人体是如何调控血糖的?数学模型告诉你详细过程

作者: 杨夕歌

来源: 科普最前线

发布日期: 2017-07-10 10:15:00

本文详细介绍了人体如何通过胰岛素调控血糖,特别是通过数学模型解释了β细胞在血糖控制中的关键作用。文章还讨论了糖尿病的类型和胰岛素分泌异常的原因,以及如何通过数学模型来理解和预测这些生理过程。

随着我们生活水平的提高,人们已经渐渐地不像过去那样担心温饱问题了,每天山珍海味的生活也不再稀罕。午餐来一顿正宗的羊杂火锅,晚餐煎两块半熟的神户牛排,再和三五好友撸几串烧烤作为夜宵,拍个照发发朋友圈,大快朵颐又格调十足的一天就这么过去了。

如今享用这样的美食已不再是难事。不过值得注意的是,尽管美味珍馐并不难得,健康的身体却更加重要。忍饥挨饿会造成营养不良,但饮食不加控制却可能带来一种“富贵病”——糖尿病。根据WHO(世界卫生组织)的调查,截止2016年,我国有1.1亿(差不多10%)的人患有糖尿病,将近四成成年人处于糖尿病前期。

身体是革命的本钱,而国人对身体健康的关注度也日益提高。就糖尿病问题而言,控制血糖是关键,那么人体是如何调控血糖的呢?这得从著名的胰岛素说起。

一、胰岛素的来源——β细胞

中学生物课告诉我们,胰岛素在血糖控制中起着决定性的作用。因为尽管胰高血糖素、肾上腺素和可的松等由不同腺体分泌的激素都能使血糖直接升高,胰岛β细胞分泌的胰岛素却是目前发现的唯一能够直接降低血糖的激素。

我们都知道,糖尿病和胰岛素紧密相关。事实上糖尿病可以分为I型(胰岛素分泌缺陷,多为先天型)和II型(胰岛素利用效率不高,多为后天型),都和胰岛素有关。

那么到底是什么造成了胰岛素的异常分泌呢?这是由于β细胞的胰腺细胞代谢紊乱而造成的,因此了解β细胞的作用原理是理解血糖控制机理的关键。

二、数学模型再次登场

小编在《读懂你的大脑——漫话神经元》一文中提到了获得过1963年诺贝尔生理学或医学奖的Hodgkin-Huxley模型,用来描述如下图所示。

如果看到这个方程后,你的表情是这样的:不必感到心慌,事实上我们只需要了解它的核心就绰绰有余了——膜电位完全由细胞内外离子浓度差所决定。

三、模型的分析——钙离子如何诱发爆破脉冲?

小编在上一篇文章《混沌理论到底是什么——从蝴蝶效应出发》中强调了分歧理论在混沌理论中的重要地位。事实上,β细胞的爆破型脉冲的产生原因,可以完全由分歧理论解释。

四、完整的故事

目前为止我们已经弄清楚了胰岛素分泌过程最关键的一环——β细胞膜电位的爆破型脉冲。但目前为止我们只着重考虑了钙离子的浓度,那么这又和血糖有什么关系呢?胰岛素分泌以后又是怎样发挥作用的呢?

概括地讲,答案各只有一句话——血糖变化能改变β细胞模型中的各个参数;而胰岛素通过促进生成第四类葡萄糖转运体(GLUT4)把血液中的葡萄糖合成为糖原,从而降低血糖。

五、化繁为简才是硬道理

通过本文的分析,读者们已经深刻感受到了生物世界的复杂性。事实上复杂性无处不在,不仅限于生物领域,而如果用数学观点来看待这些问题,一切都能变得有条有理,这便是数学模型价值之一。

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