血糖调节糖尿病：过去现在和未来二：血糖调节系统

制作人:科普中国

作品:王黎明，中国细胞生物学学会

生产者:计算机网络信息中心

如上所述，我们的身体有这么多细胞，不同细胞对能量的需求总是在变化，那么我们的身体在缺乏能量的时候是如何判断的呢？如何告知肝脏和肌肉，并从中提取葡萄糖分子以满足身体的需要？

胰岛素:血糖减压阀

我们聪明的身体的应对思路是这样的:他比他强，微风吹过山丘，他穿过他，明月照在河上。

设计开发(或进化)一个信号采集系统，能够实时监测人体内数十万万亿个细胞的能量需求，是不现实的。即使这个系统可以开发，需要消耗的细胞数量也不一定少于需要监控的对象。

我们身体的对策是，我们不需要特别照顾每一个细胞，只需要设计一个血糖稳定系统来保证血液循环中的葡萄糖和水分平衡。在这个系统的控制下，体内的所有细胞都可以稳定地从血液中吸取能量。如果需要大量的能量，血糖稳定系统可以向血液中注入更多的葡萄糖来满足供应；如果细胞只是不需要那么多能量，那么这个血糖稳定系统就可以及时阻止更多的葡萄糖被送入血液，防止血液中不必要的高浓度糖分子堆积。

试想一下，这个系统的工作原理其实类似于我们用来煮粥的高压锅上的限压阀，可以将锅内的气压保持在一个恒定的范围内:如果气压过高，高压蒸汽可以通过限压阀排出，但是气压过低，那么限压阀就起到了密封作用，从而继续在锅内积聚气压。

压力锅限压阀的简单工作原理

气体可以从气孔2流出，直接接触限压阀。当气压未达到极限值时，蒸汽不足以提起限压阀，气道关闭，压力继续上升。当气压达到极限值时，高压蒸汽托起限压阀，气体漏出，降低锅内压力。(照片来自res.tongyi.com)

我们体内的血糖稳定系统主要是两种蛋白质分子的作用:胰岛素和胰高血糖素。

图胰岛素和胰高血糖素的作用原理(画李鑫磊)

这两种分子的功能正好相反。胰岛素的作用是对血糖进行“减压”:当血液中的葡萄糖水平过高时，胰腺上的胰岛素合成细胞β细胞开始分泌过程，将富含胰岛素蛋白的囊泡释放到血液中。胰岛素可以激活储存糖原的细胞，即肌肉和肝细胞，将血液中的大量葡萄糖分子转运到细胞中，合成糖原并储存。这相当于身体处于能量过剩状态下的储备措施。

相反，胰高血糖素的作用是“提升”血糖:当血糖水平过低时，胰腺上的α细胞分泌胰高血糖素，胰高血糖素可以对抗胰岛素，将糖原转化为葡萄糖，注射到血液中提供更多的能量供应。

β细胞(绿色)和α细胞(红色)的荧光显微照片。后面我们会反复提到这两组功能极其重要的细胞。读者可能已经注意到，负责血糖“减压”和“升压”的细胞位置非常接近，这一点非常重要。我们已经知道，两组功能相反的细胞之间有直接的相互作用，以确保血糖水平的准确调节。(照片来自www.diabetesresearch.org)

当然，这个血糖稳定系统比我们说的要复杂得多。

其实身体不是必须的，无法将血糖水平保持在一个刚性的水平。要知道人体的能量主要来源于食物，我们并不是一天24小时匀速吃一粒质地均匀的食物。一般来说，我们一天吃三顿饭，两餐之间的时间间隔短至几个小时(取决于我们工作或游戏的状态)。每顿饭的食物总是为我们提供几个小时的能量。

所以可以想象，每顿饭前，当我们感到饿的时候，血糖水平会处于一个相对较低的点，吃饱饭后，血糖会有一个急剧上升的“高峰时刻”。所以血糖有规律的波动也是正常现象也就不足为奇了。例如，根据美国糖尿病协会的建议，空的正常腹部血糖水平约为5.5 mmol/L(约100 mg/100 ml)，而餐前/餐后血糖的合理水平约为5-7.2和10。

白天血糖波动曲线正常

我们可以看到，如红色实线所示，三餐前后血糖水平会剧烈波动，上升率可以达到100%。与之密切相关的是血液中胰岛素水平的波动(实线蓝线):可见胰岛素几乎随着血糖的升高而升高，肩负着将血糖水平快速调整回背景水平的艰巨任务。值得注意的是，如果食物中淀粉含量低，糖分含量高(红色虚线)，血糖的波动水平会更剧烈、更危险，这也是高糖食物(如软饮料)对身体不好的原因之一。(图片来自英文维基百科)

正因为如此，胰岛素除了维持血糖在一般状态下的稳定水平外，还肩负着力挽狂澜、保持血糖水平不太高的艰巨使命。同时，作为杂食甚至食肉动物，我们人类除了碳水化合物外，食物中还有大量的蛋白质、脂肪等能量分子，这些能量分子的代谢与葡萄糖有着复杂微妙的关系。但总之，我们的血糖稳压系统，尤其是胰岛素这个血糖减压阀的意义，怎么强调都不为过。

减压阀的工作原理

仅仅是一个限压阀，工作起来并没有想象的那么简单。

我们以高压锅限压阀为例来说明一下问题。我们知道，压力锅限压阀的减压效果本质上是两个功能的结合:一是阀门要能判断锅内压力水平是否已经超过允许值；其次，气压水平超过允许值后，应有相应的减压机制。

这两个功能实现起来相当简单:空锅内气体通过一根很细的管子引到锅外，在管子出口处按下限压阀，关闭空气体的流出。只有当锅内的气体压力过高时，限压阀才会被提升以排出气体。限压阀的重量设置经过精确计算，以确保限压阀只有在罐内气体压力超过预设允许范围时才会被提升。

所以这种简单的机械结构有两个要素是任何自动减压系统都必须具备的:限压阀的重量起到实时压力监测的作用；限压阀抬起时，可以迅速降低压力。

从小到大，虽然我们体内的胰岛素系统比高压锅复杂精密很多很多倍，但其基本工作原理是相似的。

首先，我们需要一个实时血糖监测系统来告诉我们的身体血液中的葡萄糖水平是多少。那么，我们就需要一个快速反应系统，在血糖水平过高的情况下，能够快速降低血糖。

先说这个实时血糖监测系统。简单来说，这个系统是通过调节胰岛素分泌来实现的。如下图所示，当血糖水平过高时，葡萄糖分子可以穿过细胞膜，通过一种叫做GLUT2的葡萄糖转运蛋白进入β细胞，迅速用来产生ATP能量分子，进而引发一系列化学反应，最终导致胰岛素的大量释放。这种高血糖-胰岛素分泌系统就像高压锅的稳压阀，可以非常灵敏地监测血糖水平的异常升高。