新陈代谢的调节控制

发表于 分类于 阅读次数： 本文字数： 17k

新陈代谢的调节控制·

由GPT-5.6-Sol生成

新陈代谢包括物质代谢、能量代谢和信息代谢，是生物机体一切生命活动的基础。

  • 熵：衡量系统混乱或无组织程度的热力学函数

    • 熵越大，系统越混乱；熵越小，组织程度越高
    • 信息意味着混乱或不确定性的减少，因此可视为负熵
    • 生物不断与环境交换物质、摄取能量和输入负熵，借此构建并维持复杂结构

  • 代谢调节（metabolic regulation）

    代谢途径通量改变时，使有关代谢物浓度保持稳态的机制；本质是对代谢物浓度变化的节制。

  • 代谢控制（metabolic control）

    改变代谢途径通量，以适应环境变化的机制；本质是对代谢途径通量的管控。

  • 二者合称代谢调控/调节；代谢的自调节是生命的重要特征

  • 调节层次

    1. 分子水平：底物、酶活性和酶量
    2. 细胞水平：代谢途径的区域化、膜与信号途径
    3. 整体水平：激素、神经及器官间协调

细胞代谢调节控制的基本原理·

代谢途径相互联系形成网络·

  • 细胞将种类繁多的物质纳入各自的共同代谢途径，只需利用少数类型的反应完成转化
    • 氧化还原
    • 基团转移
    • 水解与合成
    • 基团脱加
    • 异构反应
  • 连续反应组成代谢途径；不同途径通过交叉点上的共同中间代谢物相互沟通
  • 三个最关键的中间代谢物
    1. 6-磷酸葡萄糖
    2. 丙酮酸
    3. 乙酰辅酶A
  • 柠檬酸循环既是糖、脂质、蛋白质等物质的共同代谢途径，也是各类物质相互联系的渠道
  • 各途径虽能相互转化，但转化受各自调控并彼此协同，形成调节网络

糖、脂质、蛋白质及核酸代谢的相互关系


代谢保持动力学稳态·

  • 动力学稳态（dynamic steady state）

    代谢途径的物流处于稳定状态，即代谢物的生成速率等于消耗速率，其浓度保持不变。

  • 稳态与通量大小及通量是否变化无关；只要生成与消耗相等，代谢物浓度即可恒定

    $$ \mathrm{A}\xrightarrow{V_1}\mathrm{S}\xrightarrow{V_2}\mathrm{P} $$

    当 $V_1=V_2$ 时，$[\mathrm{S}]$ 保持不变。

  • 机体通过摄入营养物、排出废物、消耗自由能并向环境放热，增加环境的熵而维持体内稳态

  • 发育或环境发生重大变化时，代谢格局可由一种稳态转入另一种稳态

  • ATP稳态

    • ATP既是通用能量载体，也是细胞能量水平的标志
    • 正常细胞中ATP浓度约为 $5\sim10,\mathrm{mmol/L}$，通常明显高于利用ATP的酶的 $K_m$
    • 运动开始时ATP需求可瞬间增加数十至上百倍；细胞通过增强糖酵解等途径提高ATP供应，使ATP及许多代谢物浓度仍无显著改变

调节点常为远离平衡的反应·

  • 平衡状态：正、逆反应速率相等，$\Delta G=0$

  • 细胞处于动力学稳态时

    • 多数反应接近平衡：底物或产物浓度的小幅变化即可造成较大的净物流变化，有利于物流平稳
    • 少数反应远离平衡：消耗或释放较多自由能，常成为调节点

  • 质量作用比

    $$ \mathrm{A+B\rightleftharpoons C+D} $$

    $$ Q=\frac{[\mathrm C][\mathrm D]}{[\mathrm A][\mathrm B]} $$

    • $Q$ 与平衡常数 $K_{eq}^{\prime}$ 的比值不超过 $100$，可认为反应接近平衡
    • $K_{eq}^{\prime}$ 对某一反应是固定的，而 $Q$ 可随细胞类型和状态改变

  • 远离平衡反应适合作为调节点的原因

    1. 近似单向，反应速率可直接反映整个代谢途径的通量
    2. 常利用ATP或其他高能化合物，或本身释放高能，必须受到节制
    3. 常处于途径起点、终点等关键位置，对机体意义重大

    代谢调节点的基本特征：单向、高能、受限制。

  • 糖酵解的典型调节点

    • 己糖激酶
    • 磷酸果糖激酶（PFK-1）
    • 丙酮酸激酶

代谢控制分析·

  • 巴斯德效应

    酵母由有氧转入无氧环境后，葡萄糖消耗量增加10倍以上。无氧时细胞加强糖酵解，以维持ATP的稳定供应。

  • “单一限速步骤”假说的局限

    • 该假说认为整个途径的通量由其中速率最小的一步决定
    • 实验中将PFK-1浓度提高5倍，糖酵解通量增加不足10%
    • 说明通量受途径内多个步骤及其相互关系共同控制，而非固定由单一步骤决定

  • 代谢控制分析（metabolic control analysis，MCA）

    将各反应步骤和代谢途径视为一个完整系统，分析整个系统对通量的控制；各步骤的贡献会随环境改变。

  • MCA的三个基本参数

    • 通量控制系数 $C$

      表示途径中某酶对代谢通量控制的相对贡献，即改变酶量所引起的通量相对变化。

      • 不是常数，随底物和效应物浓度改变
      • 分支途径中的酶对主干通量可起负作用，故 $C$ 可为负值
      • 直线或分支途径中，各酶的 $C$ 值总和均为1
    • 弹性系数 $\varepsilon$

      定量表示单个酶对代谢物或效应物浓度变化的反应性，是酶固有动力学性质的函数。

      • 底物浓度较低（如 $0.1K_m$）时，$\varepsilon$ 接近1
      • 底物浓度较高（如 $10K_m$）时，酶接近饱和，$\varepsilon$ 接近0
      • 变构酶的 $\varepsilon$ 可大于1，但不超过Hill系数，通常为1～4
    • 反应系数 $R$

      表示激素、生长因子或其他细胞因子等外部控制物对代谢通量的影响。

    $$ R=C\cdot\varepsilon $$

  • MCA两项基本原理

    1. 总和原理：途径中各步酶的 $C$ 值总和为1
    2. 相关性原理：$R$ 为 $C$ 与 $\varepsilon$ 的乘积

  • 局限性

    • 主要依据酶活性和动力学性质
    • 通量控制系数只在测定条件下有效，会随系统状态改变
    • 对复杂途径的预测能力仍有限

分支代谢途径的通量控制系数


代谢的协同调节·

  • 协同调节包括
    1. 分解途径与合成途径等不同代谢途径间的协调
    2. 各组织器官间的分工合作
    3. 不同调控机制间的协作互补

相对立的单向反应·

  • 酶只能改变反应速率，不能改变平衡点，对正、逆反应具有相同促进作用
  • 分解与合成途径虽共享许多可逆反应，但关键部位的正、逆反应常由不同酶催化，称为相对立的单向反应
  • 意义
    • 使合成与分解分别处于热力学有利状态
    • 便于分别调节正向和逆向通量
    • 防止二者同时进行造成无谓耗能
  • 吸能的合成反应通过偶联ATP水解进行；放能的分解反应释放自由能，二者关键反应均远离平衡

糖酵解与糖异生的协调·

  • 糖酵解10步，糖异生11步
    • 7步可逆反应由两途径共用相同的酶
    • 糖酵解3步不可逆放能反应分别由己糖激酶、PFK-1和丙酮酸激酶催化
    • 糖异生以4步具有较大负 $\Delta G^{\prime}$ 的反应绕过上述3步
  • 两途径的单向放能反应既是热力学关键步骤，也是重要调节点

糖酵解和糖异生途径

同工酶与组织分工·

  • 同工酶（isozyme）

    催化同一种反应，但酶学性质和调节功能不同，并分布于不同组织的一组酶。

  • 人己糖激酶有I～IV型

    • 肌细胞：以I～III型为主
      • 对葡萄糖亲和力高，在通常血糖浓度下接近饱和
      • 血糖波动对活性影响小
      • 受产物6-磷酸葡萄糖反馈抑制，使反应保持稳态
    • 肝细胞：己糖激酶IV型
      • $K_m$ 约为 $10,\mathrm{mmol/L}$，血糖浓度可直接影响其活性
      • 餐后血糖升高时活性增加，促进糖酵解
      • 不受6-磷酸葡萄糖抑制
      • 低血糖时，在6-磷酸果糖作用下进入细胞核并与特异调节蛋白结合而受抑，避免肝与其他器官竞争葡萄糖

区域化防止底物循环·

  • 底物循环

    正、逆方向的对立反应同时进行，造成底物反复转化并无谓消耗能量。

  • 己糖激酶位于胞液，6-磷酸葡萄糖酶位于内质网膜，空间分隔有助于控制通量并防止葡萄糖反复磷酸化/去磷酸化
  • 6-磷酸葡萄糖酶复合体包括水解酶和3种转运蛋白
    • $T_1$：将6-磷酸葡萄糖送入内质网腔
    • $T_2$：将水解产生的无机磷酸盐送回胞液
    • $T_3$：将葡萄糖送回胞液
  • 糖异生第一步的丙酮酸羧化酶位于线粒体基质
    • 丙酮酸可进入线粒体，草酰乙酸不能直接跨膜
    • 草酰乙酸需转变为苹果酸或天冬氨酸后出线粒体，再于胞液中恢复为草酰乙酸
  • 防止底物循环的另一方式是交互调节：一个方向活化时，对立方向受到抑制

激素和变构效应物的协同·

  • 高血糖/胰岛素

    • 激活PI3K，使 $PIP_2\rightarrow PIP_3$
    • $PIP_3$ 抑制6-磷酸葡萄糖酶活性
    • 胰岛素信号还抑制6-磷酸葡萄糖酶基因转录

  • 低血糖/胰高血糖素

    • 经cAMP途径增强6-磷酸葡萄糖酶基因转录

  • 6-磷酸葡萄糖酶还需 $Ca^{2+}$ 结合稳定蛋白激活，故受 $Ca^{2+}$ 信号调节

  • PFK-1与FBPase-1的交互调节

    • ADP、AMP激活PFK-1；AMP抑制FBPase-1

      能量不足时促进糖酵解、抑制糖异生。

    • ATP、柠檬酸抑制PFK-1；柠檬酸激活FBPase-1

      能量及代谢物充足时抑制糖酵解、促进糖异生。

    • 2,6-二磷酸果糖（F-2,6-BP）激活PFK-1并抑制FBPase-1

  • PFK-2/FBPase-2是同一双功能蛋白的两种酶活性

    • 胰高血糖素 → cAMP → PKA → 双功能酶磷酸化 → FBPase-2活性 → F-2,6-BP降低 → 糖酵解受抑、糖异生增强
    • 胰岛素 → 磷蛋白磷酸酶 → 双功能酶去磷酸化 → PFK-2活性 → F-2,6-BP升高 → 糖酵解增强、糖异生受抑

PFK-1和FBPase-1的交互调节

  • 丙酮酸代谢调节点
    • 丙酮酸激酶
      • ATP、乙酰-CoA、丙氨酸抑制
      • 1,6-二磷酸果糖正前馈激活
      • 肝L型被PKA磷酸化后失活，经磷蛋白磷酸酶去磷酸化后恢复活性
    • 丙酮酸羧化酶：ADP抑制，乙酰-CoA激活
    • 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶：ADP抑制

酶活性和酶量的调节·

酶调节概况·

  • 酶的两类功能
    1. 催化生化反应
    2. 调节和控制代谢的速度、方向和途径
  • 酶不改变反应的热力学性质，但可从动力学上推动代谢过程
    • 使吸能反应与放能反应偶联
    • 连续反应迅速移去中间产物，使其不积累
    • 某些反应在酶或酶复合物表面定向进行，直到终产物形成
  • 酶水平调节是代谢最基本、最关键的调节
    • 改变已有酶的活性：快、可逆
    • 改变酶的合成或降解：较慢、较持久
  • 底物和产物可通过质量作用影响反应，但作用有限，代谢主要受酶调节

变构调节：前馈和反馈·

  • 前馈（feedforward）：代谢底物对后续反应的影响
  • 反馈（feedback）：代谢产物对前面反应的影响
  • 前馈和反馈均可为
    • 正作用：激活，使代谢加快
    • 负作用：抑制，使代谢减慢
  • 二者本质上均属于变构效应，底物或产物作为效应物调节关键酶

酶促反应的前馈和反馈

  • 正前馈：前面的底物激活后续调节酶
    • 例：1,6-二磷酸果糖激活丙酮酸激酶
  • 负前馈：底物过量时抑制后续反应，使其转入其他途径，避免代谢途径拥挤
    • 例：高浓度乙酰-CoA抑制乙酰-CoA羧化酶，避免丙二酸单酰-CoA合成过多
  • 反馈抑制：终产物积累后抑制途径第一步或关键步骤的酶，可节省代谢物和能量
  • 反馈也可表现为激活；复杂分支途径可同时受多种前馈与反馈信号协调

产能反应与需能反应的调节·

  • 产能反应通常与ADP磷酸化偶联；需能反应通常与ATP水解偶联

  • ATP系统的质量作用比

    $$ \frac{[\mathrm{ATP}]}{[\mathrm{ADP}][P_i]} $$

    • 正常时比值高，ADP浓度较低，ATP生成仅维持一般需求
    • ATP需求增加 → ATP分解、ADP和 $P_i$ 增加 → 电子传递和氧化磷酸化增强 → ATP恢复 → 氧化磷酸化速度再次降低

  • ATP、ADP、AMP和 $P_i$ 的双重调节作用

    1. 作为反应底物或产物，通过质量作用效应调节代谢
    2. 作为调节酶的变构效应物
      • ATP常抑制糖酵解、柠檬酸循环和氧化磷酸化
      • ADP、AMP和 $P_i$ 常起激活作用

  • 能荷（energy charge）

    总腺苷酸系统中所负荷的高能磷酸基数量，可作为产能与需能代谢间变构调节的信号。

    $$ \text{能荷}=\frac{[\mathrm{ATP}]+\frac12[\mathrm{ADP}]}{[\mathrm{ATP}]+[\mathrm{ADP}]+[\mathrm{AMP}]} $$

    • 全部为ATP时能荷为1；全部为AMP时为0
    • 正常细胞约为0.9，通常维持在0.85～0.95
    • ADP只计作 $1/2$ ATP当量，因为腺苷酸激酶可催化 $2\mathrm{ADP}\rightarrow\mathrm{ATP+AMP}$

酶活性的特异激活和抑制·

  • 离子、有机分子及特异蛋白质均可调节酶活性
  • 钙调蛋白可感受细胞内 $Ca^{2+}$ 浓度升高并激活多种相关蛋白质
  • 蛋白酶的四个主要家族
    • 丝氨酸蛋白酶
    • 半胱氨酸蛋白酶
    • 金属蛋白酶
    • 酸性蛋白酶
  • 凝血与溶栓
    • 凝血系统多数成分是丝氨酸蛋白酶；凝血因子VIII和V不是蛋白酶，而是其激活剂
    • 凝血级联促使纤维蛋白原转变为纤维蛋白
    • 溶栓系统也由丝氨酸蛋白酶组成，并受相应抑制剂控制
    • 两系统的平衡依赖多种特异激活剂和抑制剂
  • 有些调节酶由调节亚基控制
    • 例：cAMP与蛋白激酶A的调节亚基结合，使其离开催化亚基，PKA被激活

酶原激活、共价修饰和级联反应·

酶切激活·

  • 某些蛋白质合成时没有活性，需切开一个或少数特异肽键后才被激活
  • 例
    • 胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、羧肽酶和弹性蛋白酶均以酶原形式产生，在消化道中激活
    • 胰岛素原切除C肽后成为胰岛素
    • 某些多肽激素前体经加工产生多个活性小肽
    • 前胶原蛋白为可溶性胶原前体；胶原酶也可由无活性的胶原酶原激活

级联反应·

  • 级联反应：前一级活化的酶继续激活下一级酶的连续反应
  • 特点
    1. 原始信号逐级放大，可迅速产生生理效应
    2. 各级均可受调节，便于精确控制反应速度和进程
  • 凝血是一系列丝氨酸蛋白酶或其激活剂连续酶切形成的级联反应

凝血级联系统

可逆共价修饰·

  • 磷酸化/脱磷酸化是最重要、最普遍的共价调节方式

    • 蛋白激酶以ATP提供磷酸基和能量，使靶蛋白的Ser、Thr或Tyr残基磷酸化
    • 磷蛋白磷酸酶水解去除磷酸基
    • 两过程由不同酶催化，便于独立控制
    • 一个激酶可磷酸化多个靶蛋白，并可继续激活下一级激酶，形成信号放大

  • 细菌谷氨酰胺合成酶（GS）的腺苷酰化调节

    • GS由12个相同亚基组成，每个亚基均有催化部位、变构部位和可腺苷酰化的Tyr残基
    • 完全或部分腺苷酰化的GS活性低；完全脱腺苷酰化的GS活性高
    • GS还受多种含氮终产物反馈抑制；腺苷酰化会提高其对反馈抑制剂的敏感性
    • 腺苷酰转移酶（AT）既催化腺苷酰化，也催化脱腺苷酰化，其方向由调节蛋白P决定
      • $P_A$-AT：催化GS腺苷酰化，使其活性降低
      • $P_D$-AT：催化GS脱腺苷酰化，使其活性升高
    • $P_A$ 经尿苷酰化变为 $P_D$；该反应受ATP和 $\alpha$-酮戊二酸激活、受谷氨酰胺抑制

    $$ \mathrm{P_A+2UTP\xrightarrow{尿苷酰转移酶}P_D+2PP_i} $$

    $$ \mathrm{P_D+2H_2O\xrightarrow{水解酶}P_A+2UMP} $$

谷氨酰胺合成酶的可逆共价修饰调节


酶量的调节·

  • 酶量取决于酶的合成与降解
  • 与酶活性调节相比
    • 活性调节：快速、可逆
    • 酶量调节：较慢、较持久
  • 按生成特点分类
    • 组成酶：随细胞生长和蛋白质合成而产生，在细胞内维持相对恒定水平
    • 可调酶：仅在细胞需要时生成

原核生物酶生成调节·

  • 原核细胞没有细胞核和其他膜性细胞器，转录和翻译可同时进行

  • 特点：简单、快速、高效，以转录水平调节为主

  • 分解代谢酶常可由底物诱导；生物合成酶常可由终产物阻遏

  • 操纵子（operon）

    功能相关的基因共同组成一个转录单位，受共同控制部位调节。

  • 乳糖操纵子

    • 3个结构基因共同转录为一条多顺反子mRNA
      • lacZ：$\beta$-半乳糖苷酶
      • lacY：$\beta$-半乳糖苷透性酶
      • 第三个结构基因：$\beta$-硫代半乳糖苷乙酰基转移酶
    • 无乳糖时：阻遏蛋白结合操纵基因，阻止结构基因表达
    • 有乳糖时：乳糖作为诱导物结合阻遏蛋白，使其离开操纵基因，结构基因得以转录

  • 生物合成操纵子中，终产物可作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合，使其获得结合操纵基因并阻止转录的能力

  • 启动子是RNA聚合酶结合并起始转录的部位

  • 葡萄糖降解物阻遏

    • cAMP与CAP结合可活化某些分解代谢操纵子的启动子
    • 有葡萄糖时，其降解物促进cAMP水解，使这些基因不能转录，从而优先利用葡萄糖

真核生物酶生成调节·

  • 核结构使转录与翻译在时间和空间上分离
  • 特点：复杂、多样、精确，具有多级调节系统
  • 可调节层次
    • 染色质和基因组
    • 转录及转录后加工
    • 翻译及翻译后加工
    • 蛋白质运输和定位
  • 真核基因通常各自表达，不组成操纵子
  • 启动子或上游含多个反应元件和调节因子结合位点；外界信号经受体和信号途径改变转录因子活性，从而调节酶的生成

细胞对代谢途径的分隔与控制·

细胞结构和酶的区域化分布·

  • 蛋白质合成后定位于特定部位，各类酶可存在于胞质溶胶或与膜、颗粒、纤维等结构结合

  • 区域化使不同代谢途径

    • 有序进行、互不干扰
    • 彼此协调和制约
    • 接受精确调节

  • 真核细胞中部分代谢途径的分布

酶或途径 主要区域
糖酵解、磷酸戊糖途径、脂肪酸合成 细胞溶胶
柠檬酸循环、氧化磷酸化、脂肪酸 $\beta$ 氧化 线粒体
糖异生 细胞溶胶、线粒体和内质网
糖原合成与分解 细胞溶胶和内质网
尿素合成 线粒体和细胞溶胶
蛋白质合成 粗面内质网
DNA、RNA合成 细胞核
水解酶类 溶酶体
光合磷酸化 叶绿体

细胞膜结构对代谢的调节·

控制离子浓度梯度和电位梯度·

  • 生物膜的选择通透性造成膜两侧离子浓度梯度和电位梯度
    • 离子逆梯度转移需消耗自由能
    • 离子顺梯度转移可释放自由能
  • 膜的三项基本功能均依赖离子与电位梯度
    1. 物质运输
    2. 能量转换
    3. 信息传递
  • 例
    • 细菌质膜和线粒体内膜利用质子梯度合成ATP并运输物质
    • $Na^+$ 离子流可驱动氨基酸和糖的主动运输
    • 神经、肌肉兴奋依赖跨膜离子流形成的膜电位
    • $Ca^{2+}$ 作为胞内信使，参与调节不同区域的代谢
  • 骨骼肌收缩
    • 静息时肌浆 $Ca^{2+}$ 浓度低，大量 $Ca^{2+}$ 储存在肌浆网
    • 兴奋使肌浆网释放 $Ca^{2+}$，肌浆 $Ca^{2+}$ 升高并触发收缩
    • 收缩后钙泵利用ATP将 $Ca^{2+}$ 主动泵回肌浆网，恢复浓度梯度

控制细胞和细胞器的物质运输·

  • 膜运输系统控制营养物进入、废物排出及细胞器内外的底物/产物交换
  • 通过限制底物进入细胞或细胞器，可直接调节相应代谢通量
  • 葡萄糖进入肌肉和脂肪细胞是这些细胞利用葡萄糖的限速过程
    • 胰岛素促进其摄取葡萄糖
    • 结果：降低血糖，并促进糖的利用、糖原合成及糖转变为脂肪

膜与酶的可逆结合·

  • 双关酶（ambiguous enzyme）

    可逆地与膜结合，并通过膜结合型与可溶型之间的转变改变性质和活性的酶。

  • 多为代谢途径的关键酶或调节酶，能迅速、灵敏地应答代谢状态
  • 己糖激酶
    • ATP在较低浓度时有利于酶结合线粒体外膜，形成高活性膜结合型
    • ATP积累较多时酶从膜脱离，成为低活性可溶型，限制糖的有氧分解
    • 两种状态的 $K_m$ 和对6-磷酸葡萄糖反馈抑制的敏感性不同
    • 胰岛素促进其与线粒体结合，肾上腺素作用相反

信号途径对代谢的调节·

  • 外部信号包括物理信号和化学信号，由受体接受并转化为细胞反应
  • 信号转导（signal transduction）

    信号分子作用于受体后，引起细胞内化学变化并形成细胞反应的过程。

  • 常见受体六类
    1. G蛋白偶联受体
    2. 受体酪氨酸激酶
    3. 受体鸟苷酸环化酶
    4. 门控离子通道
    5. 黏附受体
    6. 核受体
  • 常见第二信使：cAMP、cGMP、DAG、$IP_3$、$Ca^{2+}$
  • 信号途径调节代谢的两种主要方式
    1. 直接激活或抑制代谢酶
    2. 影响转录因子，在转录水平调节基因表达

机体整体水平的代谢调节·

激素和递质的作用方式·

  • 激素、神经递质和调节肽等内源配体可通过三种方式发挥作用
    • 自分泌：作用于分泌细胞自身
    • 旁分泌：经细胞外液或细胞间隙接头作用于邻近细胞
    • 内分泌：经血液到达特定器官，作用于靶细胞
  • 小而非极性的信号分子可穿过脂双层膜，在胞内与受体结合
    • 例：NO、甾类激素
  • 大而极性的信号分子不能进入细胞，只能结合质膜受体并进行跨膜信号转导

质膜受体与G蛋白·

质膜受体四大类·

  1. 配体门控离子通道
    • 由神经递质控制，多为寡聚体蛋白
    • 例：烟碱型乙酰胆碱受体、GABA受体、谷氨酸受体
  2. G蛋白偶联受体
    • 单链多肽，含7段跨膜 $\alpha$ 螺旋
    • 配体结合后经G蛋白调节效应器并产生第二信使
  3. 受体酪氨酸激酶或与酪氨酸激酶结合的受体
    • 例：EGF、PDGF、FGF及胰岛素受体
  4. 受体鸟苷酸环化酶
    • 例：心钠素受体产生cGMP，促进肾排出 $Na^+$ 和水

异源三聚体G蛋白·

  • 由 $\alpha$、$\beta$、$\gamma$ 三个亚基组成
  • 主要类型
    • $G_s$：刺激腺苷酸环化酶，促进cAMP生成
    • $G_i$：抑制腺苷酸环化酶，减少cAMP生成
    • $G_p$：参与磷酸肌醇信号系统
    • $G_t$：刺激视网膜cGMP磷酸二酯酶
  • 活化循环
    1. 静息时 $\alpha$ 亚基结合GDP，并与 $\beta\gamma$ 结合
    2. 配体结合受体，GEF促进 $\alpha$ 亚基以GTP替换GDP
    3. $G_\alpha$-GTP与 $G_{\beta\gamma}$ 分离，前者作用于效应器
    4. $G_\alpha$ 自身GTP酶活性水解GTP，形成GDP后失活并重新组装
  • 细菌毒素影响
    • 霍乱毒素使 $G_{s\alpha}$ 发生ADP-核糖基化，抑制其GTP酶活性 → 腺苷酸环化酶持续活化 → 肠上皮cAMP持续升高 → 大量 $Na^+$ 和水进入肠腔
    • 百日咳毒素使 $G_{i\alpha}$ 发生ADP-核糖基化，阻断其活化，使其失去抑制功能

磷酸肌醇、钙与蛋白激酶信号·

  • 磷酸肌醇信号途径

    $$ PIP_2\xrightarrow{\text{磷脂酶C}}IP_3+DAG $$

    • $IP_3$ 扩散入胞质，促使内质网释放 $Ca^{2+}$
    • DAG留在膜中，与磷脂和 $Ca^{2+}$ 共同激活PKC
    • 二者共同引起 $Ca^{2+}$ 动员、PKC活化等级联反应

  • $Ca^{2+}$ 信号

    • 正常动物细胞溶胶游离 $Ca{2+}\leq10{-7},\mathrm{mol/L}$，胞外可达 $10^{-3},\mathrm{mol/L}$ 以上
    • 质膜、内质网膜和线粒体内膜上的钙泵维持巨大浓度差
    • 受体活化后，$Ca^{2+}$ 可由胞外进入或由胞内储库释放
    • 多种蛋白激酶、磷酸酶、核苷酸环化酶、离子通道和收缩蛋白依赖 $Ca^{2+}$/CaM

  • 蛋白激酶C（PKC）

    • 静息时以无活性形式存在于胞液
    • DAG和 $Ca^{2+}$ 增加后转移到质膜内侧
    • 在DAG、磷脂酰丝氨酸和 $Ca^{2+}$ 共同作用下活化
    • 磷酸化多种蛋白质的Ser/Thr残基，影响代谢、生长和分化

  • 蛋白激酶G（PKG）

    • 与cGMP结合后活化，二聚体不解离
    • 与PKA均催化Ser/Thr磷酸化，但激活剂、抑制剂和天然底物不同

  • PKA、PKC、PKG均属于Ser/Thr蛋白激酶


受体酪氨酸激酶及相关通路·

  • 受体酪氨酸激酶（RTK）通常包括

    • 胞外配体结合区
    • 疏水跨膜区
    • 胞内酪氨酸激酶区

  • 生长因子结合 → 受体二聚化 → 两条胞内肽链交互磷酸化 → 形成靶蛋白结合位点

  • 胰岛素受体为 $\alpha_2\beta_2$ 四聚体

    • $\alpha$ 亚基位于胞外并结合胰岛素
    • $\beta$ 亚基跨膜，胞内C端具有酪氨酸激酶活性
    • 受体虽预先聚合，仍需结合胰岛素后才被激活

  • Ras-MAPK途径

    1. Grb2的SH2结构域结合受体磷酸化Tyr位点
    2. Grb2的SH3结构域结合SOS
    3. SOS作为GEF使Ras以GTP替换GDP
    4. Ras-GTP激活Ser/Thr激酶级联
    5. MAPK活化后在胞质或核内调节靶蛋白和转录因子

  • Ras是具有GTP酶活性的单链小G蛋白，通过异戊二烯基锚定在膜上

  • JAK-STAT途径

    • 某些细胞因子受体自身没有蛋白激酶活性
    • 配体结合使受体二聚化并激活JAK
    • JAK使STAT磷酸化，STAT二聚后进入细胞核调节转录

NO-cGMP信号·

  • NO由精氨酸在一氧化氮合酶催化下生成，反应需要NADPH和 $O_2$，并产生瓜氨酸
  • NO是小的非极性自由基气体，可跨膜扩散到邻近细胞
  • NO结合胞质鸟苷酸环化酶的血红素并激活该酶，使cGMP升高
  • 心肌中：cGMP促进钙泵排出胞质 $Ca^{2+}$，使心肌松弛
  • 硝酸甘油可持续分解释放NO，从而缓解冠状动脉梗塞时的心绞痛
  • NO不稳定，产生后仅作用数秒，随后被氧化为亚硝酸盐或硝酸盐

神经对代谢的调节·

静息电位与动作电位·

  • $Na±K+$ 泵消耗ATP，将 $Na^+$ 排出、$K^+$ 摄入，建立离子浓度梯度并储存势能
  • 静息时 $K^+$ 选择性渗漏通道使膜对 $K^+$ 通透性较高，静息电位约为 $-60,\mathrm{mV}$
  • 动作电位
    1. 局部去极化打开电位门控 $Na^+$ 通道
    2. $Na^+$ 内流使膜进一步去极化，形成自我放大
    3. 膜电位可升至约 $+30,\mathrm{mV}$
    4. $Na^+$ 通道失活，$K^+$ 通道及 $Na±K+$ 泵促使膜恢复静息状态

两类门控离子通道·

  • 电位门控通道
    • 由膜去极化打开
    • 例：$Na+$、$K+$、$Ca^{2+}$ 通道
  • 配体门控通道
    • 由神经递质等化学信号打开，通常由多个亚基组成
    • 例：乙酰胆碱、氨基酸和单胺类受体通道

两类门控离子通道

化学突触传递·

  • 突触：神经元之间或神经元与靶细胞之间的接触部位

    • 电突触：直接传递电信号
    • 化学突触：以神经递质传递信号，为主要类型

  • 化学突触过程

    1. 动作电位到达轴突末梢，使前突触膜去极化
    2. 电位门控 $Ca^{2+}$ 通道开放，$Ca^{2+}$ 内流
    3. 突触泡与前突触膜融合，递质释放到突触间隙
    4. 递质结合突触后膜受体
    5. 受体直接改变离子通透性，或经信号途径调节代谢
    6. 递质被分解或由前突触膜重摄取

  • 兴奋性与抑制性效应取决于受体

    • 骨骼肌烟碱型乙酰胆碱受体开放阳离子通道，引起去极化和肌肉收缩
    • GABA受体开放 $Cl^-$ 通道，使膜维持负电位或超极化，抑制兴奋
    • 乙酰胆碱在心肌作用于G蛋白偶联受体，可引起与骨骼肌相反的松弛效应

神经-内分泌-免疫网络·

  • 下丘脑分泌神经激素调节垂体；脑及内脏中的某些神经细胞也能分泌胺类和肽类神经激素
  • 激素与神经递质本质相似，同一分子可兼具两种功能
    • 肾上腺素和去甲肾上腺素可在肝、肌肉中作为激素，在神经接头处作为递质
  • 某些免疫细胞也能分泌激素，三大系统共同形成神经-内分泌-免疫调节网络

各器官间代谢的协调·

肝：加工和转运营养物·

  • 小肠吸收的营养物先经血液到肝，经加工后形成燃料或合成前体，再送往其他组织
  • 血糖高时
    • 葡萄糖进入肝并由己糖激酶IV形成G-6-P
    • G-6-P可合成糖原、进入磷酸戊糖途径，或经糖酵解形成脂质和氨基酸
  • 血糖低时
    • 肝糖原分解或糖异生生成葡萄糖，维持血糖稳定
    • 果糖、半乳糖、甘露糖等也先在肝转为葡萄糖再供组织利用
  • 其他功能
    • 解毒并清除微生物
    • 合成血浆蛋白和凝血因子
    • 将多余氮转为尿素
    • 合成和分泌胆汁
    • 合成并运输脂肪酸、胆固醇和磷脂
    • 贮存和代谢多种维生素，并参与激素代谢

肌肉：利用ATP做机械功·

  • 磷酸肌酸水解的自由能高于ATP水解，可迅速把磷酸基转给ADP
  • 肌肉中磷酸肌酸含量约为ATP的4倍，可满足约4～6 s运动急需
  • 不同活动状态的燃料
    • 静息：主要利用脂肪酸和肝提供的酮体
    • 轻度运动：还利用血液中的葡萄糖进行有氧氧化
    • 剧烈运动：分解肌糖原并经糖酵解生成乳酸，快速补充ATP
    • 最剧烈运动：利用磷酸肌酸迅速生成ATP
  • 乳酸经血液送至肝并重新形成葡萄糖
  • 肌酸激酶同工酶的分工
    • 胞质型cCK：催化生成ATP
    • 线粒体型mCK：催化生成磷酸肌酸

脑：利用能量传递电脉冲·

  • 脑的能量主要用于传递电脉冲
  • 通常主要利用血液中的葡萄糖，自身糖原储量很少
  • 静息时脑消耗人体约20%的 $O_2$ 和25%的葡萄糖
  • 血糖不足时可利用 $\beta$-羟丁酸，为饥饿时维持脑能量供应提供条件

血液：运输与协调·

  • 血液运输营养物、废物、$O_2$、$CO_2$ 和激素，使各组织代谢互补协调
  • 血细胞
    • 红细胞：无细胞核和线粒体，富含血红蛋白，运输 $O_2$ 和 $CO_2$
    • 白细胞：主要参与免疫
    • 血小板：参与凝血
  • 血浆为血液液体部分；血浆去除凝血固体成分后为血清
  • 血脑屏障
    • 包括血-脑、血-脑脊液和脑脊液-脑三类屏障
    • 脑血管内皮细胞紧密重叠、无孔隙，外有基膜和星形胶质细胞
    • $O_2$、$CO_2$ 等脂溶性或中性小分子可扩散通过
    • 大分子、许多药物及有害物质难以进入；葡萄糖、短链脂肪酸等依赖特异载体运输

代谢紊乱与疾病·

糖尿病与胰岛素·

  • 糖尿病（diabetes）：以高血糖为主要特征的糖代谢紊乱疾病
类型 主要机制 常见特点
1型（胰岛素依赖型） 胰岛素生成和分泌不足，常由自身免疫破坏胰岛 $\beta$ 细胞 多见于年轻人；胰岛素或C肽低；常需胰岛素治疗
2型（非胰岛素依赖型） 胰岛素作用受阻，即胰岛素抵抗 多见于老年人；发病较缓；常伴肥胖、高血脂、高血压和动脉粥样硬化

  • 两型均受遗传和环境因素影响

  • 2型病因可涉及胰岛素、受体或信号途径异常，也可与胰高血糖素等其他因素有关

  • 教材所列判断指标

    • 任意时间血糖超过 $11.1,\mathrm{mmol/L}$
    • 空腹血糖超过 $7.0,\mathrm{mmol/L}$
    • 餐后2 h血糖超过 $11.1,\mathrm{mmol/L}$

  • 血糖超过肾糖阈 $8.9\sim10.0,\mathrm{mmol/L}$ 时，葡萄糖可由尿中排出

  • 酮体过量的形成机制

    1. 葡萄糖不能有效利用，脂肪酸成为主要能源
    2. 肝中脂肪酸 $\beta$ 氧化增强，$[\mathrm{NADH}]/[\mathrm{NAD^+}]$ 升高
    3. 柠檬酸循环受抑，乙酰-CoA不能完全氧化并发生积累
    4. 乙酰-CoA转变为 $\beta$-羟丁酸、乙酰乙酸和丙酮

  • 酮血症：血液中酮体过量

  • 酮尿症：尿中出现酮体

  • 酮体过量可引起酮症酸中毒；挥发性丙酮可使呼气带有特殊气味


肥胖与脂代谢紊乱·

  • 能量摄入超过需要时，多余部分主要以脂肪形式储存在脂肪组织

  • 体重指数

    $$ \mathrm{BMI}=\frac{\text{体重(kg)}}{\text{身高}2(\mathrm{m2})} $$

    • 正常：$18.5\sim25,\mathrm{kg/m^2}$
    • 超重：$25\sim30,\mathrm{kg/m^2}$
    • 肥胖：$>30,\mathrm{kg/m^2}$

  • 肥胖常与2型糖尿病、心血管疾病、中风及某些癌症有关

  • 脂肪组织不仅储存、合成和分解脂肪，也是重要内分泌组织

  • 脂肪素通过自分泌、旁分泌或内分泌传递脂肪储备充足的信号，抑制食欲、增加耗能并减少储存

  • 瘦素（leptin）

    • 由167个氨基酸组成，作用于下丘脑并降低食欲
    • 促进脑释放厌食神经肽
    • 经神经系统提高血压和心率，并促进棕色脂肪线粒体解偶联产热

长期禁食和饥饿·

能源储备与动员顺序·

  • 可动用的三类能源储备
    1. 三酰甘油：主要在脂肪组织，约占体重20%以上
    2. 蛋白质：主要在肌肉，约占体重6%～9%
    3. 糖原：主要在肌肉和肝，约占体重0.16%～0.33%
  • 葡萄糖最易利用，故饥饿时先动用肌糖原和肝糖原，随后动用脂肪组织TAG及肌肉蛋白质

饥饿时代谢变化·

  1. 进食后约2 h血糖下降，肝动员糖原并抑制TAG合成
  2. 约4 h后血糖进一步下降，胰岛素减少、胰高血糖素增加
  3. 脂肪组织动员TAG，将脂肪酸和甘油送至肝
    • 脂肪酸进行 $\beta$ 氧化
    • 甘油参与糖异生
  4. 糖异生消耗草酰乙酸，乙酰-CoA进入柠檬酸循环受限，因而积累并转为酮体
  5. 为向脑供应葡萄糖，肌肉非关键蛋白质分解，生糖氨基酸的碳骨架用于糖异生，氨转为尿素排出
  6. 血糖不足时，脑还可利用短链脂肪酸和 $\beta$-羟丁酸

利用蛋白质供能代价很高，非必要时不会大量动用。

摄食的神经和激素调节·

  • 下丘脑与进食有关的区域
    • 饱中枢：位于腹内侧核
    • 饿中枢：位于外侧区
  • 二者通过下丘脑弓状核的两类神经元控制摄食和代谢
    • 开胃神经元：产生神经肽Y（NPY），促进摄食
    • 厌食神经元：产生 $\alpha$-促黑素（$\alpha$-MSH），抑制摄食
  • 瘦素可促进 $\alpha$-MSH产生
  • 营养不足时瘦素水平下降，引起节能反应
    • 甲状腺激素减少 → 基础代谢减慢
    • 性激素减少 → 抑制繁殖
    • 糖皮质激素增加 → 动员内源能源储备
  • 因此瘦素具有彼此相关的两方面功能：防止过度肥胖，并在饥饿时促进节能适应

本章名词·

变构效应｜allosteric effect　⭐真题

变构效应(allosteric effect)是指代谢物(变构效应物)与调节酶(变构酶)的调节部位非共价结合，引起酶构象改变，从而使其催化活性增高或降低的调节现象。结合后激活酶的为正作用，抑制酶的为负作用。ATP、ADP等常作为变构效应物，通过变构效应调节关键酶活性，是代谢快速调节的重要方式。

多级调节系统｜multilevel regulatory system

多级调节系统是指真核生物基因表达调节中呈现的在多个层次上进行调控的复杂体系，包括染色质、基因组、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工以及运输和定位等水平均可进行调节，其特点是复杂、多样且精确。

两用代谢途径｜amphibolic pathway

两用代谢途径是指既参与分解代谢又能参与合成代谢的代谢途径，其反应多可逆，中间产物既可走向分解产生能量，也可作为合成生物分子的前体，典型代表如三羧酸循环。

中介复合物｜mediator complex

中介复合物是由多种蛋白质组成的复合物，在真核生物转录调控中连接转录激活因子与基础转录机器，参与RNA聚合酶Ⅱ的转录起始调控。

别构活化剂｜allosteric activator

别构活化剂是与酶的别构部位结合，通过诱导酶构象改变而增强酶催化活性的调节分子。它不直接作用于活性中心，而是通过影响酶分子的构象，提高酶对底物的亲和力或催化效率。别构活化剂通常是代谢途径中的关键代谢物，能灵敏地调节酶活性以响应细胞需求。

肠激酶｜enterokinase

肠激酶是一种由小肠黏膜分泌的蛋白水解酶，能特异性识别并切割胰蛋白酶原N端的酸性前肽，使之激活为胰蛋白酶，从而启动肠道消化酶原的级联激活过程。

成熟酶｜maturase

成熟酶是一类参与RNA前体加工的酶，负责切除前体分子的多余序列，产生成熟的RNA分子。例如，大肠杆菌tRNA 5’成熟酶RNase P，它是一种内切核酸酶，特异性切割tRNA前体的5’端，生成成熟的5’末端。这类酶的识别依赖于RNA前体的空间结构，而非特定序列。

变构激活剂｜allosteric activator

变构激活剂是指与变构酶（调节酶）的调节部位非共价结合，通过诱导酶的构象变化而使其活性增强的配体分子。它与酶的活性中心以外的位点结合，使酶的构象转变为高活性状态，从而加速酶促反应。例如，2,6-二磷酸果糖是磷酸果糖激酶的变构激活剂，能解除ATP的抑制作用，使底物浓度—活性曲线由S形变为双曲线形。

变构效应物｜allosteric effector

变构效应物是一类能与变构酶或变构蛋白的调节亚基或调节部位可逆结合的小分子物质，通过诱导构象改变而影响酶或蛋白的生物活性。它可以发挥正作用（激活）或负作用（抑制），分别称为变构激活剂和变构抑制剂。代谢底物和产物常作为变构效应物介导前馈和反馈调节，如ATP、ADP和磷酸盐等是许多调节酶的变构效应物，参与能量代谢的调控。

辅蛋白酶｜co-protease

辅蛋白酶是指在细菌SOS反应中，Rec A蛋白在单链DNA和ATP存在下被激活后，能够促进Lex A阻遏物自身蛋白水解酶活性的功能形式。它本身不是蛋白酶，而是作为激活因子，诱导Lex A自我裂解，从而解除其对一系列修复基因的阻遏。

辅激活物｜coactivator

辅激活物是一类能与蛋白质结合并协助激活蛋白发挥转录激活作用的调节分子。某些非编码RNA可作为辅激活物，例如热休克RNA 1（HSR1）是一种长链非编码RNA，它通过与翻译延伸因子eEF1A形成复合物，协助热休克因子1（HSF1）形成三聚体并结合DNA，从而激活热休克基因的转录。

肌酸激酶｜creatine kinase

肌酸激酶是催化ADP与ATP相互转化的酶。该反应使两个ADP可生成一个ATP和一个AMP，因此在细胞能荷计算中，2分子ADP相当于1分子ATP。肌酸激酶在维持ATP系统的动态平衡中起重要作用。

控制因子｜control factor

控制因子是指在基因表达调控中，能够直接或间接调节转录过程的蛋白质或核酸序列。它们通常与DNA上的特定调控元件结合，影响RNA聚合酶的活性或转录效率，从而实现对基因表达的精确控制。

枯草杆菌蛋白酶｜subtilisin

枯草杆菌蛋白酶是一种由枯草杆菌产生的丝氨酸蛋白酶，属于蛋白水解酶家族，能催化蛋白质肽键的水解。

磷酸酪氨酸｜phosphotyrosine

磷酸酪氨酸是酪氨酸残基的磷酸化形式，由蛋白激酶催化，将ATP的磷酸基团转移至酪氨酸侧链的酚羟基上形成。这一修饰是蛋白质可逆磷酸化的重要类型，参与调控酶的活性、信号转导及细胞代谢等过程。

硫激酶｜thiokinase

硫激酶是一类催化底物与辅酶A（CoA）形成硫酯键的酶，通常参与能量代谢或脂肪酸活化等过程。这类酶利用ATP水解释放的能量，将底物（如脂肪酸或琥珀酸）活化为相应的酰基辅酶A硫酯。例如，三羧酸循环中的琥珀酰辅酶A合成酶即属于硫激酶，催化琥珀酸与辅酶A缩合生成琥珀酰辅酶A。

能量代谢｜energy metabolism

能量代谢是生物体内与物质代谢相伴发生的能量释放、转移、储存和利用过程，属于新陈代谢的三个基本方面之一。该过程以ATP等高能磷酸化合物作为主要能量载体，通过吸能反应与放能反应的偶联为生命活动供能，并受到能荷等信号的变构调节。

黏附受体｜adhesion receptor

黏附受体是位于细胞膜上的一类受体蛋白，能够特异性识别并结合细胞外基质成分或相邻细胞表面的配体，介导细胞间或细胞与基质间的黏附，并参与细胞内信号转导，调控细胞的迁移、增殖、分化等生物学过程。

前馈刺激作用｜feedforward stimulation

前馈刺激作用是指代谢途径中的底物对下游调节酶（常为变构酶）的激活作用，属于前馈调节的正向效应。它通过底物浓度升高促进下游酶的活性，从而加速代谢途径的进行，有助于维持代谢平衡与快速响应底物供应。

受体控制｜receptor control

受体控制是指ADP作为关键物质对氧化磷酸化作用的调节。当细胞内ATP消耗增加、ADP水平升高时，氧化磷酸化速率加快以促进ATP合成；反之，ADP浓度降低则使氧化磷酸化减慢。这种调节机制确保ATP的生成与细胞能量需求相协调，从而维持能量代谢的稳态。

双重功能酶｜bifunctional enzyme

双重功能酶（bifunctional enzyme）是指一条单一多肽链上具有两种不同催化活性的酶。例如，磷酸果糖激酶-2和二磷酸果糖磷酸酶-2共存于一条相对分子质量为55000的多肽链上，分别催化6-磷酸果糖生成2,6-二磷酸果糖及其水解逆反应。这种结构使酶能同时调控2,6-二磷酸果糖的合成与降解，从而在代谢调节中发挥双重作用。

松弛型控制｜relaxed control

松弛型控制是指质粒的一种复制调控类型，其特点是每个细胞中质粒的拷贝数较高（通常25个以上），且质粒的复制不依赖于新蛋白质的合成，因此当宿主蛋白质合成被抑制时，质粒仍能继续复制并大量扩增（可达1000~3000拷贝）。

松弛负超｜relaxed negative supercoil

松弛负超螺旋是指DNA分子中的负超螺旋结构在拓扑异构酶作用下被解开，转变为超螺旋密度降低的松弛状态。拓扑异构酶Ⅰ能专一地消除负超螺旋，而DNA旋转酶在无ATP时也可松弛负超螺旋，但不作用于正超螺旋。

渗透压调节｜osmoregulation

渗透压调节是生物体根据环境渗透压变化调节基因表达以维持内稳态的机制。例如，大肠杆菌在高渗条件下促进外膜蛋白OmpC合成并抑制OmpF，低渗时则优先合成OmpF，从而适应渗透压波动。

适应酶｜adaptive enzyme

适应酶是一类由可调基因编码、在细胞需要时才表达的酶，其合成受环境条件变化调节，属于调节型表达产物，以适应内外环境的改变。

调节系统｜regulatory system

调节系统(regulatory system)是生物体内协调代谢途径和生理过程以维持稳态的调控网络，涵盖分子、细胞和整体水平，通过酶活性调节、基因表达调控等机制，使生物体适应内外环境变化。

物质代谢｜metabolism

物质代谢是生物体内进行的所有物质化学变化的总称，是新陈代谢的一个核心方面，与能量代谢和信息代谢紧密联系。它包括生物体从外界环境摄取物质、将其转化为自身组分以及进行分解与合成等过程，从而维持机体的结构与功能。物质变化总是伴随能量变化，并可引起系统组织程度的有序或无序变更，通常用熵来度量这种变化。

协调单位｜coordination unit

协调单位是指在生物体内负责整合与调节各组织器官代谢及生理功能，使之相互配合、协同作用的功能性单位，例如血液通过运输氧、营养物质和激素，将各组织联系在一起，实现代谢上的互补与协调。

协同调节｜coordinated regulation

协同调节（coordinated regulation）是指代谢过程中，参与调节的各因素（如酶、底物、产物、激素等）相互依存、必要且自发协同地配合，通过改变酶的活性或酶量，以及代谢物和激素的相互作用，协调控制代谢的速度、方向和途径，使机体适应内外环境变化。

严紧控制因子｜stringent factor

严紧控制因子（stringent factor）是细菌严紧反应中负责合成信号分子鸟苷四磷酸（ppGpp）的关键酶。在氨基酸饥饿时，该因子因核糖体停滞而被激活，催化ppGpp大量生成。ppGpp作为全局调控分子，通过抑制rRNA和tRNA等基因转录，同时激活氨基酸合成等应激基因表达，使细菌从快速生长状态转为适应饥饿状态。

氧化氮合酶｜nitric oxide synthase

氧化氮合酶是催化L-精氨酸生成一氧化氮（NO）和L-瓜氨酸的酶。NO是一种非极性小分子，能扩散至邻近细胞，激活鸟苷酸环化酶产生cGMP，从而参与血管舒张、神经传递和免疫反应等生理过程的调节。

胰岛素样生长因子｜insulin-like growth factor

胰岛素样生长因子是一类结构与胰岛素相似的多肽生长因子，参与调节机体生长与发育。在小鼠中，胰岛素样生长因子基因 Igf2 是母源印记、父源表达的印记基因，其 DNA 和组蛋白被修饰，仅父源等位基因有活性。敲除父源 Igf2 可导致个体矮小，表明该因子对正常生长至关重要。

血清效应因子｜serum response factor

血清效应因子（serum response factor）是一种转录因子，能够结合血清应答元件，调控基因的转录。

腺苷酸活化蛋白激酶｜AMP-activated protein kinase

腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是一种在细胞能量代谢调节中起关键作用的蛋白激酶。它通过感知细胞内AMP/ATP比值的变化，被AMP别构激活，从而磷酸化多种下游靶蛋白，抑制合成代谢、促进分解代谢，以维持能量稳态。AMPK在真核生物中高度保守，是重要的代谢调节开关。

抑制-促进-增变系统｜inhibition-promotion-mutagenesis system

抑制-促进-增变系统是一种细胞应激调控机制，它通过解除对特定基因的抑制、促进修复或适应相关基因的表达，并提高突变率（增变）来增强细胞在不利条件下的生存能力，典型例子是细菌的SOS反应系统。

允许细胞｜permissive cell

允许细胞是指对特定病毒（如SV40）感染后，能支持病毒完成复制周期并产生感染性病毒颗粒，通常导致宿主细胞裂解的细胞。例如，猿猴细胞（如CV-1）是SV40的允许细胞。

中心代谢途径｜central metabolic pathway

中心代谢途径是指在细胞代谢中处于核心地位的若干基本代谢途径，主要包括糖酵解途径、柠檬酸循环和戊糖磷酸途径等。这些途径将营养物质氧化分解，产生ATP和还原力（NADH、NADPH），并为生物合成提供关键前体，是物质与能量代谢的枢纽。

组成酶｜constitutive enzyme

组成酶是膜上固有的酶，与可逆结合于膜的双关酶相对，其稳定地结合在膜上，不通过膜结合状态的可逆变化来调节活性。