第十一章 物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系及其調(diào)理（編寫）

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第一節(jié)物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系

一、糖、脂、蛋白質(zhì)在能量代謝上的相互聯(lián)系二、糖、脂、蛋白質(zhì)及核酸代謝之間的相互聯(lián)系其次節(jié)物質(zhì)代謝的調(diào)理一、細胞水平的代謝調(diào)理二、激素水平的代謝調(diào)理三、整體水平的代謝調(diào)理

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第十一章物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系及其調(diào)理

物質(zhì)代謝、能量代謝與代謝調(diào)理是生命存在的三大要素。生命體都是由糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸四大類基本物質(zhì)和一些小分子物質(zhì)構(gòu)成的。雖然這些物質(zhì)化學性質(zhì)不同，功能各異，但它們在生物體內(nèi)的代謝過程并不是彼此孤立、互不影響的，而是相互聯(lián)系、相互制約、彼此交織在一起的。機體代謝之所以能夠順利進行，生命之所以能夠健康延續(xù)，并能適應(yīng)千變?nèi)f化的體內(nèi)、外環(huán)境，除了具備完整的糖、脂類、蛋白質(zhì)與氨基酸、核苷酸與核酸代謝和與之偶聯(lián)的能量代謝以外，機體還存在著繁雜完善的代謝調(diào)理網(wǎng)絡(luò)，以保證各種代謝井然有序、有條不紊地進行。

第一節(jié)物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系

一、糖、脂、蛋白質(zhì)在能量代謝上的相互聯(lián)系

糖類、脂類及蛋白質(zhì)都是能源物質(zhì)均可在體內(nèi)氧化供能。盡管三大營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)氧化分解的代謝途徑各不一致，但乙酰CoA是它們代謝的中間產(chǎn)物，三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化是它們代謝的共同途徑，而且都能生成可利用的化學能ATP。從能量供給的角度來看，三大營養(yǎng)物質(zhì)的利用可相互替代。一般狀況下，機體利用能源物質(zhì)的次序是糖（或糖原）、脂肪和蛋白質(zhì)（主要為肌肉蛋白），糖是機體主要供能物質(zhì)（占總熱量50％～70％），脂肪是機體儲能的主要形式（肥胖者可多達30％～40％）。機體以糖、脂供能為主，能儉約蛋白質(zhì)的消耗，由于蛋白質(zhì)是組織細胞的重要結(jié)構(gòu)成分。由于糖、脂、蛋白質(zhì)分解代謝有共同的代謝途徑限制了進入該代謝途徑的代謝物的總量，因而各營養(yǎng)物質(zhì)的氧化分解又相互制約，并根據(jù)機體的不同狀態(tài)來調(diào)整各營養(yǎng)物質(zhì)氧化分解的代謝速度以適應(yīng)機體的需要。若任一種供能物質(zhì)的分解代謝加強，尋常能代謝調(diào)理抑制和儉約其它供能物質(zhì)的降解，如在正常狀況下，機體主要依靠葡萄糖氧化供能，而脂肪動員及蛋白質(zhì)分解往往受到抑制；在饑餓狀態(tài)時，由于糖供應(yīng)不足，則需動員脂肪或動用蛋白質(zhì)而獲得能量。二、糖、脂、蛋白質(zhì)及核酸代謝之間的相互聯(lián)系

體內(nèi)糖、脂、蛋白質(zhì)及核酸的代謝是相互影響，相互轉(zhuǎn)化的，其中三羧酸循環(huán)不僅是三大營養(yǎng)物質(zhì)代謝的共同途徑，也是三大營養(yǎng)物質(zhì)相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)變的樞紐。同時，一種代謝途徑的改變必然影響其他代謝途徑的相應(yīng)變化，當糖代謝失調(diào)時會馬上影響到蛋白質(zhì)代謝和脂類代謝。

（一）糖代謝與脂代謝的相互聯(lián)系

糖和脂類都是以碳氫元素為主的化合物，它們在代謝關(guān)系上十分密切。一般來說，機體攝入糖增多而超過體內(nèi)能量的消耗時，除合成糖原儲存在肝和肌外，可大量轉(zhuǎn)變?yōu)橹举A存

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起來。糖轉(zhuǎn)變?yōu)橹镜拇笾虏襟E為：糖經(jīng)酵解產(chǎn)生磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛，其中磷酸二羥丙酮可以還原為甘油；而3-磷酸甘油醛能繼續(xù)通過糖酵解途徑形成丙酮酸，丙酮酸氧化脫羧后轉(zhuǎn)變成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A可用來合成脂肪酸，最終由甘油和脂肪酸合成脂肪。此外，糖的分解代謝加強不僅為脂肪合成提供了大量的原料，而且其生成的ATP及檸檬酸是乙酰CoA羧化酶的變構(gòu)激活劑，促使大量的乙酰CoA羧化為丙二酸單酰CoA進而合成脂肪酸及脂肪在脂肪組織儲存。脂肪分解成甘油和脂肪酸，其中甘油可經(jīng)磷酸化生成α-磷酸甘油，再轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岫u丙酮，然后經(jīng)糖異生的途徑可變?yōu)槠咸烟?；而脂肪酸部分在動物體內(nèi)不能轉(zhuǎn)變?yōu)樘?。相比而言，甘油占脂肪的量很少，其生成的糖量相當有限，因此，脂肪絕大部分不能在體內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樘恰?/p>

脂肪分解代謝的強度及代謝過程能否順利進行與糖代謝密切相關(guān)。三羧酸循環(huán)的正常運轉(zhuǎn)有賴于糖代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物草酰乙酸來維持，當饑餓或糖供給不足或糖尿病糖代謝障礙時，引起脂肪動員加快，脂肪酸在肝內(nèi)經(jīng)β-氧化生成酮體的量增多，其原因是糖代謝的障礙而致草酰乙酸相對不足，生成的酮體不能及時通過三羧酸循環(huán)氧化，而造成血酮體升高。（二）糖代謝與氨基酸代謝的相互聯(lián)系

糖是生物體內(nèi)的重要碳源和能源。糖經(jīng)酵解途徑產(chǎn)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，及其脫羧后經(jīng)三羧酸循環(huán)形成的α-酮戊二酸，它們都可以作為氨基酸的碳架。通過氨基化或轉(zhuǎn)氨基作用形成相應(yīng)的氨基酸。但是必需氨基酸，包括賴氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、纈氨酸八種，則必需由自食物提供。組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸，除亮氨酸和賴氨酸（生酮氨基酸）外，均可通過脫氨基作用生成相應(yīng)的α-酮酸，而這些α-酮酸均可為或轉(zhuǎn)化為糖代謝的中間產(chǎn)物，可通過三羧酸循環(huán)部分途徑及糖異生作用轉(zhuǎn)變?yōu)樘恰Ｓ纱丝梢姡?0種氨基酸除亮氨酸和賴氨酸外均可轉(zhuǎn)變?yōu)樘?，而糖代謝的中間物質(zhì)在體內(nèi)僅能轉(zhuǎn)變?yōu)?2種非必需氨基酸，其余八種必需氨基酸必需由食物供給，故食物中的糖是不能替代蛋白質(zhì)。（三）脂類代謝與氨基酸代謝的相互聯(lián)系

脂肪分解產(chǎn)生甘油和脂肪酸，甘油可轉(zhuǎn)變?yōu)楸帷⒉蒗Ｒ宜峒唉?酮戊二酸，分別接受氨基而轉(zhuǎn)變?yōu)楸彼?、天冬氨酸及谷氨酸。脂肪酸可以通過β-氧化生成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合進入三羧酸循環(huán)，可產(chǎn)生α-酮戊二酸和草酰乙酸，進而通過轉(zhuǎn)氨作用生成相應(yīng)的谷氨酸和天冬氨酸，但必需消耗三羧酸循環(huán)的中間物質(zhì)而受限制，如無其他來源補充，反應(yīng)將不能進行下去。因此脂肪酸不易轉(zhuǎn)變?yōu)榘被?。生糖氨基酸可通過丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岣视停欢前被?、生酮氨基酸及生糖兼生酮氨基酸均可轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA，后者可作為脂肪酸合成的原料，最終合成脂肪。因而蛋白質(zhì)可轉(zhuǎn)變?yōu)橹?。此外，乙酰CoA還是合

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成膽固醇的原料。絲氨酸脫羧生成乙醇胺，經(jīng)甲基化形成膽堿，而絲氨酸、乙醇胺和膽堿分別是合成磷脂酰絲氨酸、腦磷脂及卵磷脂的原料。（四）核酸與氨基酸代謝及糖代謝的相互聯(lián)系

核酸是遺傳物質(zhì)，在機體的遺傳、變異及蛋白質(zhì)合成中，起著決定性的作用。大量游離核苷酸在代謝中起著重要的作用。如ATP是能量生成、利用和貯存的中心物質(zhì)，UTP參與糖原的合成，CTP參與卵磷脂的合成，GTP供給蛋白質(zhì)肽鏈合成時所需要部分能量。此外，大量重要輔酶也是核苷酸的衍生物，如輔酶A、NAD+、NADP+、FAD等。另一方面，核酸或核苷酸本身的合成，又受到其他物質(zhì)特別是蛋白質(zhì)的影響。如甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺及一碳單位（是由部分氨基酸代謝產(chǎn)生的）是核苷酸合成的原料，參與嘌呤和嘧啶環(huán)的合成；核苷酸合成需要酶和多種蛋白因子的參與；合成核苷酸所需的磷酸核糖來自糖代謝中的磷酸戊糖途徑等等。

糖、脂、氨基酸代謝途徑間的相互關(guān)系見圖11-1。

圖11-1：糖、脂、氨基酸代謝途徑間的相互關(guān)系

其次節(jié)物質(zhì)代謝的調(diào)理

代謝調(diào)理（metabolicregulation），是生物在長期進化過程中，為適應(yīng)環(huán)境需要而形成的一種生理機能，進化程度愈高的生物其調(diào)理方式就愈繁雜。在單細胞的微生物中只能通過細胞內(nèi)代謝物濃度的改變來調(diào)理酶的活性及含量，從而影響某些酶促反應(yīng)速度，這種調(diào)理稱為細胞水平的代謝調(diào)理。這也是最原始的調(diào)理方式。隨著低等的單細胞生物進化到多細胞生物時出現(xiàn)了激素調(diào)理，激素能改變靶細胞的某些酶的催化活性或含量，來改變細胞內(nèi)代謝物的濃度從而實現(xiàn)對代謝途徑的調(diào)理。而高等生物和人類則有了功能更繁雜的神經(jīng)系統(tǒng)，在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，機體通過神經(jīng)遞質(zhì)對效應(yīng)器發(fā)生影響，或者改變某些激素的分泌，再通過各種激素相互協(xié)調(diào)，對整體代謝進行綜合調(diào)理。總之，就整個生物界來說，代謝的調(diào)理是在細胞（酶）、激素和神經(jīng)這三個不同水平上進行的。由于這些調(diào)理作用點最終均在生命活動的最基本單位細胞中，所以細胞水平的調(diào)理是最基本的調(diào)理方式，是激素和神經(jīng)調(diào)理方式的基礎(chǔ)。一、細胞水平的代謝調(diào)理

細胞水平的代謝調(diào)理就是細胞內(nèi)酶的調(diào)理，主要包括酶的分布、活性和酶的含量等調(diào)理。（一）細胞內(nèi)酶的區(qū)域化分布

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細胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。細胞內(nèi)存在由膜系統(tǒng)分開的區(qū)域，使各類反應(yīng)在細胞中有各自的空間分布，稱為區(qū)域化（compartmentation）。特別是真核生物細胞呈更高度的區(qū)域化，由膜包圍的多種細胞器分布在細胞質(zhì)內(nèi)，如細胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體等。代謝上相關(guān)的酶往往組成一個多酶體系（multienzymesystem）或多酶復合體（multienzymecomplex），分布在細胞的某一特定區(qū)域，執(zhí)行著特定的代謝功能。例如糖酵解、糖原合成與分解、磷酸戊糖途徑和脂肪酸合成的酶系存在于細胞質(zhì)中；三羧酸循環(huán)、脂肪酸β-氧化和氧化磷酸化的酶系存在于線粒體中；核酸合成的酶系大部分在細胞核中；水解酶系在溶酶體中（表11-1）。即使在同一細胞器內(nèi)，酶系分布也有一定的區(qū)域化。例如在線粒體內(nèi)，在外膜、內(nèi)膜、膜間空間以及內(nèi)部基質(zhì)的酶系是不同的：細胞色素和氧化磷酸化的酶分布在內(nèi)膜上，而三羧酸循環(huán)的酶則主要是在基質(zhì)中。

表11-1：主要代謝途徑多酶體系在細胞內(nèi)的分布這種細胞內(nèi)酶的區(qū)域化分布對物質(zhì)代謝及調(diào)理有重要的意義：①使得在同一代謝途徑中的酶相互聯(lián)系、密切協(xié)同，同時將酶、輔酶和底物高度濃縮，使同一代謝途徑一系列酶促反應(yīng)連續(xù)進行，提高反應(yīng)速度；②使得不同代謝途徑隔離分布，各自行使不同功能，互不干擾，使整個細胞的代謝得以順利進行；③使得某一代謝途徑產(chǎn)生代謝產(chǎn)物在不同細胞器呈區(qū)域化分布，而形成局部高代謝物濃度，有利于其對相關(guān)代謝途徑的特異調(diào)理。此外，一些代謝中間產(chǎn)物在亞細胞結(jié)構(gòu)之間還存在著穿梭，從而組成生物體內(nèi)繁雜的代謝與調(diào)理網(wǎng)絡(luò)。因此，酶在細胞內(nèi)的區(qū)域化分布也是物質(zhì)代謝調(diào)理的一種重要方式。（二）代謝調(diào)理作用點——關(guān)鍵酶、限速酶

代謝途徑包含一系列催化化學反應(yīng)的酶，其中有一個或幾個酶能影響整個代謝途徑的反應(yīng)速度和方向，這些具有調(diào)理代謝的酶稱為關(guān)鍵酶（keyenzymes））或調(diào)理酶（regulatoryenzymes。在代謝途徑的酶系中，關(guān)鍵酶一般具有以下的特點：①常催化不可逆的非平衡反應(yīng)，因此能決定整個代謝途徑的方向；②酶的活性較低，其所催化的化學反應(yīng)速度慢，故又稱限速酶（rate-limitingenzymes），因此它的活性能決定整個代謝途徑的總速度；③酶活性受底物、多種代謝產(chǎn)物及效應(yīng)劑的調(diào)理，因此它是細胞水平的代謝調(diào)理的作用點。例如已糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶均為糖酵解途徑的關(guān)鍵酶，它們分別控制著酵解途徑的速度，其中磷酸果糖激酶-1的催化活性最低，通過催化果糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，6-二磷酸控制糖酵解途徑的速度。而果糖-1，6-二磷酸酶則通過催化果糖-1，6-二磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?6-磷酸作為糖異生途徑的關(guān)鍵酶之一。因此，這些關(guān)鍵酶的活性決定體內(nèi)糖的分解或糖異生。當細胞內(nèi)能量不足時，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，使葡萄糖分解代謝途徑加強而產(chǎn)生能量。相反，當細胞內(nèi)能量充足，ATP含量升高時，抑制磷酸果糖激

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酶-1，則葡萄糖異生途徑加強。調(diào)理某些關(guān)鍵酶的活性是細胞代謝調(diào)理的一種重要方式，表11-2列出一些重要代謝途徑的關(guān)鍵酶見。

表11-2：重要代謝途徑的關(guān)鍵酶細胞水平的代謝調(diào)理主要是通過對關(guān)鍵酶活性的調(diào)理實現(xiàn)的，而酶活性調(diào)理主要是通過改變現(xiàn)有的酶的結(jié)構(gòu)與含量。故關(guān)鍵酶的調(diào)理方式可分兩類：一類是通過改變酶的分子結(jié)構(gòu)而改變細胞現(xiàn)有酶的活性來調(diào)理酶促反應(yīng)的速度，如酶的“變構(gòu)調(diào)理〞與“化學修飾調(diào)理〞。這種調(diào)理一般在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)即可完成，是一種快速調(diào)理。另一類是改變酶的含量，即調(diào)理酶蛋白的合成或降解來改變細胞內(nèi)酶的含量，從而調(diào)理酶促反應(yīng)速度。這種調(diào)理一般需要數(shù)小時才能完成，因此是一種遲鈍調(diào)理。

（三）酶的變構(gòu)調(diào)理1．變構(gòu)調(diào)理的概念：

某些小分子化合物能與酶分子活性中心以外的某一部位特異地非共價可逆結(jié)合，引起酶蛋白分子的構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變酶的催化活性，這種調(diào)理稱為變構(gòu)調(diào)理（allostericregulation）或別構(gòu)調(diào)理。受變構(gòu)調(diào)理的酶稱為變構(gòu)酶（allostericenzyme）或別構(gòu)酶。這種現(xiàn)象稱為變構(gòu)效應(yīng)。能使變構(gòu)酶發(fā)生變構(gòu)效應(yīng)的一些小分子化合物稱為變構(gòu)效應(yīng)劑(allostericeffector)，其中能使酶活性增高的稱為變構(gòu)激活劑（allostericactivator），而使酶活性降低的稱為變構(gòu)抑制劑(allostericinhibitor)。變構(gòu)調(diào)理在生物界普遍存在，代謝途徑中的關(guān)鍵酶大多數(shù)是變構(gòu)酶。現(xiàn)將糖、脂代謝中某些變構(gòu)酶及變構(gòu)效應(yīng)劑見表11-3。

表11-3：一些代謝途徑中的變構(gòu)酶及其變構(gòu)效應(yīng)劑

2．變構(gòu)酶的特點及作用機制：

（1）變構(gòu)酶常具有四級結(jié)構(gòu)，由多個亞基組成的酶蛋白。在變構(gòu)酶分子中有能與底物分相結(jié)合并催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的催化亞基；也有能與變構(gòu)效應(yīng)劑相結(jié)合使酶分子的構(gòu)象發(fā)生改變而影響酶的活性的調(diào)理亞基，與變構(gòu)效應(yīng)劑結(jié)合部位稱為別位或調(diào)理部位。有的酶分子的催化部位與調(diào)理部位在同一亞基內(nèi)的不同部位。

（2）變構(gòu)效應(yīng)劑一般都是生理小分子物質(zhì)，主要包括酶的底物、產(chǎn)物或其他小分子中間代謝物。它們在細胞內(nèi)濃度的改變能靈敏地表現(xiàn)代謝途徑的強度及能量供求的關(guān)系，并通過變構(gòu)效應(yīng)改變某些酶的活性，進而調(diào)理代謝的強度、方向以及細胞內(nèi)能量的供需平衡。如ATP是糖酵解途徑關(guān)鍵酶磷酸果糖激酶-1的變構(gòu)抑制劑，可抑制糖氧化途徑；而ADP、AMP該

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酶變構(gòu)激活劑，它們的量增多可以促進糖氧化分解，而使ATP產(chǎn)生增加。

（2）變構(gòu)效應(yīng)劑引起酶蛋白分子構(gòu)象的改變，有的表現(xiàn)為酶的緊湊構(gòu)象（T態(tài)）和松馳構(gòu)象（R態(tài)）或亞基的聚合和解聚之間的相互轉(zhuǎn)變而改變酶的活性。如大腸桿菌的磷酸果糖激酶-1是由四個一致亞基所構(gòu)成的一個四聚體，每個亞基均含調(diào)理部位及催化部位。變構(gòu)激活劑ADP可與調(diào)理部位相結(jié)合，使磷酸果糖激酶-1浮現(xiàn)松馳構(gòu)象（R態(tài)）而對底物果糖-6-磷酸具高親和力。相反，當變構(gòu)抑制劑FDP與一致的調(diào)理部位相結(jié)合時，卻引起磷酸果糖激酶-1浮現(xiàn)緊湊構(gòu)象（T態(tài)）而使酶對底物果糖-6-磷酸的親和力降低。有的是原聚體與多聚體相互轉(zhuǎn)化而引起酶活性的改變。如乙酰CoA羧化酶也是一種變構(gòu)酶，其原聚體無催化活性，在檸檬酸、異檸檬酸存在時，10~20個原聚體聚合成線狀排列的多聚體，催化活性增加10~20倍。而ATP-Mg2+和長鏈脂酰CoA能使多聚體解聚成為原聚體而使酶失去活性。

（3）變構(gòu)酶的酶促反應(yīng)動力學特征是酶促反應(yīng)速度和底物濃度的關(guān)系曲線呈“S〞形曲線，與氧合血紅蛋白的解離曲線相像，而不同于一般酶促反應(yīng)動力學的矩形雙曲線。

（4）變構(gòu)調(diào)理過程不需要能量3．變構(gòu)調(diào)理的意義：

在一個合成代謝體系中，其終產(chǎn)物?？墒乖撏緩街写呋鹗挤磻?yīng)的限速酶反饋變構(gòu)抑制，可以防止產(chǎn)物過多堆積而浪費。例如體內(nèi)高濃度膽固醇作為變構(gòu)抑制劑，抑制肝中膽固醇合成的限速酶HMG－CoA還原酶活性，而使膽固醇合成減少。此外，變構(gòu)調(diào)理可直接影響關(guān)鍵酶的活性來調(diào)理體內(nèi)產(chǎn)能與儲能代謝反應(yīng)，使能量得以有效利用，不致浪費。AMP是糖分解代謝途徑中大量關(guān)鍵酶的變構(gòu)激活劑，如細胞內(nèi)能量不足，AMP含量增多時，則可通過激活相應(yīng)關(guān)鍵酶的活性而使糖分解代謝加強；相反，ATP是這些關(guān)鍵酶的變構(gòu)抑制劑，如機體能量充足，ATP含量增多時，則可通過抑制這些酶的活性而減慢產(chǎn)能的代謝反應(yīng)。（四）酶的化學修飾調(diào)理1．化學修飾調(diào)理的概念：

酶蛋白肽鏈上的某些基團可在另一種酶的催化下，與某些化學基團發(fā)生可逆地共價結(jié)合從而引起酶的活性改變，這種調(diào)理稱為酶的化學修飾（chemicalmodification）或共價修飾（covalentmodification）。酶的可逆化學修飾主要有磷酸化（phosphorylation）和脫磷酸化（dephosphorylation），甲基化(methylation)和脫甲基化(demethylation)，腺苷化(adenylation)和脫腺苷化(deadenylation)及－SH和－S－S－互變等，其中以磷酸化和脫磷酸化最為多見（表11－4）。

表11-4：某些酶的磷酸化與脫磷酸修飾2．化學修飾調(diào)理的作用機制

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由特異酶催化的化學修飾是體內(nèi)快速調(diào)理酶活性的重要方式之一，磷酸化是細胞內(nèi)最常見的修飾方式。酶蛋白多肽鏈中的絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸的羥基往往是磷酸化的位點。細胞內(nèi)存在著多種蛋白激酶，可催化酶蛋白的磷酸化，將ATP分子中的γ-磷酸基團轉(zhuǎn)移至特定的酶蛋白分子的羥基上，從而改變酶蛋白的活性；與此相對應(yīng)的，細胞內(nèi)亦存在著多種磷蛋白磷酸酶，它們可將相應(yīng)的磷酸基團移去，可逆地改變酶的催化活性。因此，磷酸化與脫磷酸化這對相反過程，分別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學修飾的典型例子。此酶有兩種形式：即有活性的磷酸化酶a和無活性的磷酸化酶b，二者可以相互轉(zhuǎn)變。磷酸化酶b在磷酸化酶b激酶催化下，接受ATP上的磷酸基團轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄竌而活化；磷酸化酶a也可在磷酸化酶a磷酸酶催化下轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄竍而失活。該酶被修飾的基團是絲氨酸的羥基。（圖11-2）

圖11-2肌肉磷酸化酶的化學修飾

3．化學修飾調(diào)理的特點：

（1）大多數(shù)化學修飾的酶都存在有活性（或高活性）與無活性（或低活性）兩種形式，且兩種形式之間通過兩種不同的酶的催化可以相反轉(zhuǎn)變。對于磷酸化與脫磷酸化而言，有些酶脫磷酸化狀態(tài)有活性，而另一些酶磷酸化狀態(tài)有活性。

（2）由于化學修飾調(diào)理本身是酶促反應(yīng)，且參與酶促修飾的酶又往往受其他酶或激素的影響，故化學修飾具有瀑布式級聯(lián)放大效應(yīng)。少量的調(diào)理因素可引起大量酶分子的化學修飾（圖11-3）。因此，這類反應(yīng)的催化效率往往較變構(gòu)調(diào)理高。

圖11-3磷酸化酶激活的級聯(lián)放大反應(yīng)（3）磷酸化和脫磷酸化是最常見的酶促化學修飾反應(yīng)，其消耗的能量是由ATP提供，這與合成酶蛋白所消耗的ATP相比要少得多，因此，化學修飾是一種經(jīng)濟、快速而有效的調(diào)理方式。

變構(gòu)調(diào)理和化學修飾調(diào)理是調(diào)理酶活性的兩種不同方式，對某一種酶來說，它可以同時接受這兩種方式的調(diào)理，相互補充，使相應(yīng)代謝途徑調(diào)理更為精細、有效。例如，二聚體糖原磷酸化酶存在磷酸化位點，且每個亞基都有催化部位和調(diào)理部位，因此，在受化學修飾的同時也可由ATP變構(gòu)抑制，并受AMP變構(gòu)激活。細胞中同一種酶受變構(gòu)和化學修飾雙重調(diào)理的意義可能在于：變構(gòu)調(diào)理是細胞的一種基本調(diào)理機制，對維持代謝物和能量平衡具有重要作用，但當效應(yīng)劑濃度過低，就不足以與全部酶蛋白分子的調(diào)理部位結(jié)合時，就不能動員所有的酶發(fā)揮作用，難以發(fā)揮應(yīng)急效應(yīng)。當在應(yīng)激狀態(tài)下，隨著腎上腺素的釋放，通過cAMP,

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啟動一系列的級聯(lián)酶促化學修飾反應(yīng)，迅速有效地滿足機體的急需。

（三）酶含量的調(diào)理

生物體除通過直接改變酶的活性來調(diào)理代謝速度以外，還可通過改變細胞內(nèi)酶的絕對含量來調(diào)理代謝速度。酶含量的調(diào)理可通過影響酶的合成與降解速度而實現(xiàn)。由于酶的合成或降解耗時較長，故此調(diào)理方式為遲鈍調(diào)理，但所持續(xù)的時間較長。

1．酶蛋白合成的誘導與阻遏

絕大多數(shù)酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，酶的合成也就是蛋白質(zhì)的合成。大量因素如酶的底物、產(chǎn)物、激素或藥物等都可以影響酶蛋白的合成。一般將增加酶蛋白合成的化合物稱為誘導劑（inducer），減少酶蛋白合成的化合物稱為阻遏劑（repressor）。誘導劑或阻遏劑可在轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平影響酶蛋白的合成，但以轉(zhuǎn)錄水平較常見。

底物對酶合成的誘導（induction）與阻遏（repression）是普遍存在的。如食入蛋白質(zhì)增多也，可誘導合成尿素循環(huán)的酶。鼠飼料中蛋白質(zhì)含量從8%增加至70%時，鼠肝精氨酶活性可增加2~3倍。這種誘導作用對于維持體內(nèi)代謝的平衡具有一定的生理意義。對于高等動物而言，因其體內(nèi)存在激素的調(diào)理作用，底物誘導作用不如微生物體內(nèi)重要。

代謝產(chǎn)物不僅可變構(gòu)抑制或反饋抑制關(guān)鍵酶的活性，而且還可阻遏這些酶的合成。例如HMG-CoA還原酶是合成膽固醇的關(guān)鍵酶，高濃度產(chǎn)物膽固醇除了作為變構(gòu)抑制劑反饋抑制肝中膽固醇合成的限速酶HMG－CoA還原酶活性外，還可阻遏肝中該酶的合成。

激素誘導酶基因表達是常見方式，例如糖皮質(zhì)激素能誘導一些氨基酸分解酶和糖異生關(guān)鍵酶的合成。而胰島素則能誘導糖酵解和脂酸合成途徑中關(guān)鍵酶的合成。大量藥物和毒物可促進肝細胞微粒體中單加氧酶或其他一些與藥物代謝有關(guān)酶的誘導合成，從而使藥物簡單失活，具有解毒作用。然而，這也是引起耐藥現(xiàn)象的一個原因。

2．酶分子降解的調(diào)理

改變酶分子的降解速度也能調(diào)理細胞內(nèi)酶的含量，從而達到調(diào)理酶的總活性。細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解目前發(fā)現(xiàn)有兩條途徑：其一，溶酶體中蛋白水解酶進行非特異降解酶蛋白；其二，泛書-蛋白酶體對細胞內(nèi)酶蛋白的特異降解，且需消耗ATP。若某些因素能改變或影響這兩種蛋白質(zhì)降解體系，即可間接影響酶蛋白的降解速度，而調(diào)理代謝。

二、激素水平的代謝調(diào)理

高等動物通過細胞外信號分子激素來調(diào)控體內(nèi)物質(zhì)代謝，稱為激素水平的代謝調(diào)理。激素作用于特定的靶組織或細靶胞(targetcell)，引起細胞物質(zhì)代謝沿著一定的方向進行而產(chǎn)

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生特定生物學效應(yīng)。激素作用的一個重要特點是不同激素作用于不同的組織或細胞產(chǎn)生不同的生物學效應(yīng)（也可產(chǎn)生部分一致的生物學效應(yīng)），表現(xiàn)出較高組織特異性和效應(yīng)特異性。激素之所以能對特定的組織或細胞發(fā)揮作用，是由于該組織或細胞具有能特異識別和結(jié)合相應(yīng)激素的受體（receptor）。按激素受體在細胞的部位不同，可將激素分為膜受體和細胞內(nèi)受體激素。有關(guān)激素對細胞的信號轉(zhuǎn)導作用見第十九章細胞信號轉(zhuǎn)導。

三、整體水平的代謝調(diào)理

為適應(yīng)外界環(huán)境的變化，生物體可通過神經(jīng)-體液途徑對其物質(zhì)代謝進行整體調(diào)理，使不同組織、器官中物質(zhì)代謝途徑相互協(xié)調(diào)和整合，以滿足機體的能量需求并維持機體內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定。如應(yīng)激及饑餓時，機體通過調(diào)理以適應(yīng)緊急狀況。

（一）應(yīng)激狀態(tài)下的代謝調(diào)理

應(yīng)激是機體在一些特別狀況下，如嚴重創(chuàng)傷、感染、寒冷、中毒、猛烈的情緒變化等所作出的應(yīng)答性反應(yīng)。在應(yīng)激狀態(tài)下，交感神經(jīng)興奮，腎上腺皮質(zhì)及髓質(zhì)激素分泌增多，血漿胰高血糖素及生長激素水平也增高，而胰島素水平降低，引起糖代謝、脂代謝及蛋白質(zhì)代謝發(fā)生相應(yīng)的改變。

1．血糖濃度升高：應(yīng)激時，糖代謝的變化主要表現(xiàn)為血糖濃度升高。由于交感神經(jīng)興奮引起大量激素分泌增加。腎上腺素及胰高血糖素均可激活磷酸化酶而促進肝糖原分解；糖皮質(zhì)激素和胰高血糖素可誘導磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的表達而促使糖的異生；腎上腺皮質(zhì)激素生長激素可抑制周邊組織對血糖的利用。血糖濃度升高對保證了紅細胞及腦組織的供能有重要意義。應(yīng)激時血糖濃度明顯升高，如超過腎糖閾8.88~9.99mmol/L時，部分葡萄糖可隨尿液排出而導致應(yīng)激性糖尿。

2．脂肪動員加強：應(yīng)激時，脂代謝化的主要表現(xiàn)變?yōu)橹緞訂T增加。由于腎上腺素、胰高血糖素、去甲腎上腺素等脂解激素分泌增多，通過提高甘油三酯脂肪酶的活性而促進脂肪分解。血中游離脂肪酸增多，成為心肌、骨骼肌和腎等組織主要能量來源，從而減少對血液中葡萄糖的消耗，進一步保證了腦組織及紅細胞的葡萄糖的供應(yīng)。

3．蛋白質(zhì)分解加強：應(yīng)激時，蛋白質(zhì)代謝主要表現(xiàn)為蛋白質(zhì)分解加強。肌肉組織蛋白質(zhì)分解增加，生糖氨基酸及生糖兼生酮氨基酸增多，為肝細胞糖的異生作用提供了原料。同時蛋白質(zhì)分解增加，尿素的合成增多，出現(xiàn)負氮平衡（negativenitrogenbalance）。

總之，應(yīng)激時，體內(nèi)三大營養(yǎng)物質(zhì)代謝的變化均趨向于分解代謝加強，合成代謝受到抑制，最終使血中葡萄糖、脂肪酸、酮體、氨基酸等濃度相應(yīng)升高，為機體提供足夠的能量物

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質(zhì)，以幫助機體應(yīng)付“緊急狀態(tài)〞。若應(yīng)激狀態(tài)持續(xù)時間較長，可導致機體因消耗過多也出現(xiàn)衰竭而危及生命。（二）饑餓時的代謝調(diào)理

1．短期饑餓：在不能進食1~3天后，肝糖原顯著減少，血糖濃度降低。便引起胰島素分泌減少和胰高血糖素分泌增加，同時也引起糖皮質(zhì)激素分泌增加，這些激素的改變可引起一系列的代謝變化，主要表現(xiàn)為：

（1）肌蛋白分解增加：肌肉蛋白質(zhì)分解釋放出的氨基酸大部分可轉(zhuǎn)變?yōu)楸彼岷凸劝滨０?，?jīng)血液轉(zhuǎn)運到肝臟成為糖異生的原料，蛋白質(zhì)的降解增多可導致氮的負平衡。

（2）糖異生作用加強：饑餓2天后，肝糖異生作用明顯加強（占80%），此外腎臟也有糖異生作用（約占20%），氨基酸為糖異生的主要原料，通過糖異生作用維持血糖濃度的相對恒定，為維持某些依靠葡萄糖供能組織（如腦組織及紅細胞）的正常功能。

（3）脂肪動員加強，酮體生成增多：由于脂解激素分泌增加，脂肪動員加強，血液中甘油和游離脂肪酸含量增高，大量組織以攝取利用脂肪酸為主，此外脂肪酸β氧化為肝酮體生成提供了大量的原料。而肝臟合成的酮體既為肝外其他組織提供了能量來源，也可成為腦組織的重要能源物質(zhì)。這使大量組織減少對葡萄糖攝取和利用。饑餓時腦組織對葡萄糖利用也有所減少，但饑餓初期的大腦仍主要由葡萄糖供能。

2．長期饑餓：在較長時間的饑餓狀態(tài)（一周以上），體內(nèi)的能量代謝將發(fā)生進一步變化，此時代謝的變化與短期饑餓不同之處在于：

（1）脂肪動員進一步加速，酮體在肝及腎細胞中大量生成，其中腎糖異生的作用明顯加強，生成約40克葡萄糖/天。腦組織利用酮體增加，甚至超過葡萄糖，可占總耗氧的60%，這對減