第十一章  代谢的相互关系及调节控制

I 主要内容

本章重点讲了两个方面问题，一是生物体内不同物质代谢的相互联系，二是生物体内物质代谢的调控。

一、物质代谢的相互联系

    糖代谢、脂代谢、蛋白质代谢和核酸代谢是广泛存在于各种生物体内的四大物质代谢途径，不同途径之间的相互关系集中体现为各有所重，相互转化，又相互制约的关系。

    二、代谢调节的一般原理

    代谢的调节控制方式有分子水平调节、细胞水平调节、激素水平调节和神经水平调节四种，其中神经水平调节是高等动物所特有的，细胞水平是所有生物体共有的，各种类型的调节都是由细胞水平来实现的。

    细胞水平调控是一切调控的最重要基础，细胞水平调节主要分为酶的区域化分布调节、底物的可利用性、辅因子的可利用性调节、酶活性的调节、酶量调节五种形式。        

   （一）酶的区域化分布调节

   （二）底物的可利用性

   （三）辅助因子的可利用性

   （四）酶活性调节

    酶活性调节是通过对现有酶催化能力的调节，最基本的方式是酶的反馈调节，亦即通过代谢物浓度对自身代谢速度的调节作用，反馈调节作用根据其效应的不同分为正反馈调节和负反馈调节。反馈是结果对行为本身的调节或输出对输入的调节，在物质代谢调节中引用反馈是指产物的积累对本身代谢速度的调节。反馈抵制调节包括顺序反馈调节、积累反馈调节、协同反馈调节和同功酶调节四种。

    (五) 酶量的调节

    细胞内的酶可以根据其是否随外界环境条件的改变而改变分为组成酶和诱导酶。组成酶是催化细胞内各种代谢反应的酶，如糖酵解、三羧酸循环等。诱导酶则是其含量可以随外界条件发生变化的一些酶类。它的产生或消失可以使细胞获得或失去代谢某一种物质的能力。

    1.原核生物基因表达调控

    操纵子学说是F. Jacob 和 J. Monod 于1961年首先提出来用于解释原核生物基因表达调控的一个理论。该理论认为一个转录调控单位包括：结构基因、调节基因、启动子和操纵基因四个部分，其中操纵基因加上它所控制的一个或几个结构基因构成的转录调控功能单位称为操纵子。

   （1）酶合成的诱导

    乳糖操纵子是目前人们研究最清楚的一种酶合成控制方式。当环境中没有乳糖单独存在时，微生物细胞中不产生与乳糖代谢有关的半乳糖通透酶、-半乳糖苷酶及硫代半乳糖苷转乙酰基酶三种酶。

    关于酶合成的诱导应该注意以下几点：

    ①诱导物是所诱导产生诱导酶的正常底物。酶诱导的结果是使细胞获得代谢某一种物质的能力。

    ②阻遏蛋白一合成即有和操纵基因结合的能力，阻遏蛋白结合到操纵基因部位可以阻止结构基因的表达。

    ③诱导物也可以与阻遏蛋白结合，并且两者的亲合力大于阻遏蛋白与操纵基因的亲合力，因此可以将阻遏蛋白从操纵基因部位解离下来，使结构基因可以表达。

    ④酶合成的诱导，除了需要诱导物存在外，它的作用还需要降解物激活蛋白和cAMP存在，只有CAP和cAMP同时结合在CAP结合位点，才能启动酶的合成。

    ⑤一旦调节基因或操纵基因突变，使调节蛋白不能结合在操纵基因部位，则可以导致结构基因的永久性表达。

   （2）酶合成的阻遏

    色氨酸操纵子是一种典型的酶合成阻遏控制方式。该操纵子的调节蛋白单独不具有与操纵基因结合的能力，只有与它的辅阻遏物（正常代谢的终产物结合）后，才有与操纵基因结合的能力，因此，它作用的结果是使细胞暂时停止某些酶的合成，失去合成某些物质的能力。

    关于酶合成的阻遏应该注意以下几点：

    ①辅阻遏物通常是所阻遏酶的终末产物。阻遏的结果是使细胞暂时停止与其有关酶的合成。

    ②阻遏蛋白单独存在时，不具备和操纵基因结合的能力，只有它和辅阻遏物结合之后，才能获得与操纵基因结合的能力，阻止结构基因的表达。

    ③一旦调节基因或操纵基因突变，使调节蛋白不能结合在操纵基因部位，则可以导致结构基因的永久性表达（组成型突变）。

    2.真核生物基因表达的调控 

   （六）激素对代谢的调节

    激素是由多细胞生物的特殊细胞分泌，经由体液运输到特殊的靶细胞发挥其专有生理作用的微量有机物质。激素根据其化学组成的不同分为氨基酸及其衍生物、肽及蛋白质、固醇类、脂肪酸衍生物四种类型。

    激素的调控分为两种基本形式，氨基酸类、多肽及蛋白质类，其作用部位主要在细胞膜上，通过cAMP、cGMP的作用，调节细胞内酶的活性。

    固醇类激素主要作用部位在细胞核内，这类激素首先与细胞质中的蛋白质受体结合形成激素受体复合物，此复合物进入核内与DNA分子上特定部位结合，启动特定基因的转录、翻译作用。

（七）神经系统对代谢的调节一、各种物质代谢途径之间的相互关系

II 习  题

一、名词解释

1．反馈调节：

2．酶共价修饰调节：

3．操纵子学说

4．诱导酶、组成酶：

5．葡萄糖效应：

6．酶合成的阻遏：

二、是非题

1．某物质的水解产物在280nm处有吸收高峰，地衣酚和二苯胺试验为阴性，由此可以认为此物质不是核酸类物质。

2．多肽类激素作为信使分子必须便于运输，所以都是小分子。

3．反馈抑制主要是指反应系统中最终产物对初始步骤酶活力的抑制作用。

4．肌球蛋白是由相同的肽链亚基聚合而成，肌动蛋白本身还具有ATP酶活力，所以当  释放能量时就会引起肌肉收缩。

5．所有跨膜扩散反应的AG0′＝0

6．在许多生物合成途径中，最先一步都是由一种调节酶催化的，此酶可被自身的产物，即该途径的最终产物所抑制。

7．短期禁食时，肝和肌肉中的糖原储备用于为其它组织特别是大脑提供葡萄糖。

8．与乳糖代谢有关的酶合成常常被阻遏，只有当细菌以乳糖为唯一碳源时，这些酶才能被诱导合成。

9．在动物体内蛋白质可转变为脂肪，但不能转变为糖。

10．细胞内代谢的调节主要是通过调节酶的作用而实现的。

11．磷酸化是最常见的酶促化学修饰反应，一般是耗能的。

12．据目前所知非组蛋白在真核细胞基因表达的调控中起重要作用

三、填空题

1．下列过程主要在体内何种组织器官中进行? 乳酸-葡萄糖在           ；软脂酸-β-羟丁酸在          ；1，25-二经维生素D，生成在           。精氨酸合成在           ；碘的利用在               。（答案：肝脏；肝脏；肝脏及肾脏；肝脏；甲状腺）

2．下列过程发生在真核生物细胞的哪一部分? DNA合成在           rRNA合成在

           ；蛋白质合成在             ；光合作用在             ；脂酸合成在

            ；氧化磷酸化在            ；糖酵解在           β-氧化在          。

3．分子病是指           的缺陷，造成人体             的结构和功能的障碍，如                  。

4．生物体内往往利用某些三磷酸核苷作为能量的直接来源，如           用于多糖合成，           用于磷脂合成，           用于蛋白质合成。这些三磷酸核苷分子中的高能磷酸键则来源于              。

5．生物选择专一性的立体异构分子作为构成生物大分子的单体，如糖原中的        

葡萄糖，蛋白质中的           氨基酸，核酸中的          核糖或脱氧核糖，脂肪中的

           。

6．在糖、脂和蛋白质代谢的互变过程中，            和          起关键作用的物质。（答案：酮酸、乙酰CoA）

7．生物体内的代谢调节在四种不同水平上进行即              ，            ，

             和              。

8．1961年Monod和Jocob提出了                    模型。

9．乳糖操纵于的启动，不仅需要有信号分子乳糖存在，而且培养基中不能有           ，因为它的分解代谢产物会降低细胞中           的水平，而使        复合物不足，它是启动基因启动所不可缺少的           调节因子。

10．真核细胞基因表达的调控是多级的，有           ，          ，          ，

            ,和            。

11．酶合成的诱导调节中，诱导物多是诱导酶的              ，作用的结果是使细胞获得分解         能力；酶合成的阻遏调节中，附阻遏物多是阻遏酶参与代谢反应的             产物，作用的结果是使细胞停止与            合成有关酶的合成。

12．            是近年来找到的在代谢调控中，有重要作用的多磷酸核苷酸。在E.coli中，它参与rRNA合成的控制。（答案：ppGpp）

四、选择题

1．大肠杆菌内的β-半乳糖苷的主动运输的特点是：

       A  需要能源。

       B  β-半乳糖苷具有一定的饱和浓度，超出此饱和浓度摄取率不可能再加快

     C  β-半乳糖苷的流速取决于细胞内的β-半乳糖苷浓度。

       D  β-半乳糖的分子形状。

2．在哺乳动物的组织内，丝氨酸可作为下列哪些物质的合成前体：

     A  甲硫氨酸     B  甘氨酸

     C  色氨酸    D  胆碱

3．在哺乳动物的组织内，甘氨酸是合成下列哪些物质的前体：

       A  血红素     B  肌酸

       C  鸟嘌呤    D  胸腺嘧啶

4．体内活泼甲基供体主要是：

       A  硫辛酸    B  S—腺苷甲硫氨酸

       C  甲硫氨酸    D  磷酸肌酸

5．将下列物质加到无细胞质悬浓中会引起cAMP降低的是：

A  cAMP磷酸二酯酶    B  腺苷酸环化酶

C  咖啡碱 D  氨基卟啉

6．与乳糖操纵子操纵基因结合的物质是：

A  RNA聚合酶    B  DNA聚合酶

C  阻遏蛋白 D  反密码子

7．在E.coli蛋白质生物合成的起始步骤中，包括下列步骤中的：

       A  mRNA与16S核糖体RNA配对。

     B  由fMet-tRNAfMet，起始因子和核糖体30S亚基间形成起始复合物。

       C  由fMet-tRNAfMet定位于核糖体P-位。

       D  把fMet-tRNAfMet水解除去甲酰基。

       E  由fMet-tRNAfMet识别起始密码子AUG或GUG。 

8．真核DNA基因表达受：

       A  操纵子控制     B  非组蛋白的调控        C  组蛋白的调控 9．下列有关新陈代谢功能的顺序和调控的陈述错误的是：

       A  任何特定分子的合成代谢途径往往是它的分解代谢途径的逆向反应。

       B  合成代谢是从小分子前体合成大分子的过程，并且必须供给一定的能量。

       C  一种酶只能催化某一种特定的化学反应，从而使细胞中的许多代谢反应可以同时进行，互不干扰。

五、问答题

1．一些细菌苗株排泄大量的核酸酶，这种排泄对于细菌有何益处?哺乳动物胰脏分泌大量的核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶，它们有何作用?

2．．什么是操纵子？按照操纵子学说，酶合成的控制分为哪两种类型？两者在控制上主要有哪些重要区别？

3．生物体内糖代谢、脂代谢、蛋白质代谢及核酸代谢主要是通过哪些重要化合物彼此相连形成一个相互联系的有机整体的？为什么（可用图示方法说明） 

4．一度流行但有争议的快速减重膳食，你可以敞开吃你爱吃的富有蛋白和脂类的食物但仍会减重。不过采用这种饮食的病人经常自述呼吸不佳。请你：

(1)从代谢角度给与一个较为合理的解释，说明为什么这种膳食是有效的。

(2)试讨论这一主张：即不必限制你所吃的蛋白质和脂类的量而仍能减重。

5． 生物的代谢调节主要分为哪几个层次？在生物的代谢调节中最基本的调节是什么水平调节？为什么？