代谢调节

小王一、不同代谢途径通过代谢共同的中间产物形成代谢网络。糖、蛋白质和脂肪3种物质代谢途径相互交叉，通过交叉点上的共同中间代谢物得以沟通。其中，6-磷酸葡萄糖、丙酮酸、乙酰CoA、草酰乙酸、α-酮戊二酸等是沟通各代谢的关键中间代谢物。另外，NADH、NADPH和FADH₂在能量代谢上的联络也是显而易见的。代谢网络关系并非只存在于四大代谢之间，各类物质代谢内部的不同途径之间也存在密切关系。如在糖代谢中，6-磷酸葡萄糖既联系糖酵解，又联系磷酸戊糖途径和葡萄糖异生途径；此外，还通过变位生成1-磷酸葡萄糖而参与糖原合成和降解，6-磷酸葡萄糖是糖原合成、糖原降解、糖酵解和磷酸戊糖途径以及葡萄糖异生途径的交叉点。二、糖和脂可以相互转变。 丙酮酸、磷酸二羟丙酮不仅参与了糖代谢中的糖酵解、磷酸戊糖途径和葡萄糖异生途径，而且是联系糖代谢与脂类代谢的重要中间化合物。磷酸二羟丙酮在磷酸甘油脱氢酶的作用下生成3-磷酸甘油，而3-磷酸甘油是合成脂肪的前体物质，也是磷脂合成的重要前体。丙酮酸通过丙酮酸脱氢酶复合体催化生成乙酰CoA，乙酰CoA是脂肪酸链合成的前体物质，同时也是胆固醇合成的前体。而且，糖代谢中的磷酸戊糖途径能够生成大量的NADPH,为脂肪酸合成提供还原力。在动物体内，脂肪的降解产物甘油可经磷酸化，后脱氢生成磷酸二羟丙酮再通过糖异生作用转变为糖，但脂肪酸不能净合成糖，原因是丙酮酸生成乙酰CoA的反应不可逆，乙酰CoA需要在有其他来源（如柠檬酸循环）的中间代谢物回补时才可转变为草酰乙酸，再经糖异生作用转变为糖。植物和微生物存在乙醛酸循环，脂肪降解产生的乙酰CoA可以转化为琥珀酸，再转变成草酰乙酸，进入糖异生途径。

小王三、氨基酸可转变为脂肪，而脂肪酸只能有限合成蛋白质，在动物体内，生酮氨基酸及生酮兼生糖氨基酸能生成乙酰乙酸、乙酰CoA，或者同时生成两者，之后乙酰CoA可进一步合成脂肪酸。生糖氨基酸通过直接或间接生成丙酮酸，可以转变为甘油，也可以在氧化脱羧后转变为乙酰CoA，用于脂肪酸或胆固醇等脂类合成。丝氨酸脱羧可以转变为乙醇胺，乙醇胺在接受S-腺苷甲硫氨酸给出的甲基后，即形成胆碱。但由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的。当乙酰CoA进入柠檬酸循环从而形成α-酮酸即氨基酸的碳骨架时，需要与草酰乙酸缩合后转变成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸可经氨基化或转氨基作用生成谷氨酸。如无其他来源的草酰乙酸补充，反应便不能进行。在植物和微生物中，存在乙醛酸循环，通过合成琥珀酸回补了柠檬酸循环中的草酰乙酸，从而促进脂肪酸合成氨基酸。微生物利用乙酸或石油烃类物质发酵生产氨基酸，可能也是通过这条途径。动物体内不存在乙醛酸循环，不易利用脂肪酸合成氨基酸。四、糖代谢与蛋白质代谢通过柠檬酸循环相互沟通。丙酮酸是糖代谢的重要中间产物，它经柠檬酸循环转变为α-酮戊二酸和草酰乙酸，他们经一步转氨基作用分别生成丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸。柠檬酸循环中的其他中间产物以及磷酸戊糖途径中的一些中间化合物转化成α-酮酸后，都能为各种氨基酸的合成提供碳骨架，再经转氨基作用形成氨基酸，进而合成蛋白质。此外，糖降解还可为氨基酸和蛋白质合成提供能量。蛋白质转化为糖之前，先水解成氨基酸。动物体中除亮氨酸和赖氨酸外，其余氨基酸通过脱氨基作用生成相应的α通算。丙酮酸，谷氨酸，天冬氨酸脱氨后可转变为柠檬酸循环中间产物，再经过糖异生生成葡萄糖。

小王五、柠檬酸循环是三大物质彻底降解所经历的共同途径。无论是糖原，还是碳水，都可经葡萄糖进入降解代谢。糖、脂肪通过降解生成乙酰CoA，然后进入柠檬酸循环彻底氧化，产生二氧化碳和水。蛋白质降解产生氨基酸，再通过脱氨基产生相应的酮酸，再通过柠檬酸循环彻底氧化，多余的氨通过尿素循环排出体外。六、核酸代谢与其他代谢途径的关系。核酸除了作为遗传物质外，其构件分子核苷酸及其衍生物在糖、脂和蛋白质代谢过程中同样起重要作用。例如，ATP是能量通用货币；NAD(P)⁺、FAD作为诸多氧化还原酶的辅酶参与各类代谢；ADPG、UDPG参与淀粉和糖原的合成代谢；CTP参与磷脂分子的合成；ATP、GTP参与蛋白质的合成；核苷酸衍生物cAMP、cGMP还可以作为代谢调节物质。此外，核苷酸降解产物如乙酰CoA和琥珀酰CoA也可以通过柠檬酸循环彻底氧化。其他代谢途径的中间产物也参与核苷酸的生物合成，例如蛋白质的构件份子如甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺等参与了嘌呤和嘧啶核苷酸的合成，谷胱甘肽参与了核糖核苷二磷酸向脱氧核糖核苷二磷酸转化的代谢过程；糖代谢中磷酸戊糖途径的产物5-磷酸核糖参与了核苷酸的合成过程。由此，核苷酸及其衍生物与其他物质代谢也有着密切的关系。

小王：特定环境下机体的代谢适应。短跑时肌肉主要进行无氧呼吸，供能物质首先是磷酸肌酸，其次是葡萄糖，长跑时进行有氧代谢。功能物质来自血液中的葡萄糖，脂肪酸。糖尿病分为一型和二型，一型是不能分泌胰岛素而导致胰岛素缺乏，二型是胰岛素正常分泌，但受体无法正常工作。糖尿病患者血液中葡萄糖浓度升高时。由于胰岛素分泌缺乏或胰岛素受体缺陷，细胞无法感知激素信号。细胞仍然进行脂肪降解，脂肪酸氧化，葡萄糖异生和酮体代谢等过程，导致血液中酮体水平增高。饥饿时血糖下降，胰岛素分泌减少，以高血糖素分泌增加，导致糖异生脂肪分解和蛋白质降解增加。肝细胞开始降解蛋白质来生成能够进行糖异生的氨基酸，氨基酸脱掉的氨基以尿素形式排出体外。脱氨基后的碳骨架，与肝细胞中的柠檬酸循环中间产物碳骨架都能通过糖异生生成葡萄糖进入血液。同时脂肪动员分解的脂肪酸通过血液进入肝细胞，脂肪酸在肝细胞中氧化分解，提供大量能量。由于柠檬酸循环中间产物进入糖异生途径而导致草酰乙酸减少，脂肪酸降解产物乙酰辅酶a无法进入柠檬酸循环。导致乙酰辅酶a积累，进一步导致酮体形成，酮体作为燃料分子通过血液输入其他组织。简单来说，饥饿状态下糖原首先被动用，随后是蛋白质降解，长时间的饥饿导致酮体作为主要燃料分子。

小王激素对代谢调节。胰岛素的功能有促进肌肉和肝脏对葡萄糖吸收，促进肝脏的糖原合成和糖酵解，抑制脂肪降解，促进脂肪合成，增强丙酮酸脱氢酶复合体活性。胰高血糖素的作用有增加血液中血糖浓度，增加细胞和脂肪组织中环腺苷酸含量。促使肝糖原降解。肾上腺素能对碳水化合物和脂肪酸代谢调节和胰高血糖素一样，都是通过环腺苷酸含量变化来调节。它们对脂代谢的共同调节作用如下。当处于饥饿状态时，胰高血糖素上升，使肝细胞中乙酰辅酶a羧化酶被磷酸化而失活。脂肪酸合成受阻，同时乙酰辅酶a羧化酶失活导致产物丙二酸单酰辅酶a减少，由于丙二酸单酰辅酶a对脂酰辅酶a的转运有抑制作用，因此丙二酸单酰辅酶a降低，促使更多脂酰辅酶a进入线粒体，促进了脂肪酸氧化。在脂肪组织细胞中，血液中胰高血糖素含量增加。激活了激素敏感性酯酶，促使脂肪水解产生的游离脂肪酸进入血液，作为燃料分子，为肝细胞和其他组织提供能量。肾上腺素和胰高血糖素有相似作用，当处于保持状态时，胰岛素上升，乙酰辅酶a羧化酶去磷酸化。脂肪酸合成增加。同时丙二酸单酰辅酶a增多，抑制脂肪酸氧化。

小王乳糖操纵子。操纵子是指由一个或几个功能相关的结构基因，与操纵基因，启动子序列组成的调节转录的单位操纵基因和启动子序列，组成操纵子的控制区结构，基因组成结构基因区。在操纵子外，还有些能编码调节蛋白的DNA序列，即调节基因。乳糖操纵子的控制区有能够与阻遏蛋白结合的操纵子序列。还有能够与RNA聚合酶结合的启动子序列。在启动子上游还有一段DNA序列，是c a p蛋白的结合位点。对于乳糖操纵子而言，当体系中没有任何调节蛋白时，RNA聚合酶与启动子弱结合启动基础转录，当体系中有足额蛋白存在，由于阻遏蛋白本身有活性，可以直接和操纵基因结合，从而阻止RNA聚合酶与启动子结合，从而抑制转录。当体系中有c a p蛋白时，c a p蛋白通过与配基环腺苷酸结合被激活。这时c a p结合在乳糖启动序列附近的c a p位点，募集RNA聚合酶与启动子结合并，导致转录起始开放复合物的形成，激活转录。其中阻遏蛋白对转录的调控属于操纵子的负调控，而激活的环线苷酸杠c a p蛋白的调控属于正调控。

小王乳糖操纵子的表达调控与外界信号相关。当细菌所处的环境没有乳糖时，细菌没有必要产生利用乳糖的酶。此时，乳糖操纵子的调节基因表达，产生具有活性的阻遏蛋白，阻遏蛋白与操纵基因结合。由于操纵基因序列与启动基因序列有部分重叠，结果阻遏蛋白与操纵基因的结合阻碍了RNA聚合酶与启动子的结合，从而阻碍了结构基因的转录，即操纵子处于关闭状态。当细菌生存在既有乳糖又有葡萄糖的环境中，首先利用葡萄糖，在葡萄糖消耗殆尽时，才开始利用乳糖，即乳糖操纵子才能正常开启，这种现象被称作葡萄糖效应。葡萄糖抑制乳糖操纵子机制是，细胞质膜上存在着磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）依赖的糖的磷酸转移酶系统（，细菌在缺乏葡萄糖供应时，细胞利用该系统将PEP上的磷酸基团转移给细胞质膜上的腺苷酸环化酶，从而激活腺苷酸环化酶，形成环腺苷酸。环腺苷酸 能够作为配基结合并激活 CAP 蛋白，从而正调控乳糖操纵子。由于环境中葡萄糖的存在，PEP 依赖的糖磷酸转移系统优先将 PEP 上的磷酸基团转移给进入细胞的葡萄糖，而不转移给腺苷酸环化酶，因而腺苷酸环化酶处于失活状态，环腺苷酸不能合成，环腺苷酸杠 - CAP 含量少，乳糖操纵子处于没有正调节的基础转录水平，结构基因转录水平低，细菌细胞几乎不能利用乳糖。当葡萄糖消耗殆尽时，PEP 依赖的糖磷酸基团转移系统将 PEP 上的磷酸基团转移给腺苷酸环化酶，随即 c环腺苷酸浓度升高，cAMP - CAP 含量增加，乳糖操纵子高效运行，细菌利用乳糖。只有乳糖而没有葡萄糖时，细菌需要利用乳糖作为碳源生长繁殖。此时，由于细胞乳糖操纵子有基础水平的转录，少量的基因表达产物能够使乳糖进入细胞，少量乳糖在细胞中被转化为别乳糖。别乳糖能够作为诱导物，与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白构象改变失去活性，不能与操纵基因结合。此时，操纵子处于开启状态，由于没有葡萄糖的存在，乳糖操纵子处于正调节状态，结构基因大量转录，细菌细胞能够有效利用乳糖。