基因、環境因子與疾病的關聯性
環境與基因表現
吾人身體健康或疾病的基礎，取決於基因與環境之間的交互作用。基因決定疾病的感受性；環境決定那個基因感受的個體將會受到影響，基因與環境之間的交互作用造就了一個人的體質。飲食對健康而言是最主要的環境因子。
疾病預防與管理的飲食應以個體的需求為目標並考慮基因傾向與能量消耗。醫學上發現許多疾病例如：心血管疾病、高血壓、糖尿病、高膽固醇血症、肥胖、癌症…等慢性病具有家族關聯性，且致病風險亦較其他族群高。同一家族共享基因傾向與環境因子。在醫學上，個體基因上的差異，已成為研發新藥、評估藥物代謝反應的重要標的。
在食品科學上，保健食品亦已朝分子生物學領域上發展。幾千年前的古代人其攝取食物的種類型態組成與近代人有顯著差異而才有現代人所謂的文明病的產生。「食物是最好的醫療」已普遍為人們所接受，「你就是你所吃的東西」「藥食同源」。疾病是可以化學的層次加以討論的，個體從外環境獲得他所需要的，同時將不需要的排出體外，而維持所謂的恆定狀態。
細胞如何吸收葡萄糖?
葡萄糖被小腸吸收或由肝臟產生，經由血液運送至身體的全部器官組織，是一種相當重要的營養素。葡萄糖進入細胞須經過一嵌入於細胞的特殊蛋白質的傳輸，過去十多年來的研究已經明瞭此蛋白質的結構及其運作方式，共有五種各自適應組織代謝需求之分子形式的葡萄糖傳輸者(glucose transporter；GluT)被發現。
當人體攝食碳水化合物時，體內器官便開始協調運作，碳水化合物消化變成葡萄糖，經由小腸吸收運送至血流中，血液中葡萄糖濃度增加，促使胰臟的β細胞釋放胰島素，將血液中的葡萄糖濃度降低。
降低的方法有兩種：它阻止肝臟釋放多餘的葡萄糖，同時使肌肉和脂肪細胞去吸收多餘的糖。肌肉細胞將葡萄糖轉換成肝糖；脂肪細胞將葡萄糖轉換成脂肪長期貯存。當血糖降低時，β細胞停止釋放胰島素，使身體代謝回到基礎狀態。
當胰島素過多時，血糖會降低，造成低葡萄糖血症(hypoglycemia)。在此狀況下腦部及其他器官會失去營養來源，身體會因此產生危害，甚至死亡。反之，若胰島素太少或肌肉及脂肪細胞抵抗其效應時，將使血糖上升，造成高葡萄糖血症(hyperglycemia)。高濃度糖分子引起滲透失衡，致使血液將組織中的水分汲取而腎臟將水分泌成尿液伴隨多量鹽分。
脫水及鹽分流失，會造成嚴重的高葡萄糖血症，使人昏迷，甚至死亡。較輕微的高葡萄糖血症，可能會引發長期的糖尿病併發症如heart attack、中風、目盲、腎臟衰竭、四肢壞疽。
葡萄糖的吸收機制比想像中還複雜，細胞只要能防止其內環境與潮濕的外環境混合在一起就能存活，這種內、外環境的分隔，係藉由可防水或水溶性物質的脂雙層細胞膜。換言之，細胞膜的疏水性有別於葡萄糖的親水性。由於葡萄糖會快速的溶於水中，因此細胞僅靠簡單的擴散作用並無法吸收葡萄糖，而須借助特殊蛋白質的傳輸分子。
葡萄糖傳輸者首次於1977年從人類紅血球中分離出來，八年後定出葡萄糖傳輸者的氨基酸序列，隨後又分離得到合成此蛋白質的核酸片段，同時確定了該核酸鹽基的序列，並將基因密碼子序列轉譯成氨基酸序列。
其方法是將蛋白質組成中的492氨基酸鏈分成25個片段，有13個片段是非常親水性的，所以可能喜歡細胞內、外的水分環境，它們之間主要間隔著12個喜歡細胞膜環境的疏水性片段。這種排列，連同有關那些面對和背對紅血球的蛋白質部分的一些化學訊息，暗示此蛋白質進出紅血球細胞膜12次。
葡萄糖進入細胞時，必須產生一貫穿細胞膜的孔洞，此孔洞的架構被認為是藉由胜月太 鏈摺疊排列以及橫斷細胞膜片段的胺基酸型態所構成。事實上，由分光鏡觀察所得到的證據意味著每個片段是捲成螺旋狀，此胜月太 鏈高達80 %是螺旋狀的。
此螺旋狀胜月太 鏈外形呈圓柱狀，胺基酸上易反應的基團將沿著表面週期性地列置。結果證明有3, 5, 7, 8和11共五個橫斷細胞膜片段其基團在螺旋圓柱之一側為親水性而另一側為疏水性。與其疏水側鍵結在一起，面對中軸，朝向其餘的橫斷細胞膜片段和細胞膜的脂肪部位，這五個橫斷細胞膜片段將形成一個內部表面可以結合葡萄糖的孔洞。
此葡萄糖傳輸者的三度空間結構模型是理論上推測出來的。當然，葡萄糖進入細胞的機制比理論上推測的還複雜許多。傳輸者被認為是以微弱而瞬間的氫鍵操縱著葡萄糖，這種鍵係一化合物的氮原子或氧原子上之氫原子，與另一化合物的氮原子或氧原子上之未鍵結電子之間形成鍵結。
3, 5, 7, 8和11橫斷細胞膜片段之胺基酸鏈上，含有許多羥基和醯胺基團，參與了與多羥基的葡萄糖之氫鍵形成。此外，葡萄糖傳輸者在細胞膜的內、外兩側，以兩種外形與葡萄糖結合。詳細的葡萄糖進入細胞的分子狀況非常複雜，由大量實驗顯示出葡萄
糖進入細胞有四個步驟：
（1）葡萄糖先佔據結合部位外側。
（2）傳輸者-葡萄糖複合物改變構形，使葡萄糖佔據結合部位以便進入細胞。
（3）傳輸者釋出葡萄糖使進入細胞質
（4）傳輸者改變構形使結合部位朝外面對著葡萄糖。此步驟使傳輸者回到起始
形狀，以便運輸另一個葡萄糖分子。
傳輸者像一個構形震盪器，在葡萄糖結合部位與細胞膜相對位置之間震盪。根據動力學研究顯示，當葡萄糖不存在時，每個紅血球細胞膜外的傳輸者分子於攝氏20度下，會運轉每秒100次。
相對地，若葡萄糖出現時，每個紅血球細胞膜外的傳輸者分子會運轉達每秒900次，葡萄糖藉由降低兩種構形之間的能量壁壘加速震盪。由於每個組織有其不同的葡萄糖需求，因此可以假設其有不同的傳輸者；不同的抑制劑以及不同的傳輸效果。
這種假設到了1985年，從紅血球及其它組織之傳輸者的DNA序列和密碼得到證實，傳輸者是一群構造與功能相當類似的家族。每一個傳輸者是含有大約500個胺基酸的胜月太鏈，在第五個序列約中間位置的胺基酸殘基是相同或類似的。
目前已發現的五個葡萄糖傳輸者，分別命名為GluT１, GluT2, GluT3, GluT4, GluT5。其中GluT１存在於形成腦血壁壘的血管內皮細胞；GluT2出現在可釋出葡萄糖進入血液的腸、肝、腎器官及胰臟的β細胞；GluT3被發現於腦的神經元細胞；GluT4是主要的傳輸者，分佈在肌細胞和脂肪細胞，其進出細胞的能力超強，有助於葡萄糖快速轉換成其它能量物質；GluT5主要存在於小腸與腎臟，功能尚未完全明瞭。
胰島素對於葡萄糖傳輸到細胞中的效應是很神奇的，學者們於1980年發現了傳輸者募集(recruitment)現象，他們發現GluT4傳輸者聚集成池且受到胰島素作用而將一些傳輸者移動到細胞膜。當血糖降低時，胰島素隨之降低，而募集亦反向運作。胰島素如何幫助細胞募集傳輸者?
細胞醣類辨識
細胞表面糖能使細胞識別另一細胞，新藥以醣類來中止感染和發炎。
早在1952年，從一些實驗中，科學家就已經發現分開的胚胎細胞在適當條件下，可以再重新癒合聚集在一起，包括肝細胞、視網膜細胞均有此現象，這些實驗發現，證明了細胞做出相同反應辨識另一細胞的願力。
例如精子能夠辨識同種系的卵子與之結合；某些細菌偏好腸道、尿道或其它器官也是同樣的道理。這種以化學為本質的細胞辨識現象雖然分佈在細胞表面的蛋白質，其化學反應也扮演一部份細胞辨識角色，然而累積許多證據顯示，醣類(經常被稱為糖)在許多情況下是細胞辨識的首要標識物，與辨識有關的特殊糖類之發現將被應用在預防和治療病痛包括癌症。
從生物學的觀點而言，細胞經由其表面互補結構的配對而來辨識另一細胞，是普遍被細胞生物學家所接受的觀點。一細胞上的結構攜帶著生物訊息密碼，使另一細胞上的結構能夠加以辨識，這種想法可以說是1897年德國化學家Emil Fisher所提出酵素與受質反應的鑰匙(lock-and-key)理論假說之延伸。直到1960年代晚期，醣類仍被認為只是能量來源、儲存物質(如澱粉)或結構物質(如植物的纖維素和昆蟲的幾丁質)而已。
核酸分子中的核酸苷以及蛋白質分子的胺基酸之間的連結只有一種方式，而單醣卻有多重連結點。換言之，兩個胺基酸只能形成一個雙胜月太 (dipeptide)，而兩個相同的單醣卻可以形成十一種不同結構的雙醣。這意味著單位重量而言，醣類可以比核酸或蛋白質攜帶更多訊息。
在1950年代已經利用醣類注入動物體內刺激抗體的產生，也發現血型有A、B、O的差別在於紅血球細胞表面糖類的不同，流行性感冒病毒也是經由唾液酸來與紅血球結合的。
當細胞發育、分化或生病時，會有細胞表面功能上的改變，例如癌細胞表面醣類的排列，與正常細胞就有很顯著的差異。外源凝集素是一種蛋白質，能夠迅速可逆地、選擇性地與糖類結合。以往的生物學家認為外源凝集素只存在於植物中，如今已發現它在自然界中是無所不在的。
外源凝集素經常出現在細胞表面，策略性地置放，以結合鄰近細胞上的醣類。就像表面的醣類一樣，表面的外源凝集素經由改變以符合細胞的生理或病理狀態。例如在1981年的研究顯示，人類或老鼠的腫瘤細胞上，攜帶著一個正常細胞上看不到的外源凝集素。
最近在表面糖類及其結合分子所扮演角色的研究中有新的發現，從老鼠的胚胎研究上顯示，當受精卵分裂時，胚胎細胞上的醣類結構改變了，其中一種名為Lewisx(Lex)的階段專一性胚胎抗原1(SSEA-1)的參醣，它出現在8-16細胞階段，剛好在胚胎從一群鬆散細胞(loose cell)轉變成平滑體(smooth ball)時。具粘著性的醣類對於胚胎發育是必須的，經由學者們不斷地努力研究得知，微生物對寄主細胞以及紅血球對血管的粘著，是兩類目前已甚為瞭解的現象。
其中較為瞭解的是微生物對寄主粘著之交互作用已研究了二十多年，做為細胞醣類辨識的典型。病毒、細菌、原蟲…等微生物，必須能夠粘貼於可感受的細胞表面才會致病。缺乏此能力之感染原，會被人體正常清除機制加以除去，以避免感染。
例如在上呼吸道的微生物可被吞嚥入胃，被胃酸殺死；而在尿道者，可被尿液沖出。細菌粘著機構的最早研究是在1950年代開始的，例如大腸桿菌和其相關細菌粘著於表皮細胞、紅血球…等，粘著於紅血球的結果，形成所謂的紅血球凝集現象(hemagglutination)；同時也發現只有甘露糖和與其類似的糖，可以抑制凝集現象。這種在細胞表面稱為細毛(fimbriae或pilli)的髮狀附屬物，直徑約5-10 nm；長度約數百nm。
如今已經明瞭，細菌粘貼於組織的專一性，是一般的現象。例如最常引起尿道感染的大腸桿菌，在環繞聯結腎與膀胱之導管的組織上分佈很多，但卻甚少出現在上呼吸道；反之，A型鏈球菌則群聚上呼吸道及皮膚，甚少引起尿道感染。
在1977年，有學者提出見解，認為細菌的粘著作用是因其表面的外源凝集素居中調節，來結合寄主細胞上互補的糖。從許多實驗顯示，細菌製造對某些醣類具專一性的外源凝集素，同時依這些外源凝集素來粘著在寄主組織上，成為感染過程的首要步驟。目前最為人知的外源凝集素是大腸桿菌的第一型細毛，偏好與表面含甘露糖的糖蛋白結合。
過去這十多年來，又有其他學者詳述了另外一種P細毛，這些細毛專一性地與P血型物質(一種非常普通，含有雙醣galabiose的糖脂)起作用。更進一步的研究發現，細菌不只與表面結構末端的糖結合，有時也能夠與表面結構中的糖結合。
因為細菌要粘貼感染是很挑剔的，在醫學上已用糖來預防或治療感染。糖類可以選擇性地抑制粘著，是因能扮演像一個分子誘餌一樣，在它們來到目標組織之前攔截病原菌。例如喝小紅莓果汁，可以預防或治療尿道感染。
例如在動物實驗上，先注射一種對甘露糖專一性的大腸桿菌菌株到老鼠膀胱，然後在其中某些老鼠身上再注入一種在試管上能夠抑制細菌粘著於上皮細胞的糖methylalphamanoside，發現可以降低尿道感染的菌落。在以猴子實驗上，galabiose樣的糖也可以很顯著地延緩P細毛大腸桿菌對尿道感染的攻擊。
糖胜月太 也可用來干擾細菌對寄主的粘著，例如在1990年代，有學者從母牛血漿中分離出一種糖胜月太 ，可以防止新生小牛免於致死劑量的大腸桿菌感染，此糖胜月太 含有糖，為細菌所喜好，因而降低細菌在腸道的粘著作用。
所以嚴格說來，用來干擾細菌粘著者不一定只有醣類，任何可以競爭細菌外源凝集素或宿主表面醣類而與之結合的成分均可，例如糖胜月太 就是。又例如有學者利用抗體與甘露糖結合，阻斷細菌可結合部位，以對抗某些甘露糖專一性細菌的感染。
細菌表面的外源凝集素，附著於易受感染的寄主細胞表面的醣類而造成感染，所以阻斷細菌的附著，是對抗感染的首要策略。藥物含有類似的醣類，可與外源凝集素結合而防止附著；藥物含有像外源凝集素的分子，由佔據醣類上的結合部位而有相同的效果。
留言列表
籃玉髓 (2)