生物化学与分子生物学/胆色素的代谢与黄疸

肝的生物化学 - 肝在物质代谢中的作用 - 肝的生物转化作用 - 胆汁与胆汁酸的代谢 - 胆色素的代谢与黄疸
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)。这些化合物主要随胆汁排出体外，其中胆红素居于胆色素代谢的中心，是人体胆汁中的主要色素，呈橙黄色。

胆红素是铁卟啉类化合物的降解产物

胆红素主要源于衰老红细胞的破坏

体内铁卟啉类化合物包括血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素、过氧化氢酶和过氧化物酶等。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。小部分胆红素来自造血过程中红细胞的过早破坏（无效红细胞生成），还有少量胆红素来自其他各种含血红素蛋白如细胞色素P450。肌红蛋白由于更新率低，所占比例很小。
红细胞的平均寿命约120天。生理情况下，正常成年人(70kg)每小时约有(1～2)×l0⁸个红细胞被破坏。衰老的红细胞被肝、脾、骨髓等单核吞噬系统细胞识别并吞噬，每天释放约6g血红蛋白（每克血红蛋白约可产生35mg胆红素）。释出的血红蛋白随后分解为珠蛋白和血红素。珠蛋白可降解为氨基酸供体内再利用。血红素则由单核吞噬系统细胞降解生成胆红素。

血红素加氧酶和胆绿素还原酶催化胆红素的生成

血红素是由4个吡咯环连接而成的环形化合物，并螯合l个二价铁离子。血红素由单核吞噬系统细胞微粒体的血红素加氧酶(heme oxygenase, HO)催化，在至少3分子氧和3分子NADPH的存在下，血红素原卟啉Ⅸ环上的α次甲基(—CH=)桥碳原子的两侧氧化断裂，释放出一分子一氧化碳(CO)和Fe²⁺,并将两端的吡咯环羟化，生成线性四吡咯结构的水溶性胆绿素。释出的Fe²⁺氧化为Fe³⁺进入铁代谢池，可供机体再利用或以铁蛋白形式储存。
胆绿素进一步在胞质活性很强的胆绿素还原酶(b山verdin reductase)催化下，由NADPH供氢，还原生成胆红素。胆红素是由3个次甲基桥连接的4个吡咯环组成，分子量585。虽然胆红素分子中含有2个羟基（醇式）或酮基（酮式）、4个亚氨基和2个丙酸基等亲水基团，但由于这些基团形成6个分子内氢键，使胆红素分子形成脊瓦状内旋的刚性折叠结构，赋予胆红素以疏水亲脂的性质，极易自由透过细胞膜进入血液。
迄今已发现人体内存在3种血红素加氧酶同工酶：H0-1,H0-2和H0-3。H0-1(32kD)是一种诱导酶，为热激蛋白32(HSP32)。主要存在于肝、脾、和骨髓等降解衰老红细胞的组织器官。H0-2 (36kD)是组成型酶，仅受糖皮质激素诱导，主要存在于大脑及睾丸组织内，其功能多认为与CO的神经信使作用有关。H0-3(33kD)与H0-2有90%的同源性，亦属组成型表达，其功能尚未明晰。 H0-1在血红素代谢中居重要地位，其生物合成可被其底物血红素迅速激活，以及时清除循环系统中的血红素。H0-1亦是迄今所知的诱导物最多的诱导酶。缺氧、高氧、内毒素、重金属、白细胞介素-10(IL-10)、一氧化氮(NO)、促红细胞生成素(EPO)、炎症细胞因子等许多能引发细胞氧化应激(oxidative stress)的因素均可诱导此酶的表达，从而增加CO、胆绿素和继之胆红素的产生。
许多疾病亦表现 H0-1的表达增加，例如肿瘤、动脉粥样硬化、心肌缺血、阿尔茨海默病等。 H0-1作为一种应激蛋白质，其诱导因素的多样性是对细胞的一种重要保护机制。H0-1在上述诸多有害环境刺激和疾病存在条件下所呈现的对机体保护作用，主要是通过其催化生成的产物来实现的，这些产物主要是CO与胆红素。HO氧化血红素时产生的CO是机体内源性CO的主要来源。 CO因对Hb有高度亲和力而呈现有害效应。但有研究显示，低浓度CO和NO功能相似，可作为信息分子和神经递质。
胆红素过量对人体有害，但适宜水平的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，可有效地清除超氧化物和过氧化自由基。氧化应激可诱导H0-1的表达，从而增加胆红素的量以抵御氧化应激状态。胆红素的这种抗氧化作用通过胆绿素还原酶循环（liverdin 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10 000倍。

血液中的胆红素主要与清蛋白结合而运输

胆红素在单核吞噬系统细胞生成以后释放入血。在血浆中主要以胆红素-清蛋白复合体形式存在和运输。血浆清蛋白(albumin)与胆红素的结合，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，避免了其对组织细胞造成的毒性作用。研究证明，每个清蛋白分子有一个高亲和力结合部位和一个低亲和力结合部位，可结合两分子胆红素。正常人血浆胆红素含量为3.4～17.1µmol/L(2～10mg/L), 而每100ml血浆清蛋白可结合25mg 胆红素，故在正常情况下血浆清蛋白结合胆红素的潜力很大，不与清蛋白结合的胆红素甚微。但必须提及的是，胆红素与清蛋白的结合是非特异性、非共价可逆性的。若清蛋白含量明显降低、结合部位被其他物质占据或降低胆红素对结合部位的亲和力，均可促使胆红素从血浆向组织细胞转移。
某些有机阴离子（如磺胺药、水杨酸、胆汁酸、脂肪酸等）可与胆红素竞争性地结合清蛋白，使胆红素游离。过多的游离胆红素因系脂溶性易穿透细胞膜进入细胞，尤其是富含脂质的脑部基底核的神经细胞，干扰脑的正常功能，称为胆红素脑病(bilirubin encephalopathy)或核黄疽(kernicterus)。有黄疽倾向的病人或新生儿生理性黄疽期，应慎用上述药物。因此，血浆清蛋白与胆红素的结合仅起到暂时性的解毒作用，其根本性的解毒依赖肝与葡糖醋酸结合的生物转化作用。把这种未经肝结合转化的，在血浆中与清蛋白结合运输的胆红素称为未结合胆红素(unconjugated bilirubin)或血胆红素或游离胆红素。未结合胆红素因分子内氢键存在，不能直接与重氮试剂反应，只有在加入乙醇或尿素等破坏氢键后才能与重氮试剂反应，生成紫红色偶氮化合物，故未结合胆红素又称为间接反应胆红素或间接胆红素(indirect bilirubin)。

胆红素在肝细胞中转变为结合胆红素并泌入胆小管

游离胆红素可渗透肝细胞膜而被摄取

血中的胆红素以胆红素-清蛋白复合体的形式运输到肝后，在被肝细胞摄取前先与清蛋白分离，然后迅速被肝细胞摄取。胆红素可以自由双向通透肝血窦肝细胞膜表面而进入肝细胞。所以，肝细胞对胆红素的摄取量取决于肝细胞对胆红素的进一步处理能力。
胆红素进入肝细胞后，在细胞质中主要与细胞质Y蛋白和Z蛋白两种配体蛋白(ligandin)相结合，其中，以Y蛋白为主。配体蛋白是胆红素在肝细胞质的主要载体，系谷胱甘肽S-转移酶(GST)家族成员，含量丰富，占肝细胞质总蛋白质的3%～4%, 对胆红素有高亲和力。配体蛋白可与胆红素1: 1结合，以胆红素-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。

胆红素在内质网结合葡糖醛酸生成水溶性结合胆红素

在滑面内质网UDP-葡糖醛酸基转移酶(UDP-glucuronosyl transferase, UGT)的催化下，由UDPGA提供葡糖醛酸基，胆红素分子的丙酸基与葡糖醛酸以酯键结合，生成葡糖醛酸胆红素(bilirubin glucuronide)。由于胆红素分子中含有2个羧基，每分子胆红素可至多结合2分子葡糖醛酸。结果主要生成胆红素葡糖醛酸二酯和少量胆红素葡糖醛酸一酯, 两者均可被分泌入胆汁。此外，尚有少量胆红素与硫酸结合生成硫酸酯。胆红素与葡糖醛酸的结合是肝脏对有毒性胆红素－种根本性的生物转化解毒方式。把这些在肝脏与葡糖醋酸结合转化的胆红素称为结合胆红素 (conjugated bilirubin)或肝胆红素。与葡糖醛酸结合的胆红素因分子内不再有氢键，分子中间的亚甲桥不在深埋于分子内部，可以迅速、直接与重氮试剂发生反应，故结合胆红素又称为直接反应胆红素或直接胆红素（direct bilirubin)。

肝细胞向胆小管分泌结合胆红素

结合胆红素水溶性强，被肝细胞分泌进入胆管系统，随胆汁排入小肠。此被认为是肝脏代谢胆红素的限速步骤，亦是肝脏处理胆红素的薄弱环节。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，定位于肝细胞膜胆小管域的多耐药相关蛋白 2(multidrug resistance-like protein 2, MRP2)是肝细胞向胆小管分泌结合胆红素的转运蛋白质。胆红素排泄一旦发生障碍，结合胆红素就可返流入血。对UDP-葡糖醛酸基转移酶具有诱导作用的苯巴比妥等药物对结合胆红素从肝细胞到胆汁的分泌也同样具有诱导作用，可见胆红素的结合转化与分泌构成相互协调的功能体系。血浆中的胆红素通过肝细胞膜的自由扩散、肝细胞质内配体蛋白的运转、内质网的葡糖睦酸基转移酶的催化和肝细胞膜的主动分泌等联合作用，不断地被肝细胞摄取、结合转化与排泄，从而不断地得以清除。

胆红素在肠道内转化为胆素原和胆素

胆素原是结合胆红素经肠菌作用的产物

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,1-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的d-尿胆素 (d-urob山n)、i-尿胆素(i-urobilin)和粪胆素(stercobilin, 1-urobilin) , 三者合称胆素。胆素呈黄褐色，成为粪便的主要颜色。正常人每日排出总量为40～280mg。胆道完全梗阻时，胆红素不能排入肠道形成胆素原和进而形成粪胆素，因此粪便呈灰白色或白陶土色。婴儿肠道细菌稀少，未被细菌作用的胆红素随粪便排出，可使粪便呈现橘黄色。

少量胆素原可被肠黏膜重吸收，进入胆素原的肠肝循环

肠道中生成的胆素原有10%～20%可被肠黏膜细胞重吸收，经门静脉入肝，其中大部分（约90%）以原形随胆汁排入肠腔，形成胆素原的肠肝循环(enterohepatic urobilinogen cycle)。只有小部分(10%)胆素原可以进入体循环经肾小球滤出随尿排出，称为尿胆素原。正常人每日随尿排出尿胆素原约0.5～4.0mg。尿胆素原与空气接触后被氧化成尿胆素，成为尿的主要色素。临床上将尿胆素原、尿胆素及尿胆红素合称为尿三胆，是黄疽类型鉴别诊断的常用指标。正常人尿中检测不到尿胆红素。

高胆红素血症及黄疸

正常人血清胆红素含量甚微

正常成人血清胆红素总量为3.4～17.lµmoVL(2～lOmg/L), 其中约80%是未结合胆红素，其余为结合胆红素。单核吞噬系统细胞产生的胆红素是有毒的脂溶性物质，易透过细胞膜尤其对富含脂质的神经细胞可造成不可逆损伤。胆红素与血浆清蛋白的结合（未结合胆红素）仅起到暂时性的解毒作用，肝细胞内胆红素与葡糖睦酸结合（结合胆红素）反应是对胆红素的一种根本性生物转化解毒方式。肝细胞对胆红素有强大的处理能力。正常人每天从单核吞噬细胞系统产生 250～350mg胆红素，但正常人肝每天可清除3000mg以上的胆红素，因此正常人血清中胆红素的含量甚微。

黄疽依据病因有溶血性、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均可引起血浆胆红素含量增多。当血浆胆红素含量超过17.1µmoVL(10mg/L)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黄染现象，这一体征称为黄疽(jaundice)。由于皮肤、巩膜、指甲床下和上颗等含有较多弹性蛋白，对胆红素有较强的亲和力，故易被黄染。黄疽的程度取决于血浆胆红素的浓度。当血浆胆红素浓度超过34.2µmol/L(20mg/L)时，肉眼可见皮肤、黏膜及巩膜等黄染，临床上称为显性黄疽(clinical jaundice)。若血浆胆红素在17.1～34.2µmol/L(10～20mg/L)之间时，肉眼观察不到皮肤与巩膜等黄染现象，称为隐性黄疽(occult jaundice)。
临床上常根据黄疽发病的原因不同，将黄疽分为三类。

溶血性黄疽 溶血性黄疽(hemolytic jaundice), 又称为肝前性黄疽(prehepatic jaundice)。系各种原因所致红细胞的大量破坏，单核吞噬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索浓度显著增高所致。其特征为：①血浆总胆红素、未结合胆红素含量增高；②结合胆红素的浓度改变不大，尿胆红素呈阴性；③因肝对胆红素的摄取、转化和排泄增多，过多的胆红素进入胆道系统，肠肝循环增多，使得尿胆原和尿胆素含量增多，粪胆原与粪胆素亦增加；④伴有其他特征如贫血、脾大及末梢血液网织红细胞增多等。某些药物、某些疾病（如恶性症疾、过敏、锁状细胞贫血、蚕豆病等）及输血不当等多种因素均有可能引起大量红细胞破坏，导致溶血性黄疽。
肝细胞性黄疽 肝细胞性黄疽(hepatocellular jaundice), 又称为肝原性黄疽(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疽。一方面肝摄取胆红素障碍，造成血中未结合胆红素升高；另一方面干细胞受损肿胀，压迫毛细胆管，造成肝内毛细胆管阻塞，而后者与肝血窦直接相通，使肝内部分结合胆红素返流入血，造成血清结合胆红素亦增高。此外，经肠肝循环入肝的胆素原可经损伤的肝细胞进入体循环，并从尿中排出，使尿胆素原升高。其特征为：①血清未结合胆红素和结合胆红素均升高。②尿胆红素呈阳性。③尿胆素原升高，但若胆小管堵塞严重，则尿胆素原反而降低。④粪胆素原含量正常或降低。由于肝功能障碍，结合胆红素在肝内生成减少，粪便颜色可变浅。⑤其他特征如血清谷丙转氨酶(ALT)及谷草转氨酶(AST)活性明显升高。肝细胞性黄疽常见于肝实质性疾病如各种肝炎、肝硬化、肝肿瘤及中毒（如氯仿、四氯化碳）等引发的肝损伤。
阻塞性黄疽 阻塞性黄疽(obstructive jaundice)又称为肝后性黄疽(posthepatic jaundice)。由各种原因引起的胆管系统阻塞，胆汁排泄通道受阻，使胆小管和毛细胆管内压力增高而破裂，导致结合胆红素返流入血，使得血清结合胆红素明显升高。其特征为：①结合胆红素明显升高，未结合胆红素升高不明显；②大量结合胆红素可从肾小球滤出，所以尿胆红素呈强阳性，尿的颜色加深，可呈茶叶水色；③由于胆管阻塞排入肠道的结合胆红素减少，导致肠菌生成胆素原减少，粪便中胆素原及胆素含量降低，完全阻塞的病人粪便可变成灰白色或白陶土色；④其他特征如血清胆固醇和碱性磷酸酶(ALP)活性明显升高等。阻塞性黄疽常见于胆管炎、肿瘤（尤其胰头癌）、胆结石或先天性胆管闭锁等疾病。