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1 第 14 章 肝的生物化学 Biochemistry in Liver

2 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

3 肝的组织结构和化学组成特点 : 1 肝具有肝动脉和门静脉双重血液供应 ; 2 肝存在肝静脉和胆道系统双重输出通道 ; 3 肝具有丰富的肝血窦 ; 4 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

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5 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 )

6 第二节 肝的生物转化作用 Biotransformation Function of Liver

7 一 肝的生物转化作用 ( 一 ) 生物转化的概念在肝脏等组织中对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)

8 生物转化的对象 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 非营养物质 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

9 生物转化的主要场所 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

10 ( 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

11 二 生物转化的反应类型 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

12 生物转化反应的特点 转化反应的连续性 反应类型的多样性 解毒与致毒的双重性 肝的生物转化作用 解毒作用 (detoxification)

13 例 -1 对硫磷 ( 俗称 1605, 一种硫代有机磷农药 ) 生物转化 对氧磷 ( 水溶性增加 100 倍, 毒性加强 )

14 例 -2 黄曲霉素 B 1 生物转化 ( 活化 ) ( 解毒 ) 2,3- 环氧黄曲霉素 B 1 ( 致癌物 ) 黄曲霉素 B 1 醇 UDPGA PAPS 结合解毒产物

15 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

16 ( 一 ). 第一相反应 1. 氧化反应 : 1). 加单氧酶系 存在部位 : 微粒体内 反应通式 : RH + O 2 + NADPH + H + 加单氧酶 ROH + NADP + + H 2 O

17 产物 : 羟化物或环氧化物 举例 : NH 2 HO NH 2 苯胺 对氨基苯酚

18 加单氧酶系是一个复合物, 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 ) 该酶又称羟化酶或混合功能氧化酶 (mixed function oxidase, MFO)

19 意义 : 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 D 3 羟化成为具有生物学活性的维生素 1, 25,(OH) 2 D 3 胆汁酸和类固醇激素合成过程中的羟化作用

20 2). 单胺氧化酶类 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成相应的醛类 RCH 2 NH 2 +O 2 +H 2 O RCHO+NH 3 +H 2 O 2

21 3). 醇脱氢酶与醛脱氢酶 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

22 肝微粒体乙醇氧化系统 (microsomal ethanol oxidizing system, MEOS) MEOS 是乙醇 -P 450 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 乙醇氧化不但不产生 ATP, 还会增加对氧和 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

23 2. 还原反应 硝基还原酶和偶氮还原酶是第一相反应的主要还原酶 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 还原生成相应的胺类

24

25 3. 水解酶 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 (amidase) 和糖苷酶 (glucosidase) 减低或消除其生物活性 水解产物通常还需进一步反应, 以利排出体外

26 乙酰水杨酸的生物转化过程 :

27 ( 二 ) 第二相反应 - 结合反应 结合对象 : 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 结合物 : 葡糖醛酸 硫酸 乙酰基 谷胱甘肽 甲基 甘氨酸等物质或基团

28 1. 葡糖醛酸结合反应 葡糖醛酸基的直接供体 尿苷二磷酸葡糖醛酸 (UDPGA) 2NAD + 2NADH + 2H + UDPG 脱氢酶

29 催化酶 : 葡糖醛酸基转移酶 (UDP-glucuronyl transferase, UGT)

30 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 : O O +PAPS +PAP HO HO 3 SO 雌酮 雌酮硫酸酯

31 3. 乙酰基化是某些含胺非营养物质的重要转化方式 主要转化对象 : 芳香胺类 催化酶 : 乙酰基转移酶 (acetyltransferase)

32 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)

33 5. 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)

34 6. 甘氨酸主要参与含羧基异源物的结合 转化 结合对象 : 含羧基化合物

35 三 生物转化作用受许多因 素的调节和影响 ( 自学 ) ( 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 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

36 ( 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, 食物中亦常含有诱导或抑制生物转化酶的非营养物质

37 第三节 胆汁与胆汁酸的代谢 Metabolism of Bile and Bile Acids

38 一 胆汁 胆道系统肝胆汁胆囊胆汁 ( 肝细胞分泌 ) ( 肝胆汁经胆囊浓缩 ) 胆汁的主要有机成分 : 胆汁酸盐 ( 含量最高 ) 胆固醇胆色素多种酶类等

39 二 胆汁酸的分类 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)

40 胆汁酸按结构分 游离胆汁酸 (free bile acid) 结合胆汁酸 (conjugated bile acid)

41 游离胆汁酸 OH 12 COOH 24 HO 3 H 7 OH 例 : 胆酸 COOH 12 HO 3 7 H OH 例 : 鹅脱氧胆酸

42 结合胆汁酸 OH CONHCH 2 CH 2 SO 3 H 12 例 : 牛磺胆酸 HO 3 H 7 OH OH CONHCH 2 COOH 12 例 : 甘氨胆酸 HO 3 H 7 OH

43 胆汁酸按来源分 初级胆汁酸 (primary bile acid) 次级胆汁酸 (secondary bile acid)

44 初级胆汁酸 OH 12 COOH 胆酸 HO 3 H 7 OH OH COOH 12 次级胆汁酸 HO 3 H 7 脱氧胆酸

45 初级胆汁酸 12 COOH 鹅脱氧胆酸 HO 3 H 7 OH COOH 12 次级胆汁酸 HO 3 H 7 石胆酸

46 分类初级游离胆汁酸 : 胆酸 鹅脱氧胆酸初级结合胆汁酸 : 甘氨 ( 牛磺 ) 胆酸 ; 甘氨 ( 牛磺 ) 鹅脱氧胆酸 次级游离胆汁酸 : 脱氧胆酸 石胆酸次级结合胆汁酸 : 甘氨 ( 牛磺 ) 脱氧胆酸

47 三 胆汁酸的生理功能 ( 一 ) 促进脂类的消化与吸收 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

48 疏水侧 CH 3 CH CH OH 16 HN CO 4 5 OH HOOC CH 2 OH 亲水侧 甘氨胆酸的立体构型

49 ( 二 ) 维持胆汁中胆固醇的溶解状态以抑制胆固醇析出 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 )

50 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

51 ( 一 ) 初级胆汁酸在肝内以胆固醇为原料生成 部位 : 肝细胞的胞液和微粒体中 原料 : 胆固醇 限速酶 : 胆固醇 7α - 羟化酶

52 过程 : 胆固醇 (27C) 7α- 羟化酶 7α- 羟化胆固醇初级游离胆汁酸 甘氨酸 / 牛磺酸 初级结合胆汁酸

53 ( 二 ) 次级胆汁酸在肠道由肠菌作用生成 部位 : 小肠下段和大肠 过程 : 初级胆汁酸 肠菌 水解 脱羟 次级胆汁酸

54 ( 三 ) 胆汁酸的肠肝循环使有限的胆汁酸库存循环利用 胆汁酸肠肝循环的概念 : 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)

55 胆汁酸的肠肝循环过程

56 机体内胆汁酸储备的总量称为胆汁酸库 (bile acid pool) 胆汁酸肠肝循环的生理意义在于可使有限的胆汁酸库 (bile acid pool) 存 ( 约 3~5 克 ) 循环利用, 以满足机体对胆汁酸的生理需求

57 第四节 胆色素的代谢与黄疸 Metabolism of Bile Pigment and Jaundice

58 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

59 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 O O H N H C O H N N H O N H C H O O

60 一 胆红素主要源于血红素的降解 ( 一 ) 胆红素主要源于衰老红细胞的破坏 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 正常人每天可生成 250~350mg 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

61 ( 二 ) 胆红素的生成 部位 : 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 胆红素 氨基酸

62 胆红素的生成过程 : HOOC N N Fe 2+ N N 血红素 O HOOC NADPH+H + 2O 2 血红素加氧酶 Fe 3+ NADP + H N CO+H 2 O N H N H N O 胆绿素 P P 胆绿素还原酶 NADPH+H + NADP + O H N H N H H H N H N O 胆红素 P P

63 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

64 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 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 倍

65 二 胆红素在血液中的运输 运输形式 : 胆红素 - 清蛋白复合体 意义 : 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 竞争结合剂 : 如磺胺药 水杨酸 胆汁酸等

66 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)

67 三 胆红素在肝细胞中的代谢 ( 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 (Y 蛋白或 Z 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

68 ( 二 ) 结合胆红素的生成 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

69 葡糖醛酸胆红素的生成 : 胆红素 + UDP - 葡糖醛酸 胆红素葡糖醛酸一酯 + UDP - 葡糖醛酸 UDP- 葡糖醛酸基转移酶 UDP- 葡糖醛酸基转移酶 胆红素葡糖醛酸一酯 + UDP 胆红素葡糖醛酸二酯 + UDP

70 胆红素葡糖醛酸二酯的结构 : O H N H H N H H H N H H N O CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 HOOC H H OH O H CO O CO O O H COOH H H OH OH H H OH H HO HO H

71 两种胆红素理化性质的比较 同义名称 理化性质未结合胆红素结合胆红素 间接胆红素 游离胆红素 与葡糖醛酸结合未结合结合 水溶性 脂溶性 透过细胞膜的能力及毒性 能否透过肾小球随尿排出 小 大 大 不能 直接胆红素 肝胆红素 与重氮试剂反应间接阳性直接阳性 小 能

72 ( 三 ) 肝细胞向胆小管分泌结合胆红素 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

73 四 胆红素在肠道内的转化 ( 一 ) 胆素原的生成 胆素原生成过程 : 结合胆红素 肠菌 胆素 葡糖醛酸 氧化 游离胆红素 还原 胆素原

74 ( 二 ) 胆素原的肠肝循环 胆素原的肠肝循环的概念 : 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)

75 单核 - 吞噬细胞 血液 肝细胞 胆素原肠肝循环的过程 2O 2 Fe 3+ H 2 O +CO 血红蛋白珠蛋白血红素 胆绿素 胆红素 NADPH+H + NADP+ NADPH+H + NADP+ 胆红素 - 清蛋白复合物 小部分 大部分 胆素原 ( 少量 ) 胆红素 配体蛋白 内质网 胞液 胆红素 - 配体蛋白复合物 UDPGA UDP 葡糖醛酸胆红素 肾 O 2 胆素原胆素 O 2 胆素原 葡糖醛酸胆红素 肠管 尿 胆素 粪便 胆红素 葡糖醛酸

76 五 高胆红素血症及黄疸 ( 一 ) 正常人胆红素的生成与排泄维持动态平衡 正常血清胆红素浓度 :3.4~17.1μmol/L(0.2~ 1mg/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

77 ( 二 ) 黄疸及其分类 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)

78 当血浆胆红素浓度超过 34.2μmol/L(2mg/dl) 时, 肉眼可见皮肤 粘膜及巩膜等组织黄染, 临床上称为显性黄疸 若血浆胆红素升高不明显, 在 1~2mg/dl 之间时, 肉眼观察不到皮肤与巩膜等黄染现象, 称为隐性黄疸 (jaundice occult)

79 临床上常根据黄疸发病的原因不同, 简单的将黄疸分为三类 : 1. 溶血性黄疸 (hemolytic jaundice) 2. 肝细胞性黄疸 (hepatocellular jaundice) 3. 阻塞性黄疸 (obstructive jaundice)

80 1. 溶血性黄疸 溶血性黄疸 (hemolytic jaundice), 又称为肝前性黄疸 (prehepatic jaundice) 属于高未结合型胆红素血症 此类黄疸是由于红细胞的大量破坏, 在单核 - 吞噬细胞系统产生胆红素过多, 超过了肝细胞摄取 转化和排泄胆红素的能力, 造成血液中未结合胆红素浓度显著增高所致

81 2. 肝细胞性黄疸 肝细胞性黄疸 (hepatocellular jaundice) 又称为肝原性黄疸 (hepatic jaundice) 由于肝细胞功能受损, 造成其摄取 转化和排泄胆红素的能力降低所致的黄疸

82 3. 阻塞性黄疸 阻塞性黄疸 (obstructive jaundice), 又称为肝后性黄疸 (posthepatic jaundice) 此类黄疸是由于各种原因引起的胆管系统阻塞, 胆汁排泄障碍所致

83 各种黄疸时血 尿 粪胆色素的改变 指标正常溶血性黄疸肝细胞性黄疸阻塞性黄疸 血清胆红素 浓度 <1mg/dl >1mg/dl >1mg/dl >1mg/dl 结合胆红素极少 未结合胆红素 0~0.7mg/dl 尿三胆 尿胆红素 尿胆素原少量 不一定 尿胆素少量 不一定 粪胆素原 40~280mg/24h 或正常 或 - 粪便颜色 正常 深 变浅或正常 完全阻塞时 白陶土色

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