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大家·科技前沿
MASTERS
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
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构成我们身体的基本单元
我们成长发育的核心要素是什么？衰老的过程怎样展开？引发病症的关键点有哪些？大脑怎样进行学习与存储信息？这些疑问对于从事生物医学研究的学者们来说，都是至关重要的课题。显而易见，这些课题极具难度，毕竟人体是一个极其复杂且精密的构造。
人可视为一种构造复杂的机制，其内部由多个承担不同生理任务的单元组合而成，这些单元可归纳为八个主要部分，例如负责食物处理的单元、维持生命活动的单元以及繁衍后代的单元。每个主要部分又包含多种具体的构造，例如负责食物处理的单元就涵盖了食道、胃、肠道以及肝脏等。深入剖析这些构造，其最基础的组成部分是细胞。进一步探究细胞的本质，发现其由一些基础的碳链化合物构成，这些化合物通常被称作生命的重要物质。
这些物质涵盖脂质、核酸、糖类以及蛋白质。例如，广为人知的脱氧核糖核酸（DNA）属于核酸类别，同时也是人类及多数生物基因的载体。由DNA衍生出来的蛋白质，对生命活动至关重要。可以说，我们整个生命基本上可以看作是一个由生物大分子“积木”构建成的乐园。颇为奇妙的是，世间万物形态各异，生存方式也千差万别，然而构成这些生命体的基本构件，即那些生命大分子，却有许多共同点。这是何故呢？
地球上所有生命形式，包括最低等的细菌、真菌等微生物，以及简单的无脊椎生物，乃至复杂的高等脊椎生物，都源自远古时期最基础的生命形态的逐步进化。在数十亿年的进化历程中，构成生命体的核心要素（遗传物质与功能蛋白）在很大程度上保持着高度的一致性——这在生物学上被称作“恒常性”。
你或许难以想到，我们平时用来制作面点和酿造酒类的一种普遍单细胞生物，酿酒酵母，其实有将近一半的基因与人类存在相似之处。这些酵母基因和我们身体里的相关基因，源自共同的祖先，并且执行着类似的生物功能。
在众多生物的遗传物质与生命分子高度相近这一基本事实中，生命探索的学者们借助分析其他物种的基因与蛋白质作用，阐明了诸多核心生命活动，例如细胞如何进行增殖与凋亡，基因指令怎样传递，动物为何呈现日夜节律，人体怎样识别微生物的入侵，这些发现为医疗保健行业带来了显著的价值。
此外基因与蛋白质之外，有无其他跨越物种的生命基本构造可供探索？或许有人会设想，生物体组成的单元越为根本，彼此间的共性就越发显著？倘若确是如此，那么生命体内的生物大分子，即前文提及的蛋白质、脂质、碳水化合物及核酸，能否继续分解为更为基础的组分以便深入探究？
答案是肯定的。
这些生物大分子，其实是由基本单位，即营养代谢小分子构成的。例如，蛋白质最基础的组成部分是20种氨基酸；脂质一般由脂肪酸、甘油等小分子构成，碳水化合物（例如淀粉和纤维素）由单糖（比如葡萄糖）聚合而成，遗传物质DNA则由核苷酸聚合形成。如果说生物大分子是构建材料的话，那么这些就是构成构建材料的更小单元了。
实际上，我们无时无刻不与那些参与新陈代谢的微小分子发生联系。其中一种极为关键的途径，便是摄取食物。我们经由进食，将生物体中的大分子物质加以分解，从而获取这些代谢性微小分子，它们不仅为身体的发育成长供给必要的物质基础和能量支持，同时也在维持生命活动的过程中发挥着不可或缺的调控作用。
生物大分子例如基因和蛋白质，在各类物种之间展现出显著的共性。值得注意的是，那些参与营养代谢的小分子，在物种间的相似程度更为突出。比如先前提及的酿酒酵母基因，大约有四成与人类基因存在相似之处，而酵母细胞所含的葡萄糖和氨基酸，同人体内的相应物质几乎毫无差别。这些营养代谢小分子在酿酒酵母和人类体内的代谢途径高度一致。自20世纪起，众多卓越的生物学家，借助酿酒酵母等简单生物作为研究范例，揭示了人体如何运用葡萄糖等营养物质，其中许多研究成果荣获了诺贝尔生理学或医学奖。
我们无时无刻不在摄取食物。这些作为食物的代谢性微分子，借助这种途径转化为我们身体的组成成分，协力支持我们的生长、繁衍乃至进化。因此，整个碳基生命的演进历程，实则是我们与代谢性微分子协同发展的过程。
要明白我们为何借助研究其他生物的基因来洞察人体运作的原理，关键在于基因是所有生命体共有的核心构成要素，并且经过漫长的进化历程，不同物种间的基因依然展现出显著的共性。与此同时，代谢过程中产生的那些小分子物质，在各类物种之间似乎更为接近，其作用也更为关键。由此可见，诸如氨基酸、葡萄糖这类代谢小分子，已经成为了代谢学领域内备受关注的研究对象。这里我们介绍一下“口碑似乎不太好”的脂肪酸分子。
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种类繁多的脂肪酸分子
脂质的基本组成成分脂肪酸，在与其他三种生物大分子构成单元相比较时，显得与众不同。举例来说，核酸无论是RNA还是DNA，其构成要素即核苷酸，一般仅包含四种（A、U/T、C、G）。这四种要素依照特定次序组合排列，最终构成承载遗传密码的基因。
构成碳水化合物的基本糖类种类有限，大约在八到十种之间。组成蛋白质的氨基酸数量虽然比糖类多，但也仅限于二十多种。综合来看，这些核心组分的种类并不多。这种现象其实很容易明白——自然界在漫长的进化历程中，借助这些精简的组分，成功构建了复杂的生命体系，充分印证了“简约即是精妙”的自然规律。
但脂质是个特例，组成脂质的基础成分脂肪酸种类相当丰富，普遍存在的脂肪酸或许就有数十至百种，罕见的脂肪酸数量则更为庞大。
脂肪酸的种类为何如此繁多？要明白这个原因，必须先弄清楚脂肪酸是在身体内部如何制造出来的。
脂质，例如脂肪酸，并非像多数蛋白质那样源自基因直接指令，而是在体内通过一系列具有催化作用的酶逐步转化，加工原料代谢的小分子物质形成的。从进化观点看，若某种脂肪酸对生命维持无足轻重，那么控制制造这种脂肪酸的基因或许会逐渐衰微，直至完全失效——如今我们体内极少存在能合成构造仅略有差异的氨基酸与糖类的酶类。与此相对，既然当前脂肪酸品类繁多，说明那些负责合成它们的酶虽然功能相近却并非全然相同，它们并未发生功能上的衰退。而这一现象表明，那些构造差异微小的各类脂肪酸，对于人体机能具有关键作用。
脂肪酸具体有哪些关键作用？根据中学教科书里的内容，它具备两项主要作用。
脂质类物质跟其他几种生命构成成分差异很大，它们多数情况下不跟水融合，或者具备亲水和疏水两种性质的部分。因此，这些脂质在水溶液里能够跟水分开，构成一层隔离膜。几乎所有的细胞都拥有这样一层由脂质形成的膜，这也是最早区分生命体和周围非生命环境的界限。
第二，脂质能够为生命过程供给丰沛的能量。同糖类或蛋白质相比，每克脂肪酸所能产生的热量，差不多是它们的两倍——这或许也是生物体将脂质当作能量储备的物质之一的缘由。
然而，倘若脂肪酸仅是用于为细胞构建包膜，以及作为能量保存的载体，那么依照自然界“简约即是优雅”这一普遍信条，挑选几种结构简单的脂肪酸，比如氨基酸或糖类，应该就足够实现这些功能。可是生物在漫长的进化历程中，却保存了众多构造独特的脂肪酸，这表明不同脂肪酸扮演着更为关键且多样的角色。人类天生喜爱含油食物，这种倾向或许暗示了进化过程中脂肪酸对自身的关键作用。
不过，或许是因为如今的生活水平提升，日常饮食足够丰富，营养的浓度也很可观，脂肪的不足已非困扰。反而，高脂肪的饮食习惯导致体重过重和肥胖现象在人群中愈发普遍。肥胖不仅让外形不佳，还会诱发多种健康问题，诸如心脏血管方面的毛病、恶性肿瘤以及代谢系统相关的病症（比如糖尿病二型或肝脏脂肪变性）。如今生活条件得到满足，脂肪类物质或许反而显现出其负面效应，超出了正面作用，我们是不是要尽量减少它的摄入量？
出乎意料的是，2017年《柳叶刀》这一享誉全球的医学期刊刊登的一项研究，揭示了中国不同群体在饮食摄入与无意外死亡之间有着紧密关联，该研究数据来源于超过十万人参与的调查。值得注意的是，这项调查发现，食物中脂肪含量占比越大，无意外死亡的发生率反而越低。特别需要关注的是，身体对多不饱和脂肪的吸收量跟生命终结的概率之间存在显著的逆向联系。与此形成对比的是，食物里淀粉类以及糖分等碳水化合物的占比越大，人离世的可能性就越高。也就是说，脂肪类物质对于维护身体健康具有正面作用。
因此，我们有必要对脂肪酸加深一点了解。
脂肪酸构造极为简明，一般含有一条碳链，链尾带有羧基官能团，这也是其得名酸的原因。同葡萄糖或氨基酸等其他代谢性小分子相比，这种构造具备两个显著特征。
第一是脂肪酸通常没有手性碳。
手性碳是什么意思？碳原子一般有四个化学键，当某个含碳分子里的碳原子连接了四个不同的基团时，其结构形态就有两种，也就是两种异构体，在不破坏化学键的前提下，这两种形态无法通过旋转翻转变成彼此。这种情况下，这个碳原子就具有手性，类似于我们的左手和右手，它们是镜像对称的。地球上的多数生命体所含代谢性微分子大多呈现显著的非对称性，例如糖类物质基本上是D型构型，而氨基酸则主要是L型构型，但脂肪酸不具备手性特征，这或许与其进化历程极为久远有关，因为它能在不同生物门类间保持高度适配性。
第二，脂肪酸仅含有一个功能位点，就是羧基，所以它不能与其他小型分子结合形成聚合物。
这种情形有何意义？构成生命的基本单位，如氨基酸与核酸，其分子结构内含多个功能位点，能够经由化学作用，彼此连接，构成类似链条的复杂结构。这种由小单元连接而成的长链，其特性取决于构成它的各个单元的先后次序，因而能够储存丰富的数据。
例如，人们很轻易就能算出，由十种核苷酸（这四种核苷酸各不相同）构成的多聚核酸，其构造或许有四百一十种（核苷酸的次序是有次序的）。而一个由十种氨基酸（这二十种氨基酸各不相同）组合成的多肽，其构造更是可能有二千零一十种。
不是这样，因为脂肪酸不具备聚合形态，它或许就必须更多地借助自身的构造转变，而不是聚合物里分子单元的次序，来传递更多的内容。这或许是造成脂肪酸构造如此丰富的关键原因之一。
脂肪酸的多种形态表现在碳链的长度差异、奇偶性不同、饱和程度变化以及分支结构多样性上。
此外脂肪酸还带有某些其他类型的取代基，诸如醇基、环状碳结构等，这些都会改变它的生物活性。下面将简要说明几种情形。
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不同碳链长短的脂肪酸
根据碳原子的数量，脂肪酸能够分为几种类型，分别是短链，碳原子不足六个；中链，碳原子数量介于六到十二个之间；长链，碳原子数在十四到二十个之间；以及超长链，碳原子数量超过二十个。
短链脂肪酸在食物中的存在量有限，一旦其含量有所增加，就会散发出较为强烈的刺激气息，例如醋酸就是短链脂肪酸的一种，这种情况往往表明食物的新鲜程度不够理想，因为这类短链脂肪酸多数是由微生物的活动所引起的。
然而，我们身体内部短链脂肪酸的量其实相当可观，这源于我们肠道中的微生物特别喜欢摄取纤维等人类无法直接消化的营养物，用以制造短链脂肪酸。细菌代谢的副产品不容忽视，科研人员近些年揭示，这些物质不仅能为人体肠道供给动力，同时对维持身体机能平衡、防止多种慢病（包含肠道红肿、血糖失衡、循环系统障碍、脑部功能衰退等）的发生具有关键作用。
一种常见的脂肪酸——硬脂酸
中链脂肪酸同样值得关注，它常见于动物乳制品以及部分植物里。这种物质的碳链长度适中，使得它在人体内的运输和代谢过程十分顺畅，表明其容易被分解吸收，却不容易储存为脂肪。正因如此，人们普遍将其视为一种更为健康的脂肪来源，像现在备受推崇的椰子油和棕榈仁油，就含有大量此类脂肪酸。不仅如此，有些中链脂肪酸还具备抑制细菌滋生和驱赶寄生虫的作用。
超长链脂肪酸，我们一般无需借助食物直接获取此类脂肪酸，我们身体能够运用长链脂肪酸，进一步制造出所需的超长链脂肪酸，这一点值得关注，脂质中的一种重要类别，即鞘脂（富含于我们的神经系统，例如包裹神经的髓鞘等部位），其分子结构里通常就含有超长链脂肪酸。这种特殊的脂质成分不同于普通的脂质，它必须在一种特定的细胞构造——过氧化物酶体——里进行分解，一旦基因变异引发这种细胞构造运作不正常，进而造成分解过程受阻，就可能诱发严重的遗传性病症（比如肾上腺脑白质营养不良）。
最终，长链脂肪酸在脂肪酸成分里占比最大，种类也最为繁多，并且是我们日常接触最频繁的一类，它在食物中的分布非常广泛，依据其他特性，能够细分为许多不同的小类别，我们将在下文详细阐述各类长链脂肪酸的具体情况。
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脂肪酸的奇偶性
读者或许留意到，先前讨论脂肪酸碳链长度时，我们总是以偶数单位进行说明，缘何如此呢？究其原因，大多数高级生物在体内制造脂肪酸，会以两个碳原子的乙酸代谢产物（乙酰辅酶A）为基本构件，逐步拼接而成。由此可见，大部分中链、长链及超长链脂肪酸，其碳链数目均为偶数。
确实存在特殊情况，我们身体里部分氨基酸，例如异亮氨酸和缬氨酸，在分解时能够形成丙酰辅酶A，这是一种含三个碳原子的丙酸类物质，以此为原料，每次增加两个碳原子，就可以制造出一系列奇数链长的脂肪酸，但是人类体内这种制造能力相当微弱，而牛羊等反刍动物却能够大量进行这种合成，所以我们能够借助饮用乳制品来获取奇数链脂肪酸。
有相关研究指出，摄入奇数链的脂质酸有助于减少患上二型糖尿病的几率，现在针对这类脂质酸所具有的作用机理的探索正在逐步深入。
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脂肪酸的饱和性
脂肪酸的饱和程度体现为碳链中碳碳双键的多少。脂肪酸可分为饱和型（不存在双键）、单不饱和型（含有一个双键）以及多不饱和型（含有两个或更多双键）。不仅如此，双键的位置也存在差异，虽然这些结构相似的脂肪酸在物理化学特性上有些许区别（例如熔点较低、流动性较强），但它们在生物学方面的性质却会发生显著变化。
这些碳碳双键究竟是如何形成的呢？其实，我们身体里最初制造出来的大部分脂肪酸都是没有双键的，不过生物体内存在某些脱氢酶，它们能够借助脱氢作用，在脂肪酸的特定部位引入双键。
说到这里，我们要讲到一个“必需营养分子”的概念。
简单的生命体，例如细菌或酵母，仅需获取最基础的养分（含碳和含氮物质），便能借助体内固有的酶类，自行制造所有必需的代谢物质。然而，复杂的生物如哺乳动物，却舍弃了部分负责合成相关酶类的基因（或其功能远不能满足正常的生长需要），因此必须通过食物摄取这些代谢性小分子，才能维持正常的生长活动。例如，必需氨基酸就是这类物质的典型代表。
人类与其他哺乳动物都存在一类脂肪酸，自身无法制造，这类脂肪酸被称为必需脂肪酸。它们大多属于不饱和脂肪酸。究其原因，是因为我们体内缺少某些特定的脱氢酶，例如碳链第12位的脱氢酶，以及碳链倒数第三位的脱氢酶，这两种脱氢酶我们都缺乏，所以必须通过食物摄取这些脂肪酸，否则将会引发严重后果。
二十世纪初，研究人员通过实验观察到，如果完全移除食物里的脂肪成分，大鼠会出现严重的皮肤、肾脏等器官问题，生长会停止，最终导致死亡。但也不必过分担忧，只要不是极端挑食，我们日常饮食中的这两类必需脂肪酸，一般足以满足身体最基本的生存需要。
那么食物里的饱和脂肪与不饱和脂肪，对人体健康有哪些好处和坏处呢？
那个时期物资短缺，那些东西对活命很有用。很多人觉得炸出来的东西特别香，特别是含有饱和脂肪的动物油。但现在吃得多动得少，大量摄入脂肪，尤其是饱和脂肪，对我们没好处。过量吃这种脂肪容易得心脏血管病，比如血管变硬和代谢方面的毛病。
科学家普遍觉得不饱和脂肪对身体更有益处。东亚人和地中海人，在准备食物时大多使用植物油，例如橄榄油，这种油含有较多的单元不饱和脂肪。而另一些植物油（比如豆油）或深海鱼的脂肪，则含有比较多的多元不饱和脂肪。对于特定的病症，这些脂质成分的益处还存在分歧，然而，总体而言，尽量选用不饱和脂质，尤其是多不饱和脂质来替换饱和脂质，更有益于身体健康。
06
人工反式脂肪酸——
对我们健康有害的脂肪酸
根据前面提到的内容，脂肪酸一般不存在手性非对称的异构体，不过脂肪酸还存在一种别的不对称性，我们称之为顺反异构。位于双键两侧的脂肪酸碳链基团，可以有不同排列情形：如果它们位于双键同一侧，这种脂肪酸就叫做顺式脂肪酸；而如果它们分处双键两边，这种脂肪酸就称为反式脂肪酸。
自然界中多数脂肪酸为顺式结构，偶有反式脂肪酸，例如牛奶里就含有少量天然反式脂肪酸，这些脂肪酸原本就存在于自然界，对人体健康没有潜在危害，而通常令人担忧的人工反式脂肪酸并非自然界产物，而是工业化食品加工过程中制造出来的。
动物油脂（含饱和脂肪酸更多）在风味和食品加工方面表现更佳，因此售价也相对昂贵。植物油与动物油的核心差异在于碳碳双键的多少，所以十九世纪的食品制造业尝试运用化学加氢技术，将其部分转化为饱和度更高的酸类物质。身体在特定情况（例如分解吸收这些脂肪酸时）也会对脂肪酸实施类似局部加氢的转化，不过由于体内酶的高选择性，生成的加氢结果全是顺式构型（即自然形态）。早期工业加氢所用的催化剂不具备这种高选择性，所以往往制造出许多反式构型的脂肪酸。
脂肪酸的顺反异构体
这类通过人工方式制造的油脂中富含反式脂肪酸，被称作人造黄油或人造奶油，也叫做植物黄油、植脂末等，它们在食品制作过程中表现更佳，成本也较低廉。所以，食品加工业曾试图让公众相信“人造黄油较天然黄油更利于健康”，以便扩大其使用范围。以前肯德基、麦当劳还有许多点心和巧克力产品都放人造奶油，健康是它们宣传的重要方面。
不过近年来，由于大量研究不断深入，我们了解到反式脂肪酸对身体的危害十分严重，这种物质会干扰低密度和高密度脂蛋白的水平，增加血液中的胆固醇含量，进而引发动脉粥样硬化、炎症反应以及氧化应激等状况，从而造成多种健康困扰。为此近些年一些先进国家例如美国，已经明令禁止在食品中使用含有合成反式脂肪酸的成分。
现阶段国家尚未出台全面禁止的法规，不过规定食品若添加了人造黄油之类的成分，必须注明反式脂肪的含量。购买含油脂的零食、点心、冰品等，可以留意成分表是否列出反式脂肪，若有，尽量减少食用。《中国居民膳食指南（2022）》建议：每日反式脂肪摄取量不宜超过两克。
脂肪酸的种类极为丰富，许多成员，诸如支链脂肪酸、带有羟基的脂肪酸、支链羟基化脂肪酸酯等，已被证实有助于增进人体健康。针对这些物质的研究工作正在持续开展，期待将来能够发掘出更多兼具益处与良好口感的脂肪酸，用以提升食品饮料的健康价值。
这篇文章见于《世界科学》2025年第八期刊物中的“大家·科技前沿”板块；该文系依据作者在上海市科学技术普及志愿者协会所主持的“海上科普讲坛”上进行的演讲内容编辑而成
