生物化學與分子生物學/血細胞物質代謝

血液的生物化學 - 血漿蛋白質 - 血紅素的合成 - 血細胞物質代謝
血液中存在有多種血細胞：紅細胞，主要的功能是運送氧；白細胞，在機體免疫反應中發揮重要作用；血小板，在凝血過程中起重要作用。血小板是由骨髓造血組織中的巨核細胞產生的細胞碎片，本節重點介紹紅細胞和白細胞的主要代謝特點。

紅細胞的代謝

紅細胞是血液中最主要的細胞，它是在骨髓中由造血幹細胞定向分化而成的紅系細胞。在紅系細胞發育過程中，經歷了原始紅細胞、早幼紅細胞、中幼紅細胞、晚幼紅細胞、網狀紅細胞等階段，最後才成為成熟紅細胞。在成熟過程中，紅細胞發生一系列形態和代謝的改變。
哺乳動物的成熟紅細胞除質膜和胞質外，無細胞核和線粒體等細胞器，其代謝比一般細胞單純。葡萄糖是成熟紅細胞的主要能猛物質。血液循環中的紅細胞每天大約從血漿攝取30g葡萄糖，其中 90%～95%經糖酵解通路和2,3-二磷酸甘油酸(2,3-bisphosphoglycerale, 2,3-BPG)支路進行代謝，5%～10%通過磷酸戊糖途徑進行代謝。

糖酵解是紅細胞獲得能量的唯一途徑

紅細胞中存在催化糖酵解所需要的所有的酶和中間代謝物, 糖酵解的基本反應和其他組織相同。 糖酵解是紅細胞獲得能量的唯一途徑，lmol葡萄糖經酵解生成2mol乳酸的過程中，產生 2molATP和2molNADH+H⁺,通過這一途徑可使紅細胞內ATP的濃度維持在1.85×10³mol/L水平。
紅細胞中的ATP主要用於維持以下幾方面的生理活動：

1. 維持紅細胞膜上鈉泵(Na⁺, K⁺-ATP酶）的運轉 Na⁺和K⁺一般不易通過細胞膜，鈉泵通過消耗ATP將Na⁺泵出、K⁺泵入紅細胞以維持紅細胞的離子平衡以及細胞容積和雙凹盤狀形態。
2. 維持紅細胞膜上鈣泵(Ca²⁺-ATP酶）的運行 將紅細胞內的Ca²⁺泵入血漿以維持紅細胞內的低鈣狀態。正常情況下，紅細胞內的Ca²⁺濃度很低(20µmol/L) , 而血漿的Ca²⁺濃度為2～3 mmol/L。血漿內的Ca²⁺會被動擴散進入紅細胞。缺乏ATP時，鈣泵不能正常運行，鈣將聚集並沉積於紅細胞膜，使膜失去柔韌性而趨於僵硬，紅細胞流經狹窄的脾竇時易被破壞。
3. 維持紅細胞膜上脂質與血漿脂蛋白中的脂質進行交換 紅細胞膜的脂質處於不斷地更新中，此過程需消耗ATP。缺乏ATP時，脂質更新受阻，紅細胞的可塑性降低，易於破壞。
4. 少量ATP用於穀胱甘肽、NAD⁺/NADP⁺的生物合成 穀胱甘肽是由穀氨酸、半胱氨酸和甘氨酸結合而成的三肽化合物，是機體中重要的抗氧化物質。肝細胞是合成穀胱甘肽的主要部位，此過程需要ATP參與。煙醯胺在體內與ATP反應生成輔酶NAD⁺和NADP⁺，這兩種輔酶在生物氧化還原反應中起電子載體或遞氫體作用。
5. ATP用於葡萄糖的活化，啟動糖酵解過程 葡萄糖分解的第一步反應就是發生磷酸化而活化，此過程需由ATP供能。

紅細胞的糖酵解存在2，3-二磷酸甘油酸旁路

紅細胞內的糖酵解還存在一個特殊途徑——2,3-BPG支路。2,3-BPG支路的分支點是1,3-二磷酸甘油酸(1,3-bisphosphoglycerate, 1,3-BPG)。正常情況下，2,3-BPG對二磷酸甘油酸變位酶的負反饋作用大於對3-磷酸甘油酸激酶的抑制作用，所以2,3-BPG旁路占糖酵解的15%～50%; 但是由於2,3-BPG磷酸酶的活性較低，2,3-BPG的生成大於分解，造成紅細胞內2,3-BPG升高。紅細胞內2,3-BPG雖然也能供能，但主要功能是調節血紅蛋白的運氧功能。
2,3-BPG是調節Hb 運氧功能的重要因素，它是一個電負性很高的分子，可與血紅蛋白結合，結合部位在Hb 分子4個亞基的對稱中心孔穴內。2,3-BPG的負電基團與組成孔穴側壁的2個B亞基的帶正電基團形成鹽鍵, 從而使血紅蛋白分子的T構象更趨穩定，降低Hb與O₂的親和力。當血流經過P0₂較高的肺部時，2,3-BPG的影響不大，而當血流流過P0₂較低的組織時，紅細胞中2,3-BPG的存在則顯著增加O₂釋放，以供組織需要。在PO₂相同條件下，隨2,3-BPG濃度增大，Hb0₂釋放的O₂增多。人體能通過改變紅細胞內2,3-BPG的濃度來調節對組織的供氧。

磷酸戊糖途徑提供NADPH維持紅細胞的完整性

紅細胞內磷酸戊糖途徑的代謝過程與其他細胞相同，主要功能是產生NADPH+H⁺。NADH和NADPH是紅細胞內重要的還原當量，它們能夠對抗氧化劑，保護細胞膜蛋白質、血紅蛋白和酶蛋白的巰基等不被氧化，從而維持紅細胞的正常功能。磷酸戊糖途徑是紅細胞產生NADPH的唯一途徑。紅細胞中的NADPH能維持細胞內還原型穀胱甘肽(GSH)的含量, 使紅細胞免遭外源性和內源性氧化劑的損害。某些疾病狀態，如葡糖-6-磷酸脫氫酶缺乏症（俗稱蠶豆病）病人因紅細胞中磷酸戊糖途徑關鍵酶缺乏而導致NADPH量不足，無法維持穀胱甘肽的還原狀態，因此在接觸強氧化因子時，紅細胞細胞膜破裂導致溶血。
由於氧化作用，紅細胞內經常產生少量高鐵血紅蛋白(methemoglobin, MHb), MHb中的鐵為三價，不能帶氧。但紅細胞內有NADH-高鐵血紅蛋白還原酶和NADPH-高鐵血紅蛋白還原酶催化MHb還原成Hb。另外，GSH和抗壞血酸也能直接還原MHb。在上述高鐵血紅蛋白還原系統中，以NADH-高鐵血紅蛋白還原酶最重要。由於有MHb還原系統的存在，使紅細胞內MHb只佔Hb總量的1%～2%。

紅細胞不能合成脂肪酸

成熟紅細胞的脂質幾乎都存在於細胞膜。成熟紅細胞由於沒有線粒體，因此無法從頭合成脂肪 酸，但膜脂的不斷更新卻是紅細胞生存的必要條件。紅細胞通過主動參入和被動交換不斷地與血漿進行脂質交換，維持其正常的脂質組成、結構和功能。

高鐵血紅素促進珠蛋白的合成

血紅蛋白由珠蛋白與血紅素構成。珠蛋白的合成與一般蛋白質相同，其合成受血紅素的調控。血紅素的氧化產物高鐵血紅素能促進珠蛋白的生物合成。cAMP激活蛋白激酶A後，蛋白激酶A能使無活性的elF-2激酶磷酸化。後者再催化eIF-2磷酸化而使之失活。高鐵血紅素有抑制cAMP激活蛋白激酶A的作用，從而使elF-2保持於去磷酸化的活性狀態，有利於珠蛋白的合成，進而影響血紅蛋白的合成。

白細胞的代謝

人體白細胞由粒細胞、淋巴細胞和單核巨噬細胞三大系統組成。主要功能是對外來入侵起抵抗作用，白細胞的代謝與白細胞的功能密切相關。白細胞的功能將在免疫學詳細介紹，故在此只扼要介紹白細胞的代謝特點。

糖酵解是白細胞主要的獲能途徑

由於粒細胞的線粒體很少，故糖酵解是主要的糖代謝途徑。中性粒細胞能利用外源性的糖和內源性的糖原進行糖酵解，為細胞的吞噬作用提供能量。單核巨噬細胞雖能進行有氧氧化，但糖酵解仍占很大比重。在免疫反應中，T淋巴細胞接受複雜的信號後激活、增殖和分化成不同的細胞亞型。研究表明，不同狀態和階段的T淋巴細胞其葡萄糖代謝的特點有所不同，例如，免疫反應中T淋巴細胞激活前主要通過葡萄糖的有氧氧化獲能，而激活後則主要通過糖酵解獲能。

粒細胞和單核巨噬細胞能產生活性氧，發揮殺菌作用

中性粒細胞和單核巨噬細胞被趨化因子激活後，細胞內磷酸戊糖途徑被激活，產生大量的NADPH。 經NADPH氧化酶遞電子體系可使0₂接受單電子還原，產生大量的超氧陰離子(O_2·^-)。超氧陰離子再進一步轉變成H202, ·OH等活性氧，起殺菌作用。NADPH氧化酶遞電子體系的成分包括NADPH氧化酶、細胞色素b₅₅₈和兩種胞質多肽等。
2O₂+NADPH→2O_2·+NADP⁺+H⁺

粒細胞和單核巨噬細胞能合成多種物質參與超敏反應

速髮型超敏反應(Ⅰ型超敏反應）中，在多種刺激因子作用下，單核巨噬細胞可將花生四烯酸轉變成血栓烷和前列腺素；而在脂氧化酶的作用下，粒細胞和單核巨噬細胞可將花生四烯酸轉變成白三烯；同時，粒細胞中的大量組氨酸代謝生成組胺。組胺、白三烯和前列腺素都是速髮型超敏反應中重要的生物活性物質。

單核巨噬細胞和淋巴細胞能合成多種活性蛋白質

由於成熟粒細胞缺乏內質網，故蛋白質合成量很少。而單核／巨噬細胞的蛋白質代謝很活躍，能合成多種酶、補體和各種細胞因子。在免疫反應中，B淋巴細胞分化為漿細胞，產生並分泌多種抗體蛋白，參與體液免疫。