胆红素代谢

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net ·基础医学与临床· 胆红素代谢 姚光弼 作者单位 :200040 　上海市静安区中心医院 　　黄疸是肝脏病常见的症状 ,是胆红素代谢紊乱的临床 现 ,了解正常胆红素代谢 ,是揭示黄疸发生机制的关键。 一、胆红素的形成 (一) 胆红素的来源 　胆红素是一种四吡咯色素 ,是血红 素的最终分解产物 ,成人平均每日产生 250～350 mg。凡含有 血红素的血色蛋白 ,如 :血红蛋白、细胞色素和肌红蛋白中的血 红素均为胆红素的来源。应用15 N 或14 C 标记的甘氨酸和14 C 标记的δ氨基乙酰丙酸追踪胆红素的来源 ,发现在静脉注射示 踪物质后 12～24h 和 3～5d ,分别出现两个幅度较小的高峰 ,以 后在 110d(90～150d) 出现晚期主峰。主峰是胆红素的主要来 源 ,为衰老的红细胞 ,在脾、肝和骨髓内由血红蛋白降解而成 , 占胆红素总量的 70 %～80 %。早期出现的两个峰 ,分别代表肝 内含血红素的血色蛋白分解产物及未成熟或新生的红细胞内 在骨髓和脾脏内分解产生的胆红素 (所谓旁路性胆红素) ,两者 分别占胆红素总量的 10 %～15 %和 10 %。人体各组织均含有 血色蛋白 ,但其含量低 ,周转慢 (如肌红蛋白) ,所占分额甚少。 而肝内含血红素的血色蛋白如 :微粒体的细胞色素 P450 ,过氧 化氢酶 ,色氨酸吡咯酶 ,线粒体的细胞色素 b 和 P450 等 ,不仅 含量高 ,而且周转快 ,因而导致早期出现高峰。此外 ,血浆内少 量游离的血红素也经肝和脾清除形成胆红素。在一些病理状 态 ,如血管内溶血、皮下血肿和骨髓的无效造血 ,均可使胆红素 产生增加。 (二)胆红素的生成 　红细胞被单核2巨噬细胞 (网状内皮 细胞)吞食后数分钟内即被溶解。血红蛋白的珠蛋白分子释放 进入蛋白代谢池 ,血红素在微粒体血红素氧合酶、还原型辅酶 Ⅱ(NADPH) 、细胞色素 C 还原酶及 NADPH 的作用下 ,将吡咯 环的甲烯桥打开 ,形成线状的四吡咯化合物 ———胆绿素 ,再由 胆绿素还原酶作用形成胆红素。铁元素分子则被再利用 (见图 1) 。催化胆红素形成的以上 3 种酶可能以三元复合体的形式 存在于胞质液2内质网的界面 ,从而使胆红素能在内质网膜进 行葡萄糖醛酸的酯化 ,整个过程在 1～2min 内就可完成。 　　(三) 血红素的化学结构及生理意义 　胆红素从初卟啉 Ⅸα 转化而来 ,因而称为胆红素 Ⅸα,系直线排列的四吡咯化合物。 但它不是平面的二维结构 ,而是呈内旋的脊瓦状立体构型 ,2 个 吡咯与另 2 个吡咯平面以 98～100°相交。内侧的丙基分别与 对侧的吡咯和内酰胺以氢键连接 (见图 2) 。为了保持氢键结构 的完整性 ,在吡咯环第 5 位与第 15 位间桥接 ,这是胆红素顺式 或 Z型的构型。由于所有的亲水性羧基 ,4 个 NH 基和 2 个内 酰胺氧基参与氢键形成 ,所以 Z型胆红素 Ⅸα为疏水性 ,不溶于 水。与偶氮试剂反应缓慢。加入甲醇、乙醇、6mol 尿素或二甲 氧砜使氢键断开 ,可加速与偶氮试剂的反应。此为 Van den Bergh 反应的化学基础。肝内胆红素的丙基与葡萄糖醛酸酯 化 ,打开氢键 ,便成水溶性 ,易于从胆汁排出。 图 1 　胆红素的形成 图 2 　胆红素的 X线衍射结构 　　光照的影响 :胆红素经 400～500nm 波长的蓝光 (绿光) 照 射后 ,内侧氢键断开 ,其 1 个或 2 个吡咯环旋转 180°,形成 3 种 E构型的异构体 (4Z15E ,4E15Z 和 4E15E) ,具有水溶性 ,不需 结合即可从胆汁排泻。另外 ,光照射还逐渐形成不可逆的环形 ·44· Chinese Hepatology ,Mar 2004 ,Vol 9 ,No. 1 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 化合物 (环胆红素) ,其产生过程虽较缓慢 ,但清除很快 , T1/ 2为 2 h ,是新生儿黄疸病人光疗后 ,在十二指肠和尿中排出的主要 胆色素。此外 ,经光照后 ,胆红素还可形成几种水溶性的无色 产物 ,产生慢 ,量小。 　　二、胆红素在血浆内的运载 游离胆红素 (非结合胆红素)不溶于水 ,通过与血浆白蛋白 结合 ,运载至肝脏。白蛋白与胆红素结合不仅作为运输载体 , 还可阻止胆红素透过细胞膜 ,保护免受胆红素的细胞毒作用。 胆红素与白蛋白结合牢固 ,不会排泄至尿中。两者的结合按 1∶1分子结合。正常血浆白蛋白分子浓度平均为 600μmol/ L (500 ～ 700μmol/ L ) , 远超过正常胆红素分子浓度 ( 3 ～ 17μmol/ L) 。当血清胆红素浓度超过白蛋白浓度时 ,两者结合 不牢固。只要血浆 p H 少许变动或白蛋白浓度降低 ,胆红素就 被置换而释出 ,即使量很小 ,也可通过血脑屏障和肝窦的肝细 胞膜等 ,对组织造成损伤。这在新生儿黄疸中很重要。一些阴 离子物质 ,如磺胺药、非甾类抗炎药、胆道造影响剂和游离脂肪 酸等 ,与白蛋白竞争结合胆红素 ,使胆红素与白蛋白分开而游 离出来 ,透过血脑屏障和脑细胞膜 ,进入脑组织 ,导致脑损害 , 如核黄疸。正常健康成人血浆内可测到低浓度的结合胆红素 ( < 1. 71mmol/ L) ,为从肝细胞外流入循环的微量胆红素葡萄 糖醛酸酯。这种结合胆红素在血浆内也可与白蛋白结合 ,但亲 和力低于非结合胆红素。在有明显胆汁瘀积的病理状态时 ,结 合胆红素仍可与血浆蛋白结合 ,未结合部分很少。由于其水溶 性高 ,可从肾小球滤过 ,进入尿液。在胎儿和新生儿期 ,血浆甲 胎蛋白也参与胆红素的运载。 三、胆红素在肝内的代谢过程 胆红素在肝内的代谢过程包括肝细胞对血液内胆红素的 摄取 ,结合胆红素的形成和结合胆红素从肝细胞排泄入胆道 3 个互相衔接的过程 ,其中任何一个过程发生障碍都可使胆红素 积聚于血液内而出现黄疸 (见图 3) 。 　　(一) 肝细胞对胆红素的摄取 　与白蛋白结合的胆红素 , 穿越肝窦内皮细胞的窗孔和内皮细胞之间的空隙 ,直接与肝细 胞表面接触。肝细胞膜为类脂膜 ,非结合胆红素理应可以透 过 ,但由于它与白蛋白结合较牢 ,而胆红素进入肝细胞速度又 很迅速 ,因而设想肝细胞膜有特殊的转运机制将胆红素摄入肝 细胞内。有证据表明 ,肝细胞膜有一种阴离子转运体作为载 体 ,可能为有机阴离子转运体 (OA TP) 。另一方面 ,胆红素与肝 细胞膜的磷脂层接触后 ,通过一种翻转机制 ,将胆红素从白蛋 白结合中释出 ,快速进入细胞内 ,然后与细胞质内的 Y和 Z 载 体蛋白 ( Y和 Z蛋白) 结合 ,将胆红素运载至滑面内质网 ,在酶 作用下 , 很快形成结合胆红素。Y 蛋白又称配体蛋白 (ligandin) ,是一种碱性蛋白 ,由 2 个多肽亚单位 Ya 和 Yc 构成 , 相对分子质量分别为 22 ×103 和 27 ×103 ,约占肝细胞中胞质 液蛋白总量的 5 % ,对胆红素的结合能力比 Z 蛋白强。它具有 谷胱甘肽巯基转移酶 ( GSTs)活力 ,对其他有机阴离子、固醇类、 磺溴酞钠和某些致癌物质也有结合力 ,其酶的活性参与谷胱甘 肽的生物转化作用。新生儿出生后 ,肝内 Y 蛋白含量低下 ,7 周后才达到成人水平。胆红素一旦与 Y蛋白结合后 ,就不能返 回越出细胞膜。Z蛋白是一种酸性蛋白 ,是一种脂肪酸结合蛋 白 ( FABP) ,它与胆红素的亲和力较弱 ,而是优先结合游离脂肪 酸 ,在胆红素摄取中的重要性次于 Y蛋白。 图 3 　肝脏对胆红素的代谢 (引自 :Sherlock S , 2001) 　　(二)结合胆红素的形成 　肝细胞将摄取的胆红素在滑面 内质网 (肝微粒体)处 ,通过一系列酶反应 ,形成结合胆红素 [胆 红素单葡萄糖醛酸酯 (BM GA) 和双葡萄糖醛酸酯 (BD GA) ] ,这 是使胆红素能够从胆汁排泄的一个必不可缺的过程。胆红素 与 Y蛋白或 Z蛋白结合的复合物运至内质网 ,由尿苷二磷酸葡 萄糖醛酸 (UDPGA) 提供葡萄糖醛酸 ,在微粒体的胆红素尿苷 二磷酸葡萄糖醛酸转移酶 (BU GT)作用下形成结合胆红素。胆 红素双葡萄糖醛酯结构如图 4。 图 4 　胆红素双葡萄糖醛酸酯的结构式 　　尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶 (U GT) 的多样性及基因定 位 :BU GT 是形成结合胆红素过程中必需的酶。人类 BU GT 的 相对分子质量为约 55 ×103 ,其四聚体为 209 ×103 。从胆红素 形成 BM GA 的酶是单体 (55 ×103) ,从 BM GA 形成 BD GA 的酶 是四聚体 (209 ×103) 。BU GT 是 U GT 家族酶系同工酶中的一 个成员 ,现知 U GT 至少有 13 个成员 ,其催化的酶促反应各有 专一的底物。BU GT 只催化胆红素葡萄糖醛酯的形成 ,其他的 U GT 同工酶分别催化葡萄糖醛酸与其他物质如 :药物、固醇 类、毒物、致癌物质的结合和解毒。U GT 的基因位于染色体 2q3p1 区 ,称为 U GT1A。每个 U GT 的基因组由 5 个外显子及 ·54·肝脏 2004 年 3 月第 9 卷第 1 期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 1 个启动子组成。在 5 个外显子中 ,5′端的外显子是功能独特 的 ,代表同工酶的专一性 ,其 3′端的第 2、3、4 和第 5 个外显子 是共同的。BU GT 基因称 U GT1A1 ,由 1A1 外显子和另外 4 个 共同的外显子组成 (见图 5) 。在每个 1A1 外显子 5′端上游有 1 个独特的启动子。每种 U GT 同功酶的基因有其独特的结构。 近端为 TA TA 闸的启动子与 U GT1A 基因的第 1 个外显子与 其他 4 个共同的外显子拼接而成 ,从而转录为相应不同的 mRNA和成不同的酶。5′2端的胺基端与各自专一的底物 相结合。其 3′2端共同的羧基端与相同的供体 (如葡萄糖醛酸) 结合。BU GT 外显子或启动子的突变 ,可导致不同类型的先天 性非溶血性高胆红素血症。Gilbert 病是由于启动子的突变 ,而 GT1A 基因突变则导致 Crigler2Najjar 综合征 ( Ⅰ型 , Ⅱ型) 。 图 5 　U GT1A 基因位点及外显子的拼接 　　A 为 U GT1A 基因位点 ,至少有 13 种 ,分别为 U GT1A1 ～13 ,每个基因由 1 个独特的外显子和 4 个共同的外显子组 成 ,每个基因上游有一个启动子 ;B 示 U GT1A4 基因的拼接 ; C 示 U GT1A1 基因拼接后转达录为 mRNA ,后者翻译产生酶 蛋白 BU GT 　　结合胆红素能溶于水 ,因此很容易通过胆汁从肠道排泄。 它不能透过类脂膜 ,从而不会在肠黏膜处吸收 ,而有利于从粪 便排泄。同时也不透过血2脑屏障和脑细胞膜 ,从而不会造成 脑细胞的损害。非结合胆红素和结合胆红素的比较见表 1。正 常胆汁中 70 %～80 %为 BD GA ,20 %～30 %为 BM GA ,仅少量 为葡萄糖和木糖结合物。双葡萄糖醛酸结合在胆红素的丙酸 位置上 ,成为一个弱的有机酸 ,带负电荷 ,因而溶于水。而非结 合胆红素的两个侧链丙酸未离子化 ,所以仅溶于脂溶剂中而不 溶于水 ,可透入细胞膜。在新生儿血浆内 ,如果非结合胆红素 过高 ,可进入脑组织 ,发生不可逆的胆红素脑病 (核黄疸) ,而结 合胆红素即使在血浆中浓度很高 ,也不进入脑组织。 　　(三) 细胞对胆红素的排泄 　肝细胞将结合胆红素通过毛 细胆管排入胆汁内是一种克服浓度梯度差耗能 (A TP) 的主动 分泌作用。在毛细胆管膜上的毛细胆管多种特异有机阴离子 表 1 　非结合胆红素与结合胆红素的区别 性质 非结合胆红素 结合胆红素 凡登白反应(Van den Bergh) 间接反应 直接反应 溶解性 脂溶性 水溶性 形成场所 单核2巨噬细胞系 肝脏 前身 血红蛋白 胆红素 尿内 无 有 对脑组织的毒性 有 无 转运体 (cMOA T) ,亦称多耐药相关蛋白 (MRP2) 或将胆红素和 其他有机阴离子 (胆汁酸除外)主动排出。 　　四、胆红素的肝肠循环 结合胆红素经胆道排泄至肠内 ,在小肠内基本上不能重吸 收 (新生儿例外) ,只有到达回肠末端和结肠后 ,被肠道内细菌 的β2葡萄糖醛酸苷酶解除其葡萄糖醛酸基 ,然后细菌将其还原 成两类化合物 : ①无色的尿胆原类 (urobilinogens) ,对 Ehrlich 乙 醛试剂发生红色反应 ; ②为前者的有色的氧化产物 ,统称尿胆 素类。尿胆原大部分随粪类排出 ,小部分 (10 %～20 %) 在结肠 内重被吸收经门静脉至肝脏 ,经转变后再经胆道排泄 ,此即为 胆色素的“肝2肠循环”。回吸收的尿胆原有极少部分流入体循 环血液 ,由肾脏排泄 ,每日尿内含量不超过 4mg ;粪内尿胆原含 量平均为 100～250mg。 参 考 文 献 1 　Tiribelli C , Ostrow JD. 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