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MASTERS

朱煥乎

上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師

01

構(gòu)成我們身體的基本單元

我們生長發(fā)育最關(guān)鍵的因素是什么？衰老又是如何進行的？導(dǎo)致疾病的主要因素有哪些？大腦如何學(xué)習(xí)和記憶？對于生物醫(yī)學(xué)的研究者們而言，這些都是非常重要的任務(wù)。顯然，這些任務(wù)非常有挑戰(zhàn)性，因為人體是一個非常復(fù)雜精密的系統(tǒng)。

如果把人看作一臺機器進行分拆，可以看到他由具有不同生理功能的八大系統(tǒng)構(gòu)成（如消化、循環(huán)、生殖等系統(tǒng)），每個系統(tǒng)包括諸多組織器官（如消化系統(tǒng)里有食道、胃、小腸、肝臟等）。而再進一步放大看，組織器官的基本單元是細(xì)胞。究其根本，細(xì)胞由一些最基本的碳基分子構(gòu)成，我們通常稱之為生物大分子。

它們包括脂質(zhì)、核酸、碳水化合物（糖）以及蛋白質(zhì)。比如大家熟知的脫氧核糖核酸（DNA）就是核酸的一種，也是人類等絕大多數(shù)生物基因的載體。而由DNA進一步轉(zhuǎn)錄翻譯形成的蛋白質(zhì)，對我們生命活動極為重要?？梢赃@么說，我們整個生命大致上可以看成一個類似由生物大分子“積木”搭成的樂園。有趣的是，盡管地球上各種生物的外形和生活習(xí)性大相徑庭，但組成他們的積木單元，也就是這些生物大分子卻存在很多相似之處。這是為什么呢？

地球上所有生物，從低等的細(xì)菌、真菌等生物，到簡單的無脊椎動物，再到高等的脊椎動物，都是由史前最原始的生命演化而來。在數(shù)十億年的演化過程中，構(gòu)成其生命的主要元件（基因和蛋白質(zhì)）在很大程度上依然存在著高度的相似性——生物學(xué)上我們稱為“保守性”。

你可能很難想象，我們?nèi)粘Ｓ糜诎l(fā)酵面食及釀酒的一種常見單細(xì)胞微生物，釀酒酵母，居然大約有四成的基因和我們?nèi)祟愊嗨?。也就是說，這些酵母基因和我們?nèi)梭w內(nèi)的對應(yīng)基因來自同一祖先，并行使著類似的生物學(xué)功能。

正是在大多數(shù)生命體的基因和蛋白質(zhì)都很類似這一大前提下，生命科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家通過研究其他生物的基因和蛋白質(zhì)功能，揭示了諸如細(xì)胞如何分裂和死亡，遺傳信息如何傳遞，動物為何會存在晝夜節(jié)律，人體如何感知細(xì)菌的感染等一系列極為重要的生物學(xué)過程背后的奧秘，對醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域作出了巨大的貢獻(xiàn)。

那么除了基因和蛋白質(zhì)外，是否還存在跨物種的類似生命“單元”供我們研究呢？大家也許會猜測，是否構(gòu)成生物體的單元越是基礎(chǔ)，其相似性就越高？如果是的話，那么構(gòu)成生命的生物大分子，也就是我們剛才所說的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物和核酸，是否也可以被進一步拆分成更基本的單元來供我們研究呢？

答案是肯定的。

這些生物大分子，事實上是由它們的單體，也就是營養(yǎng)代謝小分子組成的。比如組成蛋白質(zhì)最基本的單元就是20種氨基酸；脂質(zhì)通常是由脂肪酸、甘油等一些小分子構(gòu)成的，碳水化合物（如淀粉及纖維素等）是由單糖（如葡萄糖等）高聚形成，而構(gòu)成遺傳物質(zhì)的DNA是由核苷酸高聚而成的。如果說生物大分子是積木的話，這些可能就是組成積木的“小積木”了。

事實上，我們每天都在和這些營養(yǎng)代謝小分子打交道。其中一個很重要的方式，就是進食。我們通過進食的方式分解生物大分子得到的營養(yǎng)代謝小分子，不僅為生長發(fā)育提供所需的物質(zhì)原料和能量，也在生命運轉(zhuǎn)過程中扮演重要的指揮角色。

如上所述，基因或蛋白質(zhì)這樣的生物大分子在不同物種之間有著很高的相似性。有趣的是，這些營養(yǎng)代謝小分子在不同物種之間的相似度更高。例如我們剛才說過的釀酒酵母基因中有四成與人類相似，而構(gòu)成酵母細(xì)胞的葡萄糖和氨基酸，和我們?nèi)梭w內(nèi)的葡萄糖和氨基酸幾乎完全一樣。這些營養(yǎng)代謝小分子在釀酒酵母和我們體內(nèi)代謝的方式也極為相似。20世紀(jì)以來很多杰出的生物學(xué)家，通過用釀酒酵母等低等生物為模型，搞清楚了人體怎么利用像葡萄糖這樣的營養(yǎng)物質(zhì)，其中不少工作都獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

最重要的一點是，我們每天不停地在進食。作為食物的這些代謝小分子就通過這種方式成為我們身體的一部分，共同協(xié)助我們一起生長繁殖甚至演化，所以整個碳基生命的進化過程，就是我們和代謝小分子共同成長的過程。

簡而言之，我們之所以通過研究其他生物的基因來了解人體運作的機制，是因為基因是構(gòu)成幾乎所有生命的基本單元，而不同物種的基因在漫長的演化過程中依然保持著相當(dāng)?shù)南嗨菩?。與之相比，代謝小分子在不同物種間看起來更相似也更重要。因此，一些代謝小分子如氨基酸、葡萄糖等是目前代謝科學(xué)中的熱門研究對象。這里我們介紹一下“口碑似乎不太好”的脂肪酸分子。

02

種類繁多的脂肪酸分子

與構(gòu)成其他三種生物大分子的單元相比，作為構(gòu)成脂質(zhì)的基本單元的脂肪酸很特殊。比如說核酸，無論是核糖核酸（RNA）還是DNA， 構(gòu)成他們的單元（即核苷酸）通常只有四種（A、U/T、C、G）。這4種單元按一定順序排列組合，最后形成了編碼遺傳信息的基因。

構(gòu)成碳水化合物的常見單糖不過8～10種。構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸較多，通常也就20多種?？偟膩碚f，這些基本單元的種類很少。這實際上是一件很容易理解的事——在漫長演化的過程中，自然界利用了這些簡潔的單元，構(gòu)建出一個復(fù)雜的生物體系，充分體現(xiàn)了“簡單就是美”的自然法則。

然而脂質(zhì)是一個例外，構(gòu)成脂質(zhì)最基本單元的脂肪酸種類非常多，常見脂肪酸可能就有幾十到上百種，不常見的脂肪酸就更多了。

為什么脂肪酸的組成這么復(fù)雜呢？要搞清楚這個問題，我們首先要了解脂肪酸是怎么在體內(nèi)被合成出來的。

與大多數(shù)蛋白質(zhì)直接由基因編碼不同，脂質(zhì)（包括脂肪酸）是由一系列的酶（也就是有催化功能的蛋白質(zhì)）在體內(nèi)對原料代謝小分子一步步加工得到的。從演化的角度而言，如果某種脂肪酸對我們的生存不重要，那么負(fù)責(zé)編碼合成該種脂肪酸的基因就可能慢慢退化，最后喪失功能——今天我們并沒有很多功能類似的酶來合成結(jié)構(gòu)有細(xì)微差別的氨基酸和糖。反過來說，既然目前脂肪酸的種類這么多，就表明編碼合成它們的這些功能類似但并不完全相同的酶并未退化。而這一點進一步提示這些結(jié)構(gòu)差別細(xì)微的多種脂肪酸對我們身體非常重要。

脂肪酸究竟有什么重要功能？從中學(xué)課本上我們知道，其有兩個重要的功能。

第一，和其他幾類生命大分子不同，大多數(shù)脂質(zhì)分子或者不溶于水，或者是雙親分子（同時具有親水和疏水基團）。因此脂質(zhì)分子在水溶液中可以與水分層形成一層膜。絕大部分的細(xì)胞都具有這樣一層由脂質(zhì)構(gòu)成的膜——這也正是最早生命與非生命體的邊界。

第二，脂質(zhì)能為我們的生命活動提供大量的能量。與糖或氨基酸相比，單位質(zhì)量脂肪酸能提供的能量大約是它們的兩倍左右——這可能也是我們生命體把脂質(zhì)作為能量儲存方式的原因之一。

不過，如果脂肪酸僅僅是為我們的細(xì)胞提供一層膜，以及提供能量儲存的方式，那秉承自然界“簡單就是美”這一經(jīng)典原則，像氨基酸或糖那樣簡單選幾種脂肪酸，似乎就足以滿足上述兩項需求。然而在漫長的生物演化過程中，居然有這么多結(jié)構(gòu)特異的脂肪酸被保留下來，暗示不同種類的脂肪酸有著更加重要和多樣的功能。我們對富含油脂食品存有的天然渴望，可能也能反映出進化中脂肪酸對我們的重要性。

然而，可能是因為我們現(xiàn)在生活條件好了，每天食物充沛，營養(yǎng)能量密度也很高，脂質(zhì)的缺乏不再是一個問題。相反，人群中高脂飲食帶來的體重超重和肥胖率也越來越高。肥胖除了影響美觀外，還會引起一系列的疾病，比如心血管疾病、癌癥及代謝類的疾?。ㄈ鏘I型糖尿病或脂肪肝）。所以在已經(jīng)衣食無憂的今天，脂肪酸似乎已經(jīng)變成弊大于利的營養(yǎng)物質(zhì)了，我們是否應(yīng)該盡可能少吃呢？

與大家預(yù)測的相反，2017年國際著名的醫(yī)學(xué)雜志《柳葉刀》（

The Lancet

因此，我們有必要對脂肪酸加深一點了解。

脂肪酸的結(jié)構(gòu)非常簡單，通常包括一條碳鏈，并在碳鏈的一端有個羧基官能團（這也是為何它被稱為酸）。與其他的代謝小分子（如葡萄糖或氨基酸）相比，這樣的結(jié)構(gòu)有兩個特點。

第一是脂肪酸通常沒有手性碳。

什么是手性碳呢？碳原子通常有四根化學(xué)鍵，如果一個含碳的分子中與碳原子相連的四個基團都不相同，那么它們的結(jié)構(gòu)形式有兩種（也即兩種異構(gòu)體），在不破壞鍵的情況下這兩者無法通過旋轉(zhuǎn)顛倒變成對方。這時候該碳原子就被稱為手性碳（就像我們的左手和右手那樣，是鏡像對稱的）。地球上生命體里的大多數(shù)代謝小分子有著非常強的不對稱手性（比如糖絕大多數(shù)是D型的而氨基酸大都是L型的），但脂肪酸沒有手性提示，可能是因為其在進化上起源非常早，在不同生物界中的兼容性很高。

第二是脂肪酸通常只有一個活性基團，即羧基，因此無法和其他小分子組成多聚體。

為什么這點很重要呢？氨基酸、糖核酸分子通常有兩個以上的活性基團，可以通過化學(xué)反應(yīng)，像串項鏈那樣形成多聚體。而多聚體依賴不同單體的排列順序得以承載大量信息。

比如大家可以很容易計算，一條十個核苷酸（共有4種不同核苷酸）的多聚核酸分子，其結(jié)構(gòu)可能有410種（核苷酸的排列是有方向性的）。一條十個氨基酸（共有20種不同氨基酸）組成的多肽分子，其結(jié)構(gòu)更是可能有2010種。

相反，由于脂肪酸缺乏高聚形式，它可能就需要更多地依賴自己的結(jié)構(gòu)變化，而非多聚體中單體排列的順序來承載更多的信息。這可能是進化中脂肪酸結(jié)構(gòu)如此多樣的一項重要因素。

脂肪酸的多樣性體現(xiàn)在碳鏈的長短、奇偶數(shù)、飽和度和分支形態(tài)上。

此外脂肪酸還會有一些其他的修飾基團，比如羥基、碳環(huán)基團等，這些對它的生物學(xué)功能也會有影響。下面就簡單介紹幾種。

03

不同碳鏈長短的脂肪酸

按照碳鏈的長短，我們大致可以把脂肪酸分成短鏈（少于6個碳）、中鏈（6～12個碳）、長鏈（14～20個碳）和超長鏈（20個碳以上）。

短鏈脂肪酸在食物中含量不多，而含量一旦增高就會有很明顯的刺激性氣味（比如醋酸就是一種短鏈脂肪酸），暗示著食物新鮮度堪憂（因為這些短鏈脂肪酸通常是由微生物代謝產(chǎn)生的）。

但是，我們體內(nèi)短鏈脂肪酸的含量卻也不算少，這是因為我們腸道細(xì)菌很喜歡“進食”纖維等我們?nèi)梭w不能直接利用的營養(yǎng)物質(zhì)來生產(chǎn)出短鏈脂肪酸。不要小看細(xì)菌產(chǎn)生的這些“廢物”，科學(xué)家近年來發(fā)現(xiàn)它不僅為我們的腸道提供能量，還對我們正常的生理代謝以及預(yù)防很多慢性疾?。ㄈ缒c道炎癥、糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等）的產(chǎn)生都有重要的益處。

一種常見的脂肪酸——硬脂酸

中鏈脂肪酸也挺有意思，它通常存在于動物乳制品及某些植物中。由于碳鏈不長不短，它在體內(nèi)的運輸和代謝效率非常高，也就是說很容易被消化代謝，而不容易轉(zhuǎn)化為脂肪。因此我們通常認(rèn)為中鏈脂肪酸是一種相對更健康的油脂來源，比如近來流行的椰子油或棕櫚仁油，就富含中鏈脂肪酸。此外，某些中鏈脂肪酸還有抗菌驅(qū)蟲的效果。

對于超長鏈脂肪酸，我們通常不需要通過食物直接攝入這種脂肪酸，我們身體可以利用長鏈脂肪酸進一步產(chǎn)生所需的超長鏈脂肪酸。值得注意的是，脂質(zhì)中的一大類被稱為鞘脂（富含于我們的神經(jīng)系統(tǒng)，如包裹神經(jīng)的髓鞘等地方）的分子里通常就含有超長鏈脂肪酸。不同于其他脂肪酸，超長鏈脂肪酸需要在一種特殊的細(xì)胞器——過氧化物酶體——中代謝，如果由于基因突變造成過氧化物酶體功能異常，導(dǎo)致該代謝發(fā)生問題，則有可能會帶來嚴(yán)重的遺傳疾?。ㄈ缒I上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良）。

最后，脂肪酸中含量最高，種類最豐富，且我們在日常生活中打交道最多的就是長鏈脂肪酸了。它在食物中含量充沛，按照其他性質(zhì)，可以分成很多亞類，我們接下來會進一步介紹不同種類的長鏈脂肪酸。

04

脂肪酸的奇偶性

細(xì)心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)，我們之前說脂肪酸碳鏈長短的時候都是按偶數(shù)來計數(shù)的，這是為什么呢？事實上，大多數(shù)高等生物在體內(nèi)合成脂肪酸，是用兩個碳的乙酸代謝物（乙酰輔酶A）作為單元原料依次添加的。因此，大部分的中鏈、長鏈、超長鏈脂肪酸都是偶數(shù)鏈的。

當(dāng)然也有例外，我們體內(nèi)有些氨基酸（如異亮氨酸和纈氨酸）代謝能產(chǎn)生丙酰輔酶A（三個碳的丙酸代謝物），以它為底物再每次添加兩個碳，就能合成出一系列的奇數(shù)鏈脂肪酸。不過人體內(nèi)這樣的合成能力似乎很有限，但牛羊等反芻類動物卻可以大量合成。因此我們可以通過攝入奶制品來獲得奇數(shù)鏈脂肪酸。

有研究表明，奇數(shù)鏈脂肪酸的攝入可幫助降低II型糖尿病的風(fēng)險，目前對這類脂肪酸相關(guān)功能機制的研究正在慢慢展開。

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脂肪酸的飽和性

脂肪酸的飽和度是指碳鏈上碳碳雙鍵的數(shù)量。脂肪酸包括飽和（無雙鍵）、單不飽和（僅有一個雙鍵）和多不飽和（有兩個及以上雙鍵）幾種。此外，雙鍵的位置也會有一定區(qū)別，這些結(jié)構(gòu)類似的脂肪酸物理化學(xué)性質(zhì)雖有一些不同（比如熔點較低、流動性較強），但它們的生物學(xué)性質(zhì)會有很大的改變。

那么這么多種碳碳雙鍵是怎么產(chǎn)生的呢？事實上，我們體內(nèi)最初合成出來的絕大多數(shù)脂肪酸都是不帶雙鍵的，但是生物體內(nèi)有一些脫氫酶，可以通過脫氫反應(yīng)把雙鍵加在脂肪酸特定的位置上。

說到這里，我們要講到一個“必需營養(yǎng)分子”的概念。

低等生物，比如細(xì)菌或酵母，只要給它們提供最基本的食物（碳源和氮源），就可以利用自身攜帶的酶把所需的所有代謝分子合成出來。但是哺乳動物等高等生物放棄了一部分編碼相關(guān)酶的基因（或者其活性遠(yuǎn)低于正常的生長需求），因此必須依賴食物攝入這些代謝小分子，才能維持正常生長。比如必需氨基酸就是其中的一種。

對包括人在內(nèi)的哺乳動物來說，有一類脂肪酸不能自身合成，被稱為必需脂肪酸。必需脂肪酸通常都是不飽和脂肪酸。也就是說，我們?nèi)梭w中缺乏某些特定的脫氫酶，比如碳鏈第12位的脫氫酶，和碳鏈倒數(shù)第三位的脫氫酶，都是我們?nèi)梭w缺乏的，因此我們需要從食物中獲取這些脂肪酸，不然就會發(fā)生很嚴(yán)重的問題。

例如，20世紀(jì)早期科學(xué)家實驗發(fā)現(xiàn)，如果把食物中的脂肪完全去除，大鼠會產(chǎn)生很嚴(yán)重的皮膚、腎臟等缺陷，發(fā)育停滯直至死亡。不過也不用驚慌，只要不是非常偏食，我們食物中攝入的這兩類不飽和脂肪酸，通常能滿足我們生存的最低需求。

那么食物中的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸對我們?nèi)梭w健康有什么益處和害處呢？

在物資匱乏的年代，它們都是對我們生存非常重要的物資。很多人會覺得油炸食品的味道香噴噴的（尤其是富含飽和脂肪酸的動物油脂），但是在食物充沛、運動卻不足的今天，脂肪酸，特別是飽和脂肪酸的大量攝入對我們來說是弊大于利的。飽和脂肪酸一旦過量攝入會增加心血管疾?。ㄈ缪苡不痛x類疾病）的發(fā)病率。

相應(yīng)地，科學(xué)家通常認(rèn)為不飽和脂肪酸要更健康一些。東亞人群或者地中海人群，烹飪食物時主要采用植物油脂，比如橄欖油，富含單不飽和脂肪酸，而某些植物油（如豆油）或者深海魚油則富含多不飽和脂肪酸。盡管針對具體的疾病，這些脂肪酸的保健功能尚有爭論，但是總的說來，盡可能用不飽和脂肪酸，特別是多不飽和脂肪酸取代飽和脂肪酸是比較健康的。

06

人工反式脂肪酸——

對我們健康有害的脂肪酸

如上所述，脂肪酸通常不具備手性不對稱異構(gòu)體，但是脂肪酸有另一種不對稱，我們稱為順反異構(gòu)體。分屬雙鍵兩邊的脂肪酸碳鏈基團有兩種排布方式：排在雙鍵同一邊我們稱為順式脂肪酸，而排在兩側(cè)則被稱為反式脂肪酸。

在自然界中絕大部分的脂肪酸都是順式的，當(dāng)然也有少量反式脂肪酸，比如牛奶里就有少量的天然反式脂肪酸。這些脂肪酸都是天然存在的，對我們健康沒有潛在危險。相反，我們平時聞之色變的人工反式脂肪酸并非來自自然界，而來自工業(yè)化食物的生產(chǎn)車間。

動物脂肪（飽和脂肪酸比例更高）無論是口感，還是食品加工的效果都要比植物油更好，因此價格也更高。植物油與動物油最主要的區(qū)別就是碳碳雙鍵的數(shù)目，所以19世紀(jì)的食品工業(yè)界希望通過化學(xué)加氫的方式，把它部分加氫成為飽和度更高的脂肪酸。人體有時候（比如在代謝消化這些脂肪酸的過程中）也會對脂肪酸進行類似的部分加氫“加工”，但由于我們體內(nèi)的酶的高特異性，得到的加氫產(chǎn)物都是順式的（也就是天然的）。早年工業(yè)加氫的催化劑并沒有這種高特異性，因此通常會產(chǎn)生大量反式結(jié)構(gòu)的脂肪酸。

脂肪酸的順反異構(gòu)體

這種人工合成的含有大量反式脂肪酸的油脂被稱為人造黃油/人造奶油、植物黃油、植脂末等，它們在食物加工時效果要比天然脂肪酸好，價格又便宜。因此，早期食品工業(yè)界試圖想給人形成一種“人造黃油比天然黃油對人體健康更有益”的印象，進一步推廣其應(yīng)用。如早年肯德基、麥當(dāng)勞以及很多糕點巧克力都會添加人造黃油——健康就是一大賣點。

但是近些年來隨著越來越多研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)反式脂肪酸對人體傷害很大，它會通過影響低密度和高密度脂蛋白的含量，提高我們血漿里的膽固醇，誘發(fā)動脈粥樣硬化、炎癥、氧化應(yīng)激壓力等，導(dǎo)致一系列健康問題。因此近些年一些發(fā)達(dá)國家如美國，已經(jīng)禁止在食物中添加含有人工反式脂肪酸的原料。

我國目前雖然尚未立法完全禁止，但要求如果廠家在食品中添加了人造黃油類的原料，必須標(biāo)出反式脂肪酸的含量。大家平時購買含有油脂成分的零食、糕點、冰淇淋等時，可以去看看原料表上是否標(biāo)有反式脂肪酸，如果有的話盡量少吃?！吨袊用裆攀持改希?022）》提出：反式脂肪酸每天攝入量不應(yīng)該超過2 g。

脂肪酸的家族非常龐大，其中很多成員， 比如支鏈脂肪酸、羥化脂肪酸、支鏈羥化脂肪酸酯等，被報道對我們健康有益。對它們的研究目前也在進行中，希望未來發(fā)現(xiàn)更多更有益、更美味的脂肪酸，能作為食物飲料改善我們的健康。

-本文刊載于《世界科學(xué)》雜志2025年第8期“大家·科技前沿”欄目；文章根據(jù)筆者在上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會主辦的“海上科普講壇”上的報告撰寫而成-

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