（第一节 ）概述
一、代谢调节的意义
一切生物的生命都靠代谢的正常运转来维持。代谢调节是生物在长期进化过程中逐步形成的一种适应能力。进化程度越高的生物，其调节机构就越复杂。单细胞生物仅能通过细胞内代谢物浓度的改变来影响酶活性和控制酶含量，并调节酶促反应的速度，称为细胞水平的调节。随着生物进化为多细胞形态，复杂的生物出现了内分泌腺，它所分泌的激素通过血液循环运送至靶细胞，以其所携带的信息经特定方式影响靶细胞的代谢与功能，称为激素水平的调节。高等动物和人体不仅有完整的内分泌系统，而且有功能复杂的神经系统，可控制激素的分泌，依靠它们传递信息，对控制物质代谢进行综合性调节，此种神经体液因素的调节称为整体水平的调节。高等生物机体有其精细的代谢调节机构，能使错综复杂的代谢反应按一定规律进行。任何原因使任何调节机构失灵都会妨碍代谢的正常运转，而导致不同程度的生理异常，产生疾病，甚至死亡，所以代谢调节对生命的影响极大。
二、三种不同水平的调节方式
代谢调节就是指在某些条件影响下，细胞能够启动或加速某一代谢过程，而在另一条件下则又能终止或减慢某一代谢过程。
图8-1代谢调节的三级水平在高等动物和人体中，这种调节主要在三个水平上进行，即细胞调节水平、激素调节水平及整体调节水平（神经系统调节）（图8-1）。
细胞水平调节是一切生物都存在的最原始、最基本的凋节方式。
细胞水平调节又称酶活性及含量的控制调节。即主要通过改变原有酶活性和酶含量的两种方式来实现调节控制。酶分子别构和化学修饰都能改变原有酶活性，二者均属于快速调节。别构的信息源是细胞内小分子效应剂的浓度改变；底物性效应剂引起的别构常具有协同效应，产物性效应剂主要通过反馈机制引起别构救活或抑制。化学修饰的信息源主要来自细胞外激素与靶细胞受体的结合，通过信息转导，产生应答的生物效应，常具有逐级放大作用。在基因水平上，酶蛋白合成的诱导或阻遏属于缓慢调节，它对控制细胞内酶含量起到重要作用，而酶分子降解的调节对此则较为次要。类固醇激素与胞内受体结合的复合物，通过活化基因、转录特异mRNA、合成诱导蛋白酶以对代谢发挥调节作用。
激素与膜受体结合的信息需经信息转导系统的作用，才能将激素信息转化为靶细胞的生物效应。cAMP、cGMP、Ca2＋、IP3和DAG等都是第二信使，它们转达激素信息，通过激活以促进蛋白质或酶的磷酸化而触发细胞的应答反应。酪氨酸激酶，即T激酶，是胰岛素和某些生长因子受体的一部分，也是部分癌基因的表达产物．它催化蛋白酪氨酸磷酸化与细胞增殖关系密切。
神经系统通过释放神经递质和控制激素合成与分泌以调节细胞的代谢与功能，此即整体水平的调节。饥饿和应激两种状态下的代谢改变，即是神经一激素协调控制的结果。这对人或高等动物适应环境变化和维持整体相对平衡起着十分重要的作用。
（第二节 ）物质代谢的相互关系
前边章节分别叙述了糖类、脂肪、蛋白质与核酸等物质的代谢，但是机体内的新陈代谢是一个完整统一的过程，是在各个反应过程密切相互作用与相互制约下进行的。葡萄糖的有氧分解是逐步降解转变成二碳物质——乙酰CoA，然后参加三羧酸循环，彻底分解成CO2，其脱下的氢则经生物氧化及氧化磷酸化而生成水，并放出大量能量。脂类及氨基酸也是先降解成乙酰CoA，而后进入三羧酸循环及生物氧化和氧化磷酸化，彻底分解成CO2、水，并放出能量。故三羧酸循环、生物氧化及氧化磷酸化所有产能物质在体内最终有共同通路，大大节约了酶的种类、数量和反应机掏。总结归纳糖、脂和蛋白质的分解代谢，大致可分成三个阶段：第一阶段是分解成单体，即多糖分解成六碳葡萄糖、脂肪分解成甘油及脂肪酸、蛋白质降解成氨基酸；第二阶段是转变成三碳物质及二碳物质（乙酰辅酶A）；第三阶段是乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化，并经生物氧化体系和氧化磷酸化，最终生成CO2、水，并放出能量。人及动物代谢的第一个步骤：食物的消化就是糖类、脂肪、蛋白质在消化管同时进行分解的过程。在组织内，糖类、脂肪、蛋白质及核酸在中间代谢过程中的变化也是密切相关的，因此，如果脱离开糖代谢来谈蛋白质代谢，对于整个机体来说，是很抽象的。而蛋白质代谢或脂肪代谢进行的强度决定于糖代谢进行的强度，反之也如此。机体的物质与能量是由食物中的各种成分供给的，各种成分供给的程度又因具体条件而有所不同。脂肪不足时，蛋白质与糖的分解加强；蛋白质代谢的最后一个步骤——合成尿素所需的能量由糖的代谢来供给。由此可以看出，糖类、脂肪、蛋白质与核酸等物质的代谢是相互依存相互制约的。下面分别叙述它们之间的相互关系。
一、糖代谢与脂肪代谢的关系
糖是生物体重要的碳源和能源，可通过下述途径转变成脂类：糖分解代谢的中间产物磷酸二羟丙酮可还原生成磷酸甘油，另一中间产物乙酰CoA则可合成长链脂肪酸，此过程所需的NADPH＋H＋又可由磷酸戊糖途径供给，最后脂酰CoA与磷酸甘油酯化而生成脂肪。
脂肪转化成糖由于生物种类不同而有所区别。在动物体内，甘油可经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，其关键是由丙酮酸生成乙酰CoA的反应不可逆。
在糖类和脂肪代谢过程中，脂肪酸代谢旺盛时，其生成的ATP增多（ATP／ADP比值增高），可变构抑制糖分解代谢中的限速酶-6-磷酸果糖激酶，从而抑制糖的分解代谢。相反地，如果供能物质供应不足，体内能量匮乏，ADP积存增多，可变构激活6-磷酸果糖激酶，以加速体内糖的分解代谢。从能量代谢角度看，体内供能物质以糖类及脂类为主，以节约耗用蛋白质。因为体内固有的蛋白质多为组成细胞的重要结构成分，通常在体内蛋白质并无明显多余贮存；且大量分解氨基酸会产生大量含氮废物，加重肾脏负担。另一方面，在大量代谢脂肪时，又必须有适量糖代谢的配合，以补充和充实赖以代谢乙酰CoA的三羧酸循环的中间成员。三羧酸循环不仅是糖、脂类和氨基酸分解代谢的最终共同途径，三羧酸循环中的许多中间产物还可以分别转化成糖、脂类和氨基酸。因此，三羧酸循环也是联系糖、脂类和氨基酸代谢的纽带。若食入的糖量超过体内能量消耗所需时，其所生成的柠檬酸增多，变构激活乙酰CoA羧化酶，使由糖代谢源源而来的大量乙酰CoA得以羧化成丙二酰CoA，以合成脂肪贮存起来。这就是为什么不含油脂的高糖膳食同样可以使人肥胖。而且糖代谢的一些中间产物还可经氨基化生成某些非必需氨基酸，以补充和节约蛋白质的消耗。例如丙酮酸可氨基化成丙氨酸，α-酮戊二酸可氨基化成谷氨酸等。又如，若因较长期不能进食而处于饥饿状态时，糖原几乎耗尽，就会大量动用脂肪。但脂肪酸的彻底氧化分解必须在三羧酸循环中间产物充裕的条件下，方能顺利进行，这可由某些氨基酸脱去氨基后的碳链转变成三羧酸循环的中间产物以补充；同时还可以循酵解逆行途径以异生成糖，补充糖的匮乏。因脑的活动主要依血糖供能，同时糖还是构成核酸和糖蛋白及蛋白多糖的主要原料。
二、糖代谢与蛋白质代谢的相互关系
糖可转变成各种氨基酸的碳架结构。丙酮酸是糖代谢的重要中间产物，丙酮酸经过三羧酸循环可变成α-酮戊二酸。丙酮酸也可变成草酰乙酸。这三种酮酸经氨基化作用分别变成丙氨酸、谷氨酸及天冬氨酸。而蛋白质由氨基酸组成，可以在体内转变成糖。蛋白质转变成糖的步骤：首先水解为氨基酸，氨基酸经过脱氨基可变为。酮酸（丙氨酸转变成丙酮酸、天冬氨酸转变成草酰乙酸、谷氨酸转变成a酮戊二酸）。α-酮戊二酸可以经三羧酸循环变成草酰乙酸。草酰乙酸可经烯醇丙酮酸磷酸羧激酶作用变成烯醇丙酮酸磷酸。烯醇丙酮酸磷酸沿酵解作用逆行，可以生成糖原。其他如精氨酸、组氨酸、脯氨酸、瓜氨酸均可通过谷氨酸转变成α-酮戊二酸，再转变成糖原。丝氨酸、亮氨酸等均先转变成丙酮酸，再变成糖原。另外，异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸可转变成琥珀酰辅酶A，也可以转变成糖原。从上述可以看出氨基酸是转变途径。
此外，在糖分解过程中产生的能量．还可为氨基酸和蛋白质合成供能。植物可以合成全部氨基酸．而在动物和人体内，必需氨基酸只能从食物中摄取。
三、脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系
脂肪合成蛋白质是有限的。脂肪水解所形成的脂肪酸，经β-氧化作用生成许多分子乙酰辅酶A，乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合后，经三羧酸循环转变成α酮戊二酸，α-酮戊二酸可经氨基化或转氨作用生成谷氨酸。但由脂肪酸转变成氨基酸，实际仅限于谷氨酸，并且需草酰乙酸存在。在植物和微生物中，存在乙醛酸循环，通过合成琥珀酸，回补了三羧酸循环中的草酰乙酸，从而促进脂肪酸合成氨基酸。例如：含有大量油脂的植物种子，在萌发时，由脂肪酸和铵盐形成氨基酸的过程，进行得极为活跃。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。但在动物体内不存在乙酸循环。一般来说，动物组织不易于脂肪酸合成氨基酸。
蛋白质可以转变为脂类。在动物体内的生酮氨基酸（如亮氨酸）、生酮兼生糖氨基酸（异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等），在代谢过程中能生成乙酰乙酸（酮体），然后生成乙酰CoA，再进一步合成脂肪酸。而生糖氨基酸，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辅酶A合成胆固醇或者经丙二酸单酰辅酶A用于脂肪酸合成。丝氨酸脱羧可以转变为胆胺，胆胺在接受S-腺苷甲硫氨酸给出的甲基后，即形成胆碱，胆胺是脑磷脂的组成成分，胆碱是卵磷脂的组成成分。
四、核酸与糖、脂肪、蛋白质代谢的联系
核酸是细胞中的遗传物质，许多单核苷酸和核苷酸衍生物在代谢中起着重要作用，例如：ATP是重要的能量通货；糖基衍生物参与单糖的转变和多糖的合成；CTP参与磷脂的合成；GTP供给蛋白质肽链延长时所需要的能量等。另外，核酸的合成也受到其他物质的控制，如核酸的合成需要酶和多种蛋白质因子参加，嘌呤及嘧啶核苷酸的合成需要甘氨酸、天冬氨酸等为原料。核酸降解产物的彻底氧化最终也是通过糖代谢途径。
图8-2糖、蛋白质、脂肪和核酸代谢关系
综上所述，糖、脂肪、蛋白质及核酸在代谢过程中形成网络，并密切相关，相互转化，相互制约。三羧酸循环不仅是各类物质代谢的共同途径，而且也是它们之间相互联系的枢纽（图8-2）。
（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）。
图8-3大肠杆菌乳糖操纵子及其调节基因图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）。
