生物代谢与疾病防治

人类与疾病的斗争历史源远流长。从最早的部落时期，人类就开始尝试用各种天然方法对抗传染病，包括草药、特殊的食物、甚至宗教仪式。然而，随着科学的发展，我们渐渐认识到疾病大多由各种致病微生物引起：它们一旦侵入人体，就会与人体细胞争夺宝贵的营养资源，破坏身体平衡。一些微生物还会分泌各种毒素，直接威胁我们的健康。

有趣的是，细菌、病毒等病原体的代谢方式和人体自身的细胞存在许多本质性的差异。比如，某些细菌只能通过自身独特的代谢途径合成叶酸等重要分子，但人体细胞则可以通过饮食获得，不需要同样的合成过程。这些差异就像人与入侵者“作战”时的弱点与盲点，为我们提供了极有价值的“靶点”：科学家可以设计那些能够选择性攻击病原体新陈代谢的化学药物，摧毁它们的生存基础，却对人体细胞影响较小，从而实现既疗效显著又副作用较低的治疗方法。

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

化学选择性的原理

疾病的化学治疗依赖于一个核心原理——选择性毒性。就像钥匙只能打开特定的锁一样，某些化学物质能够专门识别并攻击病原体的代谢系统，同时对人体细胞的影响相对较小。这种选择性来源于病原体与人体细胞在分子结构和代谢途径上的差异。

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。

二十世纪初期，含砷化合物被发现对梅毒螺旋体有强烈的杀伤作用。这类药物的成功验证了化学治疗的可行性，开启了现代药物治疗的新纪元。

磺胺类药物的突破

二十世纪三十年代，一种名为百浪多息的橙红色染料在实验中显示出对链球菌感染的强大疗效。后来研究发现，真正起作用的是这个染料分子中的一个片段——磺胺。磺胺类药物的出现标志着"特效药"时代的到来，许多曾经致命的感染性疾病突然变得可以治疗。

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。

中国的化学药物产业发展

石药集团、华北制药等国内药企已经成为全球重要的抗生素原料药生产基地。2023年，中国抗生素产量约占全球总产量的30%以上，其中头孢类抗生素的产能居世界首位。

从图中可以看出，头孢类抗生素产量持续增长，反映出临床需求的上升趋势。然而，抗生素的大量使用也带来了细菌耐药性这一严峻挑战。

---

抗生素的发现与应用

来自自然界的武器

土壤中生活着数以亿计的微生物，它们之间进行着激烈的生存竞争。某些微生物进化出了分泌抗菌物质的能力，用来抑制竞争对手的生长。这些天然产生的抗菌物质就是抗生素的原型。

青霉素的发现源于一次意外观察。当霉菌孢子落入细菌培养皿后，霉菌周围的细菌菌落被溶解了。这种现象提示霉菌能够产生某种抑制细菌生长的物质。经过分离和纯化，青霉素成为人类历史上第一个广泛应用的抗生素，在第二次世界大战中拯救了无数士兵的生命。

中国的青蒿素贡献

提到抗病原体药物，不能不提中国科学家的重大贡献——青蒿素的发现。二十世纪六十年代，研究团队从传统中药青蒿中提取出了有效成分青蒿素，这种化合物对疟原虫具有快速且强大的杀伤作用。

疟疾曾经是威胁全球健康的重大传染病，特别是在热带和亚热带地区。青蒿素及其衍生物的应用使得疟疾的死亡率大幅下降。根据世界卫生组织的数据，2000年至2020年间，全球疟疾死亡人数减少了约60%，青蒿素类药物在其中发挥了关键作用。在非洲许多国家，以青蒿素为基础的联合疗法已成为治疗疟疾的首选方案。

抗生素的分类与应用

细菌耐药性的挑战

抗生素的广泛使用带来了一个意想不到的后果：细菌正在进化出抵抗这些药物的能力。自然选择使得那些偶然产生了耐药基因的细菌存活下来，并将这种能力传递给后代。随着时间推移，原本有效的抗生素对某些细菌菌株逐渐失去作用。

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。

二十世纪四十年代，一种叫做滴滴涕（DDT）的化学物质开始大规模应用于疾病防控。这种物质对昆虫有强烈的毒杀作用，而对哺乳动物的急性毒性相对较低。在第二次世界大战期间，DDT成功控制了伤寒疫情，战后又在全球范围内用于疟疾防控，拯救了数以百万计的生命。

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，中国采用了“三管齐下”的策略：使用药物浸泡的蚊帐减少蚊虫叮咬，用含有青蒿素的药物治疗感染者，改造积水环境减少蚊虫孳生地。到2021年，中国获得世界卫生组织颁发的无疟疾认证，这标志着中国完全消除了本土疟疾病例。

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。

二十世纪七十年代，多数国家禁止使用DDT。这个案例深刻地提醒我们：短期利益和长期生态平衡之间需要谨慎权衡。

现代病媒控制越来越强调综合虫害管理（IPM）策略：优先采用物理防治（如蚊帐、纱窗）和生物防治（如放养食蚊鱼），只在必要时使用低毒、易降解的化学杀虫剂，并严格控制使用量和使用范围。

---

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。

这个能量转化的过程就是细胞代谢。代谢过程的核心是将大分子营养物质逐步分解成小分子，在这个过程中释放能量，并将能量储存在特殊的“能量货币”分子中。

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。

糖酵解的关键特点是不需要氧气参与。这意味着即使在缺氧条件下，细胞仍然能够通过这条途径获得能量。当你进行剧烈运动时，肌肉细胞的氧气供应不足，就主要依靠糖酵解来提供能量。

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

当肌肉收缩时，储存在肌肉中的糖原（一种多糖）被快速分解成葡萄糖分子，然后通过糖酵解途径转化为乳酸。这个过程不需要氧气，能够快速提供能量，支持肌肉的爆发性运动。

但是，无氧酵解的能量转化效率较低，而且会产生乳酸。乳酸的积累会导致肌肉酸痛和疲劳。运动停止后，肌肉开始利用氧气，将一部分乳酸氧化分解，释放的能量用来把其余的乳酸重新转化回糖原。这个过程叫做“偿还氧债”。

从图中可以看出，糖酵解只释放了葡萄糖所含能量的一小部分。如果有足够的氧气，葡萄糖可以被完全氧化成二氧化碳和水，释放的总能量是无氧酵解的18倍左右。这就是为什么有氧运动能够更持久、更有效地消耗能量。

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。

磷酸基团在能量代谢中起着枢纽作用。细胞将食物分解释放的能量用来合成含有高能磷酸键的分子，主要是ATP（三磷酸腺苷）。ATP就像是细胞的“能量货币”，可以在需要时快速“支付”能量，驱动各种耗能过程。

---

线粒体

细胞内的发电站

如果把细胞比作一座城市，那么线粒体就是这座城市的发电厂。线粒体是细胞内的一种特殊结构，专门负责进行有氧呼吸，产生细胞所需的绝大部分能量。

一个典型的肝脏细胞含有大约一千个线粒体，每个线粒体的长度约为2到5微米。线粒体有两层膜结构：外膜相对光滑，内膜则向内折叠形成许多褶皱，称为嵴。这种结构大大增加了膜的表面积，就像增加了发电设备的装机容量。

克雷布斯循环

当丙酮酸进入线粒体后，会经历一个循环往复的代谢途径，最终被完全氧化成二氧化碳和水。这个过程被称为柠檬酸循环或克雷布斯循环。

循环的起点是乙酰辅酶A，它是一个含有两个碳原子的小分子。乙酰辅酶A与一个含有四个碳原子的分子（草酰乙酸）结合，形成含有六个碳原子的柠檬酸。随后，柠檬酸经过一系列转化，逐步释放出两个二氧化碳分子，同时产生能量载体分子，最后又重新生成草酰乙酸，准备开始下一轮循环。

循环过程中释放的氢原子被特殊的载体分子（如NADH）捕获。这些载体将氢原子运送到线粒体内膜上的电子传递链。在电子传递链中，氢原子被逐步氧化，最终与氧气结合生成水，同时释放大量能量用于合成ATP。

线粒体与疾病

线粒体功能异常会导致多种疾病，因为细胞能量供应不足。这类疾病往往影响能量需求最大的组织，如肌肉、大脑和心脏。

在中国，北京协和医院、上海交通大学医学院等机构在线粒体疾病的诊断和治疗方面开展了深入研究。线粒体DNA突变引起的疾病具有母系遗传的特点，因为受精卵中的线粒体几乎全部来自卵细胞。

近年来，线粒体还成为抗衰老和代谢性疾病研究的热点。研究发现，随着年龄增长，线粒体功能会逐渐下降，这可能是衰老和许多老年疾病的重要原因。增强线粒体功能、清除受损线粒体，正在成为抗衰老研究的新方向。

---

同位素示踪技术

追踪原子的旅程

原子看起来都一样，但实际上同一种元素可以有不同的“品种”，它们的化学性质相同，但质量略有差异，这些不同的品种叫做同位素。更特殊的是，有些同位素具有放射性，会自发地放出射线，这使得它们可以被轻易地检测出来。

科学家想到了一个巧妙的办法：用特殊的同位素标记某个分子，然后追踪这个分子在生物体内的代谢过程。就像给货物贴上条形码，我们可以追踪它经过了哪些环节、最终到达了哪里。

揭示代谢的动态本质

二十世纪三十年代，研究人员开始使用重氢（氢-2）标记脂肪分子，然后将这些脂肪喂给实验动物。几天后分析动物体内的脂肪，发现其中含有大量的重氢。这个实验颠覆了当时的认知。

人们原本以为，身体储存的脂肪是相对稳定的，只有在饥饿时才会被动用。但同位素示踪实验表明，身体组织中的分子处于不断更新的状态。吃进去的脂肪会储存起来，同时储存的脂肪也在不断被分解利用。这是一个动态平衡的过程，虽然总量可能变化不大，但分子本身在快速更新。

同样的实验在蛋白质研究中也得到了类似的结果。用重氮（氮-15）标记某一种氨基酸喂给动物，很快就会在动物体内所有类型的氨基酸中检测到重氮。这说明氨基酸之间可以相互转化，身体蛋白质也在持续分解和重新合成。

放射性同位素的医学应用

第二次世界大战后，核反应堆技术使得大量制备放射性同位素成为可能。其中，碳-14成为研究有机代谢过程最有用的工具。

碳是所有有机分子的骨架元素，用碳-14标记可以追踪几乎任何生物分子。光合作用研究就是一个典型例子。给植物提供含有碳-14的二氧化碳，只让植物短暂地接触阳光几秒钟，然后立即分析植物细胞中哪些物质含有放射性。这样就能找出光合作用最早生成的产物，进而推断出整个反应序列。

在中国，放射性同位素技术已经广泛应用于疾病诊断和治疗。以PET-CT为例，这项技术使用氟-18标记的葡萄糖类似物。由于肿瘤细胞的代谢活跃，对葡萄糖的摄取远超正常细胞，因此在PET-CT图像上会显示为明亮的“热点”。这种方法可以在肿瘤还很小的时候就发现它，大大提高了早期诊断率。

这张图展示了静脉注射含有放射性标记的脂肪酸后，不同组织中放射性强度随时间的变化。可以看出，肝脏最先摄取标记物质并快速代谢，肌肉组织的摄取和代谢速度适中，而脂肪组织则缓慢蓄积标记物质。血液中的放射性强度快速下降，说明标记物质被组织迅速摄取。

同位素技术的安全性

使用放射性同位素需要严格的安全防护。医学诊断使用的同位素剂量都经过精确计算，确保对人体的辐射暴露控制在安全范围内。现代核医学使用的同位素大多具有较短的半衰期，在完成诊断功能后会迅速衰变，减少长期辐射影响。

同位素示踪技术不仅推动了基础生物学研究，也成为现代医学诊断的重要工具。从揭示细胞代谢的分子细节，到帮助医生准确定位病灶，这项技术展现了物理学与生物学结合的强大力量。

生物代谢的研究让我们理解了生命活动的化学本质。从早期的化学治疗尝试，到抗生素的发现，再到代谢途径的精细解析，每一步进展都加深了我们对生命过程的认识。这些知识不仅帮助我们更有效地对抗疾病，也提醒我们在干预自然过程时需要谨慎权衡。细菌耐药性和杀虫剂的环境影响警示我们，技术进步必须与生态智慧相结合，才能实现人类健康与环境保护的双赢。