生物化学与分子生物学/血细胞物质代谢

血液的生物化学 - 血浆蛋白质 - 血红素的合成 - 血细胞物质代谢
血液中存在有多种血细胞：红细胞，主要的功能是运送氧；白细胞，在机体免疫反应中发挥重要作用；血小板，在凝血过程中起重要作用。血小板是由骨髓造血组织中的巨核细胞产生的细胞碎片，本节重点介绍红细胞和白细胞的主要代谢特点。

红细胞的代谢

红细胞是血液中最主要的细胞，它是在骨髓中由造血干细胞定向分化而成的红系细胞。在红系细胞发育过程中，经历了原始红细胞、早幼红细胞、中幼红细胞、晚幼红细胞、网状红细胞等阶段，最后才成为成熟红细胞。在成熟过程中，红细胞发生一系列形态和代谢的改变。
哺乳动物的成熟红细胞除质膜和胞质外，无细胞核和线粒体等细胞器，其代谢比一般细胞单纯。葡萄糖是成熟红细胞的主要能猛物质。血液循环中的红细胞每天大约从血浆摄取30g葡萄糖，其中 90%～95%经糖酵解通路和2,3-二磷酸甘油酸(2,3-bisphosphoglycerale, 2,3-BPG)支路进行代谢，5%～10%通过磷酸戊糖途径进行代谢。

糖酵解是红细胞获得能量的唯一途径

红细胞中存在催化糖酵解所需要的所有的酶和中间代谢物, 糖酵解的基本反应和其他组织相同。糖酵解是红细胞获得能量的唯一途径，lmol葡萄糖经酵解生成2mol乳酸的过程中，产生 2molATP和2molNADH+H⁺,通过这一途径可使红细胞内ATP的浓度维持在1.85×10³mol/L水平。
红细胞中的ATP主要用于维持以下几方面的生理活动：

维持红细胞膜上钠泵(Na⁺, K⁺-ATP酶）的运转 Na⁺和K⁺一般不易通过细胞膜，钠泵通过消耗ATP将Na⁺泵出、K⁺泵入红细胞以维持红细胞的离子平衡以及细胞容积和双凹盘状形态。
维持红细胞膜上钙泵(Ca²⁺-ATP酶）的运行 将红细胞内的Ca²⁺泵入血浆以维持红细胞内的低钙状态。正常情况下，红细胞内的Ca²⁺浓度很低(20µmol/L) , 而血浆的Ca²⁺浓度为2～3 mmol/L。血浆内的Ca²⁺会被动扩散进入红细胞。缺乏ATP时，钙泵不能正常运行，钙将聚集并沉积于红细胞膜，使膜失去柔韧性而趋于僵硬，红细胞流经狭窄的脾窦时易被破坏。
维持红细胞膜上脂质与血浆脂蛋白中的脂质进行交换 红细胞膜的脂质处于不断地更新中，此过程需消耗ATP。缺乏ATP时，脂质更新受阻，红细胞的可塑性降低，易于破坏。
少量ATP用于谷胱甘肽、NAD⁺/NADP⁺的生物合成 谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸结合而成的三肽化合物，是机体中重要的抗氧化物质。肝细胞是合成谷胱甘肽的主要部位，此过程需要ATP参与。烟酰胺在体内与ATP反应生成辅酶NAD⁺和NADP⁺，这两种辅酶在生物氧化还原反应中起电子载体或递氢体作用。
ATP用于葡萄糖的活化，启动糖酵解过程 葡萄糖分解的第一步反应就是发生磷酸化而活化，此过程需由ATP供能。

红细胞的糖酵解存在2，3-二磷酸甘油酸旁路

红细胞内的糖酵解还存在一个特殊途径——2,3-BPG支路。2,3-BPG支路的分支点是1,3-二磷酸甘油酸(1,3-bisphosphoglycerate, 1,3-BPG)。正常情况下，2,3-BPG对二磷酸甘油酸变位酶的负反馈作用大于对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%; 但是由于2,3-BPG磷酸酶的活性较低，2,3-BPG的生成大于分解，造成红细胞内2,3-BPG升高。红细胞内2,3-BPG虽然也能供能，但主要功能是调节血红蛋白的运氧功能。
2,3-BPG是调节Hb 运氧功能的重要因素，它是一个电负性很高的分子，可与血红蛋白结合，结合部位在Hb 分子4个亚基的对称中心孔穴内。2,3-BPG的负电基团与组成孔穴侧壁的2个B亚基的带正电基团形成盐键, 从而使血红蛋白分子的T构象更趋稳定，降低Hb与O₂的亲和力。当血流经过P0₂较高的肺部时，2,3-BPG的影响不大，而当血流流过P0₂较低的组织时，红细胞中2,3-BPG的存在则显著增加O₂释放，以供组织需要。在PO₂相同条件下，随2,3-BPG浓度增大，Hb0₂释放的O₂增多。人体能通过改变红细胞内2,3-BPG的浓度来调节对组织的供氧。

磷酸戊糖途径提供NADPH维持红细胞的完整性

红细胞内磷酸戊糖途径的代谢过程与其他细胞相同，主要功能是产生NADPH+H⁺。NADH和NADPH是红细胞内重要的还原当量，它们能够对抗氧化剂，保护细胞膜蛋白质、血红蛋白和酶蛋白的巯基等不被氧化，从而维持红细胞的正常功能。磷酸戊糖途径是红细胞产生NADPH的唯一途径。红细胞中的NADPH能维持细胞内还原型谷胱甘肽(GSH)的含量, 使红细胞免遭外源性和内源性氧化剂的损害。某些疾病状态，如葡糖-6-磷酸脱氢酶缺乏症（俗称蚕豆病）病人因红细胞中磷酸戊糖途径关键酶缺乏而导致NADPH量不足，无法维持谷胱甘肽的还原状态，因此在接触强氧化因子时，红细胞细胞膜破裂导致溶血。
由于氧化作用，红细胞内经常产生少量高铁血红蛋白(methemoglobin, MHb), MHb中的铁为三价，不能带氧。但红细胞内有NADH-高铁血红蛋白还原酶和NADPH-高铁血红蛋白还原酶催化MHb还原成Hb。另外，GSH和抗坏血酸也能直接还原MHb。在上述高铁血红蛋白还原系统中，以NADH-高铁血红蛋白还原酶最重要。由于有MHb还原系统的存在，使红细胞内MHb只占Hb总量的1%～2%。

红细胞不能合成脂肪酸

成熟红细胞的脂质几乎都存在于细胞膜。成熟红细胞由于没有线粒体，因此无法从头合成脂肪酸，但膜脂的不断更新却是红细胞生存的必要条件。红细胞通过主动参入和被动交换不断地与血浆进行脂质交换，维持其正常的脂质组成、结构和功能。

高铁血红素促进珠蛋白的合成

血红蛋白由珠蛋白与血红素构成。珠蛋白的合成与一般蛋白质相同，其合成受血红素的调控。血红素的氧化产物高铁血红素能促进珠蛋白的生物合成。cAMP激活蛋白激酶A后，蛋白激酶A能使无活性的elF-2激酶磷酸化。后者再催化eIF-2磷酸化而使之失活。高铁血红素有抑制cAMP激活蛋白激酶A的作用，从而使elF-2保持于去磷酸化的活性状态，有利于珠蛋白的合成，进而影响血红蛋白的合成。

白细胞的代谢

人体白细胞由粒细胞、淋巴细胞和单核巨噬细胞三大系统组成。主要功能是对外来入侵起抵抗作用，白细胞的代谢与白细胞的功能密切相关。白细胞的功能将在免疫学详细介绍，故在此只扼要介绍白细胞的代谢特点。

糖酵解是白细胞主要的获能途径

由于粒细胞的线粒体很少，故糖酵解是主要的糖代谢途径。中性粒细胞能利用外源性的糖和内源性的糖原进行糖酵解，为细胞的吞噬作用提供能量。单核巨噬细胞虽能进行有氧氧化，但糖酵解仍占很大比重。在免疫反应中，T淋巴细胞接受复杂的信号后激活、增殖和分化成不同的细胞亚型。研究表明，不同状态和阶段的T淋巴细胞其葡萄糖代谢的特点有所不同，例如，免疫反应中T淋巴细胞激活前主要通过葡萄糖的有氧氧化获能，而激活后则主要通过糖酵解获能。

粒细胞和单核巨噬细胞能产生活性氧，发挥杀菌作用

中性粒细胞和单核巨噬细胞被趋化因子激活后，细胞内磷酸戊糖途径被激活，产生大量的NADPH。经NADPH氧化酶递电子体系可使0₂接受单电子还原，产生大量的超氧阴离子(O_2·^-)。超氧阴离子再进一步转变成H202, ·OH等活性氧，起杀菌作用。NADPH氧化酶递电子体系的成分包括NADPH氧化酶、细胞色素b₅₅₈和两种胞质多肽等。
2O₂+NADPH→2O_2·+NADP⁺+H⁺

粒细胞和单核巨噬细胞能合成多种物质参与超敏反应

速发型超敏反应(Ⅰ型超敏反应）中，在多种刺激因子作用下，单核巨噬细胞可将花生四烯酸转变成血栓烷和前列腺素；而在脂氧化酶的作用下，粒细胞和单核巨噬细胞可将花生四烯酸转变成白三烯；同时，粒细胞中的大量组氨酸代谢生成组胺。组胺、白三烯和前列腺素都是速发型超敏反应中重要的生物活性物质。

单核巨噬细胞和淋巴细胞能合成多种活性蛋白质

由于成熟粒细胞缺乏内质网，故蛋白质合成量很少。而单核／巨噬细胞的蛋白质代谢很活跃，能合成多种酶、补体和各种细胞因子。在免疫反应中，B淋巴细胞分化为浆细胞，产生并分泌多种抗体蛋白，参与体液免疫。