生物代谢与疾病防治

疾病并不大都由病原微生物引起。感染来自细菌、病毒、真菌或寄生虫等病原体，心血管病、肿瘤、遗传病和代谢病则有不同机制。即使在感染中，病原体造成损伤的方式也包括侵入组织、释放毒素、触发免疫反应或破坏细胞功能，不能只概括为“争夺营养”。

病原体与人体细胞既共享一些生命化学，也存在可利用的差异。某些细菌自行合成叶酸，而人体从食物获得叶酸，磺胺类药物由此能够干扰细菌相关通路。病毒依赖宿主细胞复制，可选择的独特靶点更少；药物选择性因此通常是相对的，疗效与毒性要一起评价。

基于上述原理，现代药物学家不断筛选和合成各种化学物质，希望寻找到既能有效杀灭或抑制病原体，又尽量保护人体正常生理功能的药物。这一思路为抗感染药物和众多疾病的防治打下了坚实的科学基础，也推动了生物医学的重大进步。

化学药物如何对抗疾病

选择性毒性是抗感染治疗的重要原则：药物尽量强地作用于病原体特有或更依赖的结构，同时减少对人体的损伤。选择性很少绝对成立，肝肾代谢、肠道微生物、过敏和药物相互作用都可能带来不良反应。临床用药还要考虑感染部位、病原种类和耐药性。

早期的化学治疗尝试始于染料的研究。研究人员发现，某些染料能够特异性地与细菌细胞结合，这意味着这些化学物质可能会干扰细菌的正常功能。通过系统性地测试含有特定化学基团的化合物，科学家们逐渐摸索出了针对不同病原体的有效药物。

20世纪初，砷凡纳明等含砷化合物被用于治疗梅毒，显示可以系统筛选针对病原体的化学药物。它们也有明显毒性，后来被更安全有效的青霉素替代。这段历史说明“能杀病原体”只是第一步，治疗窗口、剂量和长期结局同样决定药物价值。

磺胺类药物的突破

20世纪30年代，百浪多息在动物和临床感染中显示疗效，研究者随后确认其体内活性与磺胺成分有关。磺胺类通过竞争性干扰细菌叶酸合成发挥作用，使多种细菌感染首次获得较可靠的全身性药物治疗，但它们并不是对所有感染都有效的“特效药”。

在中国，磺胺类药物曾在抗战时期和新中国成立初期发挥了重要作用。如今，虽然已经被更先进的抗生素部分取代，但磺胺类药物仍然在某些特定感染的治疗中占有一席之地。

化学药物产业发展

中国参与多类抗菌药物原料和制剂生产，但产量占比、企业排序会随年份和统计口径变化。理解产业更应关注质量控制、供应稳定、环境排放和合理使用；缺少可核实数据时，不应写成“占全球极高比例”的结论。

抗生素的发现与应用

来自自然界的武器

土壤微生物会竞争，也会合作、交换代谢物并形成群落。部分细菌和真菌产生能抑制其他微生物的化合物，这些分子在自然环境中可能承担竞争、信号或金属获取等作用。人类从中筛选出的抗菌药只是自然产物的一部分，不能把所有抗生素简单称为“竞争武器”。

弗莱明观察到青霉菌周围葡萄球菌生长受抑，随后弗洛里、钱恩及团队解决了提取、药效和生产问题，青霉素才在20世纪40年代走向临床。这个过程包含偶然观察，也包含长期工程与临床验证；“第一个抗生素”的称号还会因天然产物、临床使用等定义而不同。

中国的青蒿素贡献

青蒿素是抗疟药，不属于抗细菌的抗生素。20世纪70年代初，中国研究团队在大量候选材料筛选中改进青蒿提取方法，屠呦呦团队获得活性提取物并分离出青蒿素。它能快速清除疟原虫血期寄生虫，是现代抗疟治疗的重要组成。

疟疾仍在热带和亚热带地区造成大量病例与死亡。青蒿素类药物应与作用时间更长的伙伴药组成联合疗法，以提高治愈率并延缓耐药。全球疟疾负担受蚊媒控制、诊断、药物可及性、冲突和气候等多因素影响，不能把某段时期的死亡变化单独归因于一种药。

抗生素的分类与应用

抗生素在临床上主要指治疗细菌感染的药物；抗病毒、抗真菌和抗寄生虫药属于更广的抗微生物药。每类药物只对特定靶点和病原体有效，普通感冒等病毒感染通常不需要抗生素。病原检测、感染部位和患者状况共同决定选择。

细菌耐药性的挑战

耐药变异可能由突变产生，也可通过质粒等遗传元件在细菌之间水平转移。使用抗生素后，敏感菌被抑制，耐药菌更容易存活和扩增。药物不是为了让细菌“学会抵抗”而诱发定向变化，却会形成强选择压力，使已有或新出现的耐药性快速增加。

更令人担忧的是，耐药菌株的扩散使临床治疗变得更加困难。一些感染甚至可能出现“无药可用”的局面，威胁到公共健康和医疗体系的安全。这一挑战要求我们不仅要更加审慎地使用抗生素，也需积极研发新型药物和防控措施。

数据显示，常见致病菌对多种抗生素的耐药率在过去二十多年间持续上升。这意味着医生在治疗感染时面临越来越少的有效选择。

应对耐药性危机需要多方面的努力：开发新型抗生素、严格管理抗生素使用、加强感染预防控制、推广快速诊断技术。同时，也需要公众提高认识，不要自行购买和使用抗生素，必须在医生指导下规范用药。

杀虫剂与疾病预防

切断传播链的策略

许多严重的传染病并非直接在人与人之间传播，而是需要特定的生物媒介。蚊子、跳蚤、虱子等节肢动物在吸血过程中可以将病原体从一个宿主传递到另一个宿主。疟疾、登革热、流行性斑疹伤寒等疾病都属于这一类型。

控制这类疾病有两个关键环节：消灭病原体或者消灭传播媒介。相比于直接治疗病原体感染，控制媒介昆虫往往更加经济有效。有机杀虫剂的发明为疾病预防提供了强大的工具。

DDT在第二次世界大战期间曾用于控制传播流行性斑疹伤寒的体虱，并在战后疟疾媒介控制中广泛使用；伤寒是经受污染食物和水传播的细菌病，不能写成由DDT控制。DDT的公共卫生收益与持久性、生物累积和生态风险必须放在一起评价。

中国的媒介传染病防控

新中国成立后，疟疾、血吸虫病、丝虫病等寄生虫病在广大农村地区流行。通过综合防治措施，包括药物浸泡蚊帐、室内滞留喷洒、环境改造等手段，这些疾病得到了有效控制。

以疟疾防控为例，中国成功实施了“三管齐下”综合防控措施，使疟疾防治取得显著成效。主要手段包括：

• 预防蚊虫叮咬：推广使用经过药物（如杀虫剂）浸泡的蚊帐和窗纱，显著减少蚊虫对人群的叮咬。
• 及时治疗感染者：对疟疾病例采用含有青蒿素的高效抗疟药物进行规范治疗，切断传染源。
• 环境治理：整治和改造水体、清理积水，铲除蚊虫孳生地，从根本上减少蚊媒数量。

2021年，世界卫生组织认证中国为无疟疾国家，表示本地传播已经被阻断并具备防止重新传播的体系。它不等于境内永远没有输入病例，也不等于“彻底消灭”疟原虫；旅行相关病例和可能的本地传播仍需快速发现、治疗与流行病学调查。

在南方省份，登革热仍然是一个需要警惕的问题。每年夏秋季节，广东、广西、福建等地会出现登革热病例。当地卫生部门通过清理积水、投放灭蚊幼剂、开展灭成蚊行动等综合措施，控制疫情传播。

杀虫剂的环境代价

虽然DDT在控制疾病传播方面功不可没，但人们逐渐发现了它的严重问题。DDT在环境中极难降解，会在土壤和水体中长期存留。更严重的是，DDT会沿着食物链逐级富集，在顶级捕食者体内达到很高的浓度，影响生物的繁殖能力。

20世纪后期，许多国家逐步禁止或严格限制DDT的农业用途，国际公约仍为特定病媒控制保留受管制的公共卫生用途。这个案例说明，风险管理不是把化学品简单分成“功臣”或“毒物”，而是比较替代方案、暴露水平、疾病负担和长期生态后果。

综合媒介管理依据监测结果组合环境治理、住房防护、生物措施和有针对性的化学防治，并持续评估效果和耐药。食蚊鱼等生物防治也可能影响本地生态，不能自动视为优先方案；选择措施要结合媒介种类、传播场景和非靶标风险。

细胞代谢的化学过程

能量从何而来

人体每时每刻都在进行各种生命活动：肌肉收缩、神经传导、物质合成、体温维持等等，所有这些都需要能量支持。这些能量最终来源于食物中的营养物质，主要是糖类、脂肪和蛋白质。但是，食物中的能量并不能直接使用，必须经过一系列复杂的化学转化，才能变成细胞可以利用的形式。

细胞代谢既包括分解营养物释放可利用自由能，也包括消耗能量合成和维护细胞成分。能量不会被“储存”在一个单一分子中：ATP、还原型辅酶、离子梯度、糖原和脂肪分别承担短期耦联、电子传递和长期储备等角色。

糖酵解

以葡萄糖为例，这是人体最主要的能量来源。一个葡萄糖分子含有六个碳原子，在细胞质中经过十个连续的化学反应，最终被分解成两个含有三个碳原子的丙酮酸分子。这个过程被称为糖酵解。

糖酵解本身不直接使用氧，却在有氧和无氧条件下都可进行。有氧时，丙酮酸通常进入线粒体继续氧化；高强度运动中，当糖酵解产生丙酮酸和NADH的速度超过线粒体处理能力，乳酸脱氢酶帮助再生NAD⁺，使糖酵解继续供能。

二十世纪初的研究发现，在糖酵解过程中，磷酸根扮演了重要角色。糖分子会先与磷酸根结合，形成糖-磷酸化合物。这种磷酸化反应就像是给能量加上了“提取标签”，使得能量可以被高效地转移和利用。

肌肉工作的秘密

肌糖原先经糖原分解进入糖酵解，丙酮酸可在线粒体中氧化，也可转化为乳酸。乳酸生成并不只发生在完全缺氧时，它还参与组织间碳和还原力的转运。高强度活动中快速ATP供应来自磷酸肌酸、糖酵解和氧化代谢的共同贡献。

乳酸和氢离子变化与运动时的代谢压力相关，但乳酸不是延迟性肌肉酸痛的原因，延迟酸痛更多与不习惯运动后的微损伤和炎症有关。运动后乳酸可被肌肉和心脏氧化，也可在肝脏参与糖异生；恢复过程比“用一部分乳酸把其余乳酸变回糖原”更复杂。

1. 葡萄糖含有可在氧化还原反应中释放的自由能，细胞必须通过分步反应加以利用。

2. 糖酵解在细胞质把一分子葡萄糖转成两分子丙酮酸，净获得2个ATP和2个NADH；在不同细胞和条件下，丙酮酸可转成乳酸、乙醇或进入后续氧化。

3. 真核细胞中，丙酮酸在线粒体转化为乙酰辅酶A，乙酰基进入三羧酸循环，碳原子逐步以二氧化碳释放，并产生NADH和FADH₂。

4. 电子传递链利用NADH和FADH₂的电子建立质子梯度，ATP合酶再把梯度中的自由能用于合成ATP；氧在链末端接受电子并形成水。

完全氧化葡萄糖比只进行糖酵解获得更多ATP，但“释放能量18倍”会混淆总自由能、ATP产量和效率。多数教材估计真核细胞每个葡萄糖约获得30—32个ATP，具体数值取决于穿梭、泄漏和细胞条件；糖酵解净得2个ATP。

代谢过程的精细调控

代谢过程并不是杂乱无章的，而是经过精密组织的。不同的反应步骤在细胞的不同位置进行，由不同的酶催化。这些酶像流水线上的工人一样，各司其职，有序地完成每一步转化。

ATP常被称为能量货币，关键在于其水解具有较大的负自由能变化，并能与不利反应耦联。“高能磷酸键”不是断键本身释放能量；任何化学键断裂都需要能量，净释放来自产物形成、水合和熵等因素的总和。

同位素示踪技术

追踪原子与代谢的本质

同位素是质子数相同、中子数不同的原子。它们电子结构相近，因此化学性质大体相似，但质量差异会造成可测的同位素效应；不能说性质完全相同。放射性同位素会衰变，稳定同位素则可通过质谱等方法检测。

正因如此，科学家发明了一种巧妙的方法：用特殊的同位素标记分子，然后追踪这些“带标记”的分子在生物体内的代谢途径。“像给货物贴上条形码”，我们就能了解分子在体内经过的环节及其动态变化。

用氘标记水或脂肪酸、用稳定的氮-15标记氨基酸，可以追踪物质进入和离开代谢池合成。这里应写“氮-15”，而不是“重氮”。示踪结果显示体内脂质和蛋白质持续更新，但更新速度随组织、营养和生理状态而异。

放射性同位素医学应用

现代放射性同位素（如碳-14）得益于核反应堆技术而批量生产，它们已成为生命科学与医学领域的重要工具。例如，碳-14标记可以追踪碳在有机分子中的流动路径，光合作用研究正是借助这种方法揭开了奥秘。将含有碳-14的二氧化碳供给植物，经短暂光照后分析细胞内带有放射性的产物，可推断一系列反应阶段。

PET常使用氟-18标记的脱氧葡萄糖类似物FDG。许多肿瘤摄取增加，但正常脑、心肌和炎症组织也可出现高信号，有些肿瘤摄取并不明显。PET能帮助分期、疗效评估或寻找病灶，不能保证“极早发现”或单凭热点确诊肿瘤。

图中若展示肝脏、肌肉、脂肪和血液中的示踪信号变化，应把它视为特定实验条件下的示意。摄取顺序和速度会受到示踪分子、进食状态、时间点、物种和疾病影响，不能推广为所有标记脂肪酸在人体中的固定动力学。

安全性与意义

核医学使用的活度和辐射剂量经过计划，短半衰期能够减少部分长期暴露，但并非所有医用同位素都很快衰变，也不是所有检查剂量相同。是否进行检查应比较预期诊断或治疗收益与个体风险，并遵循合理可行尽量低的暴露原则。

核医学检查的有效剂量会因示踪剂、设备、检查范围和患者情况从低于1毫希沃特到十几毫希沃特或更高。天然本底辐射也因地区而异，因此用一个固定“1—10毫希沃特、绝无风险”并不准确。规范操作旨在把风险降到合理水平，而不是宣称风险为零。

因此，同位素示踪技术不仅可以深入了解分子的“旅程”和生命活动的化学本质，也极大推动了医学诊断的精准化。它提醒人类——科技进步与生态智慧需同行。只有权衡利弊，才能真正实现健康与环境的双赢。