第二节 物质代谢的调节

　　一、代谢调节的方式和水平

　　1. 细胞水平的调节

　　通过改变关键酶的结构或含量以影响酶的活性，进而对代谢进行调节。是生物最基本的调节方式。关键酶催化的反应特点：在整条代谢通路中催化的反应速度最慢，又称限速酶；催化单向反应或非平衡反应；受多种效应物的调节。

　　2. 激素水平的调节

　　是通过与靶细胞受体特异结合，将激素信号转化为细胞内一系列化学反应，最终表现出激素的生物效应。

　　3. 神经水平的调节

　　是神经系统通过激素、酶或直接对组织、器官施加影响，进行整体调节。

　　二、细胞水平的调节

　　（一）酶活性的调节

　　通过改变酶结构快速调节酶活性，有2种调节方式。

　　1. 变构调节

　　变构剂与酶的调节亚基或调节部位非共价结合，引起酶分子构象改变，从而改变酶活性。受调节的酶称为变构酶或别构酶。变构剂有底物、产物、代谢途径终产物及小分子核苷酸类物质。变构效应有变构激活和变构抑制。变构调节主要以反馈方式控制酶的活性，反馈抑制（负反馈）普遍存在。

　　2. 共价修饰调节

　　酶分子的某些基团在另一种酶催化下发生化学共价修饰（如磷酸化/脱磷酸，乙酰化/脱乙酰，甲基化/脱甲基等），使酶的构象改变，从而改变酶活性。具有放大效应。

　　以上两种调节相辅相成。对某一具体的酶而言，可同时受到它们的调节。

　　（二）酶量的调节

　　通过改变酶的合成或降解以调节细胞内酶的含量，从而调节代谢的速度和强度。属迟缓调节。酶合成是受基因表达调节的，可在转录和翻译水平进行。

　　1. 原核生物基因表达的调节

　　1960~1961年Jacob和Monod对大肠杆菌乳糖发酵过程酶的诱导合成及各种突变型研究后，提出了操纵子模型。操纵子是原核生物基因表达的协调单位，一般含2~6个基因。操纵子模型的核心是对原核生物基因的划分，以后为基因结构分析证实并丰富该模型，还发现色氨酸操纵子、半乳糖操纵子等。转录的起始是基因表达的基本控制点。

　　（1）酶合成的诱导作用

　　乳糖操纵子（Lactose operon）由一组功能相关的结构基因（z、y、a），操纵基因（o），启动基因（p），调节基因（i）组成。三个结构基因“开放”可转录同一条mRNA，再翻译出3种利用乳糖的酶（β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷 转乙酰酶）。

　　乳糖操纵子“开”与“关”是在独立的正、负调节因子作用下完成的。阻遏蛋白是负调节因子，cAMP-CAP是正调节因子。CAP是代谢产物活化蛋白，也称cAMP受体蛋白（CRP）。cAMP-CAP结合在启动基因上可促进转录。

　　葡萄糖的降解物能抑制cAMP酶的活性，并活化磷酸二酯酶，使cAMP的浓度下降，CAP不能活化形成复合物，导致一些酶基因不能转录。大肠杆菌培养基有葡萄糖时，先利用葡萄糖，乳糖是诱导物。

　　（2）酶合成的阻遏作用

　　色氨酸操纵子是阻遏操纵子，可说明某些代谢产物阻止细胞内酶的合成。

　　trpE、D、C、B、A是结构基因。是开放的，转录并翻译合成trp的5种酶。PO是启动基因和操纵基因；L是前导序，a是衰减子。调节基因（trpR）表达的产物阻遏蛋白原无活性，培养基有trp或trp合成过量，可作为辅阻遏物与阻遏蛋白原结合，使其有活性，结合O，阻止P的启动，结构基因关闭。

　　阻遏作用只控制转录的起始，是粗调节；衰减子形成的衰减调节可控制转录的进行，使细调节。

　　2. 真核生物基因表达的调节

　　真核生物基因表达的调节比原核生物复杂。是多层次，受多种因子协同调控的，以正性调节占主导。在转录激活上主要表现在顺式作用元件和反式作用因子的相互作用。

　　顺式作用元件指影响自身基因表达活性的DNA序列，有启动子、增强子、沉默子等。增强子是增强基因转录活性的调控序列，远离转录起始点，决定基因的时间、空间特异性表达。沉默子是某些基因含有的负调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。

　　反式作用因子是与顺式元件结合实现转录调节的蛋白质，有基本转录因子和特异转录因子，一般都有多个结构域。

　　（三）酶的区域化

　　同一个细胞内催化各种代谢的酶有2千多种，催化各种代谢途径的酶往往组成各种多酶体系，存在胞液和一定的亚细胞结构区域，酶在细胞内有一定的分布和定位现象称酶的区域化。

　　真核细胞主要代谢酶系的区域化分布：糖酵解、戊糖磷酸途径、糖原合成、脂肪酸合成在胞液；三羧酸循环、氧化磷酸化、呼吸链、脂肪酸β氧化、酮体生成在线粒体；核酸合成在细胞核；蛋白质合成、磷脂合成在内质网；糖异生、尿素合成在胞液和线粒体；胆固醇合成、类固醇激素合成在胞液和内质网；多种水解酶在溶酶体；ATP酶、腺苷酸环化酶在细胞质膜。

　　三、激素对代谢的调节

　　激素是多细胞生物特殊细胞或腺体产生，经体液输送到特定部位引起特定生物学效应的一些微量化学物质。

　　激素是靶细胞外的信号分子，对代谢的调节是通过细胞信息传递，需受体介导的，和受体的作用有专一性、可逆性、放大性。

　　受体是与激素、递质或其它化学物质专一性结合并相互作用，最终触发细胞生物学效应的生物大分子，多数是蛋白质。

　　1. 膜受体激素

　　此类激素是蛋白质肽类激素及氨基酸衍生类激素，多为水溶性。

　　激素（第一信使）与膜受体结合，激活膜上腺苷酸环化酶，使ATP转为cAMP（第二信使），再激活蛋白激酶，进而发挥对靶细胞的调节作用。

　　2. 胞内受体激素

　　为类固醇激素，多为脂溶性。激素到达靶细胞，与胞内一种特殊的受体蛋白结合，形成复合物，在一定条件下进入细胞核，作为转录因子，调控相应基因的表达，产生代谢效应。

　　四、神经系统对代谢的调节

　　神经系统对代谢的调节是整体调节，以保持内环境的相对稳定。

　　短期饥饿，胰岛素分泌减少，胰高血糖素分泌增多，引起体内肌肉蛋白质分解，糖异生增强，脂肪分解及酮体生成增多。而长期饥饿，则蛋白质降解减少，脂肪分解及酮体生成进一步增多，肾的糖异生增强。

　　应激时，肾上腺髓质与皮质分泌增多，胰岛素分泌减少，引起脂肪动员增强，蛋白质分解加强，血糖升高。