糖尿病故事一:从葡萄糖说起
出品:科普中国
制作:中国细胞生物学学会 王立铭
监制:中国科学院计算机网络信息中心

原标题:糖尿病的过去现在和未来之一:从葡萄糖说起

  大家对糖尿病这个名词大概都不陌生。
  说得惊悚一点,在你看这篇文章的时候稍稍停顿一下,环顾左右(如果你是一个人独处,那么可以默念你熟悉的人的名字),数上七八个背影或者名字,按照概率,这七八个人当中,可能就会有一位糖尿病患者。因为按照中国2013年的数据,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。
  而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年有接近500万人死于糖尿病及其并发症。而按照它的估算,糖尿病发病率还在持续的快速增长,至2030年全球发病率甚至可能翻倍。甚至有人开玩笑说,糖尿病乃是人类社会第二常见的疾病,仅仅落后于流行感冒!这话虽然说得有些夸大其词,但是却并非完全是危言耸听。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,每年全球感染率约为5-10%(成人),每年肆虐后会留下300-500万例严重病例、带走约25-50万人的生命。单纯比较发病率,糖尿病可说是当之无愧的疾病之王;加上死亡率的话,在糖尿病面前流行感冒只能算个小弟弟了!

  世界糖尿病联盟对2025年全球糖尿病发病率的估算。从图可见,美欧发达国家均将逼近10%左右的发病率水平,少数国家甚至达到20%左右的超高发病率。(图片来自www.idf.org 根据2006年数据估算)
  也正因为糖尿病是如此常见和凶险,读者们应该对这种疾病或多或少有些了解。笔者在开始写这篇系列故事之前,咨询了下周围的亲朋好友,发现亲戚朋友们在提到糖尿病时,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,许多朋友还是并不了然。
  所以,在故事的开头,还是让笔者花一点笔墨,给大家稍微展开说说胰岛素、血糖、和糖尿病之间的联系吧。
  葡萄糖:太古而来的能量分子
  其实,大家的理解没错,糖尿病确实是一个和“血糖”,也就是血液中的葡萄糖水平密切相关的疾病。
  而葡萄糖可不是一个简单的分子,它刷出来的存在感远远超越了我们正在讨论的糖尿病范畴。
  葡萄糖是一个由六个碳原子构成的碳水化合物分子,它可能是整个地球生物圈里,被利用和储藏的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,从而构成了生命元初的化学约束力。
  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,细菌将每一份葡萄糖分子通过由10步严格控制的蛋白质催化反应产生两份的能量分子—三磷酸腺苷(ATP);同时也会利用太阳光的能量和各种环境中的化学能,源源不断的合成葡萄糖分子储备起来以备不时之需。
  读者们可以看到,这套储存——分解葡萄糖系统的核心在于,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、被有效的以葡萄糖分子的形式物化和固定下来,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的保障。

  葡萄糖(glucose)的分子结构。化学分子式C6H12O6,分子量180.16,密度1.54克每立方厘米,熔点146摄氏度,高度可溶于水,是地球有机生命共同的能量之源。值得注意的是,葡萄糖分子具有旋光异构性,自然界广泛存在的乃是其右旋异构体(D-glucose)。看来,葡萄糖的“上帝”是个右撇子 (与此相反的是,另一种生命重要分子—氨基酸—的“上帝”是个左撇子)。(图片来自英文维基百科。)
  可能也正是因此,葡萄糖分子作为能量载体的功能,历经亿万年进化,在所有的地球有机生命中都被保留了下来。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。
  一方面,高等生物通过更复杂的化学反应,能从一份葡萄糖分子中攫取多达三十八份ATP 分子,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),在特定的细胞里存储起来,为生物体提供更长久、更稳定的能量储存。
  举例来说,一个成年人体内的骨骼肌和肝脏里,存储了多达500克的糖原分子随 时为身体供能;而不少植物更是在特化的根、茎、和种子里大量的储备淀粉,在满足自身存活需要的时候更是(无可奈何的)为人类提供了各种可口的美食(从烤土豆、绿豆汤到扬州炒饭……)

  土豆的传奇。起源于南美洲,这种特别的茄科植物为了高效储存能量,发育出特异膨大的地下变态茎(左图),其内容物主要便是葡萄糖分子所形成的土豆淀粉(每百 克湿重中淀粉含量可达惊人的十五克)。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健康成长。而在约 7000-10000年前,先民们慧眼独具的挑中了这种植物开始培育和栽种。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。 对于很多读者来说,土豆的精神,在右图的醋溜土豆丝中体现的意义非凡。(图片来自英文维基百科)
  但是由此就带来了一个很麻烦的问题。
  细菌的能量需求,总体而言理解起来简单得多:自己这个小细胞,缺能量了就分解葡萄糖、不缺能量了就储备葡萄糖就是。而人体差不多有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,而葡萄糖分子则主要储备在肌肉和肝脏这两块相对集中和独立的区域内。
  那么问题来了: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,那么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?
  敬请期待下文《糖尿病:过去、现在和未来(二):精密的血糖调节系统》,笔者将会为您回答上述问题。

本作品还在其他渠道:

搜狐网 

新华网 

环球网 

网易 

关闭