2,3-DPG

红细胞生化特性与形态功能的关系

作者:作者：杜彦茹 赵砚丽 作者单位：050051 石家庄市，河北省人民医院麻醉科 来源：医学期刊 / 医

药科学综合收藏本文章

【关键词】 红细胞

人体循环中红细胞每天大约从血浆中摄取30克葡萄糖，其中90%～95%经糖酵解途径和2,3-DPG途径进行代谢，5%～10%通过磷酸戊糖途径进行代谢，红细胞通过糖代谢产生ATP、2,3-DPG等代谢产物，用于维持红细胞的形态和功能。 1 糖酵解

1.1 ATP的产生 糖酵解是红细胞获得能量的唯一途径,每摩尔葡萄糖经糖酵解生成2 mol乳酸的过程中,产生2摩尔的ATP和2 mol的NADH+(氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸),通过此途径可使红细胞内ATP的浓度维持在1.85×10 mol/L水平。 1.2 ATP的功能

1.2.1 维持红细胞膜钠泵的运转： 红细胞主要通过调节细胞内Na+和K+的含量来调节细胞的容积，这些阳离子泵依赖于膜上的Na+-K+-ATP酶，为维持此项功能约需消耗红细胞产生ATP的30%。

1.2.2 维持红细胞内钙环境的恒定：膜上钙泵依赖于ATP主动撵出细胞内钙。如细胞内ATP水平下降低至正常的20%或钙漏进细胞内超过了钙泵的能力，将使细胞内钙积聚，钙沉积在细胞膜上，使红细胞膜丧失其柔韧应变的性质，变得僵硬降低可塑性，使原双凹圆盘形红细胞变成有很多短的有规则突起的球状体-棘状细胞。钙离子是细胞内许多ATP酶、蛋白酶和磷脂酶的激活剂，并直接参与细胞的生理活动，细胞内钙离子大量增加， ATP分解增加而合成减少，导致能量缺乏。蛋白酶与磷脂酶激活后，红细胞膜结构破坏［1-3］，变形能力降低。

1.2.3 维持红细胞膜脂质的更新：红细胞膜脂质的正常组成是需要消耗ATP的，这主要是由于脂酰化反应，当ATP缺失时膜脂质更新受阻，在离体实验中发现，缺乏葡萄糖的红细胞ATP水平下降至1～2×10-4mol/L时，溶血磷脂酰胆碱的脂酰化反应中止，细胞内的溶血磷脂酰胆碱积聚，红细胞变形产生棘状细胞和球状细胞，细胞对阳离子的通透性增加，最终发生溶血。

1.2.4 启动糖酵解通路：尽管红细胞内的糖酵解是产生ATP的唯一途径，但糖酵解途径的启动又依赖于ATP的存在，己糖激酶(HK)和磷酸果糖激酶(PFK)所催化的反应是消耗ATP

的，细胞内ATP水平降至0.4×10-4moL/L或更低是危险的，因葡萄糖的磷酸化水平将受到损害，糖酵解不能启动，ATP水平将更衰减。

1.2.5 维持红细胞正常的双凹圆盘状形态：Marian等［4-6］在研究红细胞保存期间的变化时发现:红细胞如果在适宜的保存液中，尽管形态和代谢会逐渐发生改变，但仍然有很好的活力。红细胞在保存期间ATP、PH值、糖消耗和酶的活力会逐渐下降,正常的双凹圆盘状会逐渐被棘形红细胞和裂口红细胞所代替,最后变为球形红细胞,输入人体后红细胞的存活力与ATP水平有关。

1.2.6 对红细胞血液流变学的影响：文献［7］在研究红细胞保存期间的变化时发现，红细胞的变形能力，渗透脆性，膜的流动性无不与细胞内ATP水平密切相关，人类随着年龄的增长，人体红细胞的ATP水平和变形系数会逐渐下降。 2 2,3-DPG旁路

2.1 2,3-DPG的产生:在红细胞中，糖酵解有一个独特的侧枝循环，其分支点在1,3-DPG (1,3-二磷酸甘油酸)，即1,3-DPG部分经磷酸甘油酸激酶(PGK)催化生成3-磷酸甘油酸(3-PG)直接进入经典的酵解途径；部分在2,3-二磷酸甘油变位酶(DPGM)催化下产生2,3-DPG，2,3-DPG又被2,3-二磷酸甘油酸酶(DPGP)水解成3-PG，3-PG可继续沿着酵解途径生成丙酮酸或乳酸，或经PGK催化逆反应又转变为1,3-DPG，这样就形成了一个循环，也称为Rapoport-Lueberring循环(R-L循环)。 2.2 2,3-DPG与Hb的携氧功能

2.2.1 2,3-DPG与Hb的结合:在生理和大多数病理状态下，2,3-DPG优先与脱氧Hb结合，不能广泛的与氧合Hb结合，2,3-DPG分子易于嵌入脱氧Hb两条逆向β-链空隙中，稳定脱氧Hb的构象，从而降低Hb和O2的亲和力，有利于组织中释放氧。

2.2.2 2,3-DPG影响Hb-O2亲和力的机制：2,3-DPG对Hb-O2亲和力的影响通过两种途径：①直接效应,3-DPG直接与脱氧Hb结合，从而降低Hb对O2的亲和力。②间接效应，即通过改变细胞内pH值而发挥效应。这两种机制在正常细胞中同时发挥作用，但当2,3-DPG浓度超过正常值时，则以后者为主。

2.2.3 2,3-DPG对Hb-O2离解速率的影响: 所谓氧离曲线(ODC)是指Hb与O2联结和离解速率之间的平衡关系。凡使ODC偏移的诸因素都可影响Hb-O2联结或/和离解的速率。2,3-DPG下降可使ODC左移，从而使Hb-O2离解速率减慢，组织中释放的氧减少。因此红细胞内2,3-DPG增强有利于Hb-O2在组织中解离成HbH2，增强组织对缺O2的耐受性，如贫血、慢性缺氧的病人或生活在高原的健康人中2,3-DPG代偿性增加。但2,3-DPG对Hb-O2离解速率的影响受着血浆［H+］和红细胞内［H+］制约。酸血症状态下，［H+］通过Bohr效应使ODC右移，有利于Hb-O2在组织中释放O2，但［H+］又可通过降低2,3-DPG而使ODC左移，

不利于组织利用O2；同样，在硷血症状态下，Bohr效应使ODC左移，而2,3-DPG升高使ODC 右移。两者对ODC的调节中，Bohr效应是持续的。而2,3-DPG作用在某种程度上与红细胞内糖酵解密切相关。 3 磷酸戊糖途径

葡萄糖由己糖激酶催化生成G-6-P(葡萄糖-6-磷酸)，在红细胞内有两个酶竞争，一个是葡萄糖磷酸异构酶催化并导入糖酵解途径，另一个是6-磷酸葡萄脱氢酶催化开始的磷酸戊糖途径，其主要功能是产生NADPH(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸),另一个特殊功能是实现己糖和戊糖互换。NADH(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)和NADPH是红细胞内主要的还原当量，它们具有抗氧化作用，保护细胞膜蛋白，血红蛋白和酶蛋白的巯基不被氧化，从而维持红细胞的正常功能。 4 体外循环与红细胞损伤

随着体外循环理论研究、技术和设备迅速发展，其应用已超过心脏外科领域。体外循环作为一种非生理性机械循环，转流后全身各系统会产生许多并发症，尤其血液的损害最为明显。转流后溶血、贫血、红细胞变形能力下降、聚集性增强，容易阻塞毛细血管引起微循环灌注不良是体外循环病理生理变化和严重并发症的主要原因。如何减少血液损害是体外循环待解决的问题。

4.1 体外循环期间红细胞损伤的因素 体外循环转流中，血液流经不同直径的人工管道、转压泵挤压和心内吸引等处都会产生异常涡流，形成对红细胞作用的切变力，红细胞在体外引力的作用下，变形下降、粘附性增强；体外循环期间血液过度稀释，胶体渗透压下降使体液不断向细胞内和组织间隙转移，引起细胞肿胀，红细胞表面积/体积下降和双凹盘状消失，导致红细胞变形能力下降甚至溶血［8］；体外循环不同时期，通过不同途径导致氧自由基大量产生而形成脂质过氧化损伤，红细胞膜脂质不饱和脂肪酸对氧自由基氧化极敏感，易产生有细胞毒性的脂质过氧物，膜蛋白和血红蛋白受损，红细胞流动性降低，细胞变形能力下降［9］；此外，体液因素、补体系统、中性粒细胞及代谢性酸中毒均可导致红细胞的破坏。

4.2 体外循环期间红细胞ATP、2,3-DPG含量的改变 有研究认为［10］，体外循环期间红细胞ATP含量下降，其原因可能是体外循环可致机体强烈的应激反应，大量应激激素分泌、释放，引起胰岛素合成分泌不足或敏感性降低，易产生严重的糖脂代谢紊乱，致ATP合成减少。万彩红等［11］研究发现，尽管红细胞的形态在体外循环期间有所改变，但其携痒能力变化不明显，红细胞2,3-DPG浓度在体外循环结束时较术前有所增加。其原因可能是外循环期间部分红细胞发生畸变，可能造成红细胞携氧能力降低，此时机体启动内源性代偿机制，通过增加红细胞2,3-DPG的含量，提高红细胞的氧运输能力。

红细胞内ATP、2,3-DPG与红细胞的形态和功能有着密不可分的关系。正常ATP含量水平对维持红细胞的正常形态、变形能力、携氧功能等至关重要。2,3-DPG既是ATP的主要能量储备物，又是调节Hb携氧能力的重要因子，若红细胞内2,3-DPG含量下降，则会引起红细胞携氧能力下降，影响组织氧合。在临床实践中应十分关注围术期麻醉、手术应激、自体输血包括术中自体输血及体外循环对红细胞生化特性和形态功能的影响，并在进行深入研究与探讨。 【参考文献】

1 Halperin JA, Brugnara C,Tosteson MT,et al.Voltage-activited caution transport in human erythrocytes. Am J Physiol,1991,258:C986-C990.

2 Test ST,Mitsuyoshi J,Tosteson M,et al.Activation of the alternative pathway of complement by calcum-loaded erythrocytes resulting from loss of membrane phospholid asymmetry.J Lab Clin Med,1997,130:169-182.

3 Tsien RW,Tsien RY.Calcium channels,stores,and oscillations. Annu Rev Cell Boil,1990,6:715-716.

4 Marian M,Milolajrzak A,Gomulkiewirz J,et al.The effect of ATP on the order and the mobility of lipids in the bovine erythrocyte membrane. Biochim Biophys Acta,1990,1022:361.

5 Leonat MS,Nascimento AJ,Nonoyama K,et al.Correlation of discocyte frequency and ATP concentration inpreserved blood.A morphological indicator of red blood cellviability.Braz J Med Boil Res，1997，30:74-57.

6 Winski SL,Carter DE.Arsenate toxicity in human erythrocytes: characterization of morphologic and determination of the mechanism of damage.J Toxicol Envioron Health A，1998：53:345-55.

7 Tripsa MF,Zaxiu A.Erythrocyte molecular shap modifications in the primary hypertention.Rev Roum Physiol，1990，27:155-159.

8 Mansouri Taleghani B,Grossmann R,Waltenberger G. Storage-induced rheologic and biochemical changes in erythrocyte concentrates with added solutio and possible correlations. Beitr infusionsther transfusionsmed，1996，33:141-144.

9 Hess JR,Hill HR,Oliver CK.Alkaline CPD and the preservation of

2,3-DPG.Transfusion，2002，42:747-52.

10 杨天德，杨玉萍，黄水平，等.体外循环对瓣膜置换病人血细胞胰岛素受体及红细胞ATP含量的影响.中华麻醉学杂志，1997,4:208-210.

11 万彩红，黄培育，杨景，等.体外循环心脏直视手术中红细胞携氧能力的观察.中华心胸外科杂志，2004,5:277-278.

2，3-二磷酸甘油酸

2，3-二磷酸甘油酸支路 红细胞中，2，3-二磷酸甘油酸（2，3-DPG）的重要作用是调节血红蛋白的带O2功能。

成熟红细胞糖酵解与其他细胞不同之处是2，3-DPG的生成。糖酵解中间产物中以2，3-DPG的含量最多（动静脉血中：2，3-DPG的含量是3-磷酸甘油酸的177倍和239倍）。这是因为红细胞中存在二磷酸甘油酸（DPG）变位酶和2，3-DPG磷酸酶。这两种酶催化的反应是不可逆的。2，3-DPG生产支路如图。

在正常情况下，2，3-二磷酸甘油酸对DPG变位酶的负反馈作用大于对3-磷酸甘油酸激酶的抑制作用，所以红细胞中葡萄糖实际上仍是主要经糖酵解生成乳酸。由于2，3-DPG磷酸酶活性较低，致使2，3-DPG生成大于分解，使红细胞中2，3-DPG的含量较高。

红细胞中的2，3-DPG与血红蛋白结合，使血红蛋白的空间构象稳定，降低血红蛋白对O2的亲合力，促使O2和血红蛋白解离。尤其当血液通过组织时，红细胞中2，3-DPG的存在就能显著增加O2的释放以供组织需要。另外，有肺部换气障碍的严重阻寒性气肿的病人和正常人在短时间内由海平面上升至高海拔处或高空时，可通过红细胞中2，3-DPG浓度的改变来调节组织获O2量。