红细胞糖代谢和功能

造血干细胞依次分化为原始红细胞、幼红细胞、网织红细胞，成熟红细胞，进入血循环。在红细胞的生成过程中，红细胞的形态和代谢依其成熟的程度而不同，最后形成的成熟红细胞除有细胞膜外，缺乏细胞核及全部细胞器，不能进行核酸和蛋白质的生物合成。为维持其正常的生理功能，必须保证一定的能量代谢，红细胞的正常能源是葡萄糖。红细胞内葡萄糖的分解代谢主要有两个途径，即无氧糖酵解和磷酸戊糖通路。红细胞能量代谢的主要作用：①能够维持血红蛋白内的铁处于二价铁形式；②维持红细胞内的高钾、低钠、低钙状态；③维持红细胞内酶、血红蛋白中的巯基团处于激活和还原状态；④并且维持红细胞的正常形态。

（一）葡萄糖无氧酵解

1.无氧糖酵解 成熟红细胞只能靠葡萄糖的无氧酵解获取能量。葡萄糖只有通过细胞膜进入红细胞内才能被利用，葡萄糖进入红细胞内并非靠简单的弥散作用，红细胞膜含有可与葡萄糖和其他糖类结合的载体，葡萄糖结合到细胞膜载体上，然后在细胞内面被释放。在葡萄糖的无氧酵解途径中葡萄糖分解为丙酮酸或乳酸。通过无氧酵解途径，每1mol葡萄糖分解可使4molADP磷酸化为ATP，但同时无氧酵解中必须消耗2molATP，因此，代谢1mol的葡萄糖净获得2molATP（葡萄糖无氧酵解途径见图6-3）。

2.2，3-二磷酸甘油酸（2，3-DPG）支路 成熟红细胞糖酵解与其他细胞不同之处是2，3-二磷酸甘油酸（2，3-DPG）的生成。红细胞中含有大量的2，3-DPG，比糖酵解中间物的其他有机磷酸酯高出数百倍甚至千倍以上，而一般细胞中2，3-DPG的含量则甚微。这是因为红细胞中存在两种特殊的酶类，即三磷酸甘油酸（DPG）变位酶和2，3-DPG磷酸酶。这两种酶所催化的反应是不可逆的。2，3-DPG生成支路为：在通常的糖酵解生成的中间产物1，3-二磷酸甘油酸，有15%～50%在DPG变位酶的催化下转变为2，3-DPG，后者再在2，3-DPG磷酸酶催化下水解为3-磷酸甘油酸而进一步酵解成乳酸。这种经2，3-DPG的侧支循环，称为2，3-DPG支路，随着介质中葡萄糖的不断消耗，2，3-DPG可逐渐取代葡萄糖而成为红细胞的能源。每分子2，3-DPG经3-磷酸甘油酸酵解途径代谢，可在丙酮酸激酶阶段由一分子ADP合成一分子的ATP。该支路的代谢调节不但决定ADP磷酸化为ATP的量，同时也调节细胞内2，3-DPG的浓度。2，3-DPG更主要的生理功能是调节血红蛋白的带氧能力，红细胞中2，3-DPG与血红蛋白的结合，稳定了血红蛋白的空间构象，有利于氧向组织内输送。

图6-3　葡萄糖无氧酵解途径

注：HK.己糖激酶；GPI：葡萄糖磷酸异构酶；PFK：磷酸果糖激酶；TPI：磷酸丙糖异构酶；GADP：甘油醛磷酸脱氢酶；DPGM：二磷酸甘油酸变位酶；MHbR：高铁血红蛋白还原酶；DPGP：二磷酸甘油酯磷酸酶；PGK：磷酸甘油酸激酶；PGM：磷酸甘油酸变位酶；PK：丙酮酸激酶；LDH：乳酸脱氢酶；NAD＋：氧化型烟酰胺嘌呤二核甘酸；NADH：还原型烟酰胺嘌呤二核甘酸

3.糖酵解的酶缺乏 当控制某种酶的基因发生突变时，合成的酶蛋白分子结构异常，酶活性下降结构不稳定，使红细胞易破碎溶血。现发现有十几种酶缺陷与溶血有关，有己糖激酶（HK）、葡萄糖磷酸异构酶（GPI）、丙酮酸激酶（PK）、磷酸果糖激酶（PFK）等。葡萄糖的无氧酵解途径代谢也可以形成NADH的形式，给红细胞提供还原能力，循环中的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）、6-磷酸葡萄糖脱氢酶（6-PGD）等缺乏，G6PD缺乏症为最常见。

（二）磷酸戊糖途径

红细胞内并非所有的葡萄糖均通过无氧酵解途径代谢，5%～10%的葡萄糖进入磷酸戊糖通路。在此通路中，6-磷酸葡萄糖在第一步反应中被氧化生成6-磷酸葡萄糖酸和CO2，同时NADP＋被还原为NADPH。葡萄糖脱碳酸基后形成的磷酸戊糖经一系列的分子重排，最终形成丙糖、3-磷酸甘油醛、己糖和6-磷酸果糖等中间产物，然后再重新进入糖氧化分解代谢途径的一条旁路代谢途径。该旁路途径的起始物是葡萄糖-6-磷酸，返回的代谢产物是3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖，其重要的中间代谢产物是5-磷酸核糖和NADPH。整个代谢途径在胞液中进行，其中有6-磷酸葡萄糖脱氢酶的参与。NADPH主要的一个功能是作为供氢体，参与体内的合成代谢，参与脂肪酸、胆固醇合成等，参加对代谢物的羟化反应，维持巯基酶的活性，使氧化型谷胱甘肽还原，维持红细胞膜的完整性，由于6-磷酸葡萄糖脱氢酶遗传性缺陷可导致蚕豆病，表现为溶血性贫血。

（三）谷胱甘肽途径

红细胞内含有高浓度（约2mol）的含巯基还原型3肽物质——还原型谷胱甘肽（GSH），红细胞内GSH很快被氧化，其半衰期约4d。

生理状态下，谷胱甘肽几乎全部是还原型（GSH）。谷胱甘肽可在红细胞内合成，它的合成原料为谷氨酸，半胱氨酸和甘氨酸。其合成过程为谷氨酸与半胱氨酸在ATP和γ-谷氨酸半胱氨酸合成酶的参与下，缩合成二肽γ-谷氨酸半胱氨酸，后者与甘氨酸在ATP和谷胱甘肽合成酶的参与下缩合成谷胱甘肽。

GSH具有重要的生理功能。它能通过GSH过氧化酶，还原体内生成的过氧化氢（H2O2），以消除后者对Hb、酶和膜蛋白上的巯基（-SH）的氧化作用，维持其生物活性。在此反应中，GSH还原H2O2成H2O，而自身氧化为氧化型谷胱甘肽（GSSG）。GSSG可经红细胞中谷胱甘肽还原酶的催化，利用磷酸戊糖旁路所生成的NADPH，重新还原成GSH。当磷酸戊糖旁路中最常见的6-磷酸葡萄糖脱氢酶（6-PGD）缺失时，病人容易发生溶血现象。6-PGD缺乏所致溶血机制比较复杂。一般认为，在该病患者的红细胞中，NADPH生成受阻，因此还原型谷胱甘肽（GSH）含量减少。由于GSSG和GSS-Hb增多，致使Hb解链和变性，形成Heinz小体。Heinz小体形成后，红细胞表面电荷和形态可塑性均发生相应的改变，如红细胞膜变得僵硬易破碎，不易通过脾窦（或肝窦）小孔，因阻留而被破坏致使溶血。

（四）网织红细胞代谢

网织红细胞的能量代谢比衰老红细胞要活跃得多，对调节糖酵解速率起主要作用的网织红细胞由于具有线粒体，含有完整的线粒体酶系统，因此网织红细胞内葡萄糖不仅通过糖无氧酵解途径和磷酸戊糖通路代谢，也可通过三羧酸循环代谢。网织红细胞的耗氧量是成熟红细胞的60倍，葡萄糖的消耗量比成熟红细胞高7.5倍以上。网织红细胞的这种能量代谢特点使其能以很高的速率促进ADP磷酸化为ATP，并提供合成血红素所需琥珀酸。