生物化學與分子生物學/膽色素的代謝與黃疸

肝的生物化學 - 肝在物質代謝中的作用 - 肝的生物轉化作用 - 膽汁與膽汁酸的代謝 - 膽色素的代謝與黃疸
膽色素(bile pigment)是體內鐵卟啉類化合物的主要分解代謝產物，包括膽綠素(biliverdin)、膽紅素(bilirubin）、膽素原(bilinogen)和膽素(bilin)。這些化合物主要隨膽汁排出體外，其中膽紅素居於膽色素代謝的中心，是人體膽汁中的主要色素，呈橙黃色。

膽紅素是鐵卟啉類化合物的降解產物

膽紅素主要源於衰老紅細胞的破壞

體內鐵卟啉類化合物包括血紅蛋白、肌紅蛋白、細胞色素、過氧化氫酶和過氧化物酶等。正常人每天可生成250～350mg膽紅素，其中約80%以上來自衰老紅細胞破壞所釋放的血紅蛋白的分解。 小部分膽紅素來自造血過程中紅細胞的過早破壞（無效紅細胞生成），還有少量膽紅素來自其他各種含血紅素蛋白如細胞色素P450。肌紅蛋白由於更新率低，所占比例很小。
紅細胞的平均壽命約120天。生理情況下，正常成年人(70kg)每小時約有(1～2)×l0⁸個紅細胞被破壞。衰老的紅細胞被肝、脾、骨髓等單核吞噬系統細胞識別併吞噬，每天釋放約6g血紅蛋白（每克血紅蛋白約可產生35mg膽紅素）。釋出的血紅蛋白隨後分解為珠蛋白和血紅素。珠蛋白可降解為胺基酸供體內再利用。血紅素則由單核吞噬系統細胞降解生成膽紅素。

血紅素加氧酶和膽綠素還原酶催化膽紅素的生成

血紅素是由4個吡咯環連接而成的環形化合物，並螯合l個二價鐵離子。血紅素由單核吞噬系統細胞微粒體的血紅素加氧酶(heme oxygenase, HO)催化，在至少3分子氧和3分子NADPH的存在下，血紅素原卟啉Ⅸ環上的α次甲基(—CH=)橋碳原子的兩側氧化斷裂，釋放出一分子一氧化碳(CO)和Fe²⁺,並將兩端的吡咯環羥化，生成線性四吡咯結構的水溶性膽綠素。釋出的Fe²⁺氧化為Fe³⁺進入鐵代謝池，可供機體再利用或以鐵蛋白形式儲存。
膽綠素進一步在胞質活性很強的膽綠素還原酶(b山verdin reductase)催化下，由NADPH供氫，還 原生成膽紅素。膽紅素是由3個次甲基橋連接的4個吡咯環組成，分子量585。雖然膽紅素分子中含有2個羥基（醇式）或酮基（酮式）、4個亞氨基和2個丙酸基等親水基團，但由於這些基團形成6個分子內氫鍵，使膽紅素分子形成脊瓦狀內旋的剛性摺疊結構，賦予膽紅素以疏水親脂的性質，極易自由透過細胞膜進入血液。
迄今已發現人體內存在3種血紅素加氧酶同工酶：H0-1,H0-2和H0-3。H0-1(32kD)是一種誘導酶，為熱激蛋白32(HSP32)。主要存在於肝、脾、和骨髓等降解衰老紅細胞的組織器官。H0-2 (36kD)是組成型酶，僅受糖皮質激素誘導，主要存在於大腦及睪丸組織內，其功能多認為與CO的神經信使作用有關。H0-3(33kD)與H0-2有90%的同源性，亦屬組成型表達，其功能尚未明晰。 H0-1在血紅素代謝中居重要地位，其生物合成可被其底物血紅素迅速激活，以及時清除循環系統中的血紅素。H0-1亦是迄今所知的誘導物最多的誘導酶。缺氧、高氧、內毒素、重金屬、白細胞介素-10(IL-10)、一氧化氮(NO)、促紅細胞生成素(EPO)、炎症細胞因子等許多能引發細胞 氧化應激(oxidative stress)的因素均可誘導此酶的表達，從而增加CO、膽綠素和繼之膽紅素的產生。
許多疾病亦表現 H0-1的表達增加，例如腫瘤、動脈粥樣硬化、心肌缺血、阿爾茨海默病等。 H0-1作為一種應激蛋白質，其誘導因素的多樣性是對細胞的一種重要保護機制。H0-1在上述諸多有害環境刺激和疾病存在條件下所呈現的對機體保護作用，主要是通過其催化生成的產物來實現的，這些產物主要是CO與膽紅素。HO氧化血紅素時產生的CO是機體內源性CO的主要來源。 CO因對Hb有高度親和力而呈現有害效應。但有研究顯示，低濃度CO和NO功能相似，可作為信息分子和神經遞質。
膽紅素過量對人體有害，但適宜水平的膽紅素是人體內強有力的內源性抗氧化劑，是血清中抗氧化活性的主要成分，可有效地清除超氧化物和過氧化自由基。氧化應激可誘導H0-1的表達，從而增加膽紅素的量以抵禦氧化應激狀態。膽紅素的這種抗氧化作用通過膽綠素還原酶循環（liverdin reductase cycle)實現：膽紅素氧化成膽綠素，後者再在分布廣、活性強的膽綠素還原酶催化下，利用NADH或NADPH再還原成膽紅素。膽綠素還原酶循環可使膽紅素的作用增大10 000倍。

血液中的膽紅素主要與清蛋白結合而運輸

膽紅素在單核吞噬系統細胞生成以後釋放入血。在血漿中主要以膽紅素-清蛋白複合體形式存在和運輸。血漿清蛋白(albumin)與膽紅素的結合，一方面增加了膽紅素的水溶性，提高了血漿對膽紅素的運輸能力；另一方面限制了它自由通透各種細胞膜，避免了其對組織細胞造成的毒性作用。 研究證明，每個清蛋白分子有一個高親和力結合部位和一個低親和力結合部位，可結合兩分子膽紅素。正常人血漿膽紅素含量為3.4～17.1µmol/L(2～10mg/L), 而每100ml血漿清蛋白可結合25mg 膽紅素，故在正常情況下血漿清蛋白結合膽紅素的潛力很大，不與清蛋白結合的膽紅素甚微。但必須提及的是，膽紅素與清蛋白的結合是非特異性、非共價可逆性的。若清蛋白含量明顯降低、結合部位被其他物質佔據或降低膽紅素對結合部位的親和力，均可促使膽紅素從血漿向組織細胞轉移。
某些有機陰離子（如磺胺藥、水楊酸、膽汁酸、脂肪酸等）可與膽紅素競爭性地結合清蛋白，使膽紅素游離。過多的游離膽紅素因系脂溶性易穿透細胞膜進入細胞，尤其是富含脂質的腦部基底核的神經細胞，干擾腦的正常功能，稱為膽紅素腦病(bilirubin encephalopathy)或核黃疽(kernicterus)。有黃疽傾向的病人或新生兒生理性黃疽期，應慎用上述藥物。因此，血漿清蛋白與膽紅素的結合僅起到暫時性的解毒作用，其根本性的解毒依賴肝與葡糖醋酸結合的生物轉化作用。把這種未經肝結合轉化的，在血漿中與清蛋白結合運輸的膽紅素稱為未結合膽紅素(unconjugated bilirubin)或血膽紅素或游離膽紅素。未結合膽紅素因分子內氫鍵存在，不能直接與重氮試劑反應，只有在加入乙醇或尿素等破壞氫鍵後才能與重氮試劑反應，生成紫紅色偶氮化合物，故未結合膽紅素又稱為間接反應膽紅素或間接膽紅素(indirect bilirubin)。

膽紅素在肝細胞中轉變為結合膽紅素並泌入膽小管

游離膽紅素可滲透肝細胞膜而被攝取

血中的膽紅素以膽紅素-清蛋白複合體的形式運輸到肝後，在被肝細胞攝取前先與清蛋白分離，然後迅速被肝細胞攝取。膽紅素可以自由雙向通透肝血竇肝細胞膜表面而進入肝細胞。所以，肝細胞對膽紅素的攝取量取決於肝細胞對膽紅素的進一步處理能力。
膽紅素進入肝細胞後，在細胞質中主要與細胞質Y蛋白和Z蛋白兩種配體蛋白(ligandin)相結合，其中，以Y蛋白為主。配體蛋白是膽紅素在肝細胞質的主要載體，系穀胱甘肽S-轉移酶(GST)家族成員，含量豐富，占肝細胞質總蛋白質的3%～4%, 對膽紅素有高親和力。配體蛋白可與膽紅素1: 1結合，以膽紅素-Y蛋白或膽紅素-Z蛋白形式將膽紅素攜帶至肝細胞滑面內質網。

膽紅素在內質網結合葡糖醛酸生成水溶性結合膽紅素

在滑面內質網UDP-葡糖醛酸基轉移酶(UDP-glucuronosyl transferase, UGT)的催化下，由UDPGA提供葡糖醛酸基，膽紅素分子的丙酸基與葡糖醛酸以酯鍵結合，生成葡糖醛酸膽紅素(bilirubin glucuronide)。由於膽紅素分子中含有2個羧基，每分子膽紅素可至多結合2分子葡糖醛酸。結果主要生成膽紅素葡糖醛酸二酯和少量膽紅素葡糖醛酸一酯, 兩者均可被分泌入膽汁。此外，尚有少量膽紅素與硫酸結合生成硫酸酯。膽紅素與葡糖醛酸的結合是肝臟對有毒性膽紅素－種根本性的生物轉化解毒方式。把這些在肝臟與葡糖醋酸結合轉化的膽紅素稱為結合膽紅素 (conjugated bilirubin)或肝膽紅素。與葡糖醛酸結合的膽紅素因分子內不再有氫鍵，分子中間的亞甲橋不在深埋於分子內部，可以迅速、直接與重氮試劑發生反應，故結合膽紅素又稱為直接反應膽紅素或直接膽紅素（direct bilirubin)。

肝細胞向膽小管分泌結合膽紅素

結合膽紅素水溶性強，被肝細胞分泌進入膽管系統，隨膽汁排入小腸。此被認為是肝臟代謝膽紅素的限速步驟，亦是肝臟處理膽紅素的薄弱環節。肝細胞向膽小管分泌結合膽紅素是一個逆濃度梯度的主動轉運過程，定位於肝細胞膜膽小管域的多耐藥相關蛋白 2(multidrug resistance-like protein 2, MRP2)是肝細胞向膽小管分泌結合膽紅素的轉運蛋白質。膽紅素排泄一旦發生障礙，結合膽紅素就可返流入血。對UDP-葡糖醛酸基轉移酶具有誘導作用的苯巴比妥等藥物對結合膽紅素從肝細胞到膽汁的分泌也同樣具有誘導作用，可見膽紅素的結合轉化與分泌構成相互協調的功能體系。血漿中的膽紅素通過肝細胞膜的自由擴散、肝細胞質內配體蛋白的運轉、內質網的葡糖睦酸基轉移酶的催化和肝細胞膜的主動分泌等聯合作用，不斷地被肝細胞攝取、結合轉化與排泄，從而不斷地得以清除。

膽紅素在腸道內轉化為膽素原和膽素

膽素原是結合膽紅素經腸菌作用的產物

經肝細胞轉化生成的葡糖醛酸膽紅素隨膽汁進入腸道，在迴腸下段和結腸的腸菌作用下，脫去葡糖醛酸基，並被還原生成d-尿膽素原(d-urobilinogen)和中膽素原(mesobilirubinogen,i-urobilinogen)。後者又可進一步還原生成糞膽素原(stercobilinogen,1-urobilinogen), 這些物質統稱為膽素原。大部分膽素原隨糞便排出體外，在腸道下段，這些無色的膽素原接觸空氣後分別被氧化為相應的d-尿膽素 (d-urob山n)、i-尿膽素(i-urobilin)和糞膽素(stercobilin, 1-urobilin) , 三者合稱膽素。膽素呈黃褐色，成為糞便的主要顏色。正常人每日排出總量為40～280mg。膽道完全梗阻時，膽紅素不能排入腸道形成膽素原和進而形成糞膽素，因此糞便呈灰白色或白陶土色。嬰兒腸道細菌稀少，未被細菌作用的膽紅素隨糞便排出，可使糞便呈現橘黃色。

少量膽素原可被腸黏膜重吸收，進入膽素原的腸肝循環

腸道中生成的膽素原有10%～20%可被腸黏膜細胞重吸收，經門靜脈入肝，其中大部分（約90%）以原形隨膽汁排入腸腔，形成膽素原的腸肝循環(enterohepatic urobilinogen cycle)。只有小部分(10%)膽素原可以進入體循環經腎小球濾出隨尿排出，稱為尿膽素原。正常人每日隨尿排出尿膽素原約0.5～4.0mg。尿膽素原與空氣接觸後被氧化成尿膽素，成為尿的主要色素。臨床上將尿膽素原、尿膽素及尿膽紅素合稱為尿三膽，是黃疽類型鑑別診斷的常用指標。正常人尿中檢測不到尿膽紅素。

高膽紅素血症及黃疸

正常人血清膽紅素含量甚微

正常成人血清膽紅素總量為3.4～17.lµmoVL(2～lOmg/L), 其中約80%是未結合膽紅素，其餘為結合膽紅素。單核吞噬系統細胞產生的膽紅素是有毒的脂溶性物質，易透過細胞膜尤其對富含脂質的神經細胞可造成不可逆損傷。膽紅素與血漿清蛋白的結合（未結合膽紅素）僅起到暫時性的解毒作用，肝細胞內膽紅素與葡糖睦酸結合（結合膽紅素）反應是對膽紅素的一種根本性生物轉化解毒方式。肝細胞對膽紅素有強大的處理能力。正常人每天從單核吞噬細胞系統產生 250～350mg膽紅 素，但正常人肝每天可清除3000mg以上的膽紅素，因此正常人血清中膽紅素的含量甚微。

黃疽依據病因有溶血性、肝細胞性和阻塞性之分

體內膽紅素生成過多，或肝細胞對膽紅素的攝取、轉化及排泄能力下降等均可引起血漿膽紅素含量增多。當血漿膽紅素含量超過17.1µmoVL(10mg/L)稱為高膽紅素血症(hyperbilirubinemia)。膽紅 素為橙黃色物質，過量的膽紅素可擴散進入組織造成黃染現象，這一體徵稱為黃疽(jaundice)。由於皮膚、鞏膜、指甲床下和上顆等含有較多彈性蛋白，對膽紅素有較強的親和力，故易被黃染。黃疽的程度取決於血漿膽紅素的濃度。當血漿膽紅素濃度超過34.2µmol/L(20mg/L)時，肉眼可見皮膚、黏膜及鞏膜等黃染，臨床上稱為顯性黃疽(clinical jaundice)。若血漿膽紅素在17.1～34.2µmol/L(10～20mg/L)之間時，肉眼觀察不到皮膚與鞏膜等黃染現象，稱為隱性黃疽(occult jaundice)。
臨床上常根據黃疽發病的原因不同，將黃疽分為三類。

1. 溶血性黃疽 溶血性黃疽(hemolytic jaundice), 又稱為肝前性黃疽(prehepatic jaundice)。系各種原因所致紅細胞的大量破壞，單核吞噬系統產生膽紅素過多，超過了肝細胞攝取、轉化和排泄膽紅素的能力，造成血液中未結合膽紅索濃度顯著增高所致。其特徵為：①血漿總膽紅素、未結合膽紅素含量增高；②結合膽紅素的濃度改變不大，尿膽紅素呈陰性；③因肝對膽紅素的攝取、轉化和排泄增多，過多的膽紅素進入膽道系統，腸肝循環增多，使得尿膽原和尿膽素含量增多，糞膽原與糞膽素亦增加；④伴有其他特徵如貧血、脾大及末梢血液網織紅細胞增多等。某些藥物、某些疾病（如惡性症疾、過敏、鎖狀細胞貧血、蠶豆病等）及輸血不當等多種因素均有可能引起大量紅細胞破壞，導致溶血性黃疽。
   
2. 肝細胞性黃疽 肝細胞性黃疽(hepatocellular jaundice), 又稱為肝原性黃疽(hepatic jaundice)。由於肝細胞功能受損，造成其攝取、轉化和排泄膽紅素的能力降低所致的黃疽。一方面肝攝取膽紅素障礙，造成血中未結合膽紅素升高；另一方面幹細胞受損腫脹，壓迫毛細膽管，造成肝內毛細膽管阻塞，而後者與肝血竇直接相通，使肝內部分結合膽紅素返流入血，造成血清結合膽紅素亦增高。此外，經腸肝循環入肝的膽素原可經損傷的肝細胞進入體循環，並從尿中排出，使尿膽素原升高。其特徵為：①血清未結合膽紅素和結合膽紅素均升高。②尿膽紅素呈陽性。③尿膽素原升高，但若膽小管堵塞嚴重，則尿膽素原反而降低。④糞膽素原含量正常或降低。由於肝功能障礙，結合膽紅素在肝內生成減少，糞便顏色可變淺。⑤其他特徵如血清谷丙轉氨酶(ALT)及穀草轉氨酶(AST)活性明顯升高。肝細胞性黃疽常見於肝實質性疾病如各種肝炎、肝硬化、肝腫瘤及中毒（如氯仿、四氯化碳）等引發的肝損傷。
   
3. 阻塞性黃疽 阻塞性黃疽(obstructive jaundice)又稱為肝後性黃疽(posthepatic jaundice)。由各種原因引起的膽管系統阻塞，膽汁排泄通道受阻，使膽小管和毛細膽管內壓力增高而破裂，導致結合膽紅素返流入血，使得血清結合膽紅素明顯升高。其特徵為：①結合膽紅素明顯升高，未結合膽紅素升高不明顯；②大量結合膽紅素可從腎小球濾出，所以尿膽紅素呈強陽性，尿的顏色加深，可呈茶葉水色；③由於膽管阻塞排入腸道的結合膽紅素減少，導致腸菌生成膽素原減少，糞便中膽素原及膽素含量降低，完全阻塞的病人糞便可變成灰白色或白陶土色；④其他特徵如血清膽固醇和鹼性磷酸酶(ALP)活性明顯升高等。阻塞性黃疽常見於膽管炎、腫瘤（尤其胰頭癌）、膽結石或先天性膽管閉鎖等疾病。