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丙酮酸激酶催化原理与酶缺乏溶血机制

丙酮酸激酶催化原理

成熟红细胞中无细胞核、细胞器,完全依赖于糖酵解提供能量。葡萄糖经糖酵解转化,有两个催化步骤可产生ATP,有3个限速酶在糖酵解途径起关键性作用,丙酮酸激酶(PK)参与ATP生成的催化步骤之一,也是全程代谢的限速酶之一,所以丙酮酸激酶活性对于红细胞的能量供应至关重要。

在辅因子K+、Mg2+或Mn2+存在时,PK催化底物磷酸烯醇丙酮酸(PEP,高能丙酮酸酯)与二磷酸腺苷(ADP)之间反应,使高能磷酸键转移,生成能量物质三磷腺苷(ATP),同时生成丙酮酸。底物PEP和产物丙酮酸参与一系列能量代谢途径和生物合成途径,所以PK活性的精确调控不仅对糖酵解本身极为重要,也为整个细胞代谢不可或缺。K+、Mg2+浓度影响PK结合ADP活性,ATP增高后可反馈抑制PK活性,这种动力学性质伴随酶的松弛型(R,底物高亲和,有活性)和紧张型(T,底物低亲和,无活性)的互换而变化。松弛型受底物PEP和变构调节剂二磷酸果糖(FDP)调节,FDP增加底物亲和力和酶催化活性。紧张型对ATP抑制敏感,在PEP生理浓度下降低底物亲和力和酶催化活性。利用FDP变构调节作用和ATP抑制作用可以鉴定PK缺陷变异性质。

丙酮酸激酶缺乏症溶血机制

从生化代谢层面解释溶血机制,主要可分为以下三种方式。从分子结构解释与表型相关的溶血机制见本章第三节。

能量耗竭

由于丙酮酸激酶(PK)通过催化高能磷酸键转移而直接参与ATP生成,所以PK缺乏导致溶血的根本原因就是ATP耗竭,损伤红细胞的各种功能。

PK缺乏症的网织红细胞主要利用线粒体氧化磷酸化来维持正常ATP水平,需高氧分压和酸性环境。由于网织红细胞比成熟红细胞有较大的黏着倾向,易在脾滞留,而脾氧分压低使网织红细胞氧化磷酸化减弱,导致ATP减少,加重细胞内ATP耗竭,使钠钾泵和钙泵功能障碍,细胞内失K+、脱水,胞膜僵硬,形成致密皱缩的小棘球形细胞(echinocyte),不能顺利通过脾窦,易被巨噬细胞吞噬、破坏,发生溶血。因而PK缺乏症的溶血特点是脾选择性地破坏网织红细胞,切脾后可见网织红细胞明显增高,小棘球形细胞增多予以佐证。

 PK缺乏症外周血涂片小棘球形红细胞:A.切脾术前,偶见棘球形红细胞,红细胞中空区缩小;B、C.切脾术后,小棘球形红细胞明显增多

PK缺乏症外周血涂片小棘球形红细胞:A.切脾术前,偶见棘球形红细胞,红细胞中空区缩小;B、C.切脾术后,小棘球形红细胞明显增多

中间产物蓄积

PK缺乏的红细胞内ATP生成减少,磷酸烯醇丙酮酸不能向丙酮酸转化,使糖酵解反应途径上游的中间产物蓄积,特别是2,3-二磷酸甘油酸(2,3-DPG)可蓄积3倍以上,蓄积的2,3-DPG可阻抑下游糖酵解,同时通过抑制糖酵解起始限速酶己糖激酶(HK)反应进一步损伤糖酵解代谢。此外,蓄积的2,3-DPG还抑制磷酸戊糖旁路的代谢活性,使红细胞抗氧化能力降低,进而加重溶血。

但是另一方面,由于2,3-DPG增加使氧合血红蛋白的氧亲和力下降,向组织释氧较为容易,增加了患者对贫血缺氧的耐受性,所以PK缺乏症的另一溶血特点是贫血耐受,尽管患者贫血至一定程度,但患者自觉症状较轻。

无效造红

另有实验表明,红细胞PK活性与红系前体细胞凋亡数量呈负相关性,PK缺陷可使细胞代谢改变,影响红细胞的成熟,导致骨髓红系无效生成,这是加重贫血的因素,同时也可能与PK缺乏症易继发铁过载有关。

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