第十一章 物质代谢的相互联系及其调节(编写)

第十一章物质代谢的相互联系及其调节
第一节物质代谢的相互联系
一、糖、脂、蛋白质在能量代谢上的相互联系
二、糖、脂、蛋白质及核酸代谢之间的相互联系
第二节物质代谢的调节
一、细胞水平的代谢调节
二、激素水平的代谢调节
三、整体水平的代谢调节
第十一章物质代谢的相互联系及其调节
物质代谢、能量代谢与代谢调节是生命存在的三大要素。

生命体都是由糖类、脂类、蛋白质、核酸四大类基本物质和一些小分子物质构成的。

虽然这些物质化学性质不同，功能各异，但它们在生物体内的代谢过程并不是彼此孤立、互不影响的，而是互相联系、互相制约、彼此交织在一起的。

机体代谢之所以能够顺利进行，生命之所以能够健康延续，并能适应千变万化的体内、外环境，除了具备完整的糖、脂类、蛋白质与氨基酸、核苷酸与核酸代谢和与之偶联的能量代谢以外，机体还存在着复杂完善的代谢调节网络，以保证各种代谢井然有序、有条不紊地进行。

第一节物质代谢的相互联系
一、糖、脂、蛋白质在能量代谢上的相互联系
糖类、脂类及蛋白质都是能源物质均可在体内氧化供能。

尽管三大营养物质在体内氧化分解的代谢途径各不相同，但乙酰CoA是它们代谢的中间产物，三羧酸循环和氧化磷酸化是它们代谢的共同途径，而且都能生成可利用的化学能ATP。

从能量供给的角度来看，三大营养物质的利用可相互替代。

一般情况下，机体利用能源物质的次序是糖（或糖原）、脂肪和蛋白质（主要为肌肉蛋白），糖是机体主要供能物质（占总热量50％～70％），脂肪是机体储能的主要形式（肥胖者可多达30％～40％）。

机体以糖、脂供能为主，能节约蛋白质的消耗，因为蛋白质是组织细胞的重要结构成分。

由于糖、脂、蛋白质分解代谢有共同的代谢途径限制了进入该代谢途径的代谢物的总量，因而各营养物质的氧化分解又相互制约，并根据机体的不同状态来调整各营养物质氧化分解的代谢速度以适应机体的需要。

若任一种供能物质的分解代谢增强，通常能代谢调节抑制和节约其它供能物质的降解，如在正常情况下，机体主要依赖葡萄糖氧化供能，而脂肪动员及蛋白质分解往往受到抑制；在饥饿状态时，由于糖供应不足，则需动员脂肪或动用蛋白质而获得能量。

二、糖、脂、蛋白质及核酸代谢之间的相互联系
体内糖、脂、蛋白质及核酸的代谢是相互影响，相互转化的，其中三羧酸循环不仅是三大营养物质代谢的共同途径，也是三大营养物质相互联系、相互转变的枢纽。

同时，一种代谢途径的改变必然影响其他代谢途径的相应变化，当糖代谢失调时会立即影响到蛋白质代谢和脂类代谢。

（一）糖代谢与脂代谢的相互联系
糖和脂类都是以碳氢元素为主的化合物，它们在代谢关系上十分密切。

一般来说，机体摄入糖增多而超过体内能量的消耗时，除合成糖原储存在肝和肌外，可大量转变为脂肪贮存
起来。

糖转变为脂肪的大致步骤为：糖经酵解产生磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，其中磷酸二羟丙酮可以还原为甘油；而3-磷酸甘油醛能继续通过糖酵解途径形成丙酮酸，丙酮酸氧化脱羧后转变成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A可用来合成脂肪酸，最后由甘油和脂肪酸合成脂肪。

此外，糖的分解代谢增强不仅为脂肪合成提供了大量的原料，而且其生成的ATP及柠檬酸是乙酰CoA羧化酶的变构激活剂，促使大量的乙酰CoA羧化为丙二酸单酰CoA进而合成脂肪酸及脂肪在脂肪组织储存。

脂肪分解成甘油和脂肪酸，其中甘油可经磷酸化生成α-磷酸甘油，再转变为磷酸二羟丙酮，然后经糖异生的途径可变为葡萄糖；而脂肪酸部分在动物体内不能转变为糖。

相比而言，甘油占脂肪的量很少，其生成的糖量相当有限，因此，脂肪绝大部分不能在体内转变为糖。

脂肪分解代谢的强度及代谢过程能否顺利进行与糖代谢密切相关。

三羧酸循环的正常运转有赖于糖代谢产生的中间产物草酰乙酸来维持，当饥饿或糖供给不足或糖尿病糖代谢障碍时，引起脂肪动员加快，脂肪酸在肝内经β-氧化生成酮体的量增多，其原因是糖代谢的障碍而致草酰乙酸相对不足，生成的酮体不能及时通过三羧酸循环氧化，而造成血酮体升高。

（二）糖代谢与氨基酸代谢的相互联系
糖是生物体内的重要碳源和能源。

糖经酵解途径产生的磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸，丙酮酸羧化生成草酰乙酸，及其脱羧后经三羧酸循环形成的α-酮戊二酸，它们都可以作为氨基酸的碳架。

通过氨基化或转氨基作用形成相应的氨基酸。

但是必需氨基酸，包括赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、缬氨酸八种，则必需由自食物提供。

组成蛋白质的20种氨基酸，除亮氨酸和赖氨酸（生酮氨基酸）外，均可通过脱氨基作用生成相应的α-酮酸，而这些α-酮酸均可为或转化为糖代谢的中间产物，可通过三羧酸循环部分途径及糖异生作用转变为糖。

由此可见，20种氨基酸除亮氨酸和赖氨酸外均可转变为糖，而糖代谢的中间物质在体内仅能转变为12种非必需氨基酸，其余八种必需氨基酸必需由食物供给，故食物中的糖是不能替代蛋白质。

（三）脂类代谢与氨基酸代谢的相互联系
脂肪分解产生甘油和脂肪酸，甘油可转变为丙酮酸、草酰乙酸及α-酮戊二酸，分别接受氨基而转变为丙氨酸、天冬氨酸及谷氨酸。

脂肪酸可以通过β-氧化生成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合进入三羧酸循环，可产生α-酮戊二酸和草酰乙酸，进而通过转氨作用生成相应的谷氨酸和天冬氨酸，但必需消耗三羧酸循环的中间物质而受限制，如无其他来源补充，反应将不能进行下去。

因此脂肪酸不易转变为氨基酸。

生糖氨基酸可通过丙酮酸转变为磷酸甘油；而生糖氨基酸、生酮氨基酸及生糖兼生酮氨基酸均可转变为乙酰CoA，后者可作为脂肪酸合成的原料，最后合成脂肪。

因而蛋白质可转变为脂肪。

此外，乙酰CoA还是合
成胆固醇的原料。

丝氨酸脱羧生成乙醇胺，经甲基化形成胆碱，而丝氨酸、乙醇胺和胆碱分别是合成磷脂酰丝氨酸、脑磷脂及卵磷脂的原料。

（四）核酸与氨基酸代谢及糖代谢的相互联系
核酸是遗传物质，在机体的遗传、变异及蛋白质合成中，起着决定性的作用。

许多游离核苷酸在代谢中起着重要的作用。

如ATP是能量生成、利用和贮存的中心物质，UTP参与糖原的合成，CTP参与卵磷脂的合成，GTP供给蛋白质肽链合成时所需要部分能量。

此外，许多重要辅酶也是核苷酸的衍生物，如辅酶A 、NAD+、NADP+、FAD等。

另一方面，核酸或核苷酸本身的合成，又受到其他物质特别是蛋白质的影响。

如甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺及一碳单位（是由部分氨基酸代谢产生的）是核苷酸合成的原料，参与嘌呤和嘧啶环的合成；核苷酸合成需要酶和多种蛋白因子的参与；合成核苷酸所需的磷酸核糖来自糖代谢中的磷酸戊糖途径等等。

糖、脂、氨基酸代谢途径间的相互关系见图11-1。

第二节物质代谢的调节
代谢调节（metabolic regulation），是生物在长期进化过程中，为适应环境需要而形成的一种生理机能，进化程度愈高的生物其调节方式就愈复杂。

在单细胞的微生物中只能通过细胞内代谢物浓度的改变来调节酶的活性及含量，从而影响某些酶促反应速度，这种调节称为细胞水平的代谢调节。

这也是最原始的调节方式。

随着低等的单细胞生物进化到多细胞生物时出现了激素调节，激素能改变靶细胞的某些酶的催化活性或含量，来改变细胞内代谢物的浓度从而实现对代谢途径的调节。

而高等生物和人类则有了功能更复杂的神经系统，在神经系统的控制下，机体通过神经递质对效应器发生影响，或者改变某些激素的分泌，再通过各种激素相互协调，对整体代谢进行综合调节。

总之，就整个生物界来说，代谢的调节是在细胞（酶）、激素和神经这三个不同水平上进行的。

由于这些调节作用点最终均在生命活动的最基本单位细胞中，所以细胞水平的调节是最基本的调节方式，是激素和神经调节方式的基础。

一、细胞水平的代谢调节
细胞水平的代谢调节就是细胞内酶的调节，主要包括酶的分布、活性和酶的含量等调节。

（一）细胞内酶的区域化分布
细胞是生物体结构和功能的基本单位。

细胞内存在由膜系统分开的区域，使各类反应在细胞中有各自的空间分布，称为区域化（compartmentation）。

尤其是真核生物细胞呈更高度的区域化，由膜包围的多种细胞器分布在细胞质内，如细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体等。

代谢上相关的酶常常组成一个多酶体系（multienzyme system）或多酶复合体（multienzyme complex），分布在细胞的某一特定区域，执行着特定的代谢功能。

例如糖酵解、糖原合成与分解、磷酸戊糖途径和脂肪酸合成的酶系存在于细胞质中；三羧酸循环、脂肪酸β-氧化和氧化磷酸化的酶系存在于线粒体中；核酸合成的酶系大部分在细胞核中；水解酶系在溶酶体中（表11-1）。

即使在同一细胞器内，酶系分布也有一定的区域化。

例如在线粒体内，在外膜、内膜、膜间空间以及内部基质的酶系是不同的：细胞色素和氧化磷酸化的酶分布在内膜上，而三羧酸循环的酶则主要是在基质中。

这种细胞内酶的区域化分布对物质代谢及调节有重要的意义：①使得在同一代谢途径中的酶互相联系、密切配合，同时将酶、辅酶和底物高度浓缩，使同一代谢途径一系列酶促反应连续进行，提高反应速度；②使得不同代谢途径隔离分布，各自行使不同功能，互不干扰，使整个细胞的代谢得以顺利进行；③使得某一代谢途径产生代谢产物在不同细胞器呈区域化分布，而形成局部高代谢物浓度，有利于其对相关代谢途径的特异调节。

此外，一些代谢中间产物在亚细胞结构之间还存在着穿梭，从而组成生物体内复杂的代谢与调节网络。

因此，酶在细胞内的区域化分布也是物质代谢调节的一种重要方式。

（二）代谢调节作用点——关键酶、限速酶
代谢途径包含一系列催化化学反应的酶，其中有一个或几个酶能影响整个代谢途径的反应速度和方向，这些具有调节代谢的酶称为关键酶（key enzymes））或调节酶（regulatory enzymes。

在代谢途径的酶系中，关键酶一般具有以下的特点：①常催化不可逆的非平衡反应，因此能决定整个代谢途径的方向；②酶的活性较低，其所催化的化学反应速度慢，故又称限速酶（rate-limiting enzymes），因此它的活性能决定整个代谢途径的总速度；③酶活性受底物、多种代谢产物及效应剂的调节，因此它是细胞水平的代谢调节的作用点。

例如已糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶均为糖酵解途径的关键酶，它们分别控制着酵解途径的速度，其中磷酸果糖激酶-1的催化活性最低，通过催化果糖-6-磷酸转变为果糖1，6-二磷酸控制糖酵解途径的速度。

而果糖-1，6-二磷酸酶则通过催化果糖-1，6-二磷酸转变为果糖-6-磷酸作为糖异生途径的关键酶之一。

因此，这些关键酶的活性决定体内糖的分解或糖异生。

当细胞内能量不足时，AMP含量升高，可激活磷酸果糖激酶-1而抑制果糖-1，6-二磷酸酶，使葡萄糖分
解代谢途径增强而产生能量。

相反，当细胞内能量充足，ATP含量升高时，抑制磷酸果糖激酶-1，则葡萄糖异生途径增强。

调节某些关键酶的活性是细胞代谢调节的一种重要方式，表11-2列出一些重要代谢途径的关键酶见。

细胞水平的代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节实现的，而酶活性调节主要是通过改变现有的酶的结构与含量。

故关键酶的调节方式可分两类：一类是通过改变酶的分子结构而改变细胞现有酶的活性来调节酶促反应的速度，如酶的“变构调节”与“化学修饰调节”。

这种调节一般在数秒或数分钟内即可完成，是一种快速调节。

另一类是改变酶的含量，即调节酶蛋白的合成或降解来改变细胞内酶的含量，从而调节酶促反应速度。

这种调节一般需要数小时才能完成，因此是一种迟缓调节。

（三）酶的变构调节
1．变构调节的概念：
某些小分子化合物能与酶分子活性中心以外的某一部位特异地非共价可逆结合，引起酶蛋白分子的构象发生改变，从而改变酶的催化活性，这种调节称为变构调节（allosteric regulation）或别构调节。

受变构调节的酶称为变构酶（allosteric enzyme）或别构酶。

这种现象称为变构效应。

能使变构酶发生变构效应的一些小分子化合物称为变构效应剂(allosteric effector)，其中能使酶活性增高的称为变构激活剂（allosteric activator），而使酶活性降低的称为变构抑制剂(allosteric inhibitor)。

变构调节在生物界普遍存在，代谢途径中的关键酶大多数是变构酶。

现将糖、脂代谢中某些变构酶及变构效应剂见表11-3。

2．变构酶的特点及作用机制：
（1）变构酶常具有四级结构，由多个亚基组成的酶蛋白。

在变构酶分子中有能与底物分相结合并催化底物转变为产物的催化亚基；也有能与变构效应剂相结合使酶分子的构象发生改变而影响酶的活性的调节亚基，与变构效应剂结合部位称为别位或调节部位。

有的酶分子的催化部位与调节部位在同一亚基内的不同部位。

（2）变构效应剂一般都是生理小分子物质，主要包括酶的底物、产物或其他小分子中间代谢物。

它们在细胞内浓度的改变能灵敏地表现代谢途径的强度及能量供求的关系，并通过变构效应改变某些酶的活性，进而调节代谢的强度、方向以及细胞内能量的供需平衡。

如ATP
是糖酵解途径关键酶磷酸果糖激酶-1的变构抑制剂，可抑制糖氧化途径；而ADP、AMP该酶变构激活剂，它们的量增多可以促进糖氧化分解，而使ATP产生增加。

（2）变构效应剂引起酶蛋白分子构象的改变，有的表现为酶的紧密构象（T态）和松驰构象（R态）或亚基的聚合和解聚之间的相互转变而改变酶的活性。

如大肠杆菌的磷酸果糖激酶-1是由四个相同亚基所构成的一个四聚体，每个亚基均含调节部位及催化部位。

变构激活剂ADP可与调节部位相结合，使磷酸果糖激酶-1呈现松驰构象（R态）而对底物果糖-6-磷酸具高亲和力。

相反，当变构抑制剂FDP与相同的调节部位相结合时，却引起磷酸果糖激酶-1呈现紧密构象（T态）而使酶对底物果糖-6-磷酸的亲和力降低。

有的是原聚体与多聚体相互转化而引起酶活性的改变。

如乙酰CoA羧化酶也是一种变构酶，其原聚体无催化活性，在柠檬酸、异柠檬酸存在时，10~20个原聚体聚合成线状排列的多聚体，催化活性增加10~20倍。

而ATP-Mg2+和长链脂酰CoA能使多聚体解聚成为原聚体而使酶失去活性。

（3）变构酶的酶促反应动力学特征是酶促反应速度和底物浓度的关系曲线呈“S”形曲线，与氧合血红蛋白的解离曲线相似，而不同于一般酶促反应动力学的矩形双曲线。

（4）变构调节过程不需要能量
3．变构调节的意义：
在一个合成代谢体系中，其终产物常可使该途径中催化起始反应的限速酶反馈变构抑制，可以防止产物过多堆积而浪费。

例如体内高浓度胆固醇作为变构抑制剂，抑制肝中胆固醇合成的限速酶HMG－CoA还原酶活性，而使胆固醇合成减少。

此外，变构调节可直接影响关键酶的活性来调节体内产能与储能代谢反应，使能量得以有效利用，不致浪费。

AMP是糖分解代谢途径中许多关键酶的变构激活剂，如细胞内能量不足，AMP含量增多时，则可通过激活相应关键酶的活性而使糖分解代谢增强；相反，ATP是这些关键酶的变构抑制剂，如机体能量充足，ATP含量增多时，则可通过抑制这些酶的活性而减慢产能的代谢反应。

（四）酶的化学修饰调节
1．化学修饰调节的概念：
酶蛋白肽链上的某些基团可在另一种酶的催化下，与某些化学基团发生可逆地共价结合从而引起酶的活性改变，这种调节称为酶的化学修饰（chemical modification）或共价修饰（covalent modification）。

酶的可逆化学修饰主要有磷酸化（phosphorylation）和脱磷酸化（dephosphorylation），甲基化(methylation)和脱甲基化(demethylation)，腺苷化(adenylation)和脱腺苷化(deadenylation)及－SH和－S－S－互变等，其中以磷酸化和脱磷酸化最为多见（表11－4）。

2．化学修饰调节的作用机制
由特异酶催化的化学修饰是体内快速调节酶活性的重要方式之一，磷酸化是细胞内最常见的修饰方式。

酶蛋白多肽链中的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的羟基往往是磷酸化的位点。

细胞内存在着多种蛋白激酶，可催化酶蛋白的磷酸化，将ATP分子中的γ-磷酸基团转移至特定的酶蛋白分子的羟基上，从而改变酶蛋白的活性；与此相对应的，细胞内亦存在着多种磷蛋白磷酸酶，它们可将相应的磷酸基团移去，可逆地改变酶的催化活性。

因此，磷酸化与脱磷酸化这对相反过程，分别由蛋白激酶和磷蛋白磷酸酶催化而完成的。

糖原磷酸化酶是酶的化学修饰的典型例子。

此酶有两种形式：即有活性的磷酸化酶 a 和无活性的磷酸化酶 b ，二者可以互相转变。

磷酸化酶 b 在磷酸化酶b 激酶催化下，接受ATP上的磷酸基团转变为磷酸化酶a而活化；磷酸化酶 a 也可在磷酸化酶 a 磷酸酶催化下转变为磷酸化酶 b 而失活。

该酶被修饰的基团是丝氨酸的羟基。

（图11-2）
3．化学修饰调节的特点：
（1）大多数化学修饰的酶都存在有活性（或高活性）与无活性（或低活性）两种形式，且两种形式之间通过两种不同的酶的催化可以相反转变。

对于磷酸化与脱磷酸化而言，有些酶脱磷酸化状态有活性，而另一些酶磷酸化状态有活性。

（2）由于化学修饰调节本身是酶促反应，且参与酶促修饰的酶又常常受其他酶或激素的影响，故化学修饰具有瀑布式级联放大效应。

少量的调节因素可引起大量酶分子的化学修饰（图11-3）。

因此，这类反应的催化效率往往较变构调节高。

（3）磷酸化和脱磷酸化是最常见的酶促化学修饰反应，其消耗的能量是由ATP提供，这与合成酶蛋白所消耗的ATP相比要少得多，因此，化学修饰是一种经济、快速而有效的调节方式。

变构调节和化学修饰调节是调节酶活性的两种不同方式，对某一种酶来说，它可以同时接受这两种方式的调节，相互补充，使相应代谢途径调节更为精细、有效。

例如，二聚体糖原磷酸化酶存在磷酸化位点，且每个亚基都有催化部位和调节部位，因此，在受化学修饰的同时也可由ATP变构抑制，并受AMP变构激活。

细胞中同一种酶受变构和化学修饰双重调节的意义可能在于：变构调节是细胞的一种基本调节机制，对维持代谢物和能量平衡具有重要作用，但当效应剂浓度过低，就不足以与全部酶蛋白分子的调节部位结合时，就不能动员所
有的酶发挥作用，难以发挥应急效应。

当在应激状态下，随着肾上腺素的释放，通过cAMP,启动一系列的级联酶促化学修饰反应，迅速有效地满足机体的急需。

（三）酶含量的调节
生物体除通过直接改变酶的活性来调节代谢速度以外，还可通过改变细胞内酶的绝对含量来调节代谢速度。

酶含量的调节可通过影响酶的合成与降解速度而实现。

由于酶的合成或降解耗时较长，故此调节方式为迟缓调节，但所持续的时间较长。

1．酶蛋白合成的诱导与阻遏
绝大多数酶的化学本质是蛋白质，酶的合成也就是蛋白质的合成。

许多因素如酶的底物、产物、激素或药物等都可以影响酶蛋白的合成。

一般将增加酶蛋白合成的化合物称为诱导剂（inducer），减少酶蛋白合成的化合物称为阻遏剂（repressor）。

诱导剂或阻遏剂可在转录水平和翻译水平影响酶蛋白的合成，但以转录水平较常见。

底物对酶合成的诱导（induction）与阻遏（repression）是普遍存在的。

如食入蛋白质增多也，可诱导合成尿素循环的酶。

鼠饲料中蛋白质含量从8%增加至70%时，鼠肝精氨酶活性可增加2~3倍。

这种诱导作用对于维持体内代谢的平衡具有一定的生理意义。

对于高等动物而言，因其体内存在激素的调节作用，底物诱导作用不如微生物体内重要。

代谢产物不仅可变构抑制或反馈抑制关键酶的活性，而且还可阻遏这些酶的合成。

例如HMG-CoA还原酶是合成胆固醇的关键酶，高浓度产物胆固醇除了作为变构抑制剂反馈抑制肝中胆固醇合成的限速酶HMG－CoA还原酶活性外，还可阻遏肝中该酶的合成。

激素诱导酶基因表达是常见方式，例如糖皮质激素能诱导一些氨基酸分解酶和糖异生关键酶的合成。

而胰岛素则能诱导糖酵解和脂酸合成途径中关键酶的合成。

许多药物和毒物可促进肝细胞微粒体中单加氧酶或其他一些与药物代谢有关酶的诱导合成，从而使药物容易失活，具有解毒作用。

然而，这也是引起耐药现象的一个原因。

2．酶分子降解的调节
改变酶分子的降解速度也能调节细胞内酶的含量，从而达到调节酶的总活性。

细胞内蛋白质的降解目前发现有两条途径：其一，溶酶体中蛋白水解酶进行非特异降解酶蛋白；其二，泛书-蛋白酶体对细胞内酶蛋白的特异降解，且需消耗ATP。

若某些因素能改变或影响这两种蛋白质降解体系，即可间接影响酶蛋白的降解速度，而调节代谢。

二、激素水平的代谢调节
高等动物通过细胞外信号分子激素来调控体内物质代谢，称为激素水平的代谢调节。

激。