物质代谢

 

    物质代谢又称新陈代谢，是生物体内各种化学变化的总称，在体内进行的变化包括同化作用中的化学变化，也包括异化作用中的化学变化，同化作用意味着合成代谢，而异化作用意味着分解代谢。合成代谢是将从食物中得来的或体内原有的小分子物质合成为体内结构上的及功能方面的分子，一般多为大分子化合物；例如，氨基酸在有可利用的能量的条件下，缩合成为大分子的蛋白质。而分解代谢的产物总是一些小分子，如大分子的糖原降解为葡萄糖，而葡萄糖又降解为二氧化碳，同时产生能量，暂时储存于高能磷酸键的ATP中，供合成代谢及各种生理活动之用。不论是合成代谢，还是分解代谢，都不是简单的过程，需要通过一系列的化学反应来逐步完成，而这些化学反应是在体内较温和的环境中，在酶的催化下，以极高的速度进行。这一系列的化学反应依次衔接起来，就称为代谢途径。总之，物质代谢就是生物体在其生命过程中，从其周围环境中取得物质，在体内通过各种代谢途径，最后将其转变为最终产物，又交回环境的过程。

    （一）物质代谢的研究方法

    体内物质代谢的途径不只一种，而许多途径中的化学反应更是多且复杂，而且都在同一微小细胞内同时进行，因此研究起来比较困难。随研究方法的发展，现在对体内许多重要代谢途径已有一定了解。

    1.完整动物的饲养平衡实验：测定食物中的一种物质的食进量及其本身或其代谢产物的排出量，并用以推断其在体内的代谢情况。氮平衡实验就是一个例子，虽然不能测出蛋白质在体内所经过的代谢途径中各个化学反应，但可确定其利用率、需要量及生理价值。这种饲养平衡实验，对断定其它物质，如无机盐等，是否是必需及其需要量无疑是有用的。此外，完整动物的饲养实验，对多种维生素的发现，均作出了一定的贡献。而某些维生素又是物质代谢中不可缺的物质。

    2.器官灌流法：将一物质注入某一器官的血液中，然后分析测定流出器官血液中该物质的衍生物，当可获知该物质在此器官中的代谢变化。例如，研究氨基酸在肝脏内的变化时，在将氨基酸注入门静脉后，分析肝静脉血液中氨基酸衍生物，即可发现氨基酸经氧化脱氨基而成为α酮酸，并放出氨，同时还可看出尿素的浓度在流出肝脏的血液中比进入的要高。由此可以证明氨基酸的脱氨基作用是在肝脏中进行的，而且脱下的氨在肝脏中转变人尿素。这一方法的优点是所灌流的器官并未脱离动物整体，一切生理条件均正常，尤其是神经及激素的控制调节仍与正常动物基本相同。灌流的方法也应用于离体器官，如肝脏，心脏等，使被研究物质的衍生物更易于辨认及测定。在器官水平上，还可采用切除器官的办法来确定某物质在一器官中的代谢情况；如果将蛋白质饲养去除肝脏的动物，当可发现其血液中氨基酸及氨（来自肠的吸收）的浓度均显著升高，而尿素的含量则大量下降。这无疑能佐证器官灌流实验的结果：那就是氨基酸在肝脏中被氧化脱去氨基及尿素在肝脏中合成以解除氨毒。

    3.组织薄片法  用组织薄片来测定一种物质的代谢途径要比用器官更为便利和准确。这种方法具有完全可靠的控制和对照。肝、肾、脑及其它组织均可切成约50μm 的薄片，使与浴液有充分的接触面，让营养物质与代谢产物的交换适宜，以便能维持组织中细胞活力长达数小时之久。将一定数量被研究物质混于浴液中，保温一定时间后，分析测定浴液中的各种物质，便能推测或断定被研究物质的代谢途径，例如，将铵盐混于浴液中并与肝脏薄片保温，数小时后，铵盐逐渐减少，尿素随之出现。这一结果证明氨在肝脏中转变成尿素。

    4.亚细胞水平法：为了确定化学反应在细胞内进行的部位，可将组织在匀浆器中研磨成匀浆，使细胞破裂。然后用差速离心法，可获得各种亚细胞部分，如胞核、线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化物酶体及质膜等，微粒体一般指的是粗面内质网、滑面内质网及高尔基体等的碎片；从粗面内质网上，还可分离出核蛋白体。这些亚细胞结构都各有所异。分别用不同的亚细胞结构作实验，即可证明此点。例如，线粒体可证明是生物氧化的场所，三羧循环、β氧化等均在其中进行，将所产生的能量储存于ATP中，供生理活动之用。又如，粗面内质网上的核蛋白体已证实是合成蛋白质的地方，而所合成的蛋白质，通过滑面内质网而运到高尔基体，并在其中加工改造后，再分泌于细胞外。再如，胞核已肯定为合成各种RNA的处所。用亚细胞结构水平的方法，不但能对物质代谢途径定位，而且还推动了代谢途径细节的研究。

    5.纯酶的应用：从完整动物发展到亚细胞结构水平的各种方法中，各种酶都是相互混杂，而且与生物体内各种组成成分也未分开。这对完全了解一化学反应的细节是极其困难的。使用纯酶不但能知道它所催化的确切反应，而且还可详细研究其促进反应的各个方面。将许多由纯酶促进的反应依次拼凑起来，对一些重要物质的代谢途径，不论是合成的抑或是分解的，均可大体弄清。事实也是如此。现在蛋白质、糖类、脂类、核酸、生物氧化，以及一些生物活性物质等在体内的转变途径，都已有一定的了解。

    此外，在物质代谢途径的研究中，微生物也常被利用。从上面的叙述可以看出，在物质代谢的研究中，就使用的材料而言，是由完整动物逐渐发展到纯酶。这一发展过程，正是现代科学技术和仪器发展的结果。近代技术和仪器的发展不但能定位、分离、提纯、追踪、鉴别及测定代谢物及其产物，而且还能对参加物质代谢中生物分子的组成、结构、构型、构象及其各种性质等加以研究，而所得结果往往有可能用以解释或确定其在物质代谢中的功能。

    (二)物质代谢途径

    随着研究方法的发展，物质代谢的途径逐渐为人们所了解。

    生物体从环境中摄取的营养素，以糖、脂类、蛋白质、核酸等为最多。进入体内后，各自进入其代谢途径。一个代谢途径是由许多化学反应有组织、有次序地一个接一个的发生和完成，绝大多数的反应都是在较温和的温度、pH及离子浓度条件下，由酶促进，以非常高的速度进行。每一酶促反应几乎都是由一特异的酶所催化，而许多酶还有其必需的辅助因子。例如，进入体内的营养素“甲”，在其代谢途径中，将转变为中间产物“乙、丙、丁…”一直到最终产物“癸”，可图示如下：

           酶1     酶2     酶3

        甲－－→乙－－→丙－－→丁      ……癸

           辅1     辅2     辅3

    图中酶1、酶2、酶3等代表促进每一步骤特异的酶，而辅1、辅2、辅3等为每一种酶所需要的辅助因子。这可用实例说明，一个成年人食进多于其一切活动所需要的食物时，往往会发胖，这显然是体内将多余的食物储存为脂肪，亦即脂肪酸的合成增多。脂肪酸的合成与蛋白质、核酸及糖类等相比，较为简单；所用原料为乙酸，但必须以其活泼衍生物，乙酰辅酶A的形式，进入代谢途径。乙酰辅酶A在体内，来源甚广，主要食物，如糖类、脂类及蛋白质等在分解代谢中，均可生成乙酰辅酶A。在其进入脂肪酸合成途径之前，必须由酰基转移酶催化，先与脂肪酰 载体 蛋白结合，然后再两个碳原子两个碳原子加上去，而每加上两个碳原子，包括从乙酰辅酶A合成的主要原料丙二酸单酰辅酶A在内，须经七个步骤，需要七种不同的酶及三种不同的辅助因子。在乙酰辅酶A上，七次加上两个碳原子（实际是丙二酸单酰辅酶A）之后，还须有软脂酰脱酰酶的催化作用，才能完成一分子软脂酸的合成。这一代谢途径可用作合成主要偶数脂肪酸的例子，由于许多化学反应不仅是进行性的、逐步的，而且还是分阶段来完成的，足见其复杂性。

    代谢途径的复杂性还表现在一种物质在体内可进入多种代谢途径，可进入合成代谢途径，也可进入分解代谢途径，有的即使是合成代谢抑或是分解代谢，其途径也不只一种。例如乙酰辅酶A不仅可进入三羧酸循环而被氧化以产生能量，而且在合成代谢方面，除合成脂肪酸之外，还是酮体及固醇类物质分子中碳原子的主要来源，也是合成一些氨基酸，如谷氨酸以及微生物体内精氨酸、赖氨酸等的一种原料。此外，乙酰辅酶A在乙酰化作用中起着广泛的作用，如在乙酰氨基糖、乙酰胆碱、乙酰肉毒碱等的生成中。

    （三）物质代谢的调控

    生物体的整体，或其器官组织和细胞，都必须有适宜的环境，方能使生命所需的物质代谢正常进行。一旦外环境有所改变，体内的内环境也必定有所反映，随之物质代谢就会有相应的调节控制，使代谢途径正确无误，速度适宜，营养物质的供应和代谢产物的应用及消除得当，才能维持生命的正常继续。物质代谢主要是在细胞内进行，而外界的改变首先影响生物整体，随之而来的则是内环境的改变，这就使细胞受到影响，致使物质代谢中的化学反应必须有所调节。因此，物质代谢的调控是在生物体的整体、细胞及分子水子上起作用的。

    （一）   物质代谢在整体水平的调控

    一个生物体与其所生活的环境有着密切关系，其体内的代谢必定因环境的不同而异，尤其受营养素的供应影响更为明显。爱斯基摩人生活于寒冷北极地带，主要只能食用兽、鱼等动物食品，其能量来源自然是脂肪及蛋白质，因此其体内的脂肪及蛋白质的分解代谢必然旺盛。而居住于较温和区域的人群，以含淀粉多的谷物为主食，体内能量的产生就多来自糖的分解代谢。即使生活在同一地区，因食性不同或供应短缺，往往会造成一种或几种营养素的不足，例如旧中国食米区因食用久磨精米而缺乏维生素B1。维生素B1以焦磷酸硫胺素的形式，是丙酮酸脱氢酶及α酮戊二酸脱氢酶的一种辅酶，故当维生素B1 缺乏时，丙酮酸不能脱去羧基而进入三羧酸循环彻底氧化，因而堆集，以致引起脚气病的一些症状。再者，食性的改变也能影响促进化学反应的酶在量方面的增减；例如婴幼儿以奶为最主要的食品，故其胃粘膜分泌凝乳酶较多，而不食用或少食用奶的成年人胃中这种酶则几近缺如，因此有些成年人在食用牛奶后，不能将其很好凝结而消化，以致腹泻。

    在特殊情况下，如饥饿或应激，体内必须调节物质代谢，以应变故。某些病现状态可使病人不能进食，若不及时补充营养素，尤其是葡萄糖，当即造成体内一种饥饿状态。饥饿时，体内物质代谢必定发生变化，且随时间的延长而逐渐改变，这可从其血糖水平的变化看出一梗概。在饥饿期间，体外营养素的供应断绝，但体内不能无葡萄糖；虽然脑组织可以适应或多或少的利用酮体，而红细胞所需的ATP则完全依靠血糖在细胞内的分解，所以其它器官组织中糖的分解代谢逐渐降低，而蛋白质的分解加强以增加糖异生作用；同时三羧酸循环不能不运行以产生ATP，因此大量动用脂肪进行分解，使体内能量需求得到满足。这些物质代谢的改变都是由某些激素来调节的。现将饥饿中一些代谢参数列于表2-4-2．从表2-4-1可以看到血中胰岛素水平逐渐下降，胰高糖素有所提高；还可以看到酮体明显增多，也可看到氨基酸水平下降。这无疑是脂肪分解及糖异生作用等增加的结果。

    应激就是机体对外界异常刺激的适应。这样的刺激可包括创伤、某些外科手术、肾衰竭、烧伤、感染、受冻及强烈情绪激动等。出现任何一种这样的情况时，体内总的表现有血液中皮质醇、胰高糖素、儿茶酚胺及生长激素等升高；胰岛素的分泌虽然不受影响，体内的抗胰岛素性明显存在；结果脂肪分解增加，故许多组织内脂肪的氧化代替了葡萄糖的氧化，因而加速了酮体的生成，使体内能量代谢发生改变；同时蛋白质代谢亦发生异常，总的看来，分解增加，合成减少，使绝大多数的氨基酸在肝内脱去氨基，将生糖氨基酸的碳骨架经糖异生途径生成糖，并将氨基合成为尿素，因此造成患者体内氮的负平衡，这可能与皮质醇在应激者体内水平大量升高有关。

    纵上所述，可见机体总是通过神经体液来调节体内的物质代谢，以应付所遭遇的异常情况。

    （二）物质代谢在细胞水平的调节

     1.作用于细胞的调节体系：体内的物质代谢是受机体所在环境的影响。外来的刺激因素首先影响神经，然后传导到内分泌腺，以分泌激素，经血流而达到各种组织细胞并调节其物质代谢。激素是调节细胞中代谢的物质。各种激素虽然与全身的细胞都有接触，但只对其靶组织中的靶细胞起作用。

    激素的调节也受反馈抑制的控制，例如下丘脑可分泌促甲状腺激素释放激素，促垂体前叶释放促甲状腺激素，以促进甲状腺合成甲状腺球蛋白，作为合成甲状腺素及三碘甲腺原氨酸的原料。但是血流中的甲状腺素反过来可以抑制垂体前叶释放促甲状腺激素，也可以抑制下丘脑分泌促甲状腺激素释放激素。此外下丘脑及胰脏分泌的生长激素释放抑制素也抑制促甲状腺激素释放激素的分泌。

    2.激素的受体：激素具有高度特异性，只作用于靶细胞，这就意味着靶细胞必定拥有使激素能识别的特殊结构；这种结构就是激素的受体，激素的受体有的是在细胞的表面上，也有的是在胞液中，在细胞表面者为水溶性的肽及胺类激素的受体，而存在于胞液者则是易于通过质膜的脂溶性类固醇类激素的受体。它们可能都是一些特定的糖蛋白，对于激素分子都具有高度的特异性及亲和力。一种激素能选择性地识别其特定的受体，并与其结合成复合物。这种复合物即会导致“第二信使”的生成或释放。第二信使将激素与受体的复合物所携带的信息传递给特定的酶或分子体系，使激素所负的使命得以实现，这就是细胞内的第二信使调节特定酶促反应或使特定基因能够表达。

    　　　导致生成       　 触发

激素（第一信使）＋受体→激素受体复合物－－－→第二信使 －－→相应的代谢途径

    　                                   或释放

  3.环磷酸腺苷的作用：在许多情况下，第二信使实际即是环3’，5’－磷酸腺苷，简写为cAMP。

    cAMP如何触发特定酶促反应的问题，可用糖原生成对糖原分解的作用来说明。在肌肉活动中肾上腺素与细胞膜上的受体结合而激发cAMP的生成；而cAMP当即触发糖原分解的级联反应（图2-4-4），同时抑制糖原的生成。当肌肉活动减少时，磷酸已糖因无需用以生产ATP而累积，即会反过来将糖原合成酶b激活为糖原合成酶a以促进糖原的生成，同时抑制磷酸化酶b转变为磷酸化酶a。cAMP也可影响胞核，其作用是通过激活特定蛋白质激酶，促使非组蛋白磷酸化而从与DNA的结合部位上脱落下来，从而使被阻遏的基因得以表达。

    4.性激素对靶细胞的作用：雌激素及雄激素均为脂溶性类固醇物质，能透过质膜而进入细胞；其受体存在于胞液中，且不以cAMP为第二信使。例如，雌二醇在进入子宫及乳腺的靶细胞后，在胞液中与一特定4s的蛋白质（即受体）结合，经转变成5s的化合物（即第二信使）后而进入胞核，并作用于染色体而促进mRNA的生成，以合成特定的蛋白质。。

    (三)物质代谢在分子水平的调节

    物质代谢中的各个化学反应主要由酶促成，所以酶分子的结构改变及合成、降解速度的增减乃是调节代谢最直接的因素。酶分子结构改变甚为快速，其发生以分秒计，而合成及降解则较为缓慢，需数小时才能实现。结构的改变包括分子的变构及修饰，与机体的需要及内环境有较大关系，至于合成及降解，尤其是合成则涉及基因的作用。

    1.通过酶分子变构的调节：一个代谢途径的发生或消失及进行速度的增减，取决于其调节酶的活性。而酶的活性，在温度、pH、作用物及辅助因子等恒定的情况下，又取决于其分子的结构，调节酶具有变构的性质，故常称为变构酶。变构酶往往位于代谢途径的开端处或其附近，其所促进的多为一重要而不可逆的反应，其分子结构可为一些激动或抑制效应分子所改变。变构酶的分子具有一些特定的结构部位，可与某些小分子结合，如与作用物、终未产物、代谢中间产物或甚至其它代谢途径的产物结合；一经结合，酶分子的构象即会发生改变而影响其活性；结合不同的分子，产生不同的结果。在分解代谢中，例如在糖酵解中，ATP是磷酸果糖激酶的作用物，也是其变构调节剂。当体内需要进行糖酵解以供给能量时，ATP与磷酸果糖激酶结合而促进酵解的进行，但在ATP水平升高到超过需要时，它又有抑制磷酸果糖激酶的作用，从而使酵解减慢或停止。柠檬酸盐也是磷酸果糖激酶的抑制剂，有降低酵解速度的作用。

    变构酶可与多种小分子物质结合，但与代谢途径的终未产物结合是其特有的性质。当终未产物超过需要时，即与酶分子结合而改变其构象，因而抑制其活性；这就是反馈抑制。变构反馈抑制的例子很多，其最早发现者为细菌中促进L苏氨酸转变为L异亮氨酸的酶体系。这一体系由五种酶组成，以苏氨酸脱水酶为这一转变开端的酶。苏氨酸脱水酶可被转变过程的终末产物，异亮氨酸所抑制；这当然是异亮氨酸生成过多时发生。异亮氨酸是苏氨酸脱水酶的特异抑制剂，并不抑制体系其它酶，同时其它的中间产物对苏氨酸脱水酶无抑制作用。异亮氨酸与苏氨酸脱水酶以非共价键与酶分子形成可逆性结合，故在需要时异亮氨酸又可脱离结合部位，恢复酶的活性。由此可见，反馈抑制显然是通过酶分子的变构来调节代谢。

    2.通过酶分子修饰的调节：酶分子含有多种基团，有的可以去除或加上，也有的可以交互改变；通过这种修饰作用以影响酶的活性，如加上或去掉磷酸及硫氢基与二硫键的互相转变等都是对酶分子修饰的常见例子。精原的合成与分解就是通过糖原合成酶与糖原磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸作用来调节的。糖原合成酶以I及D两种型式存在；I型为去掉磷酸并具有活性者，但经蛋白质激酶的磷酸化作用则成为无活性的D 型。糖原分解中的磷酸化酶则以a及b两种形式存在，其本身的磷酸化或脱磷酸在活性上则与糖原合成酶的正好相反；磷酸化酶a是磷酸化型，在受磷酸化酶磷酸酶水解而脱去磷酸后，即成为无活性的b型。

    3.通过基因的调节：体内的酶与其它物质一样，也有其合成及分解代谢，通过酶蛋白的代谢，即可影响细胞内酶的含量，进而调节物质代谢的速度及存在。酶的半寿期甚短，如无合成，细胞内酶的含量即将逐渐下降，影响酶合成的因素有作用物、代谢产物、激素及药物等。这些因素都是通过基因来调节酶的合成。作用物影响酶合成的例子很多，例如食用低蛋白质高糖类膳食的人，其肝脏中分解氨基酸的酶的含量必定很低，因体内对无多大用处的酶，不必大量合成。一旦改食高蛋白质膳食时，一日之内肝脏中分解氨基酸的含量必定增高。这表明，肝细胞内酶的合成当视膳食所供给营养素的性质而定，实际是作用物作用于基因而使所需要的酶得以合成；一般称这种作用为酶的诱导(图2-4-7)。

    基因因作用物A的影响而生成A的代谢途径中所需要的酶E 1、E 2及E 3等，将A 依次转变为B、C及D。酶的诱导生成，在细菌中亦是常见的，例如，在含葡萄糖的培养基中生长的大肠杆菌不能使乳糖发酵，而在含乳糖或甲基半乳糖的培养基中生长者则能；这是因为乳糖或甲基半乳糖作用于基因而诱导生成β半乳糖苷酶的结果。

    代谢产物通过基因对酶蛋白合成的调节，最常见的是反馈抑制。当一代谢途径的终未产物超过需要时，即与调节酶结合而造成反馈抑制，致使这一代谢途径中酶的合成减少。

    高等动物体内影响蛋白质合成的激素将信息依次传递给细胞的受体、第二信使及基因，然后由基因调节蛋白质的合成。例如，胰岛素对蛋白质有促进合成并抑制分解的作用，这就极有可能使糖酵解及脂肪酸合成等代谢途径中的酶在细胞内的含量有所增加，又如糖皮质激素促进肌肉蛋白质的分解，由此产生的氨基酸在肝细胞中通过糖异生作用而生成糖，所以这个激素的作用是导致氨基酸分解代谢及糖异生作用中酶的合成。

    绝大多数药物及毒物都是异生物质，均能诱导生成分解它们的的酶，以解除其不利于生命的作用。药物及毒物多在肝中进行生物转化；促进生物转化的酶，常称为微粒体酶，都不是潜在的或已有酶前身物的激活，而是经异生物质的诱导而重新合成的。这无疑是通过基因的一种调节作用。就现在所知，药物及毒物诱导剂大致可分为苯巴比妥及多环烃两种类型，前者所能激起微粒体酶的种类远远大于后者。

    纵观上述，物质代谢的调节虽然分为整体、细胞及分子三种水平来讨论，但实际上体内代谢的调节总是依次通过神经、激素及基因，最后落实到酶分子上来实现。