第十章物质代谢的联系与调节 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握关键酶的概念和特点以及关键酶活性的调节方式（快速调节和迟缓调 节)，快速调节和迟缓调节 熟悉能量代谢的相互联系与制约，三大营养物质（糖、脂、蛋白质）代谢的相互 联系，体内代谢调节的基本方式。 了解物质代谢的特点，重要组织器官的代谢特点及联系：两类激素的受体模 式：饱食、空腹、饥饿、应激状态下的整体物质代谢调节：代谢综合征的概 念，糖尿病的主要代谢改变：代谢组学的概念。 生物体的生存和健康有赖于其机体不断地与外界进行物质交换。食物中的糖、脂及蛋白质经消化 吸收进人体内，在细胞内进行分解代谢提供能量，以满足生命活动的需要：同时也可通过合成代谢转变 成机体自身的蛋白质、脂类、糖类，以参与机体的构成。机体这种和环境之间不断进行的物质交换，即物 质代谢。物质代谢是生命的本质特征，也是生命活动的物质基础。 第一节物质代谢的特点及相互联系 一、物质代谢的特点 (一）整体性和通用性 1.各物质代谢途径相互协调“汇聚”为整体体外摄人的营养物，经消化吸收进入机体后的代谢不 是彼此孤立，而是同时进行的，且彼此互相联系、转变以及依存，构成统一的整体。例如进食后，摄入体 内的葡萄糖增多。机体除加强糖原合成外，葡萄糖分解代谢也同时加强，以释放充足的能量保证糖原 脂肪、蛋白质等物质合成：同时糖原分解、脂肪动员及蛋白质分解过程受到抑制。 此外，内源性代射物（体内各组织细胞分解来的糖、脂、氨基酸）也通衬各物质的共同代射池参与机 体的整体性物质代谢。例如：无论是由食物消化吸收的氨基酸，还是由机体自身组织蛋白降解产生的氨 基酸，或者机体自身合成的营养非必需氨基酸，均混为一体构成氨基酸代谢池，参与各种组织的代谢。 因此，细胞内各种物质的共同代谢池是物质代谢形成整体性的基础 2.ATP是能量“流通”的共同形式ATP是能量的直接利用形式。糖、脂及蛋白质在体内氧化分解 释出的能量，大部分储存在ATP的高能磷酸键中。体内其他的高能化合物，如磷酸肌酸、其他形式的 NTP、琥珀酰辅酶A等均需要转化为ATP进行利用。生命活动所需的一切能量如物质合成，肌肉收缩， 235
第二篇物质代谢及其调节 神经冲动的传导等均直接由ATP提供。ATP犹如一种能量货币，是能量交换的媒介，整合了细胞中复 杂的能量循环。 3.NADPH是合成代谢所需的还原当量许多参与氧化分解代谢的脱氢酶常以NAD'为辅酶。而 在很多还原性生物合成途径中，产物比其前体更具有还原性，因此参与这类合成代谢的还原酶则多以 NADPH为轴酶，提供还原当量。例如，经磷酸戊糖途径生成的NADPH既可为乙酰辅酶A合成脂酸，又 可为合成阳固醇提供环原当量。坏原当最NADP日是联系氧化与还原反应，整合分解与合成代谢途径 的“桥柔”。 4.分解/合成代谢途径具有共同的中间产物各种生物分子合成所需的小分子物质大多来源于分 解代谢途径。很多分解代谢途径都具有共同的中间产物。例如，丙酮酸、草酰乙酸是联系糖代谢与氨基 酸代谢的枢纽分子。三羧酸循环既是糖、脂肪及氨基酸分解代谢的最终共同通路，也是协调、联系三大 物质公解及相互转化的椒纽机制。通常将既与合成又与分解有关的代射途径称为两用代谢涂径。中间 产物和两用代谢途径是整合各种代谢途径的必经之路。 5.线粒体是代谢途径和代谢调节信号的整合点线粒体不仅是氧化磷酸化生成ATP的场所，也是 两用代谢途径的“起源地”，是细胞各种区域分隔的中心，担负联系、分流、整合细胞各种代谢途径的功 能。此外，线粒体具有调节细胞内C浓度、各种活泼氧水平的功能，因此线粒体功能与细胞信号转导 代谢稳定的调节，以及细胞凋亡密切相关。线粒体是整合物质代谢的功能产所。 (二)代谢调节维持稳态 生物体的各种物质代谢错综复杂，以对抗外环境变化，维持内环境恒定，即稳态。从生物化学角度 认识稳态，就是机体通过精细的调节机制，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度，以补偿外环境变 化而维持的代谢动力学动态稳定状态 一代谢稳态(metabolic homeostasis)。而这种通过改变各种物质 代谢的强度、方向和速度，以对抗代谢产物浓度变化的机制即为代谢调节。代谢调节普遍存在于生物 界，是生物的重要特征，是生命在进化过程中逐步形成的一种适应能力。 (三)各组织、器官物质代谢各具特色 由于各组织、器官分化不同，所含酶系的种类和含量各有差异，因而形成各组织、器官各具特色的代 谢特点。例如肝是维持血糖水平恒定的重要器官，它不仅能进行糖异生，还能进行糖原的合成和分解 再如肝只能进行酮体的合成却不能利用酮体：肝糖原的分解可以作为血糖的补充来源，而肌糖原分解 却只能分解供能，而不能直接补充血糖。这种物质代谢的组织特异性，对理解有关疾病的生化机制十分 重要 (四)代谢途径具有多样性 体内的物质代谢通常是以一系列酶促反应组成。代谢途径有多种： L.直线途径一般指从起始物到终产物的整个反应过程中无代谢支路。如DNA的生物合成等 2.分支途径一般是指代谢物可通过某个共同中间产物进行代谢分途，产生两种或更多种产物 例如以6磷酸葡萄糖为分支点的糖代谢，6磷酸葡萄糖可以进人糖酵解途径，也可进入磷酸戊糖途径， 还可以进人糖原合成途径。再如糖酵解途径产生的丙酮酸，在相对缺氧时被还原为乳酸，在有氧条件下 则氧化脱羧生成乙酰辅酶A。 3.循环途径循环中的中间产物可以反复生成，反复利用，使生物体能经济高效地进行代谢变换 而且循环反应可以从任一中间产物起始或终止，可大大提高代谢变化的灵活性。例如三羧酸循环、鸟氨 酸循环 二、物质代谢的相互联系 (一)三大营养物在能量代谢上相互联系、相互制约 糖、脂及蛋白质/氨基酸均可在体内氧化分解释放能量。从能量供应的角度看，这三大营养物可以 互相代替，并互相制约。一般情况下，机体氧化分解供能以糖、脂为主，较少分解蛋白质/氨基酸供能。 236
第十章物质代谢的联系与调节 这是因为，人类普通膳食所含热量物质主要是糖类（占总热量的60%~70%）和脂肪(20%-25%)：后 者又因其含水少便于储存，故成为机体储能的主要形式。与糖、脂不同，蛋白质虽然也能氧化分解提供 能量，但蛋白质是机体的“建筑材料”，其主要功能是参与细胞的构成，通常并无多余储存，故机体尽可 能节约蛋白质的消耗：再则，蛋白质/氨基酸氧化分解供能时产生氨（详见第7章），氨的转化可能会使 机体冒“损肝伤肾”风险而付出高昂代价。 虽然三大营养物在体内氧化分解的代谢途径各不相同，但它们的共同中间产物是乙酰CA,最终分 解机制是三羧酸循环，产生能量主要通过氧化磷酸化转化为ATP形式。所以任一供能物质分解代谢占 优势，常可抑制其他供能物质的分解。例如，脂肪分解增强、生成的ATP增多，ATP/ADP比值增高，可变 构抑制葡萄糖分解代谢中的限速酶一磷酸果糖激酶1活性，从而抑制葡萄糖分解代谢。相反，若供能物 质不足，体内ATP减少，ADP积存增多，则可变构激活磷酸果糖激酶-1，加速体内糖的分解代谢。 (二)物质代谢通过共同中间产物相互联系、相互转化 体内糖、脂、蛋白质/氨基酸和核酸等的代谢不是彼此独立，而是相互关联的。它们通过共同的中间 代谢物（即两条代谢途径汇合时的中间产物）和两用代谢途径（如三羧酸循环和生物氧化等）联成整体。 经此整合，三大营养物之间还可以互相转化：当一种物质代谢障碍时可引起其他物质代谢的紊乱，如 尿病时糖代谢的障碍，可引脂代谢、蛋白质代谢甚至水盐代谢的素乱。 1.糖代谢与脂代谢的相互联系 (1)糖可转变为脂肪：当从膳食中摄入的糖量超过体内能量消耗时，除合成少量糖原储存外，生成 的柠檬酸及ATP可变构激活乙酰辅酶A羧化酶，使由糖代谢而来的大量乙酰辅酶A得以羧化成丙二酰 铺酶A,进而合成脂酸及脂肪在脂肪组织中储存。这就是为什么摄取不含脂肪的高糖膳食可使人肥胖 及血甘油三酯升高的原因。 (2)脂肪中甘油部分可转变为糖：当大量脂酸分解时，在肝、肾、肠等组织中甘油激酶的作用下，将 甘油转变成3磷酸甘油，后者通过糖异生途径转变生成葡萄糖或糖原：但脂酸不能在体内转变为糖，因 为脂酸分解生成的乙酰辅酶A不能转变为丙酮酸。所以脂肪只有甘油部分可转变为糖。 (3)脂肪的分解代谢受糖代谢的影响：糖代谢的正常进行是脂肪分解代谢顺利进行的前提。因为 脂酸氧化的产物乙酰辅酶A必须与草酰乙酸缩合成柠檬酸后进入三羧酸循环，才能彻底氧化，而草酰 乙酸主要靠糖代谢产生的丙酮酸羧化生成。当饥饿、糖供给不足或糖代谢障碍时，脂肪作为主要的供能 物质大量动员，脂酸B氧化加强，由于缺乏糖代谢产生的草酰乙酸，乙酰辅酶A不能有效地进入三羧酸 循环而合成大量酮体，造成血酮体升高，产生高酮血症。 2.糖代谢与氨基酸代谢的相互联系 (1)绝大多数氨基酸可转变为葡萄糖：参与蛋白质构成的20种基本氨基酸，除生酮氨基酸（亮氨 酸、赖氨酸)外，都可通过脱氨作用生成相应的α酮酸。这些α-酮酸可转变成某些中间代谢物如丙酮 酸、草酰乙酸、α-酮戊二酸等，循糖异生途径转变为糖。如精氨酸、组氨酸及脯氨酸均可通过转变成谷氨 酸进一步脱氨生成α-酮戊二酸，经草酰乙酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸，再循糖酵解逆行途径转变成糖。 (2)糖可以转变为非必需氨基酸：糖代谢的一些中间代谢物，如丙酮酸、α酮戊二酸、草酰乙酸等 也可氨基化生成某些非必需氨基酸。但苏、甲硫、赖、亮、异亮、缬、苯丙及色氨酸等8种必需氨基酸不能 由糖代谢中间物转变而来，必须由食物供给，所以这就是为什么食物中的糖不能替代蛋白质，而蛋白质 却能替代糖和脂肪供能的重要原因。 3.脂类代谢与氨基酸代谢的相互联系 (1)蛋白质可以转变为脂肪：氨基酸无论生糖、生酮（亮氨酸、赖氨酸）或生酮并生糖氨基酸（异亮、苯 丙、色、酪、苏氨酸)分解后均可生成乙酰辅酶A,后者可合成脂酸进而合成脂肪，即蛋白质可转变为脂肪。 (2)氨基酸可作为合成磷脂的原料：丝氨酸脱羧可变为胆胺，胆胺经甲基化可变为胆碱。丝氨酸 胆胺及胆碱分别是合成丝氨酸磷脂、脑磷脂及卵磷脂的原料。此外，乙酰辅酶A也可合成胆固醇以满 足机体的需要。 237
第二篇物质代谢及其调节 (3)脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸：脂酸不能转变为氢基酸，仅脂肪的甘油可通过生成 3-磷酸甘油醛，进而生成某些非必需氨基酸的相应α-酮酸，再转变为非必需氨基酸。 4.核酸与氨基酸及糖代谢的相互关系 (1)氨基酸是体内合成核酸的重要原料：体内合成嘌吟、嘧啶核苷酸需要氨基酸作为重要原料，核 苷酸再进一步合成核酸(RNA、DNA)。如骠玲核苷酸的合成需甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺及一碳单 位；嘧啶核苷酸的合成需天冬氨酸、谷氨酰胺及一碳单位为原料。 (2)合成核苷酸所需的磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供。 三大营养物质代谢的相互联系见图10-1。 葡萄糖 6砖棱葡萄糖 途程 甘油。二 磷酸二羟丙 3磷酸甘油 脂肪 磷酸烯醇式丙刚酸 丙酮酸 ☐上士丙氨酸、色氨酸、丝氨酸 甘氨酸苏氨酸、半胱氨酸 乙酰轴酶A一→体 充氨酸、赖氨酸 天冬氨酸→草酰乙酸 谷氨酰 C02 酮戊二酸]、三谷氨酸 玻珀酸 血红素 图101糖、脂、氨基酸代谢途径间的相互联系 第二节组织、器官的代谢特点及联系 机体各组织、器官的代谢由于细胞分化和结构不同及功能差异，而各具特色，但它们并非孤立地进 23
第十章物质代谢的联系与调节 行，而是通过血液循环及神经系统联成统一整体（表10-1）。 表101重要器官及组织氧化供能的特点 器官组织 特有的酶 功能 主要代谢途径 主要代谢物 主要代谢产物 葡萄糖激酶，葡萄糖-6磷代谢枢纽糖异生，脂酸B-氧葡萄糖，脂酸，乳酸，葡萄糖，VLDL, 酸酶，甘油激酶，磷酸烯 化，糖有氧氧化，酮甘油，氨基酸等 HDL,酮体 醇式丙酮酸羧激酶 体生成 神经中枢糖有氧氧化，氨基酸葡萄糖，氨基酸，C02,H20 代谢 酮体 肌肉 脂蛋白脂酶，呼吸链丰富收缩 糖酵解，有氧氧化 脂酸，葡萄糖，酮体乳酸，C02,H20 肾 甘油激酶，磷酸烯醇式丙排泄尿液糖异生，糖酵解，酮脂酸，葡萄糖，乳酸，葡萄糖 酮酸羧激酶 体生成 甘油 心 脂蛋白脂酶，呼吸链丰富泵出血液有氧氧化 乳酸，葡萄糖，VLDL C02,H20 脂肪组织脂蛋白脂酶，激素敏感脂储存及动酯化脂酸，脂解 VLDL,CM 游离脂酸，甘油 肪酶一 员脂肪 红细胞无线粒体 运输氧糖酵解 葡萄糖 乳酸 一、肝 肝是机体物质代谢的枢纽，是人体的“中心生化工厂”。它的耗0，量占全身耗0，量的20%。它不 仅在糖、脂、蛋白质、水、盐及维生素代谢中均具有独特而重要的作用，而且还有监控和调节血液化学组 成的功能。 (一)肝在糖代谢中的作用 1.肝内生成的葡糖6-磷酸是糖原合成及其他单糖转换的枢纽肝细胞含有葡萄糖转运蛋白2 (glucose transporter2,GLUT2),使肝细胞能有效摄取血中的葡萄糖，维持肝细胞与血糖几乎相等的浓 度。葡萄糖激酶仅在肝细胞内且其Km值比肝外组织己糖激酶的Km值高，这一特性使肝在高浓度葡 萄糖情况下将葡萄糖转化为葡糖6-磷酸，进而在合成糖原；而在葡萄糖浓度较低时却能抑制糖原合成， 以确保脑等重要组织糖供给。血中葡萄糖浓度过低时，肝糖原合成抑制而分解加强，补充血糖，供肝外 组织利用。故肝糖原合成/分解是血糖调节的重要机制之一。肝受损时，糖原转换能力降低，所以严重 肝病患者糖耐量能力下降，易出现餐后高血糖、空腹低血糖等症候。 此外，肝内生成的葡糖-6磷酸还是葡萄糖、果糖、半乳糖及甘露糖互变的枢纽物质。通过这一枢 纽，小肠吸收的其他单糖均可在肝内转变为葡萄糖进一步代谢。 2.肝是糖异生的主要场所肝糖原分解虽可补充血糖，但肝糖原储存有限（占肝重的10%，约 150g),故肝糖原的分解仅能持续16~24小时。较长时间不进食，肝糖异生则成为血糖的重要来源。肝 是糖异生的主要器官，可使氨基酸、乳酸、甘油等非糖物质转变为糖，以保证机体对糖的需要。即使在正 常情况下，每日经糖异生途径转变而来的葡萄糖仍可达80~160g。 (二)肝在脂代谢中的作用 1,肝是内源性甘油三酯合成的主要场所因肝细胞内的葡萄糖激酶K值很大，故肝细胞内的糖 酵解途径主要依赖葡萄糖的浓度，只有葡萄糖浓度较高时才会有部分葡萄糖进入酵解途径被肝利用。 通常情况下，肝能量供应以脂酸氧化为主。脂酸氧化而来的乙酰辅酶A除进入三羧酸循环氧化分解供 能，还可以作为酮体合成的原料。此外，葡萄糖供应过剩时，除少部分合成糖原，肝还可以将大量葡萄糖 来源的乙酰辅酶A转变成脂酸，进而合成甘油三酯，这是内源性甘油三酯的主要来源，并以VLDL形式 239
、第二篇物质代谢及其调节 输出肝外。 2。肝合成酮体供肝外组织利用饥饿时，脂肪动员增加，脂酸成为多数组织的主要能源物质。脂 酸在肝内经B-氧化产生大量乙酰辅酶A,合成酮体增多，向肝外组织输出，其中60%~70%供给脑组 织，30%被心肌利用。 3.血浆胆固醇及磷脂主要来源于肝胆固醇及磷脂在体内大多数组织都能合成，但肝合成最为洁 跃。肝可利用糖及某些氨基酸合成胆固醇及磷脂，是血液中胆固醇及磷脂主要来源。 (三)肝在氨基酸代谢中的作用 1。肝内氨基酸代财活跃，合成尿素是肝的特异功能肝内氨基酸代谢的舞类十分丰富，所以氨用 酸在肝内进行的转氨基、脱氨基、脱羧基、转甲基等反应十分活跃。肝通过这些反应可合成营养非必需 氨基酸及各种含氮类化合物（如肌酸、胆碱等）。 此外，因为合成尿素所需的氨基甲酰磷酸合成酶】及鸟氨酸氨基甲酰转移酶仅在肝细胞线粒体内 才有，故只有肝细胞才具有合成尿素的功能。尿素合成不仅可以解除“氨毒”，从氨基酸转化反应总平 衡看，从氨基酸代谢池中移除氨有利于氨基酸转换反应的进行。 2.多数血浆蛋白质在肝内合成肝不仅可利用氨基酸合成自身的结构/功能蛋白质，而且还合 成大部分血浆蛋白质，如血浆白蛋白、凝血因子、凝血酶原及纤维蛋白原等。严重肝病会导致白蛋 白、凝血因子、凝血酶原合成减少，出现因血浆白蛋白/球蛋白比值倒置的肝性水肿及凝血机制 障碍。 、 脑不能储存能源物质，但却是机体耗能大的主要器官。正常情况下，由于脑组织己糖激酶活性 高，因此即使在血糖水平较低时也能利用葡萄糖。故葡萄糖是脑组织的主要供能物质，每天耗用葡 萄糖约100g。由于脑组织无糖原储存，其耗用的葡萄糖只能由血糖供应。长期饥饿血糖供应不足 时，脑则利用由肝生成的酮体作为能源。饥饿3~4天后每天耗用约50g酮体，饥饿2周后耗用酮体 可大100g 三、骨骼肌 骨骼肌收缩所需能量的直接来源是ATP。通常情况下，骨骼肌收缩所需的ATP主要通过脂酸B氧 化、三龄酸循环及氧化难酸化获得：但在剧列云动时，脂酸氧化所获得的ATP不能移满足骨骼肌的需 求，这时则以糖酵解作为补充来源，同时产生乳酸。而乳酸则通过乳酸循环在肝重新异生为葡萄糖，因 此乳酸循环是整合肝糖异生和肌糖酵解途径的重要机制。由于肌细胞缺乏葡萄糖6磷酸酶，因此肌糖 原不能直接分解成葡萄糖提供血糖。在禁食和长期饥饿情况下，骨路肌蛋白被降解，通过丙氨酸葡萄 糖循环等机制为肝糖异生过程提供原料 四、肾 仔也可进行糖异生和生成铜体，它是除肝外唯一可进行上述两种代谢途径的器官。在正常情况 下，肾糖异生量仅占肝糖异生的10%，而饥饿5~6周后每天由肾生成葡萄糖约40g,几乎与肝糖异 生的量相等。肾髓质因无线粒体，主要由糖酵解供能，而肾皮质则主要由脂酸及酮体的有氧氧化 供能。肾生成的谷氨酰胺不仅是储氨、运氨以及解氨毒的重要方式，而且还有调节体液酸碱平衡 的作用。 五、心肌 心的功能是泵出血液，通过血液沟通全身的物质代谢，所以，心肌对能量供应是敏感的。由于心肌 细胞富含肌红蛋白、细胞色素及线粒体，故心肌的能量代谢以有氧氧化为主，其主要能源物质依次为脂 240
第十章物质代谢的联系与调节 酸、酮体及乳酸。这是因为，心肌富含多种硫激酶的同工型，可催化长短碳链脂酸进行B氧化，这使脂酸 优先成为心肌氧化分解供能分子。而脂酸B氧化产物乙酰辅酶A是磷酸果糖激酶1（糖酵解途径关键 酶)的抑制剂，故脂酸的氧化抑制了葡萄糖酵解途径的进行。同时心肌细胞富含的LDH,也利于乳酸氧 化。因此，心肌在餐后不排斥利用葡萄糖为能源物质，而餐后数小时或饥饿时利用脂酸和酮体，运动中 或运动后则利用乳酸。 六、脂肪组织 脂肪组织是合成及储存脂肪的重要组织。肝虽可大量合成脂肪，但不能储存脂肪，肝细胞内 合成的脂肪以VLDL的形式释放人血，供其他组织利用或储存到脂肪组织。脂肪细胞还含丰富的 激素敏感甘油三酯脂肪酶，能使储存的脂肪分解成脂酸和甘油释人血循环以供机体其他组织能源 的需要 七、成熟红细胞 成熟红细胞的主要功能是运输氧，但由于其没有线粒体，因此不能进行糖的有氧氧化，也不能利用 脂酸及其他非糖物质。红细胞能量主要来自葡萄糖的酵解途径，每天消耗约30g葡萄糖。 不同组织器官的代谢、代谢中间物及代谢终产物，通过血液循环、神经系统及激素的调节构成统 整 第三节物质代谢调节机制 正常情况下，机体各种物质代谢及代谢途径是井然有序、相互联系、相互协调地进行，以适应内外环 境的不断变化，保持机体内环境的相对恒定及动态平衡。这是因为机体有一套完整而精细的调节系统。 对于高等生物而言，该系统分为三个水平层次：①细胞水平调节：即通过细胞内代谢物浓度的变化，对酶 的活性及含量进行调节：②激素水平调节：即通过分泌的激素可对其他细胞发挥代谢调节作用；③整体 水平调节：即在中枢神经系统的控制下，或通过经神经纤维及神经递质对靶细胞直接发生影响，或通过 某些激素的分泌来调节某些细胞的代谢及功能，并通过各种激素的互相协调而对机体代谢进行综合调 节。在代谢调节的三级水平中，细胞水平调节是基础，激素及神经对代谢的调节都是通过细胞水平的调 节实现的。 一、细胞水平的代谢调节 细胞是组成组织及器官的最基本功能单位。细胞水平调节是代谢调节的最原始调节，也叫做初始 调节。细胞水平调节的调控点是细胞中催化代谢反应的酶，特别是各代谢途径的关键酶。 (一)细胞内酶的隔离分布 代谢途径有关酶类常常组成酶体系，分布于细胞的某一区域或亚细胞结构中。例如：糖酵解酶系 糖原合成及分解酶系、脂酸合成酶系均存在于细胞液中，三羧酸循环酶系、脂酸B-氧化酶系则分布于线 粒体内，而核酸合成酶系绝大部分集中于细胞核内（表10-2）。酶的区隔分布使一系列酶促反应连续进 行概提高了反应速度又便干调控 酶在细胞内的隔离分布使有关代谢途径分别在细胞不同区域内进行，这样不致使各种代谢途径互 相干扰。例如脂酸的合成是以乙酰辅酶A为原料在胞浆内进行，而脂酸B-氧化生成的乙酰辅酶A则是 在线粒体内进行，这样，二者不致互相干扰导致乙酰辅酶A的无意义循环 (二)关键酶活性的调节 代谢途径实质上是一系列酶催化的化学反应，其速度和方向是由这条途径中一个或几个具有调节 241
第二篇 物质代谢及其调节 表102部分代谢途径（多酶体系）在细胞内的分布 代谢途径 酶分布 代谢途径 酶分布 脂酸合成 胞液 脑赫解 胞液 三羧酸循环 线粒体 胆固醇合成 内质网，胞液 磷酸戊糖途径 胞液 碗脂合成 内质网 糖原合成 胞液 DNA及RNA合成 细胞核 糖原分解 蛋白质合成 内质网，胞液 糖异生 胞液 多种水解酶 溶酶体 脂酸B-氧化 线粒偏 尿素合成 胞液，线粒体 氧化磷酸化 线粒体 作用的关键！的活性所决定的。这些调节代谢的酶称为调节酶(regulatory enzymes)或关建酶(key en yms)。调节酶或关键酶所催化的反应具有下述特点：①它催化的反应速度最慢，因此又称为限速酶 (limiting velocity enzymes),它的活性决定整个代谢途径的总速度；②这类酶催化单向反应，或非平衡反 应，因此它的活性决定整个代谢途径的方向：③这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂 的调节。因此，调节某些关键酶或调节酶的活性是细胞代谢调节的一种重要方式。表103列出一些重 要代谢途径的关键酶。 表10-3某些重要代谢途径的关键酶 代谢途径 关键酶 代谢途径 关键酶 糖原合成 糖原合酶 糖异生 丙酮酸发化酶 糖原分解 磷酸化酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 糖解 己糖激酶 果糖1,6二酸酶 碗酸果糖激酶】 三羧酸循环 柠檬酸合酶 丙酮酸激璃 异柠楼酸脱氧码 脂酸合成 乙酰辅眸A羧化酶 α酮戊二酸脱氢酶 胆固醇合成 HMG CoA还原酶 酮体生成 HMG CoA合成酶 代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节实 现的。按调节的快慢可分为快速调节及慢速调节 两类。快速调节主要是通过改变酶的分子结构 蛋白激酶 从而改变其活性来调节酶促反应的速度。快速调 节主要有三种机制：①酶原激活：②变构调节 PO ③共价修饰调节。这部分内容已在第3章第五节 磷蛋白酸酶 酶活性调节一节中讨论。一些重要代谢途径中的 酶蛋 H.0 变构酶及其效应剂见表104。酶的共价修饰主 要有磷酸化/去磷酸，乙酰化/去乙酰，甲基化/去 图10-2酶的磷酸化与去磷酸 甲基，腺苷化/脱腺苷，及-SH与-SS互变等，其中 磷酸化与去磷酸化在代谢调节中最为多见（图10-2，表10-5）。 2
第十章物质代谢的联系与调节 表104一些代谢途径中的变构裤及其效应剂 代谢途径 变构酶 变构激活剂 变构抑制剂 三骏酸循环 柠檬酸合酶 AMP ATP,长链脂酰CoA 异柠檬酸脱氢陶 AMP ADP ATP 糖异生 丙酮酸化酶 乙酰CoA,ATP AMP 糖原分解 糖原磷酸化酶 AMP.G-1-P,Pi ATP,G-6-P 脂酸合成 乙酰辅酶A羧化刷 柠檬酸，异柠檬酸 长链脂酰CoA 氨基酸代谢 谷氨酸脱氢酶 ADP,亮氨酸，蛋氨酸 GTP.ATP.NADH 嘌呤合成 谷氨酰胺PRPP酰转移酶 PRPP AMP,GM 嘧啶合成 天冬氨酸转甲胜酶 CTP,UTP 核酸合成 脱氧胸苷激酶 dCTP.dATp dT'P 表105酶促共价修饰对酶活性的调节 帝 化学修饰举型 酶活性改变 糖原合酶 磷酸化/去酵酸化 抑制/激活 糖原磷酸化酶 磷酸化/去磷酸化 激活/抑制 破酸化酶b激码 磷酸化/去砖酸化 激活/抑制 丙酮酸脱羧酶 磷酸化/去磷酸化 抑制/活 丙酮酸脱氢酶 磷酸化/去磷酸化 抑制/激活 乙酰CaA骏化酶 磷酸化/去磷酸化 抑荆/激活 黄嘌吟氧化脱氢酶 -SH/-S-S- 脱氢酶/氧化酶 慢速调节则是通过改变细胞内酶含量而达到改变代谢的方向和速度，即通过改变酶的合成或降解 速度而实现的，一般需数小时或几天才能实现。这部分内容已在第三章第五节中已有简要的叙述，关于 酶蛋白合成的调节见第十六章基因表达调控，酶蛋白降解的调控见第八章第二节的蛋白质降解 二、激素水平的代谢调节 激素水平的代谢调节是高等动物体内代谢调节的重要方式，激素作用有较高的组织特异性和效应特 异性，不同激素作用于不同组织产生不同的生物效应。激素与靶细胞上特异受体(receptor)结合，发挥作 用，将激素的信号跨膜传递入细胞内，转化为一系列细胞内的化学反应，最终表现出激素的生物学效应。 按激素受体在细胞的部位不同，可将激素分为两大类：膜受体激素和胞内受体激素。 （一)膜受体激素 膜受体是存在于细胞表面质膜上的跨膜糖蛋白。这类激素包括胰岛素、生长激素，促性腺激素，促 甲状腺激素，甲状旁腺素等蛋白质类激素，生长因子等肽类及肾上腺素等儿茶酚胺类激素。这些激素都 是亲水的，难以越过脂双层构成的细胞表面质膜。这类激素作为第一信使分子与相应的靶细胞膜受体 结合后，通过跨膜传递将所携带的信息传递到细胞内。然后通过第二信使将信号逐级放大，产生显著代 谢效应。各种跨膜信号传递将在第十七章信号转导讨论。 (二)胞内受体激素 这类激素包括类固醇激素、甲状腺素，1,25-(0H)2维生素D,及视黄酸等疏水性激素。这些激素可 透过脂双层细胞质膜进入细胞，与相应的胞内受体结合。他们的受体大多数位于细胞核内，亦有在胞液 中与激素结合后再进入核内与其核内特异受体结合，引起受体构象改变。然后由两个激素受体复合物 248
第二篇物质代谢及其调节 形成二聚体，与DNA的特定序列即激素反应元件(hormone response element,.HRE)结合，促进（或抑制） 相应的基因转录，进而促进（或阻遏）蛋白质或酶的合成，调节细胞内酶的含量，从而对细胞代谢进行 调节。 三、整体水平的代谢调节 在神经系统主导下，调节激素释放，并通过激素整合不同组织/器官的细胞内代谢途径，实现整体调 节，以适应环境的变化，从而维持代谢稳态。现以饥饿及应激为实例说明整体物质代谢的调节 (一)饱食 1,混合膳食通常情况下，人体摄入的膳食为混合膳食，经消化吸收后的主要营养物质以葡萄糖 氨基酸和CM形式进入血液，体内胰岛素水平中度升高，机体主要分解葡萄糖，为各组织器官供能。未 被分解的萄萄糖，一部分在胰岛素的作用下合成肝糖原和肌糖原存：另一部分在肝内转换为丙酮酸 乙酰辅酶A,合成甘油三酯，以VDL形式运输到脂肪防等组织贮存或被其他组织利用。吸收的甘油三酯 大部分被运输到脂肪组织、肌肉组织等转换、储存或利用，少部分经肝转换为内源性甘油三酯。 2。高糖腊食人体摄人高精腊食后，体内胰岛素水平明显升高，胰高血糖素降低。在胰岛素作用 下，食物消化吸收而来的葡萄糖少部分在骨骼肌合成肌糖原，在肝合成肝糖原和甘油三酯，后者运输到 脂肪等组织储存成被其他组织利用：大部分葡萄糖直接被运输到脂舫组织、骨路肌等转换成甘油三酯等 非糖物质储存或利用， 3.高脂膳食进食高脂膳食后，体内胰岛素水平降低，胰高血糖素水平升高。在胰高血糖素作用 下，肝糖原分解补充血糖，供给脑组织等。肌组织氨基酸分解、转化，生成丙酮酸运输到肝作为糖异生原 料合成葡萄糖，供应血糖及肝外组织。食物消化吸收而来的甘油三酯主要运输到脂肪和肌组织等储存 或利用。脂肪组织一方面在接受消化吸收而来的甘油三酯，另一方面也在部分水解脂肪生成脂肪酸，运 送到其他组织。肝利用脂肪酸生成酮体，供应脑等肝外组织利用。 4.高蛋白膳食摄入高蛋白膳食后，体内胰岛素水平中度升高，胰高血糖素水平也升高。在两者 协同作用下，肝糖原分解补充血糖，供给脑组织等。食物消化吸收而来的氨基酸主要在肝通过糖异生途 径生成葡萄糖，供应脑组织及其他肝外组织：少部分氨基酸可以转化为乙酰辅酶A,合成甘油三酯，供应 脂肪组织等：还有少部分氨基酸直接运送到骨骼肌。 (二)空腹 空腹通常指餐后12小时以后。此时体内胰岛素水平降低，胰高血糖素水平升高。事实上，在胰高 血糖素作用下，餐后6~8小时肝糖原即开始分解补充血糖，主要供应脑，兼顾其他组织需要。餐后16 24小时，尽管肝糖原分解仍可持续进行，但由于肝糖原即将耗竭，能用于分解的糖原已经很少，所以肝 糖原分解水平较低，主要依靠肝糖异生补充血糖。同时，脂肪动员中度增加，释放脂肪酸供应肝、肌等组 织利用。肝氧化脂肪酸产生酮体，主要供应肌组织。骨骼肌在接受脂肪组织输出的脂肪酸同时，部分氨 基酸分解，补充肝糖异生的原料。 (三)饥饿 在病理状态（如昏迷、食管及幽门梗阻等）或特殊情况下不能进食时，若不能及时治疗或补充食物， 则机体物质代谢在整体调节下发生一系列的变化。 1.短期饥饿在不能进食1~3天后，肝糖原显著减少。血糖趋于降低，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一系列的代谢改变。 (1)肌蛋白分解加强：释放入血的氨基酸量增加，肌蛋白质分解的氨基酸大部分转变为丙氨酸利 谷氨酰胺释放入血循环。饥饿第3天，肌释出丙氨酸占输出总氨基酸的30%~40%。 (2)糖异生作用增强：饥饿两天后，肝糖异生和酮体生成明显增加，此时肝糖异生速度约为每天 150g葡萄糖，其中30%来自乳酸，10%来自甘油，其余40%来自氨基酸。肝是饥饿初期糖异生的主要场 所，约占80%，小部分（约20%）则在肾皮质中进行