第17章肝脏生化

肝的生物化学,Biochemistry in Liver,第 十 七 章,生物化学与分子生物学教研室 危敏 副教授,教学大纲要求,【掌握】1肝脏在全身物质代谢中的主要作用；2生物转化的概念，生物转化反应的主要类型及酶系，影响生物转化作用的因素；3胆汁酸的种类；4胆汁酸的肠肝循环及生理意义；5游离胆红素和结合胆红素的性质6胆红素的肠肝循环。7血清胆红素与黄疸的关系【熟悉】胆红素的来源、生成、在血中的运输和排泄。【了解】胆汁的主要成分。,肝是人体最大的实质性器官；肝也是体内最大的腺体；肝具有复杂多样的生物化学功能。,概 述,肝的组织结构和化学组成特点,肝具有肝动脉和门静脉双重血液供应; 肝存在肝静脉和胆道系统双重输出通道; 肝具有丰富的肝血窦; 肝细胞含有丰富的细胞器如内质网、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体等和丰富的酶体系，有些甚至是肝所独有的。,肝复杂多样的生物化学功能,肝系多种物质代谢之中枢生物转化作用分泌作用（分泌胆汁酸等）排泄作用（排泄胆红素等）,肝在物质代谢中的作用,Function of Liver in Material Metabolism,第 一 节,一、维持血糖水平相对稳定,糖异生 肝糖原的合成与分解 糖酵解途径 糖的有氧氧化 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,二、肝在脂类代谢中占据中心地位,作用：,在脂类的消化、吸收、合成、分解与运输均具有重要作用。,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),回顾：肝内进行的脂类代谢途径主要有哪些？,消化吸收,分泌胆汁，其中胆汁酸为脂类消化吸收所必需,肝内脂酸的代谢,肝一方面调节脂酸氧化与酯化的关系，另一方面调节乙酰CoA进入三羧酸循环氧化分解与合成酮体的关系。,内质网中的酯化作用线粒体内的氧化作用,肝在脂类代谢各过程中的作用,饱食后合成甘油三酯、 胆固醇 、磷脂，并以VLDL形式分泌入血，供其他组织器官摄取与利用；合成酮体的唯一器官：“肝内生酮肝外用”；肝是合成胆固醇最主要器官，合成量占全身总合成量的3/4以上。,合 成,脂 肪 肝,正常肝内脂肪占肝重3-4，如果脂肪含量超过肝重的5即为脂肪肝，严重者脂肪量可达40-50.,当肝内脂肪的分解与合成失去平衡，或输出发生障碍时，脂肪（主要是甘油三酯和脂肪酸）就会在肝实质细胞内过量积聚。,脂肪酸的氧化分解；肝是降解LDL 的主要器官；肝合成胆汁酸是肝降解胆固醇的最重要途径；肝是体内胆固醇的重要排泄器官。,分 解,运 输,合成与分泌 VLDL; HDL; apo C; LCAT；apo C是毛细血管内皮细胞脂蛋白脂肪酶的激活剂；肝合成与分泌LCAT将血浆胆固醇酯化。,三、肝的蛋白质合成及分解代谢,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） 甲胎蛋白（-fetoprotein)（肝癌诊断）,血浆蛋白质：,氨基酸的脱氨基、脱羧基、脱硫、转甲基等（支链氨基酸除外）。解氨毒：清除血氨及胺类，合成尿素。假神经递质（false neurotransmitter)：肠道分解芳香族氨基酸产生的芳香族胺在严重肝病时得不到清除，在大脑中可取代正常的神经递质，引起神经活动的紊乱。,氨基酸代谢：,肝性脑病,肝性脑病（HE）又称肝性昏迷，是严重肝病引起的、以代谢紊乱为基础的中枢神经系统功能失调的综合病征，其主要临床表现是意识障碍、行为失常和昏迷。有急性与慢性脑病之分。 病因：主要是来自肠道的许多毒性代谢产物，未被肝脏解毒和清除，经侧枝进入体循环，透过血脑屏障而至脑部，引起大脑功能紊乱。 由于氨中毒是肝性脑病的主要原因，因此减少氨的吸收和加强氨的排出是药物治疗的主要手段。,丙氨酸转氨酶,丙氨酸转氨酶又称谷丙转氨酶，简称GPT、ALT。丙氨酸转氨酶存在于肝脏、心脏和骨骼肌中，主要存在于肝细胞浆内，其细胞内浓度高于血清中1000-3000倍。肝细胞或某些组织损伤或坏死，都会使血液中的丙氨酸转氨酶升高。1%的肝细胞损伤可以使血液中的丙氨酸转氨酶浓度升高一倍。因此，丙氨酸转氨酶是反映肝细胞受损程度最灵敏的指标，在肝功能检查中最为常用。,四、肝参与多种维生素和辅酶的代谢,脂溶性维生素的吸收维生素的储存是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,五、肝参与多种激素的灭活,激素在发挥其调节作用后，主要在肝中转化，降解或失去活性。严重肝病时，激素灭活功能降低，体内雌激素、醛固酮水平升高：蜘蛛痣、肝掌,激素的灭活 (inactivation):,第 二 节,肝的生物转化作用,Biotransformation Function of Liver,一、生物转化是机体重要的保护机制,生物转化 机体对内、外源性的非营养物质进行代谢转变，使其水溶性提高，极性增强，易于通过胆汁或尿液排出体外的过程称为生物转化(biotransformation)。,生物转化的对象,肝是机体内生物转化的主要器官。 对体内的非营养物质进行转化，使其灭活(inactivation) 或 解毒 (detoxication)； 可使这些物质的溶解度增加，易于排出体外。,肝的生物转化作用解毒作用,生物转化的意义,二、生物转化反应的主要类型,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其分子中非极性基团转变为极性基团，亲水性增加可顺利排出体外。有些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。,生物转化反应的特点,转化反应的连续性: 一种物质在体内的转化往往同时或先后发生多种反应，产生多种产物。反应类型的多样性: 同一种或同一类物质在体内也可进行多种不同反应。解毒与致毒的双重性: 一种物质经过一定的转化后，其毒性可能减弱（解毒）, 也可能增强（致毒）。,（一）氧化反应最多见的生物转化反应,存在部位：微粒体内 (滑面内质网)混和功能氧化酶，催化脂溶性物质从分子氧中接受一个氧原子，生成羟基化合物或环氧化合物。,1. 微粒体氧化酶系（加单氧酶系）是氧化异源物最重要的酶系：,RH+O2+NADPH+H+ ROH+NADP+H2O,催化的基本反应,产 物：羟化物或环氧化物,苯胺,对氨基苯酚,举 例：,加单氧酶系的羟化作用不仅增加药物或毒物的水溶性，有利于排泄，而且还参与体内许多重要物质的羟化过程。,维生素D3羟化成为具有生物学活性的维生素1, 25,(OH)2D3胆汁酸和类固醇激素合成过程中的羟化作用 黄曲霉素B1经加单氧酶作用生成致癌物质,意 义,黄曲霉素B1经加单氧酶作用生成的黄曲霉素2, 3环氧化物可与DNA分子中的鸟嘌呤结合，引起DNA突变，成为原发性肝癌发生的重要危险因素。,多环芳烃的生物转化过程,2. 线粒体单胺氧化酶系,催化胺类氧化脱氨基生成相应的醛,单胺氧化酶( monoamine oxidase, MAO),RCH2NH2+O2+H2O2,RCHO+NH3+H2O,RCHO,+,NAD+,+,H2O,RCOOH,NADH,+,+,H+,反 应：,3. 醇脱氢酶及醛脱氢酶系,存在部位：胞液中,催化的反应,醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase, ADH)催化醇类氧化成醛醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase, ALDH)催化醛类生成酸,乙醇持续摄入或慢性乙醇中毒,MEOS是乙醇-P450加单氧酶，产物是乙醛，仅在血中乙醇浓度很高时才被诱导而起作用。增加对氧和NADPH的消耗，造成肝内能量的耗竭，损害肝细胞,微粒体乙醇氧化系统（microsomal ethanol oxidizing system, MEOS),ADH与MEOS之间的比较,硝基还原酶类 (nitroreductase) 偶氮还原酶类 (azoreductase) 还原产物：相应胺类,（二）还原反应,（三）水解反应,酯酶、酰胺酶和糖苷酶是生物转化的主要水解酶乙酰水杨酸的生物转化过程：,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：葡萄糖醛酸、硫酸、谷胱甘肽、甘氨酸、乙酰基、甲基等物质或基团,（四）结合反应是生物转化的第二相反应,1. 葡萄糖醛酸结合反应：最多见,葡萄糖醛酸基的直接供体,尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDPGA),举 例：,苯酚,+ UDP,苯葡糖醛酸苷,催化酶：葡萄糖醛酸基转移酶（UGT),雌酮,2. 硫酸结合反应,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 ),+PAP,雌酮硫酸酯,3. 酰基化反应,4. 谷胱甘肽结合反应,异烟肼 乙酰辅酶A 乙酰异烟肼 辅酶A,环氧萘 谷胱甘肽 S-二氢萘醇谷胱甘肽,乙酰基转移酶,谷胱甘肽S-转移酶,6. 甲基化反应,5. 甘氨酸结合反应:酰基转移酶,尼克酰胺 N-甲基尼克酰胺,甲基的供体：S - 腺苷甲硫氨酸(SAM),1. 年龄、性别、营养、疾病及遗传等因素对生物转化产生明显影响2.许多异源物可诱导生物转化的酶类,三、影响生物转化作用的因素,意义：临床指导用药,第 三 节,胆汁与胆汁酸的代谢,Metabolism of Bile and Bile Acids,(肝胆汁),(胆囊胆汁),一、胆汁,胆汁酸盐(含量最高)胆固醇胆色素多种酶类等(脂肪酶、磷脂酶、淀粉酶及磷酸酶）,胆汁的主要有机成分：,游离胆汁酸 (free bile acid),结合胆汁酸 (conjugated bile acid),二、胆汁酸的分类,按结构分类,胆汁酸(bile acids)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)。,游离胆汁酸,例：胆酸,例：鹅脱氧胆酸,结合胆汁酸,CONHCH2CH2SO3H,例：牛磺胆酸,例：甘氨胆酸,CONHCH2COOH,按来源分类,初级胆汁酸 (primary bile acid) 肝细胞以胆固醇为原料合成。 包括胆酸、鹅脱氧胆酸及相应结合型胆汁酸。,次级胆汁酸 (secondary bile acid) 由初级胆汁酸在肠管中受细菌作用生成的脱氧 胆酸及石胆酸及其在肝中生成的结合产物。,胆酸,初级胆汁酸,脱氧胆酸,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,7-羟基脱氧,三、胆汁酸的生理功能,胆汁酸的立体构型亲水与疏水两个侧面，赋予胆汁酸很强的界面活性，成为较强的乳化剂。,（一）促进脂类的消化与吸收,疏水侧,亲水侧,甘氨胆酸的立体构型,人体内约99%的胆固醇随胆汁经肠道排出体外，其中以胆汁酸形式，以直接形式排出体外。胆汁中的胆汁酸盐与卵磷脂协同作用，使胆固醇分散形成可溶性微团，使之不易结晶沉淀而随胆汁排泄。胆固醇是否从胆汁中沉淀析出主要取决于胆汁中胆汁酸盐和卵磷脂与胆固醇之间的合适比例（正常比值 101）。,（二）维持胆汁中胆固醇的溶解状态以抑制胆固醇析出,（二）胆汁酸的代谢,1. 初级胆汁酸的生成部位：肝细胞的胞液和微粒体中原料：胆固醇,胆固醇转化成胆汁酸是其在体内代谢的主要去路限速酶：胆固醇7-羟化酶,胆固醇(27C),7-羟化胆固醇,初级胆汁酸 (24C),结合型初级胆汁酸,过 程,包括胆固醇核的羟化、侧链缩短和加辅酶A等多步反应,胆固醇7-羟化酶是胆汁酸合成的限速酶，HMG-CoA还原酶是胆固醇合成的关键酶，两者均系诱导酶，同时受胆汁酸和胆固醇的调节。 肝细胞通过这两个酶的协同作用维持肝细胞内胆固醇的水平。,胆汁酸代谢的调节,2. 次级胆汁酸的生成与肠肝循环,部位：回肠和结肠上段 过程：,初级胆汁酸,次级胆汁酸,胆汁酸肠肝循环enterohepatic circulation,胆汁酸随胆汁排入肠腔后，约95%胆汁酸可经门静脉重吸收入肝，在肝内转变为结合胆汁酸,并与肝新合成的胆汁酸一道再次排入肠道，此循环过程称胆汁酸的肠肝循环 (enterohepatic circulation of bile acid) 。,胆固醇,结合胆汁酸（合成0.40.6g/d代谢池35g/d）,胆汁酸肠肝循环过程,将有限的胆汁酸反复利用以弥补肝合成胆汁酸能力的不足和满足人体对胆汁酸的生理需要。,胆汁酸肠肝循环的生理意义,机体内胆汁酸储备的总量称为胆汁酸库(bile acid pool)。,第 四 节,胆色素的代谢与黄疸,Metabolism of Bile Pigment and Jaundice,胆色素是体内铁卟啉化合物的主要分解代谢产物，包括胆红素 (bilirubin)、胆绿素 (biliverdin)、胆素原(bilinogen)和胆素(bilin)等。,胆色素 (bile pigment),胆红素(bilirubin)来源 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、胆红素是铁卟啉类化合物的降解产物,生成过程,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,胆红素的生成过程,胆红素空间结构示意图,血红素加氧酶的生理作用,诱导酶，许多刺激均可诱导其生物合成。催化体内生成内源性CO的主要反应。CO作为细胞间和细胞内信号分子，具有调节血管舒缩的作用和神经递质作用。胆红素是强有力的抗氧化剂，可有效地清除体内的氧自由基（胆绿素还原酶循环）,二、胆红素的转运,意义：增加胆红素在血浆中的溶解度，限制胆红素自由通过细胞膜对组织产生毒性作用。,竞争结合剂：如磺胺药，镇痛药、抗炎药、利尿剂等,运输形式：胆红素清蛋白复合体,过多的游离胆红素则可与脑部基底核的脂类结合，干扰脑的正常功能，称为胆红素脑病(bilirubin encephalopathy)或核黄疸(kernicterus)。,二、胆红素的转运,三、胆红素在肝中的转变,（一）游离胆红素可渗透肝细胞膜而被摄取,胆红素可以自由双向通透肝血窦肝细胞膜表面进入肝细胞；胆红素在胞浆与配体蛋白(蛋白或蛋白)结合，胆红素-Y蛋白或胆红素-Z蛋白形式将胆红素携带至肝细胞滑面内质网。,（二）胆红素在内质网结合葡糖醛酸生成水溶性结合胆红素,部位：滑面内网质反应：结合反应(主要结合物为UDP葡糖醛酸, UDPGA) 催化酶：葡糖醛酸基转移酶产物：主要为双葡糖醛酸胆红素，另有少量单葡萄糖醛酸胆红素、硫酸胆红素，统称为结合胆红素。意义：胆红素与葡糖醛酸的结合是肝对有毒性胆红素一种根本性的生物转化解毒方式。,胆红素+ UDP -葡糖醛酸,UDP-葡糖醛酸基转移酶,胆红素葡糖醛酸一酯+UDP,胆红素葡糖醛酸一酯+ UDP -葡糖醛酸,UDP-葡糖醛酸基转移酶,胆红素葡糖醛酸二酯+UDP,葡糖醛酸胆红素的生成,二葡糖醛酸胆红素的结构,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,排 泄,结合胆红素从肝细胞毛细胆管排泄入胆汁中，再随胆汁排入肠道。,主动转运过程，肝内胆红素代谢的限速步骤。,（三）肝细胞向胆小管分泌结合胆红素,（四）胆红素在肠道中的变化和胆色素的肠肝循环,结合胆红素,胆素原,肠 菌,葡糖醛酸基,胆素,游离胆红素,胆素原与胆素的生成反应,胆素原的肠肝循环,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(bilinogen enterohepatic cir