铁和血红素代谢课件.ppt
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- 血红素 代谢 课件
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1、 铁和血红素代谢铁和血红素代谢一一 铁代谢铁代谢一)铁代谢概况一)铁代谢概况铁是血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、铁是血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、过氧化物酶及过氧化氢酶等的重要组成部分。过氧化物酶及过氧化氢酶等的重要组成部分。在氧的运输、生物氧化和酶促反应中发挥重要作在氧的运输、生物氧化和酶促反应中发挥重要作用。用。在酸性在酸性pH时,铁为价状态。时,铁为价状态。在中性和碱性在中性和碱性pH时,为价状态,此时铁与负时,为价状态,此时铁与负电荷原子缓慢形成多核复合体,产生聚集和沉淀,电荷原子缓慢形成多核复合体,产生聚集和沉淀,进而引发病理损伤。进而引发病理损伤。二)含铁蛋白二)
2、含铁蛋白 铁可通过原铁可通过原卟啉卟啉(protoporphyrin)环与蛋环与蛋白质结合。白质结合。亚铁原卟啉复合物叫血红素(亚铁原卟啉复合物叫血红素(hemeheme),高铁原卟啉复合物叫血色素高铁原卟啉复合物叫血色素(hematin(hematin)。含血红素的蛋白包括:含血红素的蛋白包括:肌红蛋白(储存氧);肌红蛋白(储存氧);血红蛋白(运输氧);血红蛋白(运输氧);以血红素为辅基的酶以血红素为辅基的酶(如过氧化物酶、过氧化氢酶、如过氧化物酶、过氧化氢酶、鸟苷酸环化酶、线粒体细胞色素等鸟苷酸环化酶、线粒体细胞色素等)。血红素蛋白在其它章节介绍。血红素蛋白在其它章节介绍。非血红素含铁蛋白
3、包括铁蛋白、转铁蛋白、许多非血红素含铁蛋白包括铁蛋白、转铁蛋白、许多在活性位点含铁的氧化还原酶类和铁硫蛋白。在活性位点含铁的氧化还原酶类和铁硫蛋白。转铁蛋白转铁蛋白 血清中与铁转运相关的蛋白质叫转铁蛋白血清中与铁转运相关的蛋白质叫转铁蛋白(transferrin),是一种在肝脏合成的,是一种在肝脏合成的糖蛋白。糖蛋白。在一条多肽链中含有两个铁结合位点,价铁与在一条多肽链中含有两个铁结合位点,价铁与转铁蛋白结合的亲和力高,转铁蛋白结合的亲和力高,价铁不能结合。价铁不能结合。不同物种中铁与转铁蛋白结合的常数不等,从某不同物种中铁与转铁蛋白结合的常数不等,从某种意义上讲,转铁蛋白过量的区域没有游离的
4、铁种意义上讲,转铁蛋白过量的区域没有游离的铁离子。离子。在正常生理状况下,大概在正常生理状况下,大概1/9的转铁蛋白分子被铁的转铁蛋白分子被铁饱和,饱和,4/9半饱和,半饱和,4/9不含铁。不含铁。未饱和的转铁蛋白有助于预防感染。未饱和的转铁蛋白有助于预防感染。某些微生物如一些嗜盐弧菌(存在于部分某些微生物如一些嗜盐弧菌(存在于部分牡蛎、贝类中)他们是铁依赖的,在通常牡蛎、贝类中)他们是铁依赖的,在通常情况下不致病。情况下不致病。但当人体出现铁超负荷时,血清转铁蛋白但当人体出现铁超负荷时,血清转铁蛋白被饱和,出现血清游离铁。进食这些食物被饱和,出现血清游离铁。进食这些食物后,会发生迅速的进行性
5、感染。后,会发生迅速的进行性感染。正常个体进食这些食物,不会有症状。正常个体进食这些食物,不会有症状。细菌的生长分泌需要铁。细菌的生长分泌需要铁。通常转铁蛋白对铁的紧密结合使铁不被利通常转铁蛋白对铁的紧密结合使铁不被利用,但发生酸中毒,用,但发生酸中毒,pH降低会显著降低转降低会显著降低转铁蛋白对铁的结合力,产生较多游离铁。铁蛋白对铁的结合力,产生较多游离铁。满足细菌生长所需的铁,使个体易发感染。满足细菌生长所需的铁,使个体易发感染。如糖尿病患者。如糖尿病患者。转铁蛋白受体(转铁蛋白受体(transferring receptor)是一种跨膜蛋白,两个亚基通过二硫键相连成异是一种跨膜蛋白,两个
6、亚基通过二硫键相连成异源二聚体。源二聚体。每个亚基都有跨膜片段和胞外区每个亚基都有跨膜片段和胞外区,胞外区由大概胞外区由大概670个氨基酸残基组成,是转铁蛋个氨基酸残基组成,是转铁蛋白结合位点。白结合位点。在酸性溶酶体基质中,铁离子释放。在酸性溶酶体基质中,铁离子释放。受体脱辅转铁蛋白复合物回细胞表面。受体脱辅转铁蛋白复合物回细胞表面。在细胞表面脱辅转铁蛋白释放到血浆中重新利用。在细胞表面脱辅转铁蛋白释放到血浆中重新利用。乳铁蛋白乳铁蛋白 乳铁蛋白乳铁蛋白(lactoferrin(lactoferrin)有两个金属结合位点,是有两个金属结合位点,是一种糖蛋白,与铁的结合永远不会饱和,牛奶中含一
7、种糖蛋白,与铁的结合永远不会饱和,牛奶中含有的铁几乎完全与乳铁蛋白结合。有的铁几乎完全与乳铁蛋白结合。存在于粒细胞中,细菌感染时释放出来。存在于粒细胞中,细菌感染时释放出来。乳铁蛋白有抗菌作用,保护新生儿免受胃肠道感染。乳铁蛋白有抗菌作用,保护新生儿免受胃肠道感染。微生物需铁,乳铁蛋白通过结合游离铁,从而抑制微生物需铁,乳铁蛋白通过结合游离铁,从而抑制其生长。其生长。大肠杆菌则通过释放竟争性的铁螯合剂,特异性地大肠杆菌则通过释放竟争性的铁螯合剂,特异性地将铁转运到他们体内,从而能在乳铁蛋白有存在情将铁转运到他们体内,从而能在乳铁蛋白有存在情况下增殖。况下增殖。乳铁蛋白还有利于牛奶中铁的转运和储
8、运。乳铁蛋白还有利于牛奶中铁的转运和储运。3 铁蛋白铁蛋白 铁蛋白是参与铁储存的主要蛋白,由蛋白多肽外铁蛋白是参与铁储存的主要蛋白,由蛋白多肽外壳和中央铁氢氧化物磷酸盐核心组成。壳和中央铁氢氧化物磷酸盐核心组成。脱辅蛋白质即去铁铁蛋白脱辅蛋白质即去铁铁蛋白(apoferritin(apoferritin)由由H H亚亚基和基和L L亚基以不同的组合方式的亚基以不同的组合方式的2424个亚基组成。同个亚基组成。同一物种不同组织来源的铁蛋白电泳迁移率不同。一物种不同组织来源的铁蛋白电泳迁移率不同。有核的血细胞和心脏以有核的血细胞和心脏以H H亚基为主,肝和脾以亚基为主,肝和脾以L L亚亚基为主。基
9、为主。大量的铁储存于肝细胞,网状内皮细胞和骨骼肌大量的铁储存于肝细胞,网状内皮细胞和骨骼肌中。中。铁与蛋白结合比率不是恒定的,当铁铁与蛋白结合比率不是恒定的,当铁超负荷时,会超过新合成的去铁铁蛋超负荷时,会超过新合成的去铁铁蛋白的储存能力,在铁蛋白邻近区域出白的储存能力,在铁蛋白邻近区域出现铁沉积含铁血黄素现铁沉积含铁血黄素(hemosiderin(hemosiderin)。血浆铁蛋白的浓度低,但与机体铁储血浆铁蛋白的浓度低,但与机体铁储存量密切相关。存量密切相关。其它非血红素含铁蛋白其它非血红素含铁蛋白 非血红素含铁蛋白还可参与酶促反应,大非血红素含铁蛋白还可参与酶促反应,大多参与氧化还原反
10、应。铁氧化还原蛋白多参与氧化还原反应。铁氧化还原蛋白(ferredoxin)中的铁需与硫结合,进行电子中的铁需与硫结合,进行电子的传递。的传递。三)铁在小肠中的吸收三)铁在小肠中的吸收 铁与大分子特异性和非特异性的高亲和力导致很铁与大分子特异性和非特异性的高亲和力导致很少形成自由铁盐,铁不会在通常的排泄途径中丢少形成自由铁盐,铁不会在通常的排泄途径中丢失。只能通过不能再利用的组织(表皮、胃肠黏失。只能通过不能再利用的组织(表皮、胃肠黏膜)的腐烂完成。健康成年男性每天损失膜)的腐烂完成。健康成年男性每天损失mg,月经、分娩期的妇女丢失更多。月经、分娩期的妇女丢失更多。还原剂如维生素,胃内低的还原
11、剂如维生素,胃内低的pH可将价铁还原可将价铁还原为为2价铁,有助于铁与配体的解离,提高铁在消价铁,有助于铁与配体的解离,提高铁在消化道中的利用率。化道中的利用率。正常胃功能的缺陷,使铁的吸收大大减少。正常胃功能的缺陷,使铁的吸收大大减少。铁吸收的主要部位是小肠,尤以十二指肠吸收量铁吸收的主要部位是小肠,尤以十二指肠吸收量最大。吸收形式是游离铁和血红素铁,当以血红最大。吸收形式是游离铁和血红素铁,当以血红素的形式进入时,在黏膜细胞的细胞质中铁从卟素的形式进入时,在黏膜细胞的细胞质中铁从卟啉环上被释放出来。啉环上被释放出来。在管腔表面、细胞质内、黏膜细胞之间和毛细血在管腔表面、细胞质内、黏膜细胞之
12、间和毛细血管床均存在调控铁转运的机制。管床均存在调控铁转运的机制。黏膜细胞去铁铁蛋白的合成是调节铁通过黏膜黏膜细胞去铁铁蛋白的合成是调节铁通过黏膜毛细血管表面转运的机制之一。毛细血管表面转运的机制之一。当机体不需要铁时,大量合成去铁铁蛋白与铁结当机体不需要铁时,大量合成去铁铁蛋白与铁结合,阻止铁向毛细血管床转移。这些铁被排入小合,阻止铁向毛细血管床转移。这些铁被排入小肠肠腔,从而不被吸收。肠肠腔,从而不被吸收。当机体铁缺乏时,不合成去铁铁蛋白,也就不阻当机体铁缺乏时,不合成去铁铁蛋白,也就不阻止铁向体内转运。止铁向体内转运。四)铁利用的分子调控四)铁利用的分子调控 铁调控蛋白铁调控蛋白(iro
13、n regulatory,IRP):能与某些能与某些mRNA的茎环结构特异结合,控的茎环结构特异结合,控制翻译,对铁浓度变化发生反应的蛋白质制翻译,对铁浓度变化发生反应的蛋白质叫铁调控蛋白。在铁代谢中发挥重要作用。叫铁调控蛋白。在铁代谢中发挥重要作用。分分IRP和和 IRP。铁反应元件铁反应元件(iron responsive,IRE):特异性的特异性的mRNA的茎环结构。有七种在铁的茎环结构。有七种在铁代谢中发挥作用的蛋白质的代谢中发挥作用的蛋白质的mRNA含有含有IRE。当细胞铁浓度高时,铁调控蛋白(当细胞铁浓度高时,铁调控蛋白(IRP)具有顺乌头酸酶活性。)具有顺乌头酸酶活性。当细胞铁浓
14、度低时,没有酶的活性,此时当细胞铁浓度低时,没有酶的活性,此时该蛋白能够和铁反应元件(该蛋白能够和铁反应元件(IRE)结合。)结合。当铁浓度较低时:当铁浓度较低时:)铁调控蛋白()铁调控蛋白(IRP)与转铁蛋白受)与转铁蛋白受体体mRNA中的铁反应元件(中的铁反应元件(IRE)结合。)结合。减少受体蛋白的降解和增强受体蛋白的合成。减少受体蛋白的降解和增强受体蛋白的合成。)IRP与去铁铁蛋白与去铁铁蛋白mRNA中的中的IRE结合。结合。使翻译速度下降,去铁铁蛋白浓度降低。使翻译速度下降,去铁铁蛋白浓度降低。共同作用的结果:使铁能被增殖细胞利用。共同作用的结果:使铁能被增殖细胞利用。铁浓度较高时,
15、铁浓度较高时,IRP对对IRE结合减少。结合减少。使增殖细胞摄取的铁减少,铁转而储存于肝脏。使增殖细胞摄取的铁减少,铁转而储存于肝脏。IRP也能对不同的铁浓度发生发应,铁也能对不同的铁浓度发生发应,铁浓度低时,合成增加,铁浓度高时,通过浓度低时,合成增加,铁浓度高时,通过蛋白酶体降解增加。蛋白酶体降解增加。IRP能在低氧状态下发挥作用,能在低氧状态下发挥作用,IRP不能。不能。铁调素(铁调素(hepcidin),能反应机体对铁,能反应机体对铁的需求情况,可能是铁平衡调节的中心,的需求情况,可能是铁平衡调节的中心,是一种有是一种有20个氨基酸残基或个氨基酸残基或25个氨基酸残个氨基酸残基的多肽。
16、基的多肽。体内铁水平低时,铁调素表达增加,体内体内铁水平低时,铁调素表达增加,体内铁水平高时铁调素表达减少。铁水平高时铁调素表达减少。小鼠敲除铁调素基因后,出现明显的铁沉小鼠敲除铁调素基因后,出现明显的铁沉积和血色素沉着病。积和血色素沉着病。五)铁的分布和动力学血红蛋白2.5g68%肌红蛋白0.15g4%转铁蛋白0.003g0.1%铁蛋白(组织)1.0g27%铁蛋白(血清)0.0001g0.003%酶0.02g0.5%3.7g/70kg 亚铁氧化酶亚铁氧化酶(ferroxidase)也叫血浆铜蓝蛋白也叫血浆铜蓝蛋白ceruloplasmin)、亚铁氧化酶、亚铁氧化酶。血清蛋白,是血清中氧化亚铁
17、离子的物质。铁缺血清蛋白,是血清中氧化亚铁离子的物质。铁缺乏时,血浆铜蓝蛋白基因转录升高倍,血浆铜乏时,血浆铜蓝蛋白基因转录升高倍,血浆铜蓝蛋白在铁代谢中发挥重要作用。蓝蛋白在铁代谢中发挥重要作用。当铁的丢失超过铁的供应时,会发生一系列生理当铁的丢失超过铁的供应时,会发生一系列生理反应。反应。起初,储存的铁被消耗,功能不受影响,主要是起初,储存的铁被消耗,功能不受影响,主要是肝脏和骨髓铁存储的减少,血浆中的铁蛋白减少肝脏和骨髓铁存储的减少,血浆中的铁蛋白减少比较微小。比较微小。随着铁缺乏加深,红细胞形态改变,血红蛋白下随着铁缺乏加深,红细胞形态改变,血红蛋白下降。机体为适应这种铁缺乏状态,要从
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