第十四章代谢调节综述复习课程

第三十九章细胞代谢与基因表达调控

内容

14．1 代谢调节的重要性 531

14．2 酶的调节 532

14．2．1 通过控制酶的生物合成调节代谢 532 14．2．1．1 酶合成的诱导作用 532

14．2．1．2 酶合成的阻遏作用 534

14．2．1．3 分解代谢产物对酶合成的代谢 539 14．2．2 通过控制酶活性调节代谢 536 14．2．2．1 抑制作用 536

14．2．2．2 活化作用 536

14．2．2．3 别构作用 537

14．2．2．4 共价修饰 537

14．2．3 相反单向反应对代谢的调节 538

14．2．4 酶的分布区域化对代谢的调节 538

14．3 激素的调节 539

14．3．1 通过控制激素的生物合成调节代谢 539 14．3．2 通过激素对酶活性的影响调节阻遏 535 14．3．3 通过激素对酶合成的诱导作用调节代谢 540 14．3．4 参与代谢调控的激素 540

14．4 反义核酸的调节 541

14．5 神经的调节 541

总结性思考题 542

提要和学习指导本章是将散见在前面各章中有关代谢调节的内容

作总结性的综合叙述，使读者能认识到全书各章内容都是相互有关，而且是如何通过这些内容的有机联系以阐明生命过程中的化学现象。在学习本章的同时应复习酶、激素、维生素和代谢各章中的有关内容配合学习。这样联系具体实例学习理论，就比较容易体会。神经调节代谢，在生物化学方面研究甚少，因而资料缺乏，读者如能参阅一点动物生理学的神经生理，当可得到一些启发。

14．1 代谢调节的重要性

一切生物的生命都靠代谢的正常运转来维持。机体的代谢途径，异常复杂，一个细菌细胞内的代谢反应已在一千种以上，其他高级生物的代谢反应之复杂就可想而知了。正常机体有其精巧细致的代谢调节机构，故能使错综复杂的代谢反应能按一定规律有条不紊地进行。如果有任何原因使任何调节机构失灵都会妨碍代谢的正常运转，而导致不同程度的生理异常，产生疾病，甚至死亡，所以代谢调节对生命的存亡关系极大。

代谢的主要途径，已基本阐明，但有关代谢调节的知识还很不全面。本书对糖类、脂类、蛋白质和核酸代谢的调节已分散地在有关各章中作了介绍，为了使读者对代谢调节知识有一个比较系统和全面的认识，本章特就目前已有的代谢调节资料，再简要地作综合性的阐述。

代谢的调节机构甚多，可概括为下列4项：1．酶的调节；2．激素的调节；3．反义核酸的调节；4．神经的调节。通过这4种调节机构的协作、机体的代谢才可能正常运行。

14．2 酶的调节

一切代谢反应都有酶参加，酶在代谢反应中所起作用的大小，与其浓度和活性密切相关。细胞的酶浓度取决于酶的合成速度，因此，控制酶的生物合成和活性是机体调节自身代谢的重要措施。

14．2．1 通过控制酶的生物合成调节代谢

直接参加代谢调节的关键性酶类统称调节酶。机体必须保存调节酶的一定含量，防止过剩和不足，才能维持其代谢机能的正常运行。通常是用诱导物（inducer）以促进酶的合成，用阻遏物（repressor）以降低酶的合成。

酶本身是蛋白质，酶的合成也就是蛋白质的合成。关于蛋白质生物合成的调节方式，在蛋白质代谢章中（11．4）已作了扼要介绍，现以大肠杆菌为例，较为详细地说明微生物如何利用酶合成的诱导和阻遏来控制有关酶的生物合成。

14．2．1．1 酶合成的诱导作用酶合成的诱导作用是指用诱导物来促进酶的合成作用。这在细菌中普遍存在。如大肠杆菌可利用多种糖作为碳源，当用乳糖作为唯一碳源时，开始不能利用乳糖，但2～3分钟后就合成了与乳糖代谢有关的3种酶，1种是β-半乳糖苷透性酶（permease），它促使乳精通过细胞膜进入细胞；另1种是β-半乳糖苷酶，催化乳糖水解成半乳糖和葡萄糖；第3种是β-半乳糖苷转乙酰基酶（也称硫代半乳糖苷转乙酰基酶），它是伴随着其他2种酶同时合成的，其功用不明。这里乳糖是诱导物。它诱导了这3种酶的合成，这3种酶就是诱导酶，关于乳糖如何诱导了这3种酶的合成机制，1961年法国Jacob F．和 MONOD J．提出了著名的乳糖操纵子模型（lactose operon model）来作了解释（参阅图14-1，14-2）。图中所示的操纵子（operon）是由一群功能相关的结构基因（structural gene）、操纵基因（operator gene， O）和启动子（promoter，P）组成的。其中Z、Y和a是3个结构基因，它们分别转录、翻译成β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶和β-半乳糖苷转乙酰基酶。“O”是操纵基因，控制3个结构基因的转录。“P”是启动子，专管转录起始，它的结构上有RNA聚合酶的结合位点。启动子和操纵基因合称控制位点。-P-O-Z-Y-a组成了1个乳糖操纵子，它们共同受1个调节基因（i 基因）的调节，调节基因是阻遏蛋白（fepressor protein）的基因。

当无诱导物存在时，由调节基因转录产生1个阻遏蛋白的mRNA，以该mRNA为模板合成1个阻遏蛋白，阻遏蛋白就和操纵基因结合，阻碍RNA 聚合酶与启动子的结合，从而阻止这3个结构基因的转录，因此不能合成这3种相应的诱导酶（图14-2）。这3种诱导酶的合成处于被阻遏的状态，也就是说大肠杆菌的生长环境中没有乳糖时，就没有必要合成与乳糖代谢有关的酶。但如果在培养基中加入诱导物，如乳糖或乳糖类似物IPTG （异丙基-β-D-硫代半乳糖苷），诱导物可以和阻遏蛋白结合，并使阻遏蛋白变构，从而使阻遏蛋白失活，失活的阻遏蛋白不能再和操纵基因结合，此时操纵基因发生作用使结构基因转录，合成有关的mRNA，并翻译成乳糖代谢所需的3种诱导酶。

现已知道在诱导酶的生物合成中，除需有诱导物存在外，还需要cAMP 和cAMP受体蛋白（cAMP receptor protein，简写为CRP）后者又称分解代谢产物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein，简写为CAP）。CRP是由相对分子质量为22×103的相同亚基组成的二聚体。当cAMP 与CRP结合成复合物后，这种复合物能结合到启动子上，促使转录的起始（图14-3）。