本文的讀者們大概都對糖尿病這個名詞不陌生。說得驚悚一點，在你看這篇文章的時候稍稍停頓一下，數(shù)上七八個你熟悉的親朋好友的名字，那么按照概率，這七八個人當(dāng)中可能就會有一位糖尿病患者。因為據(jù)中國2013年的官方數(shù)據(jù)，中國18歲以上成年人的糖尿病發(fā)病率已經(jīng)高達(dá)11.6%，絕對患者數(shù)已經(jīng)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(lián)盟的估算，2013年全球糖尿病患者已經(jīng)接近4億人，2014年有接近500萬人死于糖尿病及其并發(fā)癥。而按照它的估算，糖尿病發(fā)病率還在持續(xù)的快速增長，至2030年全球發(fā)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?。∵@話雖然說得有些嘩眾取寵，但是卻并非完全是危言聳聽。要知道，讓許多人談虎色變、每到秋冬季節(jié)都心懷惴惴的流行性感冒，每年全球感染率約為5-10%（成人），每年肆虐會產(chǎn)生300-500萬例嚴(yán)重病例、帶走約25-50萬人的生命。單純比較發(fā)病率的話，糖尿病可說是當(dāng)之無愧的疾病之王；加上死亡率的話，在糖尿病面前流行感冒只能算小巫見大巫了！
世界糖尿病聯(lián)盟對2025年全球糖尿病發(fā)病率的估算。從圖可見，美歐發(fā)達(dá)國家均將逼近10%左右的發(fā)病率水平，少數(shù)國家甚至達(dá)到20%左右的超高發(fā)病率。當(dāng)然，要說一句的是糖尿病預(yù)測的統(tǒng)計口徑各方存在挺大的差異。（圖片來自www.idf.org 根據(jù)2006年數(shù)據(jù)估算）
也正因為糖尿病是如此常見和兇險，讀者們應(yīng)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，咨詢了下周圍的親朋好友，發(fā)現(xiàn)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(guān)，少數(shù)人也能提到胰島素的作用，不過說起為什么過高的血糖水平有害，胰島素到底又是干什么的，許多朋友還是并不了然。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(lián)系吧。
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(guān)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(yuǎn)遠(yuǎn)超越我們正在討論的糖尿病范疇。
葡萄糖是一個由六個碳原子為骨架構(gòu)成的碳水化合物分子，它可能是整個地球生物圈里，被利用和儲藏的最廣泛的碳水化合物了。甚至有理論認(rèn)為，在生命尚未出現(xiàn)的、數(shù)十億年前的太古宙海洋中，已經(jīng)有金屬離子在催化著葡萄糖分子的分解，從而構(gòu)成了生命元初的化學(xué)約束力。在今天的地球上，仍有巨量的細(xì)菌和幾十億年前一樣，把葡萄糖當(dāng)成最主要的能量“載體”。當(dāng)需要能量維持其生存和新陳代謝時，細(xì)菌將每一個葡萄糖分子通過由十步嚴(yán)格控制的蛋白質(zhì)催化反應(yīng)產(chǎn)生兩個能量分子—三磷酸腺苷（ATP）；而細(xì)菌同時也會利用太陽能和各種環(huán)境中的化學(xué)能，源源不斷的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(tǒng)的核心在于，環(huán)境中起伏不定甚至稍縱即逝的能量、例如寒冷冬天里的一瞥明媚陽光、被有效的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(wěn)定供應(yīng)的周期，為有機生命在險惡多變的自然環(huán)境中生存下來提供了有力的保障。
葡萄糖(glucose)的分子結(jié)構(gòu)。化學(xué)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，高度可溶于水，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(gòu)性，自然界廣泛存在的乃是其右旋異構(gòu)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(jīng)億萬年進(jìn)化，在所有的地球有機生命中都保留了下來。不僅如此，比細(xì)菌更復(fù)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，高等生物通過更復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，最多能從一份葡萄糖分子中攫取多達(dá)三十八份ATP分子，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，在這些復(fù)雜生物中，單體葡萄糖分子更是被進(jìn)一步合成為更加穩(wěn)定的大分子物質(zhì)（例如淀粉和糖原），在特定的細(xì)胞里存儲起來，為生物體提供更長久、更穩(wěn)定的能量儲存。舉例來說，一個成年人體內(nèi)的骨骼肌和肝臟里，存儲了多達(dá)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淀粉，在滿足自身存活需要的時候更是（無可奈何的）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。起源于南美洲，這種特別的茄科植物為了高效儲存能量，發(fā)育出特異膨大的地下變態(tài)莖，其內(nèi)容物主要便是葡萄糖分子所形成的土豆淀粉（每百克濕重中淀粉含量可達(dá)驚人的十五克）。這種被后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，先民們慧眼獨具的挑中了這種植物開始培育和栽種。到今天，土豆已經(jīng)成為全球第四大糧食作物，養(yǎng)活了大量人口和難以計數(shù)的牲畜。對于很多中國讀者來說，土豆的精神意義非凡。
細(xì)菌對能量的需求，理解起來并不那么復(fù)雜：自己這么小一個細(xì)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(xì)胞構(gòu)成，這些細(xì)胞的大小、形狀、位置、和能量需求多種多樣極端復(fù)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器官里。那么一個麻煩的問題就來了：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當(dāng)中。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(yīng)對思路是這樣的：他強由他強，清風(fēng)拂山崗，他橫由他橫，明月照大江。
想要設(shè)計開發(fā)出（或者說，由進(jìn)化發(fā)展出）一套信號采集系統(tǒng)，實時監(jiān)測身體上百萬億細(xì)胞的能量需求，然后迅速的產(chǎn)生一對一的反應(yīng)是不現(xiàn)實的，這套系統(tǒng)即便是能開發(fā)出來，可能需要用上的細(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細(xì)胞，只要設(shè)計一套血糖穩(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)定的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(tǒng)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(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，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，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)，主要就是兩個蛋白質(zhì)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(dāng)血液中葡萄糖水平過高時，胰腺上的胰島素合成細(xì)胞——貝塔細(xì)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(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“吸收”進(jìn)去、合成糖原、并儲存起來。這等于是機體在能量富余狀態(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，胰腺上的阿爾法細(xì)胞（alpha cell）分泌胰高血糖素。它可以反胰島素之道而行之，將肌肉和肝臟細(xì)胞中的糖原轉(zhuǎn)化為葡萄糖并注入血液，為身體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?？拷?，這一點很重要，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、速度恒定的吃一種質(zhì)地均勻的顆粒狀食物。我們一般而言一天就吃三頓飯，飯與飯之間間隔時間短則幾個鐘頭長的話就沒譜（依我們工作或者玩網(wǎng)游的狀態(tài)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。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(dá)100%。與之密切相關(guān)的是血液中胰島素水平（藍(lán)色實線）的波動：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、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(tài)下的穩(wěn)定水平之外，胰島素還肩負(fù)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?nèi)祟愖鳛殡s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(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)，特別是胰島素這個血糖減壓閥，其意義是無論如何強調(diào)都不為過的。
減壓閥的工作原理
區(qū)區(qū)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(zhì)上是兩個功能的結(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)的減壓機制。這兩個功能實現(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)過了精密的計算，以保證只有鍋內(nèi)氣體的壓力超過一個預(yù)先設(shè)置的允許范圍時，才會導(dǎo)致限壓閥被頂起。
因此，這套簡單的機械構(gòu)造具備了任何自動減壓系統(tǒng)都必須具備的兩個要素：限壓閥的重量起到了實時監(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，我們需要一個血糖實時監(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快速反應(yīng)系統(tǒng)，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(jiān)測系統(tǒng)吧。這套系統(tǒng)簡單來說，就是靠調(diào)節(jié)胰島素的分泌來實現(xiàn)的。當(dāng)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(zhuǎn)運蛋白跨過細(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à胰島素分泌的系統(tǒng)恰似高壓鍋壓在排氣管道上的限壓閥鐵塊，可以非常靈敏的監(jiān)測到血糖水平的異常升高。
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(huán)擴散到全身各個地方，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，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)。一個重要的結(jié)果就是，這些細(xì)胞通過另一個葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白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à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如感冒一樣常見的疾病扯上關(guān)系的？
