为什么大脑主要利用葡萄糖供能，而心肌 60%-70% 供能都来自脂肪呢？

大脑供能主要来自葡萄糖而非脂肪。目前很多文献指出脂肪供能途径 β 氧化通路，很多关键酶活性和表达量都显著低于心肌等依靠脂肪供能的组织。有一篇文献提出一个假设，可能是 β 氧化所消耗氧气高于葡萄糖供能、产生基础氧自由基也明显高于葡萄糖……然并卵……因为目前一些有趣实验结果涉及我的领域，非常想听听其他人对大脑与心肌等器官供能差别的见解

热心小回应 · 2020-12-16 19:15:57

感谢邀请~
首先我想说，这个问题提的很有深度。到底多有深度呢，我觉得作为博士研究课题一点问题也没有。
下面我主要从学术研究的角度提供几点理由，仅供参考：
关于大脑主要利用葡萄糖供能（主要为葡萄糖的有氧氧化）的原因比较明确，主要与长链脂肪酸不能自由穿过血脑屏障有关。
而对于心肌，在非缺血条件下，心脏中几乎所有（> 95％）的ATP形成来自线粒体中的氧化磷酸化，因为心脏的厌氧能力是有限的。
游离脂肪酸（FFA）和葡萄糖是心肌能量代谢的主要底物，但心肌对底物的选择有所偏好，在正常条件下，ATP的至少60％来自游离脂肪酸（FFA）的氧化，其余部分来自葡萄糖的氧化。需要注意的是，心肌对底物的偏好性是灵活的，目前很多研究就集中在心力衰竭或糖尿病状态下，心脏能量代谢的变化，例如：

(https://www.diapedia.org/metabolism-insulin-and-other-hormones/5105547816/myocardial-metabolism)
其实，心肌对底物的偏好性有一个更专业的名词，叫心肌代谢表型（Myocardial metabolic
phenotype），指的是在特定的代谢环境（如：葡萄糖、乳酸、脂肪酸、胰岛素、儿茶酚胺、氧气等）或特定的血流动力学和变力条件下心肌对底物的偏好。代谢表型的选择性主要依赖于代谢途径中负责跨膜转运的酶或转运蛋白的含量以及负责能量代谢的关键细胞器（如线粒体）的结构和完整性。目前已经清楚的是，通过改变脂肪酸氧化通路相对于丙酮酸氧化通路的酶的相对表达量，可以改变线粒体对燃料的选择偏好。
此外，脂肪酸氧化通路对于葡萄糖氧化速率和丙酮酸脱氢酶（PDH）的活性具有调节作用。高水平的脂肪酸氧化能通过增加线粒体乙酰CoA/游离CoA和NADH/ NAD+的比例来抑制PDH活性，达到抑制葡萄糖有氧氧化第二个阶段的目的。也就是说，心肌对脂肪酸代谢的偏爱能够抑制糖的氧化通路。
所以，心肌60%-70%的供能来自脂肪是由心肌内相关代谢酶的活性及转运蛋白的含量所决定的，同时还受到血糖浓度、胰岛素浓度、交感神经兴奋性等多种因素的影响；另外，不同能量产生途径之间的相互作用对于心肌的代谢表型的稳定性也具有重要调节意义。
（参考文献：Physiological Reviews Published 1 July 2005 Vol. 85 no. 3, 1093-1129）

热心小回应 · 2020-12-16 19:15:58

糖转运到大脑相对容易或是脂肪不能通过血脑屏障似乎有些颠倒了因果关系。大脑使用血糖的这个特点反而使低血糖这种很多人都会经历的状态对人的影响非常大。
某个人说“大脑的耗能水平变化特点非常稳定”
我？？？？？？？
哪里稳定了？？？
脑部不同的区域葡萄糖消耗一变起来能想象变得有多大吗？？？

我毕业做脑功能影像，最近在思考局部脑血流灌注、局部脑耗氧量与局部葡萄糖利用之间的关系。可以部分解释这个问题吧。我也不是研究代谢的，心肌的部分也要向大家学习。这部分同意别层楼的说法。

脑部运作起来很复杂，要处理那么多功能，一下这个脑区激活，一下下一个脑区又激活，每次脑区一激活，局部就需要立即有大量的能量提供，这样就不能像肌肉那样能靠代谢产物累积或是局部温度增加来增加血流的灌注。因此，脑部的耗氧与耗能主要是由神经细胞调节的，称作“神经血管耦联”，哪个脑区接收到信号要激活，也有神经纤维会一起把那里的血管叫上，血流要一起灌进去，血流灌注受到以前脑基底出来的胆碱能神经元为主的神经元调控，一个信号传来马上这里就激活了，马上消耗一大堆能量，而且这调控速度可谓非常快，瞬时之间迅速消耗大量能量，接着马上另一块脑区就激活了，那里又要耗能了。

这么快，靠有氧代谢是来不及的
虽然耗氧也总得耗，但是这些脑区活动伴随的耗氧相对稳定，在生理性的神经活动时，局部脑血流灌注与局部葡萄糖代谢率增加达到50%但是同时局部耗氧率只增加5%，称为“氧化代谢的解偶联”。
现在因为脑网络而大火的功能磁共振血氧水平依赖信号（BOLD）就是观测到这些脑区血红蛋白经过这里供应了多少氧，靠公式换算，能换算出该区域的耗能，BOLD信号还是延迟了一下的，真正在这个脑区激活的时候使用的，还是靠脑血流灌注与葡萄糖消耗。

运送能量要高效，要适应快速变化
应付这样的消耗，在血管层面，靠神经元包在血管外，神经元信号一来，血管直径马上能增加10%，许多小毛细血管马上也都开了，让一堆血流灌进来，另一方面，就是其它回答提到的超级有效率的葡萄糖转运体，此时开始使劲的工作，运送葡萄糖。大脑就是靠这样的机制来应付神经环路此起彼落快速的变化的。

闲着的时候还行，一动起来马上就不够了
人在闲着的时候（称作静息态），局部葡萄糖和氧气摄取之间的比例约为5.6，这些研究表明葡萄糖通过糖酵解和随后的三羧酸（TCA）循环几乎完全被氧化成CO2和H2O。
静息态还能靠有氧代谢，但是，在神经细胞活化期间，这速度就不够了，一活化，氧/葡萄糖摄取比立即降低20-25％，表明活化期间过量的脑血流灌注和葡萄糖摄取并不用于增加氧化葡萄糖代谢。反而神经被激活的这些脑区乳酸多了，在神经元激活比较多的时候，体循环的乳酸也可以观察到比较多（以后不止可以说我跑步跑酸了，还要说我学习学酸了！）。

乳酸在头上是干嘛的？
葡萄糖消耗似乎与神经递质回收和神经元膜电位的恢复紧密耦合，通过在星形胶质细胞中转化葡萄糖至乳酸盐，并将乳酸盐穿过神经元进行氧化，称为“星形胶质细胞 - 神经元乳酸盐穿梭假说”。
葡萄糖在不被氧化的情况下转化为乳酸，且神经元和星形胶质细胞具有相似的葡萄糖摄取量，但来自葡萄糖摄取的能量的90-95％被神经元消耗，表明星形胶质细胞将葡萄糖（主要是乳酸盐形式）输送到神经元进行能量产生，神经元既可以使用乳酸也可以使用葡萄糖。

所以，在代谢的角度，脑部在微观来说不同的瞬间不同的脑区能量消耗的差异都是巨大的，需要在最快的速度为那些被激活的神经细胞提供大量的能量，这么快，在能量储存于代谢上都是个挑战，只能靠糖酵解了啊。
但是为什么在闲着的时候以及在思考的时候脑部总体的耗能差异没有那么大？因为不论是闲着的时候还是思考的时候脑部都一直在运作，而且激活的脑区还不大一样，从脑网络的角度来说，默认模式网络（大家熟悉的DMN）与执行控制网咯（CEN）互相拮抗，人闲着的时候DMN可没闲着，任务以来，DMN马上又被抑制了，其它区域又开始动了，而且不论闲着还是忙着，每一瞬间脑区动的可都不是同一个地方。。。。

没想到发出来一下就有这么多人点赞。。。晚上回去闲下来了之后我放几张图。。。。

热心小回应 · 2020-12-16 19:15:59

20171028修改：
我猜题主想知道的应该是人体为何会形成“大脑几乎只利用葡萄糖，而心脏更多地依赖脂肪供能”这种机制，如果是这样的话，那么用血脑屏障、酶的活性等因素（相当于回答“这种机制是怎么运作的”而不是“这种机制是怎么形成的”）来解答就不太合适了。我个人认为，导致大脑和心脏供能机制差异的最大原因是两者的能耗变化范围不同。
首先，人体细胞利用的能量直接来自于三磷酸腺苷ATP分解为二磷酸腺苷ADP和磷酸Pi，而后再利用下述四种方式提供的能量将ADP和Pi还原成ATP，从而实现持续供能：
1、磷酸肌酸分解为磷酸和肌酸，释放能量将ADP和Pi还原为ATP
这是供能最快的途径，每千克肌肉每秒最多可合成2.6mmolATP（据人民体育出版社《运动生物化学》数据），但持续时间最短，按最快速率只能持续6~8秒便将耗尽几乎全部磷酸肌酸。
2、无氧糖酵解，葡萄糖分解为乳酸
这是供能第二快的途径，每千克肌肉每秒最多可合成1.4mmolATP（数据来源同上，下略），持续时间也较短，在最快速率下约2~3分钟（停止的原因不是糖原耗尽，而是产生的乳酸使体液酸化，导致相关的酶失活）。
3、碳水化合物的有氧氧化，糖原氧化为二氧化碳和水
这种途径供能较慢，每千克肌肉每秒只能合成0.51~0.68mmolATP，但在最快速率下持续时间可达90~120分钟，直至糖原几乎耗尽。
4、葡萄糖（来自于血糖）和脂肪酸的有氧氧化，产物同上
这是最慢的供能途径，每千克肌肉每秒只能合成0.22~0.24mmolATP，但由于人体脂肪储量很大，因此其持续时间以天计。
显然，各器官选择的能量来源必须符合自身的能耗水平特征，高能耗的器官选择供能慢的途径则必然存在能量不足以支持其正常发挥功能的问题。
先看大脑，和许多人想象的不同，大脑的能耗主要是用在了将钠离子泵出细胞膜外，将钾离子泵入细胞膜内以维持膜内外电位差上，而思考所消耗的能量与之相比微乎其微。所以在睡眠和思考两种状态下，脑组织代谢葡萄糖的速率几乎没有差异（记得生理学教材中讲能量代谢的章节提及了此点）。也就是说，大脑的能耗水平变化特点是非常稳定，起伏波动很小。
再看心脏，由于它背负着为全身供血的任务，因此能耗波动的范围非常大。我们可以用心输出量（指心脏在一分钟内泵出的血量）来间接衡量心脏的能耗：普通成人在安静状态下，心脏每一次跳动约泵出70毫升血液，而每分钟心脏跳动约70~75次，因此心输出量约为5000毫升上下（高水平运动员在安静下也是这个数值，只不过他们的心脏每次跳动能输出更多血液，因此心率较低）。而在剧烈运动时，未经训练的普通人心输出量可达20000毫升，而高水平运动员可达35000~40000毫升，比安静状态下的心输出量增加了300~700%。所以心脏的能耗水平变化特点是随身体状态不同，起伏波动非常大。
对于能耗水平非常稳定的大脑来说，由于不存在能耗突然大幅增加的问题，那么在能量来源上就可以“挑食”一些，只选择供能水平与其能耗水平相符而副产物最少的葡萄糖氧化作为几乎唯一的能量来源（蛋白质氧化产生氨，脂肪氧化的中间物酮，这两者都有一定的毒性，而大脑能耗稳定所以正常情况下不存在糖酵解产生乳酸的问题），这样也有利于保护大脑不被一些乱七八糟的化合物所影响。
（换句话说，就是大脑能耗稳定所以“不挑食”没有好处，却可能因为有害物质的进入带来坏处）
而心脏和骨骼肌相似，能耗水平随状态不同，波动非常大，因此在能量来源上就不能像大脑一样“挑食”，必须像骨骼肌一样，什么都“吃”。但心脏与骨骼肌又有一点重要不同：你可以没事就来个“葛优瘫”，给骨骼肌放假，而心脏只要休息个几分钟，你以后就只能挂在墙上了……所以心脏的供能比例虽然接近骨骼肌（安静状态下都以脂肪为主），但细节上又有差别：
（一）安静状态下骨骼肌的能耗几乎全由脂肪提供（安静时骨骼肌呼吸商为0.7），而心脏只有约三分之二由脂肪提供（骨骼肌可以放假，心脏不行，而脂肪供能比例越高则供能速率就越低，低到一定程度就不能满足心脏收缩的需要）；
（二）但心脏能耗中脂肪供能的比例也不能太低，否则将导致对血糖的需求增加，而血糖又存在以下两个弱点：
1、人体血糖水平不稳定，空腹和餐后变化很大，而脂肪储量极大，即使偏瘦的人体内脂肪也足够支持数周不进食的消耗，因此不至于出现“能耗骤增时能量来源却不足”的尴尬局面。
2、在不进食的前提下，血糖只有肝糖原一个补充来源（肌糖原不能用来补充血糖），却要同时应付以下需求：
——脑细胞的需求（低血糖对大脑的损伤是不可逆转的，并且有可能致命）
——红血球的需求（为了避免类似外卖小哥偷吃客户食物的问题，红血球靠的是无氧糖酵解供能）
——其他器官的需求（其他器官所需的糖都是由肝糖原分解，进入血液变成血糖而提供）
——剧烈运动时肌肉的需求（作为体内糖分储备第一大户，肌糖原不仅不能补充血糖这个小弟弟，不足时还会找血糖伸手要）
所以在能够保证能量供给的前提下，不论是骨骼肌还是心脏都会尽量依靠脂肪而非糖分供能，从而优先保证大脑、红血球和其他器官的需求。而安静状态下骨骼肌可以“放假”，心脏却不行，这就导致了心脏虽然也主要依靠脂肪供能，但其比例又明显低于骨骼肌。
（换句话说，就是心脏“挑食”会带来许多坏处，只靠脂肪氧化供能的话不足以满足每天跳动近十万次的能量需求，只靠糖原的话又容易抢得大脑等器官和红血球没饭吃）
综上所述，“不挑食”的大脑和“挑食”的心脏在漫长的进化过程中都会因为给生存带来诸多不利因素而被淘汰，所以今天我们才会发现大脑“挑食”而心脏“不挑食”的现象。

热心小回应 · 2020-12-16 19:16:00

某位健身答主真是挺能脑洞大开的，说什么“假如大脑利用脂肪会生成酮体从而造成毒性”……

人在饥饿的时候主要是肝脏产生酮体，肝外组织利用酮体。所以恰恰相反，脑不能利用脂肪酸，但反而可以利用酮体当供能物质。而且糖类和脂质混合供能的情况下，怎么会有那么多酮体产生，真是迷之思维……

热心小回应 · 2020-12-16 19:16:01

这个问题让我想到了类似的问题：人类的睾丸为什么置于体外。
过多的从代谢过程的角度回答问题就类似于,用精子适宜存储温度略低于体温来回答睾丸外置一样，属于因果倒置了。

热心小回应 · 2020-12-16 19:16:02

所以我心里想着吃肉，满脑子想得却是糖。

热心小回应 · 2020-12-16 19:16:03

只知道脂肪分子量大，无法通过血脑屏障。
其他可能原因是单位时间内脂肪所能释放的能量比糖原多，毕竟心肌细胞会大量消耗能量。

热心小回应 · 2020-12-16 19:16:04

得了心肌炎或心肌病，医生会开万爽力，目的就是让心肌细胞更多的使用葡萄糖，利于心肌细胞的恢复。心肌使用脂肪应该是进化的结果，如果心脏使用葡萄糖的话，血糖浓度如果波动较大，对基础器官是非常危险的。

热心小回应 · 2020-12-16 19:16:05

谢邀～
这个问题不能从代谢角度来解读，因为那是果而不是因。
应该从进化角度来考虑。我认为一大重要因素应该在于血脑屏障。当然血脑屏障也不是根本原因，根本原因在于脑细胞对于其周围微环境的变化太敏感，所以需要血脑屏障。
心肌细胞的收缩有一种“合胞体”机制，就是说一起收缩的心肌细胞之间是直接沟通的，一个电信号可以引起一票心肌细胞共同收缩。收缩就是心脏的本职工作。而神经细胞之间要靠突触传递信息。突触中的化学组成细微改变也可以导致信息传递出现问题。而传递信息正是大脑的本职工作。
因为大脑的功能实在是太过重要，于是不得不牺牲一些其他的功能。只能用葡萄糖、酮体等小分子物质可能是大分子物质受到阻挡的副产品。
根据这个思路，可以去考察一下进化树上比较原始的，神经系统刚刚形成的那些物种。看它们“神经细胞”的代谢类型与“血脑屏障”完善程度间的关系。
这是思路之一。
有空再更。

热心小回应 · 2020-12-16 19:16:06

泻药
这就是为什么备考的时候总爱吃甜食碳水，但是坐着不动，然后就月半了。。。

为什么大脑主要利用葡萄糖供能，而心肌 60%-70% 供能都来自脂肪呢？

10 个回复