物质代谢的相互关系和调节控制

第十四章物质代谢的相互关系和调节控制
在动态生物化学的学习中，我们分别研究了糖、脂肪、核酸和蛋白质的代谢，但是这样分类是人为的，只是为了便于问题的叙述。

生物体内的代谢过程不是孤立的，各代谢途径之间相互联系、相互制约，构成一个协调统一的整体。

如果这些代谢之间的协调关系受到破坏，便会发生代谢紊乱，甚至引起疾病。

机体在正常的情况下，既不会引起某些代谢产物的不足或过剩，也不会造成某些原料的缺乏或积聚，这主要是由于机体内有一套精确而有效的代谢调节机构来适应外界的变化。

本章介绍生物体内物质代谢之间的相互联系和调节控制。

第一节物质代谢的相互联系
在生物体内，各类物质代谢相互联系、相互制约，在一定条件下，各类物质又可相互转化。

现将四类主要物质：糖、脂、蛋白质和核酸代谢之间的联系分别加以讨论。

一、糖代谢和脂肪代谢的联系
糖可以转变为脂肪，这一代谢转化过程在植物、动物和微生物中普遍存在。

油料作物种子中脂肪的积累；用含糖多的饲料喂养家禽家畜，可以获得育肥的效果；某些酵母，在含糖的培养基中培养，其合成的脂肪可达干重的40%。

这都是糖转变成脂肪的典型例子。

二、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系
蛋白质由氨基酸组成。

某些氨基酸相对应的α—酮酸可来自糖代谢的中间产物。

如由糖分解代谢产生的丙酮酸、草酰乙酸、α—酮戊二酸经转氨作用可分别转变为丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。

谷氨酸可进一步转变成脯氨酸、羟脯氨酸、组氨酸和精氨酸等其它氨基酸。

三、蛋白质代谢和脂肪代谢的相互联系
组成蛋白质的所有氨基酸均可在动物体内转变成脂肪。

生酮氨基酸在代谢中先生成乙酰CoA，然后再生成脂肪酸；生糖氨基酸可直接或间接生成丙酮酸，丙酮酸不但可变成甘油，也可以氧化脱羧生成乙酰CoA后生成脂肪酸，进一步合成脂肪。

脂肪水解成甘油和脂肪酸以后，变成丙酮酸和其它一些α—酮酸，所以它和糖一样，可以转变成各种非必需氨基酸。

脂肪酸经β—氧化作用生成乙酰CoA，乙酰CoA经三羧酸循环与草酰乙酸生成α—酮戊二酸，α—酮戊二酸转变成谷氨酸后再转变成其它氨基酸。

由于产生α—酮戊二酸的过程需要草酰乙酸，而草酰乙酸是由蛋白质与糖所产生的，所以脂肪转变成氨基酸的数量是有限的。

植物种子萌发时，脂肪转变成氨基酸较多。

四、核酸代谢与糖、脂肪和蛋白质代谢的相互联系
核酸是细胞中重要的遗传物质，它通过控制蛋白质的合成，影响细胞的组成成分和代谢类型。

核酸不是重要的供能物质，但是许多核苷酸在代谢中起重要作用。

糖代谢中通过磷酸戊糖途径产生的五碳糖核糖是核苷酸生物合成的重要原料，糖异生作用需要A TP，糖的合成需要UTP。

因此，核苷酸与糖代谢关系密切。

核苷酸碱基合成需要的CO2，可由糖和脂肪分解的产物得来。

脂肪酸和脂肪的合成需A TP，磷脂的合成需要CTP，因此，核苷酸与脂肪代谢也有密切的关系。

甘氨酸、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和氨等物质，是合成嘌呤碱或嘧啶的原料。

反过来，蛋白质是以DNA为基因、mRNA为模板，在tRNA和rRNA的共同参与下以各种氨基酸为原料合成的，且蛋白质的合成过程必须有GTP供应能量。

因此，核酸对蛋白质的代谢有重要的作用。

第二节代谢的调节
代谢调节在生物界中普遍存在，是生物进化过程中逐渐形成的一种适应能力。

进化程度越高的生物，其代谢调节的机构越复杂。

一、酶水平的调节
酶水平的调节为生物体所共有。

因为原核细胞和真核细胞的代谢都有酶参加，而酶是维持正常生命活动的基本因素，所以酶水平的调节是最基本的调节。

酶水平的调节有两种方式，一种是改变酶活力的快速调节。

其机理是在温度、pH值、作用物和辅酶等因素不变的情况下，通过酶分子结构的改变影响酶的活性而实现对酶促反应速度的调节，反应在数秒或数分钟内即可发生；另—种是改变酶的含量，它是通过改变酶合成或降解的速度来改变酶的浓度而实现对酶促反应的调节（是缓慢调节，一般需经数小时甚至更长时间才能完成）。

（一）酶活力的调节
通过改变酶的结构来调节酶活力，可以分为别构调节和化学修饰调节两种方式。

1．别构调节
（1）反馈抑制细胞利用反馈调节控制酶活性的情况极为普遍，通常区分为“反馈活化”（正反馈）和“反馈抑制”（负反馈）。

反馈活化是指代谢反应的产物使代谢过程加快；反馈抑制是指代谢的终产物对该反应途径中催化起始反应的酶活力的抑制。

当代谢终产物已大量存在而不需要再合成时，它便和合成途径中的第一个酶相结合，使这一酶暂时受到抑制，从而停止继续合成的反应。

（2）反馈活化
（3）亚基的聚合或解聚对酶活力的变构调节
(4) 腺苷酸含量的变化对酶活力的变构调节
2．共价修饰调节
酶蛋白在其它酶的催化下，使酶分子以共价键结合或解离某种特殊的化学基团而使酶处于活性和无活性的互变状态，从而调节酶的活性，这称为酶蛋白的共价修饰，也称为化学修饰。

（二）酶含量的调节
1．原核生物酶蛋白合成的调控
酶的浓度取决于酶的合成和降解速度，细胞内酶的浓度即酶含量的增减可以调节生物体有机物的代谢。

（1）酶合成的诱导和阻遏某些物质（诱导物）能促进细胞内酶的合成，这种作用称为酶合成的诱导作用。

①酶合成的诱导
诱导这一性质被认为是由调节基因i所决定的。

定位结果表明，i基因位于zya三基因的上游。

测定有、无诱导物存在时β—半乳糖苷酶活性大小，提出了酶合成的诱导作用机制——大肠杆菌的乳糖操纵子学说。

操纵子学说认为，在细菌内与某一代谢途径有关的几个基因在染色体上的位置往往集中在一个区域内，这些基因的表达与否不都受同一个操纵基因所控制。

染色体上还存在着调节基因。

它们的产物与操纵基因结合时，受操纵基因控制的几个基因都不表达。

诱导物的作用是与调节基因产物结合，破坏了它与操纵基因结合的活性，于是受操纵基因控制的几个基因都能表达。

操纵基因和被它所操纵的几个基因组成的一个单元便称为操纵子。

i—调节基因；p—启动因子；σ—操纵基因；z——β—半乳糖苷酶基因；y—透性酶基因；a—硫代半乳糖苷转乙酰酶基因
大肠杆菌乳糖操纵子
当无诱导物乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白（repressor protein）处于活性状态，阻遏蛋白可与操纵基因结合，阻止了RNA聚合酶与启动基因的结合，使结构基因（z，y，a）不能编码参与乳糖分解代谢的三种酶。

在诱导物乳糖存在的情况下，乳糖同阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白构象发生变化而处于失活状态，此时结构基因（z，y，a）可转录一条多顺反子的mRNA，并翻译出乳糖分解代谢的三种酶（β—半乳糖苷酶、β—半乳糖苷透性酶、β—半乳糖苷转乙酰基酶）。

②酶合成的阻遏
产物阻遏对于大肠杆菌来说，乳糖不是经常遇到的碳源，因此乳糖操纵子经常处于关闭状态，也就是说酶的形成经常处于阻遏状态。

只有当诱导物存在时，移去了阻遏物，才能进行转录作用，从而翻译出酶蛋白。

大肠杆菌色氨酸操纵子模型
2．真核生物基因表达的调控
真核生物基因组结构复杂，因此其细胞内酶含量受多种因素协同调节控制，是一种多级调控方式。

转录前水平的调控是指通过改变DNA序列和染色体结构的过程，包括染色质的丢失、基因扩增、基因重排、基因修饰等。

但转录前水平的调控并不是普遍存在的调控方式。

例如，染色质的丢失，只在某些低等真核生物中发现。

真核生物基因表达调控主要集中在转录水平上的调控，基因转录调控的研究主要集中在顺式作用元件（cis-acting elements）和反式作用因子（transacting factors）以及它们的相互作用上。

二、激素水平的调节
激素是由多细胞生物（植物、无脊椎动物与脊椎动物）的特殊细胞所合成，并经体液输送到其它部位显示特殊生理活性的微量化学物质。

哺乳动物的激素依其化学本质可分为四类：氨基酸及其衍生物，肽及蛋白质、固醇类、脂肪酸衍生物。

植物激素可分为
五类：生长素、赤霉素类、激动素类、脱落酸、乙烯。

通过激素来控制物质代谢是代谢调节的重要方式。

不同的激素可作用于不同的组织。

产生不同的生物效应，体现较高的组织特异性和效应特异性，这是激素作用的一个重要特点。

激素之所以能对特定的组织或细胞发挥调节作用，就在于靶细胞具有能和激素特异结合的物质称为激素受体。

它和相应的激素结合后，能使激素信号转化成一系列细胞内的化学反应，从而表现出激素的生理效应。

每种激素都有相应的特异性受体，根据激素受体在细胞中的定位将激素的作用机理分为两类。

1．通过细胞膜受体起作用
2．通过细胞内受体蛋白起作用
（一）通过细胞膜受体的调节机理
1．激素与受体结合的特点
2．激素对受体细胞膜的影响
3．激素对细胞内cAMP水平的影响
4．cAMP的生理作用
（1）蛋白激酶的激活过程
（2）蛋白激酶的催化作用
（二）通过细胞内受体的调节机理
在血液中，类固醇类激素或甲状腺激素都大部分与一些血浆蛋白结合而运输。

当血液循环通过靶细胞时，游离激素则被大量摄入细胞内。

靶细胞内存在着各种特殊的可溶性蛋白质的受体，能专一地与类固醇激素结合，是类固醇激素发挥生理作用的必要物质。

1．受体的作用特点
各种胞液受体与相应的激素通过非共价键进行可逆结合，结合特点和细胞膜受体相似，也显出高度的特异性和亲和力，而且与生理功能相关。

2．激素受体复合物的变构与转移
一般认为胞液受体是内质网合成的，但可以多种形式存在。

但受体在胞液中与激素结合后，在一定条件下，会改变其构型，而形成活性复合物，再转移到细胞核中。

3．活性复合物对染色质的作用
（1）活性复合物与染色质结合类固醇激素与受体的活性复合物对靶组织的染色质具有很强的亲和力，故进入核内的活性复合物能迅速结合到染色质DNA上，使基因活化，这是激素诱导蛋白质合成的基本条件。

（2）活性复合物对RNA及蛋白质合成的作用有些类固醇激素作用于靶组织数分钟内，即可出现早期RNA合成增加的现象。

激素受体复合物作用于染色质时，消除了该部位染色质的阻抑状态，促进了该部位上DNA的转录过程，导致多种蛋白质合成增加。

三、神经水平的调节
对于有完善神经系统的人和高等动物，除酶和激素调节外，中枢神经系统对物质的代谢也起着调节控制作用。

中枢神经系统的直接调节是大脑接受某种刺激后直接对有关组织、器官或细胞发出信息，使它们兴奋或抑制以调节代谢。

如人在精神紧张或遭意外刺激时，肝糖原即迅速分解使血糖含量增高，这是大脑直接控制的代谢反应。

中枢神经系统的间接调控主要是
通过对分泌活动的控制而实现的，也就是通过对激素的合成和分泌的调控而发挥其调节作用的。

在人和动物的生活过程中，不断遇到某些特殊情况，发生内、外环境的变化，这些变化可通过神经体液途径引起一系列激素分泌的改变而进行整体调节，使物质代谢适应环境的变化，从而维持细胞内环境的稳定。

而对于所有生物体，酶的调节是最基本的调节方式。

正是由于生物体内存在着代谢调节机制，才维持了生命活动的正常进行。