生物化學(xué)與分子生物學(xué):第三節(jié)　紅細(xì)胞的代謝

一、血紅素的生物合成

成熟紅細(xì)胞中，血紅蛋白(hemoglolin,Hb)占紅細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)總量的95%，它是血液運(yùn)輸O2的最重要物質(zhì)，和CO2的送輸亦有一定關(guān)系。血紅蛋白是由4個(gè)亞基組成的四聚體，每一亞基由一分子珠蛋白(globin)與一分子血紅素(heme)締合而成。由于珠蛋白的生物合成與一般蛋白質(zhì)相同，因此本節(jié)重點(diǎn)介紹血紅素的生物合成。

血紅素也是其它一些蛋白質(zhì)，如肌紅蛋白(myoglobin)，過氧化氫酶(catalase)，過氧化物酶(peroxidase)等的輔基。因而，一般細(xì)胞均可合成血紅素，且合成通路相同。在人紅細(xì)胞中，血紅素的合成從早動(dòng)紅細(xì)胞開始，直到網(wǎng)織紅細(xì)胞階段仍可合成。而成熟紅細(xì)胞不再有血紅素的合成。

(一)血紅素的合成通路(過程)

血紅素合成的基本原料是甘氨酸、琥珀酰輔酶A及Fe＋＋。合成的起始和終末過程均在線粒體，而中間階段在胞液中進(jìn)行。合成過程分為如下四個(gè)步驟：

1.δ-氨基-γ-酮戊酸(δ-aminplevulinicacid,ALA)的生成：在線粒體中，首先由甘氨酸和琥珀酰輔酶A在ALA合成酶(ALa synthetase)的催化下縮合生成ALA。ALA合成酶由兩個(gè)亞基組成，每個(gè)亞基分子量為60，000。其輔酶為磷酸吡哆醛。此酶為血紅素合成的限速酶，受血紅素的反饋抑制。

2.卟膽原的生成：線粒體生成的ALA進(jìn)入胞液中，在ALA脫水酶(ALa dehydrase)的催化下，二分子ALA脫水縮合成一分子卟膽原(prophobilinogen,PBG)。ALA脫水酶由八個(gè)亞基組成，分子量為26萬(wàn)。為含巰基酶。

3.尿卟啉原和糞卟啉原的生成：在胞液中，四分子PBG脫氨縮合生成一分子尿卟啉原Ⅲ(uroporphyrinogen Ⅲ，UPG Ⅲ)。此反應(yīng)過程需兩種酶即尿卟啉原合酶(uroporphyrinogen synthetase)又稱卟膽原脫氨酶(PBGdeaminase)和尿卟啉原Ⅲ同合酶(uroporphyrinogenⅢ cosynthase)。首先，PBG在尿卟啉原合酶作用下，脫氨縮合生成線狀四吡咯。再由尿卟啉原Ⅲ同合酶催化，環(huán)化生成尿卟啉原Ⅲ。無(wú)尿卟啉原Ⅲ同合酶時(shí)，線狀四吡咯可自然環(huán)化成尿卟啉原Ⅰ(UPG-Ⅰ)，兩種尿卟啉原的區(qū)別在于：UPGⅠ第7位結(jié)合的是乙酸基，第8位為丙酸基；而UPg Ⅲ則與之相反，第7位是丙酸基，第8位是乙酸基。正常情況下UPG－Ⅲ與UPG－Ⅰ為10000：1。

式中A代表乙酸基，P代表丙酸基

尿卟啉原Ⅲ進(jìn)一步經(jīng)尿卟啉原Ⅲ脫羧酶催化，使其四個(gè)乙酸基(A)脫羧變?yōu)榧谆?M)，從而生成糞卟啉原Ⅲ(coproporphyrinogen Ⅲ，CPG Ⅲ)。

4.血紅素的生成：胞液中生成的糞卟啉原Ⅲ再進(jìn)入線粒體中，在糞卟啉原氧化脫羧酶作用下，使2、4位的丙酸基(P)脫羧脫氫生成乙烯基(V)，生成原卟啉原IX。再經(jīng)原卟啉原IX氧化酶催化脫氫，使連接4個(gè)吡咯環(huán)的甲烯基氧化成甲炔基，生成原www.gydjdsj.org.cn/rencai/卟啉IX。最后在亞鐵螯合酶(ferrochelatase)催化下和Fe2＋結(jié)合生成血紅素。(圖10-18)。

A.乙酸基　P.丙酸基　M.甲基　V.乙烯基

圖10-18　血紅素的生物合成及其調(diào)節(jié)

血紅素生成后從線粒體轉(zhuǎn)入胞液，與珠蛋白結(jié)合而成為血紅蛋白。正常成人每天合成6克Hb，相當(dāng)于合成210mg血紅素。

(二)血紅素合成的調(diào)節(jié)

血紅素的合成受多種因素的調(diào)節(jié)，其中主要是調(diào)節(jié)ALA的生成。

1.ALA合成酶　血紅素合成酶系中，ALA合成酶是限速酶，其量最少。血紅素對(duì)此酶有反饋抑制作用。目前認(rèn)為，血紅素在體內(nèi)可與阻遏蛋白結(jié)合，形成有活性的阻遏蛋白，從而抑制ALA合成酶的合成。此外，血紅素還具有直接的負(fù)反饋調(diào)節(jié)ALA合成酶活性的作用。實(shí)驗(yàn)表明，血紅素濃度為5×10－6M時(shí)便可抑制ALA合成酶的合成，濃度為10-5～10-4M時(shí)則可抑制酶的活性。正常情況下血紅素生成后很快與珠蛋白結(jié)合，但當(dāng)血紅素合成過多時(shí)，則過多的血紅素被氧化為高鐵血紅素(hematin)，后者是ALA合成酶的強(qiáng)烈抑制劑，而且還能阻遏ALA合成酶的合成。

雄性激素——睪丸酮在肝臟5β-還原酶作用下可生成5β-氫睪丸酮，后者可誘導(dǎo)ALA合成酶的產(chǎn)生，從而促進(jìn)血紅素的生成。某些化合物也可誘導(dǎo)ALA合成酶，如巴比妥、灰黃霉素等藥物，能誘導(dǎo)ALA合成酶的合成。

2.ALA脫水酶與亞鐵螯合酶：ALA脫水酶和亞鐵螯合酶對(duì)重金屬敏感，如鉛中毒可抑制這些酶而使血紅素合成減少。

3.造血生長(zhǎng)因子：目前已發(fā)現(xiàn)多種造血生長(zhǎng)因子，如多系(multi)一集落刺激因子，中性粒細(xì)胞－巨噬細(xì)胞集落刺激因子（GM-CSF)、白細(xì)胞介素3(IL－3)，及促紅細(xì)胞生成素等。其中促紅細(xì)胞生成素(erythropoiefin,EPO)在紅細(xì)胞生長(zhǎng)，分化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。人EPO基因位于7號(hào)染色體長(zhǎng)臂21區(qū)，由4個(gè)內(nèi)含子和5個(gè)外顯子組成。所編碼的多肽由193個(gè)氨基酸殘基組成。在分泌過程中經(jīng)水解去除信號(hào)肽，成為166個(gè)氨基酸的成熟肽。分子量為18398。EPO為一種糖蛋白，由多肽和糖基兩部分組成，總分子量為34000。糖基在Epo合成后分泌及生物活性方面均有重要作用。成人血清Epo主要由腎臟合成，胎兒和新生兒主要由肝臟合成。當(dāng)循環(huán)血液中紅細(xì)胞容積減低或機(jī)體缺氧時(shí)，腎分泌Epo增加。Epo可促進(jìn)原始紅細(xì)胞的增殖和分化、加速有核紅細(xì)胞的成熟，并促進(jìn)ALA合成酶生成，從而促進(jìn)血紅素的生成。

此外鐵對(duì)血紅素的合成有促進(jìn)作用。而血紅素又對(duì)珠蛋白的合成有促進(jìn)作用。

血紅素合成代謝異常而引起卟啉化合物或其前身體的堆積，稱為卟啉癥(porphyria)。先天性紅細(xì)胞生成性卟啉癥(congenitalerythropoietic porphyria)是由于先天性缺乏尿卟啉原Ⅲ同合酶，而使線狀四吡咯向尿卟啉原Ⅲ的轉(zhuǎn)變受阻，致使尿卟啉原Ⅰ生成增多。病人尿中有大量尿卟啉Ⅰ和糞卟啉Ⅰ出現(xiàn)。

二、成熟紅細(xì)胞的代謝特點(diǎn)

成熟紅細(xì)胞不僅無(wú)細(xì)胞核，而且也無(wú)線粒體、核蛋白體等細(xì)胞器，不能進(jìn)行核酸和蛋白質(zhì)的生物合成，也不能進(jìn)行有氧氧化，不能利用脂肪酸。血糖是其唯一的能源。紅細(xì)胞攝取葡萄糖屬于易化擴(kuò)散，不依賴胰島素。成熟紅細(xì)胞保留的代謝通路主要是葡萄糖的酵解和磷酸戊糖通路以及2.3一二磷酸甘油酸支路(2，3-biphosphoglycerate，2.3桞PG)。通過這些代謝提供能量和還原力(NADH，NADPH)以及一些重要的代謝物(2，3桞PG)，對(duì)維持成熟紅細(xì)胞在循環(huán)中約120的生命過程及正常生理功能均有重要作用。

(一)糖酵解

循環(huán)血液中的紅細(xì)胞每天消耗約30g葡萄糖，其中90～95%經(jīng)糖酵解被利用。一分子葡萄糖經(jīng)酵解可產(chǎn)生2分子ATP。紅細(xì)胞中生成的ATP主要用于維持紅細(xì)胞膜上的離子泵(鈉泵、鈣泵)，以保持紅細(xì)胞的離子平衡；維持細(xì)胞膜可塑性；谷胱甘肽合成及核苷酸的補(bǔ)救合成等。缺乏ATP則紅細(xì)胞膜內(nèi)外離子平衡失調(diào)，紅細(xì)胞內(nèi)Na＋進(jìn)入多于K＋排出、Ca＋＋進(jìn)入增多，紅細(xì)胞因吸入過多水分而膨大成球狀甚至破裂。同時(shí)由于ATP缺乏，可使紅細(xì)胞膜可塑性下降，硬度增高，易被脾臟破壞，造成溶血。

紅細(xì)胞無(wú)氧酵解中生成的NADH＋H＋是高鐵血紅蛋白還原酶的輔助因子，此酶催化高鐵血紅蛋白還原為有載氧功能的血紅蛋白。

(二)2，3-二磷酸甘油酸(2，3-BPG)支路

在糖無(wú)氧酵解通路中，1，3-二磷酸甘油酸(1，3-BPG)有15～50%在二磷酸甘油酸變位酶催化下生成2，3-BPG，后者再經(jīng)2，3-BPG磷酸酶催化生成3�擦姿岣视退�。經(jīng)此2，3-BPG的側(cè)支循環(huán)稱2，3-BPG支路(圖10－19)。

圖10－19　2，3-BPG支路

紅細(xì)胞中2，3-BPG磷酸酶活性遠(yuǎn)低于BPG變位酶，使2，3-BPG的生成大于分解，因而紅細(xì)胞中2，3-BPG的濃度處于有機(jī)磷酸酯的巔峰，較糖酵解其它中間產(chǎn)物的有機(jī)磷酸酯高出數(shù)＋甚至數(shù)百倍(表10－4)。

表10-4　紅細(xì)胞中各種糖酵解中間產(chǎn)物的濃度(微克分子/升紅細(xì)胞)

2，3-BPG能特異地與去氧血紅蛋白(deoxy Hb)結(jié)合，2，3-BPG進(jìn)入血紅蛋白α2β2四聚體中心空隙兩個(gè)β亞基之間，借其分子中所帶5個(gè)負(fù)電荷與兩個(gè)β亞基的帶正帶氨基酸殘基以鹽鍵及氫鍵結(jié)合，使兩個(gè)β亞基保持分開的狀態(tài)，即促使血紅蛋白由緊密態(tài)向松馳態(tài)轉(zhuǎn)換，從而減低血紅蛋白對(duì)氧的親和力(圖10－20)。

圖10－20　BPG與Hb的作用示意圖

當(dāng)紅細(xì)胞內(nèi)2，3-BPG濃度升高時(shí)有利于HbO2放氧，而2，3-BPG濃度下降則有利于Hb與氧結(jié)合。BPG變位酶及2，3-BPG磷酸酶受pH值調(diào)節(jié)。在肺泡毛細(xì)血管血液pH高，BPG變位酶受抑制而2，3-BPG磷酸酶活性強(qiáng)。使紅細(xì)胞內(nèi)2，3-BPG的濃度降低，有利于Hb與O2結(jié)合。

反之，在外周組織毛細(xì)血管中，血液pH下降，2，3-BPG的濃度升高，則利于HbO2放氧，借此調(diào)節(jié)氧的運(yùn)輸和利用，具有重要生理意義。但2，3-BPG的生成是以減少一個(gè)ATP的生成為代價(jià)的。

(www.gydjdsj.org.cn/hushi/三)磷酸戊糖通路

紅細(xì)胞內(nèi)利用葡萄糖的5～10%通過磷酸戊糖通路代謝，為紅細(xì)胞提供另一種還原力(NADPH)，NADPH在紅細(xì)胞氧化還原系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，具有保護(hù)膜蛋白、血紅蛋白及酶蛋白的巰基不被氧化，還原高鐵血紅蛋白等多種功能。

1.GSH的主要生理功能是對(duì)抗氧化劑對(duì)巰基的氧化。細(xì)胞內(nèi)可自發(fā)生成少量超氧陰離子(O－2)，同時(shí)感染時(shí)的白細(xì)胞吞噬作用亦可產(chǎn)生O－2，可被超氧化物歧化酶(superoxidedismufase SOD)，催化生成過氧化氫(H2O2)。

而GSH在谷胱甘肽過氧化酶作用下將H2O2還原為H2O，GSH自身被氧化為氧化型谷胱甘肽(GSSG)。后者在谷胱甘肽還原酶催化下，由NADPH＋H＋供氫重新還原為GSH。(圖10－21)。

圖10－21　谷胱甘肽的氧化與還原

催化NADPH生成的關(guān)鍵酶為葡萄糖-6-磷酸脫氫酶。此酶缺陷的病人一般情況下無(wú)癥狀，但有外界因素(如進(jìn)食某種蠶豆)影響，即引起溶血。因吃蠶豆可誘導(dǎo)發(fā)病，故這種病又稱蠶豆病。

2.高鐵血紅蛋白(methemoglobin MHb)的還原：由于各種氧化作用，紅細(xì)胞內(nèi)經(jīng)常有少量MHb產(chǎn)生，而由于紅細(xì)胞內(nèi)有一系列酶促及非酶促的MHb還原系統(tǒng)(表10?)，故正常紅細(xì)胞中MHb只占1-2%。

表10－5　紅細(xì)胞中MHb還原系統(tǒng)

由表10-5可知，催化MHb還原的主要是NADH-脫氫酶，輔酶為NADH＋H＋。NADPH脫氫酶，(以NADPH＋H＋為輔酶)也參與MHb還作，但作用較小。除此之外，抗壞血酸和GSH可直接還原MHb，而氧化型抗壞血酸和GSSG的還原作用最終需NADPH＋H＋供氫。