生物化學與分子生物學/血細胞物質代謝

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血液的生物化學 - 血漿蛋白質 - 血紅素的合成 - 血細胞物質代謝
血液中存在有多種血細胞:紅細胞,主要的功能是運送氧;白細胞,在機體免疫反應中發揮重要作用;血小板,在凝血過程中起重要作用。血小板是由骨髓造血組織中的巨核細胞產生的細胞碎片,本節重點介紹紅細胞和白細胞的主要代謝特點。

紅細胞的代謝[編輯]

紅細胞是血液中最主要的細胞,它是在骨髓中由造血幹細胞定向分化而成的紅系細胞。在紅系細胞發育過程中,經歷了原始紅細胞、早幼紅細胞、中幼紅細胞、晚幼紅細胞、網狀紅細胞等階段,最後才成為成熟紅細胞。在成熟過程中,紅細胞發生一系列形態和代謝的改變。
哺乳動物的成熟紅細胞除質膜和胞質外,無細胞核和線粒體等細胞器,其代謝比一般細胞單純。葡萄糖是成熟紅細胞的主要能猛物質。血液循環中的紅細胞每天大約從血漿攝取30g葡萄糖,其中 90%~95%經糖酵解通路和2,3-二磷酸甘油酸(2,3-bisphosphoglycerale, 2,3-BPG)支路進行代謝,5%~10%通過磷酸戊糖途徑進行代謝。

糖酵解是紅細胞獲得能量的唯一途徑[編輯]

紅細胞中存在催化糖酵解所需要的所有的酶和中間代謝物, 糖酵解的基本反應和其他組織相同。 糖酵解是紅細胞獲得能量的唯一途徑,lmol葡萄糖經酵解生成2mol乳酸的過程中,產生 2molATP和2molNADH+H+,通過這一途徑可使紅細胞內ATP的濃度維持在1.85×103mol/L水平。
紅細胞中的ATP主要用於維持以下幾方面的生理活動:

  1. 維持紅細胞膜上鈉泵(Na+, K+-ATP酶)的運轉 Na+和K+一般不易通過細胞膜,鈉泵通過消耗ATP將Na+泵出、K+泵入紅細胞以維持紅細胞的離子平衡以及細胞容積和雙凹盤狀形態。
  2. 維持紅細胞膜上鈣泵(Ca2+-ATP酶)的運行 將紅細胞內的Ca2+泵入血漿以維持紅細胞內的低鈣狀態。正常情況下,紅細胞內的Ca2+濃度很低(20µmol/L) , 而血漿的Ca2+濃度為2~3 mmol/L。血漿內的Ca2+會被動擴散進入紅細胞。缺乏ATP時,鈣泵不能正常運行,鈣將聚集並沉積於紅細胞膜,使膜失去柔韌性而趨於僵硬,紅細胞流經狹窄的脾竇時易被破壞。
  3. 維持紅細胞膜上脂質與血漿脂蛋白中的脂質進行交換 紅細胞膜的脂質處於不斷地更新中,此過程需消耗ATP。缺乏ATP時,脂質更新受阻,紅細胞的可塑性降低,易於破壞。
  4. 少量ATP用於穀胱甘肽、NAD+/NADP+的生物合成 穀胱甘肽是由穀氨酸、半胱氨酸和甘氨酸結合而成的三肽化合物,是機體中重要的抗氧化物質。肝細胞是合成穀胱甘肽的主要部位,此過程需要ATP參與。煙醯胺在體內與ATP反應生成輔酶NAD+和NADP+,這兩種輔酶在生物氧化還原反應中起電子載體或遞氫體作用。
  5. ATP用於葡萄糖的活化,啟動糖酵解過程 葡萄糖分解的第一步反應就是發生磷酸化而活化,此過程需由ATP供能。

紅細胞的糖酵解存在2,3-二磷酸甘油酸旁路[編輯]

紅細胞內的糖酵解還存在一個特殊途徑——2,3-BPG支路。2,3-BPG支路的分支點是1,3-二磷酸甘油酸(1,3-bisphosphoglycerate, 1,3-BPG)。正常情況下,2,3-BPG對二磷酸甘油酸變位酶的負反饋作用大於對3-磷酸甘油酸激酶的抑制作用,所以2,3-BPG旁路占糖酵解的15%~50%; 但是由於2,3-BPG磷酸酶的活性較低,2,3-BPG的生成大於分解,造成紅細胞內2,3-BPG升高。紅細胞內2,3-BPG雖然也能供能,但主要功能是調節血紅蛋白的運氧功能。
2,3-BPG是調節Hb 運氧功能的重要因素,它是一個電負性很高的分子,可與血紅蛋白結合,結合部位在Hb 分子4個亞基的對稱中心孔穴內。2,3-BPG的負電基團與組成孔穴側壁的2個B亞基的帶正電基團形成鹽鍵, 從而使血紅蛋白分子的T構象更趨穩定,降低Hb與O2的親和力。當血流經過P02較高的肺部時,2,3-BPG的影響不大,而當血流流過P02較低的組織時,紅細胞中2,3-BPG的存在則顯著增加O2釋放,以供組織需要。在PO2相同條件下,隨2,3-BPG濃度增大,Hb02釋放的O2增多。人體能通過改變紅細胞內2,3-BPG的濃度來調節對組織的供氧。

磷酸戊糖途徑提供NADPH維持紅細胞的完整性[編輯]

紅細胞內磷酸戊糖途徑的代謝過程與其他細胞相同,主要功能是產生NADPH+H+。NADH和NADPH是紅細胞內重要的還原當量,它們能夠對抗氧化劑,保護細胞膜蛋白質、血紅蛋白和酶蛋白的巰基等不被氧化,從而維持紅細胞的正常功能。磷酸戊糖途徑是紅細胞產生NADPH的唯一途徑。紅細胞中的NADPH能維持細胞內還原型穀胱甘肽(GSH)的含量, 使紅細胞免遭外源性和內源性氧化劑的損害。某些疾病狀態,如葡糖-6-磷酸脫氫酶缺乏症(俗稱蠶豆病)病人因紅細胞中磷酸戊糖途徑關鍵酶缺乏而導致NADPH量不足,無法維持穀胱甘肽的還原狀態,因此在接觸強氧化因子時,紅細胞細胞膜破裂導致溶血。
由於氧化作用,紅細胞內經常產生少量高鐵血紅蛋白(methemoglobin, MHb), MHb中的鐵為三價,不能帶氧。但紅細胞內有NADH-高鐵血紅蛋白還原酶和NADPH-高鐵血紅蛋白還原酶催化MHb還原成Hb。另外,GSH和抗壞血酸也能直接還原MHb。在上述高鐵血紅蛋白還原系統中,以NADH-高鐵血紅蛋白還原酶最重要。由於有MHb還原系統的存在,使紅細胞內MHb只佔Hb總量的1%~2%。

紅細胞不能合成脂肪酸[編輯]

成熟紅細胞的脂質幾乎都存在於細胞膜。成熟紅細胞由於沒有線粒體,因此無法從頭合成脂肪 酸,但膜脂的不斷更新卻是紅細胞生存的必要條件。紅細胞通過主動參入和被動交換不斷地與血漿進行脂質交換,維持其正常的脂質組成、結構和功能。

高鐵血紅素促進珠蛋白的合成[編輯]

血紅蛋白由珠蛋白與血紅素構成。珠蛋白的合成與一般蛋白質相同,其合成受血紅素的調控。血紅素的氧化產物高鐵血紅素能促進珠蛋白的生物合成。cAMP激活蛋白激酶A後,蛋白激酶A能使無活性的elF-2激酶磷酸化。後者再催化eIF-2磷酸化而使之失活。高鐵血紅素有抑制cAMP激活蛋白激酶A的作用,從而使elF-2保持於去磷酸化的活性狀態,有利於珠蛋白的合成,進而影響血紅蛋白的合成。

白細胞的代謝[編輯]

人體白細胞由粒細胞、淋巴細胞和單核巨噬細胞三大系統組成。主要功能是對外來入侵起抵抗作用,白細胞的代謝與白細胞的功能密切相關。白細胞的功能將在免疫學詳細介紹,故在此只扼要介紹白細胞的代謝特點。

糖酵解是白細胞主要的獲能途徑[編輯]

由於粒細胞的線粒體很少,故糖酵解是主要的糖代謝途徑。中性粒細胞能利用外源性的糖和內源性的糖原進行糖酵解,為細胞的吞噬作用提供能量。單核巨噬細胞雖能進行有氧氧化,但糖酵解仍占很大比重。在免疫反應中,T淋巴細胞接受複雜的信號後激活、增殖和分化成不同的細胞亞型。研究表明,不同狀態和階段的T淋巴細胞其葡萄糖代謝的特點有所不同,例如,免疫反應中T淋巴細胞激活前主要通過葡萄糖的有氧氧化獲能,而激活後則主要通過糖酵解獲能。

粒細胞和單核巨噬細胞能產生活性氧,發揮殺菌作用[編輯]

中性粒細胞和單核巨噬細胞被趨化因子激活後,細胞內磷酸戊糖途徑被激活,產生大量的NADPH。 經NADPH氧化酶遞電子體系可使02接受單電子還原,產生大量的超氧陰離子(O-)。超氧陰離子再進一步轉變成H202, ·OH等活性氧,起殺菌作用。NADPH氧化酶遞電子體系的成分包括NADPH氧化酶、細胞色素b558和兩種胞質多肽等。
2O2+NADPH→2O+NADP++H+

粒細胞和單核巨噬細胞能合成多種物質參與超敏反應[編輯]

速髮型超敏反應(Ⅰ型超敏反應)中,在多種刺激因子作用下,單核巨噬細胞可將花生四烯酸轉變成血栓烷和前列腺素;而在脂氧化酶的作用下,粒細胞和單核巨噬細胞可將花生四烯酸轉變成白三烯;同時,粒細胞中的大量組氨酸代謝生成組胺。組胺、白三烯和前列腺素都是速髮型超敏反應中重要的生物活性物質。

單核巨噬細胞和淋巴細胞能合成多種活性蛋白質[編輯]

由於成熟粒細胞缺乏內質網,故蛋白質合成量很少。而單核/巨噬細胞的蛋白質代謝很活躍,能合成多種酶、補體和各種細胞因子。在免疫反應中,B淋巴細胞分化為漿細胞,產生並分泌多種抗體蛋白,參與體液免疫。