編者按：

11月14日是「聯合國糖尿病日」。在這個文明昌盛的星球上，糖尿病患者高達數億人，其所帶來的家庭與社會的醫療負擔不容小覷。了解糖尿病，了解人類在與糖尿病抗爭過程中動人的科學發現，也是在不斷地了解生命本身，洞察人類自身生活方式的變遷。自今日起，我們將陸續為讀者帶來浙江大學教授王立銘撰寫的關於糖尿病的系列科普文章，敬請關注。

出品|科普中國

製作|中國細胞生物學學會 王立銘

監製|中國科學院計算機網路信息中心

現代人大概對糖尿病這個名詞都不陌生。說得驚悚一點，在你看這篇文章的時候稍稍停頓一下，數上七八個熟悉的親朋好友的名字，那麼按照概率，這七八個人當中可能就會有一位糖尿病患者。因為據中國2013年的官方數據，中國18歲以上成年人的糖尿病發病率已經高達11.6%，絕對患者數已經突破億人。

糖尿病的流行趨勢絕非中國獨有。按照國際糖尿病聯盟的估算，2013年全球糖尿病患者已經接近4億人，2014年有接近500萬人死於糖尿病及其併發症。而且據估算，糖尿病發病率還將持續的快速增長，至2030年全球發病率甚至可能翻倍。甚至有人開玩笑說，除了流行感冒，糖尿病乃是人類社會第二常見的疾病！這話卻並非完全是危言聳聽。要知道，讓許多人談虎色變、每到秋冬季節都心懷惴惴的流行性感冒，每年全球感染率約為5-10%（成人），產生300-500萬例嚴重病例、帶走約25-50萬人的生命。單純比較發病率的話，糖尿病可說是當之無愧的疾病之王；加上死亡率的話，流行感冒在糖尿病面前只能算小巫見大巫了！

世界糖尿病聯盟對2025年全球糖尿病發病率的估算。美歐發達國家均將逼近10%左右的發病率水平，少數國家甚至達到20%左右的超高發病率。當然，要說一句的是糖尿病預測的統計口徑各方存在挺大的差異。（圖片來自International Diabetes Federation 根據2006年數據估算）

也正因為糖尿病是如此常見和兇險，讀者們應該對這種疾病或多或少有些了解。筆者在開始寫這篇系列故事之前，諮詢了下周圍的親朋好友，發現大家在提到糖尿病時，也都大概知道這種疾病和血糖水平相關，少數人也能提到胰島素的作用，不過說起為什麼過高的血糖水平有害，胰島素到底又是幹什麼的，許多朋友並不瞭然。在故事的開頭，還是讓筆者花一點筆墨，給讀者們稍微展開說說血糖、胰島素和糖尿病之間的聯繫吧。

1.葡萄糖：太古而來的能量分子

大家的理解沒錯，糖尿病確實是一個和血糖、也就是血液中的葡萄糖水平密切相關的疾病。而葡萄糖可不是一個簡單的分子，它刷出來的存在感遠遠超越我們正在討論的糖尿病範疇。

葡萄糖是一個由六個碳原子為骨架構成的碳水化合物分子，它可能是整個地球生物圈裡，被利用和儲藏最廣泛的碳水化合物了。甚至有理論認為，在生命尚未出現的、數十億年前的太古宙海洋中，已經有金屬離子在催化著葡萄糖分子的分解，從而構成了生命原初的化學約束力。在今天的地球上，仍有巨量的細菌和幾十億年前一樣，把葡萄糖當成最主要的能量「載體」。當需要能量維持其生存和新陳代謝時，細菌將每一個葡萄糖分子通過由十步嚴格控制的蛋白質催化反應產生兩個能量分子—三磷酸腺苷（ATP）；而細菌同時也會利用太陽能和各種環境中的化學能，源源不斷地合成葡萄糖分子儲備起來以備不時之需。讀者們可以看到，這套儲存—分解葡萄糖系統的核心在於，環境中起伏不定甚至稍縱即逝的能量、例如寒冷冬天裡的一瞥明媚陽光、被有效地以葡萄糖分子的形式物化和固定下來，極大地延長了能量穩定供應的周期，為有機生命在險惡多變的自然環境中生存下來提供了有力保障。

葡萄糖(glucose)的分子結構。化學分子式C6H12O6，分子量180.16，密度1.54克每立方厘米，熔點146攝氏度，高度可溶於水，是地球有機生命共同的能量之源。值得注意的是，葡萄糖分子具有旋光異構性，自然界廣泛存在的乃是其右旋異構體（D-glucose）。葡萄糖的「上帝」是個右撇子（與此相反的是，另一種生命重要分子—氨基酸—的「上帝」估計是個左撇子）。（圖片來自英文維基百科。）

可能也正因為如此，葡萄糖分子作為能量載體的功能，歷經億萬年進化，在所有的地球有機生命中都保留了下來。不僅如此，比細菌更複雜的生物，像動物和植物，對葡萄糖分子的利用更是花樣翻新。一方面，高等生物通過更複雜的化學反應，從一份葡萄糖分子中理論上最多可以產生38份ATP分子（由於細胞內能量利用的效率，一般產生30-32份ATP），這使得葡萄糖分子作為能量載體的效率大大提高了。而另一方面，在這些複雜生物中，單體葡萄糖分子更是被進一步合成為更加穩定的大分子物質（例如澱粉和糖原），在特定的細胞里存儲起來，為生物體提供更長久、更穩定的能量儲存。舉例來說，一個成年人體內的骨骼肌和肝臟里，存儲了多達500克的糖原分子隨時為身體供能；而不少植物更是在特化的根、莖、和種子里大量的儲備澱粉，在滿足自身存活需要的同時更是（無可奈何地）為人類提供了各種可口的美食（從烤土豆、綠豆湯到揚州炒飯……）。

土豆的傳奇。起源於南美洲，這種特別的茄科植物為了高效儲存能量，發育出特異膨大的地下變態莖（左圖），其內容物主要便是葡萄糖分子所形成的土豆澱粉（每百克濕重中澱粉含量可達驚人的十五克）。這種被後人命名為土豆的地下能量倉庫保證了這種植物在南美安第斯山的高寒氣候中健康成長。而在約7000-10000年前，先民們慧眼獨具地挑中了這種植物開始培育和栽種。到今天，土豆已經成為全球第四大糧食作物，養活了大量人口和難以計數的牲畜。對於很多中國讀者來說，土豆的精神，在右圖的醋溜土豆絲中體現的意義非凡。（圖片來自英文維基百科）

細菌對能量的需求，理解起來並不那麼複雜：自己這麼小一個細胞，缺能量了就分解葡萄糖、不缺能量了就儲備葡萄糖唄。但是我們的身體差不多由上百萬億個細胞構成，這些細胞的大小、形狀、位置和能量需求多種多樣，極端複雜，而葡萄糖分子卻又主要儲備在肌肉和肝臟這兩塊相對集中和獨立的地方。那麼一個麻煩的問題就來了：我們身體里的細胞那麼多，不同的細胞對能量的需求又總是在變動當中。我們的身體又是如何判斷什麼時候缺乏能量；又是怎麼通知肝臟和肌肉，並從中提取葡萄糖分子以供身體需要呢？

2.胰島素：血糖減壓閥

我們聰明的身體的應對思路是這樣的：他強由他強，清風拂山崗，他橫由他橫，明月照大江。

想要設計開發出（或者說，由進化發展出）一套信號採集系統，實時監測身體上百萬億細胞的能量需求，然後迅速的產生一對一的反應是不現實的，這套系統即便是能開發出來，可能需要用上的細胞數量不會少於需要被監測的對象，這種疊床架屋的思路不是進化所擅長的。

我們身體的對策是，不需要專門照看每個細胞，只要設計一套血糖穩壓系統，能夠保證血液循環中的葡萄糖水平衡定即可。在這套系統的操縱下，身體所有的細胞，都可以穩定地從血液中汲取能量來源。如果所需能量很多，血糖穩壓系統可以為血液注入更多葡萄糖以滿足供應；如果細胞恰好不需要那麼多能量，那麼這套血糖穩壓系統也可以及時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。

形象一點說，這套系統的工作原理其實類似於我們用來熬粥的高壓鍋上的限壓閥，它可以將鍋內的氣壓維持在恆定範圍內：氣壓過高，高壓蒸汽可以通過限壓閥排出，氣壓過低，那麼限壓閥起到封閉作用、從而繼續在鍋內積蓄氣壓。

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

兩個分子的功能恰好相反。胰島素的功能是血糖「減壓」：當血液中葡萄糖水平過高時，胰腺上的胰島素合成細胞——貝塔細胞(beta cell)——啟動分泌程序，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胞（主要是肌肉細胞，也包括脂肪細胞），將血液中的葡萄糖分子大量「吸收」進去、合成糖原、並儲存起來；同時命令那些能夠生產葡萄糖的細胞（主要是肝臟細胞）不要再生產葡萄糖了。反過來，胰高血糖素的功能則是血糖「升壓」：當血糖水平過低時，胰腺上的阿爾法細胞（alpha cell）分泌胰高血糖素。它可以反胰島素之道而行之，將肌肉細胞中的糖原轉化為葡萄糖並注入血液，並命令肝臟細胞充分利用一切能找到的物質合成葡萄糖（比如肝臟甚至可以把氨基酸和脂肪酸變成葡萄糖），為身體提供更多的能量供給。

貝塔細胞（綠色）和阿爾法細胞（紅色）的熒光顯微照片。我們在後文中還會反覆提及這兩團功能極其重要的細胞。讀者們可能已經注意到，負責血糖「減壓」和「升壓」的細胞位置上非常靠近，這一點很重要，我們已經知道，兩組功能相反的細胞之間也有直接的相互作用，以保證血糖水平的精確調控。（圖片來自http://www.salk.edu）

當然，這套血糖穩壓系統比我們說的要複雜得多。事實上，身體並不必要、也是沒有能力把血糖水平始終維持在一個刻板的水平上。要知道人體的能量主要來自食物，而我們並非二十四小時一刻不停地、速度恆定的吃一種質地均勻的顆粒狀食物。我們一般而言一天就吃三頓飯，三餐之間短則幾個鐘頭、長的話就沒譜（依我們工作或者玩網遊的狀態而定），每頓飯的食物總是要為我們提供幾個小時的能量。因此可以想像，每頓飯之前、我們感到飢餓的時候血糖水平會處在一個相對低谷，而飽餐一頓之後血糖會有一個急劇飆高的尖峰時刻。舉例來說，按照美國糖尿病協會的建議，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/餐後的血糖合理水平則差不多在5-7.2和10左右。

一天當中正常的血糖波動曲線。我們可以看到，如紅色實線所示，血糖水平在三頓飯前後會有急劇的波動，上升幅度可以到達100%。與之密切相關的是血液中胰島素水平（藍色實線）的波動：可以看到，胰島素幾乎隨著血糖上升應聲而起，肩負著將血糖水平迅速調整回本底水平的艱巨使命。值得注意的是，如果食物中澱粉含量低而糖類含量高（紅色虛線），那麼血糖波動水平還會更加劇烈和危險，這也是為什麼高糖食物（例如軟飲料）不利於健康、特別不適合糖尿病人食用的原因之一。（圖片來自英文維基百科）

而正因為此，除了維持血糖在一般狀態下的穩定水平之外，胰島素還肩負著在餐後的血糖尖峰時刻力挽狂瀾、維持血糖水平不要高得太離譜的艱巨使命。與此同時，我們人類作為雜食、甚至還偏好肉食的動物，食物中除了碳水化合物之外還有頗多蛋白質和脂肪等能量分子，這些能量分子的代謝又和葡萄糖之間有複雜和微妙的聯繫。但是總而言之，我們身體這套血糖穩壓系統，特別是胰島素這個血糖減壓閥，其意義是無論如何強調都不為過的。

3.減壓閥的工作原理

區區一個限壓閥，工作起來也沒有想像的那麼簡單。

還是拿高壓鍋的限壓閥為例來說明問題。我們知道，高壓鍋限壓閥的減壓效果本質上是兩個功能的結合：首先，閥門要有能力判斷鍋內氣壓水平是否已經超過允許值；其次，在氣壓水平超過允許值之後應該有相應的減壓機制。這兩個功能實現起來倒是也相當簡便：鍋內的空氣通過一根很細的管子通往鍋外，而限壓閥壓在管子出口處封閉空氣的流出。只有當鍋內氣體壓力過大時才會頂起限壓閥排出氣體。限壓閥的重量設定是經過了精密的計算，以保證只有鍋內氣體的壓力超過一個預先設置的允許範圍時，才會導致限壓閥被頂起。

因此，這套簡單的機械構造具備了任何自動減壓系統都必須具備的兩個要素：限壓閥的重量起到了實時監測壓力的功能；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，雖然要比區區一個高壓鍋複雜和精密許多許多倍，但是其基本的工作原理還是類似的。

首先，我們需要一個血糖實時監測系統，告訴我們的身體血液里的葡萄糖水平究竟怎麼樣了。然後我們還需要一個快速反應系統，在血糖水平太高的時候，起到迅速降低血糖的作用。

先說這個血糖實時監測系統吧。簡單來說，就是靠調節胰島素的分泌來實現的。當血糖水平太高時，葡萄糖分子能夠透過一個名為GLUT2的葡萄糖轉運蛋白跨過細胞膜進入貝塔細胞內，並迅速用於產生ATP能量分子，進而引發一系列的化學反應，最終導致胰島素的大量釋放。這套高血糖—>胰島素分泌的系統恰似高壓鍋壓在排氣管道上的限壓閥鐵塊，可以非常靈敏地監測到血糖水平的異常升高。

之後，血糖快速降低的機制被啟動。血液中的胰島素分子會隨著血液循環擴散到全身各個地方，當它們接近那些負責存儲葡萄糖的肌肉細胞、或那些負責生產葡萄糖的肝臟細胞時，會識別出這些細胞表面的胰島素受體蛋白，從而激活這些細胞內的一系列化學反應。一個重要的結果就是，負責存儲葡萄糖的肌肉細胞通過葡萄糖轉運蛋白GLUT4為葡萄糖進入大開方便之門，將血液中的大量葡萄糖納入其中並轉換成糖原存儲起來。與此同時，肝臟細胞則會馬上給葡萄糖生產線踩剎車，防止更多的葡萄糖被生產出來進入血液。雙管齊下，可以很快降低血液中葡萄糖的水平。讀者們可以看到，這套胰島素分泌—>糖原合成的系統正恰似高壓鍋的排氣系統，可以非常高效的降低過高的血糖水平。

那麼這套看起來如此精密、萬無一失的調節系統，又是怎麼和糖尿病這種如感冒一樣常見的疾病扯上關係的？

敬請期待下文

話說糖尿病（二）：胰島素和糖尿病。

筆者將會講述糖尿病是怎麼發生的，以及它與胰島素千絲萬縷的聯繫。

《知識分子》由饒毅、魯白、謝宇三位學者創辦並擔任主編。關注請加微信號：the-intellectual或掃描下方二維碼。

推薦閱讀：