讨论:血红蛋白及相关疾病

总论

• 血红蛋白是红细胞中用于运输氧气的蛋白质。
• 血红蛋白结构变化会引起若干种疾病，既有先天的（遗传的），也有环境引起的。

血红蛋白的结构

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图1：血红蛋白

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图2：血红素

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图3：氧气与血红蛋白亚基相连

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图4：R型和T型构象

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图5：稳定T型构象的离子相互作用

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图6：血红蛋白结合比例对氧气浓度的曲线

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图7：协变模型和MWC模型

• 血红蛋白由四个亚基组成。（图1）
• 血红蛋白的亚基分为α、β、γ、δ、ε、ζ六种。
• 每个血红蛋白含两种亚基，每种2个。（病理状态下也会出现4个亚基是同一种的情况，见下文）
• 怀孕6周时，胚胎开始出现红细胞，血红蛋白由卵黄囊合成，主要含：Portland型（ζ₂γ₂）、Gower I型（ζ₂ε₂）、Gower II型（α₂ε₂）。
• 怀孕8周起，主要由肝合成血红蛋白。
• 怀孕10-11周时，主要的血红蛋白是HbF型（α₂γ₂），也有HbA型。
• 怀孕18周起，血红蛋白合成逐步从肝移至骨髓。
• 怀孕38周至终身，主要的血红蛋白是HbA型（α₂β₂），也有部分HbA₂型（α₂δ₂），还有极少数HbF型。
• 人类基因组中有两个基因编码α亚基，外显子完全一样，内含子略有区别，称为α₁和α₂，主要表达的是α₂。（都在16号染色体上）
• 成年人体内含HbF型的红细胞称为F细胞。
• 严重溶血性贫血（包括镰刀型细胞贫血症、地中海贫血，见下文）、骨髓移植、癌症化疗、注射羟基脲（Hydroxyurea）会使F细胞增多。
• 丁酸（Butyrate）、组蛋白脱乙酰基酶抑制剂（Histone Deacetylase Inhibitor）能促进γ亚基转录，使F细胞增多。
• 血红蛋白亚基的基本结构都是8个α螺旋（记作A,B,...,H），α亚基少一个D螺旋。
• 每个血红蛋白亚基与一个血红素（Heme）共价相连。
• 血红素是一类卟啉（Porphyrin），人体中的血红素称为血红素b，实际上是原卟啉IX。
• 血红素中心是一个Fe²⁺，成6个配位键。
• 4个配位键与血红素的4个氮原子相连，1个与亚基的组氨酸残基相连，1个与氧气分子相连。
• 氧气还会通过氢键与另一个组氨酸残基相连，此残基称为远端His残基。（图3）
• 血红蛋白亚基有两种构象：R型、T型。（图4、5）
• R型构象对氧气的亲和度较高，但没有氧气时T型构象更稳定。
• 氧气与血红蛋白亚基结合后，亚基构象改变，对氧气亲和度增大，因此结合比例对氧气浓度的曲线不再是双曲线，而是S形线。（图6）
• 血红蛋白亚基构象变化方式有两种模型：协变模型（Concerted Model，又名MWC模型）、顺序模型（Sequential Model）。（图7）
  • 协变模型认为4个亚基只能同时变化构象。
  • 顺序模型认为4个亚基可逐个变化构象。
  • 但近期的实验结果认为两个模型都不恰当。
• H⁺、CO₂也能和血红蛋白亚基结合，它们会降低血红蛋白对氧气亲和度。（血液中只有20%的CO₂被血红蛋白运输，其它以CO₃^-（主要）和溶解的CO₂存在。）
• pH较低时血红蛋白能向组织释放更多氧气，称为Bohr效应。
• CO与血红素结合的亲和度比氧气大上万倍，但与血红蛋白结合后它的结合亲和度降低到了百分之一。
• CO与血红蛋白亚基结合时，蛋白质中其它亚基对氧气亲和度会大幅增加。（这会在肺中保持氧气结合量，但会大幅减少组织中氧气释放量）
• 2,3-二磷酸甘油酸（BPG）能抑制血红蛋白和氧气结合。（是别构调节的典型例子）
• 一个血红蛋白分子（注意不是亚基）只能与一个BPG分子结合，只能在T构象时与之结合。
• BPG用于将释放给组织的氧气量控制在血液能运输的总量的40%。
• 移动至海拔较高处时、组织缺氧（Hypoxia）时，BPG含量会增加。
• ATP、GTP、磷酸肌醇也有类似BPG的效果。
• HbF型血红蛋白对BPG的亲和度低得多。
• 很多阴离子，特别是Cl-，能抑制血红蛋白和氧气结合。
• 红细胞有HCO₃^-/Cl^-交换体，CO₂释放较多时Cl^-会进入红细胞，抑制血红蛋白与氧气结合。

血红蛋白相关疾病

图8：紫绀

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图9：贫血分类

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图10：镰状细胞贫血相关疾病

图11：铁粒幼细胞

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图12：能引起正常红细胞贫血的疾病

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图13：溶血引起的贫血

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图14：地中海贫血

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图15：人类血红蛋白亚基位置

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图16：血红蛋白亚基表达不平衡引起多种症状

高铁血红蛋白症（Methemoglobinemia）

• 血红蛋白中的铁离子必须处于二价才能运载氧气。
• 红细胞利用细胞色素b₅还原酶（Cytochrome b₅ Reductase）和NADH将三价铁离子还原为二价。
• 先天细胞色素b₅还原酶缺陷、接触强氧化剂或其它药物会使一部分铁离子氧化为三价。
• 血红蛋白中一个铁离子变为三价，其余亚基对氧气亲和度会增加。（但向组织释放的氧气就会变少）
• 能引起高铁血红蛋白症的药物：（亚）硝酸（Nitrate, Nitrite）、苯胺（Amiline）、醋氨酚（Acetaminophen）、氨苯砜（Dapsone）、硝普钠（Nitroprusside）、硝酸戊酯（Amyl Nitrate）、亚硝烷酯（Amyl Nitrite，毒品）、普鲁卡因（Procaine，麻醉剂）、可卡因（Cocaine，毒品）。
• 含大量三价铁离子的血液呈深棕色，此时病人皮肤出现紫绀（Cyanosis）。
• 三价铁离子主要集中在较老的红细胞中。
• 先天高铁血红蛋白症患者体内，含三价铁的血红蛋白约占10-35%，患者一般没有生命危险。
• 含三价铁的血红蛋白达到20%时，会头晕；达到30%时，会有心动过速；达到50%时，会感到虚弱、意识模糊；达到70%时，会休克死亡。
• 可用口服维生素C或B₂减轻紫绀症状。

贫血（Anemia）

• 血液中的血红蛋白总量较低，会引起贫血。
• 贫血种类很多，既有先天的，也有环境引起的。
• 贫血的常见症状：疲劳（Fatigue）、呼吸困难（Dyspnea）、静息血排出量（Resting Cardiac Output）增加、心口（Precordium）不适、晕眩（Dizziness）、头痛（Headache）、晕厥（Syncope）、耳鸣（Tinnitus）、易怒（Irritable）、失眠（Insomnia）、注意力不集中、怕冷、消化不良（Indigestion）、厌食（Anorexia）、呕吐（Nausea）、闭经（Amenorrhea）、阳痿（Impotence）、脸色苍白（Pallor）。
• 组织缺氧时，会向血液释放HIF转录因子，它促进肾和肝释放红细胞生成素（Erythropoietin）。（几乎所有动物都能产生HIF）
• 贫血的原因有：失血、溶血、红细胞产生不足。
• 失血引起的贫血分为急性失血（包括溶血症）和慢性失血。
• 慢性失血通常由消化道或子宫的伤口引发，症状与缺铁贫血类似。
• 因红细胞产生不足的贫血，根据红细胞的形态，可将贫血分为小红细胞贫血（Microcytic）、大红细胞贫血（Macrocytic）、正常红细胞贫血（Normocytic）。
  • 小红细胞贫血：缺铁、地中海贫血（Thalassemia）、铁粒幼细胞贫血（Sideroblastic Anemia）。
  • 大红细胞贫血：缺维生素B₉、B₁₂（统称为巨红细胞贫血，Megalocystic Anemia）、急性失血或溶血、酒精中毒、肝病、甲状腺激素过低（Hypothyroidism）。（旧称缺维生素B12为恶性贫血（Pernicious Anemia），现此词与巨红细胞贫血同义）
  • 正常红细胞贫血：白血病（Leukemia）、骨髓衰竭、脊髓发育不良（Myelodysplasia）、脊髓痨（Myelophthisis）、再生屏障性溶血（Aplastic Anemia）、其它疾病并发症（图12）。
• 溶血引起的贫血较不常见，原因见图13。
• 小红细胞贫血都是由于血红蛋白的某一部分合成不正常引起的。
• 卟啉环合成受阻，则铁颗粒在红细胞中聚集，形成铁粒幼细胞，称为铁粒幼细胞贫血。（图11）
• 铁粒幼细胞的平均体积实际上比正常红细胞大，但由于其大小分布很不均匀，且病理机制与其它小红细胞贫血类似，故算作小红细胞贫血。
• 有一种检验戒酒的方法是测红细胞平均体积是否略大。
• 正常红细胞贫血分为骨髓内病变和骨髓外病变（通常是其它疾病并发症）。
• 骨髓内病变造成的贫血通常伴随白细胞减少（Leukopenia）、血小板减少（Thrombocytopenia）。（但细胞减少也可能是脾功能亢进（Pancytopenia）或巨红细胞贫血）
• 某些情况下，血红蛋白对氧气的亲和度降低，此时即使血红蛋白总量较低，也能向组织提供足够氧气，称为伪贫血（Pseudoanemia），通常不需治疗。

镰状细胞贫血

• 镰状细胞贫血源于β亚基第6个氨基酸残基从谷氨酸变为缬氨酸。
• 变异β亚基在没有氧气时能多聚化形成胶质网状结构。
• 上述结构会使红细胞膜僵化，黏性增大，钾离子外流，钙离子内流，脱水，形成镰刀状。（称为镰刀细胞）
• 镰刀细胞会黏在血管内皮上，导致毛细血管堵塞，组织缺血，急性疼痛，终末器官衰竭。
• 结缔组织和肌肉组织缺血会导致剧痛、压痛、发烧、心动过速、焦虑，统称痛苦危机（Painful Crises）。
• 其它症状包括骨头无菌性坏死（Aseptic Necrosis）、胆结石（Gallstone）、阴茎持续勃起（Priapism）、踝关节溃疡（Ankle Ulcer）。
• 脾能清除镰刀细胞，但也会导致严重溶血。
• 镰刀细胞贫血杂合者通常无临床症状，偶有血尿，对疟疾（恶性疟原虫）有较强抵抗力。（因此携带者主要集中在非洲）

镰状细胞贫血类似变异

• β亚基第6残基谷氨酸变为赖氨酸，称为C型血红蛋白贫血（HbC Anemia），红细胞僵化但不会成镰刀状。
• 纯合C型红细胞贫血只有轻度贫血症状，但会伴随缺血性梗塞（Ischemic Infarct）。
• HbC和HbS杂合时，称为HbSC贫血，呈现尿血、痛苦危机、骨头无菌性坏死。
• β亚基第26残基谷氨酸变为赖氨酸，称为HbE贫血，呈现小红细胞贫血、脾肿大（Splenomegaly），类似地中海贫血，携带者集中在东南亚。

地中海贫血

• 地中海贫血是世界上患者最多的单基因遗传病，集中在（东）南亚、中东、地中海、中北非。
• 地中海贫血源于某一血红蛋白亚基表达的减少，可能是被删除，也可能是调控序列变异。
• 类似于镰状细胞贫血，地中海贫血也对疟疾（恶性疟原虫）有较强抵抗力。
• 若一个染色体上的某一血红蛋白亚基（如α亚基）表达减少，记该染色体为α⁺，若完全不表达，则记作α⁰。（若表达减少不明显，可记作α⁺⁺，更常见于β）
• 同源染色体中有一条正常，而另一条为α⁺或α⁰，称为轻型α地中海贫血（α-Thalassemia Minor）。（类似地有轻型β地中海贫血、δβ地中海贫血、γδβ地中海贫血、αβ地中海贫血）
• 两条染色体都不正常，但不都是α⁰，称为中间型α地中海贫血（α-Thalassemia Intermedia）。（类似同上）
• 两条染色体都是α⁰，称为重型α地中海贫血（α-Thalassemia Major）。（类似同上）
• α地中海贫血会影响胎儿（胎儿水肿，Hydrops Fetalis），β地中海贫血则不会。
• α⁺的最常见形式是16号染色体上一个α基因丢失。
• 一个α基因丢失的最常见原因是减数分裂时发生了不对称的联会。（此时性原细胞中另一条染色体会携带三个α基因）
• 不对称联会最可能导致16号染色体上丢失3.7 kb或4.2 kb的序列，分别记作-α^3.7和-α^4.2。（丢失长度在2.5 kb - 5.3 kb都有可能）
• 丢失长度若超过5.2 kb，最可能造成α⁰。（最常见的三种α0分别称作东南亚型、地中海型、菲律宾型）
• 不发生序列丢失也可能产生α⁺和α⁰，少见，记作α^T或α^α，最常见原因是表达调控序列中少数关键序列变异。（最常见变异称为恒流泉型（Constant Spring），它影响血红蛋白的终止子TAA）
• 基因变异不一定发生在亚基的基因内部，可能通过反式调控因子发挥作用。
• β基因丢失少见，在印度和巴基斯坦流行3‘端丢失619 bp。
• 地中海贫血一般是隐性遗传，但部分亚基变异会产生不稳定蛋白质，在合成后迅速分解，有时（常见于β）不稳定蛋白质会影响正常蛋白质的稳定性，此时地中海贫血呈现显性遗传。
• β基因丢失有时会使成人保留胎儿的HbA₂型血红蛋白，称为遗传性胎儿血红蛋白持续存在症（Hereditary Persistence of Fetal Hemoglobin，HPFH）。（γ基因调控序列变异也会引起HPFH）
• α地中海贫血症状：
  • α地中海贫血的症状和变异的基因数目密切相关。
  • 一般，患者的（平均每个红细胞中）血红蛋白下降，红细胞平均体积下降，红细胞总数上升、HbA₂略下降。
  • 有时外周血中可见异形红细胞（Poikilocyte）。
  • 若丢失的基因超过2个，可看见高尔夫球形的红细胞，其内有β₄型（HbH）血红蛋白。（此时地中海贫血称为HbH病）
  • 新生儿的红细胞中则包含γ₄型（Bart型）血红蛋白。
  • HbH病的症状有：黄疸（Jaundice）、肝肿大和脾肿大（Hepatosplenomegaly）、脾功能亢进（Hypersplenism）、胆结石（Gallstone）、腿部溃疡、叶酸缺乏、易感染、（手术切除脾后）静脉栓塞。
  • 四个α基因全部丢失时，胎儿严重贫血，各器官肿大，造血减少，骨髓外造血明显，血清蛋白减少，浮肿，心衰，未出生即夭折（或出生不久夭折）。（但外周血呈现大红细胞贫血）
  • 四个α基因全部丢失的胎儿的母亲会出现胎盘滞留（Retained Placenta）、子痫惊厥（Eclampsia）、脓毒症（Sepsis）。
• β地中海贫血症状：
  • 轻型β地中海贫血一般无症状。
  • 中间型和重型β地中海贫血纯合者可以存活，但要从出生开始定期输血和接受铁螯合疗法（减少铁在器官中的病理性积累）。
  • 多出的α亚基不会形成稳定的四聚体，会在红细胞原中形成沉淀，可能刺破细胞膜，造成溶血。
  • 额骨会长肿块，颧骨会突出，造成面部畸形。
  • 胸骨和肋骨周围会出现骨髓外造血组织。
  • 若出生时未恰当输血，则在童年时易感染，易自发骨折，易胆结石和腿部溃疡。