第二节 激素对物质代谢的调节

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细胞的物质代谢反应不仅受到局部环镜的影响,即各种代谢底物、产物的正、负反馈调节,而且还受来自于机体其它组织器官的各种化学信号的控制,激素就属于这类化学信号。激素是一类由特殊的细胞合成并分泌的化学物质,它随血液循环于全身,作用于特定的组织或细胞(称为靶组织或靶细胞,target cell),指导细胞物质代谢沿着一定的方向进行。同一激素可以使某些代谢反应加强,而使另一些代谢反应减弱,从而适应整体的需要。对于每一个细胞来说,激素是外源性调控信号,而对于机体整体而言,它仍然属于内环境的一部分。通过激素来控制物质代谢是高等动物体内代谢调节的一种重要方式。

激素的作用必须通过其受体来实现。受体是一类可以与相应的配体(ligand)特异地结合的物质,常为糖蛋白或脂蛋白。激素作为一类配体,与受体的结合具有高度的特异性和亲和性。只有那些具有相应受体的细胞才可以成为该激素的靶细胞。

在糖、脂类和氨基酸代谢过程中,具有重要调节作用的激素-胰岛素、肾上腺素和胰高血糖素等(具体作用见代谢各章)均为水溶性物质,因此不能进入细胞内。但这类激素的受体均存在于细胞膜表面,那么它们是如何通过与细胞膜表面受体结合,将位于胞外的化学信号传递至胞内,又是如何引起细胞内各种代谢过程的改变的呢?这里以肾上腺素为例做一简要说明。

CAMP的结构和代谢

图9-5 CAMP的结构和代谢

(一)cAMP是激素在细胞内的信使

五十年代初期,Sutherland在实验中发现,肝细胞组织切片若加入肾上腺素,可以加速肝糖原分解为葡萄糖;测定磷酸化酶(分解肝糖元的酶),发现其活性增加。因此他认为,磷酸化酶是肝糖元分解的限速酶,肾上腺素能激活此酶。但是,若用纯化的磷酸化酶与肾上腺素一起温育,后者对酶则没有激活作用。由此提示,肾上腺素激活磷酸化酶是一间接过程,需要肝细胞中其它物质的协助。进一步对肝匀浆做试验,若其中加入ATP、Mg++及肾上腺素,则磷酸化酶又可被激活。若只取肝匀浆离心后的上清液,则不能观察到肾上腺素的这种激活作用;只有再加入沉淀中的细胞膜,激活效应才又恢复。这一实验表明,肾上腺素对磷酸化酶的激活至少需要两种以上的因素。后来的实验证实,肾上腺素首先作用于细胞膜,使膜上的腺苷酸环化酶活化,后者使细胞内ATP在Mg2+的存在下转变为cAMP,而cAMP可再使胞浆中的磷酸化酶b转变为磷酸化酶a。由于肾上腺素并不进入细胞,其作用是通过细胞内cAMP传递的,因此将cAMP称为细胞内信使(Intracellular Messenger)。

cAMP广泛存在于生物界,但其在正常细胞中的含量甚微,仅为0.1μM,在激素作用下,可升高约100倍。细胞中cAMP的浓度除了与催化cAMP生成的腺苷酸环化酶有关外,还受到催化cAMP分解的磷酸二酯酶的控制(见图9-5)。

有许多药物能抑制磷酸二酯酶的活性,如甲基黄嘌呤(包括茶碱、氨茶碱和咖啡因等)。二丁基cAMP不易被磷酸二酯酶水解,同时又能抑制此酶活性,故有提高cAMP水平的作用。

激素中多数激素可使cAMP的生成加速,少数激素则可以降低细胞内cAMP的浓度。大部分肽类激素,包括胰高血糖素、甲状旁腺素、降钙素、抗利尿激素和催产素等以及儿茶酚胺类激素均可通过相应的受体激活靶细胞膜上的腺苷酸环化酶,从而使胞内cAMP的浓度增加。

现将几种激素对cAMP浓度的影响及其与受体结合后引起的生理效应列表如下:

表9-3 某些激素对cAMP浓度的影响及其最终生理效应

激素靶组织或靶器官cAMP浓度对酶或化学反应的影响最终生理效应
肾上腺素糖原合成酶↓糖原合成↓
磷酸化酶↑糖原分解↑
脂肪组织脂肪酶↑脂肪分解↑
心肌、骨骼肌磷酸化酶↑糖原分解↑
胰高血糖素肝、心肌磷酸化酶↑糖原分解↑
脂肪组织脂肪酶↑脂肪分解↑
胰岛β-细胞胰岛素分泌↑
促肾上腺皮质激素肾上腺皮质胆固醇→孕烯醇酮↑糖皮质激素合成↑
(ACTH)脂肪组织脂肪酶↑脂肪分解↑
促甲状腺激素甲状腺磷酸化酶↑糖原分解↑,摄到碘
(TSH)及合成分泌T3、T4↑
脂肪组织脂肪酶↑脂肪分解↑
脂肪组织脂肪酶↓脂肪分解↓
胰岛素肝、骨骼肌磷酸化酶↓糖原分解↓
糖原合成酶↑糖原合成↑
丙酮酸→磷酸烯醇式丙酮酸↓糖异生↑

↑代表增高或增强  ↓代表降低或减弱

激素与其专一性细胞膜受体结合后,是如何激活腺苷酸环化酶的呢?近来有人认为,GTP和GTP调节蛋白即G蛋白,起着介导激素对腺苷酸环化酶激活的作用。当激素与受体结合后,G-蛋白与TP结合,生成GTP-G蛋白复合物,后者能活化腺苷酸环化酶(详见第十二章)。

(二)cAMP依赖性蛋白激酶是cAMP的靶分子

cAMP作为变构剂作用于cAMP依赖性蛋白激酶(cAMP-dependentProtein Kinase A激酶)。这种蛋白激酶由两个亚基组成,一个亚基是催化亚基,具有催化蛋白质磷酸化的作用;另一个亚基是调节亚基,是催化亚基的抑制物。当调节亚基与催化亚基结合时,酶呈无活性状态。cAMP的效应是与调节亚基结合,使后者发生变构而脱离催化亚基,从而使催化亚基进入激活状态(图9-6)。

蛋白激酶的激活过程

图9-6 蛋白激酶的激活过程 C为催化亚基 R为调节亚基

活化形式的催化亚基在ATP的作用下,使细胞中的相应底物磷酸化,从而改变这些蛋白质的功能:有些被激活,有些则被抑制。例如,糖原分解过程中的磷酸化酶可在A激酶的作用下被磷酸化而激活(图9-6),而糖原合成酶则在A激酶的作用下被磷酸化而失去活性。总的效应是糖原分解加强和糖原合成的抑制,使血糖浓度升高。

总之,很多多肽和儿茶酚胺类激素的作用是通过下列过程来实现的,即激素与膜受体结合→腺苷酸环化酶活性↑→cAMP水平↑→A激酶被激活→蛋白质发生磷酸化→生理效应发生。

八十年代中期,对腺苷酸环化酶活化机制的研究导致了另外一种重要的调节蛋白桮蛋白的发现。G蛋白在膜受体和腺苷酸环化酶间具有中介作用。它的发现使我们更为深入地认识了激素的作用机理(详见第十二章)。

激素调节糖原代谢的连续激活反应

图9-7 激素调节糖原代谢的连续激活反应

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