生物化學與分子生物學:第三節(jié)　紅細胞的代謝

一、血紅素的生物合成

成熟紅細胞中，血紅蛋白(hemoglolin,Hb)占紅細胞內蛋白質總量的95%，它是血液運輸O2的最重要物質，和CO2的送輸亦有一定關系。血紅蛋白是由4個亞基組成的四聚體，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相同，因此本節(jié)重點介紹血紅素的生物合成。

血紅素也是其它一些蛋白質，如肌紅蛋白(myoglobin)，過氧化氫酶(catalase)，過氧化物酶(peroxidase)等的輔基。因而，一般細胞均可合成血紅素，且合成通路相同。在人紅細胞中，血紅素的合成從早動紅細胞開始，直到網(wǎng)織紅細胞階段仍可合成。而成熟紅細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行。合成過程分為如下四個步驟：

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合成酶由兩個亞基組成，每個亞基分子量為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脫水酶由八個亞基組成，分子量為26萬。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。無尿卟啉原Ⅲ同合酶時，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進一步經尿卟啉原Ⅲ脫羧酶催化，使其四個乙酸基(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。再經原卟啉原IX氧化酶催化脫氫，使連接4個吡咯環(huán)的甲烯基氧化成甲炔基，生成原m.52667788.cn/rencai/卟啉IX。最后在亞鐵螯合酶(ferrochelatase)催化下和Fe2＋結合生成血紅素。(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節(jié)

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

(二)血紅素合成的調節(jié)

血紅素的合成受多種因素的調節(jié)，其中主要是調節(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。血紅素對此酶有反饋抑制作用。目前認為，血紅素在體內可與阻遏蛋白結合，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反饋調節(jié)ALA合成酶活性的作用。實驗表明，血紅素濃度為5×10－6M時便可抑制ALA合成酶的合成，濃度為10-5～10-4M時則可抑制酶的活性。正常情況下血紅素生成后很快與珠蛋白結合，但當血紅素合成過多時，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ALA合成酶的產生，從而促進血紅素的生成。某些化合物也可誘導ALA合成酶，如巴比妥、灰黃霉素等藥物，能誘導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.造血生長因子：目前已發(fā)現(xiàn)多種造血生長因子，如多系(multi)一集落刺激因子，中性粒細胞－巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF)、白細胞介素3(IL－3)，及促紅細胞生成素等。其中促紅細胞生成素(erythropoiefin,EPO)在紅細胞生長，分化中發(fā)揮關鍵作用。人EPO基因位于7號染色體長臂21區(qū)，由4個內含子和5個外顯子組成。所編碼的多肽由193個氨基酸殘基組成。在分泌過程中經水解去除信號肽，成為166個氨基酸的成熟肽。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。當循環(huán)血液中紅細胞容積減低或機體缺氧時，腎分泌Epo增加。Epo可促進原始紅細胞的增殖和分化、加速有核紅細胞的成熟，并促進ALA合成酶生成，從而促進血紅素的生成。

此外鐵對血紅素的合成有促進作用。而血紅素又對珠蛋白的合成有促進作用。

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、成熟紅細胞的代謝特點

成熟紅細胞不僅無細胞核，而且也無線粒體、核蛋白體等細胞器，不能進行核酸和蛋白質的生物合成，也不能進行有氧氧化，不能利用脂肪酸。血糖是其唯一的能源。紅細胞攝取葡萄糖屬于易化擴散，不依賴胰島素。成熟紅細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)，對維持成熟紅細胞在循環(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)血液中的紅細胞每天消耗約30g葡萄糖，其中90～95%經糖酵解被利用。一分子葡萄糖經酵解可產生2分子ATP。紅細胞中生成的ATP主要用于維持紅細胞膜上的離子泵(鈉泵、鈣泵)，以保持紅細胞的離子平衡；維持細胞膜可塑性；谷胱甘肽合成及核苷酸的補救合成等。缺乏ATP則紅細胞膜內外離子平衡失調，紅細胞內Na＋進入多于K＋排出、Ca＋＋進入增多，紅細胞因吸入過多水分而膨大成球狀甚至破裂。同時由于ATP缺乏，可使紅細胞膜可塑性下降，硬度增高，易被脾臟破壞，造成溶血。

紅細胞無氧酵解中生成的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2，3-BPG磷酸酶催化生成3�擦姿岣视退帷＝洿�2，3-BPG的側支循環(huán)稱2，3-BPG支路(圖10－19)。

圖10－19　2，3-BPG支路

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

表10-4　紅細胞中各種糖酵解中間產物的濃度(微克分子/升紅細胞)

2，3-BPG能特異地與去氧血紅蛋白(deoxy Hb)結合，2，3-BPG進入血紅蛋白α2β2四聚體中心空隙兩個β亞基之間，借其分子中所帶5個負電荷與兩個β亞基的帶正帶氨基酸殘基以鹽鍵及氫鍵結合，使兩個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)轉換，從而減低血紅蛋白對氧的親和力(圖10－20)。

圖10－20　BPG與Hb的作用示意圖

當紅細胞內2，3-BPG濃度升高時有利于HbO2放氧，而2，3-BPG濃度下降則有利于Hb與氧結合。BPG變位酶及2，3-BPG磷酸酶受pH值調節(jié)。在肺泡毛細血管血液pH高，BPG變位酶受抑制而2，3-BPG磷酸酶活性強。使紅細胞內2，3-BPG的濃度降低，有利于Hb與O2結合。

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

(m.52667788.cn/hushi/三)磷酸戊糖通路

紅細胞內利用葡萄糖的5～10%通過磷酸戊糖通路代謝，為紅細胞提供另一種還原力(NADPH)，NADPH在紅細胞氧化還原系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，具有保護膜蛋白、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抗氧化劑對巰基的氧化。細胞內可自發(fā)生成少量超氧陰離子(O－2)，同時感染時的白細胞吞噬作用亦可產生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癥狀，但有外界因素(如進食某種蠶豆)影響，即引起溶血。因吃蠶豆可誘導發(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，紅細胞內經常有少量MHb產生，而由于紅細胞內有一系列酶促及非酶促的MHb還原系統(tǒng)(表10?)，故正常紅細胞中MHb只占1-2%。

表10－5　紅細胞中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。