出品：科普中國

制作：中國細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會 王立銘

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

上文說到，我們身體里的細(xì)胞那么多，不同的細(xì)胞對能量的需求又總是在變動(dòng)當(dāng)中，那么我們的身體又是如何判斷什么時(shí)候缺乏能量；又是怎么通知肝臟和肌肉，并從中提取葡萄糖分子以供身體需要呢？

胰島素：血糖減壓閥

我們聰明的身體的應(yīng)對思路是這樣的：他強(qiáng)由他強(qiáng)，清風(fēng)拂山崗，他橫由他橫，明月照大江。

想要設(shè)計(jì)開發(fā)出（或者說，由進(jìn)化發(fā)展出）一套信號收集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測身體上百萬億細(xì)胞的能量需求是不現(xiàn)實(shí)的，這套系統(tǒng)即便是能開發(fā)出來，可能需要消耗的細(xì)胞數(shù)量不會少于需要被監(jiān)測的對象，這種疊床架屋的思路不是進(jìn)化所擅長的。

我們身體的對策是，不需要專門照看每個(gè)細(xì)胞，只要設(shè)計(jì)一套血糖穩(wěn)壓系統(tǒng)，能夠保證血液循環(huán)中的葡萄糖水平衡定即可。在這套系統(tǒng)的操縱下，身體所有的細(xì)胞，都可以穩(wěn)定地從血液中汲取能量來源。如果所需能量很多，血糖穩(wěn)壓系統(tǒng)可以為血液注入更多葡萄糖以滿足供應(yīng)；如果細(xì)胞恰好不需要那么多能量，那么這套血糖穩(wěn)壓系統(tǒng)也可以及時(shí)停止將更多的葡萄糖輸入血液中，防止血液中積累不必要的高濃度糖分子。

想象起來，這套系統(tǒng)的工作原理其實(shí)類似于我們用來熬粥的高壓鍋上的限壓閥，它可以將鍋內(nèi)的氣壓維持在恒定范圍內(nèi)：氣壓過高，高壓蒸汽可以通過限壓閥排泄而出，氣壓過低，那么限壓閥起到封閉作用、從而繼續(xù)在鍋內(nèi)積蓄氣壓。

高壓鍋限壓閥的簡單工作原理

 氣體可以從氣孔2流出，直接接觸限壓閥。當(dāng)氣壓未達(dá)到限定值時(shí)，蒸汽不足以頂起限壓閥，氣道封閉，壓力繼續(xù)升高。當(dāng)氣壓達(dá)到限定值時(shí)，高壓蒸汽頂起限壓閥，氣體外泄，降低鍋內(nèi)壓力。（圖片來自res.tongyi.com）

我們身體里的這套血糖穩(wěn)壓系統(tǒng)，主要就是兩個(gè)蛋白質(zhì)分子的作用：胰島素（insulin）和胰高血糖素（glucagon）。

　　圖 胰島素和胰高血糖素的作用原理（繪圖 李欣磊）

 兩個(gè)分子的功能恰好相反。胰島素的功能是血糖“減壓”：當(dāng)血液中葡萄糖水平過高時(shí)，胰腺上的胰島素合成細(xì)胞——貝塔細(xì)胞(beta cell)——啟動(dòng)分泌程序，將富含胰島素蛋白的囊泡釋放入血液。胰島素能夠激活那些儲存糖原的細(xì)胞，也就是肌肉和肝臟細(xì)胞，將血液中的葡萄糖分子大量運(yùn)輸進(jìn)細(xì)胞、合成糖原并儲存起來。這等于是在機(jī)體能量富余狀態(tài)下的儲備措施。

反過來，胰高血糖素的功能則是血糖“升壓”：當(dāng)血糖水平過低時(shí)，胰腺上的阿爾法細(xì)胞（alpha cell）分泌胰高血糖素，而它可以反胰島素之道而行之，將糖原轉(zhuǎn)化為葡萄糖并注入血液，提供更多的能量供給。

 貝塔細(xì)胞（綠色）和阿爾法細(xì)胞（紅色）的熒光顯微照片。我們在后文中還會反復(fù)提及這兩團(tuán)功能極其重要的細(xì)胞。讀者們可能已經(jīng)注意到，負(fù)責(zé)血糖“減壓”和“升壓”的細(xì)胞位置上非常靠近，這一點(diǎn)很重要，我們已經(jīng)知道，兩組功能相反的細(xì)胞之間也有直接的相互作用，以保證血糖水平的精確調(diào)控。（圖片來自 www.diabetesresearch.org）

當(dāng)然，這套血糖穩(wěn)壓系統(tǒng)比我們說的要復(fù)雜的多。

事實(shí)上，身體并不必要、也是沒有能力把血糖水平始終維持在一個(gè)刻板的水平上。要知道人體的能量主要來自食物，而我們并非二十四小時(shí)一刻不停地、用勻速在吃一種質(zhì)地均勻的顆粒狀食物。一般而言，我們一天就吃三頓飯，飯與飯之間的間隔時(shí)間，短則幾個(gè)鐘頭長的話就沒譜（依我們工作或者游戲的狀態(tài)而定），每頓飯的食物總是要為我們提供幾個(gè)小時(shí)的能量。

因此可以想象，每頓飯之前、我們感到饑餓的時(shí)候，血糖水平會處在一個(gè)相對低谷，而飽餐一頓之后血糖會有一個(gè)急劇飆高的“尖峰時(shí)刻”。因此，血糖的規(guī)律性波動(dòng)也是正常現(xiàn)象不足為奇。舉例來說，按照美國糖尿病協(xié)會的建議，空腹血糖的正常水平約在5.5 毫摩爾每升（約100毫克每100毫升）附近，而餐前/餐后的血糖合理水平則差不多在5-7.2和10左右。

一天當(dāng)中正常的血糖波動(dòng)曲線

 我們可以看到，如紅色實(shí)線所示，血糖水平在三頓飯前后會有急劇的波動(dòng)，上升幅度可以到達(dá)100%。與之密切相關(guān)的是血液中胰島素水平（藍(lán)色實(shí)線）的波動(dòng)：可以看到，胰島素幾乎隨著血糖上升應(yīng)聲而起，肩負(fù)著將血糖水平迅速調(diào)整回本底水平的艱巨使命。值得注意的是，如果食物中淀粉含量低而糖類含量高（紅色虛線），那么血糖波動(dòng)水平還會更加劇烈和危險(xiǎn)，這也是為什么高糖食物（例如軟飲料）不利于健康的原因之一。（圖片來自英文維基百科）

而正因?yàn)槿绱耍司S持血糖在一般狀態(tài)下的水平穩(wěn)定之外，胰島素還肩負(fù)著在餐后的血糖尖峰時(shí)刻力挽狂瀾、維持血糖水平不要高得太太離譜的艱巨使命。與此同時(shí)，我們?nèi)祟愖鳛殡s食、甚至還偏好肉食的動(dòng)物，食物中除了碳水化合物之外還頗多蛋白質(zhì)和脂肪等能量分子，這些能量分子的代謝又和葡萄糖之間有復(fù)雜和微妙的聯(lián)系。但是總而言之，我們身體這套血糖穩(wěn)壓系統(tǒng)，特別是胰島素這個(gè)血糖減壓閥，其意義是無論如何強(qiáng)調(diào)都不為過的。

減壓閥的工作原理

區(qū)區(qū)一個(gè)限壓閥，工作起來也沒有想象的那么簡單。

還是拿高壓鍋的限壓閥為例來說明問題吧。我們知道，高壓鍋限壓閥的減壓效果本質(zhì)上是兩個(gè)功能的結(jié)合：首先，閥門要有能力判斷鍋內(nèi)氣壓水平是否已經(jīng)超過允許值；其次，在氣壓水平超過允許值之后應(yīng)該有相應(yīng)的減壓機(jī)制。

這兩個(gè)功能實(shí)現(xiàn)起來倒是也相當(dāng)簡便：鍋內(nèi)的空氣通過一根很細(xì)的管子通往鍋外，而限壓閥壓在管子出口處封閉空氣的流出。只有當(dāng)鍋內(nèi)氣體壓力過大時(shí)才會頂起限壓閥排出氣體。限壓閥的重量設(shè)定是經(jīng)過了精密的計(jì)算，以保證只有鍋內(nèi)氣體的壓力超過一個(gè)預(yù)先設(shè)置的允許范圍時(shí)，才會導(dǎo)致限壓閥被頂起。

因此，這套簡單的機(jī)械構(gòu)造具備了任何自動(dòng)減壓系統(tǒng)都必須具備的兩個(gè)要素：限壓閥的重量起到了實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力的功能；而限壓閥被頂起則起到了迅速減小壓力的功能。

以小見大，我們身體中的胰島素系統(tǒng)，雖然要比區(qū)區(qū)一個(gè)高壓鍋復(fù)雜和精密許多許多倍，其基本的工作原理還是類似的。

首先，我們需要一個(gè)血糖實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，告訴我們的身體血液里的葡萄糖水平究竟怎么樣了。然后我們還需要一個(gè)快速反應(yīng)系統(tǒng)，在血糖水平太高的時(shí)候，起到迅速降低血糖的作用。

先說這個(gè)血糖實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)吧。這套系統(tǒng)簡單來說，就是靠調(diào)節(jié)胰島素的分泌來實(shí)現(xiàn)的。如下圖所示，當(dāng)血糖水平太高時(shí)，葡萄糖分子能夠透過一個(gè)名為GLUT2的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白跨過細(xì)胞膜進(jìn)入貝塔細(xì)胞內(nèi)，并迅速用于產(chǎn)生ATP能量分子，進(jìn)而引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致胰島素的大量釋放。這套高血糖-胰島素分泌的系統(tǒng)恰似高壓鍋的穩(wěn)壓閥，可以非常靈敏的監(jiān)測到血糖水平的異常升高。

　　圖 血糖實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)（繪圖 肖媛）

之后呢，血糖快速降低的機(jī)制隨之被啟動(dòng)。血液中的胰島素分子會隨著血液循環(huán)擴(kuò)散到全身各個(gè)地方，當(dāng)它們接近那些負(fù)責(zé)存儲葡萄糖的肌肉和肝臟細(xì)胞時(shí)，會識別出這些細(xì)胞表面的胰島素受體蛋白，從而激活這些細(xì)胞內(nèi)一系列的化學(xué)反應(yīng)。

一個(gè)重要的結(jié)果就是，這些細(xì)胞通過另一個(gè)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT4為葡萄糖進(jìn)入大開方便之門，將血液中的大量葡萄糖納入其中并轉(zhuǎn)換成糖原存儲起來，從而很快降低了血液中葡萄糖的水平。讀者們可以看到，這套胰島素分泌-糖原合成的系統(tǒng)正恰似高壓鍋的排氣系統(tǒng)，可以非常高效的降低過高的血糖水平。

那么這套看起來如此精密、萬無一失的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又是怎么和糖尿病這種和感冒一樣常見的疾病扯上關(guān)系的？

敬請期待下文糖尿病：過去、現(xiàn)在和未來（三）：胰島素和糖尿病。筆者將會講述胰島素分子和糖尿病之間千絲萬縷的聯(lián)系。

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