Lecture 3 RBC Energy Metabolism Hemoglobin Metabolism Rodak
Lecture 3 RBC Energy Metabolism; Hemoglobin Metabolism Rodak 혈액학 Chapter 9, Chapter 10 Elaine M. Keohane, Ph. D, MLS(ASCP), SH keohanem@shrp. rutgers. edu Rutgers-The State University of New Jersey School of Health Related Professions and Kyung Jin Cho, Ph. D chokj@korea. ac. kr Korea University, College of Health Sciences Mar 22, 2019 1
ENERGY METABOLISM and MEMBRANE PHYSIOLOGY of the ERYTHROCYTE Chapter 9 (Rodak혈액학 p 114 -126) Chapter Author: George A. Fritsma 2
√ 해당과정 Breakdown of Glucose 적혈구는 mitochondria 없어 에너지생성에 혈장내 glucose를 이용하는 해당작용에 의존 Glucose 대사의 90~95%는 무산소 상태 하에서의 Embden-Myerhoff 경로를 통해 이루어 짐 Glucose 대사의 5~10%는 유산소 상태 하에서의 Hexose Monophosphate 분로 를 통해 이루어 짐 Fig 9 -1 Rodak BF, Fritsma GA, Keohane EM. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2012, p 105. Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc.
√ Embden Myerhoff 경로 (EMP) Glucose √ 무산소상태 하 해당(혈장 포도당)작용 Hexokinase √ 포도당 대사의 ~90 -95%는 EMP 통해 √ 2 ATP분자 생산 (4 ATP생성-2 ATP소 비) 1 ATP - 1 ATP ADP Glucose 6 -phosphate (G 6 P) 2 Fructose 6 -phosphate Phosphofructokinase 3 ATP - 1 ATP ADP Fructose 1, 6 -bisphosphate Dihydroxyacetone phosphate(DHAP) Enzymes 1 Hexokinase 2 Glucose phosphate isomerase 3 Phosphofructokinase 4 Fructo biphosphate aldolase 5 Glyceraldehyde 3 -phosphate dehydrogenase 6 Phosphoglycerate kinase 4 Glyceraldehyde 3 -phosphate(G 3 P) 5 1, 3 -Bisphoglycerate (1, 3 -BPG) ADP + 2 ATP 6 Phosphoglycerate kinase ATP 3 -Phosphoglycerate(3 -PG) 7 2 -Phosphoglycerate(2 -PG) 8 Phosphoenolpyruvate Pyruvate kinase 9 7 Phosphoglyceromutase Pyruvate 8 Phosphopyruvate hydratase (enolase) 10 9 Pyruvate kinase 10 L-Lactate dehydrogenase Lactate ADP ATP + 2 ATP NADH NAD
EMP에서의 효소 결핍 Stage I Glucose 유전 비-구형 용혈빈혈 (HNSHA)과 관련 된 효소결핍: 1 Hexokinase* 3 Phosphofructokinase* 6 Phosphoglycerate kinase** 9 Pyruvate kinase* 1 (- 1 ATP) Glucose 6 -phosphate Fructose 6 -phosphate Dihydroxy acetone phosphate * Autosomal recessive ** X-Linked 3 (- 1 ATP) Fructose 1, 6 -bisphosphate Stage II Glyceraldehyde 3 -Phosphate 1, 3 -Bispho. Glycerate 6 (+ 2 ATP) 3 -Phosphoglycerate √ Pyruvate kinase 결핍증: - G 6 PD결핍 다음으로 많이 나타나는 결핍증상 혈구(세포질) 내 K+소실과 Na+축적 결과적으로 HNSHA* 유발 Burr cells 나타나기도 함 2 -Phosphoglycerate Phospho. Enolpyruvate √ 9 (+ 2 ATP) Pyruvate (환원) Lactate *: hereditary non-spherocytic hemolytic anemia (유전비구형용혈빈혈) Stage III
Hexose Monophosphate 분로 (HMS) 1 √ 과산화물 해독 H 20 H 2 02 산화제로부터 혈색소 철의 산화 방 지 Glutathione Peroxidase 산화형 Glutathione (GSSG) √ 환원형 Glutathione (GSH) √ 유산소 상태하 해당작용; ~5 -10% Glucose to HMS; 산화stress는 HMS활성 증강 Glutathione Reductase EMP: Glucose NADP Glucose 6 -P 해당작용의 5 -10% NADPH √ G-6 -P-D* Fructose 6 -P Fructose 1, 6 -bi. P 6 -P-Gluconate 2 Formation of 5 Carbon Sugars Ribulose 5 -P Glyceraldehyde 3 -P 1, 3 -bis. P-Glycerate 3 -P-Glycerate √ Glucose-6 -Phosphate Dehydrogenase결핍: 2 -P-Glycerate P-Enolpyruvate Pyruvate 해당작용의 90 -95% Nucleotide Metabolism Lactate - 가장흔한 효소결핍 X 염색체 상 G-6 -PD유전자돌연변이가 결핍원인 G-6 -PD 결핍: Hb (철)이 산화되어 methemoglobin으로 전환 Hb 산화는 글로불린 변성으로 혈구막에 침전: Heinz Bodies RBCs 수명감소(용혈)로 인한 빈혈 발생 8
Methemoglobin Reductase Pathway - 헴철은 산소와 과산화물에 항상 노출 즉, 과산화물은 헴철 산화시켜 Met. Hb(Fe 3+) 생성 Glucose 6 -P Fructose 1, 6 -bi. P Glyceraldehyde 3 -P GPDH 1 NADH 1, 3 -bi. P-Glycerate - HMS에서 NADPH가 Hb산화를 막을 수 있지만, 일단 형성된 Met. Hb을 환원시키는 것은 매우 비효율적 임 - 그에 비하면, Met. Hb환원(Cytochrome b 5환원)효소는 NADH가 산화되면서 떨어져 나온 H+를 이용하여 met. Hb (Fe 3+헴철)을 Hb(Fe 2+ 헴철)로 효율적으로 환원시킴 Hemoglobin (Fe+2) Methemoglobin Reductase (Cytob 5 R) √ Keeps Hb in reduced form Methemoglobin (Fe+3) 3 -P-Glycerate Enzyme 2 -P-Glycerate P-Enolpyruvate Pyruvate Lactate 1 Glyceraldehyde 3 -phosphate dehydrogenase
Rapaport-Luebering Pathway - BPG mutase가 1, 3 -BPG를 2, 3 -BPG로 이성체화(①) - 2, 3 -BPG는 Hb의 O 2 결합부위에 결합하여 O 2를 조직으로 밀어 냄 (즉, 혈색소분자의 조직에 산소운반능력 증강) - 1, 3 -BPG의 2, 3 -BPG로의 전환은 2개의 ATP생성을 희생하고, 그에 더하여 그 하류의 PK수준에서의 ATP 생성도 희생하여, 4개의 ATP생성이 억제 됨 Fructose 1, 6 -bi. P 2 1 Biphosphoglycerate mutase 2 Biphosphoglycerate phosphatase Glucose 6 -P Fructose 6 -P √ 2, 3 -BPG는 Hb결합부위에서 O 2 와 경합하고 , Hb로부터 조직으로 O 2 방출 촉진 1 2, 3 -Bisphoglycerate (2, 3 -Diphosphoglycerate) Enzymes Glucose Glyceraldehyde 3 -P 1, 3 -bis. P-Glycerate * ATP deficiency 3 -P-Glycerate 2 -P-Glycerate P-Enolpyruvate * ATP deficiency Pyruvate Lactate (2, 3 -BPG)
RBC Membrane 11
RBC막 구조 √ Lipid bilayer: 인지질, cholesterol, 지방산으로 구성. 막 효소는 막과 혈장 내 콜레스테롤의 정기적 교환을 통해 막 내에서는 일정한 콜레스테롤 농도유지 • RBC막에 단백, 당지질 등이 침투 (8% 탄수화물; 52% 단백질; 40% 지질로 구성 ) • 단백 세포골격: 적혈구막 바로 아래쪽에 단백골격 위치 • RBC막은 유동성과 신축성 Phospholipids: Hydrophilic heads Hydrophobic Acyl tails Hydrophilic heads http: //www. med-ed. virginia. edu/courses/path/innes/rcd/hemo. cfm © 1998 – 2008 by the Rector and Visitors of the University of Virginia Cytoskeleton 14
RBC Membrane Phospholipids • 적혈구막 내 Cholesterol-PL 비: 막의 변형성 유지를 위해 막효소에 의해 동량으로 균형이룸 √ 인지질의 비대칭(asymmetry)분포: 적혈구형태유지에 도움 [phosphatidylcholine, sphingomyelin: 바깥층에 더 많이 분포 phosphatidylserine(PS), phosphatidyethanolamine(PE): 안쪽 더많이 분포] • 노쇠한 적혈구에서는, PS이 혈구 막 밖으로 튀어나가, 많이 분포하면, PS수용체가 발현된 MØ가 노쇠적혈구 탐식 • 간질환(담즙산↓): 혈구막 cholesterol↓로, 탄력성↑target cell 출현 Outer Plasma Layer Inner Cytosol Layer (중성) Phosphatidyl. Choline, Sphinogphospholipid 성분 더 많이 분포 PE, PS 성분이 더 많이 분포; Sickle cell A. , thalassemia, old RBC에서 PS flips out (극성) 15
RBC Membrane Proteins Transmembrane(막관통)단백 vs Skeletal(골격)단백 Proteins: 지지구조 수용체 Ion 펌프 효소 항원 Fig 9 -2 Keohane EM et al. Hematology. Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016, p 118. Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc. 16
골격단백(skeletal protein): Peripheral Proteins • 혈구막 바로 밑에 존재 하면서 세포형태를 유지 하는 단백성분 • 세포골격 구성 • • • Spectrin Ankyrin Actin Protein 4. 1 Others Fig 9 -2 Keohane EM et al. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016, p 118. Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc. 19
Spectrin – Cont’d 서로 붙들어주는 다른 골격단백들과 함께 이차원격자를 형성하고 막통과 단백(transmembrane)과 연결하여 혈구 형태를 유지 함 Fig 9 -4. Keohane EM. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016 p 119. Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc. 21
기타 골격단백 (Other Skeletal Proteins) • Ankyrin에 의해 Spectrin chain이 band 3에 결합 됨 • Spectrin은 protein 4. 1과 actin에 의해 glycophorin에 결합 됨 • Spectrin 이량체-이량체 결합 이상이나, spectrin-ankyrin-P 4. 1 R 결합의 유전적 이상: 유전타원적혈구증 유발 Fig 9 -2. Keohane EM. Hematology. Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016, p 118. Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc. 22
Hemoglobin Metabolism Chapter 10 (Rodak혈액학 p 127 -140) Chapter author: Keohane EM 24
Hemoglobin Structure √ Hemoglobin: 4 Polypeptide chains + 4 Heme (Protoporphyrin IX + iron) Fig 10 -1 Keohane EM, et al. , Rodak Hematology, 5 th Ed. , 2016 p 125 26
√ Heme = Protoporphyrin IX + Iron √ √ Biliverdin Heme은 중심부에 Fe++ 하나를 함유하는 Protoporphyrin IX 임 Fig 10 -2 Keohane EM, et al. , Rodak Hematology, 5 th Ed. , 2016 p 125
혈색소 발생-Polypeptide Chains √ 각 글로불린 사슬은 141(α계열)~146(β계열)개 아미노산으로 구성 • 각 글로불린 사슬은 그리스어로 표시 됨 • 각 polypeptide의 접혀진 3차구조는 heme이 위치할 pocket을 형성 Symbol (gene) Chain # amino acids A G Alpha 141 Beta 146 Gamma A* 146 Gamma G* 146 Delta 146 Epsilon 146 Zeta 141 A has alanine in pos 136; G has glycine in position 136 Table 10 -1 Keohane EM, et al. , Rodak Hematology, 5 th Ed. , 2016 p 125 28
√ 혈색소 발생- Heme합성과정 ① ② ④ ③ Fig 10 -5 Keohane EM, et al. , Rodak Hematology, 5 th Ed. , 2016 p 128
Hemoglobin 합성 Mitochondria Cytosol Globin 합성 Fig 10 -5 Rodak혈액학, 5 th Ed. , 범문에듀케이션, 2019 p 131
Hemoglobin Synthesis Enzymes Mitochondria Succinyl Co. A + Glycine 1 Aminolevulinic Acid (ALA) 2 Hemoglobin tetramer Porphobilinogen (PBG) 3 1 Aminolevulinic acid (ALA) synthase 2 ALA dehydratase 3 PBG deaminase 4 Uroporphyrinogen III synthase 5 Uroporphyrinogen decarboxylase 6 Coproporphyrinogen oxidase 7 Protoporphyrinogen oxidase 8 Ferrochelatase Hydroxymethylbilane 4 2 2 dimer + Heme 1 1 dimer + Heme Uroporphyrinogen III 5 Coproporphyrinogen III Heme 6 Protoporphyrinogen IX 7 Heme Protoporphyrin IX + Fe 2+ 8 35
조혈과 Globin사슬 생성 (A) Fig 10 -6 A Keohane EM, et al. , Rodak Hematology, 5 th Ed. , 2016 p 129 36
조혈과 Globin사슬 생성 (B) 환 전 - 임신 후반기에서 출산 직전 chain 합성 감소 시작 출생 후 chain 합성 증가 시작 √ - switching: 출생 후 2 -3 months Fig 10 -6 B Keohane EM, et al. , Rodak Hematology, 5 th Ed. , 2016 p 129 37
Hemoglobin 기능 • 조직에 산소운반 • 혈색소분자 내 Iron(Fe++)이 O 2 운반 √ Active hemoglobin – 환원상태의 철 Fe 2+ , “ferrous” Ø Inactive hemoglobin – 산화상태의 철 Fe 3+ , “ferric” 40
2, 3 -BPG는 탈산소의 긴장상태: Hb tetramer의 안정화 √ √ 2, 3 -BPG 는 T 상태를 지원 산소친화성 보다 많은 O 2 를 조직에 방출 2, 3 -BPG 는 R상태를 지원 산소친화성 보다 적은 O 2 를 조직에 방출 Fig 10 -8 Rodak BF, Fritsma GA, Keohane EM. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2012, p 122. Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc. 43
p. H강하는 Salt Bridge형성 지원 “T” Form [H+] or p. H 는 “T” 상태 지원 O 2 친화성 보다 많은 O 2 를 조직에 방출 해리곡선을 우방이행 Bohr Effect ¯ [H+] or p. H 는 “R”상태지원 O 2 친화성 보다 적은 O 2 를 조직에 방출 해리곡선을 좌방이행 Fig 10 -8 Rodak BF, Fritsma GA, Keohane EM. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2012, p 122. Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc. 44
혈색소의 산소해리곡선 A = Normal B = 좌방이행 혈색소의 O 2 친화성 (P 50 낮아짐) 조직에 O 2 방출 C = 우방이행 혈색소의 O 2 친화성 (P 50 높아짐) 조직에 O 2 방출 18 27 32 [산소해리곡선 이동요인 ] p. O 2 Bohr 효과: 혈액의 p. H변화에 기반하여 해리곡선이 이동 2, 3 -BPG 체온, Fig 10 -7 Rodak BF, Fritsma GA, Keohane EM. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2012, p 121 Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc. 45
- Slides: 50