賓美學堂2：蛋白質不應該是“白”色,藻膽蛋白為什么會有顏色?

   日期：2018-09-06

文章摘自 Algaengineer 微藻技術與產業  原標題：高營養的藻膽蛋白為什么會有顏色，蛋白質不應該是“白”色的嗎？

藻膽蛋白通常具有鮮艷的天然顏色和發出熒光的特性，使得它們常作為食品天然著色劑應用于食品領域。目前，市場上知名度比較高的，應用比較廣的是藻藍蛋白。但為什么這些蛋白質會呈現出多種不同的顏色呢？

一般在人們印象中蛋白質應該是無色透明，加熱或其他方式讓它變性后通常會變成乳白色，例如雞蛋的蛋清。然而，藻膽蛋白——藻藍蛋白、藻紅蛋白等，卻具有鮮艷、明亮的藍色、紅色、青色等多種色彩。

為什么藻膽蛋白會有顏色？

原來，藻膽蛋白由無色的脫輔基蛋白和藻膽色素緊密交聯組成，藻膽色素通常稱為藻膽蛋白的發色團（Chromophore），是一種線性開鏈的四吡咯結構，會吸收特定范圍的可見光，而不被吸收的光被反射回來被人眼所看見，這就是為什么藻膽蛋白呈現出不同顏色的原因所在。

四吡咯結構也是組成血紅素的基礎結構，血紅素使得血紅蛋白呈現出紅色。因此，像藻藍蛋白、藻紅蛋白、血紅蛋白等具有顏色的以色素作為輔基的復合蛋白通稱為色素蛋白。

藻膽蛋白通常有四種，分別為藻紅蛋白，藻藍蛋白、別藻藍蛋白及藻紅藍蛋白。

大家都知道不同波長的光顯示出不同的顏色，如下所示

藻紅蛋白通常呈現出紫紅色，它一般含有藻紅膽素和/或藻尿膽素，主要吸收波長450~620nm左右范圍的可見光，主吸收峰為540-570nm。因此，未被它吸收的主要是紫光區和紅光區波長的光，我們看到藻紅蛋白呈現出鮮艷的紫紅色。此外，它還發射出峰值為575-585nm的熒光。

藻紅蛋白的吸光特性及熒光特性（實線為吸光值，虛線為熒光強度值）

藻藍蛋白通常呈現出藍色，別藻藍蛋白通常呈現出藍青色，它們一般含有藻藍膽素和/或藻紫膽素。藻藍蛋白主要吸收波長500~680nm左右范圍的可見光，主吸收峰為610-620nm。別藻藍蛋白主要吸收波長500~700nm左右范圍的可見光，主吸收峰為651-655nm。它們幾乎不吸收450-500nm波長的藍和青光區范圍的光，因此藻藍蛋白和別藻藍蛋白通常顯示出藍色或藍青色。（下圖：實線為吸光值，虛線為熒光強度值）

                            

       藻藍蛋白的吸光和熒光特性曲線                                               別藻藍蛋白的吸光和熒光特性曲線

 

藻細胞內藻膽蛋白的生物學功能

藻膽蛋白是藻細胞的捕光色素蛋白，即幫助藻細胞吸收光能，并傳遞光能到光合作用反應中心，使得藻細胞開展光合作用反應。

微藻細胞中，藻膽蛋白按照一定順序排列并通過連接蛋白銜接而組成藻膽體，位于細胞光合作用區域的類囊體膜上。

一般藻膽體的中心為別藻藍蛋白組成的核，外周為6根由藻藍蛋白和藻紅蛋白組成的天線桿。光能傳遞從外周的藻紅蛋白傳遞到藻藍蛋白再傳遞至別藻藍蛋白。在某些藍藻中，沒有藻紅蛋白，但有與其類似的藻紅藍蛋白。

在藻細胞內，藻紅蛋白和藻藍蛋白通常以更加穩定的六聚體的形式存在，而別藻藍蛋白通常以三聚體的形式存在。

藻膽蛋白的聚合體生化結構模型

（絲帶狀的表示蛋白，球體狀的表示發色團即藻膽色素，絲帶狀的不同顏色表示每一個不同的單體蛋白）

藻膽體除了吸收和傳遞光能外，在高光條件下，還具有光保護的功能，避免光合系統被強光所破壞，同時，在營養缺乏條件下（如缺氮源），藻膽體會被降解，為藻細胞的生長提供營養。因此，為了藻細胞多產藻膽蛋白，微藻生長所需的營養條件得需要充分滿足。

相關信息

2017年10月19日，清華大學生命科學學院隋森芳教授研究組在《自然》（Nature）雜志上以長文（Research Article）形式在線發表題為《海洋紅藻藻膽體的結構》（Structure of phycobilisomefrom the red alga Griffithsia pacifica）的研究論文，報道了世界上完整藻膽體的近原子分辨率的冷凍電鏡三維結構，為揭示藻膽體的組裝機制和光能傳遞途徑奠定了重要基礎。