朱焕乎

上海科技大学生命科学与技术学院研究员、博士生导师

构成我们身体的基本单元

我们生长发育最关键的因素是什么？衰老又是如何进行的？导致疾病的主要因素有哪些？大脑如何学习和记忆？对于生物医学的研究者们而言，这些都是非常重要的任务。显然，这些任务非常有挑战性，因为人体是一个非常复杂精密的系统。

如果把人看作一台机器进行分拆，可以看到他由具有不同生理功能的八大系统构成（如消化、循环、生殖等系统），每个系统包括诸多组织器官（如消化系统里有食道、胃、小肠、肝脏等）。而再进一步放大看，组织器官的基本单元是细胞。究其根本，细胞由一些最基本的碳基分子构成，我们通常称之为生物大分子。它们包括脂质、核酸、碳水化合物（糖）以及蛋白质。比如大家熟知的脱氧核糖核酸（DNA）就是核酸的一种，也是人类等绝大多数生物基因的载体。而由DNA进一步转录翻译形成的蛋白质，对我们生命活动极为重要。可以这么说，我们整个生命大致上可以看成一个类似由生物大分子“积木”搭成的乐园。有趣的是，尽管地球上各种生物的外形和生活习性大相径庭，但组成他们的积木单元，也就是这些生物大分子却存在很多相似之处。这是为什么呢？

地球上所有生物，从低等的细菌、真菌等生物，到简单的无脊椎动物，再到高等的脊椎动物，都是由史前最原始的生命演化而来。在数十亿年的演化过程中，构成其生命的主要元件（基因和蛋白质）在很大程度上依然存在着高度的相似性——生物学上我们称为“保守性”。你可能很难想象，我们日常用于发酵面食及酿酒的一种常见单细胞微生物——酿酒酵母——居然大约有四成的基因和我们人类相似。也就是说，这些酵母基因和我们人体内的对应基因来自同一祖先，并行使着类似的生物学功能。正是在大多数生命体的基因和蛋白质都很类似这一大前提下，生命科学领域的科学家通过研究其他生物的基因和蛋白质功能，揭示了诸如细胞如何分裂和死亡，遗传信息如何传递，动物为何会存在昼夜节律，人体如何感知细菌的感染等一系列极为重要的生物学过程背后的奥秘，对医学健康领域作出了巨大的贡献。

那么除了基因和蛋白质外，是否还存在跨物种的类似生命“单元”供我们研究呢？大家也许会猜测，是否构成生物体的单元越是基础，其相似性就越高？如果是的话，那么构成生命的生物大分子，也就是我们刚才所说的蛋白质、脂质、碳水化合物和核酸，是否也可以被进一步拆分成更基本的单元来供我们研究呢？

答案是肯定的。这些生物大分子，事实上是由它们的单体，也就是营养代谢小分子组成的。比如组成蛋白质最基本的单元就是20种氨基酸；脂质通常是由脂肪酸、甘油等一些小分子构成的，碳水化合物（如淀粉及纤维素等）是由单糖（如葡萄糖等）高聚形成，而构成遗传物质的DNA是由核苷酸高聚而成的。如果说生物大分子是积木的话，这些可能就是组成积木的“小积木”了。事实上，我们每天都在和这些营养代谢小分子打交道。其中一个很重要的方式，就是进食。我们通过进食的方式分解生物大分子得到的营养代谢小分子，不仅为生长发育提供所需的物质原料和能量，也在生命运转过程中扮演重要的指挥角色。

如上所述，基因或蛋白质这样的生物大分子在不同物种之间有着很高的相似性。有趣的是，这些营养代谢小分子在不同物种之间的相似度更高。例如我们刚才说过的酿酒酵母基因中有四成与人类相似，而作为构成酵母细胞的葡萄糖和氨基酸，和我们人体内的葡萄糖和氨基酸几乎完全一样。这些营养代谢小分子在酿酒酵母和我们体内代谢的方式也极为相似。20世纪以来很多杰出的生物学家，通过用酿酒酵母等低等生物为模型，搞清楚了人体怎么利用像葡萄糖这样的营养物质，其中不少工作都获得了诺贝尔生理学或医学奖。最重要的一点是，我们每天不停地在进食。作为食物的这些代谢小分子就通过这种方式成为我们身体的一部分，共同协助我们一起生长繁殖甚至演化，所以整个碳基生命的进化过程，就是我们和代谢小分子共同成长的过程。

简而言之，我们之所以通过研究其他生物的基因来了解人体运作的机制，是因为基因是构成几乎所有生命的基本单元，而不同物种的基因在漫长的演化过程中依然保持着相当的相似性。与之相比，代谢小分子在不同物种间看起来更相似也更重要。因此，一些代谢小分子如氨基酸、葡萄糖等是目前代谢科学中的热门研究对象。这里我们介绍一下“口碑似乎不太好”的脂肪酸分子。

种类繁多的脂肪酸分子

与构成其他三种生物大分子的单元相比，作为构成脂质基本单元的脂肪酸很特殊。比如说核酸，无论是核糖核酸（RNA）还是DNA， 构成他们的单元（也即核苷酸）通常只有四种（A、U/T、C、G）。这4种单元按一定顺序排列组合，最后就形成了编码遗传信息的基因。构成碳水化合物的常见单糖不过8～10种。构成蛋白质的氨基酸较多，通常也就20多种。总的来说，这些基本单元的种类很少。这实际上是一件很容易理解的事——在漫长演化的过程中，自然界利用了这些简洁的单元，构建出一个复杂的生物体系，充分体现了“简单就是美”的自然法则。然而脂质是一个例外，构成脂质最基本单元的脂肪酸种类非常多，常见脂肪酸可能就有几十到上百种，不常见的脂肪酸就更多了。

为什么脂肪酸的组成这么复杂呢？要搞清楚这个问题，我们首先要了解脂肪酸是怎么在体内被合成出来的。与大多数蛋白质直接由基因编码不同，脂质（包括脂肪酸）是由一系列的酶（也就是有催化功能的蛋白质）在体内对原料代谢小分子一步步加工得到的。从演化的角度而言，如果某种脂肪酸对我们的生存不重要，那么负责编码合成该种脂肪酸的基因就可能慢慢退化，最后丧失功能——今天我们并没有很多功能类似的酶来合成结构有细微差别的氨基酸和糖。反过来说，既然目前脂肪酸的种类这么多，就表明编码合成它们的这些功能类似但并不完全相同的酶并未退化。而这一点进一步提示这些结构差别细微的多种脂肪酸对我们身体非常重要。

脂肪酸究竟有什么重要功能？从中学课本上我们知道，其有两个重要的功能。第一，和其他几类生命大分子不同，大多数脂质分子或者不溶于水，或者是双亲分子（同时具有亲水和疏水基团）。因此脂质分子在水溶液中可以与水分层形成一层膜。绝大部分的细胞都具有这样一层由脂质构成的膜——这也正是最早生命与非生命体的边界。第二，脂质能为我们的生命活动提供大量的能量。与糖或氨基酸相比，单位质量脂肪酸能提供的能量大约是它们的两倍左右——这可能也是我们生命体把脂质作为能量储存方式的原因之一。不过，如果脂肪酸仅仅是为我们的细胞提供一层膜，以及提供能量储存的方式，那秉承自然界“简单就是美”这一经典原则，像氨基酸或糖那样简单选几种脂肪酸，似乎就足以满足上述两项需求。然而在漫长的生物演化过程中，居然有这么多结构特异的脂肪酸被保留下来，暗示不同种类的脂肪酸有着更加重要和多样的功能。我们对富含油脂食品存有的天然渴望，可能也能反映出进化中脂肪酸对我们的重要性。

然而，可能是因为我们现在生活条件好了，每天食物充沛，营养能量密度也很高，脂质的缺乏不再是一个问题。相反，人群中高脂饮食带来的体重超重和肥胖率也越来越高。肥胖除了影响美观外，还会引起一系列的疾病，比如心血管疾病、癌症及代谢类的疾病（如II型糖尿病或脂肪肝）。所以在已经衣食无忧的今天，脂肪酸似乎已经变成弊大于利的营养物质了，我们是否应该尽可能少吃呢？与大家预测的相反，2017年国际著名的医学杂志《柳叶刀》（The Lancet）发表的一个包含十几万人群调研数据的研究表明，中国人不同人群中食物摄入量和非意外死亡率（也即由于身体健康导致的死亡）存在密切的关系。有意思的是，研究发现食物中脂肪酸的百分比越高，非意外死亡率越低。尤其值得注意的是，多不饱和脂肪酸摄入量与死亡率呈明显的负相关。相反，碳水化合物（淀粉类、糖等）在食物中的摄入比越高，死亡率越高。换而言之，脂肪酸对我们的健康是有益的。

因此，我们有必要对脂肪酸加深一点了解。脂肪酸的结构非常简单，通常包括一条碳链，并在碳链的一端有个羧基官能团（这也是为何它被称为酸）。与其他的代谢小分子（如葡萄糖或氨基酸）相比，这样的结构有两个特点。第一是脂肪酸通常没有手性碳。什么是手性碳呢？碳原子通常有四根化学键，如果一个含碳的分子中与碳原子相连的四个基团都不相同，那么它们的结构形式有两种（也即两种异构体），在不破坏键的情况下这两者无法通过旋转颠倒变成对方。这时候该碳原子就被称为手性碳（就像我们的左手和右手那样，是镜像对称的）。地球上生命体里的大多数代谢小分子有着非常强的不对称手性（比如糖绝大多数是D型的而氨基酸大都是L型的），但脂肪酸没有手性提示，可能是因为其在进化上起源非常早，在不同生物界中的兼容性很高。

第二是脂肪酸通常只有一个活性基团——羧基——因此无法和其他小分子组成多聚体。为什么这点很重要呢？氨基酸、糖核酸分子通常有两个以上的活性基团，可以通过化学反应，像串项链那样形成多聚体。而多聚体依赖不同单体的排列顺序得以承载大量信息。比如大家可以很容易计算，一条十个核苷酸（共有4种不同核苷酸）的多聚核酸分子，其结构可能有4¹⁰种（核苷酸的排列是有方向性的）。一条十个氨基酸（共有20种不同氨基酸）组成的多肽分子，其结构更是可能有20¹⁰种。相反，由于脂肪酸缺乏高聚形式，它可能就需要更多地依赖自己的结构变化，而非多聚体中单体排列的顺序来承载更多的信息。这可能是进化中脂肪酸结构如此多样的一项重要因素。脂肪酸的多样性体现在碳链的长短、奇偶数、饱和度和分支形态上。此外脂肪酸还会有一些其他的修饰基团，比如羟基、碳环基团等，这些对它的生物学功能也会有影响。下面就简单介绍几种。

不同碳链长短的脂肪酸

按照碳链的长短，我们大致可以把脂肪酸分成短链（少于6个碳）、中链（6～12个碳）、长链（14～20个碳）和超长链（20个碳以上）。短链脂肪酸在食物中含量不多，而含量一旦增高就会有很明显的刺激性气味（比如醋酸就是一种短链脂肪酸），暗示着食物新鲜度堪忧（因为这些短链脂肪酸通常是由微生物代谢产生的）。但是，我们体内短链脂肪酸的含量却也不算少，这是因为我们肠道细菌很喜欢“进食”纤维等我们人体不能直接利用的营养物质来生产出短链脂肪酸。不要小看细菌产生的这些“废物”，科学家近年来发现它不仅为我们的肠道提供能量，还对我们正常的生理代谢以及预防很多慢性疾病（如肠道炎症、糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病等）的产生都有重要的益处。

一种常见的脂肪酸——硬脂酸

中链脂肪酸也挺有意思，它通常存在于动物乳制品及某些植物中。由于碳链不长不短，它在体内的运输和代谢效率非常高，也就是说很容易被消化代谢，而不容易转化为脂肪。因此我们通常认为中链脂肪酸是一种相对更健康的油脂来源，比如近来流行的椰子油或棕榈仁油，就富含中链脂肪酸。此外，某些中链脂肪酸还有抗菌驱虫的效果。

对于超长链脂肪酸，我们通常不需要通过食物直接摄入这种脂肪酸，我们身体可以利用长链脂肪酸进一步产生所需的超长链脂肪酸。值得注意的是，脂质中的一大类被称为鞘脂（富含于我们的神经系统，如包裹神经的髓鞘等地方）的分子里通常就含有超长链脂肪酸。不同于其他脂肪酸，超长链脂肪酸需要在一种特殊的细胞器——过氧化物酶体——中代谢，如果由于基因突变造成过氧化物酶体功能异常，导致该代谢发生问题，则有可能会带来严重的遗传疾病（如肾上腺脑白质营养不良）。

最后，脂肪酸中含量最高，种类最丰富，且我们在日常生活中打交道最多的就是长链脂肪酸了。它在食物中含量充沛，按照其他性质，可以分成很多亚类，我们接下来会进一步介绍不同种类的长链脂肪酸。

脂肪酸的奇偶性

细心的读者可能会发现，我们之前说脂肪酸碳链长短的时候都是按偶数来计数的，这是为什么呢？事实上，大多数高等生物在体内合成脂肪酸，是用两个碳的乙酸代谢物（乙酰辅酶A）作为单元原料依次添加的。因此，大部分的中链、长链、超长链脂肪酸都是偶数链的。当然也有例外，我们体内有些氨基酸（如异亮氨酸和缬氨酸）代谢能产生丙酰辅酶A（三个碳的丙酸代谢物），以它为底物再每次添加两个碳，就能合成出一系列的奇数链脂肪酸。不过人体内这样的合成能力似乎很有限，但牛羊等反刍类动物却可以大量合成。因此我们可以通过摄入奶制品来获得奇数链脂肪酸。有研究表明，奇数链脂肪酸的摄入可帮助降低II型糖尿病的风险，目前对这类脂肪酸相关功能机制的研究正在慢慢展开。

脂肪酸的饱和性

脂肪酸的饱和度是指碳链上碳碳双键的数量。脂肪酸包括饱和（无双键）、单不饱和（仅有一个双键）和多不饱和（有两个及以上双键）几种。此外，双键的位置也会有一定区别，这些结构类似的脂肪酸物理化学性质虽有一些不同（比如熔点较低、流动性较强），但它们的生物学性质会有很大的改变。那么这么多种碳碳双键是怎么产生的呢？事实上，我们体内最初合成出来的绝大多数脂肪酸都是不带双键的，但是生物体内有一些脱氢酶，可以通过脱氢反应把双键加在脂肪酸特定的位置上。

说到这里，我们要讲到一个“必需营养分子”的概念。低等生物，比如细菌或酵母，只要给它们提供最基本的食物（碳源和氮源），就可以利用自身携带的酶把所需的所有代谢分子合成出来。但是哺乳动物等高等生物放弃了一部分编码相关酶的基因（或者其活性远低于正常的生长需求），因此必须依赖食物摄入这些代谢小分子，才能维持正常生长。比如必需氨基酸就是其中的一种。对包括人在内的哺乳动物来说，有一类脂肪酸不能自身合成，被称为必需脂肪酸。必需脂肪酸通常都是不饱和脂肪酸。也就是说，我们人体中缺乏某些特定的脱氢酶，比如碳链第12位的脱氢酶，和碳链倒数第三位的脱氢酶，都是我们人体缺乏的，因此我们需要从食物中获取这些脂肪酸，不然就会发生很严重的问题。例如，20世纪早期科学家实验发现，如果把食物中的脂肪完全去除，大鼠会产生很严重的皮肤、肾脏等缺陷，发育停滞直至死亡。不过也不用惊慌，只要不是非常偏食，我们食物中摄入的这两类不饱和脂肪酸，通常能满足我们生存的最低需求。

那么食物中的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸对我们人体健康有什么益处和害处呢？在物资匮乏的年代，它们都是对我们生存非常重要的物资。很多人会觉得油炸食品的味道香喷喷的（尤其是富含饱和脂肪酸的动物油脂），但是在食物充沛、运动却不足的今天，脂肪酸，特别是饱和脂肪酸的大量摄入对我们来说是弊大于利的。饱和脂肪酸一旦过量摄入会增加心血管疾病（如血管硬化和代谢类疾病）的发病率。相应地，科学家通常认为不饱和脂肪酸要更健康一些。东亚人群或者地中海人群，烹饪食物时主要采用植物油脂，比如橄榄油，富含单不饱和脂肪酸，而某些植物油（如豆油）或者深海鱼油则富含多不饱和脂肪酸。尽管针对具体的疾病，这些脂肪酸的保健功能尚有争论，但是总的说来，尽可能用不饱和脂肪酸，特别是多不饱和脂肪酸取代饱和脂肪酸是比较健康的。

人工反式脂肪酸——对我们健康有害的脂肪酸

如上所述，脂肪酸通常不具备手性不对称异构体，但是脂肪酸有另一种不对称，我们称为顺反异构体。分属双键两边的脂肪酸碳链基团有两种排布方式：排在双键同一边我们称为顺式脂肪酸，而排在两侧则被称为反式脂肪酸。

在自然界中绝大部分的脂肪酸都是顺式的，当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。这些脂肪酸都是天然存在的，对我们健康没有潜在危险。相反，我们平时闻之色变的人工反式脂肪酸并非来自自然界，而来自工业化食物的生产车间。动物脂肪（饱和脂肪酸比例更高）无论是口感，还是食品加工的效果都要比植物油更好，因此价格也更高。植物油与动物油最主要的区别就是碳碳双键的数目，所以19世纪的食品工业界希望通过化学加氢的方式，把它部分加氢成为饱和度更高的脂肪酸。人体有时候（比如在代谢消化这些脂肪酸的过程中）也会对脂肪酸进行类似的部分加氢“加工”，但由于我们体内的酶的高特异性，得到的加氢产物都是顺式的（也就是天然的）。早年工业加氢的催化剂并没有这种高特异性，因此通常会产生大量反式结构的脂肪酸。

脂肪酸的顺反异构体

这种人工合成的含有大量反式脂肪酸的油脂被称为人造黄油/人造奶油、植物黄油、植脂末等，它们在食物加工时效果要比天然脂肪酸好，价格又便宜。因此，早期食品工业界试图想给人形成一种“人造黄油比天然黄油对人体健康更有益”的印象，进一步推广其应用。如早年肯德基、麦当劳以及很多糕点巧克力都会添加人造黄油——健康就是一大卖点。但是近些年来随着越来越多研究的深入，我们发现反式脂肪酸对人体伤害很大，它会通过影响低密度和高密度脂蛋白的含量，提高我们血浆里的胆固醇，诱发动脉粥样硬化、炎症、氧化应激压力等，导致一系列健康问题。因此近些年一些发达国家如美国，已经禁止在食物中添加含有人工反式脂肪酸的原料。我国目前虽然尚未立法完全禁止，但要求如果厂家在食品中添加了人造黄油类的原料，必须标出反式脂肪酸的含量。大家平时购买含有油脂成分的零食、糕点、冰淇淋等时，可以去看看原料表上是否标有反式脂肪酸，如果有的话尽量少吃。《中国居民膳食指南（2022）》提出：反式脂肪酸每天摄入量不应该超过2 g。

脂肪酸的家族非常庞大，其中很多成员， 比如支链脂肪酸、羟化脂肪酸、支链羟化脂肪酸酯等，被报道对我们健康有益。对它们的研究目前也在进行中，希望未来发现更多更有益、更美味的脂肪酸，能作为食物饮料改善我们的健康。