趣味化學(xué)課堂

姚秋麗 王安俊

摘要：化學(xué)課程的教學(xué)可以與各種本質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)的生命活動(dòng)結(jié)合起來，從而加強(qiáng)課程的應(yīng)用性與趣味性，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用化學(xué)理論知識(shí)探究各種現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)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(xué)變化過程重點(diǎn)探討與人類密切相關(guān)的眼睛、皮膚、毛發(fā)、血液及肌肉的顯色反應(yīng)機(jī)制，并應(yīng)用相關(guān)原理解釋與顏色相關(guān)的醫(yī)學(xué)現(xiàn)象，為化學(xué)課程的教學(xué)提供有意義的趣味素材。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)；顏色；色素；虹膜；血液

文章編號(hào)：1008-0546（2021）12-0094-04中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.024

*本文系遵義醫(yī)科大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（XJJG2018-02-016）研究成果。

化學(xué)課程的教學(xué)面臨著知識(shí)點(diǎn)抽象枯燥、與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系不密切，導(dǎo)致課堂教學(xué)乏味、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低迷等問題。如何充分發(fā)掘化學(xué)與生活、生命科學(xué)之間的聯(lián)系，并將這些素材應(yīng)用到化學(xué)課堂的教學(xué)當(dāng)中顯得尤為緊迫。基于該現(xiàn)狀，本文將從化學(xué)結(jié)構(gòu)變化角度去解釋與生命活動(dòng)息息相關(guān)的顏色變幻機(jī)制，并應(yīng)用相關(guān)化學(xué)原理解釋與顏色相關(guān)的醫(yī)學(xué)現(xiàn)象，為化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)的教學(xué)工作架起一座橋梁。

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

顏色包括由色素產(chǎn)生的化學(xué)色以及由納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色[1]?；瘜W(xué)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(lán)光，顯示出長波長的亮紅色、橙色以及黃色。而結(jié)構(gòu)色是由折射率不同的納米結(jié)構(gòu)散射造成的，可產(chǎn)生從紫外光到紅光的光譜，大多數(shù)藍(lán)光、紫光、紫外光以及色彩斑斕的光是由結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生。但二者通常相互結(jié)合而顯色，比如冷血脊椎動(dòng)物具有三維的多層表皮，表皮中同時(shí)有多種色素，表皮色素單元之間的作用可產(chǎn)生多種顏色。此外，色素與蛋白的相互作用也可能產(chǎn)生新的顏色[2]?；瘜W(xué)色及結(jié)構(gòu)色這兩方面的因素決定了動(dòng)物的表觀顏色。

一、眼睛的顏色

1.虹膜的呈色機(jī)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(lán)色、綠褐色、棕色這三大類。虹膜形態(tài)學(xué)上由外至內(nèi)可分為虹膜前緣層（anterior border layer，ABL）、基質(zhì)層（stroma）、括約?。╯phinc？ ter）、擴(kuò)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(xì)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(hù)視網(wǎng)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(zhì)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(xiàn)越深的棕色；而在藍(lán)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(zhì)層，較長波長的光（如紅光）被深色的基質(zhì)層細(xì)胞吸收，而短波長的光（如藍(lán)光）被散射出來使虹膜顯藍(lán)色。白患病個(gè)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(xué)色及結(jié)構(gòu)色的綜合結(jié)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(zhì)層中組織缺損斑塊等因素都對虹膜的呈色產(chǎn)生影響。

2.黑色素的合成機(jī)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(nèi)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(jìn)一步被TYR催化氧化為多巴醌，多巴醌的鄰二酮結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，通過分子內(nèi)環(huán)化為多巴色素。大多數(shù)多巴色素被酪氨酸酶相關(guān)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(zhuǎn)化為5，6-二羥基吲哚-2-羧酸，后者被酪氨酸酶相關(guān)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的真黑色素（圖1）。當(dāng)半胱氨酸參與反應(yīng)時(shí)，它與多巴醌反應(yīng)經(jīng)環(huán)合、脫羧反應(yīng)轉(zhuǎn)化為半胱苯并噻唑或噻嗪衍生物，進(jìn)而聚合生成顏色較淺的褐黑色素[5]。

在中醫(yī)當(dāng)中，虹膜診斷是望目辨證的客觀依據(jù)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(dǎo)致虹膜的顏色發(fā)生改變，這可提示機(jī)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(jī)體難以合成黑色素，皮膚及毛發(fā)接近白色，虹膜則顯示紅色；而白癜風(fēng)患者皮膚中的黑色素細(xì)胞被破壞，導(dǎo)致皮膚出現(xiàn)白斑；此外，虹膜異色癥患者兩側(cè)虹膜的色素沉淀分布不一樣，導(dǎo)致雙眼顏色不一樣。

3.視覺識(shí)別的化學(xué)變化機(jī)制

眼睛辨認(rèn)顏色的機(jī)理涉及十分有趣的烯烴異構(gòu)化反應(yīng)（圖2）：維生素A在體內(nèi)可被氧化為維生素A醛（亦即11-順視黃醛），在視網(wǎng)膜中親脂性的11-順視黃醛可與視蛋白的疏水性口袋結(jié)合，并通過醛基與氨基的脫水縮合反應(yīng)形成亞胺衍生物，該產(chǎn)物是紫紅色的，因此被稱為視紫紅質(zhì)[7]。視紫紅質(zhì)中共軛烯烴的結(jié)構(gòu)能吸收各種波長的可見光，因此它是視桿細(xì)胞中的光敏性物質(zhì)。當(dāng)視紫紅質(zhì)吸收光子，順式烯烴結(jié)構(gòu)異構(gòu)化為全反式結(jié)構(gòu)，引起視紫紅質(zhì)構(gòu)象變化，啟動(dòng)大腦的神經(jīng)沖動(dòng)，形成視覺。全反式視紫紅質(zhì)由于鏈伸長，失去了視蛋白疏水性口袋的保護(hù)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(gòu)化酶催化轉(zhuǎn)化為維生素A，也可在光作用下在視網(wǎng)膜中被異構(gòu)化酶催化轉(zhuǎn)化為11-順視黃醛。視紫紅質(zhì)的形成與破壞速度相等，從而使動(dòng)物維持視覺。

由于視黃醛在轉(zhuǎn)變過程中有損耗，當(dāng)維生素A不足時(shí)，可引起夜盲癥。動(dòng)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(bǔ)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(xì)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(jìn)化的主要因素是環(huán)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(shí)也能減少紫外線對孕婦體內(nèi)葉酸的破壞；遠(yuǎn)離赤道的人進(jìn)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(jìn)皮膚中的脫氫膽固醇轉(zhuǎn)化為生命活動(dòng)必須的維生素D[8]。

當(dāng)皮膚受到太陽光照射后，表皮黑色素被氧化并進(jìn)行重新分布，同時(shí)，紫外輻射可刺激黑色素細(xì)胞的增值、促進(jìn)TYR的合成并提高其活性，因而持續(xù)的日照會(huì)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(jìn)入皮膚，但黑色素過度增加可能增加黑素細(xì)胞瘤的危險(xiǎn)。

基于上述原因，多種美白產(chǎn)品被開發(fā)應(yīng)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(chǎn)品如氧化鋅、二氧化鈦能有效阻擋紫外線入射皮膚；化學(xué)防曬劑如二芳基酮等能夠?qū)⒆贤饩€的能量吸收從而達(dá)到防曬的功能。

三、毛發(fā)的顏色

與眼睛、皮膚類似，毛發(fā)的顏色也主要是由黑色素的濃度及種類決定，不過，發(fā)色除了與黑色素有關(guān)之外，還與金屬離子有關(guān)：亞洲人含有較多銅、鐵等元素，頭發(fā)呈黑色；美洲印第安人的棕紅色頭發(fā)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(fā)顏色的改變自然與黑色素及離子的濃度相關(guān)：如前所述，在白化病中TYR缺乏導(dǎo)致毛發(fā)呈白色；另外，如果機(jī)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(fā)??；當(dāng)酪氨酸原料不足，也可引起白發(fā)。此外，環(huán)境的改變也會(huì)引起毛發(fā)中金屬離子濃度的改變，從而引起發(fā)色的變化。

四、血液或肌肉的顏色

1.血液或肌肉的呈色機(jī)制

在血液或肌肉中，與顏色形成聯(lián)系最緊密的是血色素。其中，脊椎動(dòng)物和部分無脊椎動(dòng)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(gè)配位鍵，它分別與卟啉的4個(gè)吡咯環(huán)上的氮原子以及球蛋白中組氨酸殘基的咪唑環(huán)的N原子配位。

血紅蛋白由四個(gè)亞基組裝而成，每個(gè)亞基包含一條肽鏈和一個(gè)血紅素分子，四條肽鏈在生理?xiàng)l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(nèi)部。當(dāng)氧氣從肺部擴(kuò)散到動(dòng)脈時(shí)，血紅蛋白的Fe2+與O2鍵合，形成氧合血紅蛋白，每個(gè)血紅蛋白可結(jié)合4個(gè)O2分子，O2濃度越高，顯現(xiàn)出來亞鐵離子的鮮紅色越鮮艷；在靜脈血中，細(xì)胞利用O2并代謝出高濃度的CO2，此時(shí)，F(xiàn)e2+釋放O2，水分子從卟啉環(huán)下方與Fe2+配位，血液變?yōu)榘导t色（圖4）。

與血液的顯色原理類似，脊椎動(dòng)物肌肉的顏色由血紅蛋白及肌紅蛋白的濃度及轉(zhuǎn)化狀態(tài)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(jié)合而成。活體動(dòng)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(dāng)肌肉組織供氧停止時(shí)，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(xiàn)紅褐色或褐色（圖4）。

神奇的是，一些甲殼類動(dòng)物的血色素含有銅離子，稱為血藍(lán)素；某些環(huán)節(jié)動(dòng)物含有血綠素；海鞘類動(dòng)物的血紅蛋白含有釩離子，因而，血液可以呈現(xiàn)青藍(lán)色、綠色或藍(lán)色等多種色彩[10]。

2.血液或肌肉的顏色與健康的關(guān)系

血液的顏色也可以反映機(jī)體的健康狀態(tài)，如貧血狀態(tài)下血紅蛋白濃度可低于正常值，此時(shí)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(shù)百倍，形成碳氧血紅蛋白，血液呈現(xiàn)櫻桃紅色；當(dāng)亞硝酸鹽中毒時(shí)，F(xiàn)e2+被NO-2氧化為Fe3+，血紅蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)楦哞F血紅蛋白，導(dǎo)致血紅蛋白攜氧能力下降，機(jī)體缺氧，血液顯棕黑色。

綜上所述，各種色彩與生命體的活動(dòng)、健康狀態(tài)息息相關(guān)，構(gòu)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(tuán)尚待解密，對機(jī)體中色素的調(diào)控仍然是天荒夜談，在一些色素相關(guān)疾病面前人類束手無策。生命活動(dòng)本質(zhì)上是一系列相互協(xié)調(diào)、彼此制約的化學(xué)反應(yīng)過程，從分子水平去理解包括色彩在內(nèi)的各種生命活動(dòng)將幫助人類更深入地理解自然現(xiàn)象與生命過程。在化學(xué)課程相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)當(dāng)中可以結(jié)合上述素材，引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象看到背后的根本原理，增強(qiáng)課程的應(yīng)用性與趣味性。

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