肝的生物化学

第二十二章 肝生物化学,Biochemistry of the Liver,第一节肝在物质代谢中的作用,The Liver Roles in Metabolism,一、肝细胞的结构特点赋予其多重代谢功能,（一）不同部位肝细胞具有物质代谢的异质性,不同部位的肝细胞获得的氧和营养物质具有差异。,I 区：肝小叶门周区III ：肝小叶中央周区II区：介于I区与III区之间,以终末微血管为中轴，将肝小叶中的肝细胞分为三条带：,肝门管区,肝门管区,中央静脉,中央静脉,终末微血管,肝细胞分带示意图箭头表示血流方向,目 录,（二）肝细胞是机体物质代谢最活跃的场所之一,肝细胞富含细胞器，其中以内质网、线粒体、溶酶体和过氧化酶体含量最为丰富。,肝细胞含有3个不同功能膜域（membrane domain），即血窦域、胆小管域和与这两个膜域相连接的侧域。,二、肝是维持血糖正常水平的重要器官,糖异生 肝糖原的合成与分解糖酵解途径 磷酸戊糖途径,回顾：肝内进行那些糖代谢途径？,作用：维持血糖浓度恒定，保障全身各组织，尤其是大脑和红细胞的能量供应。,不同营养状态下肝内如何进行糖代谢？,饱食状态肝糖原合成过多糖则转化为脂肪，以VLDL形式输出空腹状态肝糖原分解饥饿状态以糖异生为主脂肪动员酮体合成 节省葡萄糖,三、肝在脂类代谢中占据中心地位,回顾：肝内进行的脂类代谢主要有哪些？脂肪酸的氧化、脂肪酸的合成及酯化、酮体的生成、胆固醇的合成与转变、脂蛋白与载脂蛋白的合成 (VLDL、HDL、apo C)、脂蛋白的降解 (LDL)。,作用：在脂类的消化、吸收、合成、分解与运输均具有重要作用。,肝在脂类代谢各过程中的作用,肝细胞合成并分泌胆汁酸，帮助脂类物质的消化与吸收。肝细胞是体内代谢脂酸的主要器官，也是脂酸氧化的重要场所。肝在调节机体胆固醇平衡上起着中心作用。肝处于脂蛋白的中心地位。肝磷脂（尤其是卵磷脂）的合成非常活跃。,四、肝的蛋白质代谢与肝外组织密切相关,在血浆蛋白质代谢中的作用：合成与分泌血浆蛋白质（球蛋白除外）清除血浆蛋白质（清蛋白除外）在氨基酸代谢中的作用：氨基酸的脱氨基、脱羧基、脱硫、转甲基等（支链氨基酸除外）。清除血氨及胺类，合成尿素。,五、肝参与多种维生素和辅酶代谢,脂溶性维生素的吸收维生素的储存肝是Vit A、E、K和B12的主要储存场所。维生素的运输视黄醇结合蛋白的合成，Vit D结合蛋白的合成维生素的转化Vit D3 25-(OH)-Vit D3水溶性维生素辅酶的组成成分,第二节 肝的生物转化作用,Biotransformation in the Liver,一、肝的生物转化作用是机体的重要保护机制,生物转化的定义一些非营养物质在体内的代谢转变过程称为生物转化 (biotransformation) 。,非营养物质,生物转化的对象,生物转化的意义对体内的非营养物质(xenobiotics)进行转化，使其灭活 (inactivate)，或解毒(detoxicate)；更为重要的是可使这些物质的溶解度增加，易于排出体外。,生物转化的主要场所肝是生物转化最重要器官，但在肺、肾、胃肠道和皮肤也有一定生物转化功能 。, 肝的生物转化作用解毒作用（detoxification）,二、肝的生物转化反应可分为两相,概 述第一相反应：氧化、还原、水解反应第二相反应：结合反应,* 有些物质经过第一相反应即可顺利排出体外。,* 物质即使经过第一相反应后，极性改变仍不大，必须与某些极性更强的物质结合, 即第二相反应，才最终排出。,（一）第I相反应包括氧化、还原和水解反应,存在部位：微粒体内(滑面内质网)组成：Cyt P450，NADPH+H+，NADPH-细胞色素 P450还原酶 催化的基本反应：RH+O2+NADPH+H+ - ROH+NADP+H2O,1.细胞色素P450加单氧酶是氧化异源物的最重要的酶,能直接激活氧分子，其中一个氧原子加入底物分子中，另一氧原子被还原为水，故又称为混合功能氧化酶。,基本特点：,产物：羟化物或环氧化物 举例：,苯胺,对氨基苯酚,多环芳烃的生物转化过程,迄今已鉴定出30余种人类编码CYP的基因。按氨基酸序列同源性在40%以上分类，可将人肝细胞P450分为5个家族：CYP1、CYP2、CYP3、CYP7和CYP27。在同一家族中，按氨基酸序列同源性在55%60%，又可进一步分为A、B、C等亚族。对异生素进行生物转化的主要CYP是CYP1、CYP2和CYP3。其中又以微粒体CYP3A4、CYP2C9、CYP1A2和CYP2E1的含量最多。,黄曲霉素是致肝癌的重要危险因子黄曲霉素B1经CYP作用生成的黄曲霉素2,3-环氧化物可与DNA分子中鸟嘌呤结合，引起DNA突变。,黄曲霉素B1,2,3-环氧黄曲霉素,DNA-鸟嘌呤,环曲霉素与DNA的 结合产物,结合对象：凡含有羟基、羧基或氨基的药物、毒物或激素均可发生结合反应。,结合剂：葡糖醛酸、硫酸、谷胱甘肽、甘氨酸、乙酰基、甲基等物质或基团。,（二） 第相反应是结合反应,1. 葡糖醛酸结合反应是最普遍存在的结合反应,尿苷二磷酸葡糖醛酸 (UDPGA)是葡糖醛酸基的直接供体。,催化酶：葡糖醛酸基转移酶 (UDP-glucuronyl transferases, UGT),举例：,+ UDPGA,苯酚,+ UDP,苯葡糖醛酸苷,雌酮,2. 硫酸结合也是常见的结合反应,硫酸供体: 3-磷酸腺苷5-磷酸硫酸( PAPS),催化酶：硫酸转移酶 (sulfate transferase ),举例,PAPS,+PAP,雌酮硫酸酯,X-OH + PAPS X-OSO3H + PAP,3. 谷胱甘肽结合反应是细胞自我保护的重要反应,黄曲霉素B1-8,9-谷胱甘肽,谷胱甘肽结合产物环氧化物,催化这类反应的酶称为谷胱甘肽S转移酶（glutathione S-transferase, GST）。,4. 某些氨基酸可以与异源物的羧基结合,5. 甲基化反应是代谢内源化合物的重要反应,甲基的供体：S - 腺苷甲硫氨酸(SAM),尼克酰胺,N-甲基尼克酰胺,儿茶酚,O-甲基儿茶酚,6. 乙酰基化反应是某些含胺异源物的重要代谢途径,异烟肼,乙酰辅酶A,乙酰异烟肼,辅酶A,磺胺,N-乙酰磺胺,三、生物转化作用受许多因素的调节和影响,(一)许多生物转化的酶类是诱导酶,许多异源物可以诱导一些生物转化酶的生物合成来加速其自身的代谢，或影响其他异源物的生物转化。,巴比妥酸、苯巴比妥、苯妥英等不仅升高各种CYP和UGT的活性，还可引起肝肿大和增加滑面内质网的数量。,多环芳香烃主要诱导芳香烃羟化酶（aryl hydrocarbons hydroxylase，AHH）活性。,个基本类型的诱导作用：,巴比妥酸型诱导作用 ：,多环芳香烃型诱导作用：,（二）遗传因素可显著影响生物转化酶的活性,遗传变异可引起个体之间生物转化酶类分子结构的差异或酶合成量的差异。,变异产生的低活性酶可因影响药物代谢而造成药物在体内积留；高活性酶可缩短药物的作用时间或药物代谢的毒性产物的增多。,（三）年龄、营养、疾病等均可对生物转化作用产生影响,1人肝生物转化酶有一个发育的过程 2许多药物可以影响肝葡糖醛酸化的能力3老年人肝的生物转化能力仍属正常4某些生物转化反应有性别差异 5食品对肝生物转化活性也有影响 6疾病可对肝生物转化作用产生影响,第三节胆汁酸的代谢,Metabolism of and Bile Acids,胆汁的成分：胆汁酸盐（bile salts）、无机盐、粘蛋白、磷脂、胆色素、胆固醇、多种酶类,一、胆汁可分为肝胆汁和胆囊胆汁,两种胆汁的百分组成和部分性质,二、胆汁酸的主要功能是促进脂类物质的消化与吸收和排泄胆固醇,胆汁酸(bile acids)的概念胆汁酸是存在于胆汁中一大类胆烷酸的总称，以钠盐或钾盐的形式存在，即胆汁酸盐，简称胆盐 (bile salts)。,促进脂类的消化与吸收（最重要功能）,疏水侧,甘氨胆酸的立体构型,亲水侧,排泄胆固醇，抑制胆汁中胆固醇的析出胆汁中胆汁酸、卵磷脂与胆固醇的正常比值 101。,胆汁酸还有许多其他生理作用,三、胆汁酸按其来源可分为初级胆汁酸和次级胆汁酸,（一）初级胆汁酸在肝内生成,胆固醇是合成胆汁酸的原料。胆汁酸的生物合成包括胆固醇核的羟化、侧链的缩短核胆汁酸的结合反应。,胆固醇7-羟化酶是调节胆汁酸合成的关键酶,1.初级胆汁酸有两条合成途径,（二）次级胆汁酸是肠菌作用的产物,熊脱氧酸,脱氧胆酸,石胆酸,胆酸,脱7-羟基,鹅脱氧胆酸,脱7-羟基,鹅脱氧胆酸,脱7-羟基转变为7-羟基,（三）肝细胞将几乎所有的胆汁酸均转变成结合型胆汁酸,初级胆汁酸：是肝细胞以胆固醇为原料直接合成的胆汁酸，包括胆酸、鹅脱氧胆酸及相应结合型胆汁酸。,次级胆汁酸在肠道细菌作用下初级胆汁酸 7-羟基脱氧后生成的胆汁酸，包括脱氧胆酸及石胆酸。,游离胆汁酸,例：胆酸,结合胆汁酸,7-羟基脱氧,胆酸,脱氧胆酸,初级胆汁酸,次级胆汁酸,7-羟基脱氧,鹅脱氧胆酸,石胆酸,次级胆汁酸,初级胆汁酸,四、胆汁酸的肠肝循环利于机体对胆汁酸的再利用,胆汁酸随胆汁排入肠腔后，通过重吸收经门静脉又回到肝，在肝内转变为结合型胆汁酸，经胆道再次排入肠腔的过程。,（一）胆汁酸的肠肝循环增加机体胆盐的储备,胆汁酸的肠肝循环(enterohepatic circulation of bile acid),胆汁酸池（bile acid pool）,机体内胆汁酸储备的总量，成人胆汁酸池约35g。,（二）肝细胞对胆汁酸盐的分泌是主动转运过程,肝细胞的胆小管域存在众多的转运蛋白，可对抗100倍浓度梯度，将胆盐和其他有机化合物转运到胆小管。这些转运蛋白多属于ATP结合盒(ATP-binding cassette, ABC)转运蛋白超家族。,1.胆盐输出泵专一转运胆汁酸盐,2.多耐药相关蛋白2转运多价有机阴离子,胆盐输出泵（bile salt export pump，BSEP，ABCB11）是依赖ATP的胆盐转运蛋白。,肝细胞膜胆小管域还存在转运其他有机化合物的转运蛋白。,（三）胆汁酸主要在回肠被主动重吸收,胆汁分泌入胆小管后，经胆总管排入十二指肠。胆盐在小肠内发挥其促进脂类消化、吸收的功能。在小肠下段，初级胆汁酸在肠菌的作用下，生成次级胆汁酸。98%的胆汁酸在回肠被主动重吸收，经门静脉入肝。回肠粘膜柱状上皮细胞的顶端Na+依赖的胆盐转运蛋白（apical sodium-dependent bile salt transporter, ASBT）介导此吸收过程。,少量未结合的胆盐也可在小肠远端被动吸收。,（四）肝细胞对胆汁酸的摄取也是主动转运过程,有机阴离子转运多肽（OATP）,Na+-牛磺胆酸共转运多肽（NTCP）,可将80%以上的牛磺胆酸和40%的胆酸转运入肝细胞， NTCP的底物不限于胆盐，还包括性类固醇的硫酸酯、溴硫酞、甲状腺激素等。,其中以OATP-C和OATP-A为主，其次是OATP8，OATP-C还有从肝血窦摄取未结合胆红素的功能。,胆汁酸肠肝循环的过程,胆汁酸肠肝循环的生理意义将有限的胆汁酸反复利用以满足人体对胆汁酸的生理需要。,五、很多胆结石的组成部分中含有胆固醇,（一）胆固醇主要随胆汁排泄,（二）胆汁胆固醇、磷脂酰胆碱和胆汁酸盐比例失衡导致胆固醇胆石生成,胆结石（gallstone）,胆固醇结石（cholesterol stone）黑色素结石（black pigment stone）棕色素结石（brown pigment stone）,第四节 胆色素的代谢,Metabolism of Bile Pigments,胆色素(bile pigment)是体内铁卟啉化合物的主要分解代谢产物，包括胆红素、胆绿素、胆素原和胆素等。,体内的铁卟啉化合物血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素、过氧化氢酶及过氧化物酶。,约80来自衰老红细胞中血红蛋白的分解。,一、胆红素是血红素的降解产物,（一）胆红素主要来自红细胞的破坏,胆红素(bilirubin)来源,（二）血红素加氧酶和胆绿素还原酶催化胆红素的生成,部位肝、脾、骨髓单核巨噬细胞系统细胞微粒体与胞液中,过程,氨基酸,胆红素,胆红素的性质亲脂疏水，对大脑具有毒性作用,胆红素的生成过程,胆红素空间结构示意图,二、血红素加氧酶在体内有其特殊的生理作用,（一）人体内存在3种血红素加氧酶同工酶,3种血红素加氧酶同工酶：,HO-1HO-2HO-3,（二）一氧化碳通过激活鸟苷酸环化酶而发挥作用,胆红素是人体含量最丰富的内源性抗氧化剂，是血清中抗氧化活性的主要成分。,CO可与细胞内鸟苷酸环化酶分子中的血红素结合，激活cGMP的生成。,（三）胆红素具有抗氧化作用,三、血液中的血红素主要与血清蛋白结合而运输,意义增加胆红素在血浆中的溶解度，限制胆红素自由通过生物膜产生毒性作用。,竞争结合剂如磺胺药，水杨酸，胆汁酸等。,运输形式胆红素清蛋白复合体,四、胆红素在肝细胞中生成结合型胆红素并分泌入胆小管,（一）游离胆红素可渗透肝细胞膜进入肝细胞,与清蛋白结合的胆红素在肝细胞膜血窦域分解出游离的胆红素，并被肝细胞摄取。其动力是肝细胞内外胆红素的渗透压。其速度取决于清蛋白-胆红素的释放速度和肝细胞对胆红素的处理能力。,胆红素在肝细胞浆中主要与胞浆Y蛋白和Z蛋白相结合，其中以Y蛋白为主。Y蛋白，即配体蛋白(ligandin)配体蛋白将胆红素携带到肝内质网。,（二）谷胱甘肽S-转移酶是胆红素在肝细胞浆的主要载体,部位：滑面内网质反应：结合反应（主要为结合物为UDP葡糖醛酸，UDPGA）酶：葡糖醛酸基转移酶产物：主要为双葡糖醛酸胆红素，另有少量单葡糖醛酸胆红素、硫酸胆红素，统称为结合胆红素。,（三）胆红素在内质网生成水溶性的结合胆红素,葡糖醛酸胆红素的生成,胆红素葡糖醛酸二酯的结构,目 录,UDP-葡糖醛酸基转移酶,胆红素,2UDP-葡糖醛酸,2UDP,二葡糖醛酸胆红素,两种胆红素理化性质的比较,肝细胞UGT缺乏可造成血中未结合胆红素升高，导致黄疸（jaundice）。,克-奈(Crigler-Najjar)综合征（又称先天性高胆红素血症）病人可因肝细胞UGT活性的严重缺失，出现严重的高未结合胆红素血症，血清未结合胆红素含量可高达340mol/L。,吉尔伯（Gilbert）综合征（又称家族性非溶血性黄疸）病人UGT活性是正常人的30%，其血清未结合胆红素浓度约为84mol/L。,多耐药相关蛋白2（MRP2）是肝细胞向胆小管分泌结合胆红素的转运蛋白。,（四）肝细胞向胆小管分泌结合胆红素是主动转运过程,肝分泌胆红素入胆小管是肝代谢胆红素的限速步骤。,五、胆红素在肠道内转化成胆红素和胆素,结合胆红素,胆素原,胆素,过程,胆素原：中胆素原，粪胆素原，d -尿胆素原,胆 素：i -尿胆素，粪胆素， d -尿胆素,游离胆红素,粪胆素与尿胆素的生成,目 录,（一）胆素原是肠菌作用的产物,肠道中有少量的胆素原可被肠粘膜细胞重吸收，经门静脉入肝，其中大部分再随胆汁排入肠道，形成胆素原的肠肝循环。,（二）少量胆素原可被肠粘膜重吸收，进入胆素原的肠肝循环,胆素原肠肝循环(bilinogen enterohepatic circulation),胆素原肠肝循环的过程,六、血清胆红素含量增高可出现黄疸,正常人血清胆红素含量为3.417mol/L（0.21mg/dl），以未结合胆红素为