МОДУЛЬ 13 МЕТАБОЛІЗМ ГЕМА ТА ОБМІН ЗАЛІЗУ
13.1. Синтез гема та його регуляція
13.2. Обмін заліза
13.3. Катаболізм гему
Мета вивчення Вміти:
1. Описати діагностичні ознаки порфірій, залізодефіцитної анемії, гемохроматозу, жовтяниця різної етіології, використовуючи знання про молекулярні механізми порушень метаболізму гему та заліза.
2. Інтерпретувати рівні біохімічних показників продуктів катаболізму гему у біологічних рідинах для діагностики різних типів жовтяниць.
1. Роль заліза в метаболізмі, шляхи його надходження, транспорту, депонування, реутилізації та втрат в організмі.
2. Основні етапи синтезу та катаболізму гему.
3. Значення визначення концентрації білірубіну в біологічних рідинах для діагностики жовтяниці різної етіології.
ТЕМА 13.1. СИНТЕЗ ГЕМА ТА ЙОГО РЕГУЛЯЦІЯ
1.Гем є простетичною групою гемоглобіну, міоглобіну, цитохромів, каталази, пероксидази.
2.Гем синтезується у всіх клітинах, але найактивніше синтез йде у печінці та кістковому мозку. Ці тканини потребують великої кількості гему, необхідного для утворення гемоглобіну та цитохромів. Субстратами синтезу гему єгліцин, сукциніл-КоА і Fe 2+.У матриксі мітохондрій з гліцину та сукциніл-КоА під дією піридоксальзалежного ферменту5-амінолевулінатсинтазиутворюється 5-амінолевулінова кислота у цитоплазму. У цитоплазмі фермент5 -амінолевулінатдегідратазакаталізує реакцію конденсації двох молекул 5-амінолевулінової кислоти з утвореннямпорфобіліногену.Далі з чотирьох молекул порфобіліногену послідовно утворюються проміжні метаболіти -порфіриногени,з яких надходить у мітохондрії і перетворюється напротопорфірин ГХ.Ферментферохелатазазавершує утворення гема, приєднуючи Fe 2 + до протопорфірину IX (рис. 13.1).
У мітохондріях клітин піридоксальзалежний фермент 5-амінолевулінатсинтазу каталізує першу реакцію синтезу гему. Потім 5-амінолевулінова кислота надходить у цитоплазму, де 5-амінолевулінатдегідратаза каталізує перетворення двох молекул 5-амінолевулінату в порфобіліноген, що має циклічну будову. В результаті послідовних реакцій у цитоплазмі утворюється протопорфірин IX. Він надходить у мітохондрії і під дією ферменту ферохелатази з'єднується з Fe+2 з утворенням гему.
3.Дві перші реакції синтезу гему каталізують ферменти, алостеричним інгібітором яких є гем. Водночас гем є індуктором синтезу α- та β-ланцюгів гемоглобіну. У ретикулоцитах Fe 2+ індукує синтез 5-амінолевулінатсинтази (рис. 13.2). Стероїдні гормони та деякі ліки (барбітурати, диклофенак, сульфаніламіди, естрогени, прогестини) є індукторами синтезу 5-амінолевулінатсинтази.
4.В результаті генетичних дефектів або порушень регуляції ферментів, що беруть участь у біосинтезі гему, розвиваютьсяпорфірії.Первинні порфірії обумовлені генетичними дефектами в структурі генів,
Гем за принципом негативного зворотного зв'язку інгібує 5-амінолевулінатсинтазу та 5-амінолевулінатдегідратазу, а також є індуктором трансляції α- та β-ланцюгів гемоглобіну. Іони Fe 2 + індукують синтез 5-амінолевулінатсинтази
кодують ферменти синтезу гему, вторинні – пов'язані з порушеннями регуляції реакцій синтезу гему. Порфірія може викликати прийом лікарських препаратів, які є індукторами.синтезу 5-амінолевулінат-синтази. Ці захворювання супроводжуються накопиченням у клітинах проміжних метаболітів синтезу гему порфіриногенів, які надають токсичну дію на нервову систему та викликають нейропсихічні симптоми. Порфіриногени на світлі перетворюються на порфірини, які при взаємодії з киснем утворюють активні радикали, що ушкоджують клітини шкіри.
ТЕМА 13.2. ОБМІН ЗАЛІЗУ
Залізо входить до складу гемовмісних білків, а також металофлавопротеїнів, залізосерних білків, трансферину, феритину.
1.Джерелом заліза при біосинтезі білків, що містять залізо, є харчові продукти. Зазвичай всмоктується трохи більше 10% заліза їжі. Залізо, що звільняється при постійному розпаді еритроцитів у клітинах печінки та селезінки, може повторно використовуватись для синтезу залізовмісних білків.
Кисла середовище шлунка і присутність у їжіаскорбінової кислоти,відновлює Fe 3 +, сприяють звільненню заліза із солей органічних кислот їжі (рис. 13.3).
2.Надходження заліза з ентероцитів в кров залежить від швидкості синтезу в них білкаапоферитину.Апоферитин уловлює залізо в клітинах слизової кишечника і перетворюється наферитин,який залишається
• Залізо надходить з їжею, транспортується кров'ю у формі трансферину, запасається у вигляді феритину та використовується для синтезу цитохромів, залізовмісних ферментів, гемоглобіну та міоглобіну.
• Організм втрачає залізо із сечею, калом, потім і при кровотечах.
• Гемосидерин акумулює надлишок заліза
у ентероцитах. Це знижує надходження заліза в кров із клітин кишечника. Коли потреби у залозі невеликі, швидкість синтезу апоферитину підвищується.Слущування клітин слизової оболонки кишківника звільняє організм від надлишків заліза. При нестачі заліза в організмі апоферитин в ентероцитах майже синтезується.
Фермент кровіферроксідаза (церулоплазмін)окислює залізо, воно зв'язується з глікопротеїном кровітрансферриномі транспортується кров'ю (рис. 13.4).
3.Трансферин взаємодіє зі специфічними рецепторами і надходить у клітини. Кількість рецепторів трансферину залежить від вмісту заліза у клітинах та регулюється на рівні транскрипції гена білкарецептора. При зниженні вмісту заліза в клітинах швидкість синтезу рецепторів підвищується і навпаки.
У порожнині кишечника Fe 3+ вивільняється з білків та солей органічних кислот їжі. Засвоєння Fe3+ покращує аскорбінова кислота, що відновлює його до Fe+2. Надходження Fe 2 + зі слизової оболонки кишечника в кров супроводжується окисленням заліза медьсодержащим ферментом плазми крові фероксідазою. Надлишок надійшов у клітини слизової оболонки кишечника заліза з'єднується з білком апоферитином, який окислює залізо і перетворюється на феритин. У крові Fe 3+ транспортує білок плазми трансферрин. У тканинах Fe 2+ використовується для синтезу залізовмісних білків або депонується у складі феритину.
4.Білок феритин грає роль депо заліза у клітинах печінки, селезінки, кісткового мозку. Надлишок заліза акумулюється у печінці та інших тканинах у складі гранул гемосидерину. Якщо кількість заліза в клітинах перевищує обсяг феритинового депо, воно відкладається в білковій частині молекули феритину. Таким чином, феритин перетворюється на гемосидерин, який погано розчинний у воді і може містити до 37% заліза.Накопичення гранул гемосидерину в ретикулоендотеліоцитах печінки та селезінки може призвести до пошкодження органу -гемохроматозу.
При недостатньому надходженні чи порушенні утилізації заліза розвиваєтьсязалізодефіцитна анемія.
ТЕМА 13.3. КАТАБОЛІЗМ ГЕМА
1.Розпад гема відбувається в ендоплазматичному ретикулумі клітин ендотеліальної системи селезінки, кісткового мозку та печінки за участю ферментівгемоксигеназної системи(рис. 13.5). В результаті ряду перетворень утворюється непрямий (що не дає пряму реакцію з діазореактивом, так як пов'язаний з білком альбуміном) - некон'югований білірубін. Білірубін погано розчинний у воді і транспортується кров'ю в печінку в комплексі з альбуміном.
2.Білірубін надходить у гепатоцити за механізмом полегшеної дифузії за допомогою білків-переносників лігандину і протеїну Z. У печінці білірубін кон'югує з глюкуроновою кислотою під дією ферментів ендоплазматичного ретикулумуУДФ-глюкуїну утворення білірубінмоноглюкуроніду таУДФ-глюкуронілтрансферази II,утворює білірубіндиглюкуронід. В результаті реакцій кон'югації утворюєтьсяпрямийабокон'югований, білірубін(рис. 13.6).
Синтез УДФ-глюкуронілтрансфераз індукують деякі лікарські препарати, наприклад, фенобарбітал.
3.За механізмом активного транспорту прямий білірубін у складі жовчі надходить у дванадцятипалу кишку. У кишечнику ферментами мікрофлори він гідролізується з утворенням білірубіну та глюкуронової кислоти. Білірубін в результаті кількохреакцій відновлення перетворюється на безбарвні тетрапіроли -уробіліногени.В результаті окислення вони перетворюються на уробілін, який виводиться з організму, будучи пігментом калууробіліном (стеркобіліном)(200-300 мг/сут). Невелика частина уробіліногенів всмоктується в кишечнику, з кров'ю ворітної вени транспортується в печінку, звідти надходить у кров, потім у нирки і, окислюючись у пігмент жовтого кольору уробілін, видаляється з сечею (3-4 мг/добу).
4.Концентрація загального білірубіну в кровіздорової людини становить1,7-17 мкмоль/л (0,1-1 мг/дл).Підвищення концентрації білірубіну у крові -гіпербілірубінемія- може бути обумовлено збільшенням утворення білірубіну, що перевищує здатність гепатоцитів його кон'югувати та екскретувати в кишечник, закупоркою жовчовивідних проток, генетичними дефектами ферментів та білків, що беруть участь у метаболізмі білірубіну в печінці. Коли концентрація білірубіну в крові перевищує норму більш ніж у 2,5 рази, він надходить у тканини, забарвлюючи їх у жовтий колір. Пожовтіння склер очей, шкіри та слизових оболонок через відкладення в них білірубіну називають жовтухою.
•Механічна (підпечінкова) жовтяницяє результатом порушення секреції жовчі, викликаним закупоркою жовчних проток камінням або післяопераційними рубцями. У крові підвищується концентрація непрямого та прямого білірубіну, який надходить у сечу, надаючи їй коричневого кольору. У сечі та калі відсутні уробілін та стеркобілін, тому кал хворих ахолічний (безбарвний).
•Жовтяниця новонароджених- це «фізіологічна» жовтяниця. Вона обумовлена великою порівняно з дорослим організмом кількістю еритроцитів у розрахунку на масу тіла. Після народження дитини еритроцити руйнуються, оскількиHbF заміщується HbA. Крім того, у новонароджених може спостерігатися запізнення "включення" гена глюкуронілтрансферази, недостатня здатність гепатоцитів вловлювати білірубін з крові та екскретувати прямий білірубін у жовч. Некон'югований білірубін проходить через гематоенцефалічний бар'єр і, будучи роз'єднувачем окисного фосфорилювання, знижує синтез АТФ у клітинах головного мозку та викликає пірогенну дію. Дегенеративні зміни нервових клітин призводять до білірубінової енцефалопатії. Новонародженим призначають барбітурати для індукції синтезу глюкуронілтрансферази. Крім того, для зниження рівня некон'югованого білірубіну використовують фототерапію новонароджених синьо-зеленим світлом із довжиною хвилі 620 нм. В результаті такого опромінення білірубін окислюється і перетворюється на гідрофільні фотоізомери, які надходять у нирки та виводяться з організму із сечею.
•Спадкові жовтяниціобумовлені генетичними дефектами білків, що беруть участь у метаболізмі білірубіну в печінці. Наприклад,синдром Жильберапов'язаний з генетичними дефектами білків, що захоплюють білірубін з крові,синдром Дубіна-Джонса- з дефектом білків, що беруть участь в екскреції прямого білірубіну в кишечник, а присиндромі Криглера-Найяра порушена первинна структура глюкуронілтрансферази.
ЗАВАННЯ ДЛЯ ПОЗААУДИТОРНОЇ РОБОТИ
1.Складіть схему синтезу гему, вказавши регуляторні ферменти та їх алостеричні інгібітори.
2.Розрахуйте кількість молекул гліцину, необхідну для синтезу молекули гему, та число атомів азоту аміногруп гліцину, що включаються до складу пірольних кілець гему.
3.Поясніть, чому при спадкових дефектах ферментів синтезу гема шкіра хворих має підвищену чутливість досонячного опромінення, а сеча набуває червоного кольору. Накопичення яких проміжних продуктів синтезу гему викликає ці симптоми? Як називаються хвороби, зумовлені генетичними дефектами ферментів синтезу гему?
4.Вкажіть причину виникнення порфірій у деяких новонароджених при лікуванні сульфаніламідами.
5.Використовуючи схему метаболізму заліза (рис. 13.7), вкажіть позначені цифрами:
1 - умови середовища та вітамін, що сприяють звільненню заліза з
солей органічних кислот, що містяться в їжі;
2 - білок, що регулює надходження заліза з ентероцитів в капил-
3 - білок, що зв'язує надлишок заліза в ентероцитах;
4 - фермент, що окислює залізо в крові та полегшує включення
заліза в апотрансферин;
5 - білок, що транспортує залізо в крові;
6, 7 - білки, які акумулюють та депонують залізо в тканинах; основні залізовмісні білки:
8 – кісткового мозку;
11-основний гемсодержащий білок еритроцитів.
6.Перенесіть у зошит та заповніть таблицю 13.1.Таблиця 13.1. Анемії та їх характеристики