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諾貝爾獎與生活科技:維生素家族與諾貝爾獎

維生素是維持生命的要素,是只要極微小用量就可增強、維持和修護人體組織的化學物質。近百年來無數科學家投入研究,先後有19人因而獲頒諾貝爾獎。
 
 
 
我們都知道,人類攝取食物中的營養素以維持生命。其中醣類、脂肪可提供能量;蛋白質、礦物質用來建造身體組織;至於調節新陳代謝,協助身體對抗疾病,增強人體防禦機能的工作,就要靠維生素與礦物質了。維生素是人類酵素系統的要素,負責營養成分的分配,調節生理機能,充當輔助酶素,促進體內各類生化反應及生長發育,一旦缺乏,就會引起代謝紊亂,發生某些疾病。

在漫長的歷史中,曾經有一段黑暗歲月,許多不明原因的怪病層出不窮,摧殘全世界人們的健康,典型且擾人的有壞血病、腳氣病、夜盲症、癩皮病等,這些疾病到底是什麼原因引起的呢?這個和人類生命息息相關的謎團,直至 19 世紀末,才由瑞士巴塞耳大學研究生魯寧開始觸及。

他在 1880 年以科學實驗證實牛奶中含有一些生命必需的要素,人體缺乏這些要素便會導致死亡,至此拉開了近代研究維生素的序幕。後來才發現腳氣病肇因於缺乏維生素B,壞血病是缺乏維生素C所致 …… 這些發現挽救了無數生命,是科學造福人群的結果。

1913 年,波蘭科學家馮克從米糠溶液中分析出一種胺類化合物,由於它是生命體不可少的東西,馮克把它命名為「生命胺」(vitamine),由拉丁文「生命」(vita)與胺(amine)組成。然而隨著化學提純和分析技術的發展,科學家發現生命必需物質不全是胺類化合物,如維生素A、C等。於是德國科學家德來蒙特把這名字改成 vitamin,一般音譯成維他命,營養學界所用的正式名稱則是維生素。

隨著科學的進展,愈來愈多的維生素成員被發現,逐漸形成一個龐大的家族。科學家們把它們分門別類,依發現順序以英文字母 A、B、C、D、E 等命名,然後把作用相近的歸為一族,一族裡有許多種維生素時,再按其結構標上 1、2、3 等數字以資區別。目前已知的維生素有 20 餘種,人體不能自行合成,必須從食物中攝取。為了滿足人們的需求,現在某些維生素也由人工合成。

顧名思義,維生素是維持生命的要素、隱藏在動植物體中的微量物質,是只要極微小用量就可增強、維持和修護人體組織的化學物質。這些神奇的物質是如何發現的呢?這段科學探索的過程雖然漫長,對於人類生命的貢獻卻無可比擬。近百年來無數科學家投入研究,成果卓然可觀,先後有 19 人因而獲頒諾貝爾獎。

維護眼睛的維生素A

醫學上記載動物的肝有治療眼病、夜盲症等功效,最早見於唐朝《千金方》醫書,直到 1913 年,美國科學家台維斯等人終於揭開肝中之謎。他們在鱈魚肝油中發現一種神祕物質,溶於脂肪卻不溶於水,是維持生命和健康必需的微量因子,效力比魚肝油大數百倍,但是怕光怕氧,因此稱它為「脂溶性A」。到了 1920 年,美國生化學家德拉黎德才正式把它命名為維生素A。

由於動物肝中維生素A含量豐富,因此可以治療乾眼病,肉食性動物體內的維生素A可從被捕食的動物獲得,但是草食動物肝內的維生素A從何而來呢?1928 年,美國科學家摩爾用胡蘿蔔餵老鼠,他和德國化學家卡勒以堅毅的實驗精神奮戰數年,終於證明只要在氧化劑的作用下,胡蘿蔔素可以轉化為維生素A,並儲藏在肝臟中。人們常吃的青菜蘿蔔中就含有大量的胡蘿蔔素,透過人體肝內氧化酶的作用,可以轉化為維生素A,源源供應人體所需。正由於這項成就,卡勒和摩爾被譽為維生素A化學的奠基人。

由上述的例子,可見食物和維他命的關係密切。早在 1905 年,有位英國生化學家就對此進行一系列的實驗。他從蛋白質中分離出色胺酸,加入到膳食中,證實可以支持生長過程。1906 年,更證明色胺酸及有些必需的胺基酸不能在某些動物體內合成,必須從食物補充。

後來進一步研究鼠類飼料,發現如果只含蛋白質、脂肪、醣類及礦物質,而沒有維生素,鼠類是不能生存的,由此確立食物中須含有對生命必需的微量物質。這項貢獻使霍普金斯(Frederick Gowland Hopkins, 1861-1947)獲頒 1929 年諾貝爾生理醫學獎。

既然已經知道維生素A存在的祕密,如果食物中缺乏維生素A,首先受到影響的是哪個器官呢?答案是眼睛。早在 1925 年,美國生理學家弗里德里夏和霍爾姆就發現餵食老鼠缺乏維生素A的食物,會使老鼠在黑暗中活動困難,分析其視網膜,發現缺乏一種叫視紫質的物質。經過嚴格的化學分析,科學家證明視紫質是由維生素A和蛋白質聯合組成的,每感光一次,維生素A就因化學變化而減少。

1938年,哈佛的生物學家沃爾德(George Wald, 1906-1997)的研究證明食物中缺乏維生素A,會導致視黃醛的供應缺乏和視紫質減少,因而產生夜盲。沃爾德獲得 1967 年的諾貝爾生理醫學獎,主要的貢獻就在於發現維生素A是視網膜感光色素的主要成分,是保持正常視力不可或缺的。

米糠水中的維生素B

缺乏維生素B引起的疾病,最著名的是腳氣病。它曾經像個百年幽靈,長期襲捲亞洲各國,奪走千萬人民的生命。1886 年夏天,荷蘭的艾克曼(Christiaan Eijkman, 1858-1930)醫生到荷屬東印度研究亞洲普遍流行的腳氣病,起初認定是細菌引起的,卻始終找不出致病原。4 年後,在他實驗室用的雞群中爆發多神經炎,表現與腳氣病極相似,經過多年研究,以米糠代替精白米餵雞就能治好病雞,也終於揭開了腳氣病的奧祕。

他斷定米糠中有一種物質可以治癒可怕的腳氣病,於是用浸泡米糠的水給病患喝,果然如仙丹妙藥般挽救了很多人的生命。這個米糠中的特殊物質就是維生素B1,艾克曼因為這項發現獲得 1929 年諾貝爾生理醫學獎。

1932 年,德國化學家庫恩分離出維生素B2。1935 年,他和瑞士化學家卡勒用人工方法合成這種物質,並試驗這種又稱核黃素的維生素B2 的活性。因為這種物質的發現在維生素B1 之後,因此稱為維生素B2。由於人工能合成B2,人類再也不需費事從牛奶蛋黃中提取它了。

另外,卡勒(Paul Karrer, 1889-1971)獨自合成了核黃素,並測定維生素A及B2 的結構,因而獲頒 1937 年諾貝爾化學獎。庫恩(Richard Kuhn, 1900-1967)分離出維生素B6,提純核黃素,闡明其結構,在類胡蘿蔔素和維生素結構的研究上有卓越成就,也獲得了 1938 年諾貝爾化學獎。同年,瑞典生物化學家西歐瑞爾(Axel Hugo Theodor Theorell, 1903-1982)發現氧化酵素的自然性和作用性,弄清楚黃色輔酶的結構,證明它就是核黃素分子多接了一個磷酸鹽基,因此獲頒 1955 年諾貝爾生理醫學獎。

在 1920 年,美國病理學家惠普爾(Georg Hoyt Whipple, 1878-1976)證明用肝做飼料可促進狗的血紅蛋白再生。受到他這項發現的啟發,1926 年,波士頓的醫生邁諾特(George Richards Minot, 1885-1950)和墨菲(William Parry Murphy, 1892-1987)提出抗貧血病的肝臟療法,經試驗確認並分離出有效成分就是維生素B12。只要病人把肝做為飲食的重要部分,便能治好惡性貧血病。惠普爾、邁諾特和墨菲因而共享了 1934 年諾貝爾生理醫學獎。

對抗病毒的維生素C

壞血病是缺乏維生素C所導致的,病患的微血管會變脆,牙齦出血,牙齒鬆動,逐漸虛弱終致死亡,這種病特別盛行於長時間的航海中。1806 年間,英國海軍部採用倫達醫生試驗結果的建議,讓出海的士兵服用定量檸檬汁,從 1808 年後,壞血症便絕跡了,於是英國水兵和海員有了「檸檬人」的稱號,但當時並不知道治好病的原因。

1928 年,匈牙利生物化學家納基雷波特(Albert Szent-Gyorgyi Von Nagyrapolt, 1893-1986)從植物汁液及腎上腺萃取物中分離出一種有機還原劑,能夠把氫離子從一種化合物傳達到另一種化合物上。同時發現它有很強的抗壞血效果,因此稱為抗壞血酸,經過 4 年,證明並命名為維生素C。他又發現辣椒含維生素C特別高,每百克含有 110 毫克,是茄子的 25 倍,潛心研究下終於成功地從辣椒 中提取了數公 斤的維生素C, 因此獲得了 1937 年諾貝爾生理醫學獎。

那一年,英 國化學家霍沃斯(Sir Walter Norman Haworth, 1883-1950)在研究碳水化合物 與維生素的結構上也獲得突破,人工合成了維生素C,這是第 1 種人工合成的維生素,他也因而獲頒 1937 年諾貝爾化學獎。維生素C最主要的生理功能之一,是維持體內組織與細胞間質的生成,並維護其正常生理機能,可說是體內新陳代謝中潤滑劑的主要材料。

1970 年夏天,美國著名生理學家鮑林(L.C. Pauling),也是兩次諾貝爾獎得主,在多年研究維生素C的生理功能後,發表論文斷定維生素C有對抗感冒病毒的功能,可以預防感冒,引起美國一股搶購維生素C的風潮。近年來雖然也有科學家對這一說法不以為然,但對於維生素C增加細胞氧化還原的本領及抵抗疾病的能力,仍是一致認可的。

經陽光產生的維生素D

17 世紀後的歐洲,尤其英國的工業區,相繼出現一種奇怪的佝僂病,特別是勞工聚集且暗無天日的貧民窟中更為嚴重。有一派醫生認為病因是缺乏陽光,另一派醫生則提出「營養治療」說。經過實驗發現雙管齊下的治療效果更好,而把陽光和營養聯繫起來的就是維生素D。

佝僂病是缺乏維生素D所引起的,在一般食物中都含有D元,這是一種經過化學處理或光照會轉變為維生素D的物質。陽光裡的紫外線能把D元變成維生素D,經過化學處理的魚肝油中的D元也能轉化成維生素D。1920 年,麥科勒姆及其同事發現魚肝油既能治癒眼病,又能治佝僂病,他們斷定魚肝油中含有抗佝僂病因子,這種因子必定是第 4 種維生素,他們稱為維生素D。

1926 年,法國化學家溫道斯(Adolf Otto Reinhold Windaus, 1876-1959)發現陽光能把一種與膽固醇密切有關的甾醇轉變為維生素D,由麥角醇經光照合成維生素D,可治療佝僂病。麥角醇是由酵母、菇類分離出的一種固醇,經紫外線照射後會轉換成維生素D2,由於這一發現以及固醇類成分和相關維生素的研究成果,溫道斯獲得了 1928 年諾貝爾化學獎。

影響生育的維生素E

1922 年,美國加州大學伊萬斯教授和其研究小組,發現一種可能對動物生育有影響的維生素。這種物質是關係傳宗接代的法寶,他依維生素發現次序把它命名維生素E,直到 1936 年,才從麥胚油中提煉出結晶的維生素E。由於維生素E含有活潑的羰基,對動物的生育有顯著作用,因此又稱為「生育酚」。他以畢生精力鑽研維生素E,發現不僅用植物芽胚可提煉這種物質,在各類食物中也有其足跡,如肉、蛋、奶、肝臟、豆類、酵母等。

維生素E的特性是不溶於水,不怕熱、酸、鹼,就怕氧化劑。近代科學家繼續深入研究,發現維生素E有保護細胞核抗氧化的能力,具有抗衰老的功效,未來的應用價值更是不可限量。

凝血維生素K

1934 年,丹麥生物化學家達姆(Henrik Dam, 1895—1976)以小雞做實驗,發現一種具凝血功能的物質。經實驗證明是一種脂溶性維生素,存在於綠葉中,命名為「凝血維他命」(Kougalatian-Vitamin),取第 1 個英文字母稱為維生素K。

達姆從紫苜蓿中提取出維生素K之後的 3 個月,另一位美國科學家多伊西(Edward Adelbert Doisy, 1893-1986)在腐敗的魚肉中,也分離出一種和維生素K有相同生理功能的結晶,並確定它的結構。依發現先後,科學界分別把它們取名為維生素K1 及K2,兩人也分享了 1943 年諾貝爾生理醫學獎。

除了上述的維生素之外,其他的相關研究也是成績斐然。早在 1904 年,哈登(Arthur Harden, 1865-1940)研究發酵和酵素作用,證明有一種輔酶分子小到可以穿過膜孔,對於酵素的活性是不可少的。化學家們立即著手確定這種輔酶的結構,德國籍的瑞典化學家奧伊勒-克爾平(Hans von Euler-Chelpin, 1873-1964)首先在這方面獲得真正的進展,結果他和哈登分享了 1929 年諾貝爾化學獎。

另外,德國科學家克利伯(Hans Adolf Krebs, 1900-1981)研究細胞代謝,發現生物合成及碳水化合物新陳代謝的檸檬酸循環,揭示生物體內的糖經酵素分解變為三碳物質後,進一步氧化為 H2O 及 CO2 的路徑,和代謝能的主要來源,因而獲頒 1953 年諾貝爾生理醫學獎。

從 1880 年魯寧的實驗拉開研究維生素的序幕開始,至今全世界科學家苦心鑽研,累積一代代的研究成果,終於逐步揭開維生素的奧祕,造就多位諾貝爾獎得主。這頂桂冠指出科學研究的艱辛不易,也代表對科學家造福人類的敬意。既然所有生物都有獨特的生命,應該也有維持其生命的要素存在,科學家對維生素的研究只不過是個開端,可以預料,隨著科學的進展,明天的維生素家族陣容有無限擴展的可能。
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