乳糖操纵子模型的基因表达机制

代谢的调节_解读生命化学

第三节　代谢的调节

生命是靠代谢的正常运转维持的。生物体有限的空间内同时有那么多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及生命。另一方面，某些生物的代谢障碍可能累积对人类有用的中间代谢物。因此，研究代谢调节机制有着十分重要的理论意义和实用价值。

一、细胞水平的调节

细胞是生命的基本单位。细胞水平的调节是由单细胞生物到高等动物都有的一种原始调节方式，细胞水平的调节涉及三个方面：首先就是基因表达的调控；其次，酶活性的调控，通过改变某些关键酶（限速酶）的活性，控制有关代谢途径的反应速度；再次，通过细胞区域化将不同代谢途径定位于不同的亚细胞区域，以便分别调控。

1.基因表达的调节

生物体的代谢调节尽管有不同的途径和水平，最根本的还是基因的表达调控。基因表达即遗传信息的转录和翻译过程。生物在生命周期中，基因组的各基因表达随生长发育有先有后，并受内外环境影响和诱导。原核细胞的生命周期和真核生物细胞的分化及器官形成，是各不同基因顺次表达的结果。例如蛋白酶生物合成至少在两个水平上进行调节，其一是转录的调节，即调节DNA的转录，来产生编码某一种蛋白质或某一组蛋白质的mRNA；另一水平是翻译的调节，即调节多肽链合成和合成速率。

原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译可在同一时间和空间上进行。真核生物由于存在细胞核结构的分化，转录和翻译在空间和时间上都被分隔开，基因表达远比原核生物复杂。

（1）原核生物基因表达调节　20世纪，法国的巴斯德研究所提出了乳糖操纵子模型，清楚地说明了原核生物基因表达调节机制。

①酶合成的诱导作用　所谓酶合成的诱导作用是指在细胞内存在某些物质能促进细胞内酶的合成，这种作用称为酶合成的诱导作用，那些物质称为诱导物。例如大肠杆菌可利用多种糖作为碳源，当用乳糖作为惟一碳源时，需要合成将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖的三种酶，即：水解乳糖的β-半乳糖苷酶，催化乳糖透过大肠杆菌质膜的β-半乳糖苷透性酶，β-半乳糖苷转乙酰基酶。这三种酶都是由于乳糖在大肠杆菌培养基中作为惟一碳源，而诱导生成的诱导酶。根据操纵子模型，模型的基因组成是由调节基因、控制位点和一组功能相关的结构基因组成，控制位点包括启动基因（p）和操纵基因（o）（图8-3）。

8-3　大肠杆菌乳糖操纵子及其调节基因

8-4　乳糖操纵子阻遏状态和诱导状态示意

当无诱导物乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白处于活性状态，阻遏蛋白可与操纵基因相结合，阻止了RNA聚合酶与启动基因的结合，使结构基因（z、y、a）不能编码参与乳糖分解代谢的三种酶。在诱导物乳糖存在的情况下，乳糖同阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白发生构象变化而处于失活状态，此时结构基因（z、y、a）可转录一条多顺反子的mRNA，并翻译乳糖分解代谢的三种酶。这一简单模型解释了乳糖体系的调节机制，目前被人们广泛接受（图8-4）。

乳糖操纵子中同样也存在着正调节，大肠杆菌含有一个称为代谢产物活化蛋白（缩写为CAP）和cAMP受体蛋白（缩写为CRP），CAP及cAMP都是mRNA合成所必需的。研究指出，CAP能够与cAMP形成复合物、cAMP-CAP复合物结合在启动基因上，可促进转录的进行。因此cAMP-CAP是一个不同于阻遏蛋白的正调控因子，阻遏蛋白为负调控因子。而乳糖操纵子“开”和“关”则是在这两个相互独立的正、负调节因子的作用下实现的。因此，cAMP浓度影响转录活性。当有葡萄糖存在时，葡萄糖分解代谢产物可抑制腺苷酸环化酶活性，激活磷酸二酯酶活性，cAMP含量下降，使CAP呈失活状态。这种调控与阻遏蛋白引起的负调控不同，它在酶合成中主要起促进作用，所以是一种正调控（图8-5）。

图8-5　葡萄糖降解物与cAMP

②降解物的阻遏作用　当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，则先利用葡萄糖，而不利用乳糖。只有当葡萄糖耗尽，细菌生长经过一段停滞期，出现二度生长曲线。不久在乳糖诱导下，分解乳糖代谢的酶开始合成，细菌才能利用乳糖。这种现象称为降解物阻遏作用。这是因为葡萄糖分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶，从而降低cAMP浓度，此时，调节基因的产物［代谢产物活化蛋白（CAP）］不能被cAMP活化、形成cAMP-CAP复合物。使许多参与分解代谢酶基因不能转录（图8-6）。

③酶合成的阻遏作用　大肠杆菌色氨酸操纵子模型说明了某些代谢产物阻止细胞内酶生成的机制。色氨酸操纵子是由5个功能相关的结构基因（E、D、C、B、A）、操纵基因（o）和启动基因（p）组成，在第一个结构基因与操纵基因之间有一段前导序列（c）和衰减子（a）（图8-7）。

色氨酸操纵子的调节基因产物阻遏蛋白是无活性的，称为阻遏蛋白原。无活性的阻遏蛋白原不能与操纵基因结合，此时结构基因（E、D、C、B、A）可转录并翻译成由分支酸合成色氨酸的5种酶。在有过量色氨酸存在时，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白原结合，则形成有活性的阻遏蛋白，有活性的阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止转录的进行，使结构基因（E、D、C、B、A）不能编码参与色氨酸合成代谢的有关酶（图8-8）。

图8-6　降解物阻遏

图8-7　大肠杆菌色氨酸操纵子模型

图8-8　操纵子的阻遏机制

色氨酸合成途径中除了阻遏蛋白一操纵基因的阻遏调节外，还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰减调节；衰减调节是在转录水平调节基因表达，它可使转录终止或减弱，衰减凋节是比阻遏作用更为精细的调节。

（2）真核生物基因表达的调控　真核生物由多细胞组成，细胞分化形成不同组织、器官。一生中有不同的生长发育阶段，各阶段及各细胞除有共同的维持生命的基本代谢外，还有各自的代谢。这些专一的代谢是导致细胞分化形成不同细胞、组织、器官的基础，因此，细胞分化及组织器官的形式是不同基因表达及相互作用的结果。与原核生物一样，真核生物细胞中除组成型合成的基因外，绝大多数基因的表达是受调控的。真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，真核生物基因表达在多层次，并受多种因子协同调节控制，是一种多级调控方式（图8-9）。

图8-9　真核生物基因表达在不同水平上进行调节

转录前水平的调控是指通过改变DNA序列和染色质结构的过程，包括染色质的丢失、基因扩增、基因重排、基因修饰等。但转录前水平的调控并不是普遍存在的调控方式，例如：染色质的丢失只在某些低等真核生物中发现。

真核生物的基因表达调控主要集中在转录水平上的调控。目前的研究主要集中在顺式作用元件和反式作用元件以及它们的相互作用上。

不同水平上进行调节基因转录的顺式作用元件包括启动子和增强子两种特异性DNA调控序列。启动子上RNA聚合酶识别并结合，从此起始转录前的一段特异性I）NA序列。增强子是能够增强基因转录活性的调控序列，这种增强作用是通过结合特定的转录因子或改变染色体DNA的结构而促进转录。

基因调控的反式作用因子主要是各种蛋白质调控因子。所有的反式作用因子都是DNA结合蛋白，它们对基因表达起调控作用，因此也可称之为调控蛋白。调控蛋白通常有两个与调控有关的结构域，即与DNA结合的结构域和与其他蛋白质结合的结构域，两者范围很小，仅有60～90个氨基酸残基。研究基因调控序列和蛋白质调控因子的相互作用是阐明真核生物基因表达调控分子机制的基础。

转录后水平的调控包括转录产物的加工和转运的调节。翻译水平的调控主要是控制mRNA的稳定性和mRNA翻译的起始频率。翻译后水平的调控主要是控制多肽链的加工和折叠，产生不同功能活性的蛋白质。

2.酶的调节

一切代谢反应都有酶参加，酶在代谢反应中所起作用的大小，与其浓度和活性密切相关。细胞的酶浓度取决于酶的合成速度，所以控制酶的生物合成和活性是机体调节自身代谢的措施。

（1）控制酶的合成调节代谢　改变酶的含量是通过调节其合成速度和降解速度来实现的。细胞内不断合成新酶，也不断降解原有的酶，从而使酶的含量和种类改变而调节细胞中代谢的活性和类型，酶的合成主要在基因转录水平进行调节，酶的降解速率也通过十分复杂的机制受到有效的控制。直接参加代谢调节的关键酶类统称调节酶。机体必须保存调节酶的一定含量，防止过剩和不足，才能维持其代谢机能的正常运行。通常是用诱导物促进酶的合成.用阻遏物降低酶的合成。酶本身是蛋白质，酶的合成也就是蛋白质合成。蛋白质生物合成的调节方式前边已经讨论过，而诱导物和阻遏物的调控在基因调控中已经作过介绍，在这里不再讨论。

（2）通过控制酶活性调节代谢　酶含量不变，通过改变酶的构象或结构而改变酶活性。酶活性的调节是以酶分子的结构为基础的。因为酶的活性强弱与其分子结构密切相关，一切导致酶结构改变的因素都可影响酶的活性。有的改变使酶活性增高，有的使酶活性降低。酶水平调节的类型包括酶的抑制作用和激活作用。

酶活性通过酶原激活、共价修饰、变构及聚合和解聚等机制进行调节。

①抑制作用　机体控制酶活力的抑制有简单抑制与反馈抑制两类。

简单抑制是指一种代谢产物在细胞内累积多时，由于物质作用定律的关系，可抑制其本身的形成。抑制不涉及酶结构变化。例如在己糖激酶催化葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖的反应中，当6-磷酸葡萄糖的浓度增高时，己糖激酶的作用速度即受抑制，反应变慢。这种抑制作用仅仅是物理化学作用，而不牵涉到酶本身结构上的变化。

反馈抑制是指系列反应终产物对酶活力的抑制，也就是指酶促反应终产物对酶活力的抑制。细胞利用反馈抑制控制酶活力的情况较为普遍。这种抑制是在多酶系反应中产生，一系列酶促反应的终产物对第一个酶起抑制作用。起控制作用的一步称为关键步，这种酶称为关键酶。关键酶起着决定全过程速度的作用。在下列的一个假设的代谢过程中。G为最终产物，分支反应发生在中间产物C上，C—D这步便是关键步。G过多时，G对催化C—D反应的酶抑制，但不抑制B—C或D—E。如果抑制B—C，则将影响X的形成；如果抑制D—E或E—F则浪费能量和原料（图8-10）。

图8-10　反馈抑制

例如：大肠杆菌体中由苏氨酸转变为异亮氨酸反应中，终产物异亮氨酸对参加第一步反应的苏氨酸脱氨酶的抑制就是生物利用反馈抑制调节代谢的一个典型例子。异亮氨酸过多时对卜苏氨酸脱氨酶反馈抑制.这样既不影响苏氨酸本身在蛋白质合成中的需求量，也不合成其他中问物，造成浪费。

②激活作用　机体为了使代谢正常也用增进酶活力的手段进行代谢调节。例如对无活性的酶原用专一的蛋白水解酶将掩蔽酶活性的一部分切去；对另一些无活性的酶则用激酶使其致活，对被抑制物抑制的酶用活化剂或抗抑制剂解除其抑制。

图8-11　酶的反馈活化

例如在糖的分解代谢过程中，当丙酮酸不能顺利通过乙酰CoA转变为柠檬酸进入三羧循环时，丙酮酸即通过烯醇丙酮酸磷酸在烯醇丙酮酸磷酸羧化酶催化下直接转变为草酸乙酰。乙酰CoA即对烯醇丙酮酸磷酸羧化酶起了反馈活化作用（图8-11）。

所谓前馈激活是指在一反应序列中，前面的代谢物可对后面的酶起激活作用。促使反应向前进行。前馈激活的例子也很多。例如，在糖原合成中，6-磷酸葡萄糖是糖原合成酶的变构激活剂，因此可以促进糖原的合成（图8—12）。1，6-二磷酸果糖对丙酮酸激酶的激活作用也是前馈激活，从而有利于糖酵解的顺利进行（表8-13）。

图8-12　6-磷酸葡萄糖对糖原合成酶的前馈激活

表8-13　酶原活化

③别构效应　别构酶的结构及性质前边已作过介绍，在以前的论述中把底物、某些代谢产物乃至某些有关的辅酶都看作是别构效应剂。因为这些物质与酶分子有关部位结合都有触发酶分子构象改变的作用，并因此而改变酶活性。根据别构剂性质及其与酶分子结合的部位，把它们分为底物性及产物性两大类。底物性别构剂只与催化部位（或催化亚基）结合，使别的催化部位产生构象变化；产物性别构剂与调节部位结合，除能影响别构调节部位构象外，主要是影响催化部位构象，使之有利于结合底物或不利于结合底物。前者称为别构激活剂，后者称为别构抑制剂。

a.别构调节的基本原理

图8-14　［S］对两类酶促反应速度的影响

Ⅰ.底物性别构剂与酶结合的协同效应　别构酶的底物可使别构剂与催化部位结合，反应的动力学特征是S形曲线。比较图8-14中a和b两种曲线可以发现：非别构酶（a），当底物浓度［S］＝0.11时，υ达到υ_m的10%，当［S］＝9时，υ达到υ_m的90%，达到这两种速度的底物浓度之比为81；而别构酶（b），达到这同样两种速度的底物浓度比仅为3。这表明，当底物浓度略有变化时（图中是增加3倍），别构酶的反应速度就可从10%上升到90%。而典型的矩形双曲线的酶其速度若发生同样大的变化，则要求底物浓度有大得多的改变，需升81倍才行。由此可见，别构酶调节效果显著。在生物活细胞中底物浓度一般较低，代谢速度也不大，但当需要时，只要底物浓度或其他调节因素发生较小变化，别构酶就可灵敏而有效地调节反应速度。

很早就发现，氧结合到去氧血红蛋白上的速度可以用一个S形曲线来描述，并把这个氧合过程称为协同作用。别构酶S形曲线成因与血红蛋白别构机理具有相似性，这就是说，底物分子（效应剂）结合到寡聚酶第一个催化亚基所引起构象变化的信息，经过亚基间的相互作用和传递可使第二个催化亚基结合底物变得更容易。因此，其余催化亚基对底物的亲和力也就愈来愈高，于是就构成S形曲线这一动力学特征，并把形成S形曲线这一效应称为正协同效应。如果一个分子既是酶的底物又是效应剂，它所触发的都是催化亚基的构象改变，增进或减弱结合的都是相同分子，并不涉及其他部位和分子，这种变构的性质称为同促（同位）协同性。

Ⅱ.产物性别构剂对酶的抑制或激活作用　别构酶在结构上具有明确的调节部位（或中心）是该类酶的一个重要特点；别构抑制剂（常是代谢的终产物）结合到酶的调节部位，通过改变催化部位的构象使其不利于结合底物，即降低酶对底物的亲和力，S形曲线右移，不易达到酶的最大反应速度。反之，别构激活剂结合于酶的调节部位，可增加催化部位对底物的亲和力。S形曲线左移，易于达到酶的最大反应速度。

b.别构调节的基本方式及意义　虽然不同别构剂浓度变化的信息可触发别构酶的构象变化，但因酶在代谢途径中的位置及别构剂性质的不同，对其调节方式和意义有不同的分析和描述。

I.别构酶底物协同效应的调节　与非调节酶比较，别构酶底物所产生的正协同效应有显著的调节作用。大肠杆菌的天冬氨酸氨基甲酰转移酶，在有氨基甲酰结合的条件下，酶结合底物天冬氨酸具有正协同效应。即当天冬氨酸浓度稍有增加时，就能灵敏而有效地增进反应速度，以促进嘧啶核苷酸的合成，负协同性酶的例子不多，其意义尚需进一步研究。

Ⅱ.反馈调节　一代谢途径或反应步骤运行的结果可自动控制该途径本身的反应速度。这种调节作用称为反馈调节。由于反馈调节的效果可以是正效应（如酶的激活），也可以是负效应（如酶的抑制），故又有正反馈和负反馈之分。负反馈称反馈抑制，正反馈称反馈激活。

以反馈方式对别构酶发挥调节作用的特点是：别构剂在酶的调节部位以非共价键结合，反应可逆。小分子别构剂浓度增减变化是触发酶的构象变化以至发起或鳃除调节的信号，这个过程是自动化的。

别构酶一般是处在代谢途径的初始阶段，这一点具有重要意义。当合成或分解的终产物满足生理需要后还有积累时，就开始抑制早期反应的别构酶，从而使整个途径的反应速度减弱甚至终止反应。这样，既可避免终产物生成过剩，又可防止中间产物积压并由此所造成的合成原料和能源的浪费。

Ⅲ.底物循环的调节作用　在代谢途径中，有些可逆反应的正、逆两向是由两种不同的酶系催化的，这两种催化相反方向反应的酶，使此步反应具有可逆的性质，促进两种底物互变循环，称其为底物循环。例如：

催化相反方向的两个酶仍然要受到控制。在6-磷酸果糖与1，6-二磷酸果糖互变的反应中，ATP对正反应起促进作用，对逆反应则起抑制作用。细胞利用这种反应的特性即可调节其代谢物的合成和分解速度。

Ⅳ.多酶体系与其限速酶的调节作用　组成代谢途径之相关而有序的酶系列称为多酶体系。真核细胞内的多酶体系都定位分布在具有一定结构特征的亚细胞内，或存在于胞液的可溶部分。例如糖酵解、糖原的合成与分解、脂肪酸合成及磷酸戊糖途径等的多酶体系分布在胞液中，而三羧酸循环、脂肪酸氧化和呼吸链的氧化磷酸化等途径的多酶体系则分布在线粒体内。也有些代谢途径的多酶体系是跨区域分布的，如蛋白质及胆固醇的生物合成途径，其多酶体系分别分布于胞液和内质网，肝细胞酮体生成酶系定位于线粒体内。如尿素合成先是在肝细胞中的线粒体内合成氨甲酰磷酸、瓜氨酸，而后移入胞液内完成尿素的合成。多酶体系区域化分布的意义显而易见，可防止代谢途径间的相互干扰，有利于物质代谢协调平衡的调节。

一种代谢途径相应的多酶体系，其反应序列中各个酶的活性不尽相同。活性最低的酶所催化的那步反应能限制该途径的总速度，因而把最慢的这步反应称为限速反应，该酶称为限速酶。限速酶多为别构酶，或是可调节酶；由于该类酶常处在序列反应的开始阶段或分支点上，因而对控制反应总速度起关键作用，所以又称其为关键酶。

④共价修饰　共价修饰也称化学修饰，就是在调节酶分子上以共价键连上或脱下某种特殊化学基团所引起的酶分子活性改变，这类酶称共价修饰酶。到目前为止已经知道有100多种酶在它们被翻译成酶蛋白后要进行共价修饰。共价修饰酶往往兼有别构酶的特性，加上它们又常常接受激素的指令导致级联式放大，所以越来越引起人们的注目。

目前已知有几种类型的共价修饰酶（①磷酸化/脱磷酸化，②腺苷酰化/脱腺苷酰化，③乙酰化/脱乙酰化等）的相互转变。例如糖原磷酸化酶的活性可因磷酸化而增高，糖原合成酶的活性则因磷酸化而降低。谷氨酰胺合成酶的活性可因腺苷酰化（即连上一个AMP）而下降，甲基化也可使某些酶的活性改变。酶的化学共价修饰是由专一性酶催化的。许多调节酶的活性都受共价修饰的调节。

3.细胞区域化调节

细胞有精细的结构。真核细胞还形成了很多结构复杂的内膜系统和细胞器。各类代谢反应的菌定位于不同的细胞区域中，使各代谢在空间上彼此隔开，互不干扰，按一定方向进行。细胞内不同区域各种代谢物的浓度并非均匀一致。绝大多数代谢物不能自由通过细胞膜，必须由膜上专门的运输系统才能从膜一侧转移到另一侧。膜运输系统的活性也是可调节的，是代谢调节中一个重要环节。如：钠离子、葡萄糖透过酶；内质网膜上的钙通道；线粒体内膜上的二羟酸载体、脂酰毒碱转酰基酶等。膜上物质通道及膜运输系统的调节，使各代谢在可调控下又能互相沟通。

二、激素水平的调节

激素是由多细胞生物（植物、动物）的特殊组织细胞所合成的，并经体液输送到其他部位显示特殊生理活性的微量化学信息物质。细胞与细胞之间，甚至各远隔器官之间，可以通过分泌各种化学递质相互影响，以调节其代谢与功能。它们的作用特点是：①浓度低；②其半寿期较短，通常为几秒至几小时不等，有利于随时适应环境的变化；③只有具有该激素特异受体的靶细胞才能作出反应，其反应也以不同组织而异。激素由内分泌腺分泌，进入血液循环，运送至全身各组织，发挥其调节作用。近年来发现许多非内分泌组织也能分泌各种递质，如多种生长因子、白细胞介素等，它们只在邻近的局部组织发挥其调节作用，称之为旁分泌。还有的细胞，自身产生和分泌因子至细胞外，然后再通过其细胞膜上的受体面调节该细胞本身的代谢和生理活动，此称为自分泌。

动物有合成各种激素的专一组织和腺体。哺乳动物的激素依其化学本质可大致分为四类：氨基酸及其衍生物，肽及蛋白质，固醇类，脂肪酸衍生物。植物激素可分为五类：生长素，赤霉素类，细胞分裂素类，脱落酸，乙烯。此外，无脊椎动物内分泌腺也分泌激素，如保幼激素和蜕皮激素，昆虫体表还释放外激素，如各种性诱剂。按激素（递质）的作用机理，大致可分为作用于细胞膜受体和作用于细胞内受体两类激素。

膜受体激素包括胰岛素、甲状旁腺素等蛋白类激素、生长因子等肽类激素及肾上腺素等儿茶酚胺类激素。这些激素都是亲水性的，难以越过由脂双层构成的细胞表面的质膜。这类激素常通过跨膜传递途径将信号传递到细胞内。然后通过第二信使，将信号逐级放大，产生显著代谢效应。

非膜受体激素包括类固醇激素、前列腺素等疏水性激素与甲状腺素。肾上腺皮质激素、性激素与活性维生素D及维生素A酸均属这一类。这些激素可透过细胞膜进入细胞，与其胞内受体结合。它们的受体大多数在细胞核内，也有的在胞液中，在与激素结合后再进入核内。一般说来，激素进入细胞后，可与其胞核内的特异受体结合，引起受体的构象变化。然后两个激素一受体复合物共同形成二聚体，作为转录因子，与DNA上特异基因邻近的激素反应元件结合。因此使邻近基因易于（或难于）被RNA聚合酶转录，以促进（或阻止）这些基因的mRNA合成。受该激素调节的基因产物（酶或蛋白质）的合成因而增多（或减少）。随着酶的诱导生成（或阻退），即可产生代谢效应。

激素调节代谢反应的作用是通过对酶活性的控制和对酶及其他生化物质合成的诱导作用来完成的。为要达到这两种目的，机体需要经常保持一定的激素水平。激素是属于刺激性因素，是联系、协调和节制代谢的物质。机体内各种激素的含量不能多，也不能少，过多或过少都会使代谢发生紊乱。因此，利用激素调节代谢，首先应控制激素的生物合成。

1.通过控制激素的生物合成调节代谢

激素的产生是受层层控制的。腺体激素（除脑垂体前叶激素以外的腺体激素，又称“外围激素”）的合成和分泌受脑垂体激素（又称“促腺泌激素”）的控制，垂体激素的分泌受下丘脑的神经激素（又称“释放激素”）的控制。丘脑还要受大脑皮质协调中枢的控制。当血液的某种激素含量偏高时，有关激素由于反馈抑制效应即对脑垂体激素和下丘脑释放激素的分泌起抑制作用，减低其合成速度；相反，在浓度偏低时，即促进其作用，加速其合成。通过有关控制机构的相互制约，即可使机体的激素浓度水平正常而维持代谢正常运转。

2.通过激素对酶活性的影响调节代谢

本小节讨论激素通过cAMP调节代谢的机制。实验证明，细胞膜上有各种激素受体，激素同膜上的专一性受体结合所形成的结合物能活化膜上的腺苷酸环化酶。活化后的腺苷酸环化酶能使ATP环化形成cAMP。cAMP在调节代谢上非常重要，已知有多种激素是通过cAMP对它们的靶细胞起作用的。因为cAMP能将激素从神经、底物等得来的各种刺激信息传递到酶反应中去，故人们称cAMP为第二信使。例如胰高血糖素、肾上腺素、甲状旁腺素、促黄体生成素、促甲状腺素、升压素、去肾上腺素、促黑激素等都是以cAMP为信使对靶细胞发生作用的。

激素通过cAMP对细胞的多种代谢途径进行调节，糖原的分解、合成、脂质的分解、酶的产生等都受cAMP的影响（表8-15）。cAMP影响代谢的作用机制是它能使参加有关代谢反应的蛋白激酶（例如糖原合成酶激酶、磷酸化酶激酶等）活化。蛋白激酶是由无活性的催化亚基和调节亚基所组成的复合物。这种复合物在无cAMP存在时无活性，当有cAA存在时，这种复合物即离解成两个亚基。cAMP与调节亚基结合而将催化亚基释放。被释出来的催化亚基即具有催化活性。cAMP的作用是解除调节亚基对催化亚基的抑制。

表8-15　cAMP对代谢影响的举例

三、神经系统对代谢的调节

高等动物不但有完整的内分泌系统，又有功能复杂的神经系统。整体调节是指在中枢神经系统控制下，通过神经体液活动的改变进行综合调节。为适应内外环境变化，人体接受相应刺激后，将其转换成各种信息，通过神经体液途径将代谢过程进行适当调整，以保持内环境的相对恒定。这种整体调节在饥饿及应急状态下更为明显。在整体调节中，神经系统的主导作用十分重要。神经系统可通过协调各内分泌腺的功能状态而问接调节代谢，也可以直接影响器官、组织的代谢。例如，饱食时，血糖浓度升高，刺激胰岛β细胞分泌胰岛素，胰岛素使血糖浓度下降。在神经系统的协调下，通过激素的交互作用，达到血糖浓度的相对恒定。神经系统影响多种激素的分泌。生长素、胰岛素、甲状腺素等都有促进氨基酸进入细胞的功能，氨基酸量的增多，可使蛋白质合成速率加快。可的松类激素可抑制氨基酸进入肌肉、淋巴等肝外的组织、细胞，从而间接地抑制这些组织的蛋白质合成，造成其蛋白质分解大于合成的现象。在病理状态（如昏迷、食管和幽门梗阻等）或特殊情况下，病人不能进食，此时若不能及时补充葡萄糖，则使体内发生一系列的代谢改变。这些改变都是在激素的影响下产生的。神经系统对代谢的调节分为直接作用和通过调控激素的分泌对代谢进行调控两方面。

高等动物有着高度复杂和完善的神经系统。动物可根据内外环境变化，通过神经系统对体内各器官的代谢与生理功能进行快捷有效的控制和协调。因而神经调节是最高水平的调节。动物利用其感觉器官（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等）感知周围环境的变化，通过神经迅速传递到大脑，由大脑对这些信息进行综合分析，再发出指令采取适当的应对措施。例如，一个动物如果感知附近有危险的猎食者，它的大脑立刻通过神经系统直接给肌肉系统发出逃逸指令。神经冲动传递到肌细胞，改变了膜电位，肌浆网（钙库）立刻释放出Ca^2＋，Ca^2＋升高促使Ca^2＋与肌钙蛋白结合，引起原肌球蛋白构象改变，促使肌动蛋白呈启动状态，肌动蛋白与肌球蛋白结合，水解ATP，产生肌肉收缩，使动物迅速逃离。

正常机体的代谢反应是十分有规律地进行的，激素与酶直接或间接参加这些反应，但整个机体内的代谢反应为中枢神经系统所控制。中枢神经系统对代谢作用的控制与调节有直接的，有间接的。直接的控制是大脑接受刺激后直接对有关组织细胞或器官发出信息，使之兴奋或抑制以凋节其代谢。凡由条件反射所影响的代谢反应都受大脑直接控制。例如，人在精神紧张或遭遇意外刺激时，肝糖原即迅速分解使血糖增高。除此之外，神经系统还通过控制激素的分泌实现对代谢和生理功能的调控。大脑对代谢的间接控制则为大脑接受刺激后通过丘脑的神经激素传到垂体激素，垂体激素再传达到各种腺体激素，腺体激素再传到各种有关的靶细胞对代谢起控制和调节作用。大脑对酶的影响是通过激素来执行的。胰岛素和肾上腺素对糖代谢的调节、类固醇激素对多种代谢反应（水、盐、糖、脂、蛋白质代谢）的调节都是中枢神经系统对代谢反应的间接控制，代谢调节机构的正常运转是维持正常生命活动的必需条件。酶和激素功能的正常是取得正常代谢的关键，中枢神经系统功能的正常是保持正常代谢的关键的关键。