設置星標 關注，從此你的世界多點科學~

大家·科技前沿

MASTERS

朱煥乎

上?？萍即髮W生命科學與技術學院研究員、博士生導師

01

構成我們身體的基本單元

我們生長發(fā)育最關鍵的因素是什么？衰老又是如何進行的？導致疾病的主要因素有哪些？大腦如何學習和記憶？對于生物醫(yī)學的研究者們而言，這些都是非常重要的任務。顯然，這些任務非常有挑戰(zhàn)性，因為人體是一個非常復雜精密的系統(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胞。究其根本，細胞由一些最基本的碳基分子構成，我們通常稱之為生物大分子。

它們包括脂質、核酸、碳水化合物（糖）以及蛋白質。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進一步轉錄翻譯形成的蛋白質，對我們生命活動極為重要。可以這么說，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，構成其生命的主要元件（基因和蛋白質）在很大程度上依然存在著高度的相似性——生物學上我們稱為“保守性”。

你可能很難想象，我們日常用于發(fā)酵面食及釀酒的一種常見單細胞微生物，釀酒酵母，居然大約有四成的基因和我們人類相似。也就是說，這些酵母基因和我們人體內的對應基因來自同一祖先，并行使著類似的生物學功能。

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

那么除了基因和蛋白質外，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，是否構成生物體的單元越是基礎，其相似性就越高？如果是的話，那么構成生命的生物大分子，也就是我們剛才所說的蛋白質、脂質、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。比如組成蛋白質最基本的單元就是20種氨基酸；脂質通常是由脂肪酸、甘油等一些小分子構成的，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，而構成遺傳物質的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)育提供所需的物質原料和能量，也在生命運轉過程中扮演重要的指揮角色。

如上所述，基因或蛋白質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，而構成酵母細胞的葡萄糖和氨基酸，和我們人體內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代謝的方式也極為相似。20世紀以來很多杰出的生物學家，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，其中不少工作都獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

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?shù)南嗨菩浴Ｅc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

與構成其他三種生物大分子的單元相比，作為構成脂質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。

構成碳水化合物的常見單糖不過8～10種。構成蛋白質的氨基酸較多，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，構建出一個復雜的生物體系，充分體現(xiàn)了“簡單就是美”的自然法則。

然而脂質是一個例外，構成脂質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被合成出來的。

與大多數(shù)蛋白質直接由基因編碼不同，脂質（包括脂肪酸）是由一系列的酶（也就是有催化功能的蛋白質）在體內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，那么負責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構有細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構差別細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）。因此脂質分子在水溶液中可以與水分層形成一層膜。絕大部分的細胞都具有這樣一層由脂質構成的膜——這也正是最早生命與非生命體的邊界。

第二，脂質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，居然有這么多結構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)物質了，我們是否應該盡可能少吃呢？

與大家預測的相反，2017年國際著名的醫(yī)學雜志《柳葉刀》（

The Lancet

因此，我們有必要對脂肪酸加深一點了解。

脂肪酸的結構非常簡單，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，這樣的結構有兩個特點。

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，那么它們的結構形式有兩種（也即兩種異構體），在不破壞鍵的情況下這兩者無法通過旋轉顛倒變成對方。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，可以通過化學反應，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，其結構可能有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，其結構更是可能有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構變化，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構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，我們體內短鏈脂肪酸的含量卻也不算少，這是因為我們腸道細菌很喜歡“進食”纖維等我們人體不能直接利用的營養(yǎng)物質來生產(chǎn)出短鏈脂肪酸。不要小看細菌產(chǎn)生的這些“廢物”，科學家近年來發(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，而不容易轉化為脂肪。因此我們通常認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，導致該代謝發(fā)生問題，則有可能會帶來嚴重的遺傳疾?。ㄈ缒I上腺腦白質營養(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，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。

當然也有例外，我們體內有些氨基酸（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型糖尿病的風險，目前對這類脂肪酸相關功能機制的研究正在慢慢展開。

05

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，這些結構類似的脂肪酸物理化學性質雖有一些不同（比如熔點較低、流動性較強），但它們的生物學性質會有很大的改變。

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，但是生物體內有一些脫氫酶，可以通過脫氫反應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酶的基因（或者其活性遠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，我們人體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，都是我們人體缺乏的，因此我們需要從食物中獲取這些脂肪酸，不然就會發(fā)生很嚴重的問題。

例如，20世紀早期科學家實驗發(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人體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。

相應地，科學家通常認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體，但是脂肪酸有另一種不對稱，我們稱為順反異構體。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世紀的食品工業(yè)界希望通過化學加氫的方式，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)生大量反式結構的脂肪酸。

脂肪酸的順反異構體

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，進一步推廣其應用。如早年肯德基、麥當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、氧化應激壓力等，導致一系列健康問題。因此近些年一些發(fā)達國家如美國，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》雜志2025年第8期“大家·科技前沿”欄目；文章根據(jù)筆者在上海市科學技術普及志愿者協(xié)會主辦的“海上科普講壇”上的報告撰寫而成-

《世界科學》雜志版在售中 歡迎訂閱

月刊定價

15元/期

全年訂閱價

180元

點擊左側圖片或以下方訂閱方式選購

方式一：

掃描二維碼，“雜志鋪”訂閱有折扣～

方式二：

全國各地郵局訂閱 郵發(fā)代號：4-263

方式三：

機構訂閱，請撥打

021-53300839；

021-53300838