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第11章血液生物化学 南通大学医学院生化教研室 沈勤 血液的生物化学BiochemistryofBlood 血液凝块构造 红色为RBC 兰色为血小板 黄色为纤维蛋白 本章内容 血液的化学成分 红细胞代谢 血红蛋白的结构和功能 本章重点 1 血浆蛋白的分类 性质和功能 2 红细胞代谢的特点 及其几种代谢产物的生理功能 3 血红素的主要合成部位 合成原料 限速酶 主要合成步骤及其调节 血液 是在心脏和血管系统里流动的红色 不透明 具有粘性的液体 有形成分 红细胞 白细胞和血小板 无形成分 血清 不加抗凝剂凝固后 血浆 加抗凝剂 血清与血浆的主要区别是血清不含有纤维蛋白原 内环境 血浆 组织间液其它细胞外液 外界环境 血液循环 呼吸 消化 排泄 概述 概述 血液组成与临床关系密切 1 通过RBC Hb 血细胞比容等协助临床诊断 2 通过HCO3等的含量判断酸碱平衡状况 3 通过NPN 尿素N或肌酐了解肾脏的功能 4 通过血糖 血脂 血乳酸 酮体含量判断三大营养物质的代谢情况等 血液的重要作用 1 沟通内外环境 维持内环境的相对稳定 pH 渗透压 各种化学成分的浓度 2 物质的运输 营养物 代谢调解物 代谢中间物 代谢终末产物 3 异物的防御 免疫功能 4 防止出血 凝血功能 第一节血液的化学成分 血液的化学成分 水 电解质 非蛋白含氮化合物 血浆蛋白质 气体和其他有机化合物 一 水和电解质 全血含水约81 86 血浆含水约93 95 红细胞含水约65 68 血液含水的作用 维持体液平衡 各种物质的溶剂 体液间的物质交换 吸热 散热 助于调节体温 血液含水量在一定范围内的变动 反映了人体进水量与出水量之间的动态平衡关系 血液中电解质的作用 正负电荷相等 保持体液电中性 各离子浓度保持动态平衡 Na 是维持血浆量和渗透压的主要离子 红细胞中 K 是维持细胞内液量和渗透压的主要离子 正离子有 Na K Ca2 Mg2 Fe2 等 负离子有 Cl HCO3 SO42 HPO42 Na K Ca2 保持比例维持神经肌肉的正常兴奋性 一 血浆蛋白质的组成和特性 1 盐析法分 清蛋白 albumin A 40 55g L 球蛋白 globulins G 20 30g L 纤维蛋白原 fibrinogen2 4g L 等 2 电泳法分 清蛋白 1 2 和 球蛋白及纤维蛋白原 A G 1 5 2 5 二 血浆蛋白质 血浆中各种蛋白质的总称 血浆蛋白质的组成 清蛋白 1 2 B 血清蛋白电泳图谱 染色后图谱 光密度扫描后的电泳峰 血浆蛋白质的主要组分见表11 2 血浆蛋白质的特性 1 绝大多数血浆蛋白质在肝脏合成 血浆蛋白自肝细胞内合成部位到血浆的时间为30分钟至数小时不等 2 绝大多数血浆蛋白均为糖蛋白 含N 和O 连接的寡糖链 糖分子参与蛋白质分子三级结构组成 增加糖蛋白溶解性 具有识别特性 二硫键维持血浆蛋白质稳定和亚基聚合 3 许多血浆蛋白成多态性 4 在急性炎症或某种类型组织损伤等情况下 某些血浆蛋白水平会增高 这些蛋白被称为 急性时相蛋白质 acutephaseprotein APP 急性时相蛋白质 acutephaseprotein APP C反应蛋白 CRP 由于该蛋白与肺炎球菌的C多糖起反应而得名 1抗胰蛋白酶 1酸性蛋白 纤维蛋白原 结合珠蛋白 在急性炎症或某些类型组织损伤时 某些血浆蛋白水平升高可达50 至1000倍 急性时相期 有些蛋白浓度出现降低 如 清蛋白 提示急性时相蛋白在人体炎症反应中起一定作用 二 血浆蛋白质的分类及功能 1 凝血系统蛋白质 13种凝血因子 为Ca2 其余12种都属蛋白质 多数为糖蛋白 2 纤溶系统蛋白质 纤溶系统 纤溶酶原 纤溶酶 纤溶激活剂 丝氨酸蛋白酶 纤溶抑制剂 蛋白酶抑制剂 3 补体系统蛋白质 含17种蛋白质 参与体液免疫和细胞免疫中的 互补 作用 即在体内免疫反应的效应阶段杀伤携带抗原的细胞 按功能分类 4 免疫球蛋白 immunoglobulin Ig 免疫球蛋白 IgG IgA IgM IgD 及IgE 识别特异性抗原并与之结合 形成抗原抗体复合物 消除抗原的危害 5 脂蛋白 6 血浆蛋白 酶及 酶抑制剂 都是糖蛋白 功能是抑制血浆中的各种酶 补体成分等等 对体内一些重要的生理过程起调节作用 按功能分类 血浆中还存在一些未知功能的血浆蛋白质 血浆蛋白质的催化作用 补充 1 血浆功能酶 多数由肝脏合成分泌入血 以酶原形式存在一定条件下被激活 血浆中的酶称为血清酶 如 假胆碱酶 卵磷脂胆固醇酰基转移酶 LCAT 脂蛋白脂肪酶 肾素等等 2 外分泌酶 外分泌腺分泌的酶 如 胃蛋白酶 胰蛋白酶 胰淀粉酶 胰脂肪酶 唾液淀粉酶等等 3 细胞酶 随细胞更新而释放至血 正常时血浆含量甚微 用于临床酶学检验 血浆蛋白质的其他非专一功能 1 维持血浆胶体渗透压 2 调节体液的pH H 浓度 3 营养作用 血浆胶体渗透压的大小 取决于血浆蛋白质的浓度 mol L 正常血浆的pH为7 4 0 05 血浆蛋白质的等电点大多在pH4 7 3 血浆蛋白盐与相应蛋白形成缓冲对 参与维持血浆正常pH 血浆蛋白质在体内分解产生的氨基酸可参与氨基酸代谢池 用于组织蛋白质的合成 参与维持体内蛋白质的动态平衡 清蛋白对组织细胞的营养具有较高的价值 血浆蛋白的分类汇表 Summary 三 非蛋白含氮化合物 nonproteinnitrogen NPN 主要是 尿素 尿酸 肌酸 肌酐 氨基酸 胆红素 氨等 正常人血中NPN含量为 14 3 25 0mmol L 20 35mg dl 临床上常通过测定血中NPN含量了解肾的排泄功能 非蛋白氮 四 气体和其它有机化合物 O2和CO2通过血液运输 将细胞呼吸与肺呼吸联系起来 其它有机化合物 葡萄糖 乳酸 三脂酰甘油 磷脂 胆固醇 游离脂肪酸等脂类化合物 第二节红细胞代谢 红细胞无核 也无细胞器 胞质内充满血红蛋白 使红细胞呈红色 血红蛋白 hemoglobin Hb 是含铁的蛋白质 约占红细胞重量的33 红细胞发育阶段 造血干细胞红系祖细胞幼红细胞网织红细胞成熟红细胞 部位 骨髓 外周血 血红素合成珠蛋白合成 血红蛋白 血红蛋白 hemoglobin Hb 珠蛋白 globin 血红素 heme 一 血红素合成的原料是Gly 琥珀酸CoA 和铁等小分子物质 血红素蛋白 肌红蛋白 过氧化氢酶 过氧化物酶细胞色素类蛋白 如p450等 几乎所有生物的大多数组织细胞中都有血红素合成 且的通路也是相同的 一 血红素是一种铁卟啉化合物 8 血红素的化学 含铁卟啉化合物 1 卟啉和卟啉原的结构 卟啉类化合物的基本结构和结构简式 次甲基桥 CH 亚甲基桥 CH2 卟啉类化合物 porphyrins 卟啉原类化合物 porphyrinogens 卟啉是卟吩衍生物 X4 凡取代基对称分布属I型 自行环化 取代基不对称分布属 型 酶催化而成 原卟啉III型是血红素的直接供体 2 卟吩类化合物的命名和分类 以卟吩上8个侧链取代基为基础分类和命名 临床上最感兴趣的三类卟啉化合物是 尿卟啉 uoporphyrin 粪卟啉 coproporphyrin 原卟啉 protoporphyrin 3 卟啉类化合物的光谱特性 最大的吸收峰是所有卟啉类化合物的特征性吸收带 称之为索瑞带 Soretbond 癌症的光疗法 cancerphototheropy 由于肿瘤细胞比正常细胞摄取更多的卟啉 在给患者血卟啉或相关化合物后 用氩激光 argonlaser 照射肿瘤部位 可激发聚集在肿瘤部位的卟啉发出荧光 产生细胞毒效应 杀死癌细胞 卟啉类化合物溶于无机酸或有机溶剂 在紫外光照射下 可发出强烈的红色荧光 这是由4个次甲基桥上的双键引起 二 血红素的生物合成 合成的原料 甘氨酸 琥珀酰CoA Fe2 合成的细胞定位 线粒体 胞浆 ALA 血红素合成途径 2ALA 线粒体内 胞浆内 1 ALA合成 2 卟胆原生成 4x 自行环化 A CH2COOH M CH3 卟胆原 3 粪卟啉 合成 Fe2 V CH2CH3 P CH2CH2COOH 血红素生成 原卟啉原IX 原卟啉IX 2CO2 4 血红素生成 6H 5 血红素中的铁 原子半径 1 72原子体积 cm3 mol 7 1共价半径 1 17电子构型 1s22s2p63s2p6d64s2离子半径 0 645氧化态 2 3 Fe2 3d轨道的6个电子形成6个配位键 4个 与卟啉分子形成血红素平面 1个 与蛋白质 His 1个 与O2可逆结合 Fe2 Fe3 不能与氧可逆结合 Fe2 2 血红素合成的调节 限速酶 ALA合酶 肝脏合成 半衰期短 调节ALA合酶的主要因素 1 血红素 和高铁血红素 是ALA合酶的抑制剂 活性阻遏物 2 ALA合酶的辅酶为磷酸吡哆醛 维生素B6缺乏 3 机体缺氧气时 如高山反应 肾脏产生促红细胞生成素 erythropoietinEPO 促进骨髓原始红细胞分化 5 肝脏进行生物转化增加肝脏细胞色素的需要量和消耗率 减少细胞内血红素的浓度 4 雄激素 睾酮诱导ALA合酶生成 6 铅中毒 铅抑制ALA脱水酶和铁螯合酶 三 铁的来源 男性体内铁总量 3 4g 女性偏低 Hb铁占60 70 Mb铁占4 体内储存铁主要以铁蛋白和含铁血黄素形式存在 胃肠道内 吸收率10 酸性条件有利 主要在十二指肠及空肠吸收 由血浆铜蓝蛋白氧化成Fe3 而运输 游离铁有毒 铁蛋白 肝星形细胞 脾 骨髓 含铁血黄素 铁代谢 胃黏膜脱落 皮肤落屑 泌尿道失铁等 二 成熟红细胞的代谢特点 成熟红细胞的能量代谢途径 葡萄糖的酵解通路 磷酸戊糖通路 2 3 BPG支路 90 95 G经此代谢 以上途径是维持红细胞大约120天的生命过程所必需 成熟红细胞除质膜和胞质外 无其他细胞器 其代谢比一般细胞单纯 葡萄糖是成熟红细胞的主要能量物质 25gG day进入红细胞代谢 糖酵解 红细胞90 95 的能量来自糖酵解 通过该途径可使红细胞内ATP的浓度维持在1 85x103mol L 主要用于以下几个方面以维持红细胞的形态 结构 功能 生理意义 二 2 3 BPG支路 在红细胞中 红细胞内2 3 BPG浓度几乎与Hb相等 该支路的生理意义在于 2 3 BPG能降低血红蛋白对氧的亲和力 便于HbO2放出O2 提供对组织供O2的需求 调节Hb对O2的运输能力 2 3 BPG功能 和Hb相互作用影响Hb对氧的亲和力 调节Hb的带氧功能 三 磷酸戊糖通路 红细胞内利用的葡萄糖大约有5 10 通过磷酸戊糖通路进行代谢 功能 产生还原力 NADPH 生理意义 1 NADPH和谷胱甘肽代谢 维持红细胞内NADPH的水平 保护红细胞结构和功能的完整 2 高铁血红蛋白 MHb 的还原 MHb不能带氧 红细胞内的NADH MHb还原酶和NADPH MHb还原酶都能催化MHb还原为Hb 红细胞糖代谢产物的作用 ATP 维持RBC膜上钠泵和钙泵正常运转 维持RBC的离子平衡及容积 使RBC膜脂质不断更新 用于GSH NAD 的生物合成和Glucose的磷酸化等 2 3 BPG NADH和NADPH RBC重要的还原当量 有对抗氧化剂 保护膜蛋白 Hb 巯基酶不被氧化 从而维持RBC的正常功能 调节Hb的携氧功能 红细胞内糖代谢的生理意义 summary 第三节血红蛋白的结构和功能 Hb以高浓度 34 存在于红细胞中占红细胞蛋白质总浓度的90 2 8x109个Hb分子 个红细胞 一 血红蛋白的结构 相对分子量 64 5kD 珠蛋白多肽链 两条 链 两条非 链 或 血红素辅基 HbA 2 2 占Hb的97 HbA2 2 2 占Hb的2 3 HbF 2 2 正常胎儿 组成 Hb 类型 一 链和非 链的一级结构差异较大 珠蛋白的一级结构 链 141个氨基酸残基 或 链 146个氨基酸残基 二 珠蛋白的空间结构 75 氨基酸残基形成8个右手 螺旋 A H 形成7个非螺旋段 AB CD EF FG GH NA HC 非极性残基包裹在分子内部 极性残基分布分子表面 Hb和Mb都溶于水 三 珠蛋白链与血红素的结合 四 Hb两对亚基沿轴对称排布 近心组氨酸 远心组氨酸 空穴 结合2 3BPG的部位 二 血红蛋白的生理功能 Bohr效应的生理学意义 给代谢活跃的组织提供多量的O2 使肺部达到更高的O2饱和度 2 3 BPG结合部位 2 3 BPG能和Hb等分子结合 2 3 BPG对Hb功能的调节 为什么胎儿血液有高的氧亲和力 HbA 链 His143 荷正电 结合2 3 BPG 带负电 HbF 链 Ser143 不带电荷 对2 3 BPG亲和力 HbF HbA对氧的亲和力 HbF HbA 实现在胎盘母血所能达到的O2分压范围内 使胎儿血能有高的氧饱和度 在2 3 BPG存在下 复习思考题 1 血液是体内含水最多的组织 2 测定血液尿素氮或肌酐能反应肾脏的排泄情况 3 正常人血浆G A比值 1 5 2 5 1 4 正常人血液pH 7 4 0 5 5 有无纤维蛋白