為何說葡萄糖是人体内最重要的能量來源?

本文以 2008 年北京奥運會上刘春红打破世界紀錄的举重事例為切入點,解釋了為何葡萄糖是人体内最重要的能量來源,並將脂肪與葡萄糖的供能特性進行对比,介紹了葡萄糖的供能机制、人体為何要控制血糖浓度,以及人体保障肌肉能量供应的三種備用手段。

為何說葡萄糖是人体内最重要的能量來源?

2008 年 8 月,在北京举行的第 29 届奥運會上,中國女運動員刘春红在挺举中举起 158 公斤的杠铃,刷新了世界紀錄。这相当于一只手能举起一個中等偏重的男子。為何人的肌肉能產生如此大的力量?正如電動機需要電力驱动,而電力主要來自發電厂燃烧煤炭或石油產生的一樣,人體肌肉發力也需要一种 “高能化合物” ATP 來驱动。而細胞中生成 ATP 的“燃料” 主要是葡萄糖。動物主要通過消化食物中的澱粉(葡萄糖的多聚体)獲得葡萄糖。

你可能會問,脂肪的“燃烧值” 高达 39 千焦/克,而葡萄糖只有 17 千焦/克,为何不主要使用脂肪作為 “燃料” 呢?原因在于地球上的生命是在水中产生的,因此地球上所有的生命都以水為化学反應的媒介。脂肪含有的能量虽然多,但在水中的溶解度很低,在血液中運輸和進入細胞都非常麻烦和缓慢,無法满足細胞對能量的快速需求,因此只能在肌肉不做強力收缩等場合使用。

相反,葡萄糖高度溶于水,進入細胞也不需要消耗能量。从单细胞生物開始,葡萄糖就成為生物獲取能量的主要 “燃料”,並發展出了一套高效的氧化葡萄糖的“化學反應鏢”。通過這個 “鏢”,葡萄糖被氧化成水和二氧化碳,释放出的能量則用于 ATP 的合成。其效率非常高,1 分子葡萄糖能產生 32 分子 ATP,其能量轉換效率與汽車引擎不相上下。人體也 “继承” 了這個 “反應鏢”,它發生在體內一種叫做 “線粒體” 的細胞器內,因此線粒體被稱為細胞的“动力工厂”。

不过,仅仅依赖这种供给机制并不安全。在紧急情况下,如果人需要肌肉长时间进行较大强度的活动,那么血液中的葡萄糖供应就可能不足。或许有人會說,只要提高血液中葡萄糖的浓度,不就能更充分地供應細胞了嗎?但葡萄糖除了 “甜蜜蜜蜜” 地為人体 “做好事” 以外,它還有個 “坏习惯”,就是和蛋白质分子侧链上的氨基(-NH2)结合,破坏蛋白质的正常功能。血液中葡萄糖浓度过高,就会产生一系列不良后果,糖尿病就是因此而發生的。因此血液中葡萄糖的浓度必須被控制在 5 毫摩尔左右,也就是每升血液約含 90 毫克的葡萄糖。虽然不能提高血液中葡萄糖的浓度,但人體很 “聪明”,還有幾種 “后备手段”。

一是增加肌肉中的血液流量。在进行剧烈运动时,流过肌肉的血液量可以比平時增加 20 倍以上。虽然血液中的葡萄糖浓度没有提高,但大量血液的“光顾”可以提供更多的葡萄糖,同时也增加了对肌肉的氧气供应,使葡萄糖充分 “燃烧”。

二是在平时将葡萄糖转化为糖原,作为储备物资储存在肌肉細胞和肝細胞內。在緊急情況下,肝糖原可以變回葡萄糖,進入血液供應肌肉細胞。但肌肉細胞可沒有肝細胞那樣 “大公無私”。他們對葡萄糖是“只進不出”,肌糖原只供自己使用。在緊急情況下,對肌糖原需求量较大,那些肌糖原會經過 “糖酵解” 步骤,在合成一些 ATP 的同時變成乳酸。因此,人在進行剧烈運動後感覺肌肉酸痛,就是肌糖原變成乳酸了。乳酸在肌肉中堆積的原因。

第三步是把 ATP 轉換成磷酸肌酸,就好像把人民幣轉換成 “外幣” 存起來,需要時再轉換回來。一旦肌肉細胞儲存了這些能量,通常就不會出現能量不足的问题了。