第十一章物质代谢的相互联系及其调节(编写)

1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2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3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4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。图11-1：糖、脂、氨基酸代谢途径间的相互关系第二节物质代谢的调节代谢调节（metabolicregulation），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5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（multienzymesystem）或多酶复合体（multienzymecomplex），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。表11-1：主要代谢途径多酶体系在细胞内的分布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（keyenzymes））或调节酶（regulatoryenzymes。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-limitingenzymes），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6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。表11-2：重要代谢途径的关键酶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（allostericregulation）或别构调节。受变构调节的酶称为变构酶（allostericenzyme）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(allostericeffector)，其中能使酶活性增高的称为变构激活剂（allostericactivator），而使酶活性降低的称为变构抑制剂(allostericinhibi