膽色素(bilepigment)是含鐵卟啉化合物在體內(nèi)分解代謝的產(chǎn)物,包括膽紅素(bilirubin)膽綠素(biliverdin)、膽素原(bilinogen)和膽素(bilin)等化合物。其中,除膽素原族化合物無色外,其余均有一定顏色,故統(tǒng)稱膽色素。膽紅素是膽汁中的主要色素,膽色素代謝以膽紅素代謝為主心。肝臟在膽色素代謝中起著重要作用。
體內(nèi)含卟啉的化合物有血紅蛋白、肌紅蛋白、過氧化物酶、過氧化氫酶及細(xì)胞色素等。成人每日約產(chǎn)生250?50mg膽紅素,膽紅素來源主要有:①80%左右膽紅素來源于衰老紅細(xì)胞中血紅蛋白的分解。②小部分來自造血過程中紅細(xì)胞的過早破壞。③非血紅蛋白血紅素的分解。
體內(nèi)紅細(xì)胞不斷更新,衰老的紅細(xì)胞由于細(xì)胞膜的變化被網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞識別并吞噬,在肝、脾及骨髓等網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞中,血紅蛋白被分解為珠蛋白和血紅素。血紅素在微粒體中血紅素加氧酶(beme oxygenase)催化下,血紅素原卟啉IX環(huán)上的α次甲基橋(=CH-)的碳原子兩側(cè)斷裂,使原卟啉IX環(huán)打開,并釋出CO和Fe3+和膽綠素IX(biliverdin)。Fe3+可被重新利用,CO可排出體外。線性四吡咯的膽綠素進一步在胞液中膽綠素還原酶(輔酶為NADPH)的催化下,迅速被還原為膽紅素。(圖11-10)。
圖11-10 膽紅素的生成
血紅素加氧酶是膽紅素生成的限速酶,需要O2和NADPH參加,受底物血紅素的誘導(dǎo)。而同時血紅素又可作為酶的輔基起活化分子氧的作用。
用X線衍射分析膽紅素的分子結(jié)構(gòu)表明,膽紅素分子內(nèi)形成氫鍵而呈特定的卷曲結(jié)構(gòu)分子中Ⅲ、Ⅳ兩個吡咯環(huán)之間是單鍵連接。因此,Ⅲ環(huán)與Ⅳ環(huán)能自由旋轉(zhuǎn)。在一定的空間位置,Ⅲ環(huán)上的丙酸基的羧基可與Ⅳ環(huán),Ⅰ環(huán)上亞氨基的氫和Ⅰ環(huán)上的羰基形成氫鍵;Ⅳ環(huán)上的丙酸基的羧基也與Ⅱ環(huán)、Ⅲ環(huán)上亞氨基的氫和Ⅱ環(huán)上的羰基形成氫鍵。這6個氫鍵的形成使整個分子卷曲成穩(wěn)定的構(gòu)象。把極性基團封閉在分子內(nèi)部,使膽紅素顯示親脂、疏水的特性。
在生理pH條件下膽紅素是難溶于水的脂溶性物質(zhì),在網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞中生成的膽紅素能自由透過細(xì)胞膜進入血液,在血液中主要與血漿白蛋白或α1球蛋白(以白蛋白為主)結(jié)合成復(fù)合物進行運輸。這種結(jié)合增加了膽紅素在血漿中的溶解度,便于運輸;同時又限制膽紅素自由透過各種生物膜,使其不致對組織細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用,每個白蛋白分子上有一個高親和力結(jié)合部位和一個低親和力結(jié)合部位。每分子白蛋白可結(jié)合兩分子膽紅素。在正常人每100ml血漿的血漿白蛋白能與20-25mg膽紅素結(jié)合,而正常人血漿膽紅素濃度僅為0.1-1.0mg/dl,所以正常情況下,血漿中的白蛋白足以結(jié)合全部膽紅素。但某些有機陰離子如磺胺類、脂肪酸、膽汁酸、水楊酸等可與膽紅素競爭與白蛋白結(jié)合,從而使膽紅素游離出來,增加其透入細(xì)胞的可能性。過多的游離膽紅素可與腦部基底核的脂類結(jié)合,并干擾腦的正常功能,稱膽紅素腦病或核黃疸。因此,在新生兒高膽紅素血癥時,對多種有機陰離子藥物必需慎用。
血中膽紅素以“膽紅素-白蛋白”的形式送輸?shù)礁闻K,很快被肝細(xì)胞攝取。肝細(xì)胞攝細(xì)胞攝取血中膽紅素的能力很強。實驗證明,注射具有放射性的膽紅素后,大約只需18分鐘就可從血漿中清除50%。肝臟能迅速從血漿中攝取膽紅素,是由于肝細(xì)胞內(nèi)兩種載體蛋白棗Y蛋白和Z蛋白所起的重要作用。這兩種載體蛋白(以Y蛋白為主)能特異性結(jié)合包括膽紅素在內(nèi)的有機陰離子。當(dāng)血液入肝,在狄氏(Disse)間隙中肝細(xì)胞上的特殊載體蛋白結(jié)合膽紅素,使其從白蛋白分子上脫離,并被轉(zhuǎn)運到肝細(xì)胞內(nèi)。隨即與細(xì)胞液中Y和Z蛋白結(jié)合,主是與Y蛋白結(jié)合,當(dāng)Y蛋白結(jié)合飽合時,Z蛋白的結(jié)合才增多。這種結(jié)合使膽紅素不能返流入血,從而使膽紅素不斷向肝細(xì)胞內(nèi)透入。膽紅素被載體蛋白結(jié)合后,即以“膽紅素-Y蛋白”(膽紅素-Z蛋白)形式送至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。這是一個耗能的過程,而且是可逆的。如果肝細(xì)胞處理膽紅素的能力下降,或者生成膽紅素過多,超過了肝細(xì)胞處理膽紅素的能力,則已進入肝細(xì)胞的膽紅素還可返流入血,使血中膽紅素水平增高。
圖11-11 葡萄糖醛酸膽紅素的生成
Y蛋白是一種堿性蛋白,由分子量為22000和27.000的兩個亞基組成,約占肝細(xì)胞胞液蛋白質(zhì)總量的5%。它也是一種誘導(dǎo)蛋白,苯巴比妥可誘導(dǎo)Y蛋白的合成。甲狀腺素、溴酚磺酸鈉(BSP)和靛青綠(ICG)等可競爭結(jié)合Y蛋白,影響膽紅素的轉(zhuǎn)運。Y蛋白能與上述多種物質(zhì)結(jié)合,故又稱“配體結(jié)合蛋白”(ligadin)。由于新生兒在出生7周后Y蛋白才達(dá)到正常成人水平,故易產(chǎn)生生理性的新生兒非溶血性黃疸,臨床上可用苯巴比妥治療。
Z蛋白是一種酸性蛋白,分子量為12,000,與膽紅素親和力小于Y蛋白。當(dāng)膽紅素濃度較低時,膽紅素優(yōu)先與Y蛋白結(jié)合。在膽紅素濃度高時,則Z蛋白與膽紅素的結(jié)合量增加。
肝細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中有膽紅素-尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶(bilirutin-UDp glucuronyl transferase,BR-UDPGA-T),它可催化膽紅素與葡萄糖醛酸以酯鍵結(jié)合,生成膽紅素葡萄糖醛酸酯。由于膽紅素分子中有兩個丙酸基的羧基均可與葡萄糖醛酸C1上的羥基結(jié)合、故可形成兩種結(jié)合物,即膽紅素葡萄糖醛酸-酯和膽紅素葡萄糖醛酸二酯(圖11-11)。在人膽汁中的結(jié)合膽紅素主要膽紅素葡萄糖醛酸二酯(占70-80%),其次為為膽紅素葡萄糖醛酸-(占20-30%),也有小部分與硫酸根、甲基、乙;⒏拾彼岬冉Y(jié)合。
膽紅素經(jīng)上述轉(zhuǎn)化后稱為結(jié)合膽紅素,結(jié)合膽紅素較未結(jié)合膽紅素脂溶性弱而水溶性增強,與血漿白蛋白親和力減小,故易從膽道排出,也易透過腎小球從尿排出。但不易通過細(xì)胞膜和血腦屏障,因此不易造成組織中毒,是膽紅素解毒的重要方式。
膽紅素在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)經(jīng)結(jié)合轉(zhuǎn)化后,在細(xì)胞漿內(nèi)經(jīng)過高爾基復(fù)合體、溶酶體等作用,運輸并排入毛細(xì)膽管隨膽汁排出。毛細(xì)膽管內(nèi)結(jié)合膽紅素的濃度遠(yuǎn)高于細(xì)胞內(nèi)濃度,故膽紅素由肝內(nèi)排出是一個逆濃度梯度的耗能過程,也是肝臟處理膽紅素的一個溥弱環(huán)節(jié),容易受損。排泄過程如發(fā)生障礙,則結(jié)合膽紅素可返流入血,使血中結(jié)合膽紅素水平增高。
糖皮質(zhì)激素不僅能誘導(dǎo)葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶的生成,促進膽紅素與萄萄糖醛酸結(jié)合,而且對結(jié)合膽紅素的排出也有促進作用。因此,可用此類激素治療高膽紅素血癥。
肝臟對膽紅素的攝取、轉(zhuǎn)化和排出可見圖11-12。
圖11-12 肝細(xì)胞內(nèi)膽紅素代謝示意圖
結(jié)合膽紅素隨膽汁排入腸道后,自回腸下段至結(jié)腸,在腸道細(xì)菌作用下,由β-葡萄糖醛酸酶催化水解脫去葡萄糖醛酸,生成未結(jié)合膽紅素,后者再逐步還原成為無色的膽素原族化合物,即中膽素原(meso-bilirutinogen)、糞膽素原(stercobilinogen)及尿膽素原(urobilinogen)。糞膽素原在腸道下段或隨糞便排出后經(jīng)空氣氧化,可氧化為棕黃色的糞膽素,它是正常糞便中的主要色素(圖11-13)。正常人每日從糞便排出的膽素原約40?80mg。當(dāng)膽道完全梗阻時,因結(jié)合膽紅素不能排入腸道,不能形成糞膽素原及糞膽素,糞便則呈灰白色。臨床上稱之為白陶土樣便。
圖11-13 膽紅素在腸內(nèi)的變化
生理情況下,腸道中約有10-0%的膽素原可被重吸收入血,經(jīng)門靜脈進入肝臟。其中大部分(約90%)由肝臟攝取并以原形經(jīng)膽汁分泌排入腸腔。此過程稱為膽色素的腸肝循環(huán)(enterohepatic circulation of bile pigments)。在此過程中,少量(10%)膽素原可進入體循環(huán),可通過腎小球濾出,由尿排出,即為尿膽素原。正常成人每天從尿排出的尿膽素原約0.5-4.0mg,尿膽素原在空氣中被氧化成尿膽素,是尿液中的主要色素,尿膽素原、尿膽素及尿膽紅素臨床上稱為尿三膽。
膽紅素的生成及代謝可總結(jié)為圖11-14。
圖11-14 正常膽紅素的代謝
正常血清中存在的膽紅素按其性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不同可分為兩大類型。凡未經(jīng)肝細(xì)胞結(jié)合轉(zhuǎn)化的膽紅素,即其側(cè)鏈上的丙酸基的羧基為自由羧基者,為未結(jié)合膽紅素;凡經(jīng)過肝細(xì)胞轉(zhuǎn)化,與葡萄糖醛酸或其它物質(zhì)結(jié)合者,均稱為結(jié)合膽紅素。
血清中的未結(jié)合膽紅素與結(jié)合膽紅素,由于其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同,它們對重氮試劑的反應(yīng)(范登堡試驗Van den Bergh test)不同,未結(jié)合膽紅素由于分子內(nèi)氫鍵的形成,第10位碳橋被埋在分子的中心,這個部位是線性四吡咯結(jié)構(gòu)的膽紅素轉(zhuǎn)變?yōu)槎量┎⑴c重氮試劑結(jié)合的關(guān)鍵部分。不破壞分子內(nèi)氫鍵則膽紅素不能與重氮試劑反應(yīng)。必須先加入酒精或尿素破壞氫鍵后才能與重氮試劑反應(yīng)生成紫紅色偶氮化合物,稱為范登堡試驗的間接反應(yīng)。所以未結(jié)合膽紅素又稱“間接反應(yīng)膽紅素”或“間應(yīng)膽紅素”。而f1411.cn/zhuyuan/結(jié)合膽紅素不存在分子內(nèi)氫鍵,能迅速直接與重氮試劑反應(yīng)形成紫紅色偶氮化合物,故又稱“直接反應(yīng)膽紅素”或“直應(yīng)膽紅素”。
除上述兩種膽紅素外,現(xiàn)發(fā)現(xiàn)還存在著“第三種膽紅素”,稱為δ-膽紅素。它的實質(zhì)是與血清白蛋白緊密結(jié)合的結(jié)合膽紅素。正常血清中它的含量占總膽紅素的20-30%。它的出現(xiàn)可能與肝臟功能成熟有關(guān)。當(dāng)肝病初期,它與血清中其它兩種膽紅素一起升高,但肝功能好轉(zhuǎn)時它的下降較其它兩種為緩慢,從而使其所占比例升高,有時可高達(dá)60%。
正常人血漿中膽紅素f1411.cn/Article/的總量不超過1mg/dl,其中未結(jié)合型約占4/5,其余為結(jié)合膽紅素。凡能引起膽紅素的生成過多,或使肝細(xì)胞對膽紅素處理能力下降的因素,均可使血中膽紅素濃度增高,稱高膽紅素血癥(hyperbilirubinemia)。膽紅素是金黃色色素,當(dāng)血清中濃度高時,則可擴散入組織,組織被染黃,稱為黃疸(jaundice)。特別是鞏膜或皮膚,因含有較多彈性蛋白,后者與膽紅素有較強親和力,故易被染黃。粘膜中含有能與膽紅素結(jié)合的血漿白蛋白,因此也能被染黃。黃疸程度與血清膽紅素的濃度密切相關(guān)。一般血清中膽紅素濃度超過2mg/dl時,肉眼可見組織黃染;當(dāng)血清膽紅素達(dá)7~8mg/dl以上時,黃疸即較明顯。有時血清膽紅素濃度雖超過正常,但仍在2mg/dl以內(nèi),肉眼尚觀察不到鞏膜或皮膚黃染,稱為隱性黃疸。應(yīng)注意黃疸系一種常見體征,并非疾病名稱。凡能引起膽紅素代謝障礙的各種因素均可形成黃疸。根據(jù)其成因大致可分三類:①因紅細(xì)胞大量破壞,網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)產(chǎn)生的膽紅素過多,超過肝細(xì)胞的處理能力,因而引起血中未結(jié)合膽紅素濃度異常增高者,稱為溶血性黃疸或肝前性黃疸;②因肝細(xì)胞功能障礙,對膽紅素的攝取結(jié)合及排泄能力下降所引起的高膽紅素血癥,稱為肝細(xì)胞性或肝原性黃疸;③因膽紅素排泄的通道受阻,使膽小管或毛細(xì)膽管壓力增高而破裂,膽汁中膽紅素返流入血而引起的黃疸,稱梗阻性黃疸或肝后性黃疸。三種類型黃疸的血、尿、糞的改變情況總結(jié)如表11-3。
表11-3 黃疸時血、尿、糞的改變
指標(biāo) | 正常 | 阻塞性黃疸 | 溶血性黃疸 | 肝細(xì)胞性黃疸 | |
血膽紅素 | 總量 | <1mg/dl | >1mg/dl | >1mg/dl | >1mg/dl |
直接 | 0-0.8mg/dl | ↑↑ | ↑ | ||
間接 | <1mg/dl | ↓↓ | ↑ | ||
尿色 | 正常 | 深 | 較深 | 深 | |
尿三膽 | 尿膽紅素 | — | ++ | — | ++ |
尿膽素原 | 少量 | ↓ | ↓ | 不一定 | |
尿膽素 | |||||
糞便顏色 | 正常 | 完全阻塞時陶土色 | 深 | 變淺或正常 |