身体内的葡萄糖调节与平衡

体内平衡是一个生物学的术语，指的是维持稳态的理想条件。事实上，生命正如我们所知道的那样，依赖于细胞中一个井然有序的化学和物理环境。这种化学和物理平衡是通过主动的反馈机制维持的。在大多数体内平衡的例子中，我们能辨别出所有的功能，这些功能在工程控制应用中都能找得到：如传感、通信、信号处理和操作。体内控制子系统也是我们身体中不可缺少的一部分。在某种程度上，除了生病，我们是感觉不到这个活动的存在。在人体内有一个巨大的各种相互作用的反馈回路。反馈是重要事情的核心，例如身体中的温度，血液中的氧气含量、葡萄糖含量（细胞中使用的能量）等等。身体中任何细胞中的任意一种特定的化学物质都至少配有一个反馈回路。

显而易见地、不惊讶地发现，反馈循环是有层次结构的，就像在工程系统中一样。有局部的、快速操作、控制回路，以将特定的变量维持在可接受的裕度内。这还有监督控制操作，以监测重要症状和启动次级反馈机制，万一发生重大外伤（如出血、脱水、过热）或由传感或驱动失败，及细菌或病毒的入侵产生的异常状况。最后，这存在意识决定层，我们做出决定，像吃或喝什么，什么时候健身，什么时候睡觉，所有的这些都对我们的身体功能有着重大的影响，这都需要全部低级控制回路特定干预，以保证体内环境平衡。

举个例子，我们参考血糖调节失败时，糖尿病的症状。这部分是参考Santoso，Mareels（2002）和Santoso（2003）。尿这个词来源于希腊语，表示传递流体，糖是拉丁语，表示极甜的意思。在公元130年，糖尿病是由卡帕多西亚的Aretaios首次在他关于疾病的书中提出的。多尿和尿糖确实是血液中含糖过多的一个特征，同时说明没有适当的胰岛素机制来控制它，这个机制将触发次级反馈，通过肾脏消除血液中多余的葡萄糖。第一个有关糖尿病参考文献发现于公元前1550年的埃及文献。其他早期参考文献发现在中国、日本和印度的著作中。这种疾病没有一个有效的治疗方法，直到1922年由Banting和Collip发明用胰岛素治疗。

葡萄糖是人体内最重要的燃料。我们所有的器官，包括更不用说是我们的大脑，都需要适量的葡萄糖来供应正常的营养。葡萄糖通过血液被运送至细胞。在血液中通过一个错综复杂的反馈，保持适量的葡萄糖含量。太少的葡萄糖^[10]（低血糖10）会使我们的身体停止正常运转（例如无意识），过多的葡萄糖（高血糖症）会导致可怕的迟发性并发症糖尿病，并发症这是令人担心的（特别是当我们的细胞长时间暴露其中时）。

葡萄糖供应来源于我们的食物，它在我们的消化系统中再生成葡萄糖C₆H₁₂O₆。释放和存储葡萄糖是通过激素调节的，如图3-16所示。

图3-16 人体中葡萄糖调节

大脑充当主控制器，肝脏充当主要葡萄糖存储机构。葡萄糖通过细胞表面进入细胞需要葡萄糖浓度低，当血液中的浓度高于细胞时，胰岛素，胰腺分泌的一种激素，负责从血液中移除葡萄糖。它作用于细胞膜允许葡萄糖流入以及在肝脏以糖原（一种葡萄糖聚合物）的形式存储多余的葡萄糖（一些被储存在我们的肌肉组织中），供以后使用。

额外的葡萄糖通过肾脏作用在尿液中排出。

胰腺也产生了胰高糖素激素，来调节糖原的数量。如果需要更多的能量，糖原转换回葡萄糖释放到血液中。胰腺维护胰岛素和胰高糖素在血液中的基础水平，而非血糖水平（同天线部分的双驱动器3.4章）。

图3-17 一个健康的人的胰岛素和胰高血糖素的产量与血糖水平的对应曲线

当葡萄糖水平升高超过5mmol/l时，胰腺增加了血液中的胰岛素，同样当血糖水平下降低于4mmol/l时，会增加胰高血糖素水平（见图3-17）。身体或精神活动也影响葡萄糖水平，但是主要取决于食物的摄入。健康人的血糖通过这种机制被保持3.5到7mmol/l范围之内。小于3.5mmol/l被认为是低血糖，高于10mmol/l多被认为是高血糖。健康人体内葡萄糖水平随身体活动和食物摄入量而变化。一个典型的24小时血糖记录如图3-18所示。

图3-18 健康人体的血糖信号(www.xing528.com)

当患有I型糖尿病，胰腺不能产生足够的胰岛素。目前，盛行的治疗方法包括通过皮下注射提供胰岛素标准血糖等级所需的胰岛素，预计食品摄入（更多的粮食食物需要更多的胰岛素）和增强活动运动量（更多的活动需要更少的胰岛素）。

与一个正常工作的胰腺相比，常规皮下注射（见图3-19）是不利于调节葡萄糖的。胰腺连续闭环监控血糖水平，并使用的几乎是瞬间反馈。在注射方法下，一段时间（注射之间）内的葡萄糖水平是开环的行为。一个针对如何决定注射多少胰岛素的典型基于规则的控制算法，在如图3-20所示，该方法和病人采取的一样。

图3-19 注射慢速和快速胰岛素制剂的胰岛素注射机制

图3-20 胰岛素注射规则，显示了个体如何变更缓慢和/或快速反应胰岛素的推荐剂量

如图3-21所示展示了血糖调节。主要的目标是调节进入细胞内葡萄糖的水平Gc，这个水平取决于细胞工作量。大脑（和神经系统区充当中央控制器）收到细胞的需求及血液中葡萄糖水平的信息，Gb。这种葡萄糖水平也可作为胰腺确定生产胰岛素或胰高糖素的依据。肾脏也有一个粗略的葡萄糖水平（渗透）传感器以提取多余的葡萄糖。在正常情况下，每当食物被消化后，葡萄糖水平会增加，胰腺产生胰岛素，血糖开始被存储为糖原存于肝脏和肌肉中。糖原将在不进食时间或当需要额外能量时用于生成葡萄糖。

图3-21 血糖调节

细胞膜可以看作一种单向阀（见第9章执行器）。胰岛素作为打开阀的允许信号，使葡萄糖进入细胞。糖尿病是却无法打开单向阀门的。

实际的系统要复杂得多。更仔细地去考虑葡萄糖的调节将揭示出更多不同的有组织层次结构的反馈循环。

我们的身体依赖于反馈。肌肉活动，如站立、行走、抓举、阅读一本书，及任何其他人类有意识和无意识的活动（例如代谢）中，反馈都起到重要的作用。体内平衡和反馈

我们的身体依赖于反馈。肌肉活动，如站立、行走、抓举、阅读一本书，及任何其他人类有意识和无意识的活动（例如代谢）中，反馈都起到重要的作用