第十四章代谢调节综述

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B -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B -半乳糖苷酶，催化乳糖水解成半乳糖和葡萄糖；第3种是B -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.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、丫和a是3个结构基因，它们分别转录、翻译成B -半乳糖苷酶、B -半乳糖苷透性酶和B -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。

________ 4 _______

调节基因

S14-1乳購操飙子忑及调节基因示意图做图没有掷匕例画』『和為位实际上讯甚他基因小得多）

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-B -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。

调节基因启动子

I f

i inRM

谴导

1

P 0 Z a

*窗中二皿呵炳调节基因丄的叔** 1*伪需t 的代号』lac RiRff 俵示乳糖的mRIA

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 0CRP 是由相对分子质量为22X 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）0

阻過 撫纵基因

谴导厠'

A lf 诱导物-阻遏蛋白

竄合物

H14-2

v

乳糖代谢诱导酶 W 1 3 ■半乳糖昔 转乙酰基酶

乳穩操錶在阻遏伏态和在谴导伏态时作用示意 白的复合物

皓笹碁氏

皑遷蛋白与删蛊因结合 阻

止结枸基因转录

阴追蛋白

L

mENk 魁遏蛋白

CHF t cW

Hi V3 （:邮F 与u 眦f 受骨蛋白CfiF ）蛊合韧的作用示意囹

1421.2酶合成的阻遏作用 以大肠杆菌色氨酸操纵子（tryptophan operon ）为例说明代谢产物对酶合成的阻遏作用。 大肠杆菌色氨酸操纵子 含有5个结构基因A 、B 、C 、D 和E,由它们所编码的5条多肽链共同构 成3种酶来催化分支酸转变成色氨酸，即催化色氨酸的合成。

色氨酸操纵子除含有结构基因、操纵基因（O 和启动子（P ）^卜，还 有1个衰减子（attenuator , a ，也称衰减基因）和1段前导序列（leading sequenee ，L ），如图 14-4 所示。

在一般情况下，色氨酸操纵子是开放的，即操纵子上的5个结构基因

进行正常的转录和翻译。这是因为它的调节基因转录成 mRNA 该mRNA 羽 译成的阻遏蛋白是无活性的，无活性的阻遏蛋白就不能与操纵基因结合， 操纵基因就发生作用使5个结构基因转录并翻译成有关的酶。当终产物色 氨酸过多时，色氨酸作为辅阻遏物（corepressor ）和阻遏蛋白结合，使 无活性的阻遏蛋白转变为有活性的阻遏蛋白， 能和操纵基因结合，使操纵

基因关闭，操纵基因就不能发生作用，使5个结构基因不能转录，阻止有 关酶的合成（图14-5 ）。 用①

Q L a E C A

调节基园子

洁掏基因 ____________________________________________ ^14-4色氨醸操纵子箱构示意團

调节基因启老子馳菇因

罰

辱序列

爵构基因

调节基因 R

P 0 E D

B ￡ 转录 * mKNl

翻译

1 r W W 73T W 酶蛋白

^14-5色氮筋操鈿子可阴遏调揑貳甄

对色氨酸合成的调节除了阻遏调节外，还有衰减子系

统的调节。在色 氨酸存在时，衰减子使转录水平降低，这是比阻遏作用更为精细的一种调 节。

上述细菌利用诱导、阻遏控制酶合成的机制，也可用来解释其他生物 的代谢调节。在高等动物还有一种现象，就是动物不合成它不需要的酶， 为了适应环境的需要，动物机体的酶合成即会起增强或减弱，甚至停止。 最显著的例子是：成人和成年哺乳动物的胃液中无凝乳酶（rennin ），而 婴儿和幼哺乳类动物的胃液则含较大量的凝乳酶，这是因为婴儿及幼小哺 乳动物以奶为唯一食物，需要凝乳酶先将奶蛋白凝结成絮状，以利于在肠 道消化。成人和成年动物的主食不是奶，不需要凝乳酶，故不合成这种酶。 至于控制凝乳酶合成的机制是否与细菌控制B -半乳糖苷酶等合成的机制 相同，尚待研究证实。

还有一种现象也说明动物不合成它不需要的酶。 食用平衡饲料（指脂 肪含量不多的饲料）的动物，其组织中含有一定量的脂酸合成酶， 如果改 食含脂肪多，糖类少的饲料，很快就可发现这个动物组织中完全无脂酸合 成酶。再改食低脂肪，高糖类饲料，其组织中的脂酸合成酶又复出现。这 种脂酸合成酶的消失和再出现正说明动物用控制其自身的脂酸合成酶的 合成来调节其脂质的合成和分解。

14. 2. 1. 3分解代谢产物对酶合成的阻遏 前面介绍了大肠杆菌以 乳糖为唯一碳源时，乳糖可诱导与乳糖代谢有关的3种酶的合成，但如果 培养基中既含葡萄糖又含乳糖时，则优先利用葡萄糖，等葡萄糖耗尽后才 能利用乳糖，也就是说在大量葡萄糖存在时，乳糖操纵子还是关闭，葡萄 糖阻遏了与乳糖代谢有关的3种酶的合成，这也就是所谓的葡萄糖效应。

关于葡萄糖效应的机制不是十分清楚，但现已知道葡萄糖效应不是由 于葡萄

无话性厂、

阻遍蛋白J R T

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B k

託转录煖生 阻逼

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〔色氨豔j

洁性 阻思

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糖本身，而是由于葡萄糖的代谢产物对酶的合成产生了阻遏作用。葡萄糖的代谢产物抑制了腺苷酸环化酶或激活了专一的磷酸二酯酶，使CAMP浓度降低，cAMP 与cAMP复合物的浓度也就降低，从而阻遏了乳糖操纵子，使其结构基因不能转录。

14. 2. 2通过控制酶活性调节代谢

酶活性的调节是以酶分子的结构为基础的。因为酶的活性强弱与其分子结构密切相关。一切导致酶结构改变的因素都可影响酶的活性。有的改

变使酶活性增高，有的使酶活性降低。机体控制酶活力的方式很多，现就下列几种扼要介绍。

14. 2. 2. 1抑制作用机体控制酶活力的抑制有简单抑制与反馈抑制两类。

简单抑制：这种抑制是指一种代谢产物在细胞内累积多时，由于物质

作用定律的关系，可抑制其本身的形成。例如在己糖激酶催化葡萄糖转变成葡糖-6-磷酸的反应中，当葡糖-6-磷酸的浓度增高时，己糖激酶的作用速度即受抑制，反应即变慢。这种抑制作用仅仅是物理化学作用，而未牵涉到酶本身结构上的变化。

反馈抑制这是指酶促反应终产物对酶活力的抑制，细胞利用反馈抑制控制酶活力的情况较为普遍。这种抑制是在多酶系反应中产生，一系列酶促反应的终产物对第一个酶起抑制作用（图14-6 ）。

X对酶a的作用机制是使酶a起别构而降低活力。当酶a受到抑制后, 整个连续的代谢反应即有效地得到调节。大肠杆菌体中由苏氨酸转变为异亮氨酸反应中，终产物异亮氨酸对参加第一步反应的苏氨酸脱氨酶的抑制即是生物利用反馈抑制调节代谢的一个典型例子。