生物化学与分子生物学/成熟红细胞的代谢特点

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生物化学与分子生物学

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成熟红细胞不仅无细胞核,而且也无线粒体、核蛋白体细胞器,不能进行核酸蛋白质生物合成,也不能进行有氧氧化,不能利用脂肪酸。血糖是其唯一的能源。红细胞摄取葡萄糖属于易化扩散,不依赖胰岛素。成熟红细胞保留的代谢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)。通过这些代谢提供能量和还原力(NADH,NADPH)以及一些重要的代谢物(2,3桞PG),对维持成熟红细胞在循环中约120的生命过程及正常生理功能均有重要作用。

(一)糖酵解

循环血液中的红细胞每天消耗约30g葡萄糖,其中90~95%经糖酵解被利用。一分子葡萄糖经酵解可产生2分子ATP。红细胞中生成的ATP主要用于维持红细胞膜上的离子泵(钠泵、钙泵),以保持红细胞的离子平衡;维持细胞膜可塑性;谷胱甘肽合成及核苷酸的补救合成等。缺乏ATP则红细胞膜内外离子平衡失调,红细胞内Na+进入多于K+排出、Ca++进入增多,红细胞因吸入过多水分而膨大成球状甚至破裂。同时由于ATP缺乏,可使红细胞膜可塑性下降,硬度增高,易被脾脏破坏,造成溶血

红细胞无氧酵解中生成的NADH+H+是高铁血红蛋白还原酶的辅助因子,此酶催化高铁血红蛋白还原为有载氧功能的血红蛋白

(二)2,3-二磷酸甘油酸(2,3-BPG)支路

在糖无氧酵解通路中,1,3-二磷酸甘油酸(1,3-BPG)有15~50%在二磷酸甘油酸变位酶催化下生成2,3-BPG,后者再经2,3-BPG磷酸酶催化生成3磷酸甘油酸。经此2,3-BPG的侧支循环称2,3-BPG支路(图10-19)。

2,3-BPG支路


图10-19 2,3-BPG支路

红细胞中2,3-BPG磷酸酶活性远低于BPG变位酶,使2,3-BPG的生成大于分解,因而红细胞中2,3-BPG的浓度处于有机磷酸酯的巅峰,较糖酵解其它中间产物的有机磷酸酯高出数+甚至数百倍(表10-4)。

表10-4 红细胞中各种糖酵解中间产物的浓度(微克分子/升红细胞)

糖酵解中间产物 动脉血 静脉血
6-磷酸葡萄糖 30.0 24.8
6-磷酸果糖 9.3 3.3
1,6二磷酸果糖 0.8 1.3
磷酸丙糖 4.5 5.0
3-磷酸甘油酸 19.2 16.5
2-磷酸甘油酸 5.0 1.9
磷酸烯醇式丙酮 10.8 6.6
丙酮酸 87.5 143.2
2,3-DPG 3400 4940

2,3-BPG能特异地与去氧血红蛋白(deoxy Hb)结合,2,3-BPG进入血红蛋白α2β2四聚体中心空隙两个β亚基之间,借其分子中所带5个负电荷与两个β亚基的带正带氨基酸残基盐键及氢键结合,使两个β亚基保持分开的状态,即促使血红蛋白由紧密态向松驰态转换,从而减低血红蛋白对氧的亲和力(图10-20)。

BPG与Hb的作用示意图


图10-20 BPG与Hb的作用示意图

当红细胞内2,3-BPG浓度升高时有利于HbO2放氧,而2,3-BPG浓度下降则有利于Hb与氧结合。BPG变位酶及2,3-BPG磷酸酶受pH值调节。在肺泡毛细血管血液pH高,BPG变位酶受抑制而2,3-BPG磷酸酶活性强。使红细胞内2,3-BPG的浓度降低,有利于Hb与O2结合。

反之,在外周组织毛细血管中,血液pH下降,2,3-BPG的浓度升高,则利于HbO2放氧,借此调节氧的运输和利用,具有重要生理意义。但2,3-BPG的生成是以减少一个ATP的生成为代价的。

(三)磷酸戊糖通路

红细胞内利用葡萄糖的5~10%通过磷酸戊糖通路代谢,为红细胞提供另一种还原力(NADPH),NADPH在红细胞氧化还原系统中发挥重要作用,具有保护膜蛋白、血红蛋白及酶蛋白巯基不被氧化,还原高铁血红蛋白等多种功能。

1.GSH的主要生理功能是对抗氧化剂对巯基的氧化。细胞内可自发生成少量超氧阴离子(O-2),同时感染时的白细胞吞噬作用亦可产生O-2,可被超氧化物歧化酶(superoxidedismufase SOD),催化生成过氧化氢(H2O2)。

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而GSH在谷胱甘肽过氧化酶作用下将H2O2还原为H2O,GSH自身被氧化为氧化型谷胱甘肽(GSSG)。后者在谷胱甘肽还原酶催化下,由NADPH+H+供氢重新还原为GSH。(图10-21)。

谷胱甘肽的氧化与还原


图10-21 谷胱甘肽的氧化与还原

催化NADPH生成的关键酶为葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。此酶缺陷的病人一般情况下无症状,但有外界因素(如进食某种蚕豆)影响,即引起溶血。因吃蚕豆可诱导发病,故这种病又称蚕豆病

2.高铁血红蛋白(methemoglobin MHb)的还原:由于各种氧化作用,红细胞内经常有少量MHb产生,而由于红细胞内有一系列酶促及非酶促的MHb还原系统(表10?),故正常红细胞中MHb只占1-2%。

表10-5 红细胞中MHb还原系统

还原系统 占总还原能力的百分比(%)
酶促还原系统
NADH脱氢酶 61
NADH脱氢酶Ⅱ 5
NADH脱氢酶 6
非酶促还原系统
抗坏血酸 16
谷胱甘肽 12

由表10-5可知,催化MHb还原的主要是NADH-脱氢酶,辅酶为NADH+H+。NADPH脱氢酶,(以NADPH+H+为辅酶)也参与MHb还作,但作用较小。除此之外,抗坏血酸和GSH可直接还原MHb,而氧化型抗坏血酸和GSSG的还原作用最终需NADPH+H+供氢。

32 血红素的生物合成 | 肝脏的生物化学 32
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