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吃货的生物学修养：脂肪、糖和代谢病的科学传奇 [:1700639624]
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吃货的生物学修养：脂肪、糖和代谢病的科学传奇 一｜血糖与疾病
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大家对糖尿病这个名词大概都不陌生。说得惊悚一点，在你们看这篇文章的时候稍稍停顿一下，心里默默数上七八个熟悉的亲朋好友的名字，那么按照概率，这七八个人当中可能就会有一位糖尿病患者。因为据中国2013年的官方数据，中国18岁以上成年人的糖尿病发病率已经高达11.6%，绝对患者数已经突破亿人。
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糖尿病的流行趋势绝非中国独有。按照国际糖尿病联盟的估算，2013年全球糖尿病患者已经接近4亿人，2014年全球有接近500万人死于糖尿病及其并发症。而且根据预测，糖尿病发病率还将持续地快速增长——至2030年，全球发病率甚至还可能翻倍！甚至有人开玩笑说，除了流行性感冒，糖尿病乃是人类社会第二常见的疾病。这话倒并非完全是耸人听闻。要知道，让许多人谈虎色变、每到秋冬季节都心怀惴惴的流行性感冒，每年全球感染率为5%～10%（成人），每年流行都会产生300万～500万例严重病例，带走25万～50万人的生命。单纯比较发病率的话，糖尿病可说是当之无愧的疾病之王；加上病死率的话，流行性感冒在糖尿病面前只能算小巫见大巫了！
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在开始写这一章之前我也咨询了一下亲朋好友。发现大家在提到糖尿病时，也都大概知道这种疾病和血糖水平相关，少数人也能提到胰岛素的作用，不过说起为什么过高的血糖水平有害，胰岛素到底又是干什么的，许多朋友并不了然。在故事的开头，还是让笔者花一点笔墨，给读者们稍微展开说说血糖、胰岛素和糖尿病之间的联系吧。
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1.血糖减压阀
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大家的理解没错，糖尿病确实是一个和血糖——血液中的葡萄糖——水平密切相关的疾病。
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葡萄糖可不是一个简单的分子，它的生命史本身就是一部传奇。
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葡萄糖是一种由6个碳原子为骨架构成的碳水化合物分子。它可能是整个地球生物圈里，被利用和储藏得最广泛的碳水化合物了。甚至有理论认为，在生命尚未出现的、数十亿年前的太古宙海洋中，已经有金属离子在催化着葡萄糖分子的分解，从而构成了生命原初的化学约束力。（图4-2）
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在今天的地球上，仍有巨量的细菌和几十亿年前一样，把葡萄糖当成最主要的能量“载体”。当需要能量维持其生存和新陈代谢时，细菌将每一个葡萄糖分子投入十步严格控制的生化反应，产生两个叫做三磷酸腺苷的能量“货币”。而细菌也会利用太阳能或是环境中的化学能源，源源不断地合成更多的葡萄糖分子，储备起来以备不时之需。
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图4-2 葡萄糖的化学结构。化学分子式C6H12O6，相对分子质量180.16，密度1.54克每立方米，熔点146摄氏度，水溶性极高。是地球有机生命共同的能量之源
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大家可以看到，这套葡萄糖合成—储存—分解系统的核心在于，环境中起伏不定甚至稍纵即逝的能量，例如寒冷冬天里的一瞥明媚阳光或是海底火山喷出的高浓度含硫热泉，以葡萄糖分子的形式被有效地物质化，极大地延长了能量稳定供应的周期，为有机生命在险恶多变的自然环境中生存下来提供了有力保障。
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可能也正因为如此，葡萄糖分子作为能量载体的功能，历经亿万年进化，在几乎所有的地球有机生命中都保留了下来。不仅如此，比细菌更复杂的生物，像动物和植物，对葡萄糖分子的利用更是花样翻新。
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一方面，高等生物通过更复杂的化学反应，理论上从每一个葡萄糖分子中最多可以榨取出38个能量货币三磷酸腺苷，这使得葡萄糖分子作为能量载体的效率大大提高了。而另一方面，在这些复杂生物中，单个的葡萄糖分子更是被进一步合成为更加稳定的大分子物质（例如淀粉和糖原），并在特定的细胞里储存起来，为生物体提供更长久、更稳定的能量储存。举例来说，在一个成年人体内的骨骼肌和肝脏里，储存了多达500克的糖原分子可以随时为身体供能；而不少植物更是在特化的根、茎、和种子里大量地储备淀粉，在满足自身存活需要的同时更是（无可奈何地）为人类提供了从烤土豆、绿豆汤到扬州炒饭的各式美食。
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土豆传奇
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土豆起源于南美洲，并在明朝末年传入中国。这种特别的茄科植物为了高效储存能量，发育出了极端膨大的地下变态茎，其内容物主要是葡萄糖分子所形成的淀粉：每100克湿重中淀粉含量可达惊人的15克。这种被后人命名为土豆的地下能量仓库，保证了这种植物在南美安第斯山的高寒气候中能够健康成长。而在7000～10000年前，人类的先民们慧眼独具地挑中了这种植物开始培育和栽种，并逐渐将其作为重要的食物来源。到今天，土豆已经成为全球第四大粮食作物，养活了大量人口和难以计数的牲畜。说起来，土豆在人类历史中留下了不可磨灭的印记。开始于1845年的爱尔兰大饥荒，主要就是因为土豆晚疫病导致土豆大规模减产引发的。这场饥荒迫使上百万爱尔兰人移民北美，深刻地改变了爱尔兰和美国的人口结构和历史走向。对于中国来说，土豆的引入间接造就了著名的康乾盛世：中国人口从乾隆年间的1.4亿快速上升到道光年间的4.3亿，其中就有土豆的巨大助力。近年来，土豆主粮化的呼吁又一次进入了中国人的视野。
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小小细菌对能量的需求，理解起来并不那么复杂。这么小一个细胞，缺能量了就分解葡萄糖，不缺能量了就储备葡萄糖呗。但是人类的身体由上百万亿个细胞构成，这些细胞的大小、形状、位置和能量需求多种多样，极端复杂，而葡萄糖分子却又主要储备在肌肉和肝脏这两块相对集中和独立的地方。那么一个麻烦的问题就来了：我们身体里的细胞那么多，不同的细胞对能量的需求又总是在变动当中。我们的身体又是如何判断什么时候缺乏能量；又是怎么通知肝脏和肌肉，并从中提取葡萄糖分子以供身体需要呢？
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我们身体的应对思路是这样的：他强由他强，清风拂山冈，他横由他横，明月照大江。
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想要设计开发出（或者说，由进化发展出）一套信号采集系统，实时监测身体上百万亿细胞的能量需求，然后迅速的产生一对一的反应是不现实的，这套系统即便是能开发出来，可能需要用上的细胞数量不会少于需要被监测的对象，监测本身动用的能量可能还要高过实际需要的能量，这种叠床架屋的思路不是进化所擅长的。
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我们身体的对策是，不需要专门照看每个细胞，只要设计一套血糖稳压系统，保证身体血液循环中的葡萄糖水平保持恒定即可。在这套系统的操纵下，身体所有的细胞都可以稳定地从血液中汲取葡萄糖分子作为能量来源。如果能量需求提高，血糖稳压系统可以为血液注入更多葡萄糖，以提供充足的能量供应。如果细胞此时不需要那么多能量，那么这套血糖稳压系统也可以及时停止将更多的葡萄糖输入血液中，甚至回收过剩的葡萄糖分子，防止血液中积累不必要的高浓度糖分子，变得太“甜”了。
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我们身体里的这套血糖稳压系统，主要就是两个蛋白质分子的作用：胰岛素（insulin）和胰高血糖素（glucagon）。（图4-3）
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两个分子的功能恰好相反。胰岛素的功能是血糖“减压”：当血液中葡萄糖水平过高时，胰腺中的胰岛素合成细胞——贝塔细胞（beta cell）——启动分泌程序，将胰岛素释放入血液。血液中的胰岛素能够指挥我们的身体细胞——主要是肌肉细胞和脂肪细胞，将血液中的葡萄糖分子大量“吸收”进去、合成糖原、再储存起来；同时命令那些能够生产葡萄糖的细胞——主要是肝脏细胞——不要再生产葡萄糖了。双管齐下开“流”节“源”，血液中的葡萄糖水平立刻就会下降。
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图4-3 显微镜下的胰腺组织。其中贝塔细胞（红色）和阿尔法细胞（绿色）清晰可见。我们在后文中还会反复提及这两团功能极其重要的细胞。大家可以看到，负责血糖“减压”和“升压”的细胞，彼此非常靠近。事实上它们之间也存在复杂的相互作用，从而实现血糖的精确调节