鱼类发光现象的机制?和生物学意义?

发布网友发布时间：2022-05-23 14:53

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热心网友时间：2023-10-26 00:38

绿色荧光蛋白分子的形状呈圆柱形，就像一个桶，负责发光的基团位于桶*。装在“桶”中的发光基团对蓝色光照特别敏感。当它受到蓝光照射时，会吸收蓝光的部分能量，然后发射出绿色的荧光。
在大自然中，具有发光能力的生物有不少，萤火虫是陆地上最为人所熟悉的发光生物。在海洋里，某些水母、珊瑚和深海鱼类也有发光的能力。事实上，大多数动物的发光机制是两种物质——荧光素和荧光素酶——合作产生的结果。不同发光生物的荧光素和荧光素酶结构是不一样的。因此，这些生物的发光本领，只能是它们自己的“专利”。
二十世纪六十年代，日本科学家下村修从美国西岸打捞了大量发光水母，带回位于华盛顿州的星期五港实验室中进行研究。这些水母在受到外界的惊扰时会发出绿色的荧光，这位科学家希望找到这种水母的荧光素酶。然而，经过长期的努力，仍然毫无收获。他大胆地假设，这种学名叫Aequorea victoria的水母的发光机制也许并不是常规的荧光素/荧光素酶原理。他想，可能存在另一种能产生荧光的蛋白。此后，他进行了更多的实验，终于搞清楚了，在这种水母的体内有一种叫水母素的物质，在与钙离子结合时会发出蓝光，而这道蓝光未经为人所见就已被一种蛋白质吸收，改发绿色的荧光。这种捕获蓝光，发出绿光的蛋白质，就是绿色荧光蛋白。
绿色荧光蛋白的发光机理比荧光素/荧光素酶要简单得多。一种荧光素酶只能与相对应的荧光素发光，而绿色荧光蛋白并不需要与其他物质合作，只需要用蓝光照射，就能自己发光。
在生物学研究中，科学家们更多的是利用这种能自己发光的荧光分子来作为生物体的标记。将这种荧光分子通过化学方法挂在其他不可见的分子上，原来不可见的部分就变得可见了。生物学家一直利用这种标记方法，把原本透明的细胞或细胞器从黑暗的显微镜视场中“纠出来”。
可惜的是，传统的荧光标记在发光的同时，会产生具有毒性的氧自由基，导至被观察的细胞死亡，这叫做“光毒性”。因此，在GFP发现以前，科学家们只能通过荧光标记来研究死亡细胞静态结构。相反，GFP的光毒性非常弱，非常适合用于标记活细胞。生物学家们可以用GFP来标记几乎任何生物分子或细胞，然后在蓝光照射下进行显微镜观察。原本黑暗或透明的视场马上变得星光点点——那是被标记了的活动目标。对生物活体样本的实时观察，在GFP发现和应用以前，是根本不可想象的。
然而，自GFP发现起经过了二十多年，才有人将其应用在生物样品标记上。1432年，道格拉斯•普莱沙克隆出了GFP的基因序列。1443年，在普莱沙的基础上，马丁•沙尔菲成功地通过基因重组的方法使得除水母以外的其他生物（如大肠杆菌等）也能产生GFP，这不仅证实了GFP与活体生物的相容性，还建立了利用GFP研究基因表达的基本方法，而许多现代重大疾病都与基因表达的异常有关。至此，生物医学研究的一场“绿色*”揭开了序幕。
此后，谢尔盖•路基亚诺夫又从一种珊瑚中分离出了与绿荧光蛋白类似，但能发出红色光的荧光蛋白，预示着荧光蛋白可以有不同的颜色。美籍华人钱永健系统地研究了绿色荧光蛋白的工作原理，并对它进行了大刀阔斧的化学改造，不但大大增强了它的发光效率，还发展出了红色、蓝色、*荧光蛋白，使得荧光蛋白真正成为了一个琳琅满目的工具箱，供生物学家们选用。目前生物实验室普遍使用的荧光蛋白，大部分是钱永健改造的变种。有了这些荧光蛋白，科学家们就好像在细胞内装上了“摄像头”，得以实时监测各种病毒“为非作歹”的过程。