高级生物化学代谢调节

1、PAGE 128PAGE 132第六章 代谢调节代谢是一切生命活动的基础。代谢包括物质代谢、能量变代谢和信息代谢三个方面。任何物质变化总伴有能量变化，而能量变化又总伴随着它们组成成分相对无序和有序结构的变更。组织结构的这种变化可以通过称为“熵”的热力学函数进行测量。熵越大，系统越混乱；反之熵越小，系统的有组织程度就越高。信息也可以作为系统组织程度的量度，获得信息便意味着混乱程度或者不确定程度减少，也就是说它的组织程度越高。因而可以说信息就是负熵。活细胞不断与环境交换物质，摄取能量，输入负熵，从而得以构建和维持其复杂的组织结构；这种关系一旦破坏，便意味着死亡。在本科的学习阶段我们已经讲述了糖、脂

2、肪、蛋白质和核酸等物质的代谢过程，以及这些物质代谢过程中能量和信息的变化。实际上，生物机体的新陈代谢是一个完整统一的过程，并且存在复杂的调节机制。生物体内的各种代谢变化是由酶驱动的，酶有两种功能：其一，催化生化反应，是生物催化剂；其二，控制代谢的速度、方向，是新陈代谢的调控元件。酶对代谢的调节主要有两种方式：一种是通过激活和抑制以改变细胞内已有酶分子的催化活性；另一种是通过影响酶分子的合成与降解以改变酶分子的含量。这种“酶水平”的调节机制是代谢的最本质的调节。高等动物新陈代谢调节的基本方式有三种：细胞水平的调节、激素的调节的神经的调节。细胞水平的调节是从单细胞生物到高等动物都具有的一种最原始的

3、调节方式，也是其他调节方式的基础。它主要是通过细胞内某些调节物浓度的改变，来改变关键酶的活性。细胞内的调节物主要是：细胞能量体系，即ATP/ADP（AMP）；细胞还原力体系，即NADPH/NADP+；其他重要代谢中间物，如6-磷酸葡萄糖、柠檬酸及长链脂酰CoA等等。动物的膜结构把整个细胞分成许多小区，并把不同代谢途径的酶系固定的分布在不同的分区中，为代谢调节提供了方便。这种分隔一方面可使某些调节物只对某一分区中的代谢途径发生影响；另一方面还可通过膜的转运功能，根据条件变化的需要把调节物从一个分区转到另一个分区，以发挥调节作用。高等动物是多细胞生物，因而除了每个细胞都能自己调控其自身的代谢途径以

4、适应其自身的生命活动外，还需要有协调全身各个组织、各个细胞之间代谢的机制。并且整个动物作为一个整体，还需要对内外环境的变化做出准确的反应。这些任务主要由神经和激素来完成的。高等动物具有多种内分泌腺，它们分泌多种不同的激素，每种激素都对代谢有特异的调节作用。激素的分泌也是受到调控的。当机体需要时，就促使某些内分泌腺分泌激素，这些激素通过血液到达靶细胞，对靶细胞的代谢发挥其调节作用。神经对代谢的调节途径有两条：其一是通过神经递素对效应器直接发挥作用；其二是改变某些激素的分泌，通过这些激素间接发挥其调节作用。神经和激素敏感地探测着内外环境的变化，并根据内外环境的变化情况来调控新陈代谢以进行适应。所以

5、神经和激素的调控是全身性调控。 酶活性调节酶活性调节是一种快速调节机制。关键酶的活性对调节浓度的改变能做出迅速、灵敏地反应，以适应内外环境变化的要求。一、酶促反应的前馈与反馈前馈是指代谢底物对代谢过程的作用；反馈则是指代谢产物对代谢过程的作用。前馈和反馈都分为正作用和负作用两种。代谢底物对途径关键酶的激活作用称为正前馈；代谢底物对途径关键酶的抑制作用称为负前馈。代谢产物对途径关键酶的激活作用称为正反馈；代谢产物对途径关键酶的抑制作用称为负反馈。如下图所示，S代表反应物，其中S0为底物，P为产物；E代表酶，其中E0为途径关键酶。 正前馈 正反馈 + + E0 E1 E2 S0 S1 S2 P -

6、 - 负前馈 负反馈 1前馈作用通常，代谢物对代谢反应有促进作用。在代谢途径中前面的底物对其后某一关键酶起激活作用，就称为正前馈作用。正前馈作用的例子很多。例如，糖原合成中，6-磷酸葡萄糖是糖原合成酶的变构激活剂，可促进糖原的合成。 ATP ADP UTP PPi 糖原合成酶葡萄糖 G-6-P G-1-P UDPG 糖原 +在某些特殊情况下，为了避免代谢途径的过分拥挤，当代谢底物过量存在时，对代谢途径亦可呈负前馈作用。此时过量的代谢底物还可以转向另一个途径。例如，高浓度的乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的变构抑制剂，因而可避免丙二酸单酰CoA合成过多。 乙酰CoA羧化酶 乙酰CoA+CO2+ATP

7、 丙二酸单酰CoA+ADP+Pi -2.反馈作用一价反馈抑制 一价反馈抑制(或称单价反馈抑制)是指一个单一代谢途径的末端产物对催化反应的关键酶活性（通常是第一个酶活性）的抑制作用。例如，催化嘧啶核苷酸生物合成的第一个酶天冬氨酸转氨甲酰酶，是该途径的关键酶，它受到途径的终产物胞苷三磷酸的反馈抑制。 天冬氨酸转氨甲酰酶氨甲酰磷酸+天冬氨酸 氨甲酰天冬氨酸 乳清酸 Pi - CMP CTP CDP 二价或多价反馈抑制与同工酶调节 在分支生物合成途径中，有时催化共同途径第一步反应的酶活性可被两个或两个以上末端产物所抑制，称为二价或多价反馈抑制。另一种情况是，关键步骤的反应由两个或两个以上的酶所催化，这

8、些酶是同工酶它们可被各自分支途径的产物所抑制。例如赖氨酸和苏氨酸对天冬氨酸同工激酶的抑制，如图所示。 a - A.B.C天冬氨酸 天冬氨酰磷酸 天冬氨酸-半醛 高丝氨酸 苏氨酸 c d e - - - b - 赖氨酸 甲硫氨酸 异亮氨酸A.B.C为天冬氨酸同工激酶；a苏氨酸单价的反馈抑制；b赖氨酸单价的反馈抑制；c、d、e赖氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸对相应酶的反馈抑制。累加反馈抑制 多条分支途径的末端产物对其共同途径第一步反应的酶活性具有抑制作用，对该酶活性抑制的强弱程度是多种末端产物的累加效应，这种抑制作用称为累加反馈抑制。例如，谷氨酰胺合成酶接受多条代谢途径末端产物的反馈抑制，这些代谢途径的

9、末端产物有甘氨酸、丙氨酸、色氨酸、组氨酸、CTP、AMP等。如图所示。 甘氨酸 丙氨酸 色氨酸 组氨酸 CTP 谷氨酰胺合成酶 谷氨酸+NH3 谷氨酰胺 AMP ATP ADP+Pi 氨甲酰磷酸 - 葡糖胺-6-磷酸 各种末产物累加的反馈抑制连续负反馈作用（顺序反馈抑制） 代谢途径的终产物或靠后的代谢物反馈抑制途径的关键酶之一，使该酶前方的代谢物积累，后者再反馈抑制其前方的另一关键酶的方式称为连续负反馈作用或顺序反馈抑制。例如，在糖代谢途径中，当ATP（或柠檬酸）的浓度升高时，首先抑制酵解途径的一个关键酶-磷酸果糖激酶的活性，使6-磷酸葡萄糖的浓度升高，后者再反馈抑制己糖激酶，从而使糖分解代谢

10、途径的速度降低。如图所示。 己糖激酶 磷酸果糖激酶葡萄糖 G-6-P F-6-P F-1,6-2P 乙酰-CoA - - ATP+CO2+H2O反馈激活 代谢物对酶活性的调节，不仅表现为反馈抑制，也可以表现为反馈激活。代谢物增强关键酶活性的作用称为反馈激活。例如，在鼠伤寒沙门氏菌体内，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性的调节中就存在着代谢物的激活作用。磷酸烯醇式丙酮酸通过羧化反应，形成草酰乙酸，这是复杂分支代谢途径中共同的第一步反应。由草酰乙酸可以转变成各种氨基酸和核苷酸。另一方面，草酰乙酸还可以促使乙酰CoA，通过三羧酸循环而被氧化。草酰乙酸作为氨基酸和核苷酸的前体物质，能被产物连续地进行反馈抑制。

11、即当嘧啶核苷酸积累时，催化其分支途径第一步反应的酶-天冬氨酸转氨甲酰酶受到抑制，这就导致天冬氨酸的积累，进而对磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性产生抑制作用。然而，三羧酸循环中柠檬酸的合成又必须要有草酰乙酸参加，从而产生了三种正调节，对磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶进行激活。这三种正调节是：嘧啶核苷酸的反馈激活；乙酰CoA的反馈激活；二磷酸果糖的前馈激活。如图所示。 核酸 葡萄糖 二磷酸果糖 嘧啶核苷酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 氨甲酰天冬氨酸 + + + 乙酰-CoA - - 天冬氨酸 草酰乙酸 柠檬酸 氨基酸 -酮戊二酸 蛋白质此外，乙酰CoA还能增加磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶对嘧啶核苷酸的亲合力，从而促进

12、了嘧啶核苷酸对磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的作用效应。这样，通过错综复杂的调节系统，就能使磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应处于最适当的水平。动物体内也存在着反馈激活作用。例如，当酵解作用增强（或其它原因）而使柠檬酸的合成加快，但细胞内的能量水平已够高，三羧酸循环的运转并不增强时，可使柠檬酸的浓度升高。柠檬酸浓度升高后，一方面反馈抑制了磷酸果糖激酸，使酵解途径的速度减慢，以减少乙酰CoA的来源；另一方面反馈激活乙酰CoA羧化酶，使乙酰CoA转向脂肪酸的合成。二者都使乙酰CoA的含量减少，也就减少了柠檬酸自己的合成，使柠檬酸的浓度保持恒定。 丙二酸单酰CoA 脂肪酸 乙酰CoA羧化酶 +葡萄糖 G-6-P F-

13、6-P F-1,6-2P 乙酰CoA 柠檬酸 - -这个机制说明，当一个代谢途径的代谢物过剩时，可使之转向另一个途径。从上述酶活性调节的实例中可能看出，反馈抑制在酶活性调节中占有很重要的地位。反馈抑制有很大的优点。第一，这种机制的实质是由产物本身来控制产生自己的生成速度，因而是控制产物数量最准确的方式。当产物的浓度高时，抑制途径的关键酶活性，使途径的速度降低，以减少产物的生成，使产物浓度得以降低。相反，当产物的浓度低时，对途径关键酶活性的抑制作用减弱，使途径的速度加快，以增加产物的生成量，从而使产物的浓度得以升高。第二，产物控制的大多数是途径（或分支途径）的第一个酶，所以是最经济的方式。可以设

14、想，如果控制的是其它的酶，当产物的浓度升高时，固然也能通过抑制该酶而降低产物生成的速度，但该酶以前的反应仍将以高速度进行，这将会使某些代谢物在体内堆积，产生不利作用，而且也浪费了原料和能量。所以，反馈抑制是最经济有效的调控方式，是酶活性调节最基本的方式。二、构调节1变构酶的概念生物体内的有些酶是由两个以上的亚基组成的寡聚酶，酶分子上有两个结合部位，一个可与调节物结合，调节酶的活性，称为调节部位；另一个可与底物结合，催化底物发生反应，称之为催化部位。当调节物（或称效应物）与调节部位结合时，引起酶分子构象的变化，从而改变了该酶的催化部位与底物结合的性能，使酶的活性也随之发生改变。我们将这种酶就称为

15、变构酶（或称为别位酶）。2变构调节的概念当调节物与变构酶的调节部位结合后，引起变构酶构象的改变，使其催化活性增强或减弱，以便达到调节新陈代谢的目的。我们将这种调节机制叫做变构调节（或别位调节）。其调节物（效应物）称为变构剂。能够增加酶与底物的亲合力，增强酶活性的调节物称为正效应物（或变构激活剂）；能够降低酶与底物亲合力，减弱酶活性的调节物称为负效应物（或变构抑制剂）。正效应物增加酶活性的作用称为变构激活，负效应物减弱酶活性的作用则称为变构抑制。3调节物不同变构酶的调节物分子是不同的，有的变构酶具有同促效应或称同种协同效应，它的调节物分子就是底物，也就是说，这些酶分子上有两个以上的底物结合中心，

16、其调节作用取决于酶分子上有多少个底物结合中心被底物所占据。有的变构酶具有异促效应，这种变构酶除与底物结合之外，还能与其它的调节物结合，即它的调节物不是底物分子。例如苏氨酸脱水酶的底物是苏氨酸，但调节物是L异亮氨酸。而更多的变构酶既有同促效应，又有异促效应，它既受底物分子的调节，又受底物以外的其它调节物分子的调节，也就是说它的调节物之一是底物，调节物之二、之三等是底物以外的其它物质。例如，大肠杆菌的天冬氨酸转氨甲酰酶既具有同促效应，又具有异促效应。天冬氨酸对其具有底物协同效应；CTP则是其变构抑制剂，而ATP是其变构激活剂，这二者又对其具有异促效应。变构酶的动力学及变构酶对酶促反应速度的调节变构

17、酶的酶促反应速度（初速度）与底物浓度之间的关系不符合典型的米氏方程，即不呈一般的vS双曲线，而大多数是“S”形的vS曲线。这种“S”形曲线表明，酶结合底物（或效应物）之后，酶的构象发生了变化，这种新的构象大大有利于后续分子与底物的结合，大大地促进了酶对后续的底物分子（或效应物）的亲合力，这是“正协调性”，又称为“协同结合”。这种变构酶称为具有正协同效应的变构酶。 Vmax + + - - 1/2Vmax S Km小 Km 大 km 正协同效应变构酶动力学曲线从正协同效应变构酶的动力学曲线图上可以看出，当增加正调节（变构激活剂）物浓度时，表观Km值减小，酶对底物的亲合力增大，但协同性（对底物浓度

18、变化的灵敏度）减小；增加负调节物（变构抑制）浓度时，表观Km值增大，酶对底物的亲合力减小，但协同性增大。此处的表观Km值也表示酶促反应最大速度一半时的底物浓度，但是不能用来计算变构酶的初速度，因为vS关系不是米氏方程中的关系。变构酶的“S”形动力学关系，十分有利于反应速度的调节。为了说明这个问题，我们可将变构酶的“S”形曲线与非调节酶的双曲线合并于一图，进行比较。 Vmax 90% A B 50% 10% S 0.11 1 2 3 4 5 6 7 8 9从图中可以看出，在非调节酶曲线（A）中，当S=0.11时，v达到Vmax的10%，当S=9时，v达到Vmax的90%，达到这两种速度的底物浓度

19、比为81；而在变构酶的“S”形曲线（B）中，当S=3时，v达到Vmax的10%，而当S=9时，v达到Vmax的90%，所以达到同样的速度，底物的浓度比仅为3。这表明，当底物浓度略有变化，如上升3倍，变构酶的酶促反应速度就可以从10% Vmax突然上升到90% Vmax。而在典型的米氏型酶中，酶促反应速度若发生这么大的变化，则需要底物浓度上升81倍才行。前者底物浓度3倍的变化对于动物体来说是可以忍受的，后者底物浓度81倍的变化对动物体来说则不可忍受，不可能存在。所以，变构酶的“S”形曲线优点体现为：当底物浓度发生较小变化时，变构酶活性可发生极大的变化，从而极大地控制着反应速度，这就是变构酶能灵敏

20、地调节酶促反应速度的原因所在。由于上述正协同效应，底物浓度对酶促反应速度的影响极大。换句话说，正是由于正协同效应，使得酶的反应速度对底物浓度的变化极为敏感。例如，大肠杆菌的天冬氨酸转氨甲酰酶（简称ATCase）是具有正协同效应的变构酶。ATCase由12条肽链组成，6条为形成催化亚基的C链，6条为形成调节亚基的R链。ATCase的三维结构是很独特的，一个催化三聚体亚基（C3）在上，另一个催化三聚体亚基（C3）在下，中间为三个调节二聚体亚基（R2），它们以一上一下的排列像腰带般地夹绕在两个C3中间。如图所示。EColi的ATCase中亚基的排列AATCase 的顶面观；BATCase 的前面观。

21、C代表催化亚基；R代表调节亚基。C C C C C C C C C ATP 汞化物 R R R R R R r r r r r r + r r r r r r CTP 巯基化合物 R2 C C C C C C C C C C3 无催化活性构象 有催化活性构象 催化亚基 调节亚基 T型 R型 （三聚体） （二聚体） ATCase的构象变化及其亚基的关系。图中的C代表催化亚基；R代表调节亚基。ATCase是既有同促效应又有异促效应的变构酶。当CTP沿未产生，只有天冬氨酸结合到催化亚基的活性中心时，即反应刚开始时，就有同促效应。此时一个分子的天冬氨酸结合到活性中心，就增加了其它亚基对底物的亲合力，因

22、此大大地增大了反应速度，表现出S形特征。这种同促过渡作用属于齐变类型。但是，一旦反应生成CTP，就有了天冬氨酸和CTP两种分子，这时就产生异促效应。CTP在不影响酶的Vmax的情况下通过降低酶与底物的亲合力来抑制ATCase，抑制程度可能达到90%，具体情况视底物的浓度而定。ATP则是ATCase的另一个异促效应调节物，它可以增强酶与底物的亲合力，同样也不影响酶的Vmax。同促效应的意义在于，当底物天冬氨酸浓度升高时，与酶的底物结合部位之一结合，引起酶分子构象的改变，增加了酶对后续底物分子的亲合力，提高了酶的催化活性，从而避免底物天冬氨酸的积累。CTP作为异促效应变构抑制剂的意义在于，当底物天

23、冬氨酸过多，而又要保持反应速度不变，以避免CTP积累过多时，便发生CTP的反馈抑制作用。CTP通过与调节亚基的结合，引起酶分子构象的改变，降低酶的催化活性，减少终产物CTP的生成，以保持其浓度的恒定。ATP作为异促效应变构激活剂的意义在于，ATP作为信号表明有能量供给核酸合成，而需要加强嘧啶核苷酸的合成，以保证原料供给。此时，ATP与酶的调节亚基结合，引起酶分子构象的改变，增加酶与底物天冬氨酸的亲合力，提高酶的催化活性，加快CTP的合成速度。ATCase的动力学曲线及负调节物CTP和正调节物ATP作用的动力学过程如图所示。 Vmax + +ATP 无 +CTP 同促效应动力学曲线 - 1/2V

24、max 表观Km（即Km） S ATCase动力学曲线5.变构酶调节酶活性的机理变构酶活性的改变是通过酶分子四级结构的改变来完成的。目前有两种重要的酶分子模型用来解释变构酶的“S”形动力学曲线。这两种模型都是以变构酶是寡聚酶的事实为根据，并受到血红蛋白接受氧的机理的启发而提出的。序变模型（KNF模型）序变模型假说主张酶分子中亚基结合小分子物质（底物或调节物）后，亚基逐个地依次变化，因此酶分子有各种可能的构象状态。如下图模式所示： S S S S 亚基全部处 全部亚基处 按次序变化 于“关”型 于“开”型 （T型） （R型）在这个模型中表示了一个四亚基的酶分子模型，其中“R型”为“开”型构象，它

25、有利于结合底物或调节物，“T型”为“关”型构象，它不利于结合底物或调节物。当底物（或正调节物）浓度上升到可以与其中的一个亚基牢固结合时，这时剩下的亚基就会按次序迅速地改变构象，形成一个有活性的四聚体，给出“S”形曲线。在序变模型中既可以有正调节物的作用，又可以有负调节物的作用。由于这个序变模型可以表示酶分子的许多中间构象状态，因此用来解释变构酶的酶活性调节作用比下面介绍的齐变模型更好一些，适用于大多数变构酶，特别是在描述异促效应时，一般认为用序变模型更好一些。齐变模型或对称模型（MWC模型）齐变模型假说主张变构酶的所有亚基，或者全部呈坚固紧密的、不利于结合底物的“T”状态，或者全部呈松散的、有

26、利于结合底物的“R”状态，这两种状态间的转变对每个亚基都是同时的、齐步发生的。“T”状态中亚基的排列是对称的，变成“R”状态后亚基的排列仍然是对称的。如图所示： 齐步变化 S S S S “T”状态 “R”状态 （对称亚基） （对称亚基） 对称亚基 齐步变化 对称亚基正调节物（如底物）与负调节物浓度的比例决定变构酶究竟处于哪一种状态。当无小分子调节物存在时，平衡趋向于“T”状态，当有少量底物时，平衡即向“R”状态移动，当构象已转变为“R”状态后，又进一步增强对底物的亲合力，给出“S”形动力学曲线。这个模型可以解释正调节物的作用。可以假定“R”状态有利于正调节物结合，“T”状态有利于负调节物作用

27、。在齐变模型中，同促效应必然有正的协同效果，而异促效应则可能有正的协同效果，也可能有负的协同效果。例如，天冬氨酸对ATCase是同促效应；CTP对ATCase的反馈抑制是异负促效应，ATP对ATCase的激活作用是正异促效应。血红蛋白的情况则为：协同结合氧是同促效应；H+、CO2、DPG降低对氧的亲合力是负异促效应。有人认为不能用一种模型去解释所有变构酶的行为，从现有的实验数据来看，很可能某些变构酶的行为符合序变模型，而另一些变构酶的行为符合齐变模型，有的变构酶则在这种条件下其行为符合齐变模型，而在另一种条件下又符合序变模型，它们有着不同的调节机理。也有人认为可以期望将来有可能只用一种模型来解

28、释变构酶的作用机理。三、共价调节1共价调节酶的两个特点有些酶，在其它酶的催化下，其分子结构中的某些特殊基团，如：Ser、Thr或Tyr的OH基，能与特殊的化学基团，如ATP分子上脱下的磷酸基或腺苷酸基（AMP）共价结合或解离，从而使酶分子在有活性形式与无活性形式之间相互转变，这种修饰作用称为共价调节。这种被修饰的酶称为共价调节酶。生物体内共价调节酶比较多，下表是一些例子。共价调节酶及酶活性调节酶修饰机理活性变化糖原磷酸化酶磷酸化酶b激酶糖原合成酶丙酮酸脱氢酶谷胺酰氨合成酶磷酸化/脱磷酸磷酸化/脱磷酸磷酸化/脱磷酸磷酸化/脱磷酸腺苷酰化/脱腺苷增大/减小增大/减小减小/增大减小/增大减小/增大这

29、类酶最显著的特点之一是，它有无活性型（或低活性型）和有活性型（或高活性型）两种形式。最典型的例子是动物组织中的糖原磷酸化酶，它催化糖原转变为1-磷酸葡萄糖，是糖原分解代谢的关键酶。 磷酸化酶糖原（n）+H3PO4 糖原（n-1）+ 1-磷酸葡萄糖这个酶有两种形式：活性较高的形式是磷酸化酶a，活性较低的形式是磷酸化酶b。磷酸化酶a是一个由四个亚基组成的寡聚酶，其中每一个亚基含有一个其羟基被磷酸化了的丝氨酸残基。亚基上的这些磷酸基是酶表现催化活性所必需的，它们可以被相关的磷酸酶水解而除去。反应如下： 磷酸化酶磷酸酶磷酸化酶a + 4H2O 2磷酸化酶b + 4H3PO4磷酸化酶a上的磷酸基被酶水解

30、除去后， 磷酸化酶a解离成两个低活性的半分子磷酸化酶b。而这种低活性的磷酸化酶b又可以在磷酸化酶激酶的作用下，接受ATP提供的磷酸基重新磷酸化，“复活”为高活性的磷酸化酶a。反应如下： 磷酸化酶激酶2磷酸化酶b + 4ATP 磷酸化酶a + 4ADP由此可见，磷酸化酶的活性调节，是通过磷酸基与酶分子的共价结合（磷酸化）和从酶分子上水解除去磷酸基（脱磷酸）来实现的。 P P 磷酸化酶a （高活性） P P 4H2O 4ADP 磷酸化酶 磷酸化酶 磷酸酶 4Pi 4ATP 激酶 + 磷酸化酶b （低活性） 磷酸化酶两种形式的转变过程共价调节酶的另一个显著特点是，它们可以将化学信号极大地放大，可实现

31、使酶促反应速度在Vmax的1%-99%范围内变化的调节，这是变构酶无法实现的。例如，一个磷酸化酶激酶分子可以催化几千个低活性的磷酸化酶b转变为高活性的磷酸化酶a，能极大地加快糖原的分解速度。实际上，从肾上腺素（化学信号）到糖原分解是一连串的放大作用，称为酶的级联放大作用。2共价调节酶的两种类型共价调节酶有两种不同的类型。第一种类型的共价调节酶，通过接受ATP提供的磷酸基磷酸化或脱下磷酸基而进行共价修饰，如磷酸化酶。第二种类型的共价调节酶，通过接受ATP提供的腺苷酰基或脱下腺苷酰基而进行共价修饰，如大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶： +腺苷酰基高活性的谷氨酰胺合成酶酶 低活性的谷氨酰胺合成酶酶 -腺苷酰

32、基谷氨酰胺合成酶有12个亚基，腺苷酰基从ATP转移到每一个亚基的专一性酪氨酸残基上，产生低活性的谷氨酰胺合成酶。相反，当低活性的谷氨酰胺合成酶水解除去腺苷酰基后，又转变为高活性的谷氨酰胺合成酶。共价修饰调节的意义前面我们讲过，调节酶是变构酶，只需要调节物浓度发生3倍量的变化，就可以实现酶促反应速度在Vmax的10%-90%范围内的变化，所以可以灵敏的调节新陈代谢。但在有些情况下，动物体需要更迅速、更灵敏地调节代谢途径的速度，例如动物体需要酶促反应速度在Vmax的1%-99%范围内发生变化，此时，调节酶即使是变构酶，也不能满足需要，因而需要有灵敏的放大调节机制。共价修饰调节的意义就在于，对调节物

33、的调节效应具有放大作用。只要催化酶型互变的两个酶（如糖原磷酸化酶系统中的磷酸化酶激酶和磷酸化酶磷酸酶）中的任何一个占据优势，当其催化的反应达到平衡时，则可以使99%的途径酶关键（如糖原磷酸化酶）转变为高活性型（如磷酸化酶a）或低活性型（如磷酸化酶b），从而实现酶促反应速度在Vmax的1%-99%范围内的变化。据计算，只要调节物的浓度增高或降低20%左右时，即可实现催化酶型互变酶的优势转换，不过此时优势酶的优势并不是很大的，因而优势酶催化的反应达到平衡时所需要的时间也可能较长，这就是共价修饰调节的的放大机制受到一定限制。但假如说，象变构调节一样，使调节物的浓度发生3倍量的变化，则优势酶的优势就十

34、分明显，催化反应达到平衡所需要的时间很短，就可以是途径中的关键酶在Vmax的1%-99%范围内迅速地发生变化。第二节 酶含量的调节生物体内除了通过改变已有酶的活性来调节代谢速度的机制之外，还存在着通过改变细胞内酶的含量来调节代谢速度的机制，这类调节机制称为酶含量调节。人们早就发现，随着生理条件的改变，动物可改变其某些酶的含量以进行适应。例如，人们早就知道，消化酶的含量随着食物营养成分的改变而改变，但这种改变比较缓慢。人类较长时间不吃脂肪，消化道中脂肪酶的含量就会减少，此时，若吃入大量的脂肪，就会因为脂肪酶的含量不会立即增多而发生消化不良。然而对于动物体内酶含量调控的机制，只是在近年来才开始有所

35、了解。原则上说，酶含量的调节包括酶合成速度的调控和酶降解速度的调控两个方面，因为合成和/或降解速度的改变都可改变酶的含量。酶合成速度的调节实质上是蛋白质合成速度的调控，其调控机制也就是基因表达的调控机制。从蛋白质的合成过程可以推知，酶合成速度的调控可在其合成过程中的每一个环节上进行，目前一般将其分为转录水平的调控和翻译水平的调控。所谓转录水平的调控是指为某一酶编码的结构基因是转录还是不转录，如果转录，则转录的速度是快还是慢的问题。许多事实证明，动物的基因有的转录，有的就不转录；有的转录的快，有的转录的慢，这是控制动物种的特点、生长发育以及适应环境的很重要的方式。动物体DNA中所含基因的数目是十

36、分庞大的，但只有一小部分被表达，其余绝大部分则在动物的一生中根本就不转录。在被转录的基因中，有的无论什么时候在任何细胞中都转录，有的则依时间、地点、条件为转移。早在三十年代人们即知道，细胞中有些酶，例如糖酵解和三羧酸循环酶类，是无论在什么条件下都以一定速度合成的，这些酶称为固有酶或者组成酶，而另一些酶则不同，它们平时产量极微，但当细胞在具有该酶底物存在的环境中生存时，该酶的合成量才显著增加，这些酶称为适应酶或可透导酶。这些酶合成多少的主要原因之一，就是取决于其基因转录的快慢。这是营养条件不同影响基因转录的例子，后来逐步发现，除了营养条件外，还有许多其他影响基因转录的客观因素。所谓翻译水平的调控

37、是指已有mRNA是否翻译，以及对翻译速度的调控。目前对翻译水平的调控了解的还太少，仅发现了一些事实，还不能对其调控机制作出详细地解释。一、酶蛋白合成的诱导作用与阻遏作用酶的底物或产物以及激素或药物都可影响酶的合成。一般将增加酶合成量的化合物称为诱导剂；将减少酶合成量的化合物称为阻遏剂。诱导剂增加酶合成量的作用称为诱导作用；阻遏剂减少酶合成量的作用称为阻遏作用。诱导剂和阻遏剂可在酶蛋白生物合成的转录和翻译过程中起作用，而以影响转录较为常见。目前认为，细胞中存在着两类与酶合成调节有关的调节蛋白：阻遏蛋白和激活蛋白。阻遏蛋白与DNA结合后，使转录处在关闭状态。阻遏蛋白分有活性型和无活性型两种形式，前

38、者可与DNA分子结合，后者则不能与DNA分子结合。诱导剂（如底物等）与有活性的阻遏蛋白结合后，可使其转变为无活性形式，从而开启基因的转录；阻遏剂（如产物）与无活性的阻遏蛋白结合后，可使其转变为有活性形式，从而关闭基因的转录。激活蛋白与DNA结合后，使转录处在开启状态。激活蛋白也分为有活性型和无活性型两种形式。前者可与DNA分子结合，后者则不能与DNA分子结合。诱导剂与无活性的激活蛋白结合后，可使其转变为有活性形式，从而开启基因的转录；阻遏剂与有活性的激活蛋白结合后，可使其转变为无活性形式，从而关闭基因的转录。由于这种调节作用要通过一系列蛋白质生物合成的环节，故调节效应出现较慢，但酶一旦被诱导合

39、成，即使去除诱导剂，酶仍能保持活性，直至酶蛋白被降解，因此调节效应持续的时间较长。1底物对酶合成的诱导作用受酶催化的底物可以诱导酶的合成，这种现象在生物界中普遍存在。高等动物由于有激素的调节，这种底物诱导作用不如微生物那么重要，但某些代谢途径中的关键酶也受到底物的诱导调节。例如，当饲料中的酪蛋白从8%增加到70%时，可使鼠肝精氨酸酶量增加2-3倍。将精氨酸加入到Hela细胞的培养基中，可使精氨酸酶的合成增快3-5倍。又如，在食物吸收后，血中很多氨基酸的浓度增加，氨基酸的增加又可能诱导氨基酸分解酶系中催化起始反应的酶，如色氨酸吡咯酶、苏氨酸脱水酶、酪氨酸转氨酶和鸟氨酸转氨酶等。这对维持体内游离氨

40、基酸浓度的相对恒定和促进氨基酸成糖均有一定的生理意义。2产物对酶合成的阻遏作用代谢途径的终产物不但能抑制途径关键酶的活性，而且还可以阻遏这些酶的合成。例如，-羟-甲基戊二酸单酰CoA还原酶（HMG-CoA还原酶）是胆固醇生物合成途径中的关键酶，它的生物合成受到胆固醇的反馈阻遏，所以当细胞内胆固醇的含量升高时，就会通过抑制HMG-CoA还原酶的生物合成来降低细胞内胆固醇的合成速度，以维持胆固醇含量的相对稳定。又如，-氨基-酮戊二酸合成酶（ALA合成酶）是血红素合成途径的关键酶，它的生物合成受途径终产物血红素的反馈阻遏。有人认为，这是由于血红素可以和细胞内的某些蛋白质结合为血红素蛋白质，该复合物对

41、ALA合成酶的模板mRNA有阻遏作用，使其在核糖体上不能翻译出ALA合成酶，从而减少了血红素的合成。3药物对酶合成的诱导作用很多药物和毒物可促进肝细胞微粒体上混合功能氧化酶或其他一些药物代谢酶的合成，从而促进药物和毒物的氧化失活。这实际上也属于底物对酶合成的诱导作用，这对防止药物和毒物的积聚中毒具有重要意义，但也因之而导致耐药现象。例如，长期服用苯巴比妥催眠的人，会因诱导生成混合功能氧化酶而使苯巴比妥逐渐失效。氨甲酰喋呤治疗癌症时也可因诱导叶酸还原酶的合成而使原来剂量的氨甲酰喋呤不足以抑制此酶而失效。二、激素对酶含量的调节作用激素是高等动物体内影响酶合成最重要的调节因素。甾醇类激是普遍通过影响

42、蛋白质的生物合成来发挥生理效应的。例如，糖皮质素能诱导一些氨基酸分解代谢起始反应的酶和糖异生作用的关键酶。有些含氮类激素也能通过影响蛋白质的生物合成来发挥生理作用，如胰岛素则能诱导糖酵解和脂肪酸合成途径中关键酶的合成。影响酶或其它蛋白质生物合成的激素进入细胞内，与胞内的特异性受体结合成激素-受体复合物，该复合物再转移到细胞核中，在转移过程中发生变构作用，转变为有活性的激素-受体复合物，该活性复合物作用于染色质，诱导酶或其它蛋白质的生物合成。核内的活性复合物发挥生理效应的第一步是与染色体上的接受位点（非组蛋白）发生特异性结合。非组蛋白是特异性很高的酸性蛋白质，种类很多，在每一种细胞核内可多到50

43、0种以上。它们在不同组织和不同动物体内有很大的特异性。现在已有很多实验提示：它们与基因活动的调控有密切的关系。有人认为，活性复合物与染色体上的非组蛋白结合后，能使该部位消除阻抑状态，促进该部位的DNA片段（基因）进行转录，合成一些关键性mRNA，同时进行rRNA和tRNA的合成，再通过翻译过程合成一些特殊的蛋白质，这些蛋白质被称为诱导蛋白。最后由诱导蛋白发挥调节作用。不同激素产生的诱导蛋白的种类和功能都不相同。例如，雌二醇-受体复合物产生的诱导蛋白能活化RNA聚合酶，促使细胞核中各种RNA（mRNA、rRNA、tRNA）的合成，进而加速多种蛋白质的合成，导致子宫肥大，代谢增强。雌二醇受体复合物

44、对染色体的作用过程可概括为：染色体去阻抑合成特殊的mRNA合成诱导蛋白RNA聚合酶活性增强各种RNA合成加速多种蛋白质合成加速产生各种生理效应。由此可见，雌二醇是以多阶段方式逐步促进RNA和蛋白质合成来扩大它的生理效应的。目前，对其它甾醇类激素和甲状腺素等激素诱导蛋白质（酶）生物合成的机制还了解得较少，但它们都有增强细胞内RNA聚合酶活性和促进RNA合成的作用。所以，通过mRNA合成诱导蛋白质，再扩大生理效应，这可能是这类激素发挥作用的普遍规律。三、酶降解速度的调节改变酶分子的降解速度，也是调节细胞内酶含量的途径之一。例如，饥饿时精氨酸酶的含量增加，这主要是因为酶蛋白的降解速度减慢所致。而饥饿

45、使乙酰CoA羧化酶含量降低，这除了酶蛋白的生物合成减少之外，还与酶蛋白的降解速度加快的关。但目前人们对酶降解速度调节的机制还知道得很少，这是因为对细胞内蛋白质降解机制本身就了解的很少。不过人们已经提出了两种可能的调控机制。第一种机制认为，酶分子本身可能具有多种构型，其中有些比较稳定，有些则不稳定。调节物通过与酶作用而改变其构型，从而改变酶的稳定性，使酶的降解速度发生改变。第二种机制认为，调节物可改变酶降解体系的活性，即通过对酶降解体系中酶类（如胞内的蛋白水解酶等）的活化或抑制，在细胞内位置的转移等作用，以改变酶降解体系的活性，从而调控酶的降解速度。不过这些都是设想，还没有找到真正的例证。第三节

46、 整体调节高等动物是一个复杂的多细胞体系，每个细胞都被组织在高度分化了的组织和器官之中，各自执行着不同的生理功能，共同表现出动物的整个生命活动。这些不同组织的细胞既有分工，更需协调，才能使整个动物体的生命活动正常进行。事实上，动物体内的所有细胞都是互相依存和互相制约的。一种组织细胞的代谢发生了变化，必然影响另外一些组织细胞的代谢发生相应的变化。而且当内外环境发生变化时，常常是许多组织细胞的代谢发生改变以进行适应。机体的生理活动和内外环境的变化是多种多样的，要想使机体所有组织的细胞代谢随着这些变化做出准确而灵敏的反应，就必须把所有的细胞都高度组织起来，这种组织方式就是机体的整体调节。那么动物体是

47、怎样进行整体调节的呢？其中最简单也是最基本的方式就是通过某些代谢中间物浓度的改变在细胞间传递信息而实现的。例如，当肌肉活动增强消耗大量葡萄糖而使血糖浓度降低时，低血糖可使脂肪组织中的脂肪动员加强，于是血浆中游离脂肪酸的浓度升高。血浆中游离脂肪酸浓度升高后，一方面进入肌肉组织的量增加，促进了肌肉组织中脂肪酸的氧化分解；另一方面进入肝脏的脂肪酸量也增多，于是产生的酮体量增多，血浆中酮体浓度升高。血中酮体的浓度升高后，既可为肌肉组织所利用，也可为大脑组织所利用。由于此时肌肉和大脑等组织可利用脂肪酸和酮体氧化供能，从而节约了糖，同时酮体和脂肪酸的氧化产物又有抑制糖酵解的作用，因而使糖的消耗量降低，保证

48、了在持久的肌肉活动中不致缺乏糖。从这个例子可以看出，葡萄糖、脂肪酸和酮体就是在细胞间传递信息的代谢中间产物，由它们把肌肉、脂肪组织和肝脏等组织的代谢活动联系起来，以保证肌肉持久活动的进行。通过中间产物传递信息的机制虽然是整体调节的基础，并且简单可靠，然而单靠这种机制是远远不够的。因为：仍以上述例子而言，单靠低血糖来动员脂肪酸常常是不能满足要求的。首先，在需要大量动员脂肪酸时，血糖浓度要降得很低才行，但血糖浓度是不能大幅度降低的，因为大脑等组织在任何条件下都要消耗糖，因而血糖浓度的降低一般不能超过其正常值的30%。其次，在许多情况下（如应激时），要求在血糖浓度并不降低（甚至升高）的同时动员脂肪酸

49、，这是单靠中间产物作为信号物质所不能实现的。许多内外环境的变化不能以代谢中间产物作为信号。例如，惊恐、寒冷等刺激是不能改变某些中间产物浓度的，因而也就不能靠它们来传递信息以进行代谢调节了。因而为了适应内外环境的变化，在高等动物体内出现了神经和激素的整体调节代谢的体系。激素的种类很多，它们是由特异分化的细胞产生并分泌的调控代谢的化学信号。激素有强大的、多种多样的调控代谢的作用，它们的分泌则受到神经以及其它因素的调控。现在认为，许多外环境以及内环境的变化，首先作用于中枢神经系统，中枢神经细胞受到刺激后，它们通过电的传导和神经递素，或者直接调控代谢，或者促进和/或抑制某些激素的释放而间接调控代谢。另

50、外，有些内环境的变化也直接促进或抑制某种激素的分泌以调控代谢。这样，在神经、激素的调控下，使机体成为一个整体，随着内外环境的变化，随时调控各个组织器官的代谢，使之协调，以适应环境的变化。下面我们以饥饿和应激为例来说明这两种实际情况下的整体调节。饥饿时的整体调节由于各种原因，使动物体不能进能，体内的糖得不到补充时，可使动物体内的代谢发生一系列的改变，这些改变都是在激素的影响下产生的。短期饥饿，如不能进食1-3天后，体内可利用的肝糖原显著减少，血糖降低，引起胰岛素分泌减少和胰高血糖素分泌增加，这两种激素的增减可引起体内一系列的代谢变化。饥饿对血浆中某些激素和燃料浓度的影响见下表。饥饿对血浆中某些激

51、素和燃料浓度的影响动物所处状态胰岛素(微单位/毫升)胰高血糖素(微微克/毫升)血糖(mg%)脂肪酸乙酰乙酸-羟丁酸甘油总氨基酸丙氨酸丙酮酸微摩尔/升吸收后状态饥饿初期饥饿后期15861001501208070606001000120010100015001040006000601001004500450035003002501256045351肌肉组织释放氨基酸的速度加快 激素平衡的改变使骨骼肌的蛋白质分解加快，释放出氨基酸。释放出的氨基酸大部分转变为丙氨酸和谷氨酰胺，然后进入血液循环，成为糖异生作用的原料或者成为燃料。2糖异生作用增强 胰岛素对糖异生作用具有抑制作用，饥饿时胰岛素分泌减少，大

52、大减弱了这一作用。同时胰高血糖素可以促进以氨基酸为原料的糖异生作用，胰记血糖素分泌量的增加，大大加快了肝脏摄取丙氨酸，并以丙酮酸异生为糖的速度。所以在饥饿时，氨基酸（特别是丙氨酸）的糖异生作用明显增强，虽然肌肉组织释放出的丙氨酸增多，但血液中的丙氨酸浓度反而降低（见上表）。同时，肌肉组织释放出的谷氨酰胺在无酸中毒的情况下，主要被肠粘膜细胞摄取，并且也转变为丙氨酸，由门静脉进入肝脏，成为葡萄糖的另一重要来源。肝脏是饥饿初期糖异生作用的主要场所，约占体内糖异生总量的80%，小部分（约20%）则在肾皮质中进行。3脂肪动员加强和酮体生成增多 胰岛素促进脂肪组织的“酯化作用”，而抑制“酯解作用”。胰高血糖素则促进酯解作用。在饥饿时，二者分泌量的变化，大大促进了脂肪组织中脂肪的动员，使血浆中甘油和脂肪酸浓度升高（见上表）。甘油是糖异生的原料，可异生为糖。脂肪酸不但成为动物体的能量来源（包括为糖异生作用提供能量），而且能促进氨基酸、丙酮酸和乳酸的糖异生作用。例如，脂肪酸的代谢中间物乙酰CoA可激活与糖异生有关的丙酮酸羧化酶。从脂肪组织中分解释放出的