 白质 的 分 子 ， 这 些 分 子 又 进一步 聚集 成 与 细菌 大 小 相似 的 小 球 四 。 至 今 没 有 一 个 人 知道 生命 形式 是 怎样 从 这 些 聚 集体 形成 的 ， 而 生命 形式 可 能 是 在 地 球形 成 (40 至 46 亿 年 之 前 ) 12 亿 年 之 后 才 HEL 这 些 原始 的 有 机 体 也 许 只 是 利用 环境 中 富 存 的 这 些 物 质 就 能 获得 它们 所 需要 的 全 部 能 量 。 随 着 这 些 “ 活 的 有 机 体 ? 数 量 的 增加 ， 这 些 化 合 物 的 供应 最 终 将 被 耗 尽 。 因 此 凡 容 易 提 供 能 量 的 物质 将 首先 被 用 尽 (被 氧化 )。 生 命 的 延续 取决 于 那 些 原始 的 类 似 细菌 的 细胞 利用 尚 存 的 难 氧化 的 化 合 物 的 能 力 ,这 些 化 合 物 是 硫化 氢 (H:S) 和 水 。 为 此 ,如 果 能 有 一 种 利用 光 能 的 方法 ,那么 这 些 “ 细 胞 ”将 会 受到 极 大 的 帮助 。 于 是 ,一 个 原始 的 光合 作用 系统 可 能 进化 而 来 ， 它 能 利用 光 能 氧化 一 个 电子 给 体 ,进而 合成 了 为 进一步 代谢 所 需 的 高 能 物质 。 由 于 水 是 最 难 氧 化 的 物质 之 一 ， 因 此 ， 一 个 生物 进行 水 的 光合 氧 化 的 能 力 显示 大 大 超过 其 它 任何 生命 形式 的 进化 正 的 优越 。 400，* “ ee a ee rs) oh Mien ee, hy 29> e ie Pees ae - « : = r 性， 因为 这 种 生物 再 也 不 需要 依赖 于 富 能 物质 而 生存 了 。 用 水 做 为 电子 给 体 而 将 碳 还原 成 碳水 化 合 物 ， 并 以 废物 形式 酸 放 测 氧 的 光合 作用 在 地 球 的 历史 中 很 早 就 发 生 了 。 化 石 记载 表明 大 约 30 亿 年 前 就 出 现 了 释放 氧 的 蓝 绿 渡 。 蓝 绿 藻 用 水 做 为 它们 的 电子 给 体 的 能 力 ， 使 它们 能 更 好 地 适应 它们 所 处 的 环境 ,因此 较 之 光合 作用 细菌 有 更 大 的 进化 优越 性 ,而 光合 细菌 只 能 生活 在 可 以 获得 简单 的 有 机 化 合 物 或 硫化 氢 (HS) 的 地 方 。 放 氧 光合 作用 成 为 植物 主要 类 型 的 能 量 转 换 系统 ,并 造成 大 气 中 所 的 积累 ,最 后 通过 氧 的 光化学 变化 而 在 大 气 的 最 外 层 形成 了 一 层 臭氧 保护 层 。 13.1.2 光合 作用 概述 _ 光合 作用 的 时 间 范 围 是 很 宽 的 。 吸 收 一 个 光子 并 产生 激 发 态 大 约 需 107? 秒 , 而 二 氧化 碳 固定 的 酶 促 反 应 和 细胞 的 合 成 大 约 发 生 在 几 秒 或 几 分 钟 内 。 从 根本 上 讲 , 绿 色 植 物 的 光合 作用 是 从 水 中 移出 电子 (或 氢 为 并 将 它们 加 到 二 氧化 碳 上 ， 以 形成 碳水 化 合 物 并 释放 出 作为 废物 的 氧 。 这 是 一 个 “ 疏 坡 的 过 程 ， 因 此 需要 叶绿素 分 于 所 捕获 的 能 量 。 可 以 把 光合 作用 最 初始 的 阶段 看 做 一 个 捕获 光 的 作用 。 色素 分 子 捕获 光子 后 处 于 激发 态 \ 激 发 的 色素 分 子 或 是 通过 不 同 的 途径 以 无 用 形式 将 能 量 形 失 或 是 将 能 量 传递 给 叫做 反 应 中 心 的 一 种 特殊 环境 下 的 叶绿素 ， 而 光 能 转变 为 化 学 能 就 是 在 反应 中 心 进 行 的 。 在 反应 中 心 的 叶绿素 被 激发 后 便 放出 一 个 电子 而 氧化 。 由 反应 中 心 放出 的 电子 被 称 为 原初 受 体 的 AEG OME, RES HRA. AFTRA 吸收 一 个 光子 而 使 一 个 电子 跃迁 到 受 体 的 较 高 能 级 的 过 程 类 似 村 一 个 水 和 泵 把 水 由 低 处 抽 到 高 处 。 原 初 受 体 可 以 把 电子 。401 。 传递 给 次 级 受 体 。 次 级 受 体 又 可 将 电子 传递 给 第 三 个 受 体 等 等 依次 类 推 ， 这 个 序列 便 称 为 电子 的 输 运 。 所 有 这 些 次 级 电 子 的 输 运 反 应 都 是 下 坡 的 。 它 们 沿 着 热力 学 梯度 进行 ， 正 如 水 向 低 处 流 一 样 。 细 菌 光合 作用 只 有 一 个 与 电子 输 运 系统 相 连 的 光 转 换 步 又 ,而 植物 利用 了 两 个 独立 的 反应 中 心 ,每 个 反 应 中 心 都 能 克服 热力 学 梯度 而 把 电子 提 到 较 高 能 级 。 这 两 个 反应 中 心 是 串 接 在 一 起 的 ， 于 是 由 一 个 光 反 应 逐 出 的 电子 没 着 输 运 链 经 过 若干 从 一 个 载体 到 另 一 个 载体 的 电 子 传 递 而 最 终 到 达 另 一 个 反应 中 心 。 在 这 个 过 程 中 ， 电 子 的 能 量 以 形成 NADPH 和 ATP 而 作为 化 学 能 贮存 起 来 ,这 两 个 产物 是 光合 作用 的 高 能 终 产物 ， 它 们 在 固定 二 氧化 碳 的 上 暗 反 应 中 用 来 生产 碳水 化 合 物 (CH:O)。 光合 作用 的 总 反应 是 : 大 站 省 六 全 于 本 3 下 (13-1) 2 NADPt +4e& +2H*t—2NADPH ~— (13-2) 2 NADPH + 2 H* + CO, — 2 NADP* + H,O + (CH,O) (13-3) 净 反 应 是 : CO, + HO—>(CH,O) +0, (#8 NERF) (13-4) 此 外 , 碳 循环 中 糖 的 生成 (看 13.9) 需要 ATP, ATP 是 在 电子 从 水 到 NADP 的 输 运 过 程 中 形成 的 。 光合 作用 是 一 个 在 氧化 剂 二 氧化 碳 〈 其 氧化 还 原 电 位 为 一 0.4V 左右 ) 和 还 原 剂 水 〈 其 氧化 还 原 电 位 约 十 0.8 V) 之 间 的 氧化 还 原 过 程 ， 这 个 过 程 需要 克服 约 1.2 V 的 总 梯度 把 四 AS em 输 运 到 较 高 的 能 级 。 因 此 ， 在 光合 作用 中 ,把 四 个 电子 从 水 移 到 CH;O 所 需要 的 能 量 是 4.8 eV 或 110 kcal mol- (leV = 23kcal mol™), 。402 。 arene eee ome! Pet Rae A 下 7 o > ¢ 了 3 13. 2 植物 中 的 光合 作用 色素 到 达 地 球 的 光 的 波长 范围 大 约 是 从 290 一 1100nmo 不 同 的 光合 作用 生物 体 中 ， 有 着 能 够 在 这 整个 波长 范围 内 吸 收 光 的 一 些 色素 (图 13-1)。 细 菌 中 的 细菌 叶绿素 吸收 近 紧 外 和 红外 波 侦 的 辐射 ， 而 藻类 和 高 等 植物 中 的 叶绿素 a 在 此 波 眉 不 具有 有 效 吸 收 (图 13-1A)。 相 反 , 叶绿素 a 的 最 大 吸 收 分 别 在 440nm 附近 的 蓝 区 和 680nm 附近 的 红 区 。 其 它 光 合作 用 色素 如 叶绿素 b 和 c\ 类 胡 梦 下 素 、 洛 红 蛋 白 和 藻 青 蛋 白 吸 收 最 大 值 位 于 400 一 650nm 之 间 ， 它 们 将 在 13. 2.2 中 详细 讨论 。 13.2.1 叶绿素 在 活体 内 的 状态 在 化 学 结构 上 ,叶绿素 是 由 四 个 中 啉 环 组 成 的 ,它们 连 在 一 起 形成 了 一 个 由 其 中 心 的 镁 络 合 的 扁平 环 (图 13-2 A), 个 四 中 啉 的 环 有 一 个 长 的 几乎 完全 饱和 的 碳 毛 时 绿 醇 尾 与 它 相 连 。 叶 绿 素 分子 的 扁平 头 部 是 水 溶性 的 ,而 时 绿 醇 尾 是 脂 溶性 的 。 在 活 的 植物 里 ， 单 一 分 子 的 叶绿素 a 显然 以 多 种 状态 存在 。 如 果 非 常 精确 地 测定 植物 的 吸收 光谱 ， 叶 绿 素 a 的 吸收 带 是 很 复杂 的 ， 并 且 似 乎 是 由 若干 个 叶绿素 所 组 成 的 ， 每 个 叶绿素 的 吸收 波长 略 有 不 同 。 叶 绿 素 a 的 这 些 所 谓 类 型 显然 是 由 于 叶绿素 与 植物 体 中 不 同 的 蛋白 质 分 子 相 结合 的 结果 。 当 把 叶绿素 a 从 植物 体 中 提取 出 来 时 ， 只 能 得 到 一 种 叶绿素 a 的 分 子 。 我 们 可 以 把 许多 工作 的 结 采 总 结 起 来 2 -2 妃 ， 发 现 活 体内 可 能 有 四 种 不 同形 式 的 叶绿素 a, 它们 的 吸收 最 大 值 分 别 在 662nm, 670nm, 677nm, 684nm 处 。 植物 制造 吸收 不 同 波长 的 叶绿素 的 能 力 是 植物 这 个 光 化 。403 。 Rhodospirillum “ke

} Bawah SRMER) 和 甲 菠 素 ( 双 鞭 甲 Bo 叶绿素 的 吸收 最 大 值 在 460nm 和 640nm 附近 ， 而 岩 营 黄 质 和 甲 菠 素 的 吸收 最 大 值 在 490nm 附近 (图 13-1D)。 当 它 们 处 在 天 然 状 态 下 时 ,可 能 是 与 一 个 蛋白 质 相 结合 的 , 因 此 与 这 些 色 素 在 有 机 溶剂 中 的 吸收 最 大 值 相 比 ， 岩 菠 黄 质 和 e 407 e 甲 蒙 素 的 吸收 最 大 值 向 长 波长 方向 位 移 了 40nm。 这 些 胡 过 卜 醇 与 叶绿素 一 起 使 大 部 分 绿 光 能 用 于 光合 作用 。 否 则 绿 光 就 会 白白 浪费 掉 。 13.2.2.4 RRP RSH 这 些 植物 构成 了 日 常生 活 中 最 常见 的 光合 作用 生物 体 。 在 这 些 植物 中 ， 人 们 发 现 叶 绿 素 a 总 是 和 叶绿素 b 同时 存在 : 的 ,后 者 吸收 最 大 值 分 别 在 蓝 区 (〈 ~ 470nm) 和 红 区 (~ 650 nm) (Aj 13-1E)。 与 蓝 绿营、 硅 藻 和 双 鞭 甲 菠 不 同 ,高 等 植物 和 绿 洛 没有 可 以 吸收 500nm 到 600nm 之 间 光 的 特殊 色素 ; 因 此 这 些 植物 将 反射 这 个 波段 ， 故 我 们 看 到 它们 是 呈 绿 色 的 。 除 大 家 都 有 的 8- 明 葛 卜 素 外 ， 高 等 植物 和 绿营 含有 时 黄 素 〈 作 为 它们 的 主要 胡萝卜 醇 ) 和 少量 的 紫 黄 质 及 新 黄 质 。 与 岩 : BA PRA Kee RAR, SRM 上 醇 在 吸收 用 于 光合 作用 的 光 方 面 ,活性 不 是 特别 高 的 。 表 13-1 在 不 同 植物 中 有 光合 作用 活性 的 色素 的 分 布 叶绿素 a 叶绿素 b 叶绿素 |e aa a] OO AE ee 一 | | -一 一 -一 | 一 一 | 一 一 一 一 -一 | EES SE | ee ee | 一 ee — ef ff -天 一 | | -| Le 一 一 ”一 -| -一 一 -一 | 一 -| 一 | 一 | 一 qq —_ | —_ CO 一 一 | | -| ees + 408 。 有 一 种 藻 只 含 叶绿素 a, 例如 图 13-1F 中 所 示 的 Pleuroc- hloris (一 种 黄 绿 藻 ， 属 Eustigmatophyceae 类 )。 这 个 光谱 清楚 地 表明 ， 了 吸收 只 是 由 于 叶绿素 s 和 类 胡萝卜 素 所 致 。 植物 中 各 种 色素 的 分 布 已 总 结 在 表 13-1 中 。 13.2.3 ”类 胡萝卜 素 的 功能 在 所 有 的 光合 作用 生物 中 都 含有 类 胡萝卜 素 。 如 上 所 PR, EROS b 醇 如 岩 藻 黄 质 和 甲 渡 素 可 吸收 光 能 并 将 其 传递 到 光合 作用 的 反应 中 心 (S)。 类 胡 梦 卜 素 除了 作为 光合 作用 有 效 光波 段 的 吸收 体外 ， 它 还 可 以 保护 植物 各 免 光 氧 化 的 致死 效应 。 由 于 突变 而 失去 类 胡 梦 卜 素 的 植物 会 很 快 被 光 杀 死 。 类 胡 葛 卜 素 看 来 还 有 一 些 其 它 的 功能 ， 在 紫 黄 质 通过 中 间 休 花 药 黄 质 转变 成 玉米 黄 质 的 可 逆转 变 的 反应 序列 中 ， 它 可 以 改变 叶子 里 胡萝卜 醇 紫 黄 质 的 水 平 2 习 。 133 光 捕 获 和 光化学 转化 133.1 光 的 吸收 和 色素 的 荧光 为 了 进行 光 反 应 , 色素 必须 吸收 光 。 当 物 质 吸收 了 一 个 光子 , 它 就 获得 了 额外 的 能 量 ,我 们 说 它 处 于 电子 激发 态 。 根 据 量 子 力学 定律 ， 从 基态 只 有 通过 一 定 的 分 立 能 态 才能 跃迁 到 激发 态 。 并 且 所 吸收 的 光子 的 能 量 必 须 严格 地 等 于 两 个 电 子 状态 间 的 能 量 差 。 因此 , 一 定 的 物质 只 能 吸收 一 定 波长 的 光 ( 参 阅 2.3)。 通常 ， 第 一 激发 单线 态 和 基态 的 能 级 不 会 由 于 亚 能 级 而 HBS, ， 这 不 像 第 一 激发 态 和 更 高 的 激发 态 之 间 有 重 倒 的“ 情况 ， 因 此 ， 从 基态 到 第 一 激发 单线 态 的 跃迁 需要 吸收 一 个 e 409 « 光子 。 同 样 ,从 第 一 激发 单线 态 姥 迁 到 基态 会 发 射 一 个 光子 ， 这 种 光 发 射 叫做 “BIE”. 获 光 发 射 只 能 来 自 最 低 激 发 单线 ” 态 , 而 不 会 来 自任 何 较 高 的 激发 态 , 这 是 因为 内 转换 (产生 热 的 跃迁 ) 很 快 , 在 10-2s 内 发 生 , 而 荧光 发 射 大 约 需要 10> s。 最低 激发 单线 态 的 亚 能 级 之 间 也 会 发 生 小 而 快 的 内 转换 (能 量 的 丧失 ) ,因此 总 是 在 比 吸 收 光 更 长 的 波长 上 看 到 荧光 5 吸收 高 能 蓝光 子 而 敏 化 的 光合 作用 对 植物 来 说 并 不 比 吸收 低 能 红 光 子 有 任何 好 处 ， 这 是 因为 吸收 蓝光 而 产生 的 较 高 能 级 在 较 慢 的 光化学 反应 有 机 会 发 生 之 前 已 经 很 快 降 到 了 较 低 的 “ 能 级 。 13.3.2 ”滞后 荧光 5252 如 果 植 物 被 光照 过 一 段 时 间 后 又 被 放 到 暗 处 ， 则 植物 能 继续 发 出 微弱 的 红 光 。 这 个 光 只 有 用 灵敏 的 光 感 装置 才能 探 WE, 它 是 1951 年 在 一 个 实验 中 偶然 发 现 的 , 这 个 实验 企图 用 在 有 ATP 存在 时 发 光 的 萤火虫 尾部 的 提取 物 ,证 明 在 光合 作用 中 有 光 引 起 的 ATP 的 形成 (参阅 14 章 )。 后 来 , 人 们 发 现 即使 不 加 萤火虫 的 提取 物 , 藻 类 也 发 红 光 。 看 来 ,所 有 的 光 合作 用 生物 都 能 发 出 这 种 “后 发 光 ”, 这 种 后 发 光 叫 做 “滞后 Be”, 以 便 与 激发 光 去 掉 之 后 大 约 10-?s 内 就 停止 的 < 瞬 发 荧光 ” 相 区 别 。 这 两 种 类 型 的 发 光 具 有 相同 的 光谱 分 布 ， 这 表明 它们 都 是 来 自 叶 绿 素 ( 或 细菌 叶绿素 )。 滞 后 荧光 看 来 是 由 原初 (或 次 级 ) 电子 受 体 与 在 反应 中 心 通过 吸收 光 而 形成 的 氧化 型 叶 绿 素 进行 逆反 应 而 产生 的 ， 叶 绿 素 的 这 种 逆 还 原 显然 使 它 返 回 到 激发 单线 态 而 不 是 基态 ， 从 激发 单线 态 可 以 发 出 光 来 。 此 外 ,滞后 荧光 似乎 是 只 与 光 系 统 开 的 反应 中 心 有 关 的 现象 ( 瞬 发 荧光 也 是 如 此 )。 之 所 以 这 样 说 是 因 在 没有 光 系 统 IR * 410。， 应 中 心 P700 的 藻类 突变 种 中 仍然 看 到 沸 后 荧光 (关于 反应 中 心 和 两 个 光化学 系统 的 讨论 ,请 参阅 13.3.5.1 和 13.5)。 此 外 ， 在 瞳 适 应 植物 中 的 谎 后 荧光 呈现 出 振荡 ， 很 像 在 给 出 一 系列 内 光 时 对 放 氧 所 看 到 的 现象 (在 13.6.2.3 中 述 及 )o。 13.3.3 能 量 传递 2 由 叶绿素 分 子 所 吸收 的 光量 子 在 被 反应 中 心 捕获 之 前 ， 它 可 以 一 次 又 一 次 地 从 一 个 分 子 传 到 另 一 个 分 子 ， 很 像 一 个 台球 击 中 另 一 个 台球 , 直到 它 最 后 落 人 球 囊 为 止 。 由 “天 线 ” 分 子 所 组 成 的 近 400 个 叶绿素 分 子 中 的 任何 一 个 为 光化学 捕 获 中 心 所 吸收 的 光子 很 快 地 从 一 个 叶绿素 分 子 传 到 另 一 个 时 绿 素 分 子 ( 约 10-2? 秒 ) ,最 终 被 反应 中 心 所 捕获 ,整个 过 程 只 需 107° fb, | 可 以 实验 证 明 在 诸如 小 球 藻 (Chlorella) HOEK BE HH AN AE 量 传递 ,例如 用 波长 650nm 的 光照 射 小 球 藻 ,， 此 光 主 要 是 被 叶绿素 b 所 吸收 ,图 13-3 给 出 了 叶绿素 a 和 叶绿素 b AMM 带 之 间 的 重 登 。 在 体内 叶绿素 b 的 吸收 最 大 值 (650nm) EEE 绿 素 a 的 吸收 最 大 值 (678nm) 波长 要 短 ,在 这 种 情况 下 只 能 观察 到 叶绿素 a 的 荧光 特征 曲线 ， 而 测量 不 到 任何 与 叶绿素 b 的 荧光 对 应 的 荧光 ,尽管 叶绿素 b 在 溶液 中 有 很 强 的 荧光 。 事实 上 ,用 小 球 藻 所 做 的 活体 研究 表明 ,能量 从 叶绿素 b 传递 到 时 绿 素 a 的 效率 接近 百分之百 。 同 样 BAe BH AELL 80 —90% 的 效率 把 它们 的 能 量 传递 给 叶绿素 。 相 反 , MRS h 素 到 叶绿素 的 能 量 传递 效率 是 20 一 50 多 ;取决 于 所 涉及 的 具体 的 类 胡 梦 卜 素 。 Forster") 提出 了 一 个 了 解 分 子 之 间 能 量 传递 机 制 的 理 论 基 础 。 他 认为 供 体 分 子 的 荧光 光谱 和 受 体 分 子 的 吸收 光谱 之 间 需 要 有 明显 的 重 登 (图 13-3)，, 而 且 能 量 传递 速率 反比 于 © 4iil « 两 分 子 间距 离 的 六 次 方 。 对 能 量 从 一 个 分 子 传递 到 另 一 个 分 子 的 机 率 为 50% 的 情况 ,计算 出 两 分 子 之 间 的 距离 应 为 5nm 左右 ， 而 在 叶绿体 中 叶绿素 分 子 间 的 距离 比 这 个 距离 要 小 的 “ 多 ,因此 能 量 传递 几率 是 非常 高 的 。 吸收 或 荧光 图 13-3 图 示 表 明 吸 收 带 和 荧光 谱 靠 得 很 近 的 色素 ， 绿 莹 和 高 等 植物 中 叶绿素 a 和 叶绿素 b 通常 就 是 这 样 ， 因 为 B 的 菊 光 与 A 的 RCH HB > 因此 很 可 能 将 B 所 吸收 的 光子 传递 给 Ay 这 可 以 通过 激发 B 而 只 观察 到 A 的 荧光 来 证 明 ( 人 参阅 正 文 )。 13.3.4 反应 中 心 在 光合 作用 器 官 中 发 生 光 化 学 反应 的 特定 部 位 称 为 反应 中 心 。 反 应 中 心 叶 绿 素 可 以 通过 吸收 而 直接 接受 一 个 光子 或 通过 能 量 传递 从 其 它 色素 间 接 获 得 一 个 光子 。 吸 收 一 个 光子 后 ， 叶 绿 素 中 升 到 较 高 能 态 的 电子 可 以 被 一 个 起 受 体 作 用 的 适当 化 合 物 所 接收 。 电 子 传 到 受 体 分 子 的 传递 使 受 体 分 子 还 原 ,而 叶绿素 则 被 氧化 ,在 “下 坡 过 程 中 叶绿素 又 从 一 个 适当 的 给 体 得 到 一 个 电子 时 ， 它 本 身 又 被 还 原 。 如 果 受 体 分 子 的 电化 学 电位 比 叶 绿 素 的 激发 态 低 的 话 ， 这 个 能 量 传递 还 将 沿 着 热力 学 梯度 (下 坡 ) 自发 地 进行 。 人 们 确信 ,在 光合 作用 中 一 定 有 类 似 的 情况 发 生 。 在 光合 作用 中 受 体 的 化 学 特性 还 不 。412 。 TEE. ~ 光合 细菌 的 反应 中 心 可 能 是 研究 得 最 清楚 的 ， 因 为 它 能 以 很 “ 纯 的 不 附着 天 线 细菌 叶绿素 的 形式 制备 出 来 。 从 高 等 植物 和 藻类 的 光化学 系统 之 一 ( 光 系 统 D 中 分 离 反 应 中 心 的 工作 已 有 进展 。 然 而 与 此 相反 ,关于 这 些 植物 的 光 系 统 IW 反应 中 心 ， 除 了 已 观察 到 的 光 引 起 的 吸收 变化 可 能 相当 于 反 应 中 心 叶绿素 的 氧化 外 ,其 它 情况 几乎 是 一 无 所 知 。 在 由 光合 细菌 提取 出 来 的 反应 中 心 ， 可 以 观察 到 光 引 起 -从 870 nm 到 890nm 波段 内 吸收 的 减 小 。 同 样 ,用 声波 或 去 垢 剂 处 理 然后 再 进行 差 速 离心 ， 可 以 从 高 等 植物 和 藻类 中 制备 出 一 种 小 颗粒 ， 这 种 小 颗粒 也 表现 出 光 引 起 的 最 大 值 在 700 .nm 附近 的 吸收 的 减 小 。 这 是 由 库 克 (kok) 发 现 的 ,他 认为 产 生 这 个 变化 的 未 知 物 质 是 一 种 叶绿素 ,并 把 它 称 为 色素 700 (或 P700)。 在 细菌 反应 中 心 的 情形 以 及 对 于 P700 来 说 ,氧化 还 原 电 位 适当 的 化 学 试剂 也 能 产生 与 吸收 光子 相同 的 效应 。 用 和 氰 化 铁 和 和 氰 化 亚 铁 混 合 物 滴 定 细菌 的 反应 中 心 ， 给 出 这 个 反应 的 中 点 电位 Eo ,是 二 0.5V。 这 个 氧化 作用 使 反应 中 心 丢 失 一 个 电子 。 同样 ， 滴 定 P700 可 以 看 到 它 的 氧化 还 原 电 位 大 约 是 十 0.43V。 13.3.5 ”光合 作用 单元 植物 含有 大 量 的 色素 ， 但 是 只 有 一 小 部 分 色素 在 光合 作 用 的 关键 光化学 阶段 是 起 作用 的 。 四 十 年 前 人 们 从 Emerson 和 Arnold 的 实验 就 知道 了 这 一 点 ，Emerson 和 Arnold 测定 了 小 球 营 的 放 氧 。 他 们 用 一 些 很 短 的 能 为 叶绿素 有 效 吸收 的 红 色 闪 光 。 用 足够 强 的 闪光 时 , 他 们 能 够 激发 每 一 个 叶绿素 分 于 ,也 束 是 使 光化学 反应 饱和 。 于 是 可 以 测量 放出 的 氧 与 两 次 24136 闪光 间 的 暗 时 间 的 函数 关系 。 如 果 闪 光 之 间 的 间隔 足够 长 ; 则 有 充足 的 时 间 让 暗 反应 加 工 光 反 应 的 产物 。 但 是 如 果 办 光 来 得 太 快 , 暗 反 应 就 会 跟 不 上 ,以 放 氧 度量 的 光合 作用 就 减 慢 了 。 大 们 发 现 酶 和 光 产 物 反应 所 需要 的 暗 时 间 大 约 是 1072se 非常 有 趣 的 是 ,在 实验 中 随 着 闪光 强 度 的 增加 ;大 们 发 现 所 能 得 到 的 最 高 产 额 是 一 个 氧 分 子 对 应 吸收 闪光 的 每 . 2500 个 左右 的 叶绿素 。 由 于 产生 一 个 氧 分 子 需要 八 个 光子 因此 内 光 产 额 实验 证 明 , AZ 300 4 (2500/8) 时 绿 素 分 子 合 作 加 i-t toe i : 计算 表明 ,即使 在 阳光 充足 的 情况 下 ,每 个 叶绿素 分 子 每 秒 钟 也 只 能 吸收 几 个 光子 。Emerson 和 Arnold 的 实验 表明 ， 植物 是 怎样 完美 地 通过 300 个 叶绿素 分 子 的 集合 体 AA Ft 合作 用 单位 ) 来 适应 这 种 情况 , 也 就 是 说 , 它们 全 体 合 作 将 能 量 捕获 并 集中 到 一 个 特殊 的 进行 光化学 转化 的 叶绿素 土 。 由 于 有 这 种 天 线装 置 来 收集 光 能 ， 因 此 使 暗 反应 不 受 进行 光 化 学 转化 速率 的 限制 。 13.4， 光 合作 用 研究 中 的 光谱 学 方法 B0 在 光合 作用 反应 中 所 涉及 的 许多 物质 在 光谱 的 近 紫 外 和 可 见 光 范 围 内 都 有 吸收 ， 同 时 它们 的 吸收 光谱 依 它们 是 处 于 氧化 态 还 是 还 原 态 而 不 同 。 画 出 的 差 光 谱 《 即 氧 从 态 减 还 原 态 的 光谱 ) 表 示 从 一 个 态 到 另 一 个 态 时 吸收 光谱 发 生 的 变化 。 图 13-4 给 出 了 细胞 色素 和 和 能 作为 光 引 起 的 吸收 变化 而 于 光谱 方法 探测 的 其 它 光合 作用 中 间 产 物 的 差 光 谱 ， 它 画 成 亮 _ Wa HS AY Ze JE 1 0 测量 光 引 起 的 微弱 而 迅速 的 吸收 变化 的 技术 的 应 用 为 解 决 光合 作用 的 难题 提供 了 有 力 的 手段 。 借助 于 这 个 技术 ,使 。414 。 消光 系数 mut cm 图 13-4 电子 传递 链 上 各 组 分 P700，P 430， 细 胞 色素 上 和 质 体 蓝 素 的 氧化 型 减 还 原型 差 光谱 。P 700、 细 胞 色素 上 和 质 体 蓝 素 的 差 光谱 是 光 把 它们 从 还 原型 转变 成 氧化 型 而 产生 的 。 负 的 P 430 吸收 带 是 由 一 个 未 确定 的 化 合 物 的 还 原 产生 的 (参阅 正文 )。 Be WOR 通过 植物 材料 的 样品 , 用 适当 的 器 件 通常 是 光电 倍增 管 来 探测 光 的 强度 ， 然 后 用 一 个 适当 的 方法 如 示 波 器 或 纸 带 式 记录 仪 进行 记录 ， 另 外 还 需 有 一 个 激发 或 作用 光 源 。 探测 器 的 前 面 放置 滤 光 片 , 以 保证 只 有 测量 光束 进入 光 探测 器 。 采用 适当 的 光源 和 放大 器 , 这 种 装置 能 够 测量 在 光 合作 用 中 涉及 的 许多 物质 中 所 发 生 的 非常 迅速 和 很 小 的 吸收 变化 。 13.5 RRA SEA TEA 中 的 两 个 光 化 反 应 1351 Bae 作用 光谱 是 一 种 度量 手段 ， 它 能 够 揭示 什么 色素 在 敏 化 e 4156 某 一 光化学 反应 中 起 作用 (参阅 1.5.4;,3.7)。 例如 在 光合 作 用 生物 的 情形 , 可 以 画 出 不 同 波长 的 光 放 氧 的 效率 吧 。 1882 年 荷兰 科学 家 T. Engellmann 用 一 个 很 巧妙 的 方法 进行 了 这 种 测量 , 他 用 的 是 丝 状 的 绿营 和 蓝 绿营 。 他 把 需 氧 的 游 动 的 细菌 悬浮 液 加 到 放 有 藻 丝 的 载 玻 片 上 ,再 把 载 玻 片 封 上 ,与 外 界 空气 隔绝 。 用 投射 到 显微镜 载 物 台 上 的 光谱 照射 营 丝 后 ， 他 看 到 在 光谱 的 一 定 区 域内 比 其 它 区 域内 聚集 了 更 多 的 游 动 的 细菌 。 在 绿 藻 的 情况 下 , 多 数 细菌 聚集 在 光谱 的 蓝 区 和 红 区 ,这 里 正 是 叶绿素 吸收 最 大 的 区 域 ( 图 13-1E), 4 RRS 时 ， 在 菠 青 蛋白 有 吸收 的 杰 光 区 比 在 叶绿素 a 本 身 有 吸收 的 红 光 区 聚集 了 更 多 的 细菌 (图 13-1B)。 人 们 用 快速 极 谱 技术 监测 各 种 色素 藻类 的 放 氧 与 波长 的 关系 ， 得 到 非常 类 似 但 是 更 详细 的 结果 @。 RR KA LE 用 光谱 所 给 出 的 结果 与 Engelmann 的 结果 是 一 致 的 ; 即 由 叶 绿 素 吸收 的 蓝光 和 红 光 在 促进 放 氧 上 是 最 有 效 的 。 在 褐藻 中 ,不 仅 叶 绿 素 在 敏 化 光合 作用 上 是 有 效 的 ,而 且 辅 助 色素 如 叶 黄 素 和 岩 藻 黄 质 几乎 也 是 同样 起 作用 的 。 在 红 菠 和 蓝 - 绿 藻 中 发 现 了 一 个 出 平 意料 的 结果 。 即 在 促进 光合 作用 方面 畏 助 色素 藻 红 蛋白 和 藻 青 蛋白 的 活性 比 叶 绿 素 a 本 身 的 活性 更 高 。 在 叶绿素 a 仍然 吸收 很 强 的 波长 上 作用 光谱 迅速 下 降 。 对 绿 藻 的 作用 光谱 作 更 仔细 的 复查 发 现 了 类 似 的 “ 红 降 ”， 但 这 个 效应 不 像 红 藻 中 那样 地 明显 。 在 蓝 - 绿 藻 中 也 观察 到 了 明显 的 红 降 。 在 单 细 胞 红 菠 Porphyridium 中 可 以 看 到 荧光 激发 作用 光谱 有 类 似 的 红 降 。 这 些 作 用 光谱 的 测量 结果 很 难 和 这 样 一 个 事实 协调 一 致 ， 任 何 一 个 被 色素 吸收 的 光子 应 该 和 吸收 的 任何 其 它 光子 一 样 有 效 。 Emerson 发 现 ， 如 果 植 物 用 被 不 同色 素 吸 收 的 两 个 波长 的 光 来 照射 , 则 红 降 现象 消失 。 例 如 , EAR, AR 。416 。 胆 色素 所 能 吸收 的 绿 光 及 叶绿素 所 能 吸收 的 红 光 同 时 照射 ， 则 放 氧 量 比 用 两 种 光 分 别 照 射 红 藻 得 到 的 总 放 氧 量 要 多 。 这 种 两 个 波长 光 的 协同 效应 称 为 Emerson 增益 或 者 就 叫 增益 (这 个 问题 的 综述 请 参阅 文献 34)。 增益 效应 的 发 现 是 光合 作用 研究 中 的 一 个 里 程 碑 。 在 增 益 效 应 发 现 之 前 ,人 们 认为 光合 作用 只 需要 一 个 光 反 应 ,辅助 色素 只 是 用 来 关闭 可 见 光谱 范围 的 “光学 窗 ? 并 把 它们 吸收 的 能 量 传递 给 固定 光量 子 的 一 种 光化学 反应 中 心 的 叶绿素 ao 能 够 得 到 的 增益 量 取决 于 如 何 表示 这 个 数值 ,对 红 营 来 说 ,两 种 波长 的 光 同 时 照射 时 产生 的 O, 与 它们 分 别 照射 时 产生 的 @; 的 总 量 之 比 约 为 1.8。 如 果 用 适当 的 波长 配对 ， 在 色素 不 同 的 所 有 营 类 中 都 能 消除 红 降 。 事 实 上 ,增益 光谱 ( 即 不 同 波长 的 互补 光 消 除 红 降 的 效率 ) 表 明 , 只 当 辅 助 色素 与 叶绿素 一 起 激发 时 , 光合 作用 才能 最 有 效 地 发 生 。 然而 两 种 波长 并 不 需要 同时 存在 ,两 种 适当 的 波长 交替 作用 ,间隔 长 达 6 秒 仍 可 产生 增益 sa。 13.5.2 Hill-Bendall “如 果 认 为 光合 作用 是 通过 两 个 由 一 系列 暗 的 酶 促 步 又 连 接 的 光化学 反应 进行 的 ,就 能 最 好 地 解释 增益 现象 。 Hill 和 Bendall 在 1960 年 对 当时 流行 的 光合 作用 如 何 进行 的 概念 给 出 了 一 个 理论 框图 (图 13-5) ,在 Hill-Bendall 模型 中 有 时 称 - Z 式 图 ), 叶 子 里 发 现 的 一 种 叫做 细胞 色素 f 的 “ 型 细胞 色素 被 认为 在 两 个 不 同类 型 的 光化学 反应 中 心 之 间 起 着 一 个 中 间 媒介 物 的 作用 ,一 个 反应 中 心 ( 称 为 光 系 统 DT) 用 来 氧化 细胞 色 素 f, 另 一 个 光化学 反应 中 心 ( 光 系 统 I) 还 原 细胞 色素 fo 光 引起 的 光 系 统 工 的 反应 中 心 的 氧化 最 终 产 生 一 个 能 氧化 水 的 强 氧化 剂 。 光 系统 I 的 循环 将 产生 一 个 能 还 原 固定 二 氧化 碳 。417 。 A RBH EY 3S RS HGH 595g 32) BALL 08y d HBS 2b lo GNA) Ae OT ECUMIZ 002 a thy HY) A AG Len BY — FY HS Ce WE BS BB lo TY a) ORE EN diIod + AW PEN Ae: AIA osy + (CNS ete Bich BIEN s 5 Ma — Synge SEM +d VN ‘ADE aa / EMM MEY Od SMB RIE Uo “HII Gs EK 1 GY HBG CO)OSSO tk O€bd “MBIA ARM MEM SB 1 VIA BE KAH SS BBY eH EAE AL te SY ED Ee eh AS HEEB GH TG SEDI 1 GEE OMe ch AVS 99 EA AW ESE GF ARYA AGLI DL <3) UT SO SE AG HG EAL Rf PY id SG EB Sh A ° Eh SE de BG EY AY "ch 7 2 BE GEIL ZK BELA. S0g9d Ik 004d MU MMIVE BWI is le AMA WAYS BRO IS ch WARE CRT El ORE ZY Nepeog-1nH HASH WR MDW MBE cory (A) DBM Lae Ade4 dida 4 Z'0- é ~ ay Qd Ree BEE SG TLE, 7 esgahg vdavN fy:0- z GE By Sal, P4 es tal oer, = gan :1d +dQv 四 a > a) Ree Vee eG 所 需 的 NADP 的 强 还 原 剂 。 用 Hill-Bendall 模型 能 成 功 地 解释 的 第 一 个 实验 结果 如 下 : EXCH Porphyridium 中 主要 由 时 绿 素 a 吸收 的 红 光 使 细胞 色素 上 氧化， 而 基本 上 由 辅助 色素 菠 红 蛋 白 吸收 的 绿 光 (图 13-1c) 使 细胞 色素 f 还 原 。 不 同 波长 光 的 这 种 相反 的 效 应 与 Hill-Bendall 模型 是 一 致 的 。 HEGRE Anacystis 中 P700 也 有 类 似 的 “ 双 光 效应 “， 因 为 叶绿素 所 吸收 的 红 光 (图 -13-1B) 使 P700 氧化 ,而 由 营 胆 色素 所 吸收 的 橙 光 使 P700 还 原色 。 对 其 它 的 光合 作用 中 间 媒 介 物 如 质 体 柄 、 质 体 蓝 素 也 发 现 了 类 似 的 相反 的 双 光 效应 。 LiL, 观察 由 一 个 色素 系 统 或 另 一 个 色素 系统 的 激发 所 引起 的 推 - 拉 效 应 可 用 来 确定 某 化 合 物 在 光 系 统 1 和 开 之 间 电 子 输 运 中 的 作用 地 氮 。 13.5.3 “两 个 光 系 统 间 的 光 分 布 直 于 光合 作用 中 两 个 光 反 应 似乎 是 串联 在 一 起 工作 的 ， 因此 必须 均等 地 激发 这 两 个 光 反 应 ， 从 而 使 任 一 光 反 应 不 致 成 为 速率 限制 反应 。 在 植物 中 可 能 有 一 种 机 制 可 以 调节 由 时 绿 素 分 子 所 吸收 的 光 最 终 是 被 光 系 统 I 捕获 还 是 被 光 系 统 了 捕获 研究 鱼 MH, MR MAA UO 优先 吸收 的 光 来 照射 (例如 ,对 绿营 Ulva 用 650nm 光 照射 ,图 13-1E) 则 存在 一 种 对 光 颜 色 的 适应 ， 致 使 光量 子 在 两 个 光 系 统 之 间 的 分 配 发 生 改 变 。 这 种 重新 分 配 的 结果 使 得 更 多 的 光子 给 与 光 系 统 T， 因此 增加 了 光 系 统 工 的 反应 ， 从 而 防止 光 系 统 工 的 反应 限制 了 总 的 电子 输 运 速率 。 在 这 种 条 件 下 ,我 们 说 植物 处 于 “状态 2 。 反 之 , 若 用 光 系 统 工 优先 吸收 的 光 来 照射 植物 ( 远 红 光 ) ， 则 使 植物 进入 “状态 1 。 在 这 个 状态 下 所 吸收 的 光量 子 将 更 多 地 给 与 光 系 统 HI。 光 量子 分 配 的 这 种 伸缩 性 对 植物 是 非常 重 宙 的 ， 因 为 即使 在 光 的 波长 分 布 对 两 个 光 系 统 的 平衡 激发 。419， 都 不 利 的 情况 十 ,也 能 使 植物 最 有 效 地 利用 光 能 。 两 个 光 系 统 间 的 光量 子 分 配 是 受 二 价 阳离子 如 Mg** 的 控制 的 。 由 于 已 经 看 到 光照 叶绿体 造成 离子 穿 过 类 襄 体 膜 的 运动 ， 所 以 人 们 认为 在 激发 能 的 传递 中 阳离子 引起 的 变化 与 光照 引起 的 状态 变化 是 有 关 的 ，。 13.6 光合 作用 中 的 电子 输 运 和 两 个 光化学 系统 13.6.1 AG! EI Se eg TG 人 们 对 造成 据 信 在 含 P700 的 反应 中 心里 存在 的 特殊 环 阐 的 物理 和 化 学 条 件 知道 无 几 。 如 前 所 述 。 P700 的 氧化 还 原 电位 E 已 经 测 出 ， 大 约 是 十 0.43V。 ERA MMR, P700 的 浓度 大 约 是 200 至 1000 个 叶绿素 分 子 中 有 一 个 P700。 细节 很 清楚 的 闪光 诱导 的 从 250 一 850nm 的 差 光 谱 已 被 测定 ， 它 表 上 明 对 菠菜 在 430nm、682nm、700nm 处 有 负 的 峰 。P 700 在 .700nm 处 的 差 吸收 系数 的 仔细 测定 结果 是 64mM- cm (图 13-4)。 在 进行 可 靠 的 定量 测定 之 前 ,必须 有 一 个 准确 的 吸收 系数 。 叶绿体 的 实验 表明 ， 它 们 能 够 还 原 昔 素 《Viologen) 染 料 , 如 还 原 甲 基 莉 素 ( 其 氧化 还 原 电 位 为 一 0.5 一 0.7V)o 13.6.1.2 P430[46,471 | 短 的 闪光 能 造成 吸收 的 减 小 ， 其 峰值 在 430nm 附近 (图 13-4)。 根 据 它 们 不 同 的 动力 学 行为 可 以 把 这 些 变化 与 P700 所 产生 的 变化 加 以 区 别 。P430 的 差 光 谱 与 P700 的 差 光 谱 相 比较 ,前 者 具有 较 宽 的 吸收 带 , 并 且 在 红 光 波段 内 没有 吸收 最 9 420 e 本 7. 小 值 。 由 于 在 已 研究 过 的 所 有 光合 作用 生 物 中 均 发 现 了 铁 -硫化 合 物 铁 氧 还 蛋白 ， 并 且 在 早期 的 测量 中 发 现 它 的 氧化 还 原 电 位 是 一 0.42V 左右 ， 因 此 人 们 认为 这 个 泛 柄 类 物质 是 作为 光 系 统 工 的 原初 电子 受 体 。 光 系统 工 的 原初 受 体 似 乎 不 是 可 溶 形式 的 铁 氧 还 蛋白 ,因为 P700 能 够 还 原 氧 化 还 原 电位 比 铁 氧 还 蛋白 低 的 化 合 物 。 洗 去 可 溶性 的 铁 氧 还 蛋白 的 菠菜 叶绿体 仍然 含有 能 用 特征 ESR 谱 检 测 的 结合 型 铁 氧 还 蛋 AN, 这 种 结合 型 铁 氧 还 蛋白 仍 能 在 液 氮 温度 下 被 还 原 , A 此 可 以 认为 这 种 还 原 是 一 种 原初 光化学 过 程 ， 因 为 一 般 的 化 等 还 原 将 不 能 在 这 样 低 的 温度 下 进行 。 P430 的 差 光谱 (图 13-4) 的 形状 不 同 于 铁 - 硫 蛋 白 即 铁 氧 还 蛋白 。 这 个 原初 电子 受 体 可 能 是 由 一 个 包含 结合 型 铁 氧 还 蛋 折 和 一 些 未 知 的 物质 复合 物 组 成 ， 这 种 复合 物 可 能 具有 比 可 溶性 铁 氧 还 蛋白 更 低 的 氧化 还 原 电 位 。 光 诱 导 的 结合 型 铁 氧 还 蛋白 和 P700 的 反应 可 以 在 低温 CRY 150K) 下 发 生 ， 在 各 种 条 件 下 ,能 被 氧化 的 P700 和 能 钙 还 原 的 铁 氧 还 蛋白 之 间 存 在 着 一 定 的 化 学 计量 关系 %。 13.6.13 RALEARESH (KALE H-NADP-Att 还 原 酶 ) 铁 氧 还 蛋白 是 非 血 红 素 铁 - 硫 蛋白 (含有 一 个 铁 和 硫 的 蛋 和 白质， 但 又 不 是 备 红 素 ) 族 的 成 员 ， 至 今 所 研究 的 所 有 生物 中 , 从 厌 氧 细菌 到 植物 和 动物 中 均 发 现 了 铁 氧 还 蛋白 。 这 些 蛋白 质 在 许多 不 同类 型 的 反应 中 作为 电子 传递 剂 吧 。 植物 的 铁 氧 还 蛋白 的 分 子 量 较 低 , 约 12000, 它 是 由 一 条 酸性 氨基 酸 百 分 含 量 较 高 的 多 肽 链 组 成 。 植 物 和 细菌 的 铁 氧 还 蛋 自 在 氨基 酸 顺 序 上 有 许多 相似 之 处 ， 这 说 明 高 等 植物 和 光合 细菌 的 共同 祖先 曾经 是 一 种 厌 氧 菌 。 例 如 今天 还 存在 的 。421 。 梭 菌 属 。 NADP 的 还 原 , 即 光合 作用 电子 输 运 的 最 后 一 步 , 需 要 还 厌 的 铁 氧 还 蛋白 和 叫做 铁 氧 还 蛋 日 -NADP- 氧 化 还 原 酶 的 一 种 黄 素 蛋 白 酶 ， 这 个 黄 素 蛋 白 已 从 菠 肖 中 分 离 出 来 并 制 成 了 本 结晶。 13.6.1.4 细胞 色素 上 和 质 体 蓝 素 由 于 这 两 个 电子 输 运 成 分 似乎 能 迅速 地 与 P700 反应 ;所 以 我 们 就 武断 地 把 它们 放 在 光 系 统 工 里 来 讨论 。 因 为 它们 能 被 光 系 统 工 氧 化 和 被 光 系 统 工 还原 ,所 以 它们 的 功能 似乎 是 HARB MICRA 工 之 间 的 中 间 电 子 载体 。 如 13.5.3 所 讨论 的 ; 光 系 统 工 和光 系统 开 的 激发 对 细胞 色素 的 氧化 还 原状 态 的 相反 效应 正 是 作为 Hil-Bendal 光 合作 用 图 式 的 第 一 个 实 蛤 证明。 对 细胞 色素 f 可 以 很 容易 看 到 光 引 起 的 氧化 还 原 变 化 的 光谱 学 证 据 ， 但 是 光 引 起 的 质 体 蓝 素 的 氧化 还 原 变 化 却 比较 难于 探测 ， 这 是 因为 质 体 蓝 素 的 氧化 型 减 还 原型 的 激发 系数 太 低 ,在 597nm 处 大 约 为 10mMT- cm (图 13=4 为 此 值 大 约 只 有 细胞 色素 f wx 带 的 激发 系数 的 一 半 。 因 此 使 活体 内 质 体 蓝 素 氧化 还 原 变 化 的 探测 比 细胞 色素 f 要 困难 得 多 。 - 质 体 蓝 素 是 一 个 酸性 蛋白 ,每 个 分 子 含 两 个 铜 原子 , 质 体 蓝 素 中 的 铜 占 叶绿体 总 含 铜 量 的 50 多 。 这 种 蛋白 质 首 先 在 绿 菠 小 球 藻 中 被 发 现 ， 随 后 在 各 种 植物 包括 蓝 绿 藻 中 也 被 发 现 〈 虽 然 形式 稍 有 不 同 )。 然而 在 某 些 黄 绿 藻 中 显然 是 没有 质 体 蓝 素 的 。 加 入 质 体 蓝 素 能 够 恢复 光 系 统 工 中 部 分 电子 输 运 能 力 的 研究 和 用 突变 种 和 ESR 波谱 的 研究 表明 : ” 质 体 蓝 素 是 作为 P700 进行 原初 反应 的 配偶 。 另 一 种 研究 是 用 比较 温和 的 方 法 把 质 体 蓝 素 从 叶绿体 颗粒 中 洗 脱 , 而 留 下 细胞 色素 ff， BR 。422，。 明细 胞 色素 f 的 功能 和 在 完整 的 叶绿体 中 一 样 迅速 ， 因 而 证 明细 胞 色素 于 是 用 来 作为 P700 的 原初 给 体 。 细胞 色素 上 和 MARAE LER, 两 者 均 可 被 光 系 统 开 还 原 , 并 且 都 能 与 P700 直接 反应 。 但 要 明确 地 解决 这 些 相互 矛盾 的 结果 尚 有 待 进一步 的 研究 。 13.6.1.5 细胞 色素 bss 高 等 植物 的 叶绿体 中 除了 有 细胞 色素 上 外 ， 还 有 细胞 色 F bse30 这 个 色素 由 光 引 起 的 氧化 和 还 原 是 可 以 作为 它 在 563 nm Wo 波段 的 变化 而 加 以 探测 , 并 且 在 适当 条 件 下 可 以 与 SS4nm 上 出 现 的 细胞 色素 上 的 “ 带 相 区 别 。 细胞 色素 ba 的 氧化 还 原 电 位 大 约 是 一 0.06V， 它 可 被 光 系 统 工 还 原 , 并 且 能 调节 光 系 统 工 周 围 的 循环 电子 流 (图 13-5). 即使 来 自 光 系统 工 的 电子 流 被 堵塞 时 (加 入 DCMU; & ba) 13.6.2.2) 或 光 系 统 开 被 破坏 时 ,NADP- 仍然 有 可 能 被 光 系 统 工 还 原 。 在 这 种 情况 下 ,诸如 被 抗坏血酸 还 原 的 2;6- 二 和 氧 mem? (DCIP), 二 氮 基 四 甲 茶 基 (DAD) 或 N- 四 甲 基 -P- 共 二 胺 〈TMPD) 等 电子 给 体 也 能 在 沿 着 光 系 统 工 以 后 的 传输 顺序 的 各 个 点 上 “供给 ”电子 (图 13-5)。 13.6.2 RBM WAT IEA BE I AS KD IRA A VE FF 功能 了 解 的 不 多 ,那么 对 光 系 统 工 的 功能 了 解 的 就 更 少 了 。 人 们 作 了 相当 大 的 努力 去 寻找 一 种 特殊 的 叶绿素 , 它 类 似 P700 在 光 系 统 工 里 的 功能 ， 起 着 反应 中 心 的 作用 。 已 观察 到 在 680nm 附近 有 一 个 可 逆 的 光 诱 导 的 吸收 的 减少 (P680)'™, AI P700 类 似 , 可 能 与 一 个 特殊 的 叶绿素 成 分 的 法 自 ( 氧 化 ) 相 对 应 。 因 为 在 光 系 统 开 浓 集 的 亚 叶绿体 颗粒 中 es。 423 。 > ™ i l= a a ow | a af. 4 s , = iad 及 _ , PAL IA, Abix S4e 1b al AE ok SHAE M1 Rep 心 叶 绿 素 的 功能 。 由 于 给 放 在 — 196°C 下 的 样品 一 个 20 ns 的 红宝石 激光 脉冲 后 680nm， 处 的 吸收 减少 ， 并 且 了 680 HE 恢复 (还 原 ) 与 b 型 细胞 色素 (由 于 它 的 氧化 型 减 还 原型 的 谱 带 中 最 小 值 的 位 置 而 得 名 细胞 色素 bs) 的 氧化 作用 相 耦 联 ;, 所 以 人 们 认为 PB680 的 功能 类 似 于 P7005 ,是 光 系 统 开 的 光合 作用 反应 中 心 。 在 浓 集 了 光 系 统 正 的 亚 叶绿体 颗粒 中 测 量 680nm 附近 吸收 的 变化 特别 困难 ,这 是 因为 叶绿素 a AGS 光 最 大 值 在 这 个 波段 内 ,因此 干扰 了 吸收 变化 的 测量 。 13.6.2.1 Q 和 C550048] 曾 假定 存在 一 个 作为 狂 灭 剂 的 物质 “Q ,并且 是 光 系 统 工 ， 的 原初 电子 受 体 和 ， 即 使 在 液 氮 温度 下 也 能 出 现 的 荧光 强度 的 变化 反映 了 这 个 物质 的 存在 。 当 Q 被 氧化 时 ,荧光 较 低 《被 狂 灭 )， 这 是 因为 由 光 系 统 开 吸收 的 光 被 用 来 还 原 原 初 受 体 ,， 而 不 是 以 玄 光 的 形式 被 浪费 掉 。 而 还 原型 Q 的 积 款 可 使 荧光 增强 ， 因 为 Q 再 也 不 能 从 反应 中 心 接 受 激 发 能 了 。 Q 的 浓度 大 约 是 每 400 个 时 绿 素 分 子 有 一 个 Q 分 子 在 菠菜 叶绿体 中 发 现 . 550nm 处 有 一 个 新 的 可 道 的 光 引 起 的 吸收 率 减 少 另 ， 并 发 现 那 是 由 光 系 统 开 的 激发 产生 的 ， 这 个 变化 与 光 还 原作 用 有 关 ， 在 液 氮 温度 下 (77K) 仍 能 看 到 。 因此 这 个 变化 被 认为 是 由 光 系 统 工 的 原初 受 体 所 产生 的 。 已 经 进行 子 一 些 研 究 以 了 解 Q 和 C550 是 否 都 反映 的 是 同一 化 合 物 的 活性 25。 氧 化 还 原 滴 定 表明 两 种 物质 (Q、C550 ) 具有 同样 的 中 点 电位 和 相同 的 滴定 曲线 。 缺 少 Q 的 藻类 突变 体 同 样 也 缺少 C550°", 最 近 的 结果 认为 , C550 吸收 的 变化 是 由 于 光 诱 导 的 一 个 化 合 物 的 吸收 最 大 值 从 546nm KBB 544nm 所 产生 的 ， 并 非 是 由 氧化 还 原 反 应 引起 的 吸收 变化 所 - 4246 起 站 产生 的 5a。 用 已 烷 提 取 冻 干 的 叶绿体 使 本 应 在 低温 下 看 到 的 C550 吸 收 的 变化 不 见 了 ,而 向 提取 物 中 加 入 8- 胡 梦 卜 素 则 又 恢复 了 这 个 变化 。 在 一 定 的 条 件 下 , C550 吸收 的 变化 是 可 以 被 抑制 的 ,然而 由 光 系 统 工 所 驱动 的 光化学 反应 如 DCIE 的 还 原 仍 能 继续 进行 5)。 根据 这 些 结果 可 以 认为 6550 是 一 个 类 胡 葛 朴素 -蛋白 质 复 合 物 ， 并 不 是 光 系 统 .II 的 真正 的 原初 受 体 ， 它 可 能 是 实际 上 进行 可 逆 的 氧化 还 原 反 应 的 另 一 个 物质 的 “指示 剂 ”% 13.6.2.2 ” 质 体 醋 ， 质 体 配 和 -生育 酚 - 配 及 维生素 K, (GRAB) 都 是 叶绿体 中 最 丰富 的 电子 载体 。 像 脂 一 样 , 这 些 化 合 物 可 溶 于 碳 氧 化 合 物 ,而 不 溶 于 水 。 在 植物 中 某 些 配 以 小 球状 存在 ,这 种 状态 下 的 本 在 光合 作用 中 可 能 是 不 活泼 的 。 大 约 每 40 MRE 分 子 有 一 个 质 体 柄 ， 因 此 质 体 醒 的 浓度 比 Q、 细 胞 色素 下 或 P700 高 10 倍 左右 , 质 体 本 在 光合 作用 中 起 重要 作用 ，, 这 是 由 于 它 显 然 可 做 为 一 个 大 的 电子 库 以 储存 光 系 统 工 氧化 水 所 产 生 的 电子 。 它 的 功能 可 以 用 它 还 原 时 引起 的 254nm 附近 吸收 的 减 小 来 监测 。 这 种 测量 表明 , 质 体 醒 可 被 光 系 统 工 还 原 , 被 ， 光 系 统 工 氧化 。 光 系统 工 氧 化 还 原型 质 体 柄 的 速度 是 比较 慢 的 ,大 约 需 10 天 秒 , 这 与 Emerson 和 Arnold 发 现 的 为 了 得 到 最 大 放 氧 量 闪光 之 间 所 需要 的 暗 时 间 是 一 样 的 ， 由 此 看 来 决 定 光 合作 用 速度 的 反应 似乎 是 质 体 醒 的 氧化 。 除 草 剂 DCMU [(3-3,4-—AM)-1,1-L PRR RAR. 在 A DCMU 存在 时 所 看 到 的 荧光 的 增强 看 来 代表 了 还 原型 Q 的 积累 ,这 说 明 DCMU 在 Q 的 氧化 和 质 体 醒 的 还 原 之 间 的 某 一 (或 某 些 ) 步 又 上 影响 了 电子 的 输 运 。 如 果 把 DCIP 或 铁 氰 化 物 加 到 叶绿体 中 , 它们 可 起 受 体 ° 425 « 作用 而 被 光 系 统 开 的 激发 所 产生 的 电子 还 原 。 这 种 还 原 在 它 的 发 现 者 Robin Hill 死 后 一 直 叫 做 Hill 反应 。 13.6.2.3 7A TBA A MS 2K FB 4 子 。 因 为 吸收 一 个 光量 子 只 产生 一 个 自由 电子 ,因此 必须 把 四 次 光 反 应 的 结果 加 在 一 起 才能 发 生 一 次 放 氧 。 很 早 就 已 知道 ， 给 完全 暗 适 应 的 藻类 一 个 很 短 的 闪光 不 产生 任何 放 氧 。 最 近 Joliot') 和 Kok! 等 人 提供 了 有 关 光 合作 用 放 氧 机 制 的 新 的 重要 的 资料 。 在 他 们 的 实验 中 用 了 非常 灵敏 的 极 谱 技术 ,研究 氧 从 暗 适 应 藻类 里 的 释放 ， 暗 适应 了 的 藻类 用 一 系列 连续 的 其 强度 足以 激发 每 个 反应 中 心 的 短 闪 光 来 照射 。 在 放置 暗中 足够 长 时 间 的 藻 中 ,第 一 个 闪光 不 产生 任何 放 氧 ,第 二 个 闪光 只 产生 很 少量 的 氧 ,而 第 三 个 闪光 产生 氧 的 量 最 多 ,第 四 个 闪 光 产 生 的 放 氧 又 减少 一 些 ( 图 13-6)。 以 后 即 以 这 样 的 顺序 继续 下 去 : 前 两 个 闪光 的 放 氧 产 额 低 ,后 两 个 闪光 给 山 的 产 额 高 。 有 趣 的 是 , 除 第 一 个 放 氧 峰值 是 在 第 三 次 闪光 之 后 ,都 “是 每 四 次 闪光 之 后 出 现 一 个 0; 产 额 最 高 的 峰值 。 因 此 ，Kok ”等 人 提出 了 一 个 模型 ,按照 这 个 模型 ,有 一 个 酶 “S” 接连 不 断 地 累积 来 自 光 系统 I 反 应 中 心 的 四 个 正 电 荷 。 这 个 处 于 完 . 全 氧化 状态 的 酶 〈S+) 氧化 水 而 放出 一 个 氧 分 子 ， 同 时 使 系 统 回 到 失去 正 电 荷 的 状态 (图 13-6 )。 这 个 酶 的 中 间 氧 化 态 st 和 SP 是 不 稳定 的 , 在 黑暗 中 将 衰变 成 稳定 的 S+ 态 。 因 此 ,在 暗 适 应 的 藻类 中 ，, 给 三 次 闪光 氧 的 释放 量 最 大 , 继续 闪 光 , 则 得 到 最 大 氧 的 释放 量 的 周期 数 为 四 。 这 个 周期 就 像 以 四 为 周期 的 阻尼 振荡 一 样 继续 下 去 。 Kok 的 模型 对 解 释放 氧 的 机 制 提供 了 一 个 很 有 用 的 基 础 。 但 我 们 至 今 仍 不 了 解 作为 光 系 统 开 电 荷 累 积 器 的 物质 的 。，426。 生物 化 学 性 质 。 然而 大 家 都 知道 放 氧 系统 是 很 不 稳定 的 ， 50°C 加 热 数 分 钟 , 或 用 Tris 缓冲 液 洗 涤 ,或 用 紫外 线 照 射 ,该 体系 很 快 便 被 破坏 了 。 Cheniae™! 指出 锰 在 氧 的 释放 中 起 重 要 作用 ,每 400 个 叶绿素 分 子 有 六 个 锰 原 子 。 六 个 锰 原 子 中 的 四 个 很 容易 被 提取 出 来 ,而 导致 了 放 氧 量 的 下 降 , 下 降 的 数量 正比 于 这 种 容易 去 除 的 锰 原 子 丢失 的 分 数 。 这 四 个 锰 原 子 与 可 能 有 调节 放 氧 功能 的 蛋白 质 相 结 合 。 如 果 放 氧 系统 被 钝 化 ,如 用 Tris 缓冲 液 洗 涤 或 用 温 热 处 理 ， 那 入 通常 由 水 的 氧化 而 产生 的 电子 可 通过 加 入 其 它 的 化 A ize Ht XA MUNK KBR. ROR, BR 联 苯胺 。 13.6.2.4 $9) & # beso 入 们 已 经 观察 到 细胞 色素 bs 可 以 发 生 由 光 系 统 UN AA 的 低温 氧化 。 细胞 色素 bx 的 氧化 伴随 着 C550 的 还 原 。 但 是 细胞 色素 bs 不 是 光 系统 开 的 原初 电子 给 体 ， 因 为 在 冷冻 前 ,这 个 细胞 色素 可 以 被 化 学 氧化 ,比如 加 入 铁 氰 化 钾 使 它 氧 化 。 然后 在 低温 下 ， 虽 然 细胞 色素 bs 已 被 氧化 ， 仍 可 看 到 C550 发 生变 化 。 用 温和 的 方法 从 菠菜 叶绿体 中 制备 的 基 粒 样品 ( 即 片 层 堆积 ; 参阅 13.8.2) 进行 实验 , 看 到 光 诱 导 的 细胞 色素 bye 的 氧化 是 受 光 系统 I 调节 的 。 这 种 细胞 色素 的 功能 之 一 像 个 安全 阀 的 作用 可 以 调节 围绕 光 系 统 工 的 循环 电子 流 (图 13- 5)。 如 果 由 于 某 种 原因 光合 作用 电子 流 中 断 了 ，, 那么 围绕 光 系统 开 的 循环 电子 流通 过 阻止 由 光 系 统 Ul 形成 的 强 光 氧化 等 效 物 的 积累 而 使 光化学 系统 免 受 损 伤 。 e 427 。 RESTS \ O, 的 产 额 /每 次 闪光 Me 43-16 947) a ge 闪光 数 (m) S0 hv st! hv st2 hv s*3 hv s*4 S0 a H,0 0; 13-6 在 暗 适 应 的 菠菜 叶绿体 中 ， 与 稳 态 产 额 相 比较 ， 每 次 闪光 氧 的 相对 产 额 ( 引 自 参考 文献 60), 13.7 光合 磷酸 化 作用 [2 13.7.1 不 循环 的 和 循环 的 光合 磷酸 化 作用 随 着 NADPH 的 形成 和 ATP 的 产生 , 光 反 应 和 与 光 反 应 偶 联 的 电子 输 运 的 任务 也 就 完成 了 。 为 了 使 二 氧化 碳 进 行 还 原 反 应 以 形成 碳水 化 合 物 ,需要 NADPH 和 ATP。 我 们 已 经 看 到 电子 输 运 的 最 终结 果 是 如 何 形 成 NADPH 的 ,但 是 这 个 传递 过 程 还 产生 了 ATP. ATP 的 形成 与 电子 向 NADP 的 单 向 输 运 的 偶 联 叫 做 “不 循环 的 ”光合 磷酸 化 。 另外 , 大 们 也 看 到 , 当 把 腺 苷 二 磷酸 和 无 机 磷酸 盐 (Pi) 加 和 人 含有 叶绿体 或 色素 细胞 的 反应 混合 物 中 时 ，ATP 是 光照 生成 的 唯一 产 物 。 这 个 过 程 叫 做 "循环 的 光合 磷酸 化 。 + 428 。 磷酸 化 的 亮 阶段 和 暗 阶 段 可 以 分 开 ' 驴 。 先 用 光照 射 叶 绿 体 ,然后 把 叶绿体 放 人 保存 于 暗 处 的 含有 ADP、Pi 和 Mgt+ 的 。 溢 液 中 ,这 样 仍 可 能 有 些 ATP 形成 。 这 类 实验 说 明 ,光照 之 下 形成 了 某 些 物质 ， 其 寿命 有 几 秒 钟 ， 正 是 这 些 物质 导致 了 ATP WHER. 13.7.2” 融 能 中 间 产 物 和 化 学 渗透 假说 “ 有 两 种 观点 去 解释 循环 的 和 非 循环 的 电子 流出 现时 ATP 高 能 磷酸 键 中 的 能 量 守恒 问题 。 一 种 观点 认为 , 在 电子 流动 过 程 中 形成 了 某 种 假设 物质 的 “高 能 态 *。 这 种 假设 物质 进行 着 氧化 和 还 原 两 种 反应 ， 同 时 进行 着 水 化 和 脱水 两 种 反应 。 到 目前 为 止 这 个 概念 一 直 不 很 成 功 ， 因 为 始终 没有 找到 一 种 化 合 物 能 起 这 种 双重 作用 。 Mitchell 提出 了 一 种 “化 学 渗透 ”假说 吃 电 ， 这 个 假说 认 为 ; 由 于 光 反 应 和 电子 输 运 的 结果 在 光合 作用 膜 READ 两边 产生 的 电化 学 电位 引起 了 Ht+ 从 膜 外 向 膜 内 的 运动 。 类 事 体 膜 内 侧 较 高 的 氢 离 子 浓度 有 利于 ADP 和 Pi 的 酶 促 脱水 以 形成 ATP 和 水 。 用 这 个 化 学 渗透 假说 可 以 解释 磷酸 化 作用 亮 阶段 和 暗 阶 段 ， 因 为 光 反 应 在 膜 内 逆 着 热力 学 梯度 产生 较 高 的 氢 离 子 浓度 。 在 暗 处 ,这 些 H+ 将 会 溢出 膜 外 ,溢出 时 通 过 偶 联 过 程 生成 ATP。 许 多 其 它 的 实验 结果 都 支持 了 Mitchell 的 假设 ,例如 入 们 都 知道 ,为 了 形成 ATP， 必须 有 一 个 使 内 部 空间 和 外 部 空间 隔 开 的 膜 ,只 有 这 样 才能 得 到 离子 浓度 差 ， 由 于 这 种 离子 的 输 运 产生 的 水 的 运动 将 引起 叶绿体 体积 的 改 变 。 而 这 个 改变 可 以 通过 光 散 射 的 明显 改变 探测 出 来 。 很 有 趣 的 是 , 光照 的 叶绿体 引起 它 周 围 介质 的 pH 值 的 升 高 ,这 大 概 是 由 于 光照 的 叶绿体 摄取 Ht 的 缘故 。 这 个 Ht 的 消失 是 可 逆 的 ,当时 绿 体 被 放 于 暗 处 时 ，pEH 又 降低 了 (CH+ 从 叶绿体 ° 429 « 中 跑 出 来 了 )。 更 有 趣 和 对 Mitchel 假说 支持 更 有 力 的 是 一 些 这 样 的 实验 @ 和 ,这 些 实验 表明 :， 在 黑暗 中 把 叶绿体 浸 浙 在 pH 4 的 介质 中 可 以 代替 光 的 作用 ,因为 这 样 处 理 也 可 以 使 叶绿体 内 部 的 H+ 浓度 增加 。 在 ADP 和 Pi 存在 时 ,如果 把 pH 值 提高 到 8 左右 ,可 产生 ATP。 ims 图 13-7 表示 人 们 所 认为 的 按照 化 学 渗透 假说 发 生 的 各 个 事件 的 顺序 。 水 分 解 系统 处 在 类 圳 体 的 内 表面 上 , HAR I 从 水 中 每 取出 一 个 电子 就 放出 一 个 质子 。Q(C550) 被 光 系 统 开 还 原 最 终 导 致 质 休 柄 的 还 原 。 为 了 还 原 质 体 配 》 需 要 加 上 一 个 从 膜 外 摄取 的 质子 ， 而 质 体 柄 的 氧化 只 要 通过 电子 伟 递 反应 取 走 一 个 电子 就 能 实现 。 质 体 柄 释放 的 质子 优先 扩散 到 膜 的 内 部 。 当 两 个 Ht+ 在 膜 内 表面 上 与 ADP 和 无 机 磷 脱 水 生成 ATP 时 形成 的 等 效 OF (可 能 和 酶 结合 的 分 结合 时 就 形 成 了 ATP, ADP 和 无 机 磷 的 脱水 作用 是 由 一 个 ATP 酶 调节 的 。 在 形成 0-: 的 同时 还 释放 出 两 个 Ht+, 这 两 个 Ht+ 被 排 到 膜 的 外 部 空间 。 O77 的 极 性 向 膜 内 而 两 个 Ht 的 极 人 性 向 膜 外 完全 是 化 学 次 透 假 说 任意 假定 的 。 Mitchell 的 看 法 解释 了 电子 传 递 似乎 是 与 磷酸 化 作用 相 偶 联 的 实验 观察 ,所谓 偶 联 是 指 磷酸 化 作用 中 电子 的 传递 速 率 受 ATP 的 形成 速率 控制 。 如 果 磷 酸化 作用 是 “ 解 偶 联 的 ”, 那么 电子 输 运 就 能 以 更 快 的 速率 进行 。 使 磷酸 化 与 电子 输 运 解 联 有 点 像 把 负载 从 发 动机 上 御 掉 ， 从 而 使 它 转 动 的 更 自由 。 许多 不 同类 型 的 物质 都 可 以 起 解 联 剂 的 作用 。 而 所 有 这 些 物 质 的 解 联 效率 看 来 取 决 于 它们 消除 膜 两 边 所 产生 的 电化 学 电位 的 能 力 。 氨 或 一 个 氨基 (如 甲 胺 ) 之 所 以 有 解 联 作用 ,显然 是 由 于 这 些 化 合 物 能 够 自由 地 扩散 通过 膜 并 与 类 襄 体内 部 空间 的 HB+ 结合 形成 NH+ 或 氨 的 阳离子 。 。430 。 有 三 些 类 似 抗菌 素 的 化 合 物 , 叫 做 离子 载体 ,它们 起 着 转 移 离子 的 作用 。 最近 做 了 许多 关于 这 些 物 质 对 与 ATP 形成 有 关 的 离子 运动 和 膜 电位 的 影响 的 研究 ru7a。 尼日利亚 抗菌 素 能 将 H+ 换 成 K+ 或 其 它 碱 金属 离子 , 反 之 亦 然 ， 因 此 它 只 影响 磷酸 化 作用 而 不 减少 由 于 内 外 空间 的 离子 浓度 不 等 而 在 膜 两 边 建立 的 电荷 。 另 一 种 抗菌 素 短 杆菌 肽 显然 是 在 膜 上 打 “ 和 孔 ”, 从 而 使 膜 内 外 的 H+ 可 以 自由 扩散 ， 于 是 扰乱 了 膜 两 边 的 电荷 以 及 磷酸 化 作用 。 腿 氮 霉 素 使 膜 能 透 过 K+ 或 NHY 离子 ,而 不 能 透 过 H+, 于 是 膜 电位 或 是 形成 ， 或 是 消失 ,这 将 依赖 于 电子 流 的 方向 。 虽然 本 节 强 调 了 _ Mitchell 的 假说 ， 但 是 还 有 一 些 别 的 观 外 空间 ¥% NADPH | 图 13-7 根据 Mitchell 的 化 学 盗 透 假说 来 解释 光合 作用 膜 中 电子 的 传递 是 如 何 与 质子 的 摄取 和 磷酸 化 作用 相 联系 的 模型 ( 详 见 正文 )。 。431 。 点 解释 离子 输 运 与 电子 流 和 光合 磷酸 化 的 关系 ;它们 由 Dilley 做 了 评述 "ma。 13.7.3 ”色素 的 电化 学 变化 和 吸收 位 移 .迄今 为 止 讨论 过 的 光 诱导 的 吸收 变化 ， 可 能 除 C550 外 ， 都 是 由 反应 中 心 叶绿素 分 子 P700 或 P680 的 氧化 还 原 反应 或 是 由 像 细胞 色素 、 质 体 蓝 素 、 质 体 配 等 氧化 还 原 载体 所 产生 的 。 但 是 ,还 存在 着 另外 一 些 光合 作用 色素 吸收 的 变化 ,这些 吸收 的 变化 与 氧化 还 原 变化 无 关 ， 但 是 却 与 光合 膜 的 能 量 状 态 有 关 。 一 般 认 为 由 于 过 量 的 .H+ 或 其 它 离子 的 累积 在 膜 两 边 形 成 了 电位 ， 这 个 电位 看 来 使 大 多 数 叶绿素 和 类 胡 过 仆 素 的 吸 收 最 大 值 产生 光 诱 导 的 位 移 。 通 常 所 看 到 的 是 吸收 最 大 值 向 长 波 方向 有 一 个 小 的 位 移 ， 而 在 瞳 处 吸收 最 大 又 回 到 原来 的 位 置 。 例如 , 具有 彼此 分 开 约 30nm 的 三 个 峰值 的 类 胡萝卜 素 的 吸收 光谱 向 长 波 的 位 移 将 产生 一 个 特征 的 差异 光谱 ， 此 差异 光谱 具有 三 个 负 峰 和 三 个 正 峰 ， 每 个 峰值 相差 约 30nm。 在 许多 光合 作用 生物 中 都 观察 到 了 与 这 些 特征 很 类 似 的 差异 光谱 。 在 某 些 光合 细菌 和 高 等 植物 中 , 这 种 差异 光谱 看 得 特 别 清楚 (AL 13-8)。 光照 时 ， 大 多 数 叶绿素 和 类 胡 梦 卜 素 看 来 都 表现 出 光 诱导 的 吸收 最 大 值 的 位 移 。 在 绿 藻 和 高 等 村 物 中 , 在 510 一 518nam 区 间 可 以 看 到 较 大 的 光 诱 导 的 吸收 增 加 ,这 个 吸收 的 增加 与 475am 附近 的 负 峰 是 动力 学 上 相关 的 (图 13-8B)。 特 别 在 最 近 几 年 ,这 个 吸收 的 变化 一 直 是 许多 研 究 工作 的 课题 。 它 显然 是 由 类 胡 梦 卜 素 和 叶绿素 b 的 吸收 位 移 所 产生 的 ,而 且 显然 发 生 在 20 ns 内 。 人 们 认为 5a, 光 产生 了 一 个 横 跨 类 砷 休 膜 的 电场 ， 这 个 电场 引起 了 大 多 数 叶绿素 和 类 胡 葛 卜 素 吸收 峰 位 置 的 电 色谱 位 移 。 在 连续 光照 的 情 。432 。 2 5I4 40.5 4A 481 400 450 500 550 600 650 700 BK (om) 13-8 A. SBE (Iridaea) PRA HY HER SR We 9 LO; B. 红 光 化 光 在 绿 藻 中 产生 的 光 诱 导 吸 收 的 变化 9。 在 420nm、 555nm 处 的 极 小 值 是 由 细胞 色素 f 所 产生 的 。 其 他 峰值 可 能 是 由 FI SHAS bE a 和 的 吸收 位 移 所 产生 的 。 况 下 ， 这 些 位 移 能 够 持续 存在 并 表现 出 复杂 的 动力 学 ， 它 们 可 能 是 在 产生 了 膜 电 位 的 基础 上 由 两 个 光 反 应 的 相互 作用 造 成 的 。 人 们 一 直 有 一 种 看 法 "9, 认为 515nm 吸收 位 移 是 光合 磷酸 化 驱动 力 的 指示 剂 。 ，433。， F OA S/o ori 1 aE wa 和 4 13.8 JtGvEROswAwR! 13.8. 1 叶绿体 除 光 合作 用 细菌 和 蓝 绿 藻 外 ， 高 等 植物 和 其 它 葆 类 都 有 它们 的 光合 作用 器 官 ， 这 种 光合 作用 器 官位 于 叫做 叶绿体 的 一 定 的 结构 之 中 。 由 于 植物 的 种 属 不 同 , 叶绿体 的 形状 也 是 各 式 各 样 。 其 形状 从 小 球 菠 中 的 杯 状 结构 ， 到 水 绵 〈Spz 太 gyra) 中 的 螺旋 体 或 其 它 藻 类 中 的 星 状 体 结构 。 BERET RK 是 半径 约 5 一 7pm 的 扁平 球 。 叶绿体 被 连续 的 双 层 膜 所 包围 ， 外 层 膜 与 内 质 网 iit 显然 双 层 膜 的 内 层 是 不 与 细胞 的 其 它 膜 相连 的 ， 但 是 被 叶 绿 体内 形成 的 大 量 片 层 系统 所 缠绕 。 这 个 双 层 膜 起 着 一 个 对 进 出 叶绿体 的 代谢 物质 进行 选择 的 屏障 的 作用 。 13.8.2 ” 片 层 、 基 粒 和 基质 复杂 的 片 层 结构 排列 (或 类 襄 体 ) 是 高 等 植物 叶绿体 的 一 个 特殊 的 内 在 特征 。 片 层 之 间 经 常 是 彼此 紧密 相 县 而 形成 基 粒 , RB. 片 层 的 一 部 分 可 以 从 基 粒 堆 中 延伸 到 周转 空间 , 称 为 基质 。 它 是 由 类 蛋白 质 的 间 质 所 组 成 。 光 反 应 和 偶 联 的 电子 输 运 均 处 于 片 层 和 基 粒 的 结构 中 。 光 反应 的 产物 ATP, NADPH 从 这 些 构造 中 扩散 到 有 固定 CO, 的 酶 存在 的 基质 中 。 具有 或 失去 周围 双 层 膜 的 叶绿体 均 能 制备 。 具 有 完整 周 围 膜 的 第 一 类 叶绿体 保留 了 它们 的 可 溶性 的 基质 成 分 ， 而 能 以 很 高 的 速率 固定 CO。 但 是 失去 周围 膜 的 第 二 类 叶绿体 由 于 其 基质 中 丢失 了 可 溶性 的 成 分 , 若 要 固定 CO, 必须 重新 加 和 这些 失 去 的 成 分 。 。434 。 fd we , PA be ee al ee = wo > Pe et Se ” a Sa | eT. eae 4 , Ye -AT 6 站 的 了 基质 还 含有 与 叶绿体 的 调节 和 复制 有 关 的 核糖 体 和 DNA, 在 基质 区 域 往往 还 看 到 一 些 淀粉 颗粒 , 它们 是 含有 杀 脂性 叶绿体 柄 如 质 体 柄 、 维 生 素 卫 : Ro- 生育 酚 或 w -生育 配 的 小 球 。 这 些小 球 在 光合 作用 中 不 起 直接 的 作用 ， 但 可 作为 这 些 物质 的 储存 库 。 | 因为 几乎 在 所 有 的 高 等 植物 叶绿体 中 均 发 现 了 基 粒 堆 ， 因此 它们 很 可 能 在 光合 作用 中 起 着 某 些 重要 的 作用 。 但 是 我 们 现在 仍然 不 知 是 什么 导致 了 基 粒 堆 的 形成 ， 以 及 为 什么 缺 乏 基 粒 的 叶绿体 具有 在 含有 基 粒 的 叶绿体 中 迄今 所 测 到 的 全 部 光化学 活性 。 例 如 红 营 , 它 没有 基 粒 堆 , 只 有 未 堆砌 的 片 层 遍布 于 叶绿体 ,但 它 能 进行 完全 的 光合 作用 ,包括 放 氧 .比较 光 化 学 活性 的 研究 表明 ， 光 系统 I 在 叶绿体 片 层 的 发 育 中 出 现 的 较 早 ,而 光 系 统 工 活性 的 出 现 似乎 与 较 晚 形成 的 基 粒 有 关 。 高 等 植物 如 菠菜 叶绿体 的 基 粒 和 基质 片 层 可 通过 机 械 破 碎 叶 绿 体 而 将 其 彼此 分 开 。 差 速 离心 可 给 出 几乎 只 含有 纯 基 粒 的 密度 大 的 部 分 和 由 基 粒 间 片 层 ( 基 质 片 层 ) 所 组 成 的 密度 较 小 的 部 分 。 基 粒 间 的 片 层 有 较 高 的 叶绿素 a 与 叶绿素 b 的 比率 (大 约 5 一 6),， 有 很 低 的 荧光 和 高 浓度 的 P700， 这 部 分 不 能 放 氧 或 显示 与 光 系 统 LAKME ERM. 与 只 含 光 系统 工 的 密度 较 小 的 基 粒 间 片 层 不 同 ， 密 度 较 大 的 基 粒 部 分 似乎 既 含 光 系 统 | 又 含 光 系 统 Wo 这 部 分 有 较 低 的 叶绿素 a 与 叶绿素 b 比率 〈2.5),， 具有 较 强 的 获 光 , 能 氧 , 并 含有 细胞 色素 bs 和 P680, 13.8.3 ” 基 粒 叶绿体 和 非 基 粒 叶绿体 为 了 固定 CO, 而 具有 所 谓 C4- 二 次 酸 途径 的 其 些 植物 省 不 同类 型 的 叶绿体 。 这 是 由 于 它们 在 植物 体 中 的 部 位 不 同 而 决定 的 。 在 c4 植 物 如 玉米 的 叶子 中 ; 脉 管束 周围 的 细胞 几乎 © 435° 不 含 基 粒 而 只 含 基质 片 层 ， 而 在 叶肉 部 分 的 叶绿体 却 含有 丰 富 的 基 粒 和 基质 请 层 。 最 初 人 们 曾 认 为 ,从 脉 管束 得 到 不 含 任何 基 粒 的 叶绿体 将 没有 光 系 统 开 的 活性 ， 照 此 可 类 推 菠菜 的 基 粒 间 片 层 也 没有 光 系 统 开 的 活性 ,同时 人 们 还 认为 ,玉米 的 叶肉 叶绿体 既 含 光 系统 I 又 含 光 系统 Wo 现在 大 量 证 据 表 明 ,， 无 基 粒 维 管束 叶鞘 叶绿体 的 确 具 有 很 高 的 光 系 统 工 的 活 性 ,缺乏 一 些 光 系统 II, 可 能 只 有 在 叶肉 叶绿体 中 看 到 的 光 系 统 开 活性 的 40 多 。 这 些 结果 说 明 在 基 粒 堆积 程度 与 光 系 统 I 的 活性 水 平 之 间 不 能 直接 联系 起 来 。 目前 大 量 的 工作 是 致力 于 叶绿体 结构 与 功能 的 研究 。 这 些 研究 除了 采用 光学 显微镜 和 电子 显微镜 外 ， 还 采用 了 侦 振 显微镜 、X 光 衍射 去 拍 剂 或 声波 或 压 敏 元 件 等 物理 方法 来 破 碎 时 绿 体 , 以 及 大 分 子 的 定位 标记 ,免疫 化 学 等 技术 。 13.9 二氧化碳 的 固定 13.9.1 Calvin-Benson 循环 或 C3 碳 循环 29 CO, 的 固定 需要 由 光合 作用 的 光 反 应 生成 的 ATP 和 NADPH， 同 时 还 要 通过 一 系列 的 暗 反应 。 一 般 说 来 , CO; 的 固定 有 两 种 主要 型 式 一 一 C3 和 C4 途径 。 C3 途径 也 叫 Calvin-Benson 循环 ， 是 以 发 现 者 命名 的 。 Melvin Calvin 曾 于 1961 年 因 阐 明了 光合 作用 中 碳 的 途径 而 获得 诺 贝 尔 化 学 奖金 。 C3 途径 的 基本 反应 是 CO; 加 成 到 5- 碳 糖 核 酮 糖 二 磷酸 盐 上 (RuDP) 而 形成 两 个 磷酸 甘油 酸 (PGA) 分 子 。 与 ATP 同时 的 NADPH 的 还 原 能 力 被 用 来 把 磷酸 甘油 酸 (PGA) 中 的 酸 基 变 成 3- 碳 糖 磷酸 甘油 醋 〈 磷 酸 丙 糖 ) 中 的 醛 基 。 随 着 3- 碳 糖 的 形成 使 光合 作用 的 能 量 储 存 了 起 来 。 Calvin-Benson 循环 的 另外 几 步 是 通过 一 系列 涉及 。436 。 3-、4-、5-、.6-\7- 碳 糖 磷酸 盐 的 复杂 反应 重新 产生 出 CO; 的 最 初 受 体 (RuDP)。 虽 然 ,光合 作用 的 最 终 产 物 是 糖 和 碳水 化 合 物 ,但 是 也 形成 了 其 它 化 合 物 。 例 如 脂肪 、 脂 肪 酸 、 氮 基 酸 ,有 机 酸 也 是 在 光合 作用 co; 的 固定 中 被 合成 的 。 这 些 物质 的 形 成 似乎 部 分 受 环境 因素 如 光 强 度 、CO, FO, 浓度 的 控制 。 搞 清楚 这 些 因素 怎样 相互 作用 ， 就 有 可 能 控制 生长 条 件 以 培养 出 具有 理想 的 糖 、 脂 肪 或 蛋白 质 含量 的 植物 。 13.9.2. C4 循环 色 '3 广泛 散布 于 植物 界 的 许多 植物 都 能 在 严 热 而 干旱 的 环境 中 草 壮 成 长 。 在 这 些 植物 中 CO, 的 初始 固定 不 是 通过 像 在 Calvin-Benson 循环 里 那样 与 RuDP 的 缩合 作用 ， 而 是 通过 一 个 叫做 C4 循环 的 中 间 循 环 。 在 C4 循环 中 CO, 首先 与 一 个 3- 碳 酸 即 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 〈(PEP) 结合 形成 两 个 4- 碳 酸 - 莘 果 酸 和 天 门 冬 氮 酸 (图 13-9)。 进行 这 些 反应 要 经 过 中 间 产 物 4- 碳 的 草 酰 乙酸 ;并 且 要 由 PEP 羧 化 酶 来 催化 。 4- 碳 酸 苹果 酸 和 天 门 冬 氮 酸 只 有 当 它 们 脱 掉 羧 基 ( 失 去 以 前 固定 的 CO;) 生成 3- 碳 丙酮 酸 时 ， 才 能 转化 成 糖 。 通过 与 光合 作用 形成 的 ATP 进行 反应 ,丙酮 酸 又 转变 成 PEP, PEP 可 再 次 接受 一 4*CO, 分子。 这 个 循环 主要 完成 的 是 从 植物 体外 部 吸收 CO; 并 把 它 释 放 到 植物 体内 部 。 一 且 进 入 植物 体内 部 ,释放 的 CO, 就 按 通常 的 方式 通过 Calvin-Benson 循环 与 RuDP 反应 。 这 个 循环 可 能 看 起 来 对 植物 用 处 不 大 ， 特 别 是 考虑 到 必须 用 额外 的 ATP 来 开动 这 个 Co; FR”. KA C3 循环 的 植物 需要 3 个 ATP 和 2 个 NADPH 分 子 , 而 C4 植物 需要 4 FOTN ATP 和 2 个 分 子 的 NADPH, 正如 13.8.3 所 述 ，C4 植物 具 有 特征 的 解剖 学 构造 和 两 种 类 型 相当 不 同 的 叶绿体 。 在 这 些 植物 中 , 脉 管束 被 一 些 含 有 叶绿体 的 束 鞘 细胞 所 紧 紧 包围 着 ， 。 437。 我 们 能 够 把 束 靖 细胞 从 它们 外 围 的 叶肉 细胞 里 区 别 出 来 (图 13-9), C4 植物 的 CO, 泵 似乎 位 于 叶肉 细胞 中 ,其 功能 是 有 效 地 “捕获 从 叶子 表皮 的 呼吸 孔 扩 散 进来 的 Co 这样 捕 获 的 CO; 然 后 被 释放 到 束 鞘 细胞 内 ,在 那儿 通过 Calvin-Benson 循环 而 被 固定 。Co, 和 泵 能 有 效 地 使 叶肉 细胞 内 的 游离 CO, 维持 在 较 低 的 浓度 从 而 使 CO, 能 从 以 300ppm (0.03%) 左右 的 浓度 存在 的 大 气 扩散 进入 叶子 内 部 ， 即 使 气孔 可 能 是 几乎 关闭 的 情况 也 能 这 样 。 植 物 即 使 在 气孔 部 分 关闭 的 情况 下 也 可 获得 CO， 的 能 力 意味 着 损失 的 水 分 少 ， 这 对 植物 在 干 热气 候 下 的 活 存 是 一 个 很 重要 的 条 件 。 因 此 植物 消耗 额外 的 ATP 去 开动 CO， 泵 看 来 是 值得 的 , 因为 这 能 使 植物 收集 足够 的 CO, 而 又 在 过 程 中 不 损失 大 量 的 水 。 总 之 ,这 个 额外 的 ATP RAD BUI 环 的 光合 磷酸 化 作用 而 得 到 ， 因 为 生活 在 干旱 地 区 的 植物 往 往 能 得 到 充足 的 阳光 。 C4 植物 能 在 于 旱地 区 生长 并 进行 光合 作用 的 能 力 对 这 些 地 区 的 农业 生产 具有 重要 的 实际 意义 。 直到 今天 , 农业 方 面 所 做 的 大 多 数 努 力 在 于 发 展 适应 气候 温和 地 区 的 粮食 作 物 。 将 来 , 无 疑 更 多 的 努力 将 是 致力 于 发 展 能 适应 地 球 上 最 广阔 的 王 旱 地 区 的 粮食 作物 。 在 这 方面 具有 Ct 途径 的 植物 可 能 会 起 重要 的 作用 62。 13.10， 作 为 能 源 的 光合 作用 目前 人 们 对 利用 光合 作用 转化 的 光 能 作为 扩大 我 们 能 源 的 一 种 途径 的 可 能 性 具有 极 大 的 兴趣 。 例如 ,有 可 能 利用 被 jet Anos hile ae 燃料 一 一 氢气 。 © 438 。 束 - 攻 细胞 CO, RuDP- Calvin 循环 图 13-? 在 具有 C4 光合 作用 的 植物 中 CO, 的 固定 途径 。 PEP 代表 磷酸 烯 醇 两 酮 酸 ，OAA 代表 草 酰 乙酸 ，PGA 代表 磷 酸 甘 油 酸 。RuDP 代表 核 酮 糖 二 磷酸 盐 。 Be 厌 氧 的 紫色 光合 作用 细菌 不 释放 氧 ， 并 且 由 于 它们 不 能 氧化 水 ， 因 此 为 了 新 陈 代谢 的 需要 它们 必须 依赖 于 各 色 各 样 的 有 机 物 和 无 机 物 。 光合 作用 产生 氧气 需要 用 有 机 《或 无 机 六 的 电子 给 体 及 一 定量 的 氮 基 酸 或 适量 NHS) 供给 适当 的 细 汞 ， 并 且 这 些 细 萎 是 处 在 一 种 与 细胞 生物 合成 需要 有 关 的 能 量 转化 活性 很 高 的 状态 。 在 这 些 条 件 下 , 细菌 通过 与 能 量 有 关 的 方式 自我 调节 而 产生 H 当然 ,任何 一 种 依赖 细菌 生产 A, 的 庞大 系统 还 将 需要 大 量 廉价 和 容易 得 到 的 电子 给 体 。 这 个 要 求 可 能 大 大 限制 了 这 类 系统 在 经 济 上 的 现实 HE 当然 ,最 容易 利用 的 电子 给 体 是 水 ,但 是 只 有 高 等 植物 和 9 439 ¢ 茸 类 能 够 用 它们 的 两 个 色素 系统 从 水 中 提取 电子 。 我 们 已 经 看 到 ,; 光 系统 工 可 以 还 原 其 氧化 还 原 电 位 低 于 一 0.7V 的 化 合 物 《13.6.1)。 由 于 在 pH 7 的 生理 条 件 下 氧 电极 的 Bo 大 约 是 一 0.42V， 因 此 有 足够 的 电位 来 产生 分 子 氨 。 但 是 藻类 一 般 不 用 光 系 统 工 产生 的 还 原 剂 生产 所 ,除非 这 些 藻类 是 适 氢 的 。 要 达到 氧 适应 必须 把 藻类 如 小 球 藻 在 氮气 或 氢气 的 条 件 下 放 在 瞳 处 10 一 12 h。 经 过 适当 的 适应 条 件 后 ， 在 大 量 不 同色 素 Wee, ia HAZ BA ee RARE, ea lg 到 H 的 产生 。 藻类 里 的 适应 过 程 明显 地 激活 了 一 神气 化 酶 ， 但 是 如 果 有 和 氧 存 在 时 ,这 个 酶 则 被 钝 化 。 光 产生 氢 只 受 光 系统 工 调节 ， MERARE P tA TU 的 放 氧 系统 是 不 起 作用 的 。 产生 H, 的 底 物 可 能 是 厌 氧 代 谢 的 一 种 产物 , 它们 在 适应 过 程 中 以 很 慢 的 速率 积累 在 藻类 细胞 中 。 产 生 氢 的 底 物 的 这 种 缓慢 形 成 可 能 是 放 氢 速率 低 的 原因 ， 放 氢 的 速率 通常 只 有 光合 作用 放 氧 最 大 速率 的 10 多 去 右 。 为 了 利用 菠 类 氧化 水 ,释放 O, 并 同时 产生 H; 的 能 力 , 需 要 对 光合 作用 机 器 作 相 当 大 的 改装 。 利 用 某 种 在 它们 的 休止 细胞 (或 异形 细胞 ) 中 国定 所 的 蓝 绿 藻 已 经 实现 了 两 个 不 相 容 反应 的 分 离 。 这 些 特殊 的 细胞 借助 于 其 异形 细胞 中 很 高 的 呼 吸 效率 可 迅速 将 0; 排除 , 从 而 从 物理 上 保护 了 氮 还 原 酶 不 受 O, 的 破坏 作用 。 也 许 有 可 能 从 活 细胞 中 分 离 出 各 种 光合 作用 的 亚 系统 ， 如 光化学 反应 中 心 \ 放 氧 系统 和 放 氨 系统 ,并 可 能 在 体外 应 用 这 些 系统 。 Blin, 也 许可 以 在 适当 的 支持 物 上 吸收 这 些 光 侣 作用 成 分 ， 从 而 使 得 一 个 系统 的 产物 间 近 得 足以 被 下 一 个 酶 系统 所 用 ,如 此 等 等 ,直到 将 所 要 的 产物 取出 而 只 留 下 完整 的 吸收 体系 。 为 避免 氢化 酶 被 氧 钝 化 ,可 以 用 一 张大 开 膜 ,在 它 ; 440 。 aT ras Pe 必 的 两 边 把 产生 O: 的 反应 与 产生 ARMA. HARA 型 密闭 系统 实现 这 种 分 离 ， 但 是 现在 我 们 在 分 离 光 合作 用 系 统 的 成 分 方面 的 知识 仍然 是 很 肤浅 的 。 通过 把 时 绿 体 产 生 的 还 原 能 力 与 藻类 或 细菌 的 氢化 酶 相 结合 的 办 法 已 经 证 明 能 够 实验 室 规 模 生产 氧气 ,然而 ;这 个 体 系 存 在 的 问题 仍然 是 9; 的 产生 将 钝 化 氧化 酶 系统 ,解决 这 个 问题 的 办 法 可 以 是 把 O. 从 反应 混合 物 中 除去 ,例如 加 葡萄 糖 和 葡萄 糖 氧化 酶 。 和 但 是 很 不 幸 , 这 些 混合 体系 的 于 的 产 额 低 得 令 人 失望 一 一 只 有 正常 光合 作用 平均 速率 的 百 分 之 几 。 并 且 这 些 体系 既 极 不 稳定 又 相当 昂贵 。 AAR 10% 的 农业 产品 是 用 于 食物 ， 农 业 和 林业 的 “BR 产物 却 具 有 十 分 巨大 的 潜在 能 量 。 RRNA. A. 末 、 本 局 、 纸 以 及 破 桌子 都 含有 从 光合 作用 过 程 中 得 到 的 能 量 。 木 导 通 过 热 解 可 以 转化 成 木器 和 大 量 有 用 的 碳 氢 化合 物 。 植 物 材 料 可 以 发 酵 成 为 甲醇 ,转化 成 木 乙 醇 , 或 者 充分 燃 烧 而 释放 出 它 的 能 量 。 有 大 提出 22， 由 甘蔗 或 甜菜 光合 作用 产生 的 糖 (及 纤维 A) 可 以 经 济 地 几乎 毫 无 能 量 损失 地 转化 成 乙醇 。 在 汽油 中 可 以 加 进 己 醇 来 减少 对 石油 的 需求 量 。 直 接地 而 不 是 间接 地 从 植物 得 到 和 碳 氨 化 合 物 , 例 如 把 碳水 化 物 转 化 成 乙醇 ,这 在 经 蘑 主 也 是 可 行 的 。 RRM (Hevea) 可 以 作为 光合 作用 产生 夏 所 化合物 的 直接 来 源 ， 这 种 碳 氧 化合物 可 以 取代 目前 用 于 化 工 原料 的 石油 和 许多 合成 反应 的 初始 原料 。 总 而 言 之 ， 光 合作 用 储存 的 能 量 和 得 到 的 有 机 物质 是 大 BW. 许多 经 济 上 的 障碍 妨害 了 这 个 巨大 潜力 的 利用 ， 希望 能 克服 这 些 问 题 ， 继 续 在 对 光合 作用 过 程 的 基本 规律 加 深 本 解 方面 进行 研究 ， 必 将 有 助 于 我 们 开发 这 个 取 之 不 尽 的 能 源 。 2441+ Ce ee CO : ie Ta, - ease TS 7 初 看 起 来 似乎 对 光合 作用 已 进行 了 相当 广泛 而 次 大 的 研 究 ， 以致 再 也 没有 什么 可 做 了 。 但 是 如 果 和 仔细 看 一 下 它 所 包 括 的 任何 一 个 课题 ， 就 会 发 现 有 许多 著名 的 结果 都 有 待 进 一 步 研 究 。 我 们 需要 更 多 地 了 解 关于 光化学 反应 中 心 的 细节 是 什 公使 得 我 们 叫做 P700 或 P680 的 特殊 叶绿素 起 着 光 系 统 工 和 光 系 统 T 的 光化学 陷阱 的 功能 ? 我 们 已 经 谈 过 ; 用 有 机 溶剂 荃 取 植 物 材 料 得 到 的 只 是 叶绿素 a. 但 是 在 活 的 植物 体 中 , 叶 绿 素 的 吸收 光谱 是 很 复杂 的 ， 这 说 明 叶 绿 素 在 光合 作用 膜 中 是 与 其 它 物质 如 蛋白 质 、 脂 类 相 结 合 的 。 因 此 ,我 们 需要 对 支 持 那些 彼此 反应 的 色素 和 酶 的 膜 系统 的 物理 化 学 性 质 进 行 更 次 人 的 了 解 ， 膜 的 这 种 高 度 有 序 的 结构 对 进行 光合 作用 征 极 重要 的 条 件 。 我 们 需要 更 多 地 了 解 反应 中 心里 的 各 个 成 分 是 如 何 能 名 如 此 高 效率 地 实现 光量 子 的 原初 转化 的 。 3 目前 ,我 们 对 每 个 光 系 统 的 原初 受 体 所 知 甚 少 s WE ARR, 我 们 知道 在 ,430nam 附近 所 观察 到 的 吸收 变化 可 能 反 映 了 原初 受 体 氧化 还 原状 态 的 变化 。 电子 自 旋 共振 研究 表 明 ， 这 个 原初 受 体 可 能 是 一 种 结合 的 铁 氧 还 蛋白 。 我 们 需要 对 这 个 物质 进行 更 多 的 研究 ， 才 能 彻底 了 解 它 是 怎样 与 光 化 学 反应 中 心 协 同 起 作用 的 。 上 对 光 系 统 下 的 受 体 就 了 解 的 更 少 了 。 C550. 可 能 只 是 光 系统 U 的 原初 受 体 功能 作用 的 一 个 指示 剂 :(13.6.2.1)s 对 这 个 受 体 的 化 学 性 质 我 们 还 一 无 所 知 。 同样 地 , 我 们 对 光 系 统 I 的 光化学 反应 中 心 P680 知道 得 更 少 。 。442 13.11 展 望 ， 放 氧 机 制 方面 我 们 所 面临 的 挑战 将 是 阐明 可 能 是 由 某 种 含 锰 化 合 物 所 引起 的 酶 “S” 状 态 的 变化 。 “十 面 仅 是 有 待 解答 的 几 个 突出 的 问题 。 通常 , 一 个 问题 的 解决 往往 能 导致 更 多 问题 的 答案 。 但 是 , 在 搞 清楚 大 自然 巧妙 安排 的 对 所 有 生命 都 至 关 重要 的 把 太阳 能 转化 成 一 些 稳 定 化 合 物 的 过 程 之 前 ,我 们 还 有 一 段 漫长 的 道路 。 3.12 = 难 13.12.1 叶子 中 主要 色素 的 分 离 和 鉴别 在 这 个 实验 里 ,主要 的 光合 作用 色素 是 从 叶子 里 提取 的 ， 并 通过 它们 的 吸收 和 荧光 特征 及 色谱 图 上 的 颜色 和 位 置 进行 分 离 和 鉴别 。 把 大 约 2g 的 叶子 和 少许 碳酸 钙 放 在 10ml 冷 的 ( 置 冰箱 A) 100% 丙酮 中 , 用 匀 浆 器 或 研 钵 制 成 匀 浆 ,然后 用 布 氏 漏斗 过 滤 。 这 些 色 素 的 色 层 分 离 通常 是 在 层 析 纸 〈 大 约 宽 4cm、 长 20cm) 或 纤维 素 薄 层 板 上 进行 。 薄 层 层 析 时 可 采用 伊 斯 曼 柯 达 层 析 板 (无 荧光 指示 剂 的 13255 FAX, No. 6064, 20cm X 20cm), 层 析 板 或 层 析 纸 需 预先 用 含 8% 植物 油 的 石油 醚 (50— 105°C) 走 一 遍 ; 使 咨 剂 前 沿 到 达 层 析 板 或 层 析 纸 边缘 lem 处 。 然 后 将 层 析 板 或 层 析 纸 干 透 。 3 用 过 个 小 吸 量 管 或 医用 滴 管 吸取 丙酮 提取 臣 ， 然 后 沿 层 析 板 不 含 植物 油 的 一 边 反 复 滴 液 。 但 每 重复 一 次 时 ， 需 待 上 次 的 丙酮 蒸发 之 后 再 作 。。 这 些 操 作 需 在 微弱 的 光线 下 进行 ， 以 避免 光 对 色素 的 降解 作用 。 重复 这 个 操作 , 直到 获得 一 个 瞳 带 为 止 。 。 443 6 人 + 二 a lll . - = ‘ ‘ Ze FAS: PA Ad: 2K = 1525: LATA Fh RAPA ET 谱 。 为 此 ,溶剂 要 放 在 高 25cm HRA MRR EEK © 的 烧杯 玻璃 容器 的 底部 ， 然 后 将 含有 色素 绿 带 的 层 析 纸 的 一 端 放 人 溶剂 中 (但 含 色素 的 绿色 带 不 要 被 溶剂 所 沥 没 闻 并 需 将 层 析 纸 垂直 向 上 挂 住 或 使 层 析 板 靠 在 层 析 生 或 嫉 杯 顶部 横 穿 的 铁丝 上 。 最 后 用 玻璃 板 盖 住 层 析 红 ， 或 用 Peri RHE 烧杯 。 层 析 图 在 暗 处 展开 ， 直 到 获得 较 好 的 分 离 , 大 约 需 45 一 75mlin。 层 析 图 可 用 长 波 紫外 光 (360nm ) 照射 下 色素 的 荧光 来 观 察 。 什 么 色素 具有 荧光 呢 》 REM AREEAAN? 记 下 层 析 图 上 的 颜色 及 绿 带 和 黄 带 的 相对 量 。 根 据 它 们 在 层 析 图 上 的 位 置 可 以 鉴别 这 些 色素 带 四 ， 同 时 亦 可 将 色素 分 离 ， 其 方法 是 将 色素 带 上 的 色素 乔 下 来 或 是 将 色素 带 剪 下 ， SR IGZEXA 10ml 丙酮 中 洗 脱 即 可 。 3 如 果 有 合适 的 分 光 光 度 计 ， 则 可 以 测定 分 离 色素 的 吸收 光谱 。 如 果实 验 需要 的 话 , 可 借助 分 液 漏 斗 将 色素 内 丙 酮 转 移 到 其 它 溶剂 中 ,所 得 光谱 可 与 发 表 的 曲线 进行 比较 5 13.122 5 DCIP HERR RESHRFAN 10g 的 菠菜 叶子 ， 把 叶 子 的 中 央 天 时 及 MEOH. 然后 将 叶子 的 剩余 部 分 前 成 碎片 ,区 便 能 放 人 盛 有 60 ml 0.4M FER. 0.05M KH,PO,-Na,HPO, pH7.2 的 组 wie) AN 0.01M KCl 冷 溶 液 的 冷 研 钵 内 进行 磨 碎 5 绿 半 用 一 层 “ 超 细 布 ”(Miracloth，Cal Biochem) 或 8 层 粗 棉布 进行 过 滤 。 然后 在 200g 下 离心 2min， 再 取 上 清 液 在 1000g 下 离心 10min 《用 临床 离心 机 离心 时 可 以 全 速 运转 为 弃 上 清 液 ,将 沉淀 物 ( 叶 绿 体 ) 再 次 悬浮 在 约 10ml BHF 0: 叶绿体 的 制备 要 在 OC 左右 进行 44446 ”将 10581 堪 看 吁 绿 体 悬 浮 液 和 -0.5mlf 5 X 10-4M DCIP fide (0.145mg DCIP/ml 7k), MURS BAD THY ERI BLY Lom; 就 可 以 用 来 测定 了 PCIP AIRS 可 以 将 这 个 混合 液 加 进 比 色 管 或 试管 中 ,在 距 100W 灯泡 15cm 处 进行 照射 。 为 方便 起 网 ; 可 以 把 它们 放 在 幻灯 机 的 光 条 里 照射 。 为 了 作为 暗 对 照 ,一 个 试管 用 铝箔 包 起 来 以 避免 光照 。 所 有 的 试管 都 可 放 在 一 个 大 烧杯 中 ,以 便 维 持 一 定 的 温度 ( 通 ss 20C £A)o 蓝 颜 色 的 消失 是 DCIP 被 电子 还 原 的 结果 ,这些 电子 是 水 在 光合 作用 中 被 光 系 统 工 氧化 所 产生 的 (13.6.2.2)。 在 分 ， 光 光 度 计 上 测定 600nm 处 光 密 度 的 变化 可 定量 地 测量 希 尔 反 应 。DCIP 在 这 个 波长 上 的 消光 系数 是 21.8mM-:cm-xts5 (BD 在 600nm 处 ，lmM DCIP 溶液 在 光 程 为 lcm 的 比 色 杯 中 产生 的 光 密 度 为 21.8)。 如 果 测 出 叶绿素 的 浓度 吗 ,那么 叶绿体 的 活性 就 可 以 用 每 小 时 每 毫克 叶绿素 所 还 原 DCIP 的 微 摩尔 数 来 表示 。 如 果 把 一 种 物质 如 甲 胺 (用 . HCl 中 和 ) 加 到 反应 混合 物 中 使 其 浓度 达到 20mM 左右 , 则 可 测定 磷酸 化 “ 解 联 剂 ? 对 电 子 输 运 的 影响 (13.7.2)。 在 照 光 之 前 将 DCMU 加 入 到 反应 混合 物 中 可 以 研究 除 草 剂 DCMU 对 希 尔 反应 的 影响 (图 13-5)。 为 此 可 将 0.23mg/ ml 的 DCMU 溶 在 乙醇 或 甲醇 中 ,以 制 成 10-3M 的 DCMU 储 液 ， 将 0.lml 这 种 溶液 加 到 反应 混合 物 中 将 会 强烈 抑制 希 尔 反应 。 温度 对 希 尔 反 应 的 影响 可 通过 在 不 同 温 度 的 水 浴 中 进行 希 录 反应 来 研究 。 如 果 能 够 对 光 强 度 进行 相对 测量 或 绝对 测 量 的 话 (光电 池 、 光 度 计 或 热电 堆 ), 则 可 以 研究 《在 某 个 温度 或 几 个 温度 上 ) 反映 DCIP 的 还 原 速率 与 光 强 度 的 函数 关系 。445 。 的 光 曲线 。 另外 还 能 测定 不 同 波长 光 对 荐 此， 可 用 一 台 幻 灯 机 ， 装 上 方形 有 色 玻 玉 果 发 热 不 是 很 严重 的 话 ， 则 可 将 ; Kegs) “a> 4 在 下 形 上 以 提供 到 妆 访 长 的 尖 化 交 。 a sees AK a ie “a Fars tinea a o( Feat POS i RY Ce Coe te Fa SID e git ania Ps SINE a> ofthc y SIDGE kort 刘 sien 本、 Bee: it biteies a pas = 7 rr. S er a F, ' Sue £m ER ~ John Lee CKREAKFEWUFR) © 14.1 序言 POTTTTITITITTITIITt iii titi it 447 所 449 14.3 关于 生物 发 光 反 应 的 概述 SP SRC Rar saosbs ohne 全 9 全 于 452 14.4 BEA HRAA YI IRIE eceesceseeeeeecnessnngeenteenrenneaen Sd 14.5 ”海草 的 生物 发 光 pe ae 14.6 腔 肠 动物 的 生物 发 光 本 460 14.7, 细菌 的 生物 发 光 oaesoesooeoooooooeeoosseeooooeoooooossos 464 PAB PERIL ov ea tdevestecdovcdeceuegudentasrbesutonses 468 .9 4) Se 1 OL a= ee 469 14.10 生物 发 光 的 起 源 和 功能 pe 472 VALV1 录 物 发 光 反 应 的 应 用 474 14.12 实验 oo 477 14.1 Fe = 对 大 多 数 大 来 说 ， 生 物 发 光 是 以 慢火 虫 的 闪光 或 是 在 波 浪 起 伏 的 海 求 表面 出 现 的 ” 磷 光 为 代表 的 。 诚 然 , 由 于 萤 火 虫 无 处 不 有 ;因此 它 的 生物 发 光 反 应 已 经 得 到 了 广泛 研究 , 结 果 发 现 这 种 发 光 体 系 是 各 种 各 样 酶 促 过 程 的 原型 ， 这 些 酶 促 过 程 在 多 种 生物 发 光 的 生物 中 产生 光 ， 从 海洋 细菌 到 南美 洲 的 大 的 发 光 甲 虫 。 通 向 所 谓 生 物 发 光 是 指 一 种 高 效率 的 冷光 。447 « 发 射 , 这 些 生 物 为 了 生存 的 目的 而 利用 生物 发 光 , 虽 然 在 许多 情况 下 这 个 目的 也 许 仍 然 是 一 种 猜想 。 另 外 ,人 人 科 还 发 现 越 来 越 多 的 生物 反应 都 能 发 射 很 弱 的 光 。 这 种 低 水 平 的 发 光 被 称 为 “生物 的 化 学 发 光 ”。 生物 发 光 是 如 此 广泛 地 存在 于 许多 生 物 门类 之 中 《虽然 一 个 生物 门类 中 的 很 多 成 员 并 不 具有 这 种 性 质 ) ,这 个 事实 说 明 在 生物 化 学 的 进化 中 很 早 就 出 现 了 发 光 的 能 力 ， 而 效率 高 的 发 光 能 力 则 是 生物 化 学 发 光 的 一 种 继 发 的 适应 ， 人 co 有 效 地 进行 竞争 。 在 许多 陆 栖 生 物 中 存在 生物 发 光 ， itn t Minmeene 洋 里 ;特别 是 在 深海 中 。 那 里 几乎 所 有 种 属 的 生物 都 能 发 光 。 除草 灭 惠 外 ,还 有 发 光 的 真菌 (“ 狐 火 ”)》 发 光 的 蠕虫 和 仅 在 新 西 兰 发 现 的 淡水 蜗牛 ( 扁 棘 螺 Zaxzza)、 另 一 种 类 型 的 甲虫 ( 腔 翅 目 )、 南美 洲 发 现 的 : 铁路 明 虫 ”和 时 好。 在 海洋 中 ， 发 所 谓 磷 光 的 主要 是 原生 动物 ， 但 最 大 的 生物 发 光 族 要 算 膝 肠 动 物 ， 即 软体 珊瑚 虫 (珊瑚 虫 纲 为 海 拆 (水 母 纲 ) 和 和 梳 状 水 母 ( 相 水 母 [Do 还 有 很 多 种 类 的 发 光 鱼 ,其 中 有 些 鱼 的 发 光 是 来 目 于 与 它们 共生 的 细菌 。: 另外 能 发 光 的 还 有 海洋 中 的 各 种 蠕虫 ( 毛 BRI Chacroprerus, FEA Balanoglossis, HB 5 Odon- 、 tosyllis), —FLRG (iF IR Pholas), 甲壳 类 EIR Cypridina), teh: 4 ($2 BIKER Warasenia), kh (Holophorus) FUR Cs 星 和 海胆 )。 生物 所 发 光 的 颜色 范围 从 铁路 姐 虫 所 发 的 红 光 到 大 多 数 海洋 生物 所 发 的 特征 的 深蓝 光 。 因此 ， 在 研究 省 的 头脑 中 可 能 产生 指 第 一 批 问题 是 : 是 否 所 有 这 些 生物 发 光 的 系统 都 是 相同 或 者 类 似 的 ?9 与 光 发 射 有 关 的 反应 和 分 子 是 什么 2》 为 什 入 发 光 的 颜色 不 同 ? ANTHEM TAD GER) 发 射 的 光 谱 ;特别 重要 的 是 发 射 光 谱 最 大 值 〈?1s) 的 位 置 。 然 后 设法 得 9 448° 到 将 能 进行 反应 并 以 高 的 效率 产生 相同 的 生物 发 光 ay 的 提 取 液 ,发 光 效 率 以 生物 发 光 的 量子 产 额 by BER, 即 反 应 中 每 ”个 反应 物 或 产物 分 子 所 产生 的 光子 数目 。 在 进行 了 这 些 测 量 。 养 尽 力 获得 化 学 纯 的 成 分 后 ， 就 可 以 从 化 学 意义 上 说 明 导 致 发 光 的 那个 反应 的 特征 了 。 由 于 化 学 发 光 反 应 是 一 种 放出 足 够 的 能 量 以 在 系统 内 产生 一 个 激发 态 分 子 的 反应 5 所 以 生物 发 光 亦 可 看 做 是 酶 催化 的 化 学 发 光 。 让 我 们 回 到 上 述 的 第 一 个 问题 。 Boyle 在 17 世 纪 就 发 现 细菌 和 真菌 的 生物 发 光 需 要 氧气 ,现在 知道 氧 是 以 某 种 形式 参加 了 所 有 的 生物 发 光 系 统 。 上 个 世纪 末 ，Dubeis 发 现 从 曹 火 卓 的 发 光 器 官 中 能 提取 出 两 种 化 合 物 ;一 种 用 热 水 浸 出 ; 另 所 种 用 冷水 漫 出 。 当 把 它们 混合 时 ， 则 给 出 一 个 短暂 的 生物 发 兴 的 闪光 5 VKEHRARMABE , 称 为 曹 光 素 酶 , 热 水 浸 HIP OBIE. Dubois FAK CSA Pholas) 做 了 类 似 的 观 察 JER MHRA KDR EAB Re 草 光 素 酶 与 萤火虫 的 曹 光 素 之 间 不 发 生 交叉 反应 。 一 般 说 来 ;大 们 发 现 ; 同 一 类 发 光 生 物 的 草 光 素 和 萤 光 素 酶 往往 能 交 又 反应 ,不 同 种 类 发 光 生 物 之 间 的 这 种 交 又 反应 则 不 常见 ;而 -如果 关 系 更 远 的 话 , 这 种 交叉 反应 就 极为 罕见 。 现在 知道 这 是 由 于 萤 光 素 的 化 学 结构 所 致 ,例如 ;海草 和 萤火虫 的 草 光 素 在 化 学 结构 十 就 差别 很 大 。 Bik, 从 一 种 发 光 生物 中 提取 的 草 光 素 不 能 作为 另 一 种 发 光 生 物 的 萤 光 素 酶 的 底 物 。 所 有 的 生物 发 光 反 应 似乎 都 是 酶 - 底 物 类 型 的 反应 ,但 复 杂 程 度 不 同 ; 沫 些 上 生物 发 光 反 应 涉及 三 种 或 四 种 展 物 ,而 另 元 些 生 物 发 光 反 应 甚至 需要 三 个 或 四 个 酶 的 体系 。、 “142 ASE BIG WTO) 已 许 多 化 学 反应 进行 时 能 释放 足够 的 自由 能 而 把 参加 反应 。1449 。 的 物质 之 一 激发 到 能 发 射 光 的 电子 激发 态 宛 若 被 激发 的 是 一 个 反应 产物 , 则 这 种 反应 过 程 叫 做 直接 化 学 发 光 '“ o A 十 B 一 >C* (14-1) Cr 一 >C + hy, (14-2) BS RAR C 处 于 单线 激发 态 。 化 学 发 光 的 光谱 分 布 与 C 的 散光 相 一 致 , [反应 式 (14-2) ]o 但 是 激发 能 也 可 以 传 到 另 一 个 未 参加 化 学 反应 的 分 子 PD 上 ;这 种 过 程 就 叫 知 ” nensibeiiies FE 或 BCA 1 RIG” o A+ B+ D—C4+D* Ae aerate D*——>D + hy, (1444) 在 这 种 情况 下 发 射 的 是 D 的 荧光 ,除了 荧光 之 外 ,这 个 过 程 并 不 使 D 发 生 任何 化 学 改变 。 在 某 些 敏 化 的 化 学 发 光 中 悦 原初 激发 产物 C 的 性 质 已 经 弄 请 楚 或 是 推测 出 来 ;而 D 是 通过 22:7 中 讨论 过 的 能 量 转移 过 程 之 一 被 激发 的 。 在 激发 分 子 之 间 也 可 能 发 生 电 子 传递 作用 ,在 大 多 数 情况 下 ，C 的 性 质 设 有 乔 清 , 其 中 的 一 例 是 在 有 染料 存在 时 草 酰 氯 与 过 氧化 氮 的 反应 5 该 反应 是 已 知 的 最 有 效 的 化 学 发 光 反 应 之 一 ， 这 中环 守门 Ti BAN" RITE ES” 中 的 反应 。 众所周知 ，。 在 气相 中 两 个 分 子 间 的 放 热 反应 闭 没有 第 三 者 存在 是 不 能 发 生 的 ,因为 需要 由 第 三 者 带 走 过 剩 的 能 量 , 于 是 低 气 压 下 的 气体 反应 是 绝热 的 ， 即 能 量 不 会 立即 大 体系 中 逸 出 ,如果 释 放 的 能 量 超过 了 产物 的 第 一 电子 激发 能 级 ,这 些 绝热 反应 中 的 许多 都 是 化 学 发 光 的 ,无 论 如 何 ; 这 个 释放 的 能 量 至 少 会 提高 产物 的 基态 振动 能 态 并 产生 红外 化 学 发 光 5 。 在 溶液 中 ,与 溶剂 的 振动 相互 作用 是 如 此 占 优势 ;以 至 能 量 的 释放 不 能 是 绝热 的 ， 除 非 这 种 作用 过 程 快 到 使 由 于 与 溶 剂 分 子 的 碰撞 而 引起 的 迅速 冷却 大 大 超过 能 量 的 释放 。 电 子 传递 就 是 这 样 一 个 过 程 , 它 是 给 体 CD) 和 受 体 (人 A) 之 间 的 单 。450 。 7 : . 电子 氧化 ， 给 体 和 受 体 之 间 的 电势 差 大 到 超过 了 其 中 一 个 的 第 一 电子 激发 单线 态 的 能 量 。 三 葵 芒 的 阴离子 自由 基 DPA 与 它 自 己 的 阳离子 自由 基 PPA+ 之 间 的 反应 就 是 一 个 很 好 的 例子 ,这 个 反应 叫做 “天 没 反应 ” ;人 人 们 发 现 大 约 10 多 的 淹没 反应 ”使 产物 成 为 二 葵 荐 的 激发 态 。 _ DPAtT + DPA~—>0.2DPA* + 1:8DPA ， (14-5) 还 有 第 二 种 过 程 一 一 中 间 产 物 二 氧 村 环 酮 [反应 式 (14-6)] 的 协调 的 键 断 裂 ,近来 它 作为 一 种 可 能 的 化 学 发 光 激 发 机 制 受 到 很 大 重视 。 这 种 看 法 的 要 点 是 : 因为 多 数 有 效 的 化 学 发 光 反 应 都 包括 氧 ; 在 反应 过 程 中 关键 的 中 间 产 物 可 能 是 一 种 高 能 物质 1, 通过 协调 的 键 断裂 它 可 能 是 个 大 的 释 能 源 , 同 时 由 于 在 键 的 重 排 时 要 求 对 称 性 守恒 ,物质 工 将 必须 使 它 的 分 解 产 物 之 一 处 于 激发 态 (反应 式 14-6)5 二 人 Ai R ad "0 + C0. (14-6) 这 个 推测 还 只 是 定性 的 ,因为 二 氧 丁 环 的 环 是 杂 环 ,而 且 不 能 严格 的 应 用 Woodward-Hoffman 对 称 性 守恒 定 则 ,然而 实 。” 验 工 作者 很 快 便 发 现 ， 二 氧 丁 环 酮 分 解 产生 的 是 产 额 很 高 的 三 线 态 和 很 少量 的 单线 态 产物 ,而 不 是 预期 的 激发 单线 态 产 一 Mo 如 采 可 以 合成 出 将 分 解 为 荧光 很 强 的 酮 的 二 氧 丁 环 酮 ， 则 预计 将 有 高 的 化 学 发 光 效 率 。 量 于 产 额 是 化 学 发 光 反 应 的 一 个 重要 表征 ， 这 就 正如 同 量子 产 额 是 光化学 反应 的 一 个 重要 表征 一 样 (参阅 3.6)s 为 子 符合 光化学 第 三 定律 , 即 一 个 光子 和 一 个 分 子 间 的 对 应 性 ， 我 们 把 化 学 发 光 的 量子 产 额 P(A) 或 生物 发光 的 量子 产 额 dA) 定义 为 发 射 的 光子 数 被 起 反应 的 A 分 子 数 除 。 HER, 。451 。 “学 结构 及 草 光 素 酶 CE) 特性 的 细节 的 了 解 使 人 们 提出 一 个 导 i . > a 8 a 2s SS if * tary ig me Se ’ ey te > .* 这 个 定义 与 光子 射 人 该 系统 时 量子 产 额 的 定义 相反 。 直接 化 学 发 光 的 量子 产 额 bc 是 两 个 效率 的 乘积 ,一 个 是 发 射 体 C 的 荧光 效率 bp(C) [反应 式 (14-27， 另 一 个 是 使 产 物 变 成 激发 态 的 效率 de [反应 式 (14 邱 )]8 KE hec(A) 一 和 $:(C) TAD 在 2.4.3 中 我 们 已 经 看 到 若 和 于 竞争 过 程 是 如 何 使 be 减 小 “到 1 以 下 的 ,对 大 多 数 溶液 中 的 化 学 发 光 反 应 * RH de /) 于 1, 其 理由 尚 不 清楚 。 得 在 气相 反应 中 叶 于 一 些 已 掌握 了 可 靠 资 料 的 生物 发 光 反 应 , 令 人 吃惊 地 发 现 db: 可 以 非常 接近 Fl. A, ee ee 释 这 个 重要 的 现象 。 i 中 显然 be 不 能 大 于 1, 这 就 意味 着 ay 一 $;(C)*, ¥F 是 不 仅 假 设 的 发 射 体 C 的 荧光 光谱 必须 与 它 的 化 学 发 光 光 谱 相同 ,而 且 它 的 效 光 产 额 还 必须 充分 满足 这 个 不 等 式 。 此 外 ， bc 的 测量 也 是 确定 该 反应 的 化 学 计算 的 一 种 方法 。 显然 ,对 MM (14-1) 有 : hec(A) 一 cc(B) 一 ce(CC) 但 如 果 反 应 变 成 : 7 2A' 十 B—>C* (14-8) 则 : at ee Le a 26(A) = bc(B) = ec(C) - a ras 14.3 关于 生物 发 光 反 应 的 概述 ciety SASS SAS AE RIC ARIE (LH,) 的 化 ”原文 中 的 不 等 式 误 为 -由 Fr(C)<$c(C)。 一 一 译 者 * 452。 致 光 发 射 的 总 的 反应 序列 ，: 这 些 反应 中 只 有 一 个 反应 是 真正 的 化 学 发 光 反 应 , :但 是 必须 把 所 有 这 些 反 应 从 整个 系统 中 分 解 出 来 ;才能 对 这 个 真正 的 化 学 发 光 反 应 单独 进行 研究 -生物 发 光 系 统 ” 一 词 将 用 来 描述 组 合 在 二 起 的 二 系列 所 进行 的 反应 ， 每 个 生物 发 光 系 统 可 以 包含 全 部 所 有 的 反应 或 者 仅仅 其 中 的 几 个 。 底 物 一 开始 与 恒 光 素 酶 键 合 之 后 ， 和 PU eA JE HR HY HALT B'S LH, + At S LAB + Gs 2 64-9) si A 是 辅助 因子 ， 例 如 在 萤火虫 的 生物 发 光 中 六 就 是 腺 苷 三 磷酸 (ATP)。 海草 的 生物 发 光 不 需要 激活 ， 它 的 第 _- 步 反 应 即 我 们 提 出 的 机 制 中 的 第 二 步 反 应 是 氧 合作 用 : E 一 LHA + 0 一 >E 一 LAHOOH (14-10) 然后 ,反应 式 (14- 11) 才 是 真正 的 化 学 发 光 反 应 ; 即 激发 : 了 一 LAHOOH + M 一 >E 一 LAO* + H,0 +M | 7 (14-11) et cr tt eee ee RMREMRIBBE Bu (aequorin) 的 一 个 可 能 反应 中 的 Ca** 一 样 CLE)» 而 H;O 是 一 个 可 能 的 产物 YER -K AKA cE HO fie CO,; 或 者 M 也 可 以 是 将 在 该 反应 过 程 中 被 氧化 成 MO, 的 另 一 个 底 the B — LAO* 的 退 数 引起 光 的 发 射 。 最 后 ,生物 可 能 要 再 度 利用 这 个 酶 , 即 酶 的 “周转 ”。 下 一 LAO 一 二 FE 下 LO 十 人 A (14-12) TCA AR KERRARGE KHAN CRAERANEAN 一 些 反 应 的 寿命 中 所 需要 的 全 部 曹 光 素 酶 。 而 在 离 体 情况 下 ， 和 萤火虫 的 草 光 素 酶 和 大 多 数 其 它 类 型 的 莉 光 素 酶 则 可 以 反应 多 次 。 © 453 6 ”aaa ee “二 二 ae au - > . GA. ST MMOH T REMEMBER 楚 由 反应 式 (14-10) 所 产生 的 氧 合 产物 的 性 质 :然后 方 能 推测 〈《14-11) 式 的 激发 过 程 。 在 以 后 各 节 中 ,我 们 将 分 析 一 些 生物 发 光 系 统 ， 并 将 说 明 各 及 到 什么 祥 的 反应 序列 和 具 前 为 止 我 们 对 激发 反应 的 了 解 进展 到 什么 程度 s 14.4 St stn BIEL BE koh REE (LH,) # D(—)-2- (6 - 产 基 - <2’ eH Wee Ws ee) — A? IE MAB OR — 4 - $93 3 PS CIT) o ) a0 es . 符号 (4) 指示 光学 上 的 活性 中 心 ,已 经 弄 清 楚 这 个 活性 中 心 就 是 分 子 的 “交易 端 "。 反 应 顺序 中 的 第 一 步 是 由 萤 光 素 酶 催 化 的 LH, EAE ATP 的 反应 引起 的 激活 ， 结 果 生 成 草 光 素 腺 昔 单 磷酸 衍生 物 LHAMP ， 同 时 释放 出 焦 磷 酸 PP。 Re 十 ATP 一 -了 — LH,AMP + PP (14-13) 草 光 素 的 左旋 (L(+)] 异 构 体 也 能 进行 这 个 反应 ， rial MM L(+)LHLAMP 与 昔 光 素 酶 和 氧 反应 不 产生 光 。 | 氧 合作 用 分 几 步 进行 ,第 一 步 可 能 是 反应 式 (14-14): RE 一 HAMP 十 人 一 一 FE 一 LHOOHAMP (14- 14) 人 们 提出 这 个 中 间 产 物 的 结构 是 (IIT) 20 OH OAMP E-R- 人 了 丁 ? OH 。454 。 | BAA RAR nis ah idee 下 一 步 是 激 发 , 它 的 总 反应 是 : eox OH e-Rr< 795 —efrCf Ji co, +H0+ AMP (14-15) Ss OH . (IV) 另 一 方面 ， 有 一 些 人 还 提出 氧 合 的 中 间 产 物 是 二 氧 丁 环 酮 , 它 是 由 分 子 氧 直接 攻击 到 草 光 素 腺 苷 酸 上 而 形成 的 [反应 式 (14-16) lo 0 0x0 N AS bp Ryo + 02 —="E-R 飞 PAS + AMP (14-16) npr FH 9O 标记 的 .O, 形 成 的 这 种 二 氧 丁 环 酮 的 分 解 将 产生 标记 的 CO, 和 产物 IV。 在 强 碱 性 的 二 甲 基 亚 硕 中 ,经 过 萤 光 素 的 化 学 发 光 反 应 ,产物 IV 也 被 标记 , 但 当 生 物 发 光 反应 在 水 中 进 行 时 , CO, 不 被 标记 ,除非 水 被 40 标记, 在 这 种 情况 下 Co, 中 的 一 个 氧 被 标记 上 。 这 就 是 人 们 为 什么 为 了 生物 发 光 反 应 中 的 第 三 步 而 提 轴 结构 , 开 , 因为 结 和 梅 开 既 包括 了 分 子 氧 又 包括 了 来 自 于 溶剂 的 OH- 的 加 成 。 根 据 类 似 的 资料 ,对 下 一 节 里 腔 肠 动物 的 发 光 反 应 (14-8) 式 也 提出 了 一 个 类 似 的 机 制 。 大 和 们 发 现 . 各 (LH) 是 .0.8， 中 (DO) FI o3(CO,) 也 大 致 都 是 这 个 数值 这 意味 着 Oo: 必须 接近 于 1 ,但 不 幸 的 是 产物 IV: 赤 不 稳定 ,因而 不 能 精确 地 测量 它 的 荧光 。 活 穆 和 离 体 的 生物 发 光 光 谱 是 相同 的 ,但 最 大 值 的 妈 与 种 属 有 关 。 图 14-1 给 出 代表 所 观察 到 的 15 的 范围 为 552 一 © 455。 557nm 的 三 个 光谱 。 当 从 一 个 特定 种 属 得 到 的 曹 光 素 酶 扣 合 成 的 草 火 虫 曹 光 素 反 应 时 ,对 这 个 种 属 来 说 离 体 的 52 与 活体 的 1 相同 。 因 此 ,这 个 酶 的 活性 部 位 的 环境 必须 给 发 光 分 子 的 能 级 一 个 扰动 (参阅 2.5), AAD EEBE AE Pt FHA G8 BH 种 属 的 特征 。 人 图 TI4-1 RARER RIM (a) Photurus pennsyloanicus; (b) Photinus = 5, 4 pyralis; (c) Puro phorus ehagies he ete si (a ee eer ere ee 窜 剂 中 与 氧 反应 ， 则 能 产 生化 学 发 光 , 芯 质子 盗 剂 就 是 像 二 甲 基 亚 硕 那 样 的 溶剂 , 它 不 能 为 氨 键 提供 任何 质子 ， 如 果 溶 液 不 含水 分 并 且 碱 性 很 强 的 话 , 那 么 化 学 发 光 是 黄 绿色 ， 实 际 上 与 生物 发 光 光 谱 是 相同 的 。 当 碱 性 较 弱 时 ,所 观察 到 的 是 效率 较 低 的 红 光 发 射 a: 黄 绿 JEN KH Ac 562nm) KA V> V 是 一 种 双 阴 离子 ， 它 在 溶液 中 能 以 与 辐射 速率 相 竞争 的 速率 加 土 一 个 质子 $ saipabaini W206 Cac 615nm) AIM VI» «© 4566 (V) Oe"! a oh £1 Pm: Oe | (V1) 因此 ， 人 们 相信 生物 发 兆 来 和 目 于 V。 性 光 素 酶 能 阻止 驻 质子 化 > 除非 pH <6 (图 :14-2)o - 升 高 温度 或 加 入 重金 属 离 ， 子 (2zo 或 cd) 也 能 诱发 红 光 发 射 带 ,显然 这 两 者 都 是 引起 。” 酶 干扰 该 分 子 而 使 它 能 在 发 光 之 前 失去 其 质子 的 全 部 条 件 。 500 ~ 600 700 波长 (nm) 图 14-2，pH- 对 体外 萤火虫 生物 发 光 光 谱 的 影响 ，Ms 616nm 带 被 归 一 化 为 1， 但 是 它 的 绝对 贡献 不 足 An 562nm 带 的 一 半 。 每 个 光谱 上 标明 了 pH 值 。 在 我 们 研究 其 它 生 物 发 光 体 系 之 前 ; 让 我 们 先 小 结 一 下 我 们 对 萤火虫 反应 的 了 解 ， 它 的 萤 光 素 分 子 的 结构 已 被 精确 e。 才 37 。 地 测定 ,并且 发 现 它 与 ATP 和 蓝光 素 酶 上 的 O, 反应 生成 某 一 个 产物 和 CO。 这 个 产物 有 一 个 看 来 象 是 生物 发 光 光 谱 的 荧光 发 射 光 谱 ， 这 个 产物 的 获 光 还 有 一 种 在 两 种 发 光 物 质 之 间 的 酸 一 碱 转变 ， 正 如 覃 光 素 在 二 甲 基 亚 硕 中 的 化 学 发 光一 FF ,如果 碱 性 不 很 强 时 它 是 发 红 光 的 ,就 象 pH 降低 或 温度 升 高 时 在 生物 发 光 中 所 看 到 的 现象 。 不 同 种 属 缆 火 虫 的 线 光 素 酶 产生 的 黄 光谱 的 发 射 极 大 值 稍 有 不 同 ， 这 说 明 不 同 种 属 莹 火 虫 的 王 光 素 酶 对 环境 的 扰动 略 有 不 同 。: 当 我 们 和 其 官 生物 发 光 系 统 打交道 时 ， PAE Ae ee 1 ‘aN AS 海蓝 的 生物 发 光 [bg] 人 们 用 一 -种 小 的 介 药 Cypridina hilgendorfi 的 提取 物 研 究 了 这 个 系统 ， SAI EK As iE ae 物 。 在 许多 种 属 的 发 光 鱼 中 也 发 现 了 这 种 相同 的 系统 。 当 介 壳 受 到 刺激 时 ， 它 把 草 光 素 和 草 光 素 酶 从 分 开 的 两 个 腺 体 中 分 泌 到 周转 的 海水 里 ， 因 此 可 以 说 体内 和 体外 的 反应 是 相同 的 。 这 个 系统 包括 三 个 反应 : Ree ay 反应 式 (14-11) 和 周转 ,反应 式 (14-12)。 海 草草 光 素 的 结构 为 VEL, 为 了 与 床 肠 动物 生物 发 光 中 涉及 的 萤 光 素 比 较 ,我 们 将 把 它 写 成 一 般 的 形式 VIII。 (VII) (VIII) oO" Rs eo eat N Wee N eu R, Ny Re nH 5 45B e 由 海草 曹 光 素 酶 (E) 引起 的 总 的 生物 发 光 反 应 是 OW Rs VII + 0， 一 ~ 7NsrNN +， c0 14-17 ; nan, ; ( ) (1X) (R, = Gwe; R; 一 BAR: BH 异 丁 基 ; 参看 VO. 该 生物 发 光 反 应 的 如 是 0.3, 光 谱 是 特征 不 明显 ja 在 460nm 的 蓝光 发 射 ; 它 正 好 对 应 于 IX 与 蕊 结合 后 的 荧光 光谱 加。 在 水 溶液 中 ;自由 的 到 是 不 发 菊 光 的 。 因此 ,了 提供 了 一 个 环境 ， 此 环境 抑制 了 激发 态 能 量 的 非 辐射 损失 。 在 碱 性 的 二 甲 基 亚 硕 中 ,，VII 和 一 般 结构 `VIII 的 化 合 物 (Ra 一 REM H; 了; = 甲 基 或 H; Rs 一 甲 基 J 与 O; 反应 产生 三 企 明 亮 的 绿色 化 学 发 光 。 然 而 ,在 生物 发 光 的 情况 下 ,尽管 瓦 可 以 有 其 它 的 烷 基 取代 基 , 但 Ri\Rs 必须 和 VIH 结 构 中 的 一 样 。 绿 色 的 化 学 发 光 据 信和 是 来 自 X, 即 芭 的 阴离子 。 (X). 0~- Rs NN 上 后 _ 因此， 在 海草 发 光 之 前 ， 反 应 中 的 草 光 素 酶 必须 防止 去 质子 化 ,这 和 萤火虫 草 光 素 酶 相反 , 划 火 虫 的 草 光 素 酶 必须 防止 质 子 化 。 ,对 总 的 反应 [(14-17) 式 ] 中 每 个 化 学 反应 步 又 的 性 质 及 "O 标记 方式 的 性 质 , 仍 有 一 些 不 清楚 的 。 在 海草 的 生物 发 光 中 , CO, 中 的 一 个 氧 原子 是 来 自分 子 氧 的 ,正如 对 激发 反应 中 二 氧 丁 环 酮 型 的 中 间 产 物 所 预计 的 情况 一 样 。 e 459 « rite 14.6 BBs ee Cpe Map eam 组 成 的 一 组 变化 多 样 的 生物 。 刺 胞 亚 门 中 的 一 些 纲 包括 珊 珊 虫 纲 5 如 软体 届 瑚 虫 -Renilla reniformis (“ 海 三 色 紫 罗兰 2) TK BEAN (Pi DS HEA Aequorea aequorea Keekzk Mo Li 都 是 研究 得 最 多 的 生物 发 光 系 统 。 所 有 腔 扬 动物 的 生物 发 光 系统 都 包括 反应 式 (14-9)—(14-12) 中 所 示 的 全 部 四 余地 般 的 反应 。 尽管 化 学 机 制 对 所 有 这 些 种 属 都 是 棚 同 的 》 得 是 刺 胞 亚 门 的 各 纲 之 间 在 激活 反应 的 步骤 土 是 不 同 的 六 六 且 就 激 发 的 性 质 来 说 各 亚 门 也 有 差别 s. 事实 上 ,现在 这 些 系 绕 要 求 我 们 把 更 复杂 的 细节 引进 那个 由 反应 式 (14-9) 一 (14-127 所 代表 的 简单 图 象 中 去 ;并且 第 一 次 把 ; 和 Ai 现象 [参看 反应 式 (14-3) 记 引进 了 这 幅 图 象 ， 末 半 全 本 有 腔 肠 动物 的 莉 光 素 具 有 一 般 的 结构 VII, 对 于海 7 罗兰 Renilla, 蓝光 素 有 一 个 XI 的 结构 (R4 BAA). MIT Iki} 4eqxoree， 则 有 一 个 ,XII 的 结构 。 读 者 应 该 注意 到 它们 ， 可 以 看 到 XII 很 像 海 蓝 的 绽 光 素 结 构 VII。 ake ? HO (x1) an JER PAE X A CO,. 用 0 标记 的 D, AVH,O BHI 记 图 指出 ,Co, 中 的 一 个 氧 原子 来 自 HO, HREKAS ST Ao ocean erroro 因此 大 们 提出 了 一 个 类 似 的 机 制 。 RE 二 图 全 * 460 ¢ ae ie Ye eee, oh AW Re ls (14-18) oO R3 : | / he 详 ox + c'®o, | j ER Re. oy | | (xX) 这 个 机 制 是 用 Renilla 的 萤 光 素 研究 得 出 的 ,但 这 些 中 间 产 物 仍然 是 推测 性 的 。 根 据 在 芷 质子 溶剂 二 甲 基 甲 酰胺 中 化 学 发 光 的 研究 ,人 们 认为 阴离子 X 是 发 身体， 与 离 体 情况 Js 位 于 490nm 相 比 ,这 个 化 学 发 光 的 Ac 是 480nm， 二 者 均 是 无 结构 的 较 宽 的 光谱 。 在 碱 性 二 甲 基 甲 酰胺 中 , Ac 是 538nms HSM 阴离子 的 荧光 对 应 。 由 于 中 性 产物 的 荧光 最 大 值 在 去 一 402 nm, 单 阴离子 的 荧光 最 大 值 在 .1 一 480nm， dr 是 0.06。 在 未 溶液 中 这 两 种 产物 均 不 发 荧光 。 因此 , 化 学 发 光 反 应 必须 还 要 直接 产生 一 个 激发 的 单 阴离子 。 对 二 甲 基 甲 酰胺 中 的 化 学 发 光 和 由 萤 光 素 酶 产生 的 生物 发 光 两 者 来 说 ， 其 激发 的 音 阴离子 的 质子 化 比 它 的 辐射 发 光速 率 低 。 徊 E005, 大 大 高 F $c 0.001, 于 是 ,除了 在 发 光 前 阻止 激发 态 的 质子 化 外 , 曹 光 素 酶 的 另 一 个 功能 必须 要 使 dz fet lo 然而 ;和 刺 胞 亚 六 的 活体 生物 发 光 是 一 个 窑 的 有 结构 的 发 Bt; 三 为 509nm, 这 与 可 以 从 这 些 生物 的 提取 物 中 提纯 的 “ 绿 色 荧 光 蛋 白 ” 的 荧光 光谱 完全 相同 ， 在 图 14-3: 中 比较 了 离休 “461 。 生物 发 光 和 绿色 荧光 的 光谱 。dr 为 0.7 的 绿色 荧光 蛋白 没有 任何 草 光 素 酶 的 活性 , 但 是 如 采 它 以 10 ”对 以 上 的 浓度 存在 于 离 体 反应 中 的 话 ， 则 发 出 的 生物 发 光 就 正好 与 绿色 的 荧光 和 活体 的 1 一致, 并且 超过 0.2。 因 此 ,绿色 荧光 蛋白 显然 是 敏 化 了 生物 发 光 。 500 波长 Cnmy) 14-3) Renilla 的 草 光 素 酶 的 体外 反应 得 到 的 生物 光 发 射 光 谱 ( 实 线 ) 和 “绿色 荧光 蛋白 的 荧光 发 射 光 谱 。 ERIKA WER DARA RHE RARE» 其 体内 的 生物 光 是 一 个 较 宽 的 无 结构 的 发 射 谱 ; 0 它 比 离 体 的 An ZLB 3—9nm"', 在 以 珊瑚 纲 为 一 方 和 水 母 岗 、 带 水 母 纲 为 另 一 方 之 间 ; 在 激活 和 和 氧 合 这 两 个 步骤 的 性 质 上 存在 着 重大 区 别 ， 这 与 它们 - 在 化 学 机 制 上 的 明显 相似 形成 了 对 照 。 和 珊瑚虫 岗 给 出 一 个 依 赖 于 氧 的 草 光 素 一 曹 光 素 酶 反应 ， 而 水 母 岗 及 相 水 母 纲 则 不 依赖 于 氧 ， 并 且 至 今 尚 未 得 到 它们 的 分 离开 的 莹 光 素 和 萤 光 sche 而 只 得 到 一 个 叫 作 - 光 蛋白 的 蛋白 质 复合 物 ， ween at* 时 能 发 光 。 。462 。 STDERR ait IEAM NO RACE LH,S + PAP tes LH,+PAPS (14-19). E, — LH, eS E; + LH, ~ (14-20) >. £- LH, +0, 一 > E— LHOOH*#E 4” (14-21) Ca?+ a8 pee E — LO* + Co, (14-22) AMIE Renilla PBST HIER RBA LHS (LH, 为 XT) 及 硫 代 激 酶 三。 激活 反应 [反应 式 (14-19)] 需要 一 个 畏 助 因 子 3 5- 二 磷酸 腺 背 PAP, ANE 放出 相应 的 硫酸 盐 PAPS, 在 动物 体内 萤 光 素 硫 酸 盐 可 能 是 一 种 储存 的 形式 , 因 为 游离 的 草 光 素 在 水 溶液 中 会 迅速 地 自 氧 化 。 在 各 门 和 各 细 的 腔 肠 动物 中 均 已 发 现 了 草 光 素 硫 酸 盐 。 还 从 Renilla 中 纯 化 出 一 种 结合 了 萤 光 素 的 蛋白 Es, 当 加 入 Ca* 时 Es 释放 出 LH, [到 应 式 (14-207。 这 个 过 程 可 能 有 在 整个 动物 体内 控 制 闪 光 的 功能 。 因 此 ;在 某 种 意义 上 讲 , 硫 代 激 酶 和 结合 蛋白 在 激活 反应 中 均 起 作用 。 下 两 步 是 草 光 素 酶 催化 的 氧 合 [反应 式 (14-21)] .和 激发 [反应 式 C14-22)]。 但 是 取 自 珊瑚 虫 纲 和 水 母 纲 的 萤 光 素 酶 在 学 反 应 上 必然 有 不 同 的 性 质 ， 这 是 因为 在 水 母 纲 中 这 个 被 缚 束 的 氧 谷 的 中 间 产 物 是 能 够 提取 出 来 并 且 稳 定 的 ; 为 了 发 光 2 Cat, 在 珊瑚 虫 纲 里 这 个 中 间 产 物 是 不 稳定 的 ,不 需要 ca， 而 是 立刻 反应 而 发 光 。 如 果 Acquorea WE IEA Renilla 的 草 光 素 酶 反应 则 出 现 同样 的 结果 , 结果 表明 :， 这 种 使 中 间 产物 稳定 的 性 质 是 由 草 光 素 酶 本 身 决 定 的 ， 它 不 决定 于 草 光 HS 。463 。 再 往 下 的 一 步 [ 反 应 式 (14-23)] 是 在 有 绿色 草 光 蛋白 Eo 存在 时 的 敏 化 作用 ,这 个 过 程 的 机 制 还 不 清楚 ,但 是 可 能 需要 ZEEE Pl Eo 之 间 先 结 谷 在 一 起 。 如 果 在 结合 着 Eph) Renilla 的 曹 光 素 和 莹 光 素 酶 的 混合 物 中 加 入 Ca?*, 所 看 到 光 ( 图 14-4, 可 溶 的 情况 ) 在 十 分 之 几 秒 内 很 快 增强 ,然后 很 缓慢 地 减弱 ,这 与 刺激 动物 时 得 到 的 活 体 情 况 的 闪光 (图 14-4) 很 不 相同 。 这 个 差异 可 以 用 以 下 所 观察 到 的 事实 来 解释 ， 人 们 发 现 Reoil1a 的 发 光 器 官 或 光 细 胞 是 由 叫 了 党 的 情况 作 发光 体 的 小 得 多 的 结构 组 成 ， 每 个 发 光 体 又 含有 数 百 个 发 光 颗 粒 ， 是 直径 大 约 0.2xm 的 包 有 膜 的 小 胞 J\ ome 囊 ,里 面 含 有 Es, LH, EMEco 4 加 入 Ca?* 时 ,发 光 颗 粒 的 闪光 很 象 体内 的 闪光 〈 图 14=4)6 因此 ,大 们 SN 相信 酶 被 包 在 发 光 颗粒 之 中 ,结果 就 以 产生 体内 动力 学 的 方式 控制 于 一 一 Ca 的 瞬时 浓度 。 Bape 因此 ,在 这 些 比 草 火 下 进化 程 ct kewl 加， ，， 度 更 低 的 生物 中 ; 我 们 看 到 了 一 个 物 发 光 得 到 的 闪光 ， 复杂 的 多 酶 的 生物 发 光 系 统 和 对 发 HEMEREX. EWE BkKRE “ee 把 激活 反应 和 光 反 应 放 在 同一 曹 光 素 酶 分 子 十 SR 直接 但 是 高 效 的 化 学 发 光 。 下 节 我 们 要 看 看 更 低级 的 生命 形 式 一 一 细菌 。 4147 ”细菌 的 生物 发 光 023 发 光 的 细菌 大 部 分 出 自 海洋 ， 同 时 人 们 发 现 这 些 发 光 细 。464 。 菌 既 有 独立 生活 的 ,又 有 与 某 些 鱼 类 共生 的 。 虽 然 体外 反应 碟 体内 反应 研究 的 更 多 ，- 但 是 体内 和 体外 的 两 个 系统 中 可 能 都 是 一 些 同样 的 成 分 进行 反应 。 如 果 从 细胞 提取 物 中 提纯 出 曹 光 素 酶 , 则 光 反 应 需要 还 原 的 黄 素 单 核 彰 酸 (FMNH,), AA 一 个 碳 链 长 度 大 于 七 个 碳 原子 的 脂肪 族 醛 (RCHO), 504 讨论 的 其 它 生 物 发 光 反 应 相反 ， 在 细菌 系统 中 不 产生 二 氧化 碳 , 而 是 醛 被 直接 氧化 成 对 应 的 酸 , 例 如 葵 醛 产生 葵 酸 。 其 它 鉴别 出 来 的 产物 是 FMN 和 H,02. 关于 反应 机 制 中 能 分 成 激活 和 和 氧 合 两 部 分 的 一 些 反 应 步 又 ,目前 还 没有 完全 一 致 的 看 法 。 如 果 FMNH， 和 和 氧 与 莉 光 素 酶 混和 ,然后 加 入 脂肪 族 醛 , 仍 可 观察 到 光 效 应 。 因而 , 人 们 推测 由 曹 光 素 酶 催化 的 FMNH, 和 0,; 的 反应 形成 了 某 些 中 间 产 物 [反应 式 (14-24)(14-25)]: E + FMNH, = 了 一 FMNHL (14-24) E — FMNH, + 0,—>X (14-25) 买 代表 一 个 或 几 个 中 间 产 物 , 这 时 还 有 游离 的 H:O; HE ”RCHO 加 入 的 太 晚 , 则 产生 光 的 能 力 降低 , 它 的 解释 是 由 于 的 断 发 产生 了 更 多 的 H,0, #1 FMN [ fz hvst (14-26)]: X——E + H,O, + FMN (14-26) x 5 LY ESI US Pe ME RO 3) 蓝光 素 酶 的 菌 种 。 一 般 来 说 ,在 室温 下 X 表 失 其 发 光 活性 一 半 的 时 间 是 5 一 20 秒 ,而 在 0%C 下 可 长 达 1 小 时 。 ”激发 反应 是 : X + RCHO—>Y* + RCOO- (14-27) 其 中 RCHO 具有 萤 光 素 的 作用 。Y*# 代表 发 射 生物 光 的 分 子 ， 但 对 此 看 法 众说 纷 云 。 几 种 意见 都 认为 黄 素 在 发 光 过 程 中 起 着 重要 作用 ,一 种 看 法 认为 发 射 体 是 FMNH* (FMN 的 阳 离 了 于) 另 一 种 看 法 认为 发 射 体 是 取代 的 还 原型 黄 素 中 间 产 物 ， 。465 。 第 三 种 看 法 则 认为 是 降解 的 黄 素 结构 ， 最 后 这 种 看 法 较 难 与 这 样 一 个 事实 协调 一 致 : ROR. BOCA AR 并 将 FMN 放 回 到 溶液 中 。 FMNH+ 假说 预言 下 面 的 反应 将 容易 发 生 : E — (FMNH*)*——>E — FMNH?* + hy | (14-28) E + FMN + Ht 与 这 些 看 法 相反 ,有 人 报道 FMN FUSX OF, RE 的 部 分 仍然 具有 产生 光 的 活性 。 此 外 ,最 近 还 从 细菌 的 提取 物 中 分 离 和 纯化 出 一 种 与 蛋白 质 结 合 的 发 色 团 ， 这 个 发 色 团 具有 与 生物 发 光 相 同 的 荧光 。 人 们 认为 这 个 发 色 团 起 着 敏 化 剂 的 作用 。 da 的 值 反 映 了 反应 的 化 学 计算 法 人们 已 经 证 明 os (RCHO ) 一 2 加 (FMNH2)， 这 意味 着 在 化 学 计量 上 对 每 个 RCHO 需要 用 2 个 FMNH2:， 但 这 点 还 有 争议 。 bs -的 绝对 值 取决 于 所 用 蓝光 素 酶 的 类 型 ， 如 (RCHO) 的 值 可 高 至 0.175 低 到 0.04。 生物 光 发 射 光 谱 都 是 较 宽 和 无 结构 的 。 活体 内 Ap 的 和 围 从 472 一 505nm， 取 决 于 细菌 的 类 型 。 但 是 在 体外 所 有 发 光 细菌 的 1a 都 集中 在 490nm 附近 。 从 体内 到 体外 生物 光 发 射 谱 移 动 的 例子 如 图 14-5 所 示 。 移 动 的 原因 还 不 清楚, 但 可 能 是 某 种 环境 的 扰动 。FMN 是 该 反应 唯一 的 荧光 产物 ,在 量 上 它 是 由 FMNH, 形成 的 。 但 是 生物 发 光谱 相对 FMN 在 自由 溶 沪 里 的 荧光 有 明显 的 蓝 移 ( 图 14-6), 这 不 能 解释 为 由 于 酶 的 结合 而 引起 的 扰动 ,因为 大 多 数 结合 了 FMN 的 酶 往往 使 区 JERR, 并且 只 产生 很 小 的 蓝 移 (小 于 10nm)o。 Bb, ER 77K 醚 - 异 戊 尝 -丙酮 这 样 强 烈 扰 动 的 环境 中 , 黄 素 荧光 表现 出 清晰 的 振动 结构 ， 这 种 振动 结构 在 生物 光 发 射 谱 中 是 不 明 ° 466° pair? <. tos 显 的 (图 14-6)。 Ss 16 18 20 ee 波 数 (10° cm") -图 14-5 Photobacterium phosphoreum 细菌 活体 ( 实 线 ) 和 离 体 (虚线 ) 的 生物 发 射 光谱 ,圆圈 是 77K 下 EMNHY+ 在 刚性 溶剂 中 的 荧光 光谱 。 16 18 20 22 24 ) wee (10° cm) 14-6 FMN 在 水 中 25°C 的 荧光 光谱 〈 点 划 线 )、 光 黄 素 (LF) 在 玻璃 态 中 77K 的 荧光 光谱 ( 实 线 ) 和 细菌 昔 光 素 酶 体 外 反应 产生 的 生物 发 光 的 荧光 光谱 (虚线 )。 对 发 光 分 子 的 本 质 的 所 有 这 些 看 法 都 是 基于 它们 的 荧光 和 生物 发 光 之 间 有 一 定 程 度 的 类 似 性 。 如 图 14-5 Pra. ER 近 刚 性 的 溶剂 中 , FMNH* 的 荧光 与 体外 生物 发 光 是 相同 的 。 。467 + FMNH+ 假说 的 要 求 是 : 草 光 素 酶 必须 在 辐射 过 程 发 生 之 前 防止 质子 的 委 失 , 且 需 将 FMNH* 分 子 保持 于 刚性 构 型 中 ,这 是 FMNH* 产生 高 效 荧 光 所 必需 的 条 件 。 大 们 已 经 注意 到 ， 我 们 在 萤火虫 和 软体 珊瑚 虫 Renilla 的 萤 光 素 酶 上 也 已 看 到 同样 的 这 种 阻止 质子 传递 的 性 质 。 148 AMAR?) MMARREF EDMRHRBE ENN ALATABZD F 氧 起 作用 的 。 这 些 生物 发 光 系 统 是 海 笋 (Pholas dactylus), if 5| (Diplocardia longa), Balanoglossus (#§ AY “BR” teh), Chactopterus (—Fh#S PIA he) MFCR RM. HAE, 通过 对 Pholas 系统 ( 海 笋 属 体系 ) 的 研究 所 得 到 的 一 些 结论 可 能 适用 于 所 有 这 些 系统 。 其 中 的 一 点 认为 超 氧 化 物 阴 离 FO; 是 一 个 活 涛 的 中 间 产 物 , 它 由 莉 光 素 酶 分 别 与 O, 或 过 氧化 物 反应 产生 ,或 者 与 它们 两 者 同时 反应 产生 5 从 人 们 目前 对 一 种 叫 作 超 氧化 物 岐 化 酶 的 酶 有 着 极 大 的 兴趣 这 一 事实 来 看 ,这 种 可 能 性 是 非常 吸引 人 的 ,在 所 有 的 需 氧 细胞 中 都 发 现 了 这 个 酶 , 它 的 功能 似乎 是 通过 迅速 催化 的 岐 化 作用 [反应 式 (14-29)] 除 去 Di ， 203 十 2H*——H,O, + O; (14-29) Mit PA ik Tks Bal re A A Io KERRIER 酶 中 的 某 些 必须 催化 式 (14-29) 中 反应 的 逆转 ,或 者 甚至 可 以 只 由 HO, O, *4 OF, 类似 于 分 子 氧 和 与 像 焦 磷酸 那样 的 号 位 体 络 合 的 Fe’* 的 反应 : Fe?* + P,Ot 十 O,-—>Fe’* 十 PO 扩 十 DO; (14- 30) 人 们 还 发 现 这 些 BOER BAA Bt AC Se 例如 催化 过 氧化 氢 对 抗坏血酸 的 氧化 。 用 像 辣 根 过 氧化 物 e 468。， | fig. FMNH, 等 其 它 的 OF 源 也 可 以 使 董 光 素 化 学 发 光 。 显 然 ， 这 种 化 学 发 光 具 有 与 生物 发 光 相 同 的 量子 产 额 和 发 射 光 ye), Pholas HOGA AA ET EAR (OTE 50,000) 上 ， 如 ORR Rin PR OR Ee, Ete 被 钝 化 。 VRKAWIE SH AMOAA, 这 个 蛋白 质 类 WF Renilla 中 那个 与 草 光 素 结合 的 蛋白 质 (Es)。 这 种 生物 发 光 系 统 由 两 个 反应 组 成 ， 首 先是 借助 蓝光 素 酶 的 只 产生 “活性 氧 "OF 的 激活 [到 应 式 (14-31)]: E — Cut + O,—>E — Cu* + 07> (14231) ”然后 是 激发 : 和 O74 B, 4 LHj--R, = 1L0* + HO) (14232) 这 种 生物 光 的 发 射 光谱 是 宽 而 且 无 结构 的 ，Ma A 490nm ,dr 为 0.03。 缆 光 素 酶 (E 一 Cu) 是 一 个 铜 糖 蛋白 (分 子 量 300,000)， 人 们 推测 : Zee OF A, Cu 发 生 了 单 电子 的 氧化 。 大 多 数 类 型 的 超 氧 化 物 岐 化 酶 都 是 Cu 一 Zn 酶 , 大 们 相信 它们 均 以 类 似 的 方式 起 作用 品 。 大 们 对 其 它 过 氧化 物 系统 的 研 究 都 不 如 对 Ppolur 的 研 Ro Chaetopterus 〈 毛 机 虫 属 ) 的 萤 光 素 也 是 与 蛋白 相 结 合 的 ， fR Pholas 一 样 ; 加 Fe 、 过 氧化 所 和 氧 能 产生 化 学 发 光 外 。 柱 头 虫 属 系统 (Balanoglossis) Aik el A 统 行为 也 是 类 似 如 此 ， 只 是 它们 的 一 光 素 是 小 分 子 ， 例 如 是 归 | 莉 光 素 的 分 子 量 大 约 是 300， 它 的 萤 光 素 酶 也 是 铜 蛋白 mm。 149， 低 水 平 发 光 生物 的 化 学 发 光 虽然 我 们 一 直 在 讨论 光 发 射 、 化 学 发 光 和 量子 产 额 这 些 ¢ 469 « 术语 ， 但 我 们 还 没有 研究 使 这 些 量 得 以 精确 测量 的 一 个 重要 器 件 ,这 就 是 光电 倍增 管 (1.4.3)。 它 是 一 个 在 前 窗 内 表面 上 涂 有 光敏 阴极 的 真空 管 器 件 ， 光 阴极 吸收 一 个 光子 后 发 射出 一 “ 个 电子 ， 然 后 电子 被 一 个 电压 梯度 吸引 到 一 系列 发 射电 子 的 倍增 极 上 ， 这 些 用 银 - 镁 合金 制 成 的 倍增 极 具 有 很 低 的 功 函 ， 当 一 个 电子 打 在 倍增 极 表面 时 ， 就 会 击 出 另外 两 个 或 更 多 个 电子 ,这 些 电 子 被 正 电压 吸引 到 下 一 个 倍增 极 上 并 再 次 倍增 ， 如 此 下 去 ,经 过 10 个 或 更 多 个 倍增 极 , 最 后 阳极 输出 一 个 10 或 更 多 电子 的 脉冲 , 它 是 一 个 负 的 电流 脉冲 ,对 应 于 最 初 打 到 光阴 极 上 的 一 个 光子 。 光电 倍增 管 主要 作为 电 摄像 机 的 “眼睛 ”和 用 于 核 物理 工 、 作 中 的 闪烁 计数 而 于 本 世纪 40 年 代 初 期 间 世 的 ; 从 那 时 起 ， 光电 倍增 管制 作 的 对 光 越 来 越 敏 感 ， 并 且 具 有 很 宽 的 光谱 灵 敏 度 。 现 在 已 经 可 以 制造 出 能 探测 从 大 约 lcms 体积 中 的 化 学 反应 所 发 出 的 少 于 100 光子 / 秒 的 光电 倍增 管 。 这 意味 着 对 于 yc 低 于 10-2 的 快速 反应 将 可 以 测量 到 它们 的 发 光 。 AM 已 经 观察 到 大 量 的 放 热 化 学 反应 和 许多 生物 体系 确实 发 出 很 低 水 平 的 光 。 人 的 眼睛 也 是 非常 好 的 光 探 测 器 ， 在 灵敏 度 土 与 光电 倍 增 管 差不多 ,但 是 精度 不 够 。 因 此 几 百 年 以 来 ,人 们 就 已 知道 ， 许多 化 学 反应 都 有 微弱 的 光 发 散 。 许多 研究 者 ,特别 是 苏联 的 一 些 科 学 工作 者 ， 在 20 世纪 30 年 代 揭 示 了 各 种 生命 物体 也 能 给 出 很 弱 的 可 见 发 光 和 紫外 发 光 na。 此 后 ; 他 们 利用 盖 划 管 进行 探测 ,这 种 发 光 有 时 叫 作 有 丝 分 裂 中 发 生 的 辐射 ,或 者 叫 作 Gurvich 辐射 (因为 Gurvich 发 现 了 这 个 现象 ,)o 这 种 发 光 通 常 与 迅速 生长 的 或 呼吸 旺盛 的 细胞 相 联系 ,如 洋葱 的 根 尖 , 正 在 分 裂 的 酵母 细胞 , 白 血 细 胞 (白血球 ), 肝脏 的 线 粒 体 和 微粒 体 ,正在 收缩 的 骨骼 和 心脏 肌肉 等 等 中 ze 。470 。 为 了 把 这 种 低 水 平 的 发 光 与 我 们 前 面 所 讨论 的 发 光 相 区 别 ,我们 把 它 叫 作 “生物 的 化 学 发 光 ”。 与 大 多 数 生物 发 光 不 同 , 在 生物 发 光 中 光 是 起 着 一 定 的 生物 功能 的 ,如 萤火虫 是 用 | 它 作为 通讯 的 ， 而 生物 的 化 学 发 光 对 这 些 生物 没有 明显 的 用 处 ， 它 也 许 只 是 在 一 个 绝对 放 热 的 反应 中 积累 在 某 一 激发 态 的 产物 分 子 以 不 可 避免 的 麦克 斯 威 尔 - 波 尔 兹 曼 凡 率 浪费 掉 很 少量 能 量 的 结果 。 另 一 方面 , 它 可 能 是 一 种 只 在 小 范围 内 出 现 的 非常 有 效 的 化 学 发 光 反 应 。 在 生物 的 化 学 发 光 中 ; 似 乎 涉及 到 氧 和 自由 基 中 间 产 物 。 我 们 可 以 通过 从 一 个 有 功能 的 生物 单元 即 单个 细菌 或 高 等 生物 的 一 个 细胞 器 发 射 的 光 更 好 地 比较 生物 发 光 和 生物 的 化 学 发 光 , 一 般 来 讲 每 个 发 光 细 菌 发 射 10: 一 103 光子 / 秒 ; 而 Renilla 的 一 个 发 光 颗 粒 能 产生 峰值 强度 大 约 10? 光子 / 秒 的 闪光 ,可 能 含有 土 千 个 细胞 器 的 双 凌 甲 苔 在 受到 刺激 时 ,每 个 甲 藻 将 给 出 10° 以 上 的 光子 5“ 与 此 相反 , 迅速 呼吸 的 线粒体 ”和 正在 进行 知 唉 的 白血球 具有 的 发 光 水 平平 均 来 说 远 远 小 于 每 个 机 体 每 秒 钟 一 个 光子 ea。 实际 上 , 生物 发 光 和 生物 的 化 学 发 光 的 区 别 被 这 样 的 一 个 事实 弄 模 糊 了 : 所 谓 发 光 细 菌 的 “He” 突变 体 都 是 非常 之 暗 的 ; 因为 这 种 突变 体 所 发 出 的 光 相 当 于 野生 型 千 分 之 一 左右 ， 也 就 是 说 它 是 在 可 以 看 成 生物 的 化 学 发 光 的 水 平 上 的 发 光 。 关于 生物 的 化 学 发 光 机 制 了 解 的 不 多 ， 但 由 于 脂 和 其 它 不 饱和 径 的 氧化 引起 效率 低 的 化 学 发 光 ， 因 此 人 们 提出 这 种 过 程 可 能 是 生物 的 化 学 发 光 的 基础 。 这 种 发 光 需 要 分 子 氧 ， 往往 可 以 通过 加 入 过 氧化 所 来 刺激 。 以 烃 的 链 式 氧化 为 基础 的 一 种 机 制 是 : R ”十 0,—~>ROO’ (14-33) ROO’ + RH—~>ROOH 十 R” (14-34) ° 471° ‘4 pa -t ER 人 oy, ‘ fe 4 ROO” + ROO’ —>(RO)* +RO+O0, (14-35) (RO)* 是 一 个 激发 的 酮 ,上 述 反 应 中 各 物质 的 荧光 产 额 极 低 ， 从 而 使 总 的 光 产 额 很 低 。 14.10 AM RWB —RRUAA , FER RR HBER_E AE ti Fee Pa RA 气 中 ， 即 当时 的 大 气 中 含有 甲烷 和 其 它 的 碳水 化 合 物 、 氨 、 氢 等 等 。 而 氧 的 浓度 可 能 相当 于 现在 浓度 的 千 分 之 一 ;当时 氧 的 浓度 是 靠 高 能 紫外 线 (A < 180nm) 对 水 的 光 解 来 维持 的 。 有 生命 的 机 体 必 须 通过 氧化 、 首先 是 通过 容易 氧化 的 化 合 物 的 氧化 来 获得 目 由 能 ， 让 我 们 把 其 中 的 一 种 易 氧 化 的 化 合 物 - 叫 作 AH AH, + B——>A + BH, - (44-86) 于 是 使 具有 较 低 还 原 电 位 因而 在 能 量 标 太 上 位 置 升 高 的 _BH， 积累 起 来 ,这 样 下 去 到 了 某 一 个 时 候 , 生 命 机 体 就 不 得 不 利用 很 难 氧 化 的 碳 氧 化物 ， 但 这 是 通过 利用 极 活 泼 的 氧 目 由 基 和 羟 自 由 基 〈《HO ) 做 到 的 。 FMNH, 十 O,—>FMNH’ + O; 十 H+ (14-37) 20; + 2Ht—~>H,O, (14-38) O; + H,O,——OH” +-0; + OH; (14-39) O; + RH—>HO3 + R’ (14-40) OH + RH—>H,O + R* (14-41) TEER! ,这 些 反 应 可 以 产生 生物 的 化 学 发 光 。 生物 发 光 起 源 的 另 一 个 理论 是 基于 氧 对 于 原始 厌 氧 生物 的 毒性 a9。 随 着 自然 界 的 不 断 进化 ,特别 是 在 以 水 为 基础 的 光合 作用 出 现 以 后 , 环境 中 氧 的 水 平 才 开 始 上 升 。 这 个 变化 对 于 厌 氧 生物 来 说 是 不 适宜 的 ， 因 为 这 些 厌 氧 生 物 通 过 像 (©4726 (14-36) 式 那样 的 反应 而 产生 有 毒 数 量 的 HO, 和 OF ,然而 ， 由 于 产生 了 能 把 氧 直接 还 原 为 水 而 不 产生 高 反应 性 的 中 间 产 物 的 突变 体 , 使 存活 率 提高 了 。 这 就 需要 排除 大 量 过 剩 的 可 以 以 光 的 形式 方便 地 辐射 出 去 的 能 量 。 生 物 发 光 反 应 都 是 在 很 低 的 氧 浓 度 下 进行 得 好 ， 这 种 浓度 可 以 大 大 低 于 维持 需 氧 生物 生长 所 需要 的 水 平 。 但 是 这 个 事实 同样 好 地 支持 着 上 述 两 个 理论 。 直到 进化 产生 了 视觉 过 程 以 后 才 有 产生 一 些 光 效率 很 高 的 生物 发 光 反 应 的 需要 。 该 过 程 的 第 一 阶段 是 用 高 荧光 的 受 ， 体 分 子 去 有 效 地 敏 化 化 学 发 光 过 程 ， 我们 在 细菌 和 腔 肠 动物 系统 中 看 到 的 就 是 这 个 机 制 在 起 作用 。 如 果 进 化 程度 较 高 ， 那 就 会 对 这 些 反 应 加 以 选择 ， 选 择 那 些 将 直接 产生 欧 光 强 的 处 于 激发 单线 态 的 产物 分 子 的 反应 。 这 就 是 草 火 虫 \ 海 萤 和 甚 它 较 高 级 生命 形式 的 发 光 机 制 。 从 功能 的 观点 来 看 ,对 草 火 虫 的 研究 最 多 ,同时 也 了 解 的 最 清楚 。 草 火 虫 的 闪光 是 一 种 性 信号 , 其 实 它 是 由 一 系列 精 心 结构 的 闪光 组 成 (图 14-7) , 它 是 反映 萤火虫 品种 特征 的 “ 莫 尔 斯 密码 ”。 飞行 着 的 雄性 发 出 闪光 ,然后 在 大 约 2 秒 钟 的 一 定 的 时 间 间 隔 后 ， 收 到 雌性 的 回答 。 有 一 种 食 虫 的 雌性 草 火 ; 虫 , 它 能 够 模仿 捕获 物 肉 虫 的 响应 来 引诱 它 的 捕获 对 象 。 近来 发 现 ,在 加 以 控制 的 实验 室 条 件 下 ,用 发 光 和 不 发 光 的 双亲 甲 莹 以 及 捕食 它们 的 天 敌 组 成 的 混合 群体 实验 ， 结 果 发 光 型 的 双 凌 甲 藻 的 存活 率 超 过 了 不 发 光 的 类 型 。 可 能 是 发 亮 的 闪光 引起 了 天 敌 的 逃避 反应 ， 因 此 给 了 具有 这 种 发 光 性 A A ARE. 在 虾 、 尤 鱼 和 海草 中 也 发 现 了 其 它 的 逃避 性 闪光 ;但 是 人 为 控制 的 研究 进行 的 很 少 。 某 些 发 光 的 鱼 有 一 个 发 光 的 器 宫 ， 它 是 共生 演 殖 起 来 的 发 光 细 菌 。 有 些 鱼 甚至 有 一 个 盖子 在 发 光 器 官 上 移动 , 从 而 。473 。 aa 使 连续 的 发 光 变 成 为 闪光。 另 一 些 鱼 似乎 有 一 个 与 海草 一 样 的 发 光 系 统 , 即 蓝光 素 和 萤 光 素 酶 的 交叉 反应 ,发 光 可 能 是 作 为 一 种 求偶 的 信号 或 是 诱饵 。 检 9 SS ee ee a EP SS, Re 2 | 时 间 (s) 14-7 活 的 莉 火 虫 的 闪光 序 列 。 止 图 : Photinus gracilobus; 中 图 : Photinus; melanuris; FA: Photonus nothus 〔〈 根 据 参考 文献 [14] 重 新 绘制 )。 在 澳洲 有 一 种 发 光 虫 ， 它 是 双 起 类 ( 晶 ) 的 幼 虫 ， 与 美洲 蒜 翅 类 的 萤 火 虫 (甲虫 ) 不 同 ， 它 的 发 光 具有 诱饵 的 功能 。 这 种 幼 虫 悬挂 在 蛛网 的 正中 ， 发 出 蓝光 (is490nm), 小 的 飞 虫 被 这 种 蓝光 吸引 而 落 ARIK FPR Eo Ak, Am RIG ME 是 一 种 附属 的 适应 性 生物 化 学 发 光 。 其 功能 对 别 的 发 光 生 物 来 说 也 类 似 前 面 所 描述 的 那些 生物 ， 都 是 为 具有 发 光 能 力 的 生物 服务 的 。 H. H. Seliger 把 所 有 物质 中 生物 发 光 的 功能 归结 为 八 个 字 : ， 猎 食 防 御 , 求 偶 ( 如 蓝 火 虫 14.11 .的 通讯 联络 ) 和 欺 旷 (如 食 虫 的 蓝 火 虫 ) 生物 发 光 反 应 的 应 用 [518] 由 于 制备 的 成 本 昂贵 和 难于 长 期 储存 酶 ， 所 以 用 生物 发 光 反 应 去 提供 照明 是 不 实际 的 。 然而 , 一 些 高 效 的 化 学 发 光 反应 已 被 广泛 地 利用 作为 紧急 光源 。 生 物 发 光 反 应 的 一 个 真 正 重 要 的 应 用 是 测定 和 分 析 有 关 的 或 者 能 够 与 生物 发 光 反 应 偶 联 的 辅助 因子 。 例如 用 萤火虫 的 反应 来 分 析 AITP ”5 用 。， 474 。 * oT ee ale, at ee Rene Aas wipes GT Sas Bice ake aT? oy we = Lor, i) Aiea . . mene ie ee a af = 细菌 的 生物 发 光 反 应 来 分 析 还 原 的 辅酶 IINADH) 和 FMN 的 方法 以 及 用 水 母 光 蛋 白 检测 Ca’ 的 方法 都 是 仍然 有 待 全 力 开发 的 潜力 很 大 的 应 用 。 对 非常 少量 的 ATP, 绽 火 虫 化 验 法 实际 上 是 唯一 可 行 的 方法 。 如 果 在 草 火 虫 的 草 光 素 和 莉 光 素 酶 的 溶液 中 加 入 一 定 量 的 ATP,， 则 产生 一 个 闪光 。 如 果 用 一 个 与 电 疲 表 和 记录 仪 相连 接 的 光电 倍增 管 进行 探测 ， 可 得 到 如 图 14-8 所 示 的 曲 线 。 当 用 光 强 度 的 最 大 值 z 对 加 入 的 ATP 的 量 作 图 时 ,得 到 ss ee ee ee ee ee eS ee t . : 时 间 q | 图 14-8 72 ATP 注射 到 草 火 虫 的 草 光 素 酶 和 草 光 素 的 混合 物 中 所 得 到 的 体外 的 草 火 虫 生物 发 光 的 闪光 。 对 10-°g AY AITP， 闪 光 的 最 大 高 EE (Io) 大 约 相 当 于 10" 光子 / 秒 。 一 条 直线 ;这 就 是 标准 曲线 (图 14-9)。 对 一 个 未 知 样品 , ATP 的 含量 可 以 由 它 的 有 计算 出 来 。 这 个 方法 已 被 用 于 测定 神经 细胞 ,植物 种 子 和 细菌 中 ATP 的 含量 ， 用 酶 的 偶 联 对 方法 作 的 改进 能 够 分 析 其 它 重要 的 辅助 因子 ,如 AMP、 环 化 AMP 和 焦 磷 酸 盐 。 可 以 测定 利用 .ATP 的 酶 ,如 肌 酸 砚 酸 激酶 。 然 而 ， | 生物 发 光 反 应 最 重要 的 应 用 之 一 是 通过 ATP 的 含量 来 测定 与 ATP 直接 有 关 的 生物 集团 。 例如 , 在 医院 的 化 验 室 里 ;可 区 用 这 个 方法 迅速 测量 血样 和 尿 样 中 的 细菌 的 感染 水 平 。 NADH 的 测量 是 比 用 细菌 生物 发 光 反 应 直接 化 验 EMN 。475 。 初始 光 强 的 对 数值 Clo, 光 子 /s) -6 -14 -10 patel 图 14-9 用 萤火虫 的 生物 发 光 系 统 测 定 ATP 的 标准 曲线 ， 和 用 细菌 生物 发 光 系 统 测定 NADH 的 标准 曲线 。 更 为 广泛 的 应 用 。 在 生物 发 光 细 菌 的 浸出 原液 中 存在 着 一 个 酶 , 它 能 用 NADH 还 原 FMN. NADH + H* + FMN—>FMNH, 十 NAD”( 脱 氢 酶 ) (14-42) FMNH, + O, + RCHO -一 > 光 ( 蓝 光 素 酶 ) (14-43) 图 14-9 给 出 用 这 样 一 个 混合 梅 体系 得 到 的 kz。 许 多 在 临床 上 有 意义 的 酶 都 是 通过 它们 与 NADH 的 反应 来 测定 的 ,但 是 用 于 这 种 工作 的 生物 发 光 方 法 还 有 待 发 展 虽 。 用 水 母 发 光 蛋 白 与 Ca 的 反应 能 够 测定 低 于 10-2amol 的 Cai+。 尽 管 这 种 反应 对 Ca 特别 灵敏 ,但 其 它 离子 如 Se2+ 在 比 Ca 高 100 倍 的 浓度 下 也 能 引发 这 个 反应 。 许多 生理 过 程 都 涉及 到 Ca’? 浓度 的 迅速 变化 , 因此 在 研究 诸如 肌肉 收缩 时 Ca 的 瞬时 浓度 时 ,可 以 利用 这 种 水 母 发 光 蛋 白 的 反应 ”2 -终于 ,使 用 像 增 强 管 实现 了 另 一 种 性 质 不 同 的 应 用 , 当 把 像 增 强 管 接 到 显微镜 上 时 ， 可 揭示 出 在 整个 生物 机 体内 生物 * 476 。 发光 的 部 位 和 时 间 响 应 。 这 种 方法 使 我 们 能 够 看 见 单个 双 颇 甲 藻 上 的 神经 冲动 ， 并 且 能 使 我 们 在 显微镜 下 确定 茶 些 朋 肠 动物 中 发 光 细 胞 的 位 置 ”。 1412 实验 用 不 着 精巧 的 实验 室 设备 就 可 以 进行 一 些 简 单 的 演示 。 可 以 用 萤火虫 的 反应 演示 ATP 的 分 析 、 对 氧 的 需求 和 pH 对 发 光 光 谱 的 影响 "”。 利用 发 光 的 细菌 可 以 演示 氧 效 应 和 NADH 的 反应 。 用 黑暗 中 适应 的 ( 约 10 分 钟 ) 眼 睛 能 够 看 到 光 发 射 , 但 是 对 一 些 比较 定量 的 测量 则 应 该 采用 某 种 光度 计 ， 如 关上 激发 灯 的 荧光 光度 计 、 或 是 不 工作 在 符合 方式 的 闪烁 计数 器 。 如 果 学 生 有 冷冻 离心 机 和 pH 计 , 则 可 做 一 些 定量 的 实验 。 蔓 火 虫 很 容易 捕获 到 ,或 者 可 以 从 几 家 化 学 供应 公司 ( 华 妃 顿 化 学 公司 ， 西 格 马 化 学 公司 ) 得 到 完整 的 干 性 火 虫 。 取 OFA TE KE, 切 下 尾部 , 然后 用 大 约 lg 干净 的 砂子 和 3ml 缓冲 该 研磨 切 下 的 尾部 。 缓冲 液 是 用 0.4 g 甘氨酸 和 0.1g PRAIA IR TE 100ml 蒸馏 水 中 制 成 的 。 溶液 最 终 的 pH 约 7.6。 应 该 研磨 10 min 左右 ,然后 将 溶液 过 滤 ( 若 有 条 件 最 好 离心 )。。 RARER. 上 述 全 部 操作 均 需 在 0"C 下 进行 。 将 粗 提 取 该 分 成 三 份 装 在 试管 中 。 在 100ml 缓冲 液 中 溶解 0.1g 的 ATP 再 加 入 0.01g 硫酸 镁 (或 其 它 的 可 溶性 镁 盐 ) 制 成 ATIP 溶液 。 所 有 的 光 反 应 必须 在 室温 下 进行 。 向 第 一 份 提取 波 中 迅速 加 入 lml ATP 溶液 , 则 可 看 到 黄色 闪光 。 分 别 癌 1ml1ATP 溶液 及 第 二 份 曹 火 虫 提 取 波 中 鼓 氮 气 约 5 分 钟 , 然 后 在 继续 鼓 氮气 的 条 件 下 ,迅速 将 两 种 溶液 混合 。 因为 氮气 把 氧气 从 溶液 中 赶 走 ， 因 此 只 有 在 空气 中 搅拌 几 秒 .* 477 » ————————— 钟 才 有 足够 的 氧气 返回 溶液 而 引起 发 光 。 HA 10% WH AGRE) 1ml ATP 溶液 中 ,然后 把 此 盗 液 加 到 第 三 份 提取 该 中 ,于 是 应 该 观察 到 弱 的 红 光 ( 见 图 14-2), 培养 的 发 光 细 菌 可 以 买 到 ， 另 外 一 种 办 法 是 从 腐烂 的 鱼 或 乓 鱼 的 表面 分 离 出 一 种 野生 型 菌株 。; 可 以 用 标准 的 微生物 技术 把 这 些 细 菌 接种 到 佩 特 里 氏 培 养 下 中 并 使 之 生长 。 培 养 焉 内 盛 有 消毒 的 培养 基 ; 其 成 分 如 下 : 100ml 培 养 基 内 售 毛 化 钠 2.5g， 磷酸 钢 0.5g， 磷酸 氧 二 钾 0.2g， 磷 酸 氢 二 氮 0.05g， 硫酸 镁 0.01g ,Bacto- 蛋 白 肛 (Difco) 1g, Hi} 0.3ml, Bacto-FK 脂 1lg。 混 合 物 的 最 终 pH 约 7.3。 大 约 接种 后 3 天 ;培养 亚 表 面 应 该 覆盖 着 一 层 生 长 着 的 发 光 细 菌 DRA BRS 血 中 通 氮气 ， 并 尽 可 能 盖 严 培养 四 盖子 ， 则 发 光明 显 地 瞳 下 去 ,而 当 重 新 暴露 空气 时 , 则 又 恢复 到 原来 的 发 光 5 © 细菌 的 恒 光 素 酶 也 可 以 从 上 面 提 到 的 化 学 公司 购买 呈 在 10ml BHR PAH 0.1g WRK IRS Bl RAR NADH iio H—-T+ RA BRAM (EMN ) 溶液 是 用 1000ml 水 溶解 0.05gFMN fil. AAR ill + cE KK PRR, 即 在 10ml 缓冲 液 中 加 一 滴 十 二 烷 醛 ,剧烈 摇动 1—2 分 钟 , 便 得 到 十 三 烷 醛 的 雾 状 悬 序 液 。 取 2mg 细 菌 草 光 素 酶 在 试管 内 溢 解 于 1lml 缓 冲 访 中 ,然后 加 一 滴 十 二 烷 醛 悬浮 液 , 一 滴 EMN 溶液 ,在 暗室 中 再 加 一 滴 NADH 溶液 ,将 能 看 到 蓝 色 闪 光 , 虽 不 如 萤火虫 的 内 光亮 ,但 能 在 数 分 钟 内 维持 稳定 的 发 光 。 (KE we AR) OFS re a ee 第 15 章光 生物 学 的 新 课题 Kendric C. Smith 《斯 坦 福 大 学 医学 院 放 射 系 ) 15 .1 序言 480 15.2 常见 的 关于 光 的 错误 概念 480 5 下 透明 物体 的 吸收 光谱 cee 482 B63 dc TBE A He IID anerep neers snsprevannecne reas 483 15.3.2 光 透 过 植物 组 织 pe 484 15.3.3 光 声 光谱 学 eee Re 全 和 485 “15.4 环境 照明 对 动物 及 人 的 影响 pe 486 SS SELL MEAG IEE wan cencesvergnnsscenstnseenansnees 487 15.5.1 体内 胸腺 喀 啶 光 产 物 的 免疫 学 测定 ………- 487 ”15.5.2 :紫外 线 诱 发 皮肤 癌 的 免疫 学 pp 488 15.6 SAIC RYE cevcccececeecceseeccecceceecceeeesensceeserenees 489 15.6.1 酶 - 底 物 复合 物 的 光 激 活 coc eee eee eee eee ecw eeee es 489 15.6.2 通过 产生 酶 的 构象 变化 而 造成 的 光 激 活 …490 | 15.6.3 通过 从 关键 的 氨基 酸 中 排除 阻塞 化 合 物 使 酶 光 激活 coerce eeccereeceececcenseecenssnssccessensecces 490 15.6.4 酶 通过 光 产 生 其 底 物 而 被 光 激 活 “……………: 491 15.6.5 通过 光 致 变色 抑制 剂 的 异 构 化 引起 酶 的 光 激 活 ooeoooevosooovooosoooooovooooosoooosessoooooooo oo oosd491 15.6.6 用 可 见 光照 射 结 晶 形 式 的 底 物 来 提高 酶 的 活性 oovoaessoooovoeoooooooo ooooooooososesoeeooooieseeooi 492 15.7 © 近 紫 外 辐射 和 可 见 光 ( 有 害 的 效应 ) pe 492 ee ee | 200—700n0m 间 的 杀菌 作用 光谱 一 种 解释 e 479 。 15.7.2 近 紫 外 辐射 (300 一 380nm] oo。 494 15.7.3 FYE cecceccceceesecseereeceeeceseessereeseecesees 495 15.7.4 结论 coeceaceesecreececcccraseeeceecenes aprasseccveces 496 15.8 不同 波长 辐射 的 非 相 加 效应 (协同 作用 和 对 抗 作用 eee cecccccceveccccceececcccccccessesccesecscccesees ces 497 15.8.1 协同 作用 ee ee oo 498 15.8.2 对 抗 作 用 Fey oy 0 499 15.9 “用 光 做 为 选择 工具 ooeoeoeeeeeeeeeeeveeeveeveoevoovoosssvoee 500 15.1_ 序 ， 言 在 作者 看 来 ， 重 点 地 回顾 一 下 光 生 物 学 的 新 课题 或 是 光 生物 学 较 老 分 支 领域 里 的 新 进展 ， 是 想 请 读者 注意 光 生 物 学 里 的 那样 一 些 领域 ， 它 们 将 为 未 来 的 激 奋 人 心 的 研究 提供 极 好 的 机 会 ， 在 以 前 各 章 的 结论 部 分 也 给 出 了 一 些 有 关 这 方面 的 新 的 例子 。 年 一 看 来 ， 关 于 光 的 错误 观念 的 15.2. 节 似 乎 不 在 题 为 “ 光 生 物 学 的 新 课题 ”这 一 章 的 范围 之 内 , 其 实 不 然 , 长 期 以 来 , 对 光 的 性 质 的 一 些 错误 观念 妨碍 了 光 生 物 学 的 发 展 。 例 如 , 假若 人 们 错误 地 认为 光 不 能 穿 透 人 体 , BRAT 肤 癌 的 诱发 和 维生素 D 的 合成 的 研究 之 外 ， 光 对 人 体 的 影响 似乎 再 也 没有 可 研究 之 处 了 。 然而 , 一 从 这 个 错误 观念 被 澄 清 后 , 光 对 人 体 影 响 的 研究 (如 : 酶 的 激活 、 激 素 水 平 的 变化 等 等 ) 就 变 成 光 生物 学 最 引人入胜 的 新 课题 之 一 。 光 生 物 学 是 一 个 令 人 迷恋 的 领域 ， 人 们 至 少 可 以 从 两 个 不 同 的 角度 来 探索 它 : @ 只 研究 光 对 生物 系统 的 有 利和 有 害 的 影响 ;@ 当 了 解 了 光 对 生物 系统 影响 的 一 些 情况 后 ,人 们 就 能 利用 光 做 为 一 个 选择 工具 来 研究 或 治疗 疾病 。 下 面 将 给 出 这 两 方面 的 一 些 例子 。 e 480 ¢ 15.2， 常 见 的 关于 光 的 错误 概念 - 甚至 在 科学 家 和 医生 当中 也 存在 着 对 光 的 特性 的 一 些 共 同 的 错误 概念 。 人 们 可 以 把 这 些 错误 概念 看 成 是 一 类 “荒唐 故事 ”, 起 初 ,这 些 错误 似乎 很 可 笑 , 但 是 当 人 们 认识 到 正 是 由 于 这 些 错 误 概念 阻碍 了 光 生 物 科学 的 发 展 时 ， 它 们 就 不 再 是 可 笑 的 了 。 错误 1: 由 于 可 见 光 的 光子 能 量 太 低 , 就 以 为 可 见 光 不 像 紫外 线 那样 能 引起 光化学 反应 。 这 种 错误 观念 的 产生 可 能 是 由 于 紫外 线 二 般 比 可 见 光 容 易 使 生物 系统 钝 化 ， 这 个 结果 并 非 由 光 的 性 质 所 致 ， 而 是 由 其 光化学 变化 导致 生物 系统 钝 化 的 那些 吸收 光 的 分 子 的 特性 造成 的 。 Alb. DNA 是 细胞 内 最 重要 的 分 子 , 并 且 它 能 由 于 吸收 紫外 线 而 改变 ， 所 以 细胞 最 容易 被 紫外 线 杀 死 。 假若 DNA 的 电子 结构 适 于 吸收 蓝光 而 不 是 紫外 光 的 话 ,那么 细胞 就 最 容易 被 蓝光 所 杀 死 。 因此 人 们 应 该 记 住 , 在 适当 条 件 下 可 见 光 如 同 紫外 辐射 一 样 能 引起 光化学 反应 。 错误 2: 可 见 光 是 天 然 存 在 的 ,因此 它 是 安全 的 。 这 是 上 一 个 错误 概念 的 变种 ， 因 为 某 些 事物 是 天 然 存在 的 这 一 点 丝 毫 不 应 该 使 这 么 想 的 人 产生 安全 感 ， 毒 蛇 和 有 毒 的 植物 都 是 天 然 存在 的 ,但 它们 绝对 不 是 “安全 ”的 。 可 见 光 或 甚至 紫外 光 , 假 若 它们 不 被 吸收 ,也 完全 是 安全 的 。 安全 不 是 光 的 波长 所 固有 的 特性 。 蓝光 对 核酸 是 “ 安 | 全 ”的 ,因为 它 不 被 核酸 所 吸收 ,而 对 胆 红 素 就 是 不 安全 的 ( 参 阅 第 7 章 )。 在 一 定 的 条 件 下 ,“ 天 然 " 的 可 见 光 是 相当 有 害 的 (SP 15.7.3). . 错误 3: AA MERA KAR URNA AIGA, HF AMAR BB th Ca RO, 就 产生 , 481° , oa 村 "=" 了 光 是 不 能 穿 透 手 的 这 一 错误 概念 。 LHL, 有 相当 大 量 的 光 是 透 得 过 人 手 的 ,这 在 15.3.1 中 将 给 以 证 明和 讨论 。 鉴 于 光 能 透 过 人 体 组 织 并 被 吸收 ，E js 区 所 当然 的 。 错误 4: 水 是 一 种 很 好 的 紫外 线 过 滤器 下 面 的 事实 将 能 轻易 驳 倒 这 一 错误 观念 。 事实 是 即使 在 明天， 太阳 的 大 部 分 热 和 大 量 可 见 光 均 被 云层 滤 掉 后 , HAMMERS. 这 是 因为 太阳 的 紫外 辐射 通过 云层 后 只 减少 了 50%9s Ris 人 综述 了 关于 阳光 透 过 天 然 水 的 数据 叫 。 ree ae 错误 5: 由 于 到 达 地 球 表 面 的 太阳 紫外 辐射 (波长 小 于 320nm) 的 量 不 到 射 在 地 球 表面 的 太阳 总 辐射 量 的 贡 多 > 因此 在 考虑 太阳 光 的 生物 效应 时 ,可 以 忽略 太阳 的 此 外 辐射 效应 s 这 个 错误 观念 起 因 于 人 们 往往 忽略 掉 均 匀 样 品 中 很 小 百 分 误 差 的 一 般 经 验 , 但 是 太阳 光 不 是 一 个 均匀 样品 * 每 个 波长 的 光 《从 紫外 到 可 见 光 ) 只 要 被 吸收 , 则 具有 同样 的 机 会 产生 光 化 学 变化 。 因为 所 有 的 活 细 胞 都 含有 DNA, 当 不 加 光敏 化 剂 时 ,紫外 辐射 杀 死 细胞 的 效力 要 比 可 见 光 大 上 个 数量 级 。 这 -点 已 为 不 同 波长 光 的 杀菌 效率 的 作用 光谱 证 明了 (4152.1)o 虽然 ,波长 短 于 320om 的 紫外 辐射 不 到 太阳 总 输出 能 量 的 1%, 但 它 却 构成 了 太阳 光 有 害 生物 效应 的 99% 15372751)5 显然 ,这 1 多 是 绝 不 能 忽略 的 。 eRe 15.3 ”不 透明 物体 的 吸收 光谱 不 透明 是 个 相对 的 量 ， 它 是 基于 人 类 视力 的 很 有 限 的 光 谱 范围 。 这 个 范围 大 约 从 380nm 到 700nm, 且 在 550am 附 近 有 一 个 效率 峰值 人 (图 1 一 2)。 因 此 ,难于 透 过 .380 一 700mm 之 间 的 光 的 物体 被 认为 是 不 透明 的 。 同样 , BPR RAD 。482 。 和 ne eh seit pe KF 380nm 或 大 于 700nm 的 光 , 它 仍 被 认为 是 不 透 。 明 的 。 因 为 我 们 的 眼睛 对 这 些 波长 的 光 是 没有 反应 的 。 这 种 基于 人 类 视力 的 十 分 局 限 的 不 透明 观点 ， 妨 碍 了 人 们 思考 光 对 不 透明 系统 的 可 能 的 生物 效应 ， 阻 碍 了 光 生 物 学 的 某 些 领域 的 进展 ,特别 是 人 的 光 生 物 学 的 进展 。 15.3.1 光 透 过 人 体 组 织 因为 我 们 一 般 不 能 看 透 人 体 ， 所 以 产生 了 一 个 共同 的 错 误 观 念 , 即 光 除 了 可 以 穿 过 眼睛 外 ,是 不 能 穿 透 人 体 的 。 面 对 这 种 错误 的 说 法 ， 我 不 禁 要 问 这 个 人 是 否 曾 玩 过 一 种 小 孩子 的 游戏 s 在 一 间 黑 屋子 里 ,站 在 镜子 前 面 * 把 闪光 灯 的 亮 闪 放 进 他 (她 ) 的 嘴 里 。 这 个 游戏 证 明了 光 确 实 能 透 过 活 组 织 , 透 过 的 主要 是 红 光 《670 一 760nm)。 在 “科学 的 美国 人 ”杂志 1972 年 3 月 刊 的 封面 上 可 以 看 到 光 透 过 人 手 的 例证 。 仔细 地 挡住 手指 间 的 空隙 , 在 手 的 一 ， 侧 开局 闪光 订 ， RS aie ees sd ”彩色 照片 。 ” 光 穿 过 人 手 的 更 加 艺术 性 的 例证 是 挂 在 巴黎 卢 佛 尔 博物 馆 内 的 乔治 德 . BL JE (1593—1652) 所 画 的 一 幅 油画 。 在 这 幅 题 为 圣 … 约瑟夫 木匠 ”的 画 中 ,一 个 小 孩 用 她 的 手 挡 住 蜡 烛 的 光 而 画 上 表明 光 是 透 过 手指 组 织 的 。 -不 透明 的 生物 样品 的 吸收 光谱 是 可 以 记录 的 , 只 需 将 样品 上 紧 靠 在 光阴 极 上 ”， 然 后 用 非常 灵敏 的 分 光 光 度 计 进 行 记录 。 大 手 的 吸收 光谱 (图 15-1) 表明 人 手 对 波长 在 650nm 到 900nm 之 间 的 光 是 相当 透明 的 。 光 密 度 为 3.5， 大 约 相当 F 0.05% 的 百 分 透 射 率 ( 多 T)。 因 此 ,我 们 是 否 能 看 到 透 过 活 组 织 的 红 光 ， 在 一 定 程度 上 依赖 于 人 射 光 的 强度 DLT = 1 GBH). e 483 8.0 5.0 4.0/- 3.0500 600 800 波长 (nm) 图 15-1 人 手 的 吸收 光谱 。 这 个 光谱 是 把 手 靠 在 光阴 极 土 用 最 灵敏 的 分 光 光度 计 记录 下 来 的 。(Karl H. Norris 的 未 出 版 的 资料 )。 类 似 的 例证 是 用 闪光 灯 和 照相 机 可 以 碍 BA 32 JL AY Ai BR ee ee ABHBABARBBIIA. AAW MLAB at 因 凡 脑 组 织 被 脑 脊 偶 液 代 蔡 的 部 分 ? 光 就 很 容易 穿 透 。 当 光 被 吸收 时 , 便 产 生 光 化 学 反应 ! 因此 ， 由 于 光 能 深 深 地 穿 人 人 体 组 织 * 人 们 不 禁 要 问 : 其 生物 学 后 果 如 何 呢 ? 我 们 知道 在 低 等 动物 和 岛 类 中 有 眼球 外 的 光 感 受 恬 (第 9 章 )。 但 是 人 们 正在 研究 在 人 身上 有 无 可 能 有 这 种 光 感 受 器 e 假如 人 身上 也 有 眼球 外 的 光 感 受 器 的 话 ,， 这 将 大 大 地 影响 我 们 现在 只 是 以 对 视觉 最 佳 的 关于 人 工 照 明 的 概念 。 700 15.3.2， 光 透 过 植物 组 织 关于 不 透明 物体 的 吸收 光谱 学 是 研究 植物 学 的 有 力 工 ed484 。 re See i ; | Te BR, 它 和 不仅 蕊 作 为 工具 用 于 光合 作用 、 光 节律 和 光 形 态 建成 方面 的 研究 外, 而 且 在 农业 上 用 于 测量 水 果 、 Bi SEI FURY EAI, 15.3.3 光 声 光谱 学 人 三 光 声 光谱 学 技术 是 以 十 九 世 纪 八 十 年 代 Alexander Gra- ham Bell 和 其 他 人 的 实验 为 基础 的 ,这 些 实验 表明 ,从 周期 性 间断 地 照射 气体 的 光 中 吸收 的 能 量 能 够 使 一 个 封闭 小 室 的 气 体 压 力 产 生 波动 ; 放 个 波动 可 以 作为 听 得 到 的 声音 被 探测 到 。 人 们 对 气体 已 经 透彻 地 研究 了 这 种 效应 ， 但 对 固体 的 类 似 效 应 至 今 尚 未 充分 研究 。 对 固体 光 声 光谱 学 来 说 ， 样 品 放 人 装 有 适当 气体 和 一 个 灵敏 话 简 的 小 室内 ?然后 用 周期 性 间断 的 单 色 光照 射 样 品 , 被 面体 所 吸收 的 任何 光 将 在 固体 内 部 通过 无 辑 射 退 激 过 程 全 部 或 部 分 地 转化 为 热 。 由 于 周期 性 间断 的 光 对 固体 周期 性 地 加 热 ， 于 是 所 产生 的 从 固体 吸收 体 流向 周围 气体 的 周期 性 热流 就 使 小 室内 的 压力 产生 波动 ， 这 种 波动 可 用 话筒 进行 探测 。 反 话 简 得 到 的 模拟 信号 可 以 做 为 人 射 光 波长 的 函数 记录 下 来 。 倘若 在 所 吸收 的 光 能 的 逸 散 中 无 辐射 过 程 占 支 配 地 位 ， 那么 光 声 的 光谱 至 少 定性 地 对 应 于 固体 的 吸收 光谱 。 于 光 声 光谱 学 的 主要 优点 在 于 它 能 使 人 们 对 任何 类 型 的 固 体 或 半 固 体 物 质 得 到 类 似 于 它们 的 吸收 光谱 的 谱 ， 不 论 这 种 牺 质 是 晶体 、 粉 未 ， 还 是 无 定型 的 、 粘 稠 的 物质 或 胶体 等 等 。 另外 ;用 普通 光谱 学 技术 对 许多 固体 物质 (如 生物 样品 ) 进行 研究 时 , 遇 到 的 最 严重 的 问题 是 光 散 射 ,而 这 点 在 光 声 光谱 学 中 不 存在 任何 困难 ， 因 为 光 声 光谱 学 中 只 有 吸收 的 光 才 转 化 HEE» | JEG SB AK ER Oe ER LAI Pa. 绿 。485 。 叶 、 不 透明 的 肌 红 蛋白 晶体 和 全 血 中 血红 蛋白 ;在 诸如 牙齿 和 骨骼 这 些 硬 组 织 的 研究 中 应 该 能 找到 它 的 应 用 。 此 技术 已 被 用 于 探测 和 鉴别 薄 层 色谱 板 上 的 丙 点 ， 并 被 用 来 演示 二 种 搞 菌 剂 在 豚鼠 皮肤 中 的 积累 。 它 可 以 在 几 分 钟 内 给 出 复杂 生物 系统 内 存在 的 化 合 物 的 情况 ,并 且 只 需要 几 毫克 的 材料 ,不 需 任何 特殊 的 样品 制备 。 在 不 久 的 将 来 , 光 声 光谱 学 必 将 在 不 透明 的 生物 材料 的 吸收 光谱 的 研究 中 获得 更 广泛 的 应 用 中。 15.4 ， 环 境 照 明 对 动物 及 人 的 影响 光 《〈 它 的 强度 波长 分 布 及 周期 性 ) 可 能 是 我 们 环境 中 最 重要 的 因素 之 一 。 但 它 对 人 的 影响 却 研 究 得 很 少 。 在 温度 对 人 的 影响 〈 极 地 和 阔 次 的 探险 ) 及 压力 对 人 的 影响 (高 室 和 深 海 的 探险 ) 方 面 已 做 了 相当 大 量 的 研究 工作 。 - 除 恒 夜 节律 的 研究 外 ( 即 光 的 周期 的 影响 ,参阅 第 8 章 )， ae 影响 玫 乎 没有 开展 多 少 研究 工作 。 同样 ， 也 几乎 没有 研究 过 环境 妥 明 对 实验 动物 的 影响 ; 机 面 是 Fouts 博士 在 最 近 召 开 的 题 为 "影响 实验 动物 的 环境 和 遗 传 因素 一 一 对 生物 医学 研究 的 冲击 ”讨论 会 的 展望 中 讲 的 一 Bik”: “虽然 已 经 谈 到 了 照明 , 但 主要 是 从 照明 时 间 的 长 短 和 周期 循环 方面 谈 的 。 白 炽 灯 光 或 荧光 灯光 的 亮 暗 有 没有 什 么 关系 ? 什么 波长 的 室内 照明 具有 生物 活性 ? 对 这 些 问题 的 某 些 方面 已 经 做 了 不 少 工作 〈 例 如 光 对 松 果 腺 氮 的 调节 作 Fo 但 是 ; 更 普遍 的 效应 尚未 充分 研究 (例如 非 硫 握 酸 盐 的 受 体 的 药物 代谢 \ 吸 收 ` 分 布 ,排出 和 反应 性 )……5 Als 响 实 验 动 物 反应 的 环境 和 遗传 因素 这 个 领域 将 是 未 来 生物 学 研究 最 激 奋 人 心 的 领域 。 它 的 魅力 在 于 以 下 几 方面 ' 《1 环 境 条 件 和 遗传 组 成 中 的 微小 变化 将 会 在 动物 的 反应 土产 生 很 。486 。 Eee 大 的 变化 。(2) 目前 已 经 查 明 的 ,或 过 去 相当 定量 地 查 明 的 也 只 是 部 分 环境 和 遗传 因素 对 实验 动物 的 影响 (3) 系 统 地 研究 这些 变 化 的 因素 不 仅 可 以 得 到 动物 模型 与 人 类 中 存在 的 生理 或 病理 状态 之 间 的 密切 联系 ,还 可 能 发 现 新 的 生物 学 原理 ”。 IAPR AE Fouts 博士 对 环境 照明 给 实验 动物 的 影响 这 二 问题 上 上 所 表现 的 关切 ,将 引起 所 有 使 用 实验 动物 的 科学 家 们 的 普遍 关 访 ， 因 为 这 会 给 我 们 在 设计 对 人 的 环境 照明 时 提 供 很 有 价值 的 信息 。 目前 已 有 关于 各 种 照明 疗法 对 植物 、 动 物 和 人 类 的 奇妙 作用 的 报道 em。 如 果 所 观察 到 的 奇妙 作用 能 获得 证 实 和 进 一 步 研 究 ; 那 将 是 非常 有 意义 的 。 © 415.5“ 光 生物 学 中 的 免疫 学 近来 ,免疫 学 这 个 领域 受到 人 们 空前 的 重视 ,这 是 由 于 受 到 器 官 移植 技术 的 发 展 ， 上 自身 免疫 性 疾病 的 发 现 和 相信 和 免疫 学 技术 可 能 提供 治疗 肿瘤 的 方法 等 方面 的 刺激 。 最 近 , 免 疫 学 家 对 光 生 物 学 作出 了 一 些 重大 贡献 。 将 来 ， 免疫 学 技术 应 用 于 光 生 物 学 问题 的 研究 可 能 是 很 有 前 途 的 领 域 。 55.1 ， 体 内 胸腺 喀 啶 光 产 物 的 免疫 学 测定 用 和 疫 学 方法 探查 和 定位 受 紫外 线 照 射 的 动物 (包括 人 ) 皮肤 组 级 中 损伤 的 DNA 是 一 个 有 效 的 新 方法 。 例 如 ;含有 对 紫外 照射 的 DNA (抗原 ) 专 一 性 作用 的 抗体 的 兔子 抗 血 清 能 与 此 外 有 照射 的 动物 皮肤 组 织 中 损伤 的 DNA 发 生 反应 。 这 些 特殊 的 抗原 -抗体 复合 物 在 与 抗 兔子 r- 球 蛋白 的 结合 了 芥 光 素 的 羊 抗 血清 反应 后 ,可 以 用 显微镜 进行 观察 (间接 免疫 荧光 s。 487。 BR) | : 这 种 抗 血清 似乎 对 胸腺 喀 啶 光 产 物 有 很 高 的 专 一 性 ， 并 且 不 和 原来 的 DNA SMR, 它 被 用 于 探查 在 大 皮肤 中 及 培养 的 人 细胞 中 紫外 辐射 所 引起 的 DNA 的 损伤 le。 AMI 用 这 种 技术 追踪 观察 培养 的 人 细胞 中 紫外 辐射 引起 的 JDNA 损伤 的 修复 动力 学 吧 。 现 在 已 经 得 到 了 在 小 鼠 皮肤 中 产生 紫 - 外 辐射 诱发 的 细胞 核 损 伤 的 一 个 大 致 的 作用 光谱 Ba。 - 这 个 技术 的 潜力 很 大 ,可 用 来 定量 测定 产生 DNA 损伤 的 不 同 波长 太阳 辐射 的 穿 透 深度 。 很 可 能 这 种 研究 同样 可 以 用 于 植物 (就 像 用 于 动物 一 样 ), 如 果 人 类 的 活动 使 同 温 层 的 臭 氧 层 受到 扰动 ， 这 种 研究 应 该 能 提供 有 关 这 企 可 能 的 有 害 反 应 问题 的 有 价值 的 信息 。 对 紫外 线 辐 照 和 照射 后 修复 后 细菌 和 哺乳 动物 细胞 中 胸 腺 喀 啶 二 聚 体 的 血清 学 测定 ， 人 们 建立 了 一 种 灵敏 的 放射 免 疫 测 定 法 ""。 5J/m' 的 紫外 辐射 所 产生 的 胸腺 喀 院 三 汉 体 很 、 容易 被 测 出 , 它 比 色谱 技术 要 灵敏 。 15.5.2 ”紫外 线 诱 发 皮肤 癌 的 免疫 学 慢性 紫外 照射 在 小 鼠 中 诱发 的 大 多 数 皮肤 肿瘤 都 是 高 度 抗原 性 的 ,这 些 肿 瘤 〈 主 要 是 纤维 肉瘤 ) 当 被 移植 到 正 篆 的 汪 白鼠 上 时 ,常常 是 被 免疫 排斥 的 ,虽然 它们 可 以 在 免疫 抑制 的 遗传 性 状 相同 的 ( 同 基 因 的 ) 小 鼠 ( 例 如 对 3 一 4 周 龄 的 小 鼠 将 其 胸腺 切除 后 两 周 ;给 予 450 rad 全 身 照 射 。) 身 土生 长 ,这 就 提出 了 一 个 重要 闻 题 ， ST EASE SRO 它们 原来 的 宿主 身上 存活 并 逐渐 生长 。 近来 在 一 系列 使 人 兴 禁 的 关于 区 外 辐 身 诱发 政 交 的 免疫 参数 的 实验 中 对 这 个 问题 进行 了 研究 ”"。 虽 然 正 常 的 同 基 因 小 鼠 排斥 移植 的 紫外 线 诱发 的 肿瘤 ， 但 是 背部 受 紫 外 线 照射 488 « 的 动物 却 不 排斥 在 腹部 植 人 的 肿瘤, 因此 ,除了 在 照射 部 位 有 致癌 作用 外 ,慢性 紫外 线 照 射 还 会 引起 系统 性 的 变化 ,这 种 变 化 阻 炒 了 对 这 些 肿瘤 的 免疫 学 排斥 。 于 是 , 人 们 说 明了 兹 外 照射 对 动物 的 一 个 新 的 效应 ， 这 个 新 的 效应 对 于 我 们 如 何 看 待 过 度 接 受 阳 光 曝 晒 的 问题 也 许 有 次 远 的 影响 。 除 此 之 外 ;产生 了 一 个 很 吸引 人 的 可 能 性 〈 它 还 有 待 检 验 为 即 这 种 紫外 线 诱发 的 系统 性 的 变化 可 能 还 会 影响 在 病毒 或 化 学 致癌 过 程 中 宿主 和 肿瘤 之 间 的 平衡 。 这 种 可 能 性 肯定 EASE HH AN. 15.6 BAC KE 光 激活 的 酶 可 能 构成 了 一 类 对 控制 生物 功能 很 重要 的 光 Zh, AMBBBH: “一 种 催化 小 的 底 物 分 子 向 效应 产物 转 化 的 酶 的 光 激 活 将 通过 变 构 控制 酶 的 相互 作用 而 引发 一 连 串 酶 的 激活 =。 = 酶 的 光 激 活 无 疑 构成 了 光 生 物 学 的 一 个 “新 课题 ", 它 将 在 今后 的 几 年 迅速 发 展 ; 下 面 将 介绍 光 可 能 影响 酶 反应 的 六 种 机 制 。 15.6.1 酶 - 底 物 复合 物 的 光 激活 当 细 胞 中 的 DNA 由 于 紫外 辐射 而 形成 环 丁 烷 型 的 连 喧 ARAN, 在 大 部 分 细胞 中 存在 的 光 激 活 酶 就 能 与 这 些 损伤 部 位 相 结合 史 四 果 这 时 用 :320 一 410nm 左右 的 光照 射 这 些 酶 - 底 物 的 复合 物 , 则 二 聚 体 将 臂 开 成 单 体 , 因 此 可 见 光 和 酶 的 联 合作 用 可 修复 紫外 辐射 所 产生 的 损伤 。 光 激活 酶 ( 光 解 酶 ) 是 唯一 一 个 已 知 的 光 在 酶 促 过 程 中 在 酶 - 底 物 复合 物 水 平 上 起 重要 作用 的 例 于 (5.4.27e ° 489 « a a a ¥ 49 > ? ‘ 人 ee anol vv 请 15.6.2 ”通过 产生 酶 的 构象 变化 而 造成 的 光 激 活 在 组 氨 酸 转化 为 谷 氨 酸 的 过 程 中 。 尿 刊 酸 酶 是 二 外 重要 的 酶 ， 从 Pseudomonas putida 得 到 尿 刊 酸 酶 可 以 被 近 紫 外 线 (~360nm) 激活 。 对 细胞 、 细 胞 提取 物 和 用 凝 胶 电 泳 纯 花 的 酶 均 存 在 这 种 激活 作用 。 细 胞 提取 物 的 光 激活 不 需要 氧 且 与 温度 无 关 (0 一 40%0)。 光 激 活 的 作用 光谱 的 主峰 在 275nm Gh, 次 峰 在 320nm 处 , 它 和 尿 刊 酸 酶 的 辅酶 下 丁 酮 酰 的 吸收 光谱 有 某 些 类 似 am。 然而 , 钝 化 这 种 活性 酶 的 作用 光谱 对 应 于 一 个 简单 蛋白 质 的 吸收 光谱 ， 它 说 明 酷 氨 酸 或 色 氨 酸 可 能 是 钝 化 作用 的 发 色 团 。 把 提纯 了 的 这 种 酶 的 活化 形式 和 钝 化 形式 相 比较 ， 比 较 的 结果 说 明 尿 刊 酸 酶 因 激活 而 发 生 轻 微 的 BRE, 当 这 种 有 活性 的 酶 保存 在 暗 处 时 , 它 会 渐渐 失 去 活 竹 ; 但 可 以 通过 理赔 光 而 时 浙 激活 :但 是 本 过 租约 区 HARE Ie 15.6.3 ”通过 从 关键 的 氨基 酸 中 排除 阻塞 化 合 物 使 酶 光 激活 一 般 商 售 木瓜 蛋白 酶 必须 加 和 还原 剂 二 硫 苏 糖 醇 使 之 楷 学 激活 激活 反应 需要 把 木瓜 蛋白 酶 中 第 25 fir EAS EA BE 氨 酸 残 基 所 含 的 混合 二 硫 键 打开 。 木 瓜 蛋 白 酶 也 能 被 紫外 辐 GE, 人 们 知道 紫外 辐射 能 够 打开 二 硫 键 , 事实 上 ， Sh 键 是 蛋白 质 里 最 容易 起 光 化 反应 的 基 团 ( 表 5-1)。 SMC 木瓜 蛋白 酶 在 氮气 中 用 1 盖 250nm 的 光照 射 时 ， 木瓜 蛋 自 酶 暂时 被 激活 ,但 随 着 照射 时 间 的 加 长 , 则 又 出 现 钟 化 。 如 果 在 空气 饱和 的 溶液 中 用 紫外 线 照 射 具 有 部 分 活性 的 木瓜 蛋 看 酶 , 则 只 发 生 印 化 作用 。 闪 光 光 解 研究 认为 ,紫外 照射 引起 的 木瓜 蛋白 酶 的 激活 涉及 到 一 个 混合 二 硫化 物 光 解 ;而 钝 化 则 涉及 一 个 关键 的 色 氨 酸 残 基 的 光电 离 。 。490 。 Sa ee Ie eee 这 种 特殊 的 激活 反应 可 能 与 生物 的 关系 不 大 ， 但 是 它 提 “和 供 了 一 个 用 光 来 控制 酶 的 可 能 的 机 制 ， 也 就 是 说 用 光化学 方 ; 闭 来 排除 活性 部 位 的 封 阻 化 合 物 。 如 果 这 种 反应 能 由 可 见 光 PA, 那 务 它 就 在 生物 学 上 很 有 意义 了 。 这 种 反应 的 一 个 例 子 也 许 是 菠菜 和 大 放 叶 子 里 NADP- 苹 果 酸 盐 脱 氢 酶 的 光 激 活 ,这 个 钝 化 的 酶 在 体外 可 被 二 硫 苏 糖 醇 激活 ,在 体内 则 可 由 可 见 光 激 活 2， 这 个 现象 对 阐明 这 种 光 激 活 到 应 的 机 制 很 有 意义 。 64 “ 酶 通过 光 产 生 其 底 物 而 被 光 激 活 : 当 我 们 对 从 视网膜 制备 的 外 视 杆 段 加 Mg 和 ATP 培养 时 ; 视 紫 质 被 磷酸 化 ,光大 大 加 速 了 这 个 反应 。 光 所 起 的 作用 可 能 是 直接 刺激 激酶 的 活性 ， 或 是 改变 激酶 的 某 些 辅助 因子 的 浓度 ， 或 是 改变 视 紫 质 的 构象 从 而 使 它 成 为 激酶 的 底 Do 现 已 分 离 出 蛋白 激酶 ,并 发 现 它 只 对 光 麻 白 的 视 紫 质 起 作用 ， 而 对 未 床 白 的 视 紫 质 ` 组 蛋白 卵黄 高 磷 蛋 白 或 酪 蛋白 均 不 起 (FEA, Al, 光 漂 白 的 视 紫 质 看 来 是 这 种 激酶 的 唯一 的 底 当 细 胞 受 柴 外 照射 时 ， 也 能 通过 光 产 生 其 底 物 的 途径 使 一 些 酶 光 激 活 ; 在 DNA 中 这 样 产 生 的 一 些 光 产物 于 是 就 成 为 许多 DNA 修复 酶 的 底 物 ( 参 阅 第 5 章 )。 15.6.5 .通过 光 致 变色 抑制 剂 的 异 构 化 引起 酶 的 光 激 活 可 以 用 对 光敏 感 的 酶 的 抑制 剂 来 对 一 个 本 身 对 光 不 敏感 的 酶 促 过 程 进 行 光 调 刷 ,例如 ,一 个 特殊 的 钝 化 剂 或 胰 凝 乳 蛋 白 酶 ,对 位 偶 氮 葵 二 葵 氮 甲 酰基 毛 (p-azophenyldiphenylcarbamyl chloride) 均 能 以 两 种 几何 异 构 体 即 顺 式 和 反 式 存在 ,这 两 种 形 式 在 光 的 作用 下 可 以 互相 转化 。 当 用 320nm 光照 射 时 反 式 e 49] e 可 以 转变 为 顺 式 ， 而 用 420nm 光照 射 时 顺 式 亦 可 转变 为 反 式 。 顺 式 异 构 体 作为 酶 的 抑制 剂 比 反 式 腊 构 体 的 抑制 效率 高 Af, ALBEE IDR. 光 致 变色 剂 也 可 用 来 控制 乙酰 胆 碱 酯 酶 的 活性 ?。 虽然 尚 末 分 离 出 任何 天 然 存在 的 光 臻 变色 的 桓 抑 制剂 ， 但 光 致 变色 物质 在 视觉 ( 即 视网膜 中 ) 和 在 光 形 态 建成 中 《 即 植物 光敏 色素 中 ) 起 着 重要 的 作用 。 15.6.6 用 可 见 光照 射 结 晶 形式 的 底 物 来 提高 酶 的 活性 已 有 人 报道 ,用 可 见 光 (~400 英尺 烛光 ,546nm) 照射 结 晶 形式 的 酶 底 物 能 引起 酶 反应 的 增强 ,这 个 效应 是 周期 性 的 ， 而 且 只 在 不 连续 照射 时 才 产 生 。 引 起 首次 增强 的 最 水 照射 时 间 ( 秒 ) 和 随后 的 增强 之 间 的 时 间 间 隔 ( 秒 ) 取 决 于 各 种 不 同 的 酶 ca。 这 种 现象 是 很 独特 的 ,并 且 也 有 不 少 和 争论 8 它 有 待 其 它 人 的 普遍 确认 和 提出 一 个 能 加 以 检验 的 看 来 合理 的 假设 让 15.7， 近 紫外 辐射 和 可 见 光 (有 害 的 效应 ) 15.7.1 ”200 一 700nm 间 的 杀菌 作用 光谱 : 一 种 解释 图 15-2 中 所 示 的 杀 死 大 肠 杆菌 的 作用 光谱 表明 : 从 200 一 700nm〈 即 远 紫 外 、 近 紫外 和 可 见 光 ) 都 能 杀 死 细菌 ， 虽 然 不 同 波 长 的 杀菌 效率 的 变化 能 差 到 几 个 数量 级 。 220 一 300nm 是 最 有 效 的 杀菌 范围 , 它 与 DNA 的 吸收 光 谱 是 相关 联 的 29。 在 这 个 波长 范围 内 的 重要 反应 是 直接 吸收 辐射 而 使 核 酸 的 碱 mae (Sy) REA B—-MR BRA (Si) 分 子 通 过 直接 吸收 光 从 其 基态 跃迁 到 三 绕 态 的 机 率 尽管 很 低 ( 即 " 禁 戒 跃迁 ), 但 仍然 是 可 能 的 (2.3.6)。 对 于 核酸 ;这 9 4926 Oe See AP) ee eee Oo | NABH DNA 的 吸收 200. 300 400.500 600 — BEI eB of ILI 图 15-2 ”大 肠 杆 菌 的 致死 作用 光谱 《由 参考 文献 26. 改 编 ) 及 对 不 同类 型 光化学 反应 的 波长 范围 的 标本 。 详 见 本 文 。 种 情况 发 生 在 . 300 一 380nm HK", MRCS OT, 的 跃迁 ) 的 机 率 大 约 是 SoS, 的 迁 跃 机 率 的 107, 这 或 许可 以 解释 为 什么 在 细胞 里 产生 同样 数量 的 胸腺 旷 喧 二 聚 体 ， 在 365nm 波长 上 所 需 的 能 量 大 约 是 254nm 时 的 10° HOGER: (Si>T1)/(So>S,)* 的 比值 为 10 可 以 由 磷 光 的 辐射 寿命 /区 光 的 辐射 寿命 的 比值 计算 出 来 ,这 个 比值 正比 于 吸收 系数 , 即 激发 的 几率 正比 于 退 激 的 几率 )。 bk 300—700nm, 光敏 化 反应 (参阅 第 4 章 ) 在 细菌 钝 化 中 可 能 起 重要 作用 。 这 种 钝 化 是 由 于 发 色 团 而 不 是 核酸 吸收 光 能 所 引起 的 ,但 这 个 光 能 在 许多 情况 下 随后 将 传 给 核酸 ,从 而 导致 了 细胞 的 死亡 。 在 313 一 650nm 范围 内 出 现 与 氧 有 关 的 致死 ,虽然 460nm 以 下 还 有 与 氧 无 关 的 致死 22。 与 氧 有 关 的 反应 在 分 类 土 叫做 700 波长 (nm) ”原文 中 此 式 为 (S4T1)/(SooT,)> DET, 应 为 Si。 一 一 译 者 e 493 ， 光 动 力 反应 (photodynamic reaction) (第 4 章 )* 一 些 可 能 的 天 RB ALT IG RRS. ALK, AHMAR (PMN), 经 过 由 酮 类 (例如 丙酮 ) 5M =RA-=RAACR ER 可 以 发 生 不 依赖 氧 的 反应 seo (3.8 和 参考 文献 27) , 由 内 源 光 敏 化 剂 和 可 见 光 引起 的 DNA 加 成 反应 尚未 研究 6 ,但 对 钰 源 光敏 化 剂 例如 叶 哺 香 豆 素 却 进行 了 广泛 的 研究 (4.4j1)o | 虽然 在 220 一 300nm 范围 内 , 杀菌 的 作用 光谱 很 类 似 于 DNA 的 吸收 光谱 , 但 是 300—700nm 范围 内 的 作用 光谱 的 形 状 将 依赖 于 系 筑 内 所 存在 的 内 源 或 外 源 敏 化 剂 的 性 质 和 数 量 。 15.7.2 近 紫 外 辐射 (300_.380nm) 近 紫 外 辐射 仅 处 在 蛋白 质 和 DNA 吸收 区 的 边缘 ,但 它 仍 会 产生 许多 通常 由 远 紫外 辐射 〈 即 波长 低 于 -300ni 的 辐射 ) 引起 的 有 害 效应 , 例如 致死 \ 诱 发 突变 和 生长 延迟 守 但 发 生 这 些 效应 需要 相当 高 的 辐射 注 量 叫 2a。 在 这 些 效应 中 ;抑制 生长 [ 即 降低 幼苗 期 的 生长 速率 ,或 者 暂时 完全 停止 生长 (生长 延 讶 )] 的 效应 所 需 近 紫 外 辐射 的 注 量 最 佐 。 15.722. 1 BREE r 对 细 黄 的 研究 表明 ,延迟 生长 有 一 个 峰值 在 -340am 的 狂 认 的 作用 光谱 ， 早 期 认为 一 些 醒 可 能 是 发 色 团 而 氧化 磷酸 化 可 能 是 细胞 的 靶子 ,但 一 直 没 有 被 证 实 。 最 近 , 已 证 明 在 大 肠 杆菌 中 引起 生长 大 大 延迟 的 近 紫 外 辐射 的 注 量 造成 玉 NA 和 合成 的 完全 (但 是 暂时 的 ?停止 ,但 是 对 蛋白 质 合 成 和 DNA 合 成 的 影响 却 没 有 那么 严重 。 :抑制 RNA 合成 的 作用 光谱 和 延 迟 生长 的 作用 光谱 相同 , 并 且 很 接近 于 含有 少见 的 4- 硫 尿 喀 啶 碱 基 的 tRNA 的 吸收 光谱 。 体外 研究 表明 , 近 紫 外 辐射 在 。494 。 Ss eee tRNA 中 的 第 8 fir EAN it R AMEN SS 13 位 上 的 胞 旷 啶 之 间 产 生 二 个 分 子 肉 的 交 联 ， 这 种 交 联 降低 了 茶 些 tRNA 的 生物 活 性 5 钝 化 (RNA 所 需要 的 辐射 注 量 类 似 于 抑制 细菌 生长 所 需 要 的 注 量 , Att, 似乎 可 以 断定 , 近 紫 外 辐射 在 大 肠 杆 效 中 所 引起 的 生长 延迟 是 由 于 含 4 一 硫 尿 喀 喧 的 下 NA 分 子 的 光 化 学 变化 造成 的 2 。 在 其 它 生 物 中 ,人 们 已 观 蛙 到 光 引起 生长 延 RAH EDL 制 , 例 如 ;蓝光 引起 细胞 中 细胞 色素 as 的 钝 化 (参阅 15.7.3). 15.7.2.2 ,致死 和 致 突 效 应 近 紫 外 辐射 的 致死 和 致 突 效 应 已 经 有 人 作 了 综述 ma 在 115.7.1 中 讨论 了 由 近 紫 外 辐射 所 引起 的 细胞 钝 化 的 两 种 分 子 机 制 ， 近 紫外 辐射 在 细菌 的 DNA 中 可 产生 胸 肝 喀 ME FR YK ;还 能 够 产生 DNA 链 的 断裂 和 碱 性 不 稳定 键 吧 。 近 Be 外 照射 溶液 中 的 色 氨 酸 产 生 致死 和 致 突 剂 一 一 过 氧化 氢 蚂 ， 这 可 能 是 通过 光 在 色 氨 酸 上 打出 的 电子 的 作用 造成 Fadi it.) | 15.7.3 WRK “这 本 书 的 许多 章节 是 谈 可 见 光 的 有 益 效应 的 〈 例 如 : 视 觉 、 光 形态 建成 ,光合 作用 ) ,但 是 可 见 光 也 可 能 产生 有 害 的 作 FA, EXAM EBSA. 并 需要 氧 的 存在 , 因此 可 见 光 的 致 突 作用 可 能 是 通过 光 动 力作 用 的 机 制造 成 的 只。 可 见 光 也 可 引 起 致死 (图 :15-2)。 特 别 是 对 那些 修复 系统 有 缺陷 的 细菌 ,在 这 方面 不 同 波长 可 见 光 的 协同 作用 是 很 重要 的 (参阅 15.8.1)。 ， 远 红 光 (750nm) 在 猪 肾 细 胞 中 可 以 引起 染色 体 畸 变色 和 DNA 合 成 的 抑制 % , 绿 - 黄 光 〈546 一 579nm) 能 抑制 液体 培养 的 银杏 (Ginkgo) 花粉 细胞 和 单 层 培养 的 Hela 细胞 的 生长 ， 。495 。 但 用 红 光 (640—675nm) 照射 能 消除 这 个 效应 ras ;蓝光 能 可 逆 地 抑制 百合 (Lilium) 和 延 龄 草 (Trillium) 小 息 子 母 细 脆 ”中 的 细胞 分 裂 ， 这 可 能 是 由 于 光化学 上 改变 了 呼吸 作用 所 必 需 的 细胞 色素 as IT BLY, 蓝光 市 有 看 和 让 起 雷同 标本 本 关于 可 见 光 的 其 它 效 应 最 近 亦 有 评述 全 二 号 上 上 述 几 个 效应 都 是 在 不 加 光敏 化 刘 的 情况 下 有 的 : 在 有 外 加 敏 化 剂 的 情况 下 可 了 胸 光 的 效应 是 第 4 章 的 课题 s Bt peer 15.7.4 结论 太阳 光 中 光化学 活性 高 的 部 分 〈 远 紫外 、 近 紫外 和 可 网 光 ) 产生 对 生物 系统 有 利和 有 害 两 方面 的 影响 ， 生 物 必须 设 法 利用 太阳 光谱 中 对 它们 的 生存 是 不 可 缺少 的 那些 部 分 而 保 护 目 己 不 受 有 害 波 段 辐 射 的 伤害 ， 不 同 的 生物 有 不 同 的 可 用 RAMA BRK, AMM iba Sw SIN eee 反应 和 屏蔽 (例如 皮毛 、 nhs BR RE 玖 和 有 效 的 修复 系统 (参阅 5.4)p am J BB Heo KF He OMA A SRO ICT 用 廉价 和 近乎 单 色 的 发 光 在 254nm AY AR BAT MEAT AY EE BR 了 在 实验 情况 下 ,大 多 数 生物 系统 绝 不 会 遇 到 这 样 的 辐射 ;于 为 太阳 光 里 含有 相当 大 量 的 近 紫 外 辐射 ， 而 大 多 数 生物 系统 则 沐浴 在 阳光 之 下 ， 因 此 关心 近 紫 外 辐射 的 生物 效应 是 可 以 理解 的 ,而 且 由 近 紫 外 辐射 所 产生 的 许多 光化学 变化 不同 于 254nm 辐射 所 产生 的 光化学 变化 。 我 们 需要 了 解 在 外 加 的 光 敏 化 剂 (例如 环境 污染 物 ) 存 在 与 不 存在 时 近 紫 外 辐射 对 动 杆 物 的 影响 。 我 们 需要 更 多 有 关 近 此 外 辐射 与 其 它 波长 辐射 协 同 作用 的 资料 (参阅 15.8)。 总 之 ,我 们 需要 更 多 地 了 解 我 们 所 生活 的 环境 。 入 们 把 大 量 的 注意 力 集中 于 远 此 外 辐射 的 有 害 效应 由 而 。496 。 除了 维生素 D 的 合成 外 ,在 阐明 它 的 可 能 的 有 益 效 应 方面 却 没有 花 多 大 力气 。 而 对 豆 见 光 , 情 况 正 好 相反 ; 即 大 量 的 注意 力 集中 于 可 见 光 的 有 益 效应 方面 ;相对 来 说 ,在 研究 没有 外 加 光敏 化 剂 的 情况 下 可 见 光 的 有 害 效 应 上 没有 做 出 多 大 的 努 ys rene | Te UH A OR a aE aT HERE RN, AASB REAR RNA AR ILA 类 可 能 影响 太阳 光 的 质 和 量 的 某 些 活 动作 出 正确 的 决定 。 当 前 大 们 关心 的 一 个 问题 是 超 音速 飞机 排出 的 废气 、 药 物 距 筋 SSRI ERA BET RIN BAS 的 可 能 的 扰动 。 臭氧 层 的 减少 会 影响 到 达 地 球 的 290 一 320nm 范围 内 的 辐射 量 ,而 对 较 长 波段 的 影响 几乎 是 微乎其微 的 。 另 一 方面 ， 气 溶胶 《 灰 侍 ) 和 小 水 珠 ( 云 ) 能 大 大 减弱 紫外 和 可 见 辐射 9。 目前 追 切 需 要 知道 的 是 关于 阳光 中 C290 一 320nmi 辐射 量 的 增 加 对 关键 本 生物 和 对 主要 粮 shi setni 啊 的 资 料 。 15.8 不同 波 长 辐射 的 非 相 加 效应 (协同 作用 和 对 抗 作 用 ) 导 当 符 牺 系统 受到 两 种 不 同 波长 的 光照 射 时 ， 所 观察 到 的 -效应 往往 并 不 是 每 个 波长 光 单 独 作用 的 相 加 ”大 们 最 常 观察 到 的 是 协同 作用 《〈 即 两 种 波长 同时 照射 的 效应 大 于 它们 单独 照射 时 效应 的 相 加 郊 有 时 这 两 个 效应 是 抵消 的 ( 即 协同 作用 的 反面 ), 有 时 它们 全 然 没有 任何 相互 作用 。 人 然而 当 我 们 采用 多 色 辐 射 源 时 ,不管 这 光源 是 人 造 光 源 还 是 自然 光源 ;脑子 里 应 该 想到 有 协同 作用 或 对 抗 作用 的 可 能 。- 。497 。 15.8.1 协同 作用 重组 能 力 有 缺陷 的 细菌 也 在 DNA 修复 的 几 种 过 程 上 有 缺陷 , 它们 很 容易 被 近 紫 外 辐射 和 普通 的 白菊 光 灯 杀 死 。 然 而 , 当 致死 的 作用 光谱 作用 于 有 重组 缺陷 的 细菌 时 ;这些 细菌 对 近 紫 外 辐射 的 任何 一 个 波长 均 不 表现 出 特别 的 敏感 性 ， 这 个 结果 说 明 这 些 突变 的 细菌 对 于 宽 谱 的 近 紫 外 辐射 的 特别 敏 感性 是 由 于 不 同 波长 近 紫 外 辐射 的 协同 效应 所 致 思 。 近 紫 外 辐射 中 两 个 密切 相关 的 波长 之 间 的 协同 作用 的 例 子 是 转化 DNA 的 钝 化 ， 虽 然 334nm 的 辐射 只 引起 一 点 或 根 本 不 引起 任何 转化 DNA 的 钝 化 ,但 它 与 365nm 一 起 则 对 钝 化 产生 明显 的 协同 效应 %。 虽 然 我 们 不 知道 这 种 协同 作用 的 分 子 基础 ,但 它 可 能 是 由 于 与 DNA BAW RAAB 在 紫外 线 (254nm) 和 电离 辐射 协同 作用 方面 发 表 了 于 大 量 文章 ,最 近 有 人 证 明 , 这 种 协同 作用 的 一 个 原因 是 紫外 线 对 负 责 修复 由 和 射线 引 起 的 DNA 和 PEE HIVE AY", 人 们 还 证 明 近 紫外 辐射 (365nm) 通过 于 扰 DNA 的 修复 与 电离 辐射 起 协同 作用 '%。 已 有 人 报道 远 红 辐射 与 X 射 线 协 同 作 用 在 蚕豆 中 产生 染色 体 畸 变 。 Ain, 现在 已 弄 清 楚 这 是 一 个 由 远 红 光 引 起 的 分 裂 延 迟 所 造成 的 假象 ， 远 红 辐 射 不 会 改变 染色 体 畸 变 的 数 目 ， 它 只 不 过 延长 了 细胞 到 达能 对 染色 体 畸 变 进行 观察 计数 的 有 丝 分 裂 中 期 的 时 间 吧 。 ae a 人 类 皮肤 受 紫 外 线 B(290 一 320nm) 照射 而 产生 的 红斑 ovn0qaspednpdagoegerooioityoapadles 的 紫外 线 A (320—400nm) 的 照射 而 增强 5。 sh Ct th) RL AN FS SB 辐射 对 哺乳 动物 细胞 的 效应 的 人 们 的 极 大 注意 (这 个 问题 的 * 498 。 AR Serenata a: Meine cs 和 综述 请 参阅 参考 文献 51)。 在 届 射 线 照 射 之 前 或 之 后 把 哺乳 动物 细胞 加 热 到 40 一 43%c; ,这 些 细胞 就 更 容易 被 电离 辐射 杀 “; 死 ;目前 大 们 对 把 这 种 协同 作用 应 用 于 肿瘤 治疗 抱 有 极 大 的 希望 ; 人 们 正在 发 展 某 些 利用 超声 和 微波 的 技术 来 局 部 加 热 肿瘤 5 有 趣 的 是 ， 在 观察 到 热 与 X 射 线 协同 作用 的 条 件 焉 却 看 不 到 热 与 254nm 辐射 的 任何 协同 作用 号 。 这 与 最 近 对 细菌 的 研究 结果 是 一 致 的 ,对 细菌 只 观察 到 了 热 {52*C ) 5 254nm 辐 射 之 间 很 小 的 协同 效应 ， 但 是 对 334nm, 365nm, 405nm 辐射 却 有 了 明显 的 协同 作用 5 吧 其 次 序 是 334nm > 365nm > 405nmo 难 比 较 早 就 在 实验 动物 中 观察 到 热 提 高 了 紫外 线 〈290 一 320nm) 诱发 的 皮肤 癌 的 发 生来 看 ,人 们 对 这 后 一 种 协同 效应 是 特别 感 兴趣 的 (参考 文献 53 中 给 出 综述 )。 1582 对 抗 作用 不 同 辐射 波长 之 间 对 抗 作用 的 最 熟知 的 例子 可 能 就 是 红 光 和 远 红 光 对 一 些 植 物 光敏 色素 所 调节 的 响应 的 作用 ， 红 光 促进 这 种 作用 ;而 远 红 光 却 抑制 这 种 作用 (第 11 章 ), 因 此 ,; 远 红 光 是 对 红 光 生物 效应 的 对 抗 。 另 一 个 在 5.2.4 中 叙述 过 的 例子 是 这 样 的 ,用 280nm 的 光 Raat DNA 产生 胸腺 喀 啶 二 聚 体 , 然 后 再 用 240nm 光照 射 , 则 使 二 聚 体 裂解 为 单 体 。 这 种 情况 需要 非常 高 的 紫外 线 注 量 ， 才能 在 二 聚 体 的 形成 和 裂解 之 间 达 到 光化学 平衡 ， 用 280nm 照射 ;平衡 有 利于 二 聚 体 的 形成 , 而 用 240am 照射 ,平衡 向 形 成 单 体 的 方向 移动 。 ;虽然 上 述 例子 是 纯粹 光化学 的 ;但 还 有 另 一 种 对 抗 作用 ， 它 在 性 质 上 更 偏重 于 生物 学 ， 当 接连 用 X 射线 和 254nm 或 365nm 两 种 辐射 照射 时 ,它们 之 间 有 协同 作用 (CB 15.8.1), ° 499 « et ki ee ee wane 2S 但 是 ,如 果 这 两 种 照射 之 间 相 隔 1 小 时 或 者 培养 基 更 换 两 次 ， 那 就 可 以 观察 到 对 抗 作用 ， 即 细胞 对 第 二 种 照射 的 抗 性 大 大 增加 , 先 用 365nm 光 再 用 和 X 射线 照射 是 这 样 , 先 用 和 射线 然 后 再 用 254nm 光 或 和 射线 照射 也 是 这 样 吧 。 一 些 DNA 修复 酶 的 可 能 的 辐射 诱导 激活 问题 目前 很 受 人 们 的 重视 呈 5， 对 辐射 诱导 的 抗 辐射 性 的 提高 的 另 一 种 解释 已 经 有 人 作 了 讨论 汪 。 15.9 用 光 作 为 选择 工具 了 解 一 个 生物 系统 如 何 发 挥 功 能 或 确定 它 的 适应 能 力 的 界限 的 一 种 经 典 的 方法 是 干扰 这 个 生物 系统 ， 例 如 改变 营养 或 温度 等 条 件 ,， 然 后 观察 生物 系统 的 反应 。 在 前 面 各 章 中 我 们 已 经 看 到 ,为 了 了 解 生物 系统 如 何 发 挥 功能 , 光 也 是 二 种 于 扰 生 物 系 统 的 有 用 工具 ,但 是 ,在 获得 了 关于 生物 系统 光化学 响应 的 足够 知识 之 后 ,人 们 就 能 够 设计 一 些 实验 ,在 实验 申 用 光 作 为 一 个 工具 来 研究 特定 的 生物 学 或 生物 化 学 问题 例 1” 几 年 前 ;在 作者 的 实验 室 里 发 现 ,用 紫外 线 照射 细 胞 引起 了 蛋白 质 和 核酸 的 交 联 ， 这 些 研究 关系 到 更 好 地 了 解 紫外 辐射 的 致死 效应 。 最 近 , 靠 得 很 近 的 核酸 和 和 蛋白质 能 由 紫外 辐 射 引 起 共 价 交 联 的 概念 已 被 用 于 研究 酶 = 底 物 复合 物 中 蛋白 质 与 核酸 之 间 紧 密 结合 的 部 位 。 于 是 大 们 会 问 , BH tRNA 合成 酶 “位 于 ”tRNA 分 子 的 什么 部 位 呢 ? Schimmel 和 他 的 同事 用 一 系列 出 色 的 实验 回答 了 这 个 问题 @)。 ; 对 于 每 一 种 氨基 酸 至 少 有 一 个 特定 的 合成 酶 和 tRNA 为 了 防止 合成 出 改变 了 的 蛋白 质 ， 这 两 个 酶 必须 无 误 地 把 每 外 氨基 酸 连 到 它 的 同 种 RNA 上 ,tRNA 都 是 由 大 约 75 一 45 个 碱 基 构 成 的 单 链 多 聚 核 昔 酸 ， 并 且 都 折 倒 成 同样 的 碱 性 氢 键 i 合 的 三 叶 草 结构 。 关 键 的 问题 是 合成 酶 -tRNA 相互 作用 专 三 | 二 a a a * 500° 性 的 分 子 基础 是 什么 ?回答 这 个 问题 的 一 个 途径 是 测定 RNA | 分 子 中 哪些 区 域 靠近 和 哪些 区 域 不 靠近 这 个 合成 酶 的 表面 。 。 “用 紫外 线 照 射 酶 - 耻 NA 复合 物 可 形成 RNA- 蛋 白质 交 联 ， 然 Aa RE LE RAID RNA 的 TI 核糖 核酸 酶 处 理 照射 过 的 和 未 照射 的 复合 物 。 从 未 照射 的 样品 中 能 分 离 出 14 种 不 同 的 了 NA 碎片 , 但 是 紫外 线 照 射 后 ,三 种 碎片 从 色谱 图 上 消失 ,这 说 明 它 们 在 紫外 线 的 作用 下 与 酶 发 生 交 联 ， 因 此 ， 这 三 个 消失 的 碎片 的 性 质 便 告 诉 我 们 了 NA 的 什么 部 位 靠近 合成 酶 。 在 某 些 情 况 下 ,合成 酶 会 把 它 的 氨基 酸 接 到 错误 的 疏 NA 土 ， 例 如 酵母 顷 氨 酸 RNA & RAE AAR EDAD 异 亮 氨 酸 RNA 上 。 问 题 是 这 个 不 同 种 的 酵母 酶 是 以 与 同 种 酶 类 似 的 部 位 还 是 不 同 的 部 位 与 大 肠 杆菌 妇 NA 结合 的 ， 用 光化学 交 联 技术 发 现 ， 三 个 结合 点 中 的 两 个 与 同 种 复合 物 是 相同 的 ,但 另 一 个 结合 点 是 不 同 的 。. .有 大 综述 了 另外 一 些 对 特定 的 核酸 -蛋白 质 复合 物 的 结 构 关 系 的 光化学 研究 吗 ， 并 且 还 综述 了 所 有 已 知 的 无 论 是 化 学 的 还 是 辐射 引起 的 DNA 加 成 反应 ,在 综述 中 特别 谈 到 了 它 们 在 老年 学 \ 致 癌 及 放射 生物 学 领域 的 重要 性 cn。 例 2 ”5- 省 尿 喀 啶 〈BrUra) 是 胸腺 喀 啶 的 类 似 物 , 由 于 省 原子 的 大 小 与 胸腺 喀 啶 (又 称 5- 甲 基 尿 喀 啶 ) 中 的 甲 基 相 同 ; 故 细胞 可 以 把 BrUra 参 人 到 它们 的 DNA 中 以 代替 胸腺 喀 ' We (Thy). BrUra ti Thy 的 光化学 反应 性 高 ,因此 含有 这 种 类 似 物 的 细胞 比 正常 细胞 要 容易 得 多 地 被 紫外 线 ( 和 射线) 杀 Kio BrUra 还 有 另 一 个 有 用 的 性 质 , 它 的 吸收 光谱 延伸 到 大 #5 330nm, 而 Thy 的 吸收 光谱 只 能 达到 310nm。 因此 ,含有 BrUra 的 细胞 可 以 被 313nm 光照 射 钝 化 ,而 这 种 光 对 正常 细 胞 几乎 没有 影响 。 钝 化 的 这 种 选择 性 在 分 子 生物 学 中 是 一 个 © 501° 人 on r x 很 有 用 的 工具 ,下 面 举 几 例 加 以 说 明 。 Puck 和 Kao” 把 哺乳 动物 细胞 放 在 缺少 一 种 特定 营养 但 含 5- 溴 脱氧 尿 喀 啶 核 苷 的 培养 基 里 培 养 , 从 而 浓 集 它们 之 中 天 然 存在 的 需要 这 种 营养 的 突变 细胞 ,在 这 样 的 条 件 下 ,这 些 罕 变 的 细胞 将 不 能 生长 或 是 不 能 把 BrUra 参 人 它们 的 DNA 中 , 但 正常 细胞 却 是 可 以 的 。 然后 用 长 波长 的 紫外 辐射 对 这 些 培养 细胞 进行 照射 ,以 杀 死 正常 细胞 ,并 对 存活 下 来 的 突变 细胞 〈 即 不 含 BrUra 的 细胞 ) 进行 营养 缺乏 试验 。 含 BrUra 的 DNA 的 选择 性 光 解 已 被 用 来 确定 紫外 照射 后 哺乳 动物 细胞 的 DNA 修复 “补丁 "的 存在 。 紫 外 线 照 射 之 后 , 让 修复 在 含有 5- 省 脱氧 尿 喀 啶 核 苷 的 培养 基 里 进行 ， 然 后 用 313nm 光照 射 这 些 细胞 ， 如 果 所 研究 的 细胞 能 进行 切除 修复 , 则 补丁 ”里 将 有 BrUra 存在 ,而 313nm 光 的 照射 将 在 这 些 “ 补 丁 ” 的 位 置 造成 DNA 的 断裂 ， 这 些 断 裂 可 以 用 碱 性 FERRET Ee. 如 果 细 胞 不 能 进行 切除 修复 ;: 则 将 没 有 任何 BrUra BA, 因此 313nm 的 光照 将 不 产生 任何 草 链 断 2200, 关于 溴 尿 喀 了 啶 的 光化学 、 二 生生 于 的 应 用 已 有 综述 吧 。 例 3 ”细胞 受 照射 后 对 某 个 fee NO mI AE 已 被 用 于 建立 几 种 非常 有 用 的 技术 。 细胞 分 类 器 。 在 细胞 生物 学 中 , 一 个 难题 是 要 藉 给 定 的 组 织 中 获得 纯 的 细胞 群体 (例如 工 和 B 淋巴 细胞 )。 往往 不 同 类 型 的 细胞 在 其 表面 上 吸收 不 同 数量 的 染料 (例如 荧光 素 力 因此 给 出 不 同 强 弱 的 荧光 ;现在 已 设计 出 一 种 装置 ; 它 可 根据 细胞 的 荧光 特性 对 细胞 进行 分 类 , 于 是 它 能 以 每 秒 高 达 5000 个 细胞 的 速率 分 离 类 型 极 相近 的 动物 细胞 “ 包 。 使 具有 适当 荧光 的 细胞 液 滴 带 上 负电 、 正 电 或 不 带电 , 凡 带 电 的 液 滴 在 电 场 中 发 生 偏转 , 因此 落 人 不 同 的 收集 瓶 中 。 这 项 新 技术 为 细 © 502° 。 胞 学 的 研究 提供 了 更 多 的 希望 。 细胞 荧 光 计 。 在 细胞 生物 学 中 另 一 个 问题 是 测定 在 一 个 纯 的 细胞 群 中 处 于 不 同 生长 周期 的 细胞 数目 。 如 果 人 们 采用 能 与 DNA 选择 性 结合 的 荧光 染料 (例如 菲 啶 省 红 )， 则 细胞 的 菊 光 将 正比 于 它们 的 DNA 含量 。 现在 已 经 有 了 能 在 一 条 细胞 婆 流 中 测定 每 个 细胞 的 荧光 特性 的 细胞 荧光 计 , 然 后 , 按 含 不 同 数 量 DNA 的 细胞 的 数目 分 布 给 出 数据 包 。 Gi 期 的 细 胞 有 一 个 DNA 补体 , G: 期 的 细胞 有 两 个 DNA 补体 , $ 期 ( 即 DNA 合 成 期 ) 的 细胞 所 含 的 DNA 补体 数目 界 于 前 两 者 之 间 。 这 个 技术 已 被 证 明 在 研究 药物 和 辐射 对 培养 细胞 的 效应 方面 很 有 价值 。 细胞 分 类 融和 细胞 效 光 计 均 采用 激光 来 激发 菊 光 。 最 近 _ 有 人 综述 了 激光 的 其 它 生 物 学 ,光化学 和 光谱 学 的 应 用 (kK Be 沈 WR) ¢ 503 « 索 A Ba BFF (Aschoff) Mt 270282 5287 Aufbau 原理 45 氨基 酸 光 动 力作 用 115 光化学 “150 与 喀 啶 的 光化学 加 成 1465147 了 瞳 逆 转 (光敏 色素 ) 350 了 暗 破 坏 ( 光 敏 色 素 ) 350 暗 视 党 293 ARERR) 394 B Bouguer-Lambert 定律 38 WHR 29 白斑 病 FAR 247 治疗 2445245 白炽 灯 4 胞 质 环流 390 孢子 的 光 产 物 145 葵 并 艾 ( 光 动力 作用 致 冶 ) 127 比 耳 (Beer) 定律 38 Fa (Dendrocoelom lactoum) (I¢% 运动 ) 389 Fath (Planaria gomzocctbpala)( 光 激 运 By) - 389 表皮 (构造 ) 216 丙酮 (激发 态 的 结构 ) 89 病毒 不 需 氧 的 光敏 化 131 光 动 力作 用 117 抗体 、118 © 504 « 引 三 线 态 -三 线 态 敏 化 131 突变 118 ae at EO 波 函 数 50 Ky 波 数 50 nee er FH EE 玻 恩 - 奥 本 海 默 近似 52 - 不 饱和 系统 的 线性 加 成 80 不 同 波长 辐射 的 非 相 加 效应 497 C Rat] Calvin-Benson cycle 循环 436 菜豆 ( 近 尽 夜 节律 的 实验 ) 273 乔 蛾 (网 膜 外 光 感 受 ) 277 草 履 虫 尾 状 核 - 和 对 它 的 光 动 力 效应 (实验 ) 137 光 激 运动 389 草酸 铀 酰 光 化 计 -131 敏 化 剂 131 常见 的 关于 光 的 错误 概念 ”480 超 氧 化 物 光敏 化 反应 109 生物 发 光 468 超 音速 飞行 臭氧 层 的 破坏 183 一 氧化 氮 的 产生 “183 成 键 轨道 ”44，42> hRIER 43 meee KR 453,454 HAL = 85 臭氧 被 超 音 速 运输 机 破坏 183 MARA 184 被 一 氧化 氮 破 坏 183?184 臭氧 的 来 源 188 气 里 昂 对 它 的 影响 184 “ 它 的 破坏 引起 的 生物 学 后 果 185 吸收 光谱 “180 ‘4 与 核酸 和 和 蛋白质 相似 的 吸收 光谱 2 醇 类 179 光 动 力作 用 114 与 喀 了 喧 的 光化学 加 成 “146 PERIL 611085110121 存活 曲线 TS29- =~ _ ee 29 大肠 杆 菌 的 光 动 力 致死 和 紫外 线 BARB 159 菌株 K-12 164 液体 支持 的 修复 ”157 照射 时 的 温度 效应 147 D 达尔 文 与 向 光 性 380 AGRA | 存活 曲线 光 动 力作 用 的 存活 曲线 121 紫外 线 照 射 的 存活 曲线 低温 下 “148 室温 下 148,158,159,165 液体 保持 的 修复 158 基因 图 160 ， 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 最 大 产 额 145 KROES 315157 直径 ”27 致 突 ”168 紫外 吸收 27 紫外 线 致 死 13851495164 ATP 含量 “205 DNA 的 修复 ”157 大 分 子 的 合成 ”222 - 带 通 波光 片 ”15 单纯 泡 疹 (光疗 ) 248 单 分 子 光 反应 84 单 色 仪 光栅 单 色 仪 19 BARA 18 原理 图 19.41 单线 态 48 单线 态 一 单线 态 传递 ”70 单线 态 氧 PERF 121 反应 100 敏 化 剂 115 胆 蛋 白 362 胆 红 素 250 蛋白 质 光 动 力作 用 115 光化学 “150 激发 能 的 传递 72 酶 的 光化学 钝 化 154 与 核酸 的 交 联 147 aequorin 74 倒 钩 打开 “343 灯 白炽 灯 1 黑 - 光 灯 _ 11 黑 - 光 - 蓝 灯 ”12?，15 激光 95675503 金属 蒸汽 弧 光 灯 9 近 紫 外 线 灯 11?13 可 见 光 4 农用 荧光 灯 10 杀菌 灯 - 7 fT 8514 AMIE 859512513 危害 性 13 荧光 灯 5 有 色 荧 光 灯 8 远 紫外 线 灯 -13 第 工 类 和 第 开 类 光敏 化 反应 108 低 养 分 水 “188，192 电磁 辐射 谱 表 36 图 2 电 循 环 反应 82584591 HSM RAAF HR FEET IR 56 Aiea Him 58 电子 能 级 54 电子 能 量 的 传递 67 动物 光 动 力作 用 123 与 疾病 有 关 的 光敏 性 “123 对 称 性 禁 戒 跃迁 51 对 称 性 选择 定 则 51 对 抗 作用 (不 同 波长 的 辐射 ) 499 多 凌 膝 沟 藻 PBR TH 255 生物 发 光 256 生物 发 光 节 律 相 移 作 用 光谱 266 时 相反 应 262 吸收 光谱 178 多 形态 化 ”365 itm 30 DNA 与 蛋白 质 的 交 联 E Emerson 增益 417 =A 102 二 氧化 碳 的 固定 碳 3 循环 436 碳 4 循 环 .437 F Franck-Condon 原理 55 发 光 光 谱 学 462 RHR . 464 发 光 体 461 发 色 团 42 发 射 光 谱 ( 见 光谱 ) Rees 3253535374 反 键 轨道 ”45 反应 中 心 ( 光 合作 用 ) 412 放射 自 显影 222 放 氧 ( 光 系 统 .ID 426 非 绝 热 反 应 ”92 APLAR BFF 90 非 预定 的 DNA 合成 ”224 分 光 光 度 计 39 分 子 的 电子 状态 42 e 506 。 147,500 分 子 的 轨道 43 | 分 子 的 结构 和 吸收 光谱 41 分 子 的 能 级 43,554 分 子 的 势能 图 55 辐射 度 ( 定 义 ) 21 ， 浮游 动物 (水 生 光 生物 学 ) 191 浮游 植物 产量 202 趋 光 性 188 水 生 光 生物 学 190 PLCC) LBP BIE 6 Bh 臭氧 的 破坏 182 补 骨 脂 素 ABARAT 244 光敏 化 作用 “ 107?128 结构 ”129 与 核酸 的 反应 130 -. . TAIT FRB 246 复制 后 修复 基因 控制 ABH 164 哺乳 类 细胞 223 , 描述 162 模型 163... + 上 - 钙 在 生物 发 光 中 的 作用 462 全 在 机 闻 中 的 作用 33 干涉 滤 光 片 ”16 BURGE RACHA) 2615262 格 罗 撤 斯 和 德 拉 珀 定律 ”35 共振 传递 机 制 。 152 骨架 重 排 _ 82 4 yn 3 LOPE 480 光 捕 氟 ( 光 合作 用 ) 409 JE 25,528 光源 ( 见 灯 ) 酶 的 光 激活 489 用 光 作 为 一 种 选择 工具 、500 ey \ > ‘ F ao * ne ERR 238 光 的 强度 (定义 ) 20 光 的 吸收 电子 状态 4? 分 子 结构 41 经验 规律 38 “光电 倍增 管 “23 光电 管 23 光 动 力作 用 氨基 酸 115 病毒 117 Bes 114 Bam 115 动物 “122 核酸 116 - Rene 116 敏 化 剂 的 结构 112,113 5 116 食物 的 光 变 质 127 糖 类 _ 114， 天 然 光 敏感 性 ”123 细胞 水 平 “120 亚 细 胞 水 平 “119 植物 “122 fg 114 脂肪 酸 114 致 突 118 HEH 236 光 反 应 的 规则 86 光伏 打 电 池 22 光复 活 光复 活 造成 的 致 突 143 - 描述 161 光 感 受 (网 膜 外 ) 274 光合 磷酸 化 高 能 中 间 产 物 429 eeunee 429 环 与 不 循环 的 光合 光合 作用 二 氧化 碳 的 固定 136 概述 ”401 光合 磷酸 化 ，428 光合 作用 的 结构 组 织 434 光合 作用 里 的 色素 403,408 光合 作用 作为 一 种 能 源 “ 438 光化学 转化 “409 光谱 学 “414 State 409 进化 ”400 两 个 光 系 统 415 实验 443 水 生 光 生物 学 190 未 来 的 研究 ”442 光合 作用 单元 ”413 光 化 (太阳 的 ) 皮肤 的 变性 ”226 弹性 组 织 变性 226 光 化 计 2351315174 >. 光化学 77 氨基 本 150 常见 的 总 光 反 应 一 80 蛋 自 质 “150 核酸 138 结构 -反应 性 关系 ，88 Rem 140 wav 140 视觉 的 光化学 ”319 原初 光 反 应 84 光化学 里 结构 -反应 活性 的 关系 88 光 激 运动 389 光 技术 1 光疗 ( 见 光 医 学 ) 光 密度 (定义 ) 395181 光敏 化 105 第 IT 类 过 程 “108 SSE 108 概述 “98 光 动 力作 用 107 光敏 化 的 应 用 133 皮肤 _236 ORR MEME TRA AITZ RK 142 药物 引起 的 光敏 化 ， 芒 3 与 光敏 化 有 关 的 疾病 123 与 氧 无 关 的 机 制 ， 128 。 507。 光敏 化 剂 的 结构 光敏 色素 与 氧 有 关 的 机 制 107 11251135129 高 辐 照 度 响应 系统 354 光敏 色素 的 暗 逆转 ”350 光敏 色素 的 暗 破坏 ”350 光敏 色素 的 反应 349 光敏 色素 的 合成 352 光 形 态 建成 339 光 致 变色 分 子 “346 红 光 吸收 型 和 远 红 光 吸 收 型 光敏 色素 349 推测 的 分 子 结 构 348 吸收 光谱 ec 347 细胞 器 的 运动 390 异化 基因 的 激活 “357 与 膜 的 相互 作用 358 作用 部 位 ”352 光谱 (吸收 光谱 和 发 射 光 谱 ) 白菊 光 灯 6 玻璃 滤 光 片 的 透射 光谱 cc 16 不 透明 物体 482 RA 180 多 鞭 膝 沟 营 =A 40 RIT 6511512 HERR 4165 光敏 色素 346 光谱 分 析 404 褐藻 (Endarachne) 404 RE 12 40 CIridaca) 433 红 蔬 (Maripelta) 404 BAR (Pleurochloris) 404 黄 素 单 核 苷 酸 (FMN) 465 近 紫 外 荧光 灯 12 味 唑 的 吸收 光谱 57 fi ItA MK (Cholorobium sp.) 178 4M (Ulva) 404,433 明 视 觉 5 农用 灯 10 « 508 « 178 SRANBEIEKT 5 ae AF 483 RP c- 杀菌 荧光 灯 6 Bre x imsT 11 ALS 生物 发 光 6k ASHI hy (Renilla) 460 SER 466 ; Mkt 456,458 视 黄 醛 的 希 夫 碱 基 311 1I-@@BB 313 颖 时 瑟 视觉 色素 312 poe MAAR 313 > 细胞 色素 ft 415 9 胸腺 喀 啶 145 一 胸腺 喀 啶 二 聚 体 142 阳光 (不 同 的 时 间 和 地 点 )55178， 18051965367 5368 RATER 415 4& fa 4 (Rhodospirillum sphe . roides) 1785404 = © 作用 光谱 ( 见 作 用 光谱 ) P 430 415 水 P700 415 eo 光谱 重 倒 69 光谱 学 >: 34 电磁 辐射 ”35 电子 能 量 的 传递 67 HAR 35 光 的 吸收 38 光 声 光谱 学 ” 485: 激发 分 子 弛 和 耶 的 路 径 和 速率 “55 激发 分 子 的 相互 作用 62 激发 分 子 的 探测 65 练习 75 光 声 光谱 学 ”485 光 生 物 学 的 新 课题 “479 不 透明 物体 的 吸收 谱 “482 常见 的 关于 光 的 错误 概念 ”480 对 抗 作 用 499 环境 照明 对 人 的 影响 ”486 近 紫 外 线 ( 有 害 效应 ) 494 可 见 光 (有 害 效应 ) «495. a 二 ER 酶 的 光 激 活 489 免疫 学 ”487 协同 作用 498 “用 光 作 为 一 种 有 选择 性 的 工具 500 光 生 物 学 里 的 免疫 学 皮肤 癌 488 胸腺 旷 啶 光 产 物 的 探测 487 光 生 物 学 实验 ”26 HAZ 1 MICK ZU 413,419,420, 423 光 形 态 建 成 ”338 倒 钩 伸 开 345 高 辐 照度 响应 系统 “354 光敏 色素 系统 341 光 形 态 建成 的 重要 性 ”366 Zit 345 蓝光 反应 ”360 RAS hRHAaR 360 EB 345 商业 上 的 重要 性 369 实验 “372 未 来 的 研究 ”370 叶绿素 的 合成 ”345 叶片 增 大 345 | 异化 基因 的 激活 ”357 MEA 338 光学 跃迁 ”50 光 氧 化 8351005108,109 HRS ARM 245 单纯 性 泡 疹 ”248 高 胆 红 素 血 症 249 光 的 全 身 性 效应 “249;250 yee 246 皮肤 结核 :245 Br JLB 249 紫外 线 对 皮肤 的 效应 有 害 的 效应 217 有 益 的 效应 . 244 光 运 动 光 激 运动 ”380,379 光 指 向 反应 391 HEHE 379,382 实验 396 未 来 的 研究 395 细胞 器 的 运动 390 向 光 性 380 “BIKER” 450 光 指 向 反应 定义 380 海滨 跳 孟 ”394 甲壳 类 394 aS (starling) 393 wre 392 光 致 变色 分 子 光敏 色素 3465349 酶 的 抑制 剂 “491 光 周 期 性 反应 28552865287 甲醛 的 轨道 44 乙烯 的 轨道 43 国际 单位 制 3?20 果 蝇 近 层 夜 节律 ”253 羽化 的 时 相反 应 262 羽化 汕 律 相 移 的 作用 光谱 266 过 氧化 氢 ( 生 物 荧光 ) 468 H Hill-Bendall 图 417,418 BD (Hypericum) 124 海草 (生物 发 光 ) 458 #2 (Aequorea) (生物 发 光 )743460 。 核酸 对 核酸 的 光 动 力作 用 117 FEAF 138 激发 能 的 传递 ”73?1441 修复 157;30;157;223 与 蛋白 质 的 交 联 ”147 SRBSRAN RM 129 核糖 核酸 的 光化学 149,500 核 炸 弹 * 509 。 ao 一 破坏 臭氧 层 183 产生 一 氧化 碳 183 #63 407 黑 - 光 灯 11,12 黑 - 光 - 蓝 灯 12515 BARAK 223 黑 脂 膜 ”330 Sr Pe CHG BE) 红血球 (对 它 的 光 动 力作 用 ) 120,156 红 芝 “407 | 8- 胡 萝卜 素 ( 结 构 ) 406 花 青 苷 的 合成 ”354?374 化 学 发 光 反 应 449 化 学 滤 光 片 ”15 还 原 性 加 成 80 RT fe ee — FR 大 肠 杆 菌 里 它 的 最 大 产 额 145 sei 145 结构 142 细胞 冰冻 时 它 的 产 额 减少 148 形成 1425143 环 加 成 81,8559] 环境 光 生 物 学 175 对 动物 的 影响 486 对 人 的 影响 486 实验 ”210 水 生 光 生物 学 190 太阳 紫外 线 的 效应 177 换 同型 碱 突变 ”168 换 异 型 碱 突 变 168 ima IL) 249 黄 化 苗 344 RAHM (FMN) (细菌 的 生物 发 光 ) 465 黄 素 蛋 白光 系统 了 421 黄 素 型 光 受 体 361 Waa (Klinokinesis) 378 J Jablonski 能 级 图 47,60,76 ER «4275434 基态 47 * 510° 激发 的 传递 核酸 的 激发 传递 ”73?144 一 般 情 况 的 激发 传递 100 激发 的 迁移 (蛋白 质 ) 735152 激发 分 子 弛 玉 的 路 径 和 速率 55 探测 “65 相互 作用 (62 激发 分 子 的 探测 发 光 光 谱 学 65 闪光 光 解 66 激发 分 子 的 相互 作用 双 分 子 反应 ”64 微 环 境 的 影响 62 激发 复合 体 63,101 MAF 64 ; 激光 器 95145675503 YET) MOIR (GA ARE) ”22 剂量 人 射 剂 量 ( 见 注 量 ) 吸收 剂量 21 剂量 学 it 光电 器 件 22 光 化 计 2352451315174 化 学 系统 2352451315174 aR HART 26 热电 堆 21 生物 系统 ”24?25 甲醛 (分 子 轨道 ) 46 价 态 重 排 82 =. 角 陋 (紫外 线 损伤 ) 13 角质 层 216 结构 的 重 排 电 循 环 重 排 82584 骨架 重 排 82 价 态 重 排 82 截止 滤 光 片 15 金属 蒸气 弧 光 灯 9 1 NS ae | 人 eee , 锦 紫 苏 ( 近 屋 夜 节 律 ) 253 近 层 夜 节律 253 变种 260 (Phaseolus vulgaris) 273 多 凌 肤 沟 藻 CGomiahine petye: dra) 256 果 蝇 257 近 尽 夜 节律 的 启动 267 近 尽 夜 节律 的 实验 273 近 尽 夜 节律 的 调整 259,263,279 近 层 夜 节律 的 相 移 260 近 层 夜 节律 的 自行 存在 “279 近 尽 夜 钟 的 膜 模型 270 控制 近 尽 夜 节律 的 光 受 体 272 例子 “257 眼 虫 营 ， (Englena) 257 :螺旋 调 相 面 ”262 脉 孢 菌 (Neurospora) 257 HI (Pectinophoro gossyptella) 2605268 : 奇异 点 262 © PEE A IE 268,282 ADEE RBH 258 相 移 的 作用 光谱 ~” 265 HSE 279 BAVOEERDEUSE) 279 自动 分 相 269 近 尽 夜 节律 的 基因 控制 260 近 恒 夜 钟 光 对 近 昼 夜 钟 的 影响 “282 连续 的 强 光 使 钟 停止 ”282 膜 寞 型 270 近 紫 外 线 效 应 生长 延迟 294 致死 295 致 突 495 Sete 345 绝热 反应 92 AAR BF 85,90 K FFE 341,365 jE 36 关于 可 见 光 的 错误 概念 “481 光源 ( 见 灯 ) 它 的 有 害 效应 ”495 组 织 的 透 光 性 483 库仑 作用 68 昆虫 有 感知 近 紫 外 线 能 力 的 》 186 L ial ch CPA Sh HGR SE) 278 蓝光 反应 光 感 受 器 的 性 质 361 类 胡 葛 卜 素 的 合成 360 作用 光谱 361 蓝 绿营 405 类 胡萝卜 素 蓝光 反应 ”360 类 胡 葛 卜 素 的 功能 409 类 胡 葛 卜 素 对 光 动 力作 用 的 防护 120 类 胡 葛 卜 素 生 物 合成 的 作用 光谱 361 实验 374 JHE 429,434 Ree 23 亮度 (定义 ) 21 量子 产 额 氨基 酸 破 坏 的 量子 产 额 151 定义 29561594 化 学 发 光 的 量子 产 额 “452 化 学 反应 的 量子 产 额 ;91 磷 光 的 量子 产 额 61 酶 钝 化 的 量子 产 额 29，155 生物 发 光 的 量子 产 额 452 胸腺 喀 啶 破坏 的 量子 产 额 143 荧光 的 量子 产 额 : 61?422 草 光 素 的 光 动 力 效率 113 磷 光 定义 56 磷 光 的 量子 产 额 “61 磷 光 的 衰变 “25 es 5ll。， pat Fike RAW 181 Batt AeA IES we 184 滤 光 片 玻璃 滤 光 片 15 干涉 滤 光 片 ”16 化 学 滤 光 片 ”15 截止 滤 光 片 15 波光 片 的 带宽 “16 滤 光 片 的 带 通 ”15 中 性 滤 光 片 17 Az ARABIA 182 毛 氟 甲烷 的 光 分 解 184 -绿色 光合 细菌 (Cholorobium sp,)( 吸 «WED 178 绿 芝 ”408 ”螺旋 调 相 面 262 M OAR EE AA (Malpighian cell) 217 ik Te ea HBR 257 蓝光 反应 ”360 KMS bAVHAK 360 FRALWONARM 262 作用 光谱 PAD b aS VRASE FB ETE 360 启动 节律 的 作用 光谱 267 酶 的 光化学 154 酶 的 光化学 钝 化 的 量子 产 额 29 酶 的 光 激 活 489 ee | 孢子 的 光 产 物 “ 145 光 动 力作 用 ”116 环 丁 烷 型 二 聚 体 142 水 合 光 产物 140，159 与 氨基 酸 的 加 成 物 146 与 醇 的 加 成 物 146 SERED RNRM 130 ° 512" 蜜蜂 光 指 向 反应 391 | 环境 光 生 物 学 186 | 棉 蛾 mn WeRpe 253. © | 启动 角 化 节律 的 作用 光谱 267 明 视 觉 5，291 摩尔 消光 系数 氨基 酸 的 消光 系数 “152 定义 305 39 ' Oo iz ga ee 5 oe | 内 转换 58. 能 量 传递 单线 态 -单线 态 能 量 传递 70 福 斯 特 (Farster) 能 量 传递 69411 库仑 能 量 传递 ，69 Br 67. 偶 极 子 - 偶 极 子 能 量 传递 ”68 ae NAAR .70 三 线 三 线 态 能 量 传递 70 : 生物 系统 的 能 量 传 递 、 HAR 73 95 核酸 73 尼 尔 斯 芬 森 :CNielis Fi 245 逆 环 加 成 ”85 粘 菌 Dictyostelium 361. , Ze te 了 Hem 36 - 4 BF 补 骨 脂 素 治 疗 “246， 247 芒 埃 克 曼 (Gockerman) 治 疗法 246 Rirr 248 CR RRREE 治疗 243, 246 了 了 习 7s 深 ) 偶 极 子 相互 作用 68 于 覃 P A ev fife 301 WAY (Pauli) 不 相 容 原理 43,46548 BES RS 实验 ”396 13 向 光 人 性 ”380 eH 258 MERARAB 184 — 碰撞 激发 传递 71 皮肤 病理 “220 大 分 子 合成 和 紫外 线 222 构造 “216 光学 特性 ”214 BERR 227 皮肤 的 光 化 变性 ”226 日 光 的 急性 效应 217 日 光 的 慢性 效应 226 紫外 线 损 伤 ” 13?215?226 DNAS 223 皮肤 的 光敏 感性 ”236 皮肤 里 维生素 也 的 形成 ”244 片 层 434 | Wa 光 动 力作 用 116 光化学 、 140. 小 啉 证 H: 124 AB 242 P 430 ZHI 415 YAGI 420 P 700 差 光谱 415 光 系 统 工 420 Q Q ( 光 系 统 2) 424 奇异 点 “262 腔 肠 动物 的 生物 发 光 4160 HER (124 切除 修复 、 非 预定 的 DNA 合成 224 切除 修复 的 基因 控制 Ait 163 大 的 细胞 “223 切除 修复 的 描述 31?161 切除 修复 的 模型 “162 ”液体 保持 的 修复 31?157 切 赛 皮 克 海 湾 的 水 生 光 生物 学 192 。 切 赛 皮 克海 湾 里 的 光 透 区 207 趋 光 性 浮游 植物 188 昆虫 186 ” 绿 鞭 毛虫 385 WHER (Gyrodinium) .386 Tit 382 取代 反应 81 去 黄 化 345 Hie 52 R 热电 堆 21,522 人 光 变 态 反应 性 238 wt 236 光疗 245 光敏 感性 236 . 近 屋 夜 节律 “255 皮肤 瘤 ”227 Wop 217 视觉 292 人 工 脂 膜 ( 视 紫红 质 ) 330 瑞 利 散射 “186 S Stern-Volmer ER 64 SAU 195 三 磷酸 腺 昔 〈ATP) 三 磷酸 腺 音 与 光合 作用 “428 EM RIE 454 RK = RMT 205 HRA 18 三 线 态 -三 线 态 传递 “70?144?431 杀菌 灯 6?7?13 Ha DA 大 分 子 合成 222 发 病 的 时 间 进 程 217 发 病原 理 220 电子 显微镜 观察 ”222 “513。 光学 显微镜 观察 220 紫外 A 区 和 紫外 B 区 的 协同 作用 217. PERRI 96, 1785218 DNA 修复 223 mMtT 8511 闪光 光 解 ”66 生 色 基 42 生物 发 光 多 半 肤 沟 菠 的 生物 发 光 《 近 昼夜 节律 ) 256 过 氧化 物 系 统 468: 海草 的 生物 发 光 ，、458 MF RIERM., 447 腔 肠 动物 的 生物 发 光 “460 生物 的 化 学 发 光 469 © 生物 发 光 的 起 源 和 功能 472 生物 发 光 反 应 的 概述 “452 生物 发 光 反 应 的 应 用 一 474 生物 发 光 相 移 的 作用 光谱 266 xu 477 一 MRNEMARIE 464 kth 454 生物 发 光 的 衰变 475 生物 学 实验 生物 钟 学 ( 见 近 屋 夜 节律 ) 实验 和 练习 光复 活 173 光合 作用 443 光化学 概论 103 核酸 的 光化学 172, 光敏 化 108 1 3 ”光谱 学 -25 光 形 态 建 成 372 光 运 动 . 397 环境 光 生 物 学 210 近 尽 夜 节律 273 趋 光 性 ”396: wor 生物 发 光 476 9s 向 光 性 396 一 紫外 存活 曲线 “173 ss 51l14。 实验 内 容 26 时 间 尺 度 ae 光化学 802) ARTS 光 生物 学 80 光 物 理 ，80 食物 的 光 变 质 127 -SS Be 视 杆 292 fin ae EF yy MT 298 298s 天 加 离子 流 329015 degeeeg MPRA fate 315 到 视 杆 外 段 结构 的 模型 307 形态 298 ORM BPIER 40 sa RE (LEE RA HTB) KB Mi, 29K .c15-t] BER 概述 292 县 这 总 AW AED OMARA WIE 296° 局 光 刺 激 的 可 测 反应 319 明 视 觉 293 be? 明 视 觉 的 光谱 5 视觉 的 光化学 S19 | 视觉 兴奋 和 适应 的 机 制 331 视觉 色素 “310 :密林 J 3125313. 9S) 结构 310 cS. Jaa 类 似 物 318 视觉 兴奋 ; 331 I ero fh 对 酶 的 需要 ,333 9» 钙 的 作用 332 内 传递 介质 假说 331 视觉 循环 322 sf ve : 视网膜 分 子 结构 “303 adi abs NU 化 学 研究 303 Lae) © AED DHA 296 — 结构 “294 So ea 视觉 291 形态 观察 297 £ eb ares Reopeiits 13 视网膜 电 图 (ERG) 2785325, 视 锥 人 视网膜 上 视 锥 的 分 布 299 视 锥 的 类 型 343 5 eS a ee MWR 294 光化学 319 RFMD BEA E307 Mikes 313,317 势能 图 (分 子 的 )”55 盐 生 盐 杆 菌 ( 膜 ) 303 WE ACL IE”) HE FF PR 分 布 情况 ”198 光合 作用 204,407 积累 机 制 “197 趋 光 性 386 屋 行 夜 上 的 迁移 “201 双 分 子 光 反 应 ”85 水 化 电子 ”153 水 生 光 生物 学 河口 生态 系统 - 1927 Su 210 KF EAA HH «195 水 银 弧 光 灯 低压 水 银 弧 光 灯 $3 高 压 水 银 弧 光 灯 8 TREK BIMIEAT “9 “睡眠 运动 2 菜豆) 273 顺 - 反 蜡 构 化 8284 丝 状 蓝 绿营 (花丝 形成 ) 362 松 果 体 278 “一 T fR3 HEH 4136 | 碳 4 循 环 437 光 动 力作 用 114 紫外 线 的 效应 139 天 然 光 敏感 性 ABH Rw 126 额 归 | 属 腔 肠 动物 (Tubtfex) 125 fa 3A (Prototheca zopfit)126 赭 虫 属 原生 动物 (Blepharisma) 126 铁 氧 还 蛋白 〈 光 系统 I) 421 透射 率 ( 定 义 ) 39 脱氧 核糖 核酸 (DNA) 修复 的 基因 控 制 160 WwW 网 膜 外 光 感 受 277 SHED 278 未 来 的 研究 289 ELBE 277 维生素 A 的 衍生 物 11- 顺 视 黄 醛 的 吸收 光谱 304 衍生 物 的 结构 ”310 维生素 E( 防 止 氧 损伤 ) 336: 温度 敏感 的 突变 “172 Fig wim 58 无 序 生长 363 无 意义 突变 169 误 义 突变 169 X 西 格 马 (2) 型 键 重 排 84 希 夫 碱 基 CSchiff over 309 吸收 带宽 53 吸收 截面 “30 吸收 率 (定义 ) 39 细胞 对 细胞 的 光 动 力作 用 120 分 类 502 莹 光标 记 487 502 细胞 器 的 运动 “390 细胞 色素 550 (csso) ( 光 系 统 D 424 细胞 色素 bx**( 光 系统 II) 427 细胞 色素 bses 〈 光 系统 IJ 423 细胞 色素 上 SH 415 光 系 统 工 422 细胞 荧光 计 303 ARAB 58 线 色 散 倒 数 18 相 移 ( 近 尽 夜 节律 六 260 引起 生物 发 光 相 移 的 作用 光谱 261 引起 羽化 相 移 的 作用 光谱 c 202 香 豆 素 102 。515 。 VERE (chlorella) (光合 作用 ) 411 效率 光谱 (了 晒 斑 ) 98 协同 的 反应 78 协同 作用 不 同 波长 的 辐射 498 sg Shela ds 217 形态 学 SHED) DH 297 皮肤 215 Wea Fie a Whe — FR Hk 大 肠 杆 菌 中 的 最 大 产 额 ”145 二 聚 体 的 裂解 ”131 SEES HR 101 ei 131 结构 81585,5142 敏 化 二 聚 体 的 形成 ”131?142 皮肤 里 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 产生 223 异 构 体 142 修复 系统 的 缺陷 on Ba 2H Hel 光 动 力 钝 化 120 基因 位 置 图 160 HSE BFE 1 385148515851595165 «OS RR Mee CEE — FLA) 501 nS Phycomyces 光 形 态 建成 361 向 光 性 361380 选 则 定 则 对 称 性 选择 定 则 51 一 级 选择 定 则 52 自 旋 选择 定 则 51 If AP aK 红血球 的 光 致 溶血 121 人 的 光敏 123 肿瘤 的 光疗 127 荨 麻 症 (阳光 引起 ) 239 X 射 线 153 X 射 线 衍 射 ( 视 网 膜 ) 303,308 ¥ oF Fel) HE CB Fa BF fk) - 5166 芽孢 分 生 的 近 尽 夜 节律 252 芽孢 分 生 的 时 相反 应 262 引起 节律 的 作用 光谱 二 268 亚 细 胞 水 平 ( 光 动力 作用 ) 119 HEIR RIECK TERA) 410. PEC ARS IER SZ) 279. 榴 优 的 生殖 系统 ( 光 的 影响 ) 287 查 泡 罕 丸 的 重量 (年 循环 ) 286 . 眼 (视觉 ) 292 AR 3% (Englena) are HBR 257. - 趋 光 性 385 me 实验 396 HRA 实验 396 向 光 性 380 和 燕 党 属 (网 膜 外 光 感 受 ) 279 阳光 臭氧 层 的 小 光 作 用 180 1 ji 达到 地 球 的 最 短波 长 136 不 届 太阳 棵 外 线 增加 的 生物 学 后 时 185 胸腺 喀 啶 二 来 体 的 产生 223 阳光 的 光谱 551785180519653675368 造成 进化 的 光谱 强度 77 养分 丰富 的 水 1795187,51925200 RARER (KHER) 315158 © 叶绿素 an 切 赛 皮 克海 湾 里 叶绿素 的 分 布 198 切 赛 皮 克 海 湾 里 叶绿素 的 荧光 198 体内 叶绿素 的 状态 403 天 然 水 中 叶绿素 的 测量 203 天 线 叶 绿 素 413 叶绿素 的 合成 ( 光 控 ) 1345 叶绿素 的 结构 406 叶绿体 光合 作用 434 HEA 391 . 叶片 增 大 345，366 Fh 一 级 选择 定 则 52 一 氧化 所 由 超 音速 运输 机 产生 的 一 氧化 氨 Blt i be se. ae on — pat! 183. “BBR HEP At — IL 183 ih on a EIA 182 由 字 宙 线 产生 的 一 氧化 所 ”181 与 臭氧 的 反应 1182 PRR (Elodea) (叶绿体 的 运动 ) 390 乙烯 分 子 轨道 43 激发 态 的 结构 89- 校正 基因 的 突变 171 异 构 化 ( 顺 - 反 ) 825 84 荧光 氨基 酸 的 荧光 73 定义 56 细胞 的 荧光 标记 487?502 荧光 的 量子 产 额 ”61 PIG cy v0 BRCRGBMERR) 380,396 A ARI 9 羽化 委 蛾 (网 膜 外 光 感 受 ) 277 果 蝇 拂晓 前 257 ， -三维 调 相 面 264， 时 相反 应 ” 262 相 移 的 作用 光谱 ”265 原初 光 反 应 单 分 子 反 应 ,协同 反应 84 MAFRM 85 原初 光 反 应 的 规则 86 Rite ”50 月 光 的 强度 281 Z 早期 感受 器 电位 ”326 MARSA 362 BARKCAW) 406 MA 多 形态 化 ”365 光合 作用 BAR 407 蓝 绿 菠 ”405 3% 408 HUBER 362 . Hee PIG BR RHE CI _ (364 趋 光 性 ( 眼 虫 蒙 ) 385,397 水 生 光 生物 学 190 形成 营 丝 体 的 光 逆 变 作 用 光谱 364 Bz 362 增益 (光合 作用 ) 417 罕 化 灯 的 输出 光谱 14 单 色光 源 14 单 色 仪 18 滤 光 片 15 着 色 人 性 王 皮 症 致癌 倾向 “227 DNA 修复 能 力 的 缺陷 223 真皮 层 “215 RBA 53 振动 能 级 53 振子 强度 50554 脂 ( 对 脂 的 光 动 力作 用 )》 114 脂肪 酸 ( 光 动 力作 用 ) 114 直 向 运动 378 植物 对 植物 的 光 动 力作 用 “122 光合 作用 (色素 ) 407 植物 的 光 透 性 484 C3 植物 437 植物 生长 素 3805396 滞 育 (Diapause) 277 致癌 RABARKB 185 光敏 化 剂 和 致癌 “126?130 皮肤 “227 阳光 引起 的 癌变 “18> 遗传 素质 231 着 色 性 干 皮 症 “231?235 Bess MAH 172 紫外 线 诱导 的 癌变 三 232 致 突 光 动 力作 用 \ 光 复活 和 致 突 143 Heinle FE “168 换 异 致 突 168 湿度 敏感 的 突变 种 172 无 意义 突变 -169 误 义 突变 ”169 研究 的 方法 170 移 码 突变 种 ”169 影响 大 肠 杆 菌 修 复 的 突变 160 有 条 件 的 致死 性 突变 种 172 致癌 的 基础 169 致 突 的 基因 控制 “169 RRR 〈 光 系统 MW) 425 质 体 蓝 素 差 光 谱 415 HAB1 422 中 性 滤 光 片 17 HRM] (fovea) 299 种 子 萌发 促进 萌发 的 作用 光谱 345 光 形 态 建成 339 萌发 实验 “373 :2 抑制 萌发 的 作用 光谱 ”345 注 量 ( 定 义 ) 20 注 量 率 ( 定 义 ) 20 转动 能 53 | a6 5 on (Rhodospirillum sphe- roides) 〈 吸 收 光谱 ) 178 紫外 A 区 (320—400nm) 214 紫外 B 区 (290—320nm) 216 紫外 C 区 (< 290nm) 218 紫外 线 的 效应 氨基 酸 150 蛋白 质 153 核酸 146 环境 176 角膜 13 mete eI 140 实验 .172 脱氧 核糖 «139 . 518. 维生素 了 的 合成 244 紫外 线 引起 皮肤 损伤 的 病理 学 220 自 旋 - 罗 道 耦合 ”52 自 旋 禁 藉 跃 迁 “51 自 旋 选择 定 则 51 自由 基 反 应 85,86,90,91,108, 9 总 光 反 应 SEK 83 ae 还 原 性 加 成 “80 于 二 swe - Tee 电 循环 重 排 - fbi 9 ARE 820 价 态 重 排 82 oN: 裂解 43 OS RAR 81 “二 汪 异 构 化 ( 顺 - 反 ) 82584,90 与 不 饱和 系统 的 环 加 成 81 与 不 饱和 系统 的 线性 加 成 80 feRDOR Oh AS: KB RBRN~ 定义 325,96 mn 类 胡 葛 卜 素 生 物 合成 的 过 ”360 皮肤 变性 的 一 “220 下 半 晒 斑 ( 红 斑 ) 的 一 98?178;218 生物 发 光 节 律 相 移 的 一 265 marny~ 3236 网 膜 外 光 感 受 的 一 §278 AGRE] (M - radiodurans) BR 的 一 149) 2 eee 效率 光谱 298 抑制 下 胚 轴 生长 的 一 ， 356 引起 节律 活动 的 一 “268 引起 卵 钱 化 的 一 、268 羽化 节律 相 移 的 一 “266 治 类 形成 藻 丝 体 的 一 “364 种 子 萌发 的 一 “345，346 作用 光谱 测定 中 的 问题 32, 96 Z 图 4185417 Gh wit) re 5 OE Le se eC ll 了 ~ J. 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