出品：科普中國

制作：中國細胞生物學學會 王立銘

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

上文說到，我們身體里的細胞那么多，不同的細胞對能量的需求又總是在變動當中，那么我們的身體又是如何判斷什么時候缺乏能量；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）一套信號收集系統，能夠實時監測身體上百萬億細胞的能量需求是不現實的，這套系統即便是能開發出來，可能需要消耗的細胞數量不會少于需要被監測的對象，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么多能量，那么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。

想象起來，這套系統的工作原理其實類似于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恒定范圍內：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、從而繼續在鍋內積蓄氣壓。

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。當氣壓未達到限定值時，蒸汽不足以頂起限壓閥，氣道封閉，壓力繼續升高。當氣壓達到限定值時，高壓蒸汽頂起限壓閥，氣體外泄，降低鍋內壓力。（圖片來自res.tongyi.com）

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）。

　　圖 胰島素和胰高血糖素的作用原理（繪圖 李欣磊）

 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，也就是肌肉和肝臟細胞，將血液中的葡萄糖分子大量運輸進細胞、合成糖原并儲存起來。這等于是在機體能量富余狀態下的儲備措施。

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，而它可以反胰島素之道而行之，將糖原轉化為葡萄糖并注入血液，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。我們在后文中還會反復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 www.diabetesresearch.org）

當然，這套血糖穩壓系統比我們說的要復雜的多。

事實上，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一刻不停地、用勻速在吃一種質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間，短則幾個鐘頭長的話就沒譜（依我們工作或者游戲的狀態而定），每頓飯的食物總是要為我們提供幾個小時的能量。

因此可以想象，每頓飯之前、我們感到饑餓的時候，血糖水平會處在一個相對低谷，而飽餐一頓之后血糖會有一個急劇飆高的“尖峰時刻”。因此，血糖的規律性波動也是正常現象不足為奇。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/餐后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后會有急劇的波動，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，如果食物中淀粉含量低而糖類含量高（紅色虛線），那么血糖波動水平還會更加劇烈和危險，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）

而正因為如此，除了維持血糖在一般狀態下的水平穩定之外，胰島素還肩負著在餐后的血糖尖峰時刻力挽狂瀾、維持血糖水平不要高得太太離譜的艱巨使命。與此同時，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復雜和微妙的聯系。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。

減壓閥的工作原理

區區一個限壓閥，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后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范圍時，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復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么樣了。然后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。這套系統簡單來說，就是靠調節胰島素的分泌來實現的。如下圖所示，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，并迅速用于產生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的穩壓閥，可以非常靈敏的監測到血糖水平的異常升高。

　　圖 血糖實時監測系統（繪圖 肖媛）

之后呢，血糖快速降低的機制隨之被啟動。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和肝臟細胞時，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一系列的化學反應。

一個重要的結果就是，這些細胞通過另一個葡萄糖轉運蛋白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并轉換成糖原存儲起來，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。

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

敬請期待下文糖尿病：過去、現在和未來（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系。

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