燒糖還是燒油?自由基、衰老和一個簡單的計算

人們曾經認為,動物的壽命與其心率相關——心跳越快的動物,壽命越短;越慢則越長。

但(後來發現)某些動物卻完全不是這樣——比如鴿子的心跳(600次/分鐘)比老鼠(400~500次/分鐘)的還要快一些,但前者的壽命(平均30年)幾乎是後者(平均3年)的10倍。

後來人們發現,這是因為鴿子體內產生的自由基比老鼠的少很多。

自由基

現在提到衰老(還有各種疾病),總不可避免地會涉及自由基——這種東西會(通過氧化反應鏈)破壞體內的蛋白質、脂肪、多糖、DNA等等,引起細胞損傷,減少細胞壽命,加速端粒縮短和幹細胞儲備枯竭……即會加速身體衰老。

自由基主要產生於細胞的能量代謝過程(也有其他的產生方式,比如某些免疫細胞會特意製造自由基來攻擊「入侵者」),而作為細胞能量代謝中心(所謂「發動機」)的線粒體則是其主要的產地(因此生命過程本身無法避開自由基,只能設法與其同存)。

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鴿子產生的自由基少,是因為它們的「發動機」在工作時產生的「煙塵」(自由基)更少。

對於多數動物來說,心率之所以會顯得與其壽命有相關性,應該也與自由基有關——一般來說,心率越高的動物,體內產生自由基的速率也越快。

在線粒體中,能量以電子的形式穿過其中的「電子傳遞鏈」,把質子(H+)泵到線粒體膜間隙中以積累電化學勢差,最後用這種勢差來(產生質子流從而)製造ATP

而電子在穿過電子傳遞鏈的過程中,有可能會泄露出去,從而與外面的氧氣分子結合,將其(部分)還原為「過氧負離子」(O2•-)——雖然過氧負離子本身的氧化能力不強,但它是其他自由基的前體——這些由氧氣分子衍生出來的自由基又被稱為「活性氧簇」(ROS)。

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過氧負離子發生歧化(或者自然發生,或者通過過氧化物歧化酶)產生過氧化氫(H2O2),後者可以被還原為羥基自由基(OH•-)——這可以算得上是有機生命體中最強的氧化劑。過氧負離子還可以與其他自由基,比如一氧化氮(NO•)反應產生過氧亞硝基(ONOO-)——也是非常強力的氧化劑(現在傾向於將後者稱為「活性氮簇」(RNS))。

電子在傳遞鏈上總會有一些泄露,於是線粒體總會產生一些活性氧簇——不過「適量」的活性氧簇還算是「健康」的:線粒體內有一定的機制可以消除它們(細胞還會利用這些信號來判斷是否需要添置更多的線粒體);但如果活性氧簇太多,會引起不可控制的氧化反應鏈,從而損傷細胞中的各種結構。

電子傳遞鏈上有4種「複合體」(或者叫複合蛋白),其中最大、最複雜的「複合體1」(又稱NADH脫氫酶)是過氧負離子的主要產地(複合體1有兩種機制產生過氧負離子:一是通過還原其中的「黃素單核苷酸」(FMN),二是通過「反向電子傳遞」),其次是複合體3(但在一般情況下,它相比於複合體1的產量幾乎可以忽略不計);複合體2和複合體4則幾乎不產生過氧負離子。

鴿子的線粒體之所以會產生更少的自由基,一大原因是其線粒體中的複合體1很少(而它們的複合體1與老鼠的相比,在產生活性氧簇的能力上差別不大)。

但是,知道這些於我們有什麼用呢?

顯然,我們不能改變自己體內線粒體的蛋白質構成(至少目前還不能),使我們有像鴿子那麼少的複合體1,從而產生同樣少得多的活性氧簇。

但我們可以(在一定程度上)減少對複合體1的使用率——即讓電子少走複合體1這條險路,從而更少「失足」。

這個怎麼做到呢?

葡萄糖的燃燒過程

我們(粗略)看一下葡萄糖在細胞內的能量代謝過程(左邊是葡萄糖到丙酮酸的過程,右邊是丙酮酸到乙醯輔酶A,後者再進入三羧酸循環的過程)。

注意:在這個過程中,總共產生了10個NADH+H+,2個FADH2,它們都會進入電子傳遞鏈——不過前者進入的是活性氧簇的主要產地——複合體1,後者進入的則是幾乎不產生活性氧簇的複合體2。

原來真的有能完全繞過複合體1的存在……如果能量代謝中產生的都是這些無害的FADH2該多好……

可惜是不可能的(至少目前是),但我們可以讓身體在產生能量的過程中,多點FADH2,少點NADH+H+——怎麼做到呢?

脂肪酸的燃燒過程

這就需要看下脂肪酸(示例為棕櫚酸)的燃燒過程了:

注意:在這個過程中,總共產生了31個NADH+H+,15個FADH2——FADH2與NADH+H+的比例接近1:2(具體比例取決於脂肪酸長度)(而在葡萄糖代謝中,這個比例為1:5)。

一個棕櫚酸最終會產生129個ATP,而一個葡萄糖會產生30~32個(根據細胞的不同而不同);所以在最多的情況下,4個葡萄糖能產生相當於一個棕櫚酸的ATP:128個。為了產生這麼多ATP,用葡萄糖的話,需要出現40個NADH+H+,用棕櫚酸的話,則需要出現31個——少了接近1/4的NADH+H+——這意味著電子傳遞鏈上的複合體1被少使用了9/40次,從而(在一般情況下)少產生了接近同樣比例(取決於其他各種因素對其他複合體的影響)的活性氧簇。即:

產生等量的能量(其實還略多一些,尤其是考慮到葡萄糖往往只能產生30個ATP),同時卻少了接近1/4的自由基

或者換一種說法:

用葡萄糖來供能時,線粒體會多產生接近1/3的自由基……

如果把線粒體比作細胞的發動機,那麼相比於「燒油」,這個發動機在「燒糖」時會產生更多的煙塵(自由基),從而更容易出故障,工作壽命也更短……

的確,在各種其他因素(比如杜絕種子,保證各種微量營養(尤其是鎂),保證日照和睡眠,控制總熱量,甚至受冷)都控制得很好的情況下,碳水化合物(各種澱粉類蔬菜,還有適量的水果)本身是人體「還行的」的能源——但終不會是「最好的」。

所以,只要讓線粒體主要代謝脂肪酸,就可以盡量減少對複合體1的使用率,從而在源頭上最小化活性氧簇的產生

所以,如果讓身體完全進入以脂肪(而非葡萄糖)為主的代謝模式,讓全身的絕大多數發動機都偏愛燒油(而非燒糖),那麼(至少在理論上)可以延緩衰老。

當然還有許多其他影響因素:

比如攝入的卡路里總量——一般情況下,熱量越多,自由基越多——除非身體大力啟用解耦聯蛋白3,使得線粒體可以在不產生ATP的情況燃燒熱量(那是另一個故事了);

比如線粒體內的抗氧化機制——含錳過氧化物歧化酶,谷胱甘肽過氧化物酶(至少後者在脂肪代謝模式下能更好地發揮作用)……

但「燒糖還是燒油」總歸是更根本的問題。

燒糖還是燒油?

如果你覺得1/4(還有1/3)聽上去不算很多,那麼可以考慮下:

人體內有接近40萬億個細胞,每個細胞平均有1000~2000(極度耗能的組織(比如心、腦)中的每個細胞甚至有10000)個線粒體,平均每個細胞每分鐘內要(循環)產生30億個ATP分子……

心臟本來就偏好使用脂肪酸(也許正與此種考慮有關);而由於血腦屏障的存在,腦不能直接使用長鏈脂肪酸,於是在脂肪代謝模式中會主要使用酮體(β-氨基丁酸和乙醯乙酸),它們產生的FADH2和NADH+H+的比例大約是1:3——為了產生128個ATP,需要出現近35個NADH+H+,比使用葡萄糖少1/8。

而我們的一生又有多少分鐘……

1/4(好吧,9/40;好吧,(對於腦來說),1/8)的自由基減少量,積累到上述尺度中去,會是怎樣的不同……

另外,注意鴿子的線粒體複合體1的量,也不過比老鼠的少大約3/8。

讓我們期待那樣的不同吧。

加油!(不是「加糖」。)

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