以後這類的系列文章會非常硬核，硬核玩家可以狂喜了。
對於魚友來說，最關注的東西大概就是珊瑚生長和發色，生長的事情太繁雜散亂了，咱們可以來先說說發色的事情。發色這個事情也算是智商稅重災區了，這個我已經吐槽過無數次了，畢竟隨便拿點各種鹽配一配就能賣高價這種事情簡直不要太爽。可是對於真正的螢光蛋白、色蛋白來說，它們與魚友想像的卻大不一樣，歸功於螢光蛋白在生物學研究裡已經得諾獎的巨大應用，螢光蛋白的結構，光學特徵、化學性質等等已經被學界了解的非常清楚了，但是對於螢光蛋白在珊瑚體內起到的功能，珊瑚對螢光蛋白的調控機理我們所知的卻非常少。為了徹底破除大家對一些補劑、玄學的迷信，為了對科學知識、精神的傳播，我就來寫一個螢光蛋白、色蛋白的系列科普，今天第一篇就從螢光蛋白的結構、進化說起。
和大多數魚友想像的不同，螢光蛋白的種類可以說是五花八門，目前已經確定的螢光蛋白有幾百種之多，這個可以參考下我以前寫過的珊瑚螢光蛋白的文章。同樣看起來是綠色的螢光蛋白，它們的激發和發射光譜、激發效率、斯託克斯位移等等可能完全不一樣。但是有趣的是，光學特性上大相逕庭的這些蛋白，不管是藍的、綠的、黃的、紅的，甚至包括那些五顏六色的色蛋白，它們在化學結構、組成上卻極為類似。[1]。
它們基本上都由約230個胺基酸組成，可以說是很小的蛋白質分子了。結構上我們可以認為螢光蛋白的結構主要由兩部分組成，蛋白質骨架和其發色基團，蛋白質骨架基本上都是11鏈β桶結構，這十一條鏈交織在一起形成了一個圓桶狀的結構（下圖）。通過將發色團與周圍的水分子隔離，蛋白質骨架有助於防止在激發態下可能發生的碰撞猝滅。同時，一些發色基團在蛋白質疏水核心內部的深處也使它免受環境危害，例如滷化物和水合氫離子，這些離子往往會通過改變其離子化狀態而降低總螢光。還有我們的老朋友活性氧（ROS），也有破壞發色團（即被光漂白）的能力，蛋白質骨架也能夠保護髮色團不受ROS損害。[2]
A 著名的維多利亞水母的GFP蛋白的β桶狀結構示意圖，右側放大圖的是發色團在受到370-400 nm光線照射時的激發態異構體發出綠色螢光（右）。B 是發色基團的形成機理
除了蛋白質骨架以外，就是發色團了，發色團的分子量也很小，結構也不是非常複雜。而且發色團結構的細微改變就能夠使得螢光蛋白的螢光特性完全不同，可以看下圖，發色基團結構上的非常細微的變化就可以使得螢光蛋白的顏色從藍色到青色到綠色到黃色到橙色到紅色。
再看這這個圖（下圖），僅僅一個胺基酸的差別，把兩種螢光蛋白的第167個胺基酸替代成穀氨酸以後，A圖的青色螢光蛋白吸收峰和發射峰都發生了很大的偏移，吸收峰從425偏到了485nm，發射峰從490變成了500nm，變得更綠了。而B圖的青色螢光蛋白發射峰倒是基本沒變，吸收峰從吸收藍光變成了吸收紫外線。
除了螢光蛋白分子本身的組成結構會影響以外，螢光蛋白分子所處的微環境中的一些物質比如一些小分子的多肽還有一些胺基酸分子等等（別想了，這裡面不包括魚友覺得有用的那些金屬離子）對於成熟發色團的形成以及適當的功能也是必不可少的。發色團周圍的胺基酸在成熟過程中通過穩定催化中涉及的幾個官能團發揮關鍵作用（別瞎想了，人工加進去的胺基酸也不太可能會對螢光蛋白產生什麼影響）。
除此之外，螢光蛋白還有一些非常有趣的光學現象
比如一些螢光蛋白是光誘導的，比如下圖A中的PA-GFP，在初始狀態下是沒有螢光的，但是在紫外線照射後，它的發色團就會發生氧化脫羧，不可逆的轉化成綠色螢光蛋白。下圖B中的發色團各位魚友一定見過，這個Kaede的紅色發色基團就是從八字腦（峇里腦）中分離出來的，你平常看到的八字腦的紅色就是這種基團帶來的。這個基團在黑暗中生成的時候是綠色螢光的，但是在400nm波長的紫外照過以後π共軛體系會發生一些變化使得其產生紅色螢光，同樣的這種變化是不可逆的。
還有一些螢光蛋白的變化是可逆的，可以通過某些手段像開關一樣打開關閉。
比如像這個Dronpa發色團，這個發色團可以形成順反異構兩種同分異構體（還記得中學化學學的同分異構體，順反異構這些東西吧）。當分子處於順式構型的時候可以發出綠色的螢光，當強烈的藍光（488 nm）照射後該基團會變成反式構型的異構體變成為非螢光的「關閉狀態」（灰色）。那麼要如何打開這個開關呢，只要將這個發色基團暴露在低水平的紫外線（405Nm）下，基團又可以從非螢光的反式構型重新便會有綠色螢光的順式構型。你看，是不是很神奇。
所以你們看，看起來顏色大相逕庭的螢光蛋白，甚至是色蛋白，其實他們的結構組成都非常類似，都是一個非常類似的蛋白質骨骼加上看起來大同小異的發色基團組成的。那麼他們為什麼那麼類似呢？這是因為這些螢光蛋白、色蛋白具有高度的同源性。這是什麼意思呢，可以看看下面這張用各個螢光蛋白克隆出來的序列做的系統發育樹 [3] 。
這個系統發育樹上包含的這些螢光蛋白大致上可以說明，各種螢光蛋白，包括色蛋白（就是紫色的那幾個），其遺傳上的差距都不是很遠，各個螢光蛋白在系統發育樹上所處的位置也與他們所屬的珊瑚在珊瑚的系統進化樹上高度類似（除了亂入的那個Zoanthidea），說明了螢光蛋白也是隨著珊瑚一起進化的。而且這些螢光蛋白、色蛋白具有共同的祖先，這個最早的綠色螢光蛋白目前我們已經知道最晚從侏羅紀開始就已經出現了。從已知序列反推回去的數據顯示最原始的那種螢光蛋白是一種綠色螢光蛋白，最大發射峰為505-506 nm（右圖），激發峰值在493-495 nm處（左圖）
反推預測出來的螢光蛋白祖先序列跟現在的各種螢光蛋白、色蛋白之間序列差別8–12％左右，相似性還是很高的。
也就是說現在的所有螢光蛋白、色蛋白都是從一種綠色螢光蛋白進化來的，那麼珊瑚為什麼要讓自己變得五顏六色呢，目前已經有研究表明珊瑚進化出這麼多亂七八糟顏色的蛋白是受環境壓力選擇產生的[4]，那麼到底是什麼樣的環境壓力導致的呢？請聽下回分解。
還有那個魚友們最關心的問題，這些結構、組成跟魚友覺得有用的金屬離子可以說是半毛錢關係都沒有，所以哪裡來的從分子層面影響螢光蛋白呢？這個謠言可以休矣。
參考文獻：
[1] Lukyanov K A, Chudakov D M, Fradkov A F, etal. Discovery and properties of GFP-like proteins from nonbioluminescent anthozoa.[J]. Methods of biochemical analysis, 2005: 121-138.
[2] Sample V, Newman R H, Zhang J, et al. Thestructure and function of fluorescent proteins[J]. Chemical Society Reviews,2009, 38(10): 2852-2864.
[3] Alieva N O, KonzenK A, Field S F, et al. Diversity and evolution of coral fluorescentproteins.[J]. PLOS ONE, 2008, 3(7): 1-12.
[4] Field S F, Bulina M Y, Kelmanson I V,et al. Adaptive Evolution of Multicolored Fluorescent Proteins in Reef-BuildingCorals[J]. Journal of Molecular Evolution, 2006, 62(3): 332-339.