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第九章　物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)(Regulation in Metabolism)

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年11月24日 15:25

物質(zhì)代謝是生命現(xiàn)象的基本特征，是生命活動的物質(zhì)基礎。人體物質(zhì)代謝是由許多連續(xù)的和相關的代謝途徑所組成，而代謝途徑(如糖的氧化，脂肪酸的合成等)又是由一系列的酶促化學反應組成。在正常情況下，各種代謝途徑幾乎全部按照生理的需求，有節(jié)奏、有規(guī)律地進行，同時，為適應體內(nèi)外環(huán)境的變化，及時地調(diào)整反應速度，保持整體的動態(tài)平衡?？梢?，體內(nèi)物質(zhì)代謝是在嚴密的調(diào)控下進行的。

代謝調(diào)節(jié)機制普遍存在于生物界，是生物在長期進化過程中逐步形成的一種適應能力。進化程度越高的生物，其代謝調(diào)節(jié)的機制越復雜。單細胞的微生物受細胞內(nèi)代謝物濃度變化的影響，改變其各種相關酶的活性和酶的含量，從而調(diào)節(jié)代謝的速度，這是細胞水平的代謝調(diào)節(jié)，是生物體在進化上較為原始的調(diào)節(jié)方式。較復雜的多細胞生物，出現(xiàn)了內(nèi)分泌細胞。高等動物則出現(xiàn)了專門的內(nèi)分泌器官，這些器官所分泌的激素可以對其他細胞發(fā)揮代謝調(diào)節(jié)作用。激素可以改變某些酶的催化活性或含量，也可以改變細胞內(nèi)代謝物的濃度，從而影響代謝反應的速度，這稱為激素水平的調(diào)節(jié)。高等動物不僅有完整的內(nèi)分泌系統(tǒng)，而且還有功能復雜的神經(jīng)系統(tǒng)。在中樞神經(jīng)的控制下，或者通過神經(jīng)遞質(zhì)對效應器直接發(fā)生影響，或者通過改變某些激素的分泌，來調(diào)節(jié)某些細胞的功能狀態(tài)，并通過各種激素的互相協(xié)調(diào)而對整體代謝進行綜合調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)即稱整體水平的調(diào)節(jié)。以上所述的細胞水平的代謝調(diào)節(jié)、激素水平的調(diào)節(jié)和整體水平的調(diào)節(jié)，在高等動物和人體內(nèi)全都存在，下面分別進行介紹。

第一節(jié)　細胞水平的代謝調(diào)節(jié)

一、細胞內(nèi)酶的分隔分布

從物質(zhì)代謝過程中可知，酶在細胞內(nèi)是分隔著分布的。代謝上有關的酶，常常組成一個酶體系，分布在細胞的某一組分中，例如,糖酵解酶系和糖元合成、分解酶系存在于胞液中；三羧酸循環(huán)酶系和脂肪酸β-氧化酶系定位于線粒體；核酸合成的酶系則絕大部分集中在細胞核內(nèi)。這樣的酶的隔離分布為代謝調(diào)節(jié)創(chuàng)造了有利條件，使某些調(diào)節(jié)因素可以較為專一地影響某一細胞組分中的酶的活性，而不致影響其他組分中的酶的活性，從而保證了整體反應的有序性。一些代謝物或離子在各細胞組分間的穿梭移動也可以改變細胞中某些組分的代謝速度。例如，在胞液中生成的脂酰輔酶A主要用于合成脂肪；但在肉毒堿的作用下，經(jīng)肉毒堿脂酰轉移酶的催化，脂酰輔酶A可進入線粒體，參與β-氧化的過程。又如，Ca＋＋從肌細胞線粒體中出來,可以促進胞液中的糖元分解，而Ca＋＋進入線粒體則有利于糖元合成。

物質(zhì)代謝實質(zhì)上是一系列的酶促反應，代謝速度的改變并不是由于代謝途徑中全部酶活性的改變，而常常只取決于某些甚至某一個關鍵酶活性的變化。此酶通常是整條通路中催化最慢一個反應的酶，稱為限速酶。它的活性改變不但可以影響整個酶體系催化反應的總速度，甚至還可以改變代謝反應的方向。如，細胞中ATP/AMP的比值增加，可以抑制磷酸果糖激酶(和丙酮酸激酶)的活性，這不但減慢了糖酵解的速度，還可以通過激活果糖-1，6-二磷酸酶而使糖代謝方向傾向于糖異生。因此，改變某些關鍵酶的活性是體內(nèi)代謝調(diào)節(jié)的一種重要方式。

人體代謝的細胞水平調(diào)節(jié)，從速度方面來說有兩種方式，一種是快速調(diào)節(jié)，一般在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)即可發(fā)生。這種調(diào)節(jié)是通過激活或抑制體內(nèi)原有的酶分子來調(diào)節(jié)酶促反應速度的，是在溫度、pH、作用物和輔酶等因素不變的情況下，通過改變酶分子的構象或對酶分子進行化學修飾來實現(xiàn)酶促反應速度的迅速改變的。另一種是遲緩調(diào)節(jié)，一般經(jīng)數(shù)小時后才能實現(xiàn)。這種方式主要是通過改變酶分子的合成或降解速度來調(diào)節(jié)細胞內(nèi)酶分子的含量。現(xiàn)將這兩類調(diào)節(jié)作用分述如下：

二、酶分子結構的調(diào)節(jié)

(一)變構調(diào)節(jié)

1.變構調(diào)節(jié)的概念　某些物質(zhì)能與酶分子上的非催化部位特異地結合，引起酶蛋白的分子構象發(fā)生改變，從而改變酶的活性，這種現(xiàn)象稱為酶的變構調(diào)節(jié)或稱別位調(diào)節(jié)(allosteric regulation)。受這種調(diào)節(jié)作用的酶稱為別構酶或變構酶(allostericenzyme)，能使酶發(fā)生變構效應的物質(zhì)稱為變構效應劑(allosteric effector);如變構后引起酶活性的增強，則此效應劑稱為激活變構劑(allosteric activator)或正效應物；反之則稱為抑制變構劑(allostericinhibitor)或負效應物。變構調(diào)節(jié)在生物界普遍存在，它是人體內(nèi)快速調(diào)節(jié)酶活性的一種重要方式?，F(xiàn)將某些代謝途徑的變構效應劑列表如下：

表9-1　糖和脂肪代謝酶系中某些變構酶及其變構效應劑

代謝途徑變構酶激活變構劑抑制變構劑糖氧化分解已糖激酶
G-6-P
磷酸果糖激酶 AMP、ADP、FDP、Pi ATP、檸檬酸
丙酮酸激酶 FDP ATP、乙酸CoA
異檸檬酸脫氫酶 AMP ATP、長鏈脂酰CoA
檸檬酸合成酶 ADP、AMP ATP 糖異生果糖-1，6-二磷酸酶
AMP
丙酮酸羥化酶乙酰CoA、ATP
脂肪酸合成乙酰CoA羥化酶檸檬酸、異檸檬酸長鏈脂酰CoA

2.變構調(diào)節(jié)的生理意義　變構效應在酶的快速調(diào)節(jié)中占有特別重要的地位。在前面已經(jīng)提及，代謝速度的改變，常常是由于影響了整條代謝通路中催化第一步反應的酶或整條代謝反應中限速酶的活性而引起的。這些酶對底物不遵守米曼氏動力學原則。它們往往受到一些代謝物的抑制或激，這些抑制或激活作用大多是通過變構效應來實現(xiàn)的。因而,這些酶的活力可以極靈敏地受到代謝產(chǎn)物濃度的調(diào)節(jié)，這對機體的自身代謝調(diào)控具有重要的意義。例如，變構酶對于人體能量代謝的調(diào)節(jié)具有重要意義。在休息狀態(tài)下，機體能量消耗降低，ATP在細胞內(nèi)積聚，而ATP是磷酸果糖激酶的抑制變構劑，所以導致F－6－P和G－6－P的積聚，G－6－P又是已糖激酶的抑制變構劑，從而減少葡萄糖的氧化分解。同時，ATP也是丙酮酸激酶和檸檬酸合成酶的抑制變構劑，更加強了對葡萄糖氧化分解的抑制，從而減少了ATP的進一步生成。反之，當體內(nèi)ATP減少而ADP或AMP增加時，AMP則可抑制果糖?1，6－二磷酸酶，降低糖異生，同時激活磷酸果糖激酶和檸檬酸合成酶等酶，加速糖的分解氧化，利于體內(nèi)ATP的生成。這樣，通過變構調(diào)節(jié)，使體內(nèi)ATP的生成不致過多或過少，保證了機體的能源被有效利用。

變構酶的底物濃度曲線

圖9－1　變構酶的底物濃度曲線

3.變構調(diào)節(jié)的機理　目前已知，能受變構調(diào)節(jié)的酶，常常是由兩個以上亞基組成的聚合體。有的亞基與作用物結合，起催化作用，稱為催化亞基；有的亞基與變構劑結合，發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，稱調(diào)節(jié)亞基。但也可在同一亞基上既存在催化部位又存在調(diào)節(jié)部位。變構劑與調(diào)節(jié)亞基(或部位)間是非共價鍵的結合，結合后改變酶的構象(如,變?yōu)槭杷苫蚓o密)，從而使酶活性被抑制或激活。變構酶與米－曼氏酶不同，其動力學不符合米曼氏方程式：酶促反應速度和作用物濃度的關系曲線不呈矩形而常常呈S形，S形曲線與氧合血紅蛋白的解離曲線相似(圖9－1)。

當變構劑與調(diào)節(jié)亞基(或部位)結合后，變物劑對酶分子的構象發(fā)生什么樣的影響呢?下面以果-1，6-二磷酸酶為例闡述這一過程。果糖-1，6-二磷酸酶是由四個結構相同的亞基所組成，每個亞基的分子量約為310，000Da。每個亞基上既有催化部位也有調(diào)節(jié)部位。在催化部位上能結合一分子FDP，在調(diào)節(jié)部位上能結合一分子變構劑。此酶有兩種存在形式，即緊密型(T型、高活性)與松弛型(R型、低活性)。AMP是此酶的抑制變構劑。當酶處于T型時，因其調(diào)節(jié)部位轉至聚合體內(nèi)部而難以與AMP結合，故對AMP不敏感而表現(xiàn)出較高的活性。在第一個AMP分子與調(diào)節(jié)部位結合后，T型逐步轉變成R型，各亞基構象相繼發(fā)生改變，調(diào)節(jié)部位相繼暴露，與AMP的親和力逐步增加，酶的活性逐漸減弱，這就是果糖-1，6-二磷酸酶由緊密型變成松弛型的變構過程。抑制變構劑促進高活性型至低活性型的轉變，激活變構劑則促進低活性型至高活性型的轉變。這一變構過程是可逆的(圖9－2)。圖中3－磷酸甘油醛和脂肪酸－載體蛋白可使活性型轉變?yōu)楦呋钚孕汀?/p>

果糖－1，6二磷酸酶的變構效應

圖9－2　果糖－1，6二磷酸酶的變構效應

△：酶亞基上的催化部位　X：酶亞基上的調(diào)節(jié)部位　FDP：果糖-1，6－二磷酸

變構效應劑可以是酶的底物，也可以是酶系的終產(chǎn)物，還有的是與它們結構不同的其他化合物，一般說，都是小分子物質(zhì)。一種酶可有多種變構效應劑存在。

果糖－1，6－二磷酸酶的變構過程是T型與R型的可逆轉變。有些酶的變構效應還可表現(xiàn)為酶分子的聚合或解聚，如乙酰CoA羧化酶，它是脂肪酸合成過程中的關鍵酶。它是由四種不同亞基構成的原聚體，每個亞基有不同的功能，分別是：生物素載體蛋白，它能結合輔基生物素；生物素羧化酶，它能催化生物素發(fā)生羧化反應；羧基轉移酶，它能將生物素上的羧基轉移給乙酰CoA形成丙二酰?CoA；和調(diào)節(jié)亞基，它能與檸檬酸或異檸檬酸結合，使原聚體聚合為多聚體。Kieinschmidt等已在電子顯微鏡下看到了由檸檬酸和異檸檬酸使原聚體聚合形成的纖維狀的多聚體(圖9－3)。只有多聚體酶才有催化活性。ATP?Mg＋＋可使多聚體解聚為原聚體而使酶失活。長鏈脂酰?CoA可拮抗檸檬酸的促聚合作用，因此，它們都是該酶的變構抑制劑。

乙酰CoA羧化酶聚合解聚示意圖

圖9-3　乙酰CoA羧化酶聚合解聚示意圖

(二)酶分子化學修飾調(diào)節(jié)

1.酶分子化學修飾的概念

酶分子肽鏈上的某些基團可在另一種酶的催化下發(fā)生可逆的共價修飾，從而引起酶活性的改變，這個過程稱為酶的酶促化學修飾(chemical modification)。如磷酸化和脫磷酸，乙?；腿ヒ阴；?，腺苷化和去腺苷化，甲基化和去甲基化以及-SH基和－S－S－基互變等，其中磷酸化和脫磷酸作用在物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)中最為常見。

細胞內(nèi)存在著多種蛋白激酶(ProteinKinase)，它們可以將ATP分子中的γ-磷酸基團轉移至特定的蛋白分子底物上，使后者磷酸化(phosphorylation)。磷酸化反應可以發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸殘基上。催化絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化的酶統(tǒng)稱為蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶(Protein Serine/Threonine Kinase)。催化酪氨酸殘基磷酸化的酶統(tǒng)稱為蛋白酪氨酸激酶(ProteinTyrosine Kinase)。與此相對應的，細胞內(nèi)亦存在著多種蛋白絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶(ProteinSerine/Threonine Phosphotase)和蛋白酪氨酸磷酸酶(Protein Tyrosine Phosphotase)，它們可將相應的磷酸基團移去。酶的化學修飾如變構調(diào)節(jié)一樣，也是機體物質(zhì)代謝中快速調(diào)節(jié)的一種重要方式，表9?列出了一些酶的酶促化學修飾的實例。

表9－2　某些酶的酶促化學修飾調(diào)節(jié)

酶類反應類型效應糖無磷酸化酶磷酸化／脫磷酸激活/抑制磷酸化酶b激酶磷酸化／脫磷酸激活/抑制磷酸化酶磷酸酶磷酸化／脫磷酸抑制/激活糖元合成酶磷酸化／脫磷酸抑制/激活丙酮酸脫羥酶磷酸化／脫磷酸抑制/激活脂肪酶（脂肪細胞）磷酸化／脫磷酸激活/抑制谷氨酰胺合成酶（大腸桿菌）腺苷化／脫腺苷抑制/激活黃嘌呤氧化（脫氫）酶－SH/-S-S- 脫氫/氧化

2.酶促化學修飾的機理

肌肉糖元磷酸化酶的酶促化學修飾是研究得比較清楚的一個例子。該酶有兩種形式，即無活性的磷酸化酶b和有活性的磷酸化酶a。磷酸化酶b是二聚體，分子量約為85，000Da。它在酶的催化下，使每個亞基分別接受ATP供給的一個磷酸基團，轉變?yōu)榱姿峄竌，后者具有高活性。兩分子磷酸化酶a二聚體可以再聚合成活性較低的(低于高活性的二聚體)磷酸化酶a四聚體(圖9－4)。

肌肉磷酸化酶的酶促化學修飾作用

圖9－4　肌肉磷酸化酶的酶促化學修飾作用

3.酶促化學修飾的特點

(1)絕大多數(shù)酶促化學修飾的酶都具有無活性(或低活性)與有活性(或高活性)兩種形式。它們之間的互變反應,正逆兩向都有共價變化，由不同的酶進行催化，而催化這互變反應的酶又受機體調(diào)節(jié)物質(zhì)(如激素)的控制。

(2)存在瀑布式效應。由于酶促化學修飾是酶所催化的反應，故有瀑布式(逐級放大)效應。少量的調(diào)節(jié)因素就可通過加速這種酶促反應，使大量的另一種酶發(fā)生化學修飾。因此，這類反應的催化效率常較變構調(diào)節(jié)為高。

(3)磷酸化與脫磷酸是常見的酶促化學修飾反應。一分子亞基發(fā)生磷酸化常需消耗一分子ATP，這與合成酶蛋白所消耗的ATP相比，顯然是少得多；同時酶促化學修飾又有放大效應，因此，這種調(diào)節(jié)方式更為經(jīng)濟有效。

(4)此種調(diào)節(jié)同變構調(diào)節(jié)一樣,可以按著生理的需要來進行。在前述的肌肉糖元磷酸化酶的化學修飾過程中，若細胞要減弱或停止糖元分解,則磷酸化酶a在磷酸化酶a磷酸酶的催化下即水解脫去磷酸基而轉變成無活性的磷酸化酶b，從而減弱或停止了糖元的分解。

此外，酶促化學修飾與變構調(diào)節(jié)只是兩種主要的調(diào)節(jié)方式。對某一種酶來說，它可以同時受這兩種方式的調(diào)節(jié)。如，糖元磷酸化酶受化學修飾的同時也是一種變構酶，其二聚體的每個亞基都有催化部位和調(diào)節(jié)部位。它可由AMP激活，并受ATP抑制，這屬于變構調(diào)節(jié)。細胞中同一種酶受雙重調(diào)節(jié)的意義可能在于，變構調(diào)節(jié)是細胞的一種基本調(diào)節(jié)機制，它對于維持代謝物和能量平衡具有重要作用，但當效應劑濃度過低，不足以與全部酶分子的調(diào)節(jié)部位結合時，就不能動員所有的酶發(fā)揮作用，故難以應急。當在應激等情況下，若有少量腎上腺素釋放，即可通過cAMP,啟動一系列的瀑布式的酶促化學修飾反應，快速轉變磷酸化酶b成為有活性的磷酸化酶a，加速糖元的分解，迅速有效地滿足機體的急需。

三、酶含量調(diào)節(jié)

除通過改變酶分子的結構來調(diào)節(jié)細胞內(nèi)原有酶的活性外，生物體還可通過改變酶的合成或降解速度以控制酶的絕對含量來調(diào)節(jié)代謝。要升高或降低某種酶的濃度，除調(diào)節(jié)酶蛋白合成的誘導和阻遏過程外，還必須同時控制酶降解的速度，現(xiàn)分述如下：

(一)酶蛋白合成的誘導和阻遏

酶的底物或產(chǎn)物、激素以及藥物等都可以影響酶的合成。一般將加強酶合成的化合物稱為誘導劑(inducer)，減少酶合成的化合物稱為阻遏劑(repressor)。誘導劑和阻遏劑可在轉錄水平或翻譯水平影響蛋白質(zhì)的合成，但以影響轉錄過程較為常見。這種調(diào)節(jié)作用要通過一系列蛋白質(zhì)生物合成的環(huán)節(jié)，故調(diào)節(jié)效應出現(xiàn)較遲緩。但一旦酶被誘導合成，即使除去誘導劑，酶仍能保持活性，直至酶蛋白降解完畢。因此，這種調(diào)節(jié)的效應持續(xù)時間較長。

1.底物對酶合成的誘導作用　受酶催化的底物常常可以誘導該酶的合成，此現(xiàn)象在生物界普遍存在。高等動物體內(nèi)，因有激素的調(diào)節(jié)作用，底物誘導作用不如微生物體內(nèi)重要，但是,某些代謝途徑中的關鍵酶也受底物的誘導調(diào)節(jié)。例如，若鼠的飼料中酪蛋白含量從8%增至70%，則鼠肝中的精氨酸酶的活性可增加2?倍。在食物消化吸收后，血中多種氨基酸的濃度增加，氨基酸濃度的增加又可以誘導氨基酸分解酶體系中的關鍵酶，如蘇氨酸脫水酶和酪氨酸轉氨酶等酶的合成。這種誘導作用對于維持體內(nèi)游離氨基酸濃度的相對恒定有一定的生理意義。

2.產(chǎn)物對酶合成的阻遏　代謝反應的終產(chǎn)物不但可通過變構調(diào)節(jié)直接抑制酶體系中的關鍵酶或起催化起始反應作用的酶，有時還可阻遏這些酶的合成。例如，在膽固醇的生物合成中，β－羥－β－甲基戊二酰輔酶A(HMgCoA)還原酶是關鍵酶，它受膽固醇的反饋阻遏。但這種反饋阻遏只在肝臟和骨髓中發(fā)生，腸粘膜中膽固醇的合成似乎不受這種反饋調(diào)節(jié)的影響。因此攝食大量膽固醇，漿膽固醇仍有升高的危險。此外，如δ-氨基-γ-酮戊酸(ALA)合成酶，它是血紅素合成酶系中的起始反應酶，它受血紅素的反饋阻遏。

3.激素對酶合成的誘導作用　激素是高等動物體內(nèi)影響酶合成的最重要的調(diào)節(jié)因素。糖皮質(zhì)激素能誘導一些氨基酸分解代謝中起催化起始反應作用的酶和糖異生途徑關鍵酶的合成，而胰島素則能誘導糖酵解和脂肪酸合成途徑中的關鍵酶的合成。

4.藥物對酶合成的誘導作用

很多藥物和毒物可促進肝細胞微粒體中單加氧酶(或稱混合功能氧化酶)或其他一些藥物代謝酶的誘導合成，從而促進藥物本身或其他藥物的氧化失活，這對防止藥物或毒物的中毒和累積有著重要的意義。其作用的本質(zhì)，也屬于底物對酶合成的誘導作用。另一方面,它也會因此而導致出現(xiàn)耐藥現(xiàn)象。如，長期服用苯巴比妥的病人，會因苯巴比妥誘導生成過多的單加氧酶而使苯巴比妥藥效降低。氨甲喋呤治療腫瘤時，也可因誘導葉酸還原酶的合成而使原來劑量的氨甲喋呤不足而出現(xiàn)藥物失效現(xiàn)象。

(二)酶分子降解的調(diào)節(jié)

細胞內(nèi)酶的含量也可通過改變酶分子的降解速度來調(diào)節(jié)。饑餓情況下，精氨酸酶的活性增加，主要是由于酶蛋白降解的速度減慢所致。饑餓也可使乙酰輔酶A羧化酶濃度降低，這除了與酶蛋白合成減少有關外，還與酶分子的降解速度加強有關。苯巴比妥等藥物可使細胞色素b5和NADPH－細胞色素Ｐ450還原酶降解減少，這也是這類藥物使單加氧酶活性增強的一個原因。

酶蛋白受細胞內(nèi)溶酶體中蛋白水解酶的催化而降解，因此,凡能改變蛋白水解酶活性或蛋白水解酶在溶酶體內(nèi)分布的因素，都可間接地影響酶蛋白的降解速度。有關情況尚了解不多?？傊ㄟ^酶降解以調(diào)節(jié)酶含量的重要性不如酶的誘導和阻遏作用。

第二節(jié)　激素對物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)

細胞的物質(zhì)代謝反應不僅受到局部環(huán)鏡的影響，即各種代謝底物、產(chǎn)物的正、負反饋調(diào)節(jié)，而且還受來自于機體其它組織器官的各種化學信號的控制，激素就屬于這類化學信號。激素是一類由特殊的細胞合成并分泌的化學物質(zhì)，它隨血液循環(huán)于全身，作用于特定的組織或細胞(稱為靶組織或靶細胞，target cell)，指導細胞物質(zhì)代謝沿著一定的方向進行。同一激素可以使某些代謝反應加強，而使另一些代謝反應減弱，從而適應整體的需要。對于每一個細胞來說，激素是外源性調(diào)控信號，而對于機體整體而言，它仍然屬于內(nèi)環(huán)境的一部分。通過激素來控制物質(zhì)代謝是高等動物體內(nèi)代謝調(diào)節(jié)的一種重要方式。

激素的作用必須通過其受體來實現(xiàn)。受體是一類可以與相應的配體(ligand)特異地結合的物質(zhì)，常為糖蛋白或脂蛋白。激素作為一類配體，與受體的結合具有高度的特異性和親和性。只有那些具有相應受體的細胞才可以成為該激素的靶細胞。

在糖、脂類和氨基酸代謝過程中，具有重要調(diào)節(jié)作用的激素－胰島素、腎上腺素和胰高血糖素等(具體作用見代謝各章)均為水溶性物質(zhì)，因此不能進入細胞內(nèi)。但這類激素的受體均存在于細胞膜表面，那么它們是如何通過與細胞膜表面受體結合，將位于胞外的化學信號傳遞至胞內(nèi)，又是如何引起細胞內(nèi)各種代謝過程的改變的呢?這里以腎上腺素為例做一簡要說明。

CAMP的結構和代謝

圖9－5　CAMP的結構和代謝

(一)cAMP是激素在細胞內(nèi)的信使

五十年代初期，Sutherland在實驗中發(fā)現(xiàn)，肝細胞組織切片若加入腎上腺素,可以加速肝糖原分解為葡萄糖；測定磷酸化酶(分解肝糖元的酶)，發(fā)現(xiàn)其活性增加。因此他認為，磷酸化酶是肝糖元分解的限速酶，腎上腺素能激活此酶。但是，若用純化的磷酸化酶與腎上腺素一起溫育，后者對酶則沒有激活作用。由此提示，腎上腺素激活磷酸化酶是一間接過程，需要肝細胞中其它物質(zhì)的協(xié)助。進一步對肝勻漿做試驗，若其中加入ATP、Mg＋＋及腎上腺素，則磷酸化酶又可被激活。若只取肝勻漿離心后的上清液，則不能觀察到腎上腺素的這種激活作用；只有再加入沉淀中的細胞膜，激活效應才又恢復。這一實驗表明，腎上腺素對磷酸化酶的激活至少需要兩種以上的因素。后來的實驗證實，腎上腺素首先作用于細胞膜，使膜上的腺苷酸環(huán)化酶活化，后者使細胞內(nèi)ATP在Mg2＋的存在下轉變?yōu)閏AMP，而cAMP可再使胞漿中的磷酸化酶b轉變?yōu)榱姿峄竌。由于腎上腺素并不進入細胞，其作用是通過細胞內(nèi)cAMP傳遞的，因此將cAMP稱為細胞內(nèi)信使(Intracellular Messenger)。

cAMP廣泛存在于生物界，但其在正常細胞中的含量甚微，僅為0.1μM，在激素作用下，可升高約100倍。細胞中cAMP的濃度除了與催化cAMP生成的腺苷酸環(huán)化酶有關外，還受到催化cAMP分解的磷酸二酯酶的控制(見圖9－5)。

有許多藥物能抑制磷酸二酯酶的活性，如甲基黃嘌呤(包括茶堿、氨茶堿和咖啡因等)。二丁基?cAMP不易被磷酸二酯酶水解，同時又能抑制此酶活性，故有提高cAMP水平的作用。

激素中多數(shù)激素可使cAMP的生成加速，少數(shù)激素則可以降低細胞內(nèi)cAMP的濃度。大部分肽類激素，包括胰高血糖素、甲狀旁腺素、降鈣素、抗利尿激素和催產(chǎn)素等以及兒茶酚胺類激素均可通過相應的受體激活靶細胞膜上的腺苷酸環(huán)化酶，從而使胞內(nèi)cAMP的濃度增加。

現(xiàn)將幾種激素對cAMP濃度的影響及其與受體結合后引起的生理效應列表如下：

表9－3　某些激素對cAMP濃度的影響及其最終生理效應

激素靶組織或靶器官 cAMP濃度對酶或化學反應的影響最終生理效應腎上腺素肝 ↑ 糖原合成酶↓ 糖原合成↓

磷酸化酶↑ 糖原分解↑ 脂肪組織 ↑ 脂肪酶↑ 脂肪分解↑ 心肌、骨骼肌 ↑ 磷酸化酶↑ 糖原分解↑ 胰高血糖素肝、心肌 ↑ 磷酸化酶↑ 糖原分解↑ 脂肪組織 ↑ 脂肪酶↑ 脂肪分解↑ 胰島β－細胞 ↑ －胰島素分泌↑ 促腎上腺皮質(zhì)激素腎上腺皮質(zhì) ↑ 膽固醇→孕烯醇酮↑ 糖皮質(zhì)激素合成↑ （ACTH）脂肪組織 ↑ 脂肪酶↑ 脂肪分解↑ 促甲狀腺激素甲狀腺 ↑ 磷酸化酶↑ 糖原分解↑，攝到碘（TSH）

及合成分泌T3、T4↑ 脂肪組織 ↑ 脂肪酶↑ 脂肪分解↑
脂肪組織 ↓ 脂肪酶↓ 脂肪分解↓ 胰島素肝、骨骼肌 ↓ 磷酸化酶↓ 糖原分解↓

糖原合成酶↑ 糖原合成↑

丙酮酸→磷酸烯醇式丙酮酸↓ 糖異生↑

↑代表增高或增強　　↓代表降低或減弱

激素與其專一性細胞膜受體結合后，是如何激活腺苷酸環(huán)化酶的呢?近來有人認為，GTP和GTP調(diào)節(jié)蛋白即G蛋白，起著介導激素對腺苷酸環(huán)化酶激活的作用。當激素與受體結合后，G－蛋白與TP結合,生成GTP－G蛋白復合物，后者能活化腺苷酸環(huán)化酶(詳見第十二章)。

(二)cAMP依賴性蛋白激酶是cAMP的靶分子

cAMP作為變構劑作用于cAMP依賴性蛋白激酶(cAMP-dependentProtein Kinase　A激酶)。這種蛋白激酶由兩個亞基組成，一個亞基是催化亞基，具有催化蛋白質(zhì)磷酸化的作用；另一個亞基是調(diào)節(jié)亞基，是催化亞基的抑制物。當調(diào)節(jié)亞基與催化亞基結合時，酶呈無活性狀態(tài)。cAMP的效應是與調(diào)節(jié)亞基結合，使后者發(fā)生變構而脫離催化亞基，從而使催化亞基進入激活狀態(tài)(圖9－6)。

蛋白激酶的激活過程

圖9－6　蛋白激酶的激活過程　C為催化亞基　R為調(diào)節(jié)亞基

活化形式的催化亞基在ATP的作用下，使細胞中的相應底物磷酸化，從而改變這些蛋白質(zhì)的功能：有些被激活，有些則被抑制。例如，糖原分解過程中的磷酸化酶可在A激酶的作用下被磷酸化而激活(圖9-6)，而糖原合成酶則在A激酶的作用下被磷酸化而失去活性?？偟男翘窃纸饧訌姾吞窃铣傻囊种疲寡菨舛壬?。

總之，很多多肽和兒茶酚胺類激素的作用是通過下列過程來實現(xiàn)的，即激素與膜受體結合→腺苷酸環(huán)化酶活性↑→cAMP水平↑→A激酶被激活→蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化→生理效應發(fā)生。

八十年代中期，對腺苷酸環(huán)化酶活化機制的研究導致了另外一種重要的調(diào)節(jié)蛋白桮蛋白的發(fā)現(xiàn)。G蛋白在膜受體和腺苷酸環(huán)化酶間具有中介作用。它的發(fā)現(xiàn)使我們更為深入地認識了激素的作用機理(詳見第十二章)。

激素調(diào)節(jié)糖原代謝的連續(xù)激活反應

圖9－7　激素調(diào)節(jié)糖原代謝的連續(xù)激活反應

第三節(jié)　物質(zhì)代謝的整體調(diào)節(jié)

機體內(nèi)各種組織器官和各種細胞在功能上都不會獨立于整體之外，而是處于一個嚴密的整體系統(tǒng)中。一個組織可以為其它組織提供底物，也可以代謝來自其它組織的物質(zhì)。這些器官之間的相互聯(lián)系是依靠神經(jīng)－內(nèi)分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。神經(jīng)系統(tǒng)可以釋放經(jīng)遞質(zhì)來影響組織中的代謝，又能影響內(nèi)分泌腺的活動，改變激素分泌的狀態(tài)，從而實現(xiàn)機體整體的代謝協(xié)調(diào)和平衡。圖9－8、圖9－9和圖9－10分別展示了在早期饑餓、饑餓和飽食情況下機體的代謝調(diào)節(jié)過程。在早期饑餓時，血糖濃度有下降趨勢，這時腎上腺素和糖皮質(zhì)激素的調(diào)節(jié)占優(yōu)勢，促進肝糖原分解和肝臟糖異生功能，在短期內(nèi)維持血糖濃度的恒定，以供給腦組織和紅細胞等重要組織對葡萄糖的需求。若饑餓時間繼續(xù)延長，則肝糖原被消耗飴盡，這時糖皮質(zhì)激素也參與發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，促進肝外組織蛋白分解為氨基酸，便于肝臟利用氨基酸、乳酸和甘油等物質(zhì)生成葡萄糖，這在一定程度上維持了血糖濃度的恒定；這時，脂動員也加強，分解為甘油和脂肪酸，肝臟將脂肪酸分解生成酮體，酮體在此時是腦組織和肌肉等器官重要的能量來源。在飽食情況下，胰島素發(fā)揮重要作用，它促進肝臟合成糖原和將糖轉變?yōu)橹?，抑制糖異生；胰島素還促進肌肉和脂肪組織的細胞膜對葡萄糖的通透性，使血糖容易進入細胞，并被氧化利用。

早期饑餓情況下機體主要組織間代謝聯(lián)系