趣味化學課堂

姚秋麗 王安俊

摘要：化學課程的教學可以與各種本質上是化學反應的生命活動結合起來，從而加強課程的應用性與趣味性，引導學生應用化學理論知識探究各種現象背后的本質規律。文章從分子水平去解析生命體所涉及的各種顏色：主要通過色素分子的化學變化過程重點探討與人類密切相關的眼睛、皮膚、毛發、血液及肌肉的顯色反應機制，并應用相關原理解釋與顏色相關的醫學現象，為化學課程的教學提供有意義的趣味素材。

關鍵詞：化學反應；顏色；色素；虹膜；血液

文章編號：1008-0546（2021）12-0094-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.024

*本文系遵義醫科大學教育教學改革項目（XJJG2018-02-016）研究成果。

化學課程的教學面臨著知識點抽象枯燥、與現實生活聯系不密切，導致課堂教學乏味、學生學習積極性低迷等問題。如何充分發掘化學與生活、生命科學之間的聯系，并將這些素材應用到化學課堂的教學當中顯得尤為緊迫。基于該現狀，本文將從化學結構變化角度去解釋與生命活動息息相關的顏色變幻機制，并應用相關化學原理解釋與顏色相關的醫學現象，為化學與生物醫學的教學工作架起一座橋梁。

生命體的顏色在居多方面與遺傳及環境密切相關，“飛鴻影下，青山綠水，白草紅葉黃花”，各種顏色無不體現著繽紛多彩的生命活動，如體溫調節、免受紫外線輻射、社交信號、防御等等。這些顏色變化背后對應著一連串讓人著迷的分子結構變化。

顏色包括由色素產生的化學色以及由納米結構產生的結構色[1]。化學色中最常見的色素是黑色素以及類胡蘿卜素。黑色素分為真黑色素（顯黑、黃色）和褐黑色素（顯紅、黃色）；類胡蘿卜素由植物合成，屬于多烯類化合物，主要吸收藍光，顯示出長波長的亮紅色、橙色以及黃色。而結構色是由折射率不同的納米結構散射造成的，可產生從紫外光到紅光的光譜，大多數藍光、紫光、紫外光以及色彩斑斕的光是由結構色產生。但二者通常相互結合而顯色，比如冷血脊椎動物具有三維的多層表皮，表皮中同時有多種色素，表皮色素單元之間的作用可產生多種顏色。此外，色素與蛋白的相互作用也可能產生新的顏色[2]。化學色及結構色這兩方面的因素決定了動物的表觀顏色。

一、眼睛的顏色

1.虹膜的呈色機制

虹膜，以希臘神話中的彩虹女神命名，是眼睛中呈色的部位，通常分為藍色、綠褐色、棕色這三大類。虹膜形態學上由外至內可分為虹膜前緣層（anterior border layer，ABL）、基質層（stroma）、括約肌（sphinc？ ter）、擴張肌纖維（dilator muscles fibers）以及后色素上皮層（posterior pigment epithelium，PPE）[3]。正常情況下PPE層的虹膜色素上皮細胞（iris pigment epitheli？ um，IPE）擁有最高含量的色素，能吸收過量的光，起到保護視網膜的作用，對虹膜的顏色影響很小。

決定虹膜表觀顏色的主要是虹膜ABL及基質層[4]：這兩層組織中色素的濃度越高，光被吸收得越多，虹膜呈現越深的棕色；而在藍色等淺色的虹膜中，這兩層的色素濃度幾乎為零，光入射到PPE并反射回基質層，較長波長的光（如紅光）被深色的基質層細胞吸收，而短波長的光（如藍光）被散射出來使虹膜顯藍色。白患病個體中ABL及PPE均沒有色素，光不被吸收，入射光將反射出血管的紅色，虹膜顯示紅色。可見，虹膜是化學色及結構色的綜合結果。此外，虹膜的厚度及密度、白色膠原纖維聚集程度、虹膜前緣層及基質層中組織缺損斑塊等因素都對虹膜的呈色產生影響。

2.黑色素的合成機制

可以看出黑色素對表觀顏色起決定性作用，深色虹膜中真黑色素與褐黑色素的含量比較淺色虹膜的比例高。它們在體內的合成過程是苯丙氨酸在苯丙氨酸羥化酶（PAH）催化下形成酪氨酸；酪氨酸被酪氨酸酶（TYR）或氨酸羥化酶1（TH-1）催化氧化為L-多巴；后者可進一步被TYR催化氧化為多巴醌，多巴醌的鄰二酮結構不穩定，通過分子內環化為多巴色素。大多數多巴色素被酪氨酸酶相關蛋白-2（TRP-2）催化脫羧為5，6-二羥基吲哚，后者繼而被氧化為吲哚-5，6-醌；少部分多巴色素被轉化為5，6-二羥基吲哚-2-羧酸，后者被酪氨酸酶相關蛋白-1（TRP-1）催化氧化為吲哚-5，6-醌-2-羧酸。最后吲哚類真黑色素前體聚合成結構復雜的真黑色素（圖1）。當半胱氨酸參與反應時，它與多巴醌反應經環合、脫羧反應轉化為半胱苯并噻唑或噻嗪衍生物，進而聚合生成顏色較淺的褐黑色素[5]。

在中醫當中，虹膜診斷是望目辨證的客觀依據之一，可用于疾病的診斷[6]。色素缺失或色素帶的沉積可能導致虹膜的顏色發生改變，這可提示機體的病變情況：在白化病患者中，TYR缺乏或該酶的活性組分銅離子代謝紊亂，機體難以合成黑色素，皮膚及毛發接近白色，虹膜則顯示紅色；而白癜風患者皮膚中的黑色素細胞被破壞，導致皮膚出現白斑；此外，虹膜異色癥患者兩側虹膜的色素沉淀分布不一樣，導致雙眼顏色不一樣。

3.視覺識別的化學變化機制

眼睛辨認顏色的機理涉及十分有趣的烯烴異構化反應（圖2）：維生素A在體內可被氧化為維生素A醛（亦即11-順視黃醛），在視網膜中親脂性的11-順視黃醛可與視蛋白的疏水性口袋結合，并通過醛基與氨基的脫水縮合反應形成亞胺衍生物，該產物是紫紅色的，因此被稱為視紫紅質[7]。視紫紅質中共軛烯烴的結構能吸收各種波長的可見光，因此它是視桿細胞中的光敏性物質。當視紫紅質吸收光子，順式烯烴結構異構化為全反式結構，引起視紫紅質構象變化，啟動大腦的神經沖動，形成視覺。全反式視紫紅質由于鏈伸長，失去了視蛋白疏水性口袋的保護作用，隨之被水解為全反式視黃醛以及視蛋白，前者可相繼被視黃醛酶及異構化酶催化轉化為維生素A，也可在光作用下在視網膜中被異構化酶催化轉化為11-順視黃醛。視紫紅質的形成與破壞速度相等，從而使動物維持視覺。

由于視黃醛在轉變過程中有損耗，當維生素A不足時，可引起夜盲癥。動物體特別是魚肝油中維生素A含量高，植物中的胡蘿卜素也是維生素A合成的前體，因此，可通過這些食物補充維生素A。

二、皮膚的顏色

與虹膜類似，黑色素在皮膚的顏色中起著決定性的作用，色素細胞越多，皮膚的顏色越深。膚色的差異主要由遺傳因素決定，而造成膚色的基因進化的主要因素是環境的影響——接近赤道的人膚色深，濃度高的黑色素能起到抵抗紫外線輻射，避免皮膚癌、日曬紅斑等作用，同時也能減少紫外線對孕婦體內葉酸的破壞；遠離赤道的人進化出色素較少的膚色，有利于人體吸收陽光中的紫外線，促進皮膚中的脫氫膽固醇轉化為生命活動必須的維生素D[8]。

當皮膚受到太陽光照射后，表皮黑色素被氧化并進行重新分布，同時，紫外輻射可刺激黑色素細胞的增值、促進TYR的合成并提高其活性，因而持續的日照會促使黑色素合成、色素沉著，使皮膚顏色加深，在一定程度上能阻止紫外線進入皮膚，但黑色素過度增加可能增加黑素細胞瘤的危險。

基于上述原因，多種美白產品被開發應用（圖3），如維生素C能還原多巴醌為L-多巴，從而抑制黑色素的合成；苯二酚衍生物（對苯二酚、4-甲氧基苯酚、對芐氧基苯酚、熊果苷、兒茶素）作為TYR抑制劑能抑制黑色素的合成；物理防曬產品如氧化鋅、二氧化鈦能有效阻擋紫外線入射皮膚；化學防曬劑如二芳基酮等能夠將紫外線的能量吸收從而達到防曬的功能。

三、毛發的顏色

與眼睛、皮膚類似，毛發的顏色也主要是由黑色素的濃度及種類決定，不過，發色除了與黑色素有關之外，還與金屬離子有關：亞洲人含有較多銅、鐵等元素，頭發呈黑色；美洲印第安人的棕紅色頭發主要含有銅、鈷元素；歐洲白人含銅多者為紅色、含鈦多者為金色[9]。

毛發顏色的改變自然與黑色素及離子的濃度相關：如前所述，在白化病中TYR缺乏導致毛發呈白色；另外，如果機體中銅離子缺乏，酪氨酸酶的活性也將受到影響，可引起白發病；當酪氨酸原料不足，也可引起白發。此外，環境的改變也會引起毛發中金屬離子濃度的改變，從而引起發色的變化。

四、血液或肌肉的顏色

1.血液或肌肉的呈色機制

在血液或肌肉中，與顏色形成聯系最緊密的是血色素。其中，脊椎動物和部分無脊椎動物中的血色素是紅色的，稱為血紅素，血紅素是血液中血紅蛋白或肌肉中肌紅蛋白的輔基。血紅素由卟啉分子與Fe2+螯合而成（圖4），該Fe2+可形成6個配位鍵，它分別與卟啉的4個吡咯環上的氮原子以及球蛋白中組氨酸殘基的咪唑環的N原子配位。

血紅蛋白由四個亞基組裝而成，每個亞基包含一條肽鏈和一個血紅素分子，四條肽鏈在生理條件下盤繞折疊成球形，又稱為球蛋白，它把血紅素分子包裹在內部。當氧氣從肺部擴散到動脈時，血紅蛋白的Fe2+與O2鍵合，形成氧合血紅蛋白，每個血紅蛋白可結合4個O2分子，O2濃度越高，顯現出來亞鐵離子的鮮紅色越鮮艷；在靜脈血中，細胞利用O2并代謝出高濃度的CO2，此時，Fe2+釋放O2，水分子從卟啉環下方與Fe2+配位，血液變為暗紅色（圖4）。

與血液的顯色原理類似，脊椎動物肌肉的顏色由血紅蛋白及肌紅蛋白的濃度及轉化狀態決定。與血紅蛋白不同的是，肌紅蛋白由一分子血紅素與一分子球狀蛋白結合而成。活體動物的肌肉在富氧條件下以氧合肌紅蛋白形式存在而顯示鮮紅色；當肌肉組織供氧停止時，肌紅蛋白呈紫紅色；在氧化劑存在下，它可被氧化為高鐵肌紅蛋白，呈現紅褐色或褐色（圖4）。

神奇的是，一些甲殼類動物的血色素含有銅離子，稱為血藍素；某些環節動物含有血綠素；海鞘類動物的血紅蛋白含有釩離子，因而，血液可以呈現青藍色、綠色或藍色等多種色彩[10]。

2.血液或肌肉的顏色與健康的關系

血液的顏色也可以反映機體的健康狀態，如貧血狀態下血紅蛋白濃度可低于正常值，此時血液的紅色比正常情況更淡；在煤氣中毒中，CO與血紅蛋白的親和力比O2高數百倍，形成碳氧血紅蛋白，血液呈現櫻桃紅色；當亞硝酸鹽中毒時，Fe2+被NO-2氧化為Fe3+，血紅蛋白轉變為高鐵血紅蛋白，導致血紅蛋白攜氧能力下降，機體缺氧，血液顯棕黑色。

綜上所述，各種色彩與生命體的活動、健康狀態息息相關，構成了色彩斑斕的世界。然而，人類對色彩的研究仍然有許多謎團尚待解密，對機體中色素的調控仍然是天荒夜談，在一些色素相關疾病面前人類束手無策。生命活動本質上是一系列相互協調、彼此制約的化學反應過程，從分子水平去理解包括色彩在內的各種生命活動將幫助人類更深入地理解自然現象與生命過程。在化學課程相關內容的教學當中可以結合上述素材，引導學生透過現象看到背后的根本原理，增強課程的應用性與趣味性。

參考文獻

[1]Cuthill I C，Allen W L，Arbuckle K C，et al. The biology of color[J].Science，2017，357（6350）：eaan0221

[2]Shawkey M D，D’Alba L.Interactions Between Colour-Pro？ ducing Mechanisms and Their Effects on the Integumentary Colour Palette[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B，2017，372（1724）：2016-05-36

[3]Sturm R A，Larsson M.Genetics of Human Iris Colour and Patterns[J].Pigment Cell Melanoma Res，2010，22（5）：544-562

[4]Dorgaleleh S，Naghipoor K，Barahouie A，et al. Molecular and Biochemical Mechanisms of Human Iris Color：A Com？ prehensive Review[J].Journal of Cellular Physiology，2020，235（12）：8972-8982

[5]Lee S Y，Baek N，Nam T G.Natural，Semisynthetic and Syn？ thetic Tyrosinase Inhibitors[J]. Journal of Enzyme Inhibi？ tion and Medicinal Chemistry，2016，31（1）：1-13

[6]董飛俠，程錦國，黃蔚霞.虹膜診斷與慢性腎病分期及中醫辨證的相關性研究[J].江蘇中醫藥，2010，42（2）：19-20

[7]吳恩逞.視覺的有機化學[J].大學化學，1990，5（4）：38-41

[8]Gibbons A. Shedding Light on Skin Color[J].Science，2014，346（6212）：934-936

[9]徐俊康.頭發：人體信息之窗[J].服務科技，2000（6）：18

[10]張明峰.動物血液的顏色[J].生物學通報，2002，37（4）：28