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2014諾貝爾化學獎–如何將光學顯微鏡變成奈米顯微鏡

諾貝爾化學獎譯文_96
・2014/10/09 ・5260字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

本文由台大化學蔡蘊明教授譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿(2014/10/9)
PanSci 編輯部轉載並編輯修改自台大化學網站

艾瑞克・貝齊格(Eric Betzig),史蒂芬・海爾(Stefan W. Hell)以及威廉・莫納(William E. Moerner)等三人得到了2014年的諾貝爾化學獎,這是因為他們越過了一個科學上設想的限制,也就是光學顯微鏡的解析度永遠無法比 0.2 微米更精確。但如今,利用分子的螢光,科學家現在可以監看在細胞內部分子之間的相互作用;他們可以觀察與疾病相關的蛋白質之聚集,也可以在奈米的尺度裡追蹤細胞分裂。

紅血球細胞、細菌、酵母菌細胞以及游動精子:當科學家在十七世紀第一次開始在顯微鏡下研究活體組織時,一個新的世界在他們的眼前打開。這是微生物學出世之際,從此之後,光學顯微鏡成為生命科學家工具箱裡面最重要的工具之一。其它的顯微鏡術,例如電子顯微鏡,其所需的準備方法最終會殺死細胞。

發亮的分子越過了物理的屏障

然而,有一段很長的時間,物理條件限制了光學顯微鏡所能解析的結構的大小。在1873年,顯微鏡學家恩斯特・阿貝(Ernst Abbe)發表了一個方程式,證明了光學顯微鏡的解析度是如何受到光的波長,以及一些其它的因素所限制。這導致科學家在二十世紀的大半時間裡,相信光學顯微鏡是永遠無法用來觀察那些比所用的光之波長的一半還小的物體,也就是 0. 2微米 (200奈米;微米 = 10-6 米 = 10 3 奈米) (圖一)。在這樣的狀況下,細胞裡一些胞器的輪廓,例如細胞的發電機粒線體,雖可以看到,但是幾乎不可能分辨更小的物體,因此如果想要追蹤細胞裡蛋白質分子之間的相互作用,就無法做到,這好比能看到一個城市的建築物,但卻無法看出市民如何的生活,和如何為其生存而努力。為了瞭解一個細胞如何的運作,你必須能追蹤個別的分子如何的工作。

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圖一 在十九世紀末葉,恩斯特・阿貝(Ernst Abbe)定義了光學顯微鏡的解析度約為光波長的一半,差不多是0.2微米(200奈米),這意味著科學家能夠區別一個完整的細胞以及一些細胞內的胞器,不過他們將永遠無法分辨小到如一個正常大小的病毒,或是一個單一的蛋白質分子。

儘管阿貝的方程式依然成立,但繞射極限的障礙仍被克服了。艾瑞克・貝齊格,史蒂芬・海爾以及威廉・莫納等三人之所以獲得2014年的諾貝爾化學獎,就是因為他們利用螢光分子,將光學顯微鏡帶進了另一個境界。理論上,不再存在有太小而無法觀察的結構。就結果而言,光學顯微鏡變成了奈米顯微鏡。

如何規避阿貝繞射極限的故事,要分成兩條路線來說;兩個基於不同的原理所各自獨立發展出的方法,都獲得成功。讓我們回溯到1993年,在芬蘭西南部的一個學生公寓裡,史蒂芬・海爾在翻閱一本量子光學的教科書時,得到了一個很棒的點子。

對阿貝繞射極限的青春叛逆面對了懷疑

自從海爾在1990年從德國海德堡大學取得博士學位之後,他就一直在尋找方法,來規避阿貝在超過一個世紀以前所訂下的限制。挑戰一個已經建立的理論,這樣的想法雖很誘人,但是在德國的資深科學家們,以懷疑面對他的熱情,導致了海爾往寒冷的北方尋找庇護所。一位在芬蘭特爾庫(Turku)大學研究螢光顯微鏡術的教授,給了海爾在其研究小組工作的一個職位。海爾相信一定有一個機會能夠克服阿貝的繞射極限,而當他讀到那本量子光學課本裡面「受激放射」的字語時,在他的腦海裡浮現了一個新的想法:「在那個瞬間,曙光在我腦際出現,我終於找到一個實際的觀念來追求一條真正的線索。」這是他於2009年自己的說明 ,讓我們進入他的想法一探究竟。

解答:用奈米大小的手電筒掃描樣品

在特爾庫大學,海爾在進行稱為螢光顯微鏡術的研究,那是一種利用螢光分子來讓細胞顯像的技術。舉例來說,他們可以使用只與特定細胞DNA偶合之專一螢光抗體,再用一個短暫的脈衝光來激發螢光抗體,這可以讓抗體短暫並持續一段時間。而如果抗體的確與DNA偶合,它們就會在細胞當中放瑩光,因為DNA是塞在細胞核裡面的。利用這個方法,科學家們可以看到某些分子的位置,但是他們只能定出一群聚集在一起的分子之位置,例如一些糾纏在一起的多股DNA,但是因為解析度太低,而無法分辨單股的DNA,這就好像你可以看到一卷紗線,但卻無法看出紗線是如何纏繞的。

當海爾讀到受激放射時,他體認到應該可以設計一種範圍為奈米大小的手電筒,能夠對著樣品以一次一個奈米的方式掃描。利用受激放射,科學家們可以將分子的螢光淬滅(quench),當他們將一道雷射光束照在那些發光的的分子上時,它們會立刻失去能量而變暗。在1994年,海爾發表了一篇論文概略說明了他的想法,他規劃的方法稱為受激放射消去法(stimulated emission depletion,簡稱STED),利用一道脈衝光將所有的螢光分子激發(開始發光),同時利用另一道脈衝光將所有的螢光分子淬滅,但是只有在中間的一個奈米尺度大小的體積之內除外(圖二),因此只會取得在這個體積之內的螢光。透過對樣品的掃描以及同時對光線強度的測量,就可以取得一張清楚的圖像。每一次被容許放出螢光的體積愈小,最後得到的影像解析度就愈高,因此在理論上,光學顯微鏡在解析度方面就不再有限制了。

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在德國發展頭一個奈米手電筒

海爾的理論文章並未立刻的激起一場騷動,但是的確有趣到讓海爾在位於哥廷根的馬克斯・卜蘭克生物物理化學研究所,得到一個職位。在接下來的數年裡,他讓自己的想法開花結果;他設計了一個STED顯微鏡,於2000年,已經能夠展示真的可以實際的運用他的想法,其中之一是用來取得一張大腸桿菌的圖像,並具有用光學顯微鏡從來無法達到的解析度(圖三)。

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STED 顯微鏡從收集一大堆很小的體積所放出的光,然後集合成一張整體的圖像,相對的比較,另一種原理也得到了成功,那被稱為單分子顯微鏡術,需要將許多張圖像重疊在一起。艾瑞克・貝齊格與威廉・莫納(大家都用W. E.稱呼他)各自獨立的,以不同的基礎觀念切入,促成這項技術的發展。這項技術的基礎,是在莫納成功的觀測到一個小的螢光分子時所奠定。

W. E. 莫納 ― 首先觀測到單一的螢光分子

在大部分的化學方法中,例如量測吸收和螢光,科學家們是同時觀察上百萬的分子,在這些實驗中所得到的結果,反映的只是一種典型平均化的分子表現,但科學家們不得不接受這種困境,因為沒有別的可能性。不過有很長的一段時間,他們夢想著能夠量測每一個單一的分子,因為有愈豐富愈詳盡的資訊,就愈可能去瞭解譬如疾病是如何的發展。

在1989年,莫納成為全球第一位科學家能夠量測單一分子對光的吸收,那是一項具有關鍵性的成就。當時他正在位於美國加州聖荷西的IBM研究中心工作,那個實驗打開了一扇通往新未來的大門,並且啟發了許多化學家將注意力轉移到單分子的身上,其中之一就是艾瑞克・貝齊格,接著會在稍後說明他的成就。

八年之後,莫納朝單分子顯微鏡邁出了第二步,那是運用之前諾貝爾獎在2008年所表彰過的綠色螢光蛋白質(GFP)。

分子大小的燈一開一關

在1997年,莫納進入了在加州大學的聖地牙哥分校,那正是後來獲得諾貝爾桂冠的錢永健所在的學校,當時錢永健正嘗試要讓GFP放出像彩虹般的各種螢光。這個綠色螢光蛋白質是從一種螢光水母身上分離出來的,它的好處在於能讓細胞裡面的其它蛋白質顯像。科學家們先利用基因科技,將綠色螢光蛋白質偶合到其它的蛋白質上,那綠色的螢光就會暴露出這個被標記的蛋白質位在何處。

莫納發現有一種GFP可隨意點亮或關掉,當他用488奈米波長的光去激發蛋白質的時候,蛋白質就開始發出螢光,但一個短暫的時間之後就會熄滅,在這之後無論他再用多強的光去照射這個蛋白質,它也不會發光,不過他後來發現當光的波長改為405奈米時,這個蛋白質就會恢復生機,當蛋白質重新活化後,它又會放出488奈米波長的螢光。

莫納將這些可被激發的蛋白質均勻的散佈在一個膠質內,讓每個蛋白質之間的距離大於0.2微米的阿貝繞射極限,因為它們稀疏的散開來,一個普通的光學顯微鏡就可以區辨每一個發亮的分子 ― 它們就好像一堆具有開關的小燈泡,這項結果發表在1997年的“自然”期刊上。

透過這個發現,莫納展示了可以透過光學的方式,控制單一分子們的螢光,這解決了一個貝齊格在兩年之前所想到的問題。

對學術感到疲乏 ― 但仍爲阿貝的繞射極限而著迷

與海爾一樣,貝齊格也爲了越過阿貝繞射極限的想法而著迷。在1990年代初期,他正在美國紐澤西州的貝爾實驗室,研究一種新的光學顯微鏡術,稱為近場顯微鏡術。在此法中,光線是從一個非常薄的尖端所釋出,這個尖端與樣品之間的距離只有幾個奈米,雖然這種顯微鏡術也可以克服阿貝繞射極限,但是此法具有一些主要的弱點,舉例來說,因為放出的光範圍太短(只能深入約一百奈米),以至於無法看到細胞表面之下的結構。

貝齊格在1995年得到一個結論,那就是近場顯微鏡術無法更進一步的改善,此外他在學術界感覺不太自在,因此決定結束他的研究生涯;即便不知下一步要何去何從,他毅然辭職,但是阿貝繞射極限仍在他的心中。步行在一個寒冷的冬天裡,他想到了一個新的點子;是否可能用具有不同性質的分子,那些發出不同顏色之螢光的分子,來克服阿貝繞射極限?

貝齊格已經能用近場顯微鏡術觀測到單分子的螢光,與許多人一樣,貝齊格受到莫納的啟發,他開始仔細考慮,如果使用幾種會放出不同螢光的分子,例如紅色、黃色和綠色,是否可以利用普通的光學顯微鏡得到相同的解析度。他的點子是讓顯微鏡每一次用不同顏色的光來記錄影像,如果同一種顏色的分子都是均勻的散佈,而且相互之間的距離大於阿貝繞射極限的規範,它們的位置將可精確的決定。接著當這些影像重疊起來時,完整的圖像將具有遠超過阿貝繞射極限的解析度,紅色、黃色和綠色的分子雖然相互的距離只不過幾個奈米,但仍能區別,如此就能克服阿貝繞射極限。不過,仍有一些實際的困難,例如缺乏那些具有不同光學性質之分子,其差異要大到足以相互區別。

在1995年,貝齊格在 Optical Letters 這份期刊上發表了上述想法之理論,隨即離開了學術界,並進入了他父親開的公司。

被綠色螢光蛋白質引誘回到顯微鏡術

貝齊格完全的脫離學術界,已經有許多年了,但是有一天,一個對科學的渴望突然又復甦了。回顧科學文獻時,他第一次看到綠色螢光蛋白質的論文,體認到有一個蛋白質,能讓其它的蛋白質在細胞內顯像,活化了貝齊格對如何克服阿貝繞射極限的想法。

真正的突破發生在2005年,當時他偶然發現到那種可以隨意活化的螢光蛋白質,很類似那些莫納在1997年,於單分子的層次所觀察到的螢光蛋白質。貝齊格知道,這個分子正是可以實現他在十年前所想到的那個主意,所需要的工具。這種螢光分子並不需要具有不同的顏色,它們還是可以在不同的時間發出螢光。

藉著影像的重疊超越阿貝繞射極限

只不過一年之後,與研究可激發螢光蛋白質的科學家合作,貝齊格展示了他的想法的確可以付諸實現。在一些例子當中,他們將會發光的蛋白質接在溶體(lysosome)的膜上面,溶體是細胞裡的回收站,現在用一道脈衝光來激發出蛋白質的螢光,因為使用的脈衝很弱,所以只能讓部分的分子開始發出螢光,由於它們的數目很少,幾乎所有發光分子之間的距離均大於0.2微米的阿貝繞射極限,因此每一個發光的蛋白質之位置都可以在顯微鏡下登錄。一會兒之後,當螢光消失時,他們重新激發另一組蛋白質,同樣的,使用的脈衝弱到只能讓部分的分子發出螢光,同時這一組圖像被登錄下來,這個步驟一直不斷的重複。
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當貝齊格將所有的影像重疊起來時,得到了一張溶體膜的超高解析圖像,它的解析度遠遠的超過了阿貝繞射極限。接著,貝齊格將這一份開創性的工作,於2006年發表在“科學”期刊上。

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圖五 中間的圖是溶體(lysosome)膜的圖像,這是貝齊格用單分子顯微鏡,最初所取得的幾個圖像之一。在左邊是相同的圖,但是用傳統的顯微鏡所取得的。在右邊則是將膜的圖像放大,請注意此圖的尺度是0.2微米,等同於阿貝繞射極限,其解析度改進了許多倍。此圖取自於 Science 313:1642-1645。

這幾位得獎者仍企圖在描繪生命最深層的奧秘

這些由艾瑞克・貝齊格,史蒂芬・海爾以及威廉・莫納等三人所開發的方法,發展出了幾個現在爲全世界各地所使用的奈米顯微鏡技術。這三位得獎者仍然活躍在這個不僅龐大,而且一直在增長的科學社群中,將創新的矛頭對著奈米顯微鏡術的領域,當他們將功能強大的奈米顯微鏡瞄準在生命中最小的零件時,他們也同時取得了最尖端的知識。史蒂芬・海爾爲了對腦突觸有更好的瞭解,窺探了活的神經細胞內部;威廉・莫納研究了與杭丁頓氏症(舞蹈症)有關的蛋白質;艾瑞克・貝齊格追蹤了在胚胎中細胞的分裂,這些只是眾多例子當中的幾個。有一件事情是肯定的,2014年的諾貝爾化學桂冠得主們,對發展人類最重要的知識,已經奠定了基石。

 

  • 本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿,原文可自官方網站取得。
  • 若有興趣閱讀進階的資料,請由此網址取得。

*特別感謝現於美國德州農工大學攻讀博士的曹一允(我2008年的專題生)熱血相挺,幫我將圖片中文化;另外感謝現於本系李弘文教授實驗室,攻讀碩士學位的林宇軒幫我校稿。多年來幫我將譯文置於台大化學系網頁的黃俊輝先生業已退休,感謝接替他的蔡明軒幫忙。

 

編按:蔡教授歷年翻譯的諾貝爾化學獎得主貢獻簡介

文章難易度
諾貝爾化學獎譯文_96
15 篇文章 ・ 18 位粉絲
「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列

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【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/09/12 ・6710字 ・閱讀時間約 13 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎又落入了生化學家的口袋,連續兩年頒給生化學者並不常見,我想這應該是反映了現在化學研究的熱門趨勢。今年的諾貝爾化學獎讓我們注意到細胞是如何精妙的去控制它的蛋白質系統,昨日(十月六日)我在中研院生醫所聽了一場 2002 年諾貝爾生理及藥學獎的得主 H. Robert Horvitz 的演講,那是另一個熱門的題目:細胞凋亡,真是一場精采的演講,同樣的我們看到這些蛋白質的另一種運作。前幾日與一位生技系的學生聊到他未來想走的方向,言談之間他似乎認為蛋白質的化學已經熱門了好一陣子了,恐怕熱潮已過。不過從現實來看,在諾大的生命體系中,我們對它的瞭解實在是太少了,由這些蛋白質的研究看來,我覺得蛋白質的化學仍應是方興未艾吧!

後記:  詹健偉是我在 2003 年教過的學生,他原在植微系,後來轉入了生化科技系,從起初對生物系統的興趣加上對化學的熱愛導致他轉入生化科技的領域,然而這些年他逐漸的體認:「只有化學才能完美的解釋生物體系」,現在他已經決定投入“化學生物學”的領域。健偉是個認真的學生,他讀我的翻譯文章極為仔細,更進一步的從一個學生化的背景看出我許多翻譯的謬誤以及不通順之處。約莫半年前碰到他,他主動的提及願意幫我修改,一直到最近才讓我如願。有學生如此,是我的福分,感謝健偉也祝福他!

— 蔡蘊明 謹誌於 2006 年 10 月 9 日

一個人的細胞中含有上百萬種的不同蛋白質,它們具有無數的重要功能:例如以酵素(或稱為酶)的型式存在的化學反應加速者,以荷爾蒙的型式存在的訊息傳導物質,在免疫的防禦上扮演要角以及負責細胞的型態和結構。今年的諾貝爾化學獎得主:席嘉諾佛(Aaron Ciechanover)、赫西柯(Avram Hershko)以及羅斯(Irwin Rose)研究在細胞中如何對一些不需要的蛋白質加上一種稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤,藉以調節某些蛋白質的存在,他們的研究在化學知識上有重要的突破。這些被加上標籤的蛋白質,接著會在一個稱為蛋白解體(proteasome)的細胞"垃圾處理機"中迅速的降解。

透過他們發現的這個蛋白質調節系統,這三位學者使得我們能在分子的層次瞭解細胞如何的控制許多重要的生化程序,例如細胞週期、DNA 的修補、基因的轉錄以及新合成之蛋白質的品質管制。有關這種形式之蛋白質凋亡控制的新知識也使得我們能解釋免疫防禦系統如何的運作,這個系統的缺陷可造成包括癌症在內的不同疾病。

被貼上毀滅標籤的蛋白質

分解是否需要能量?

當大部分的注意力和研究都集中在企圖瞭解細胞如何的控制某些蛋白質的合成時(這方面的研究產生了五個諾貝爾獎),與其相反的蛋白質降解則一直被視為是較不重要的。其實有一些簡單的蛋白質降解酶是早就知道的,一個例子就是胰蛋白酶(trypsin),這是一個存在於小腸中,將食物中的蛋白質分解為胺基酸的一種酵素。類似的,有一種稱為溶體(lysosome)的細胞胞器也早就被研究過,它的功能是把由細胞外吸入的蛋白質降解。這些降解程序的共通性在於這些功能不需要能量。

不過早在 1950 年代的實驗就顯示要分解細胞本身所具有的蛋白質是需要能量的,這個現象一直困擾著研究者,這個矛盾也就是今年的諾貝爾化學獎的背景:亦即細胞內蛋白質的分解需要能量,但是其它蛋白質的分解卻不需要額外的能量。解釋這個需要能量的蛋白質分解過程是由 Goldberg 與其研究夥伴在 1977 年踏出了第一步,他們從一種稱為網狀紅血球(reticulocyte)之未成熟的紅血球,製造出一個不含細胞的萃取物,倚賴ATP(ATP = adenosine triphosphate;是一種細胞的能量貨幣)的能量,這種物質可以催化不正常蛋白質的分解。

運用這個萃取物,今年的三位諾貝爾化學獎得主在 1970 年代後期及 1980 年代初,透過一系列劃時代的生化研究,成功的顯示在細胞中的蛋白質分解,是透過一系列一步步的反應,導致要被摧毀的蛋白質被掛上一個稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤。這個過程使得細胞可以非常高的專一性分解不需要的蛋白質,而且就是這一個調控的過程需要能量。與可逆的蛋白質修飾例如磷酸化(1992 年的諾貝爾生理醫學獎)不同之處是:被聚泛素化(polyubiquitination)調控的反應,常是不可逆的,因為被掛上標籤的蛋白質最後被摧毀了。大部分的這些工作是在以色列 Haifa 大學的赫西柯以及席嘉諾佛在休假年,於美國費城的 Fox Chase 癌症中心的羅斯博士的實驗室所完成的。

泛素的標籤

這個後來被發現用在需要分解掉的蛋白質上所貼的標籤,早在 1975 年就從小牛胸腺中被分離出來,它是一個由 76 個胺基酸所組成的多肽,該分子被認為參與在白血球的成熟過程中,其後由於這個化學分子在各種不同的組織和生物體中(細菌除外)亦被發現,因此被賦予了泛素(ubiquitin)的名稱(ubique在希臘文中有到處或廣泛的意思)(圖一)。

(圖一)泛素:一個共通的多胜肽代表"死亡之吻"

發現由泛素所媒介的蛋白質分解

在赫西柯取得博士學位之後,研究了一陣子肝細胞中倚賴能量的蛋白質分解,不過在 1977 年決定改為研究上述的網狀紅血球萃取物,這個萃取物含有大量的血紅素,嚴重的影響實驗,在企圖利用層析法來去除血紅素時,席嘉諾佛以及赫西柯發現這個萃取物可被分成兩個部分,二者個別都沒有生化活性,但是他們發現一旦二者混合在一起,那個倚賴 ATP 的蛋白質分解活性就恢復了。在 1978 年他們發表了其中一個部分中的具活性物質,是一個對熱穩定的多肽,分子量只有 9000,他們稱之為 APF-1,這個物質後來證實為泛素。

席嘉諾佛,赫西柯,與羅斯在 1980 年發表了兩份決定性的突破工作,在這之前 APF-1 的功能是完全不清楚的。這頭一份報告顯示 APF-1 是以共價鍵(就是一種很穩定的化學鍵結)與萃取物中的各種不同蛋白質結合。在第二部份的報告更進一步的顯示有許多個 APF-1 鍵結在同一個目標蛋白上,此一現象被稱為聚泛素化(polyubiquitination)。我們現在知道這個將目標蛋白質多次泛素化的步驟,是一個導致蛋白質在蛋白解體(proteasome)中降解的啟動信號;也就是這個聚泛素化反應,在蛋白質貼上降解的標籤,或可稱其為"死亡之吻"。

就這麼一擊,這些完全未預期的發現,改變了其後的研究方向:現在就可以集中力量開始鑑定那些將泛素接上蛋白質標靶的酵素系統。由於泛素普遍的存在於各種不同的組織和生物體中,大家很快的體認到,由泛素所媒介的蛋白質分解對細胞一定是很普遍而重要的。研究者更進一步的推測,那個倚賴 ATP 的能量需求,可能是為了讓細胞控制這個程序的專一性。

這個研究領域就此大開,而在 1981 到 1983 年間,席嘉諾佛,赫西柯,羅斯與他們的博士後研究員及研究生發展了一套“多重步驟泛素標籤化假說”,這個假說是基於三個新發現之酵素的活性,他們稱這三個酵素為 E1、E2與E3(圖二)。我們現在知道一個尋常的哺乳類細胞含有一個或數個不同的 E1 酵素,大約幾十個 E2 酵素,以及幾百個不同的 E3 酵素,就是這個 E3 酵素的專一性,決定了在細胞中要為哪些蛋白質貼上標籤,然後在垃圾處理機中摧毀。

到這個節骨眼為止,所有的研究都是在沒有細胞的系統中進行的,為了也能夠研究泛素所媒介的蛋白質降解之生理功能,赫西柯與其協同工作人員發展了一種免疫化學方法:用數種放射性胺基酸,以瞬間脈衝的方式來培養細胞,可標定細胞內某一個瞬間所合成的蛋白質。但是泛素中剛好沒有這幾種胺基酸,所以在這瞬間合成的泛素並未被放射性標記。利用泛素的抗體,可以將 "泛素-蛋白質"複合體自該細胞中分離出來,而其中的蛋白質的確具有放射性標記。實驗結果顯示,細胞中也確實以泛素系統來分解有缺陷的蛋白。我們現在知道細胞中大約 30% 的新合成蛋白質都會被垃圾處理機分解,因為它們沒有通過細胞的嚴格品質管制。

(圖二)泛素所媒介的蛋白質降解
  1. E1 酵素活化泛素分子,這個步驟需要 ATP 形式的能量。
  2. 泛素分子被轉移到另一個不同的酵素 E2。
  3. E3 酵素可辨認需要摧毀的目標蛋白質,"E2-泛素"複合物和"E3酵素"結合的位置,非常接近目標蛋白質。這個非常接近的距離,使得泛素標籤足以被轉移到目標蛋白上。
  4. E3 酵素釋放出具有泛素標記的蛋白質。
  5. 最後一步重複數次直到一個由泛素分子構成的的短鏈接在目標蛋白質上。
  6. 這個泛素的短鏈在垃圾處理機的開口處被辨識後,泛素標籤脫落而蛋白質被允許進入並被切成碎片。

蛋白解體-細胞的垃圾處理機

什麼是蛋白解體?一個人類細胞含有約 30,000 個蛋白解體,這個桶狀的結構體可以基本上將所有的蛋白質分解為七到九個胺基酸長短的胜肽,蛋白解體的活性表面是位於桶的內璧,也就是與細胞的其它部份是分隔開來的,唯一能進入蛋白解體的桶中活性表面的方式是必須透過"鎖",鎖能夠辨認接有多個泛素構成的短鏈之蛋白質,藉由 ATP 的能量將蛋白質變性(denature),並在泛素構成的短鏈移除後允許蛋白質進入,並將之降解,降解出來的胜肽由蛋白解體的另外一端釋放出來。因此蛋白解體本身並不能挑選蛋白質,決定哪一些蛋白質需要貼上銷毀的標籤,是 E3 酵素的工作。(圖三)

(圖三)細胞的垃圾處理機。黑點代表具有蛋白質分解活性的表面。

最近的研究

當貼上泛素標籤的蛋白質分解過程背後的生化機制在 1983 年被暴露後,它在生理學上的重要性尚未能完全掌握,雖然知道它在銷毀細胞內具有缺陷的蛋白質上是非常重要的,但是再進一步的,就需要一個突變的細胞來研究泛素的系統,藉著仔細的研究一個突變的細胞與正常的細胞在不同的生長條件下有何不同,希望知道細胞中有哪些反應是與泛素的系統有關,這才能得到更清晰的概念。

一個突變的老鼠細胞在 1980 年由一個東京的研究小組分離出來,他們的突變老鼠細胞含有一個因為突變之故而對溫度非常敏感的蛋白質。在較低溫度時它能發揮應有的功能,但是在高溫時則否,因此在高溫時培養的細胞會停止生長。此外,在高溫時它們顯示其 DNA 的合成會有缺陷以及一些其它的錯誤功能。一群在波士頓的研究人員很快的發現這個突變鼠細胞中對熱敏感的蛋白質是泛素活化酵素 E1,顯然泛素的活化對細胞的運作及複製是不可或缺的,正常蛋白質分解控管不僅對細胞中不正確蛋白質的銷毀很重要,也可能參與了細胞週期、DNA 的複製以及染色體結構的控管。

從 1980 年代末期開始,研究者鑑定出許多生理上很重要的基質是泛素所媒介的蛋白質分解機制中的標靶,在此我們僅提幾個最重要的為例子。

避免植物的自我授粉

大部份的植物是兩性或雌雄同株的,自我授粉將會導致基因多樣性的逐漸喪失,長期而言將造成該物種的完全絕滅,因此為了避免這個情形,植物利用泛素所媒介的蛋白質分解機制來排除"自身"的花粉,雖然完整的機制尚未明朗,但是已知 E3 酵素參與了運作,而且當加入蛋白解體的抑制劑時,排除自身花粉的能力就被削弱。

(圖四)細胞週期中控制染色體分離的機制:剪刀代表分解蛋白質的酵素而綁住剪刀的繩子代表它的抑制劑,APC 將這條繩子貼上標籤造成繩子的分解,剪刀就會釋放出來,接著將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,最後造成染色體分離。

細胞週期的控制

當一個細胞要複製自己的時候會有許多的化學反應參與其中,在人體中的 DNA 有六十億個鹼基對必須複製,它們聚集成必須拷貝的 23 對染色體。普通的細胞分裂(也就是有絲分裂),形成生殖細胞(減數分裂),都與今年的諾貝爾化學獎的研究領域有許多交集。在此運作的 E3 酵素稱為"有絲分裂後期促進複合體"(anaphase-promoting complex簡稱 APC),其功能在檢查細胞是否離開了有絲分裂期,這個酵素複合體也被發現在有絲分裂及減數分裂過程中,對染色體的分離扮演了重要的角色。有一個不同的蛋白質複合體,它的功能就好像是一條綁在染色體周圍的繩子,將一對染色體綁在一起(圖四)。在一個特定的訊號出現後,APC 會在一個"降解蛋白質酵素"的抑制劑上貼上標籤,因此這個抑制劑就會被帶到蛋白解體中分解掉,而前述的那個降解蛋白質的酵素就會被釋放出來,在經過活化後將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,一但繩子脫落,那一對染色體就會分離。在減數分裂時,錯誤的染色體分裂,是造成孕婦自然流產最常見的原因;一條多出來的人類第 21 號染色體會導致唐氏症;大部份的惡性腫瘤會具有數目改變的染色體,其原因也是由於有絲分裂時錯誤的染色體分裂。

DNA 的修補,癌症以及細胞凋亡

蛋白質 p53 被封為"基因體的守護神",它也是一個腫瘤抑制基因(tumor-suppressor gene),這個意思是只要細胞能製造 p53 就可以阻擋癌症的發生。可以非常確定的,在所有人類癌症中有至少一半的蛋白質是突變的。在一個正常細胞中,蛋白質 p53 一直不斷的被製造和分解,因此其數量是很低的,而它的分解是透過泛素標籤化過程以及負責與 p53 形成複合體的相關 E3 酵素來調控;當 DNA 受到損傷後,蛋白質 p53 會被磷酸化而無法與 E3 酵素結合,p53 的分解無法進行,因此細胞內的 p53 數量迅速增高。蛋白質 p53 的功能是作為一個轉錄因子(transcription factor),換言之就是一個調控某些基因表現的蛋白質。蛋白質 p53 會與控制 DNA 修補以及細胞凋亡的基因結合,並調控該基因,當它的數量升高時會影響細胞週期藉以保留時間給 DNA 修補的運作,倘若這個 DNA 的損傷過於嚴重,計劃性細胞凋亡將會啟動而導致細胞的"自殺"。

人類乳突病毒的感染與子宮頸癌的發生有極大的關聯性,這個病毒避開了 p53 所控制的關卡,它的方法是透過它的蛋白質去活化並改變某一個 E3 酵素(稱為 E6-AP)的辨識行為,E6-AP 被騙去將蛋白質 p53 貼上死亡的標籤而造成 p53 的消失,這個後果是被感染的細胞無法正常的修補其 DNA 所受到的傷害或者引起計劃性細胞凋亡,DNA 突變的數目增加最後終於導致癌症的發生。

免疫與發炎反應

有某一個轉錄因子調控著細胞中許多與免疫防禦及發炎反應有關的重要基因,這個蛋白質,亦即這個轉錄因子,在細胞質中是與一個抑制蛋白質結合在一起的,在這個結合的狀態下,此一轉錄因子是沒有活性的。當細胞暴露到病毒時或有其它的訊號物質出現時,這個抑制蛋白質就會被磷酸化,接著被貼上銷毀的標籤而送到蛋白解體中分解掉,此時被釋放出來的轉錄因子被運送到細胞核中,在那裡它與某些特定的基因結合,進而啟動這些基因的表現。

免疫防禦系統中,被病毒感染的細胞,會利用泛素-蛋白解體系統,將病毒蛋白質降解到適當大小的多肽,這些多肽會被呈獻到細胞的表面。T 淋巴細胞會辨識這些多肽然後攻擊這些細胞,這是我們的免疫系統對抗病毒感染的一項重要防禦方式。

纖維囊腫症(cystic fibrosis)

一個稱為纖維囊腫症的遺傳疾病,簡稱 CF,是由一種不具功能的細胞膜氯離子通道(稱為 CFTR;纖維囊腫跨膜通道傳導調節蛋白)所造成。大部份的纖維囊腫病患都具有一個相同的基因損傷,也就是一個在 CFTR 蛋白質上缺少了一個苯丙胺酸的胺基酸。這個突變導致了這個蛋白質的錯誤摺疊結構,使得該錯誤摺疊蛋白被保留在細胞的蛋白質品管系統中,這個品管系統要確實的將此一錯誤摺疊的蛋白質透過泛素-蛋白解體系統銷毀,而不能將之傳送到細胞膜上,一個沒有正常氯離子通道的細胞將無法透過細胞膜傳送氯離子,這就影響到肺部以及一些其它組織的分泌系統,造成肺黏膜液的增加而破壞其功能,更大幅的增加其受到感染的危險性。

這個泛素系統已經成為一個很有趣的研究領域,可用來發展治療各種疾病的藥物,在此的工作方向可以利用泛素所媒介的蛋白質分解機制去避免某些特定蛋白質的分解,也可以設計成讓這個系統將某一個不想要的蛋白質清除。已經有一個在進行臨床實驗的藥,那是一個稱為 Velcade(PS341)的蛋白解體抑制劑,可以用來醫治多重性骨髓瘤(multiple myeloma),這是一種會影響體內製造抗原的細胞的一種癌症。

今年的得獎者從分子的基礎上解釋了一個對高等細胞而言極為重要的蛋白質控制系統,由泛素所媒介的蛋白質分解機制所控制的細胞功能,現在一直不斷的有新的發現,而這方面的研究也在世界各地無數的實驗室中進行著。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/adv.html

原文附有一個很精采的動畫,對這個蛋白質控制系統有畫龍點睛之妙,推薦各位看看:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/animation.html

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諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列

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思考別人沒有想到的東西——誰發現量子力學?
賴昭正_96
・2022/06/01 ・4633字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 文/賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

發現就是看到別人都看到的東西,但思考別人沒有想到的東西。

-Albert Szent-Györgyi,1937年諾貝爾醫學獎

在「黑體輻射光譜與量子革命」(科學月刊,2022 年)一文裡,筆者提到了普朗克如何於 1900 年 10 月 19 日靠猜測幸運地導出了符合實驗的黑體輻射光譜分佈公式;然後花了約兩個月的時間找出了可以解釋那猜測的背後物理,於 1900 年 12 月 14 日的德國物理學會會議上提出了電偶極振盪子能量(ε)量化 ε =h 為普朗克常數,ν 為振動頻率)的背後物理。因此 1900 年 12 月 14 日被公訂為「量子理論的誕生日」。

但如果良馬沒有遇到伯樂,它會是一匹良駒嗎?

普朗克:「量子假設永遠不會從世界上消失」

Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858 年 4 月 23 日- 1947 年 10 月 4 日。圖/Wikipedia

普朗克雖然找到了物理的答案,解決了他的「幸運猜測」;但那個物理卻是非常奇怪:

  1. 輻射的能量怎麼跟頻率有關呢?在古典物理裡,輻射能量只與強度有關。
  2. 任何頻率的輻射能都應該是連續的(即任何能量值都可能),怎麼是量子化的、不連續的?普朗克長期以來一直認為這只是一種數學假設或方便而已,與實際的物理無關。

在他看來,沒有理由懷疑古典力學和電磁力學定律的崩潰。普朗克不認為他的理論與古典物理學大相逕庭,因此他在 1901 年到 1906 年間,根本沒有發表任何關於黑體輻射或量子理論的文章。

1905 年,愛因斯坦提出了支持能量量化的光量子理論(見後);但 1913 年,當普朗克推荐愛因斯坦為普魯士皇家科學院士時,卻謂光量子是過分越矩的大膽假設。1914 年,普朗克本人在向柏林大學推薦愛因斯坦任教時,也做了類似的評語(儘管愛因斯坦的光量子理論構思不周,還是希望他的同事們接受愛因斯坦)。

所以普朗克真的是發現量子力學嗎? 歷史學家和科學哲學家庫恩(Thomas Kuhn)指出:普朗克在 1900 年和 1901 年的論文中沒有一處清楚地寫道:單個振盪器的能量只能根據 ε =n獲得或耗散能量(n 是整數)。

如果這確是他的意思,他為什麼不這麼說? 如果他意識到他已經引入了能量量子化的奇怪新概念,為什麼他在四年多的時間裡一直保持著沉默? 此外,在他 1906 年的熱輻射理論講座中,普朗克還是只闡述傳統的能量連續理論,沒有提到任何電偶極振盪子能量量化的可能性。

如果普朗克早在 1900 年就如他後來聲稱那樣地「看到了曙光」,是什麼讓他在六年後改變了主意?答案應該是他 1900 年時沒看到了曙光吧?!所以庫恩認為普朗克不值得稱為發現量子力學之先驅。

無可否認地,當然也有不同意庫恩看法的科學家。事實上,普朗克也曾「確信」過量子理論標誌著物理學史新篇章的開始;例如他在 1911 年的一次演講中就自豪地宣稱「量子假設永遠不會從世界上消失」,有朝一日,這一理論注定會以新的光芒迅速地滲透到分子世界中。但那可能只是曇花一現,在他的內心裡可能還在懷疑著能量量化的真實性,否則他怎麼不支持愛因斯坦的光量子理論呢?儘管如此,諾貝爾獎委員會還是因他「發現能量量子」,於 1918 年頒發了物理獎給普朗克。

愛因斯坦是真正的「能量子不連續性的發現者」

Albert Einstein,1879 年 3 月 14 日- 1955 年 4 月 18 日。圖/Wikipedia

如果普朗克在 1900 年沒有提出能量量子假說,那是誰先提出的?1877 年,波茲曼(Ludwig Boltzmann)雖然在其統計熱力學裡使用能量量化的概念來計算物理態的分佈,但那只是為了數學處理上的方便而已。事實上,當普朗克還一直在努力地想使他的量子解釋能容於古典力學時,愛因斯坦卻馬不停蹄地在開發量子力學,所以真正認識到量子理論本質的人應該是愛因斯坦——年輕的愛因斯坦顯然比普朗克看得更深。

1905 年,愛因斯坦已認識到量子不連續性是普朗克黑體輻射理論的重要組成部分:

比較維恩體系中的輻射與古典不相互作用之點粒子氣體的熵(entropy)後,愛因斯坦提出了光量子的假設,謂「就其熵的體積依賴性而言,如果單色輻射的行為與由許多獨立之 能量子組成的介質相似,則值得研究光的產生和轉換規律是否意味著光本身就是個能量子(energy quanta)」。

基於這種「啟發式原理」,愛因斯坦提出光電效應:光量子(light quantum)將其全部能量提供給單個電子;謂用這一原理導出的方程式可以解釋連納德(Phillip Lenard, 1905 年諾貝爾物理獎得主)1902 年的觀察結果,即被光打出來的電子能量與光的強度無關。所以嚴格說來,愛因斯坦才是真正的「能量子不連續性的發現者」。17 年後,愛因斯坦終因「光量子」的主要貢獻,而獲得 1921 年諾貝爾物理獎(泛科學 07/28/2021)。

在古典統計熱力學裡,有一稱為「能量均分原理(equipartition principle)」謂:在達到熱平衡時,物理體系內的任何一個自由度均應具有 kT/2 熱能。依照這個原理,晶體因原子在晶格的振動,其熱能應該是每個原子具有 3kT(每個震動有兩個自由度、三個方向,故總共有六個自由度),所以晶體的比熱是每個原子 3k(Dulong-Petit 定律)。

這一古典理論所推測出來的結果在高溫時與實驗相符;但在低溫時,實驗發現晶體的比熱趨近於零。1907 年,愛因斯坦假設晶格具有單一的振動頻率 v,因為量化的關係,其能量只能有 nhv(n 為整數)值,然後透過馬克斯威-波茲曼統計分佈求得每個振動的平均能量,對溫度微分而得到低溫時趨近於零的晶體比熱!晶體的振動實際上當然比愛因斯坦的模型複雜多了;1912 年,迪拜(Peter Debye)做了改進得到符合(非金屬固體之)實驗的結果。愛因斯坦的此一比熱理論是推動量子理論成為物理學主流的一個重要旅程碑。 

迪拜、愛因斯坦分別對於熱容與溫度之間關係的預測,在高溫時趨於 3Nk (每個原子每個方向k)的實驗值。圖/Wikipedia

第一次的索爾維會議

索爾維(Ernest Solvay, 1838-1922)是比利時化學工程師,發明了一種製造蘇打(碳酸氫鈉)的工藝而積累了大量財富,慷慨捐贈大學,並在布魯塞爾創立了索爾維醫學和社會學研究所(Solvay Institute)。索爾維的課外嗜好是物理,認為自己發現了一種關於重力如何影響「物質和能量構成」的理論。

雖然這是一個瘋狂的理論,但「錢多學問大」,他不接受否定的答案。當索爾維向柏林大學名化學家能斯特(Walther Nernst)詢問如何傳播他關於引力的想法時,能斯特看到了一個幫物理學發展的好機會。

他狡猾地向索爾維建議資助一個探討物理學最新發展的會議:索爾維可以在會議開始時向聚集在場的最優秀物理學家講授他的瘋狂理論,然後讓物理學家開始自由地進行自己的討論。

索爾維接受了能斯特的建議,於 1911 年 10 月下旬,邀請了來自歐洲各地的 18 位頂尖科學家,在布魯塞爾舉行了第一次會議。這就是物理界名聞遐邇的「索爾維會議(Solvay Conference)」,每隔三年舉行一次,雖然一直持續到今天,但已經不再那麼獨特和奢華了。

1911 年第一次索爾維會議的照片。圖/Wikipedia

第一次索爾維會議由比利時理論物理學大師洛倫茲(Handrik Lorentz)主持,被認為是物理學界的一個轉折點[註]。那次會議的成員包括普朗克、居里夫人、盧瑟福(Ernest Rutherford )、龐加萊(Henri Poincaré)、及愛因斯坦等人,主題是輻射理論和量子,探討了古典物理學和量子理論兩種方法的問題。

儘管愛因斯坦謂該次會議「沒有任何積極的結果」,但是可以看到歐洲最著名的科學家在量子革命中的不同態度。愛因斯坦顯然最清楚當時物理學基礎已經開始動搖之危機的深刻本質,因此雖發表了題為「比熱問題的現狀」的最後演講,但卻將主題置於量子問題上,引發了一系列-特別是來自洛倫茲、普朗克、龐加萊等人-的挑戰。愛因斯坦謂普朗克在會中「頑固地堅持一些毫無疑問是錯誤的先入之見」。

波思「發現」量子統計力學

সত্যেন্দ্র নাথ বসুSatyendra Nath Bose),1894 年 1 月 1 日-1974 年 2 月 4 日。圖/Wikipedia

在「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號)一文裡,筆者提到了 1924 年 6 月 4 日,一位任教於東巴基斯坦的講師波思(Satyendra Bose)寄了一篇被英國名物理雜誌退稿、題為「普朗克定律及光量子的假設」的 1500 字論文給愛因斯坦,附函謂「如果你認為它值得發表,可否請您將它譯出,投稿到 Zeitschrift für Physik 。」。

愛因斯坦不但親自將該篇英文論文譯成德文,於七月初以波思的名義投稿至該雜誌,並於文後註曰:「依我看來,波思推導普朗克公式的方法為一重要里程碑。該法亦可用來推演理想氣體的量子論;不久我將發表其詳細結果。」。

在該論文中,波思做了一個誤打誤撞、連他自己本人都不知道、在整篇論文中隻字未提的重要及創新性假設:光量子是不可分辨的!在古典力學裡,物理學家認為銅板是可以分辨的,因此兩個銅板出現「一正及一反」的或然率是 2/4;但如果它們不能分辨呢?則出現「一正及一反」的或然率將變成 1/3。沒想到這一「錯誤」的假設後來竟成為打開量子統計力學的鑰匙!

如果我們說普朗克「發現」量子力學,我們不是也應該說波思「發現」量子統計力學嗎?可是波思沒有普朗克幸運,未受到諾貝爾物理獎會員們的青睞!他只自嘲地說:「我已得到我所應得的名聲了。」現在物理學家稱自旋為整數的基本粒子為波思子(boson),它們所需要服從的統計力學為「波思-愛因斯坦統計」(Bose–Einstein statistics)。

結論

普朗克與波思的發現印證了前者的名言:「科學發現和科學知識只有在沒有任何實際目的的情況下追求它的人才能獲得」。但兩人似乎都沒想到他們發現了新的東西,並未思考著別人沒有想到的,只是覺得那樣做可以正確地導出黑體輻射光譜分佈及普朗克定律而已。

是誰首先思考別人沒有想到的問題呢?如果說「發現就是看到別人都看到的東西,但思考別人沒有想到的東西」,那麼發現量子力學及量子統計力學的應該是愛因斯坦了-是他思考著別人沒有想到的東西,開闢了新物理領域。

讀者認為呢?

註解

另一影響物理學發展深遠的是 1927 年舉行的第五次索爾維會議。該會議也是由比利時理論物理學大師洛倫茲主持,主題是「電子和光子」,與會的科學家熱烈地討論了新興的量子理論基礎。出席的 29 位科學家中當然少不了愛因斯坦及普朗克,其中一半以上是或將要成為諾貝爾獎得主。

延伸閱讀

賴昭正:《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):裡面收集了:「太陽能與光電效應」(科學月刊 2011 年 12 月號)、「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號)、「量子力學的開山祖師-普朗克」(科學月刊 1982 年 2 月號)。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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石蕊試紙的「石蕊」是什麼東西?為什麼碰到酸鹼會變色?
許阿鳥_96
・2022/03/25 ・2105字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國中、國小自然課做實驗常用的石蕊試紙,大家應該都很熟悉,也知道石蕊試紙碰到酸性物質時會變成紅色,碰到鹼性物質時會變成藍色。不過,你知道石蕊試紙變色的原理是什麼嗎?

還記得實驗課常用的石蕊試紙嗎?圖/Wikipedia

「石蕊」是什麼?

編按:作者於 2022 年 3 月 27 日進行勘誤。

石蕊試紙當中會變色的原料,是由地衣提煉出來的。

地衣是真菌和藻類的共生體:真菌形成外殼,提供藻類保護;藻類行光合作用,提供真菌養分。雖然長得有點像苔蘚,不過它們並不是植物。由於地衣對空氣中的化學成分很敏感,常被當作空氣汙染的指標。除此之外,地衣的生命力強韌,它們通常都是一片荒蕪的環境中的先驅,在植物長出來之前,地衣就會先一步到達,把岩石分解成土壤,為之後的生態系打下基礎。在嚴寒的極地,地衣也是馴鹿等野生動物度冬重要的食物來源。

而其中,「石蕊」就是石蕊科(Cladoniaceae)、石蕊屬(Cladonia)的地衣。它們生長在中高海拔向陽的岩石上,屬於枝狀地衣,形狀就像一支支直立起來的粉綠色小喇叭。有些種類的石蕊邊上會長出鮮紅色的繁殖構造子囊果(ascocarp),就像戴著紅色帽子的英國士兵,因此又稱為「英國士兵地衣(British Soldier Lichen)」。雖然石蕊試紙是稱為石蕊試紙,但其實許多類群的地衣都可以作為石蕊試紙的原料,反倒是石蕊本人較不常被作為石蕊試紙使用。

石蕊。攝影/Cleyera Chou

延伸閱讀:十種常見的地衣

那麼,石蕊試紙變色的原理是什麼呢?要解答這個問題,我們必須先了解「顏色」和「酸鹼」的本質。

「顏色」是什麼?

為什麼我們看到紅色的東西,會覺得它是紅色;而看到藍色的東西,會覺得它是藍色呢?

這是因為,不同的物體會吸收、反射不同波長的光,當光照到物體上,沒有被吸收、而是被物體反射的光波,傳到我們的眼睛裡面,就會被大腦解讀為顏色。

例如,假如一個物體反射紅光,吸收其他波長的光,那個物體我們在白光下看起來就會是紅色的。另外,如果一個物體吸收所有光的波長,那個物體我們在白光下看起來就會是黑色的;反之,如果那個物體反射所有光的波長,那個物體我們在白光下看起來就會是白色的。

一張含有 時鐘 的圖片

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光的吸收與反射圖解。繪圖/許阿鳥

那麼,為什麼不同物體會吸收、反射不同波長的光?這是因為它們的化學結構長得不一樣。換句話說,一個物體的化學結構若是改變了,吸收、反射的光波長也會跟著改變,外顯的顏色也就會變得不一樣了。

「酸鹼」是什麼?

知道了「顏色」本質上的差別是什麼,現在,我們要來談談什麼是「酸鹼」?溶液中,如果含有氫離子(H+),那這個溶液就會呈現酸性,溶液中的氫離子越多,pH 值就越小、越偏酸性;而溶液中如果含有氫氧根(OH),那個溶液就會呈現鹼性,氫氧根越多,pH值就越大、也就越偏鹼性。

回到石蕊試紙

現在回到石蕊試紙上面。石蕊中含有一種化學物質「 7-羥基吩噁嗪酮」(7-hydroxyphenoxazone,以下以 C12H7NO3 代稱。),是石蕊試紙變色的關鍵。C12H7NO3 是由三個環狀結構所組成的,帶有一個羥基(下圖中的HO-)。

7-羥基吩噁嗪酮的化學結構式。圖/Wikipedia

還記得前面說到的,酸性溶液含有氫離子,鹼性溶液含有氫氧根嗎?

當 C12H7NO3 碰到酸性溶液時,溶液中的氫離子會鍵結到環狀結構的氮(上圖中的 N)上面,造成結構改變;而當 C12H7NO3 碰到鹼性溶液時,羥基上的氫則會被溶液中的氫氧根(OH)搶走,造成結構改變。這兩種結構的改變如下圖所示。

正如前面所說的,不同結構的化學物質,會吸收、反射不同波長的光,因此看起來顏色就會不同。得到一個氫離子的 C12H7NO3,會反射紅光,吸收其他的光;失去一個氫離子的 C12H7NO3,則會反射藍光,吸收其他的光。

因此,石蕊試紙會變色的原因就是:酸鹼溶液會改變 C12H7NO3 的結構,當石蕊試紙中的 C12H7NO3 結構改變了,會吸收、反射的光波長也改變了,顏色也因此看起來不一樣了。

現在大家都了解石蕊試紙變色的原理了,下回使用石蕊試紙時,就知道它為什麼會變色囉!

參考資料

  1. Wikipedia. (2022). Litmus. Wikipedia.
  2. Yee, Thomas. (2018). Why do acids turn litmus paper red? Quora
  3. Warzecha, Klaus-Dieter. (2017). Can the colour change in litmus paper be explained by conjugated systems? Acid base.
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許阿鳥_96
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台大生態學與演化生物學研究所畢業。火星上的人類學家。