烧糖还是烧油？自由基、衰老和一个简单的计算

昵称54023156 2018-09-26

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人们曾经认为，动物的寿命与其心率相关——心跳越快的动物，寿命越短；越慢则越长。

但（后来发现）某些动物却完全不是这样——比如鸽子的心跳（600次/分钟）比老鼠（400~500次/分钟）的还要快一些，但前者的寿命（平均30年）几乎是后者（平均3年）的10倍。

后来人们发现，这是因为鸽子体内产生的自由基比老鼠的少很多。

自由基

现在提到衰老（还有各种疾病），总不可避免地会涉及自由基——这种东西会（通过氧化反应链）破坏体内的蛋白质、脂肪、多糖、DNA等等，引起细胞损伤，减少细胞寿命，加速端粒缩短和干细胞储备枯竭……即会加速身体衰老。

自由基主要产生于细胞的能量代谢过程（也有其他的产生方式，比如某些免疫细胞会特意制造自由基来攻击“入侵者”），而作为细胞能量代谢中心（所谓“发动机”）的线粒体则是其主要的产地（因此生命过程本身无法避开自由基，只能设法与其同存）。

鸽子产生的自由基少，是因为它们的“发动机”在工作时产生的“烟尘”（自由基）更少。

对于多数动物来说，心率之所以会显得与其寿命有相关性，应该也与自由基有关——一般来说，心率越高的动物，体内产生自由基的速率也越快。

在线粒体中，能量以电子的形式穿过其中的“电子传递链”，把质子（H+）泵到线粒体膜间隙中以积累电化学势差，最后用这种势差来（产生质子流从而）制造ATP。

而电子在穿过电子传递链的过程中，有可能会泄露出去，从而与外面的氧气分子结合，将其（部分）还原为“过氧负离子”（O2·-）——虽然过氧负离子本身的氧化能力不强，但它是其他自由基的前体——这些由氧气分子衍生出来的自由基又被称为“活性氧簇”（ROS）。

过氧负离子发生歧化（或者自然发生，或者通过过氧化物歧化酶）产生过氧化氢（H2O2），后者可以被还原为羟基自由基（OH·-）——这可以算得上是有机生命体中最强的氧化剂。过氧负离子还可以与其他自由基，比如一氧化氮（NO·）反应产生过氧亚硝基（ONOO-）——也是非常强力的氧化剂（现在倾向于将后者称为“活性氮簇”（RNS））。

电子在传递链上总会有一些泄露，于是线粒体总会产生一些活性氧簇——不过“适量”的活性氧簇还算是“健康”的：线粒体内有一定的机制可以消除它们（细胞还会利用这些信号来判断是否需要添置更多的线粒体）；但如果活性氧簇太多，会引起不可控制的氧化反应链，从而损伤细胞中的各种结构。

电子传递链上有4种“复合体”（或者叫复合蛋白），其中最大、最复杂的“复合体1”（又称NADH脱氢酶）是过氧负离子的主要产地（复合体1有两种机制产生过氧负离子：一是通过还原其中的“黄素单核苷酸”（FMN），二是通过“反向电子传递”），其次是复合体3（但在一般情况下，它相比于复合体1的产量几乎可以忽略不计）；复合体2和复合体4则几乎不产生过氧负离子。

鸽子的线粒体之所以会产生更少的自由基，一大原因是其线粒体中的复合体1很少（而它们的复合体1与老鼠的相比，在产生活性氧簇的能力上差别不大）。

但是，知道这些于我们有什么用呢？

显然，我们不能改变自己体内线粒体的蛋白质构成（至少目前还不能），使我们有像鸽子那么少的复合体1，从而产生同样少得多的活性氧簇。

但我们可以（在一定程度上）减少对复合体1的使用率——即让电子少走复合体1这条险路，从而更少“失足”。

这个怎么做到呢？

葡萄糖的燃烧过程

我们（粗略）看一下葡萄糖在细胞内的能量代谢过程（左边是葡萄糖到丙酮酸的过程，右边是丙酮酸到乙酰辅酶A，后者再进入三羧酸循环的过程）。

注意：在这个过程中，总共产生了10个NADH+H+，2个FADH2，它们都会进入电子传递链——不过前者进入的是活性氧簇的主要产地——复合体1，后者进入的则是几乎不产生活性氧簇的复合体2。

原来真的有能完全绕过复合体1的存在……如果能量代谢中产生的都是这些无害的FADH2该多好……

可惜是不可能的（至少目前是），但我们可以让身体在产生能量的过程中，多点FADH2，少点NADH+H+——怎么做到呢？

脂肪酸的燃烧过程

这就需要看下脂肪酸（示例为棕榈酸）的燃烧过程了：

注意：在这个过程中，总共产生了31个NADH+H+，15个FADH2——FADH2与NADH+H+的比例接近1:2（具体比例取决于脂肪酸长度）（而在葡萄糖代谢中，这个比例为1:5）。

一个棕榈酸最终会产生129个ATP，而一个葡萄糖会产生30~32个（根据细胞的不同而不同）；所以在最多的情况下，4个葡萄糖能产生相当于一个棕榈酸的ATP：128个。为了产生这么多ATP，用葡萄糖的话，需要出现40个NADH+H+，用棕榈酸的话，则需要出现31个——少了接近1/4的NADH+H+——这意味着电子传递链上的复合体1被少使用了9/40次，从而（在一般情况下）少产生了接近同样比例（取决于其他各种因素对其他复合体的影响）的活性氧簇。即：

产生等量的能量（其实还略多一些，尤其是考虑到葡萄糖往往只能产生30个ATP），同时却少了接近1/4的自由基。

或者换一种说法：

用葡萄糖来供能时，线粒体会多产生接近1/3的自由基……

如果把线粒体比作细胞的发动机，那么相比于“烧油”，这个发动机在“烧糖”时会产生更多的烟尘（自由基），从而更容易出故障，工作寿命也更短……

的确，在各种其他因素（比如杜绝种子，保证各种微量营养（尤其是镁），保证日照和睡眠，控制总热量，甚至受冷）都控制得很好的情况下，碳水化合物（各种淀粉类蔬菜，还有适量的水果）本身是人体“还行的”的能源——但终不会是“最好的”。

所以，只要让线粒体主要代谢脂肪酸，就可以尽量减少对复合体1的使用率，从而在源头上最小化活性氧簇的产生。

所以，如果让身体完全进入以脂肪（而非葡萄糖）为主的代谢模式，让全身的绝大多数发动机都偏爱烧油（而非烧糖），那么（至少在理论上）可以延缓衰老。

当然还有许多其他影响因素：
比如摄入的卡路里总量——一般情况下，热量越多，自由基越多——除非身体大力启用解耦联蛋白3，使得线粒体可以在不产生ATP的情况燃烧热量（那是另一个故事了）；
比如线粒体内的抗氧化机制——含锰过氧化物歧化酶，谷胱甘肽过氧化物酶（至少后者在脂肪代谢模式下能更好地发挥作用）……
但“烧糖还是烧油”总归是更根本的问题。

烧糖还是烧油？

如果你觉得1/4（还有1/3）听上去不算很多，那么可以考虑下：

人体内有接近40万亿个细胞，每个细胞平均有1000~2000（极度耗能的组织（比如心、脑）中的每个细胞甚至有10000）个线粒体，平均每个细胞每分钟内要（循环）产生30亿个ATP分子……