生物化学与分子生物学教研室

1、肝的生物化学Biochemistry in Liver 常冰梅生物化学与分子生物学教研室 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。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。独特的组织结构和化学组成特点赋予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）第一节 肝的生物转化作用Biotransformation Func

2、tion of Liver一、生物转化的概念及意义（一）生物转化的概念机体对内、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)。非营养物质: 既不作为构建组织细胞的成分，又不作为能源物质。内源性：如激素、神经递质、胺类等外源性：如食品添加剂、药物、毒物等非营养物质生物转化的对象肝是生物转化的主要器官；肾、肺、胃肠道和皮肤也有一定生物转化功能 。生物转化的主要场所（二）生物转化的意义生物转化可对体内的大部分非营养物质进行代谢转化，使其生物学活性降低或丧失(灭活)，或使有毒物质的毒性减低或消除(解毒)。通

3、过生物转化作用可增加这些非营养物质的水溶性和极性，从而易于从胆汁或尿液中排出。 肝的生物转化作用解毒作用（detoxification）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，使其某些基团转化或分解，理化性质改变，即可顺利排出体外。有些物质即使经过第一相反应后，极性改变不大，必须与某些极性更强的物质结合, 即第二相反应，才能最终排出。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

4、一定的转化后，其毒性可能减弱（解毒）, 也可能增强（致毒）。（一）氧化反应加单氧酶系是一个复合物，至少包括两种组分：一种是细胞色素P450 (血红素蛋白)；另一种是NADPH-细胞色素P450还原酶(以FAD为辅基的黄酶)。该酶催化氧分子中的一个氧原子加到许多脂溶性底物中形成羟化物或环氧化物，另一个氧原子则被NADPH还原成水。故该酶又称羟化酶或混合功能氧化酶(mixed function oxidase, MFO)。.加单氧酶系是氧化异源物最重要的酶RH + O2 + NADPH + H+ROH + NADP+ + H2O加单氧酶 产物：羟化物或环氧化物 举例： 苯胺对氨基苯酚意义：加单氧酶

5、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 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.单胺氧化酶类氧化脂肪族和芳香族胺类 RCH2NH2+O2+H2O2RCHO+NH3+H2O单胺氧化酶( monoamine oxidase, MAO)存在于线粒体内。催化的反应：催化胺类物质氧化脱氨基生

6、成相应的醛类。.醇脱氢酶与醛脱氢酶将乙醇最终氧化成乙酸存在部位：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 肝微粒体乙醇氧化系统（microsomal ethanol oxidizing system, MEOS）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。乙醇诱导MEOS不但不能使乙醇氧化产生ATP，还可增加对氧和NADPH的消耗，而且还可催化脂质过氧化产生羟乙基自由基，后者可进一步促进脂质过氧化，引发肝损伤。 A

7、DH与MEOS之间的比较ADHMEOS肝细胞内定位胞液微粒体底物与辅酶乙醇、NAD+乙醇、NADPH、O2对乙醇的 Km值2mmol/L8.6mmol/L乙醇的诱导作用无有与乙醇氧化相关的能量变化 氧化磷酸化释能耗能硝基化合物多见于食品防腐剂、工业试剂等。偶氮化合物常见于食品色素、化妆品、纺织与印刷工业等。有些可能是前致癌物。这些化合物分别在微粒体硝基还原酶(nitroreductase)和偶氮还原酶(azoreductase)的催化下，从NADH或NADPH接受氢，还原生成相应的胺类。（二）还原反应肝细胞的胞液与内质网中含有多种水解酶类，主要有酯酶(esterases)、酰胺酶(amidas

8、e)和糖苷酶(glucosidase)，分别水解酯键、酰胺键和糖苷键类化合物，以减低或消除其生物活性。这些水解产物通常还需进一步反应，以利排出体外。 （三）水解反应乙酰水杨酸的生物转化过程：凡含有羟基、羧基或氨基的药物、毒物或激素等均可发生结合反应。 葡糖醛酸、硫酸、乙酰基、谷胱甘肽、甲基、甘氨酸等物质或基团。 （四）结合反应结合对象：结合物：1.葡糖醛酸结合是最重要、最普遍的结合反应葡糖醛酸基的直接供体2NAD+2NADH+ 2H+UDPG脱氢酶尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDPGA)催化酶:葡糖醛酸基转移酶(UDP-glucuronyl transferase, UGT)2.硫酸结合也是常见的结合

9、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：雌酮PAPS+PAP雌酮硫酸酯主要转化对象：芳香胺类3.乙酰基化是某些含胺非营养物质的重要转化方式催化酶：乙酰基转移酶(acetyltransferase)4.谷胱甘肽结合是细胞应对亲电子性异源物的重要防御反应结合对象：卤代、环氧化物催化酶：谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferase, GST).甲基化是代谢内源化合物的重要反应甲基供体：S-腺苷甲硫氨酸(SAM)结合对象：含羧基化合物6.甘氨酸主要参与含羧基异源物的结合转化三、生物转化作用受许

10、多因素的调节和影响年龄对生物转化作用的影响很明显;某些生物转化反应有明显的性别差异;营养状况对生物转化作用亦产生影响;疾病尤其严重肝病也可明显影响生物转化作用; 遗传因素亦可显著影响生物转化酶的活性。 （一）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（二）许多异源物可诱导生物转化的酶类许多异源物可以诱导合成一些生物转化酶类，在加速其自身代谢转化的同时，亦可影响对其他异源物的生物转化。由于多种物质在体内转化常由同一酶系的催化，因此同时服用多种药物时可出现药物之间对同一转化酶系的竞争性抑制作用，使多种药物的生物转化作用相互抑制，可导致某些药物药理作用强度的改变。 此外，食物中亦常含有

11、诱导或抑制生物转化酶的非营养物质。第二节 胆汁与胆汁酸的代谢Metabolism of Bile and Bile Acids胆道系统肝胆汁胆囊胆汁(肝细胞分泌)(肝胆汁经胆囊浓缩)一、胆汁胆汁酸盐(含量最高)胆固醇胆色素多种酶类等胆汁的主要有机成分：两种胆汁的百分组成和部分性质肝胆汁胆囊胆汁比重 1.0091.013 1.0261.032 pH 7.18.5 5.57.7 水 9697 8086 固体成分 34 1420无机盐 0.20.9 0.51.1 粘蛋白 0.10.9 14 粘蛋白 0.52 1.510胆色素 0.050.17 0.21.5 总脂类 0.10.5 1.84.7胆固醇

12、0.050.17 0.20.9 磷脂 0.050.08 0.20.5 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)。二、胆汁酸分类游离胆汁酸(free bile acid)结合胆汁酸(conjugated bile acid)胆汁酸按结构分：游离胆汁酸例：胆酸COOH例：鹅脱氧胆酸结合胆汁酸CONHCH2CH2SO3H例：牛磺胆酸例：甘氨胆酸CONHCH2COOH初级胆汁酸(primary bile acid)次级胆汁酸(secondary bile acid)初级胆汁酸：在肝细胞以胆固醇为原料直接合成的

13、胆汁酸，包括胆酸、鹅脱氧胆酸及其与甘氨酸或牛磺酸的结合产物。次级胆汁酸：在肠道受细菌作用，第7位羟基脱氧生成的胆汁酸称为次级胆汁酸，主要包括脱氧胆酸和石胆酸及其在肝中分别与甘氨酸或牛磺酸的结合产物。胆汁酸按来源分：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

14、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四、胆汁酸的代谢及胆汁酸的肠肝循环胆固醇转化成胆汁酸是其在体内代谢的主要去路。部位：肝细胞的胞液和微粒体中原料：胆固醇胆汁酸的合成反应：包括胆固醇核的羟化、侧链缩短和加辅酶A等多步反应限速酶：胆固醇7-羟化酶（一）初级胆汁酸生成胆固醇(27C)7-羟化胆固醇初级胆汁酸(24C)结合型初级胆汁酸7-羟化酶 过程：复杂胆固醇7-羟化酶是胆汁酸合成的限速酶，而HMG-CoA还原酶是胆固醇合成的关键酶，两者均系诱导酶，

15、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（二） 次级胆汁酸生成部位：小肠下段和大肠过程：初级胆汁酸次级胆汁酸肠菌水解、脱羟（三）胆汁酸的肠肝循环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) 。胆汁酸肠肝循环的概念:胆汁酸的肠肝循环过程在于可使有限的胆汁酸库(bile acid pool)存(约35克)循环利用，以满足机体对胆汁酸的生理需求。胆汁酸肠肝

16、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)。 第三节胆色素的代谢与黄疸Metabolism of Bile Pigment and Jaundice胆色素(bile pigment)是体内铁卟啉类化合物的主要分解代谢产物，包括胆绿素(biliverdin)、胆红素(bilirubin)、胆素原(bilinogen) 和胆素(bilin)等。胆红素处于胆色素代谢的中心，是人体胆汁中的主要色素。胆红素空间结构示意图胆红素的特有结构赋予其亲脂疏水的性质, 易自由透过细胞膜进入血液。体内的铁卟啉化合物包括血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素、过氧化氢酶及过氧化物酶。正常人

17、每天可生成250350mg胆红素，其中约80%以上来自衰老红细胞破坏所释放的血红蛋白的分解。一、胆红素的生成（一）胆红素主要源于衰老红细胞的破坏（二）血红素加氧酶和胆绿素还原酶催化胆红素的生成 肝、脾、骨髓等单核吞噬细胞微粒体与胞液中。过程：血红蛋白血红素珠蛋白氨基酸胆红素部位：胆红素的生成过程:血红素加氧酶(HO)有3种同工酶：HO-1、HO-2和HO-3。HO-1是迄今所知的诱导物最多的诱导酶 ，受血红素和氧化应激等许多因素的诱导合成；HO-1诱导因素的多样性是细胞重要的保护机制。胆红素的这种抗氧化作用通过胆绿素还原酶循环(biliverdin reductase cycle)实现：胆红素

18、氧化成胆绿素，后者再在分布广、活性强的胆绿素还原酶催化下，利用NADH或NADPH再还原成胆红素。胆绿素还原酶循环可使胆红素的作用增大10000倍。 胆红素是人体内强有力的内源性抗氧化剂，是血清中抗氧化活性的主要成分。二、血液中的胆红素运输一方面增加了胆红素的水溶性，提高了血浆对胆红素的运输能力；另一方面限制了它自由通透各种细胞膜，避免了它对组织细胞造成的毒性，起到暂时性的解毒作用。运输形式：胆红素-清蛋白复合体意义:竞争结合剂：如磺胺药、水杨酸、胆汁酸等。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(

19、kernicterus)。 四、胆红素在肝细胞中转变（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。胆红素葡糖醛酸一酯 + UDP

20、-葡糖醛酸UDP-葡糖醛酸基转移酶胆红素葡糖醛酸二酯 + UDP 胆红素 + UDP -葡糖醛酸胆红素葡糖醛酸一酯 + UDPUDP-葡糖醛酸基转移酶葡糖醛酸胆红素的生成:胆红素葡糖醛酸二酯的结构:两种胆红素理化性质的比较理化性质未结合胆红素结合胆红素同义名称间接胆红素、游离胆红素直接胆红素、肝胆红素与葡糖醛酸结合未结合结合水溶性小脂溶性大透过细胞膜的能力及毒性大小能否透过肾小球随尿排出不能能与重氮试剂反应间接阳性直接阳性结合胆红素从肝细胞分泌至胆小管，再随胆汁排入肠道，是肝脏代谢胆红素的限速步骤。肝细胞向胆小管分泌结合胆红素是一个逆浓度梯度的主动转运过程。多耐药相关蛋白2(MRP2)是肝细胞

21、向胆小管分泌结合胆红素的转运蛋白; 胆红素排泄一旦发生障碍，结合胆红素就可返流入血。 （三）肝细胞向胆小管分泌结合胆红素四、胆红素在肠道内转变（一）胆素原是肠菌作用的产物经肝细胞转化生成的葡糖醛酸胆红素随胆汁进入肠道，在回肠下段和结肠的肠菌作用下，脱去葡糖醛酸基，并被还原生成d-尿胆素原(d-urobilinogen)和中胆素原(mesobilirubinogen，i-urobilinogen)。后者又可进一步还原生成粪胆素原(stercobilinogen，l-urobilinogen)，这些物质统称为胆素原。大部分胆素原随粪便排出体外，在肠道下段，这些无色的胆素原接触空气后分别被氧化为相应

22、的d-尿胆素 (d-urobilin)、i-尿胆素(i-urobilin)和粪胆素(stercobilin，l-urobilin)，三者合称胆素。结合胆红素胆素原肠 菌葡糖醛酸还原胆素氧化 胆素原生成过程：游离胆红素胆素原与胆素的生成反应（二）少量胆素原可被肠粘膜重吸收，进入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 circulation)。胆素原的肠肝循环的概念：胆素原肠肝循环的过程五、高胆红素血症及黄疸正常血清胆红素浓度：3.417.1mol/L（0.21mg/dl)。 4/5为游离胆红素，其余为结合胆红素。高胆红素血症（hyperbilirubinemia)：体内胆红素生成过多，或肝细胞对胆红素的摄取、转化及排泄能力下降等因素引起血浆胆红素含量的增多。（一）正常人胆红素的生成与排泄维持动态平衡（二）黄疸依据病因有溶血性、肝细胞性和阻塞性之分 体内胆红素生成过多，或肝细胞对胆红素的摄取、转化及排泄能力下降等因素均可引起血浆胆红素含量增多，称为高胆红素血症(hyperbilirubinemia)。胆红素为橙黄色物质，过量的胆红素可扩散进入组织造成组织黄染，这一体征称为黄疸(jaundice)。当血浆胆红素浓度超过34.2mol/L(2mg/dl)时，