第三节红细胞的代谢 血红素的生物合成 成熟红细胞中,血红蛋白( hemoglobin,b)占红细胞内蛋白质总量的95%,它是血液运输02的最重要物质,和02的送输亦有一定关系。血红蛋白是由4个亚基组成的四聚体,每一亚基由 分子珠蛋白( globin)与一分子血红素(heme)缔合而成。由于珠蛋白的生物合成与一般蛋白质相同,因此本节重点介绍血红素的生物合成。 血红素也是其它一些蛋白质,如肌红蛋白( myoglobin),过氧化氢酶( catalase),过氧化物酶( peroxidase)等的辅基。因而,一般细胞均可合成血红素,且合成通路相同。在人红细胞中,血 红素的合成从早动红细胞开始,直到网织红细胞阶段仍可合成。而成熟红细胞不再有血红素的合成。 )血红素的合成通路(过程) 红素合成的基本原料是甘氨酸 辅酶A及Fe++。合成的起始和终末过程均在线粒体,而中间阶段在胞液中进行。合成过程分为如下四个步骤 6-氨基-y-酮戊酸(6- aminolevulinic acid,ALA)的生成:在线粒体中,首先由甘氨酸和琥珀酰辅酶A在AA合成酶( ALA synthetase)的催化下缩合生成ALA。ALA合成酶由两个亚基组成 每个亚基分子量为60,000。其辅酶为磷酸吡哆醛。此酶为血红素合成的限速酶,受血红素的反馈抑制 CooH 酶A+C1 AA合成 (酸吃够酪) 卟胆原的生成:线粒体生成的ALA进入胞液中,在ALA脱水酶( ALA dehydrase)的催化下,二分子AA脱水缩合成一分子卟胆原( prophobilinogen,PBG)。ALA脱水酶由八个亚基组成,分子 量为26万。为含巯基酶
第三节 红细胞的代谢 一、血红素的生物合成 成熟红细胞中，血红蛋白(hemoglolin,Hb)占红细胞内蛋白质总量的 95%，它是血液运输 O2 的最重要物质，和 CO2 的送输亦有一定关系。血红蛋白是由 4 个亚基组成的四聚体，每一亚基由一 分子珠蛋白(globin)与一分子血红素(heme)缔合而成。由于珠蛋白的生物合成与一般蛋白质相同，因此本节重点介绍血红素的生物合成。 血红素也是其它一些蛋白质，如肌红蛋白(myoglobin)，过氧化氢酶(catalase)，过氧化物酶(peroxidase)等的辅基。因而，一般细胞均可合成血红素，且合成通路相同。在人红细胞中，血 红素的合成从早动红细胞开始，直到网织红细胞阶段仍可合成。而成熟红细胞不再有血红素的合成。 (一)血红素的合成通路(过程) 血红素合成的基本原料是甘氨酸、琥珀酰辅酶 A 及 Fe＋＋。合成的起始和终末过程均在线粒体，而中间阶段在胞液中进行。合成过程分为如下四个步骤： 1.δ-氨基-γ-酮戊酸(δ-aminplevulinic acid,ALA)的生成：在线粒体中，首先由甘氨酸和琥珀酰辅酶 A 在 ALA 合成酶(ALA synthetase)的催化下缩合生成 ALA。ALA 合成酶由两个亚基组成， 每个亚基分子量为 60，000。其辅酶为磷酸吡哆醛。此酶为血红素合成的限速酶，受血红素的反馈抑制。 2.卟胆原的生成：线粒体生成的 ALA 进入胞液中，在 ALA 脱水酶(ALA dehydrase)的催化下，二分子 ALA 脱水缩合成一分子卟胆原(prophobilinogen,PBG)。ALA 脱水酶由八个亚基组成，分子 量为 26 万。为含巯基酶
CoOH CoOH COOH CH CH COOH CH CiH o=C 40g ALA脱水酬 2H C=oH一iCH H-NH 2ALA 卟胆原 3.尿卟啉原和粪卟啉原的生成:在胞液中,四分子PBG脱氨缩合生成一分子尿卟啉原Ⅲ( uroporphyrinogenⅢ,UrGⅢ)。此反应过程需两种酶即尿卟啉原合酶 uroporphyrinogen synthetase) 又称卟胆原脱氨酶(PB; deaminase)和尿卟啉原Ⅲ同合酶( uroporphyrinogen Il cosynthase)。首先,PBG在尿卟啉原合酶作用下,脱氨缩合生成线状四吡咯。再由尿卟啉原Ⅲ同合酶催化, 不化生成尿卟啉原Ⅲ。无尿卟啉原Ⅲ同合酶时,线状四吡咯可自然环化成尿卟啉原I(UPG-Ⅰ),两种尿卟啉原的区别在于:UPGⅠ第7位结合的是乙酸基,第8位为丙酸基:而UPGⅢ则与之 反,第7位是丙酸基,第8位是乙酸基。正常情况下UPG一Ⅲ与UPG-Ⅰ为10000:1
3.尿卟啉原和粪卟啉原的生成：在胞液中，四分子 PBG 脱氨缩合生成一分子尿卟啉原Ⅲ(uroporphyrinogen Ⅲ，UPG Ⅲ)。此反应过程需两种酶即尿卟啉原合酶(uroporphyrinogen synthetase) 又称卟胆原脱氨酶(PBG deaminase)和尿卟啉原Ⅲ同合酶(uroporphyrinogen Ⅲ cosynthase)。首先，PBG 在尿卟啉原合酶作用下，脱氨缩合生成线状四吡咯。再由尿卟啉原Ⅲ同合酶催化， 环化生成尿卟啉原Ⅲ。无尿卟啉原Ⅲ同合酶时，线状四吡咯可自然环化成尿卟啉原Ⅰ(UPG-Ⅰ)，两种尿卟啉原的区别在于：UPGⅠ第 7 位结合的是乙酸基，第 8 位为丙酸基；而 UPG Ⅲ则与之 相反，第 7 位是丙酸基，第 8 位是乙酸基。正常情况下 UPG－Ⅲ与 UPG－Ⅰ为 10000∶1
P易歌原 NH 卟朋原 线状四吡咯 NH, NH NH HN NH HN 尿卟啉原T 尿卟啉原Ⅲ 式中A代表乙酸基,P代表丙酸基 尿卟啉原Ⅲ进一步经尿卟啉原Ⅲ脱羧酶催化,使其四个乙酸基(A脱羧变为甲基(M),从而生成粪卟啉原Ⅲ( coproporphyrinogenⅢ,CPGⅢ) 血红素的生成:胞液中生成的粪卟啉原Ⅲ再进入线粒体中,在粪卟啉原氧化脱羧酶作用下,使2、4位的丙酸基(P)脱羧脱氢生成乙烯基α),生成原卟啉原IX。再经原卟啉原IX氧化酶催 化脱氢,使连接4个吡咯环的甲烯基氧化成甲炔基,生成原卟啉IX。最后在亚铁螯合酶( ferrochelatase)催化下和Fe2+结合生成血红素。(图10-18)
式中 A 代表乙酸基，P 代表丙酸基 尿卟啉原Ⅲ进一步经尿卟啉原Ⅲ脱羧酶催化，使其四个乙酸基(A)脱羧变为甲基(M)，从而生成粪卟啉原Ⅲ(coproporphyrinogen Ⅲ，CPG Ⅲ)。 4.血红素的生成：胞液中生成的粪卟啉原Ⅲ再进入线粒体中，在粪卟啉原氧化脱羧酶作用下，使 2、4 位的丙酸基(P)脱羧脱氢生成乙烯基(V)，生成原卟啉原 IX。再经原卟啉原 IX 氧化酶催 化脱氢，使连接 4 个吡咯环的甲烯基氧化成甲炔基，生成原卟啉 IX。最后在亚铁螯合酶(ferrochelatase)催化下和 Fe2＋结合生成血红素。(图 10-18)
血红生成过多时) 高铁血红 Fe铁警合酶 ALA 0 原叶原氧化黯 ≯駟原 尿 原呼称系血(又称) C)N舞卟琳原氧化狮 尿卟原I 卟原 卟啉原了
乙酸基P.丙酸基M.甲基V.乙烯基 图10-18血红素的生物合成及其调节 血红素生成后从线粒体转入胞液,与珠蛋白结合而成为血红蛋白。正常成人每天合成6克田b,相当于合成210mg血红素 (二)血红素合成的调节 血红素的合成受多种因素的调节,其中主要是调节ALA的生成 1.ALA合成酶血红素合成酶系中,ALA合成酶是限速酶,其量最少。血红素对此酶有反馈抑制作用。目前认为,血红素在体内可与阻遏蛋白结合,形成有活性的阻遏蛋白,从而抑制ALA合 成酶的合成。此外,血红素还具有直接的负反馈调节ALA合成酶活性的作用。实验表明,血红素浓度为5×10-6M时便可抑制ALA合成酶的合成,浓度为10-5~10-4M时则可抑制酶的活性。 正常情况下血红素生成后很快与珠蛋白结合,但当血红素合成过多时,则过多的血红素被氧化为高铁血红素 hematin),后者是ALA合成酶的强烈抑制剂,而且还能阻遏AL合成酶的合成 雄性激素一一睾丸酮在肝脏5β-还原酶作用下可生成5β-氢睾丸酮,后者可诱导AA合成酶的产生,从而促进血红素的生成。某些化合物也可诱导ALA合成酶,如巴比妥、灰黄霉素等药物, 能诱导ALA合成酶的合成 2.ALA脱水酶与亚铁螯合酶:ALA脱水酶和亚铁螯合酶对重金属敏感,如铅中毒可抑制这些酶而使血红素合成减少 3.造血生长因子:目前已发现多种造血生长因子,如多系( multi)一集落刺激因子,中性粒细胞一巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)、白细胞介素3(IL-3),及促红细胞生成素等。其中促红 细胞生成素 erythropoiefin,EPO)在红细胞生长,分化中发挥关键作用。人EPO基因位于7号染色体长臂21区,由4个内含子和5个外显子组成。所编码的多肽由193个氨基酸残基组成 在分泌过程中经水解去除信号肽,成为166个氨基酸的成熟肽。分子量为18398。EPO为一种糖蛋白,由多肽和糖基两部分组成,总分子量为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主要由肾脏合成,胎儿和新生儿主要由肝脏合成。当循环血液中红细胞容积减低或机体缺氧时,肾分泌Eo增加。Epo可促进原始红细胞的増殖和分化、加速有 核红细胞的成熟,并促进ALA合成酶生成,从而促进血红素的生成 此外铁对血红素的合成有促进作用。而血红素又对珠蛋白的合成有促进作用 红素合成代谢异常而引起卟啉化合物或其前身体的堆积,称为卟啉症( porphyria)。先天性红细胞生成性卟啉症( congeni tal erythropoietic porphyria)是由于先天性缺乏尿卟啉原Ⅲ同合 酶,而使线状四吡咯向尿卟啉原Ⅲ的转变受阻,致使尿卟啉原Ⅰ生成增多。病人尿中有大量尿卟啉Ⅰ和粪卟晽Ⅰ出现
A.乙酸基 P.丙酸基 M.甲基 V.乙烯基 图 10-18 血红素的生物合成及其调节 血红素生成后从线粒体转入胞液，与珠蛋白结合而成为血红蛋白。正常成人每天合成 6 克 Hb，相当于合成 210mg 血红素。 (二)血红素合成的调节 血红素的合成受多种因素的调节，其中主要是调节 ALA 的生成。 1.ALA 合成酶 血红素合成酶系中，ALA 合成酶是限速酶，其量最少。血红素对此酶有反馈抑制作用。目前认为，血红素在体内可与阻遏蛋白结合，形成有活性的阻遏蛋白，从而抑制 ALA 合 成酶的合成。此外，血红素还具有直接的负反馈调节 ALA 合成酶活性的作用。实验表明，血红素浓度为 5×10－6M 时便可抑制 ALA 合成酶的合成，浓度为 10-5～10-4M 时则可抑制酶的活性。 正常情况下血红素生成后很快与珠蛋白结合，但当血红素合成过多时，则过多的血红素被氧化为高铁血红素(hematin)，后者是 ALA 合成酶的强烈抑制剂，而且还能阻遏 ALA 合成酶的合成。 雄性激素——睾丸酮在肝脏 5β-还原酶作用下可生成 5β-氢睾丸酮，后者可诱导 ALA 合成酶的产生，从而促进血红素的生成。某些化合物也可诱导 ALA 合成酶，如巴比妥、灰黄霉素等药物， 能诱导 ALA 合成酶的合成。 2.ALA 脱水酶与亚铁螯合酶：ALA 脱水酶和亚铁螯合酶对重金属敏感，如铅中毒可抑制这些酶而使血红素合成减少。 3.造血生长因子：目前已发现多种造血生长因子，如多系(multi)一集落刺激因子，中性粒细胞－巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF)、白细胞介素 3(IL－3)，及促红细胞生成素等。其中促红 细胞生成素(erythropoiefin,EPO)在红细胞生长，分化中发挥关键作用。人 EPO 基因位于 7 号染色体长臂 21 区，由 4 个内含子和 5 个外显子组成。所编码的多肽由 193 个氨基酸残基组成。 在分泌过程中经水解去除信号肽，成为 166 个氨基酸的成熟肽。分子量为 18398。EPO 为一种糖蛋白，由多肽和糖基两部分组成，总分子量为 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 主要由肾脏合成，胎儿和新生儿主要由肝脏合成。当循环血液中红细胞容积减低或机体缺氧时，肾分泌 Epo 增加。Epo 可促进原始红细胞的增殖和分化、加速有 核红细胞的成熟，并促进 ALA 合成酶生成，从而促进血红素的生成。 此外铁对血红素的合成有促进作用。而血红素又对珠蛋白的合成有促进作用。 血红素合成代谢异常而引起卟啉化合物或其前身体的堆积，称为卟啉症(porphyria)。先天性红细胞生成性卟啉症(congenital erythropoietic porphyria)是由于先天性缺乏尿卟啉原Ⅲ同合 酶，而使线状四吡咯向尿卟啉原Ⅲ的转变受阻，致使尿卟啉原Ⅰ生成增多。病人尿中有大量尿卟啉Ⅰ和粪卟啉Ⅰ出现