我的脂肪暖暖包——棕色脂肪的產熱

更新日期:5月 11

責任編輯/呂咏芯

核稿編輯/林翊庭

圖說美編/陳怡潔


難度:★★☆☆☆

應備知識:細胞內的訊號傳遞

連結大學:分子生物學、生物化學


哦~不!看著體重計上逐漸上升的數值,再看看肚子周圍、手臂下方在你不知不覺間,偷偷長大的肥肉,忍不住驚聲尖叫起來!默默懊悔著因為學測將近而荒廢了運動,責備因社團、課業或工作太繁重而懶得從座椅上移開的身軀。抓著肚子上的累贅,你愁眉苦臉地看著它。但,脂肪真的如此萬惡嗎?除了常常聽到一些關於脂肪的益處,像是脂肪可以作為內臟的緩衝、可以保暖等,其實它的好處不只有被動的保暖,還可以產生熱能!

今天就讓我們從各種「顏色」的脂肪談起,再來看看身體中的好脂肪————棕色脂肪究竟如何產生熱能,不會形成腹部周圍一圈圈增厚的「游泳圈」,還能在冷冷的寒冬中製造溫暖!

脂肪還有分顏色?談談脂肪分類

  脂肪細胞的型態並不是只有一種,依照功能、特性的差異,可以將它們分為白色脂肪、棕色脂肪和米色脂肪(圖一)。白色脂肪(White adipose tissue)就是我們最熟悉的脂肪,在餐桌上的肥豬肉中常常可以看到它的身影,白白嫩嫩的讓人口水直流!如果把它放在顯微鏡底下觀察,會發現整顆細胞幾乎被肥滋滋的大油滴佔據,可憐的細胞核都委屈的被擠到細胞角落,可知這個大油滴對白色脂肪多麼重要!它的功能就是用脂質的形式儲存能量,也能保護內臟與隔熱保溫。而棕色脂肪又是什麼呢?難道是「黑化」的白色脂肪嗎?沒那麼可怕!棕色脂肪(Brown adipose tissue)的任務和白色脂肪不同,長相當然也有所不同。白色脂肪細胞中只有一顆大油滴,但棕色脂肪細胞中卻有多個小油滴分散,且細胞尺寸也較小;除此之外,他們最重要的差別在於棕色脂肪有許多粒線體,且粒線體內還存在一種特殊蛋白——UCP 1,它就是棕色脂肪產熱的關鍵[1]。

咦,那米色脂肪(Beige/Brite adipose tissue)又和上面兩種脂肪有什麼關係呢?用色彩的思維推測,介於白色和棕色之間的米色……沒錯!米色脂肪功能的確就介於白色與棕色脂肪之間!在平常狀況下,米色脂肪比較像白色脂肪,但當處在長期寒冷的環境中,米色脂肪就會開始變身,產生許多粒線體和UCP 1蛋白,加入棕色脂肪的產熱行列[1,2]。理解了這三種「大地色系」脂肪的差別,我們也漸漸聚焦出今日主角:棕色脂肪的產熱!究竟這些脂肪細胞是怎麼運用上面提到的粒線體和UCP 1蛋白來產生熱量,溫暖寒冬中瑟瑟發抖的我們呢?

棕色脂肪產熱機制——傳訊與脂質分解

  為了產生熱能,棕色脂肪細胞需要經過三個步驟:訊息傳遞、脂質分解和熱能生成。不瞞你說,其實這背後有段離奇的故事,一段關於一群想看電影,卻不乖乖買票入場,反而利用後門鑰匙偷偷進入電影院的故事。

故事是這樣開始的……「鬼滅之刃」終於上映了!自從發布這個好消息後,好評就像訊息傳遞一樣一傳十、十傳百的擴散開來,大家都興奮的想趕快到電影院跟風一波。你的身體裡也有同樣的效應!像發布電影上映消息一樣,交感神經分泌了作為產熱訊號的神經傳導物質——去甲基腎上腺素(Norepinephrine, NE),開啟一連串的訊息傳導。棕色脂肪細胞利用細胞膜上的β型腎上腺素受體,接收到了產熱訊號NE,引發細胞內第二傳訊分子cAMP產生,接著cAMP活化PKA(protein kinase A),在細胞質中繼續將訊息傳遞下去[3]。

再回到故事中,雖然好想在電影院裡觀賞鬼滅之刃,但電影票好貴!因此,大家想出了一個辦法,如果能從電影院的後門進去,就可以逃過售票人員法眼,享受大螢幕帶來的快感了!前提是:我們需要一把電影院後門的鑰匙。由於不知道鑰匙究竟藏在哪裡,所以就只能自己製造一把啦!剛剛我們已經介紹了一連串的訊息傳遞,最後這些訊號傳到了棕色脂肪細胞質中的三種脂肪酶:三酸甘油酯脂肪酶(Adipose triglyceride lipase, ATGL)、荷爾蒙敏感型脂肪酶(Hormone sensitive lipase, HSL)和單酸甘油酯脂肪酶(Monoglyceride lipase, MGL),這三種脂肪酶就像鑰匙工匠,一步步把金屬塊打造成能開啟電影院後門門鎖的鑰匙。在生物體內,脂肪酶的功用是水解脂肪,產生小分子的游離脂肪酸(Free fatty acid, FFA),它在棕色脂肪產熱過程中正是扮演「鑰匙」這項重要角色。首先,ATGL先將三酸甘油酯水解成二酸甘油酯,接著由HSL將二酸甘油酯水解成單酸甘油酯[註1],最後再由MGL將單酸甘油酯水解成FFA[3]。經過一連串NE、cAMP、PKA的訊息傳遞、脂質分解,細胞終於產生FFA這把開啟產熱之門的鑰匙!(圖二)接下來就讓我們慢慢從細胞質看向粒線體,並繼續說電影院的故事。

棕色脂肪產熱機制——熱能生成

  現在我們擁有後門鑰匙,可以偷偷的、偷偷的,從後門溜進電影院,好好享受高級的音響設備和舒適空間!知道有這樣的好康,大家理所當然都不願意買票從正門入口進場,大批民眾從後門鬼鬼祟祟進入,電影院賺不到這筆錢,卻還得付出清潔費和播映電影的成本,損失慘重呀!在棕色脂肪細胞中,也發生了和電影院一樣的離奇故事。棕色脂肪細胞中的粒線體就像電影院,在它的粒線體內膜上,存在許多特殊的蛋白UCP 1(Uncoupling protein 1),它是一種載體蛋白,可以將氫離子從膜間腔(Intermembrane space)運輸到粒線體基質(Mitochondrial matrix)中。一般來說,粒線體是細胞的發電廠,可以透過呼吸作用來產生能量ATP,而這中間經歷了重重關卡。首先,葡萄糖經過糖解作用形成丙酮酸;丙酮酸轉變成乙醯輔酶A後進入檸檬酸循環,產生高能分子;最後由這些高能分子提供電子,進入電子傳遞鏈[4]。棕色脂肪產熱就是和最後一個步驟:電子傳遞鏈有關。

傳遞電子的過程發生在粒線體內膜上。過程中,粒線體內膜上的蛋白會將電子傳給能階較低的蛋白,逐步釋放高能電子中的能量,作為將氫離子從基質主動運輸至膜間腔的動力,膜間腔氫離子濃度因此升高,建立起氫離子的電化學梯度(Electrochemical gradient)。在一般狀況下,高濃度的氫離子就會從粒線體內膜上的ATP合成酶流入,產生ATP。此時,ATP合成酶就好像粒線體這間電影院的正門,顧客從正門進入,為電影院帶來收益,也就是ATP。但在棕色脂肪中就不是這樣了!上一段提到,我們已獲得了電影院的後門鑰匙,這把鑰匙就是FFA,而電影院的後門就相當於粒線體內膜上的UCP 1。FFA可以結合並活化UCP 1,當UCP 1被啟動後,氫離子就從UCP 1流入基質,而不是從ATP合成酶了。因此,原本膜兩側的氫離子濃度差所建立的「位能」可以用來產生ATP,如今卻無法合成,這些位能最終只能轉換成熱能散逸[3] (圖三)。就像電影院的故事一樣,有了後門鑰匙的顧客不再買票從正門光顧,反而從後門進入,電影院不能獲得利益(ATP),顧客還會製造髒亂,造成電影院負擔(形成熱量散失)。

即便故事中的電影院不能獲益,人體還是靠著棕色脂肪獲得暖暖的熱量~現在你懂了棕色脂肪會藉由粒線體內膜上UCP 1蛋白來破壞氫離子電化學梯度,使ATP無法合成,位能於是轉成熱能。了解產熱機制後,我們來看看究竟棕色脂肪分布在身體哪些區域吧!

我也想要棕色脂肪!棕色脂肪在哪裡

  當你現在有能力專注閱讀這篇電子報,我就必須告訴你:很遺憾的,你的棕色脂肪已經退化許多啦!一生中棕色脂肪最旺盛的時候是嬰幼兒時期,因為剛出生時,進入比媽媽身體的37℃還要冷的世界中,需要產生大量熱量來維持體溫;再加上嬰兒的肌肉不發達,無法藉由顫抖來產生熱量,身體的表面積/體積比又遠高於成人,熱量易散失[5]。因此,豐富的棕色脂肪是支持寶寶活下去的重要組織!成年人也有棕色脂肪,但比小時候還要少許多,分布在頸部、鎖骨上方、肩胛骨、脊椎旁和腎臟周圍[6] (圖四)。

雖然我們的棕色脂肪漸漸退化了,但還是有些因素能刺激棕色脂肪產生,或是藉由提高粒線體與UCP 1含量來增進棕色脂肪效能!像是長時間處在寒冷環境下,就能提升棕色脂肪效率、誘導米色脂肪產生!也有研究指出,食用特定食物也能提升棕色脂肪效能,例如辣椒中的辣椒素、茶葉中的兒茶素[7]都有類似效果!


今天我們成功破除了脂肪油油肥肥的既定印象,不但學到脂肪原來還分成三種顏色,還深入了解棕色脂肪的產熱模式。從接收訊號開始,經過一連串的訊息傳遞後,將脂肪細胞中庫存的三酸甘油酯分解成FFA,刺激UCP 1啟動運輸氫離子,將電化學梯度的位能轉換成溫暖~雖然棕色脂肪部分退化了,但它曾經幫助你度過幼年時期,現在也默默地在脖子、肩胛骨附近溫暖著你!希望閱讀完這篇電子報後,能讓你對脂肪有新的見解!

看完文章後,你應該會知道:

  1. 脂肪細胞分成三種,白色、米色、棕色脂肪,其中米色和棕色脂肪都和身體熱能產生有關。

  2. 棕色脂肪產熱的訊息傳遞是透過NE、cAMP、PKA的傳訊途徑完成,導致脂肪酶分解脂質,產生FFA。

  3. UCP 1蛋白受FFA活化後開始運輸氫離子,破壞電化學梯度使能量逸散。

  4. 棕色脂肪在人體的分布位置。

參考資料:

[1] El Hadi, H., Di Vincenzo, A., Vettor, R., & Rossato, M. (2019). Food ingredients involved in white-to-brown adipose tissue conversion and in calorie burning. Frontiers in Physiology, 9, 1954.

[2] Giralt, M., & Villarroya, F. (2013). White, brown, beige/brite: different adipose cells for different functions?. Endocrinology, 154(9), 2992-3000. [3] Nedergaard, J., & Cannon, B. (2018). Brown adipose tissue as a heat-producing thermoeffector. In Handbook of clinical neurology (Vol. 156, pp. 137-152). Elsevier.

[4] Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., & Reece, J. B. (2017). Campbell biology. Pearson Education, Incorporated.

[5] Lidell, M. E. (2018). Brown adipose tissue in human infants. In Brown Adipose Tissue (pp. 107-123). Springer, Cham.

[6] Zoico, E., Rubele, S., De Caro, A., Nicole, N., Mazzali, G., Fantin, F., ... & Zamboni, M. (2019). Brown and beige adipose tissue and aging. Frontiers in Endocrinology, 10, 368.

[7] Yoneshiro, T., Matsushita, M., Hibi, M., Tone, H., Takeshita, M., Yasunaga, K., ... & Saito, M. (2017). Tea catechin and caffeine activate brown adipose tissue and increase cold-induced thermogenic capacity in humans. The American journal of clinical nutrition, 105(4), 873-881.


[註1] 事實上,在ATGL先將三酸甘油酯水解成二酸甘油酯、HSL將二酸甘油酯水解成單酸甘油酯的過程中,也都會產生FFA。


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