Синтез гему, регуляція та порфірії

Введення

Гем – це складна сполука, яка представляє собою тетрапірольне кільце, по середині якого знаходиться іон заліза в стані Fe⁺⁺.Ця сполука має забарвлення(темно-червоне), чим пояснюється колір еритроцитів.Гем потрібен для багатьох ферментів та білків, наприклад:

• Гемоглобін складається з білкової частини(глобіну) та гему. Саме гем забезпечує приєднання молекули кисню до гемоглобіну.Відповідно, якщо не буде гему(Або ж процес його синтезу буде порушений), то слідом за цим іде порушення транспортної функції еритроцитів.
• Цитохроми - це ферменти, які беруть участь як в реакціях електрон транспортного ланцюгу так і в процесах мікросомального окислення.Наприклад, цитохром С являється ключовим компонентом(коферментом) в реакціях окислення НАДН та ФАДН, щоб в подальшому утворити енергію, тобто, цитохроми замішані в енергетичний обмін.
  Інші ферменти цитохроми знаходяться переважно в гепатоцитах(а саме в гладкій ЕПС цих клітин), де забезпечують першу фазу знешкодження ксенобіотиків.
• Міоглобін - складний білок, який накопичує кисень в скелетних міоцитах, задля того, щоб забезпечити роботу м’язів за умов гіпоксії(але ці запаси швидко вичерплюються)

Коли ми знаємо біологічну роль гему, ми можемо запропонувати, в яких органах процес його синтезу відбувається найінтенсивніше:

• Попередники еритроцитів активно синтезують гем задля того, щоб в майбутньому він став частиною гемоглобіну.
• Гепатоцити синтезують гем для утворення ферментів цитохрому p450. Особливо ці реакції активуються гормонами стресу, такими як: адреналін, глюкагон та кортизол.На основі цього базується розвиток симптомів гострої переміжної порфірії(нижче).
• Клітини кори наднирників синтезують гем, щоб утворити специфічні ферменти цитохрому, які необхідні цим клітинам для синтезу стероїдних гормонів.

Синтезу гему відбувається і в інших органах та тканинах, але не так інтенсивно, як в вище згаданих. Вище ми сказали, що гем має колір, а це означає, що проміжні продукти його синтезу також будуть мати забарвлення, це важливо розуміти для пояснення симптомів деяких порфірій.

Реакції синтезу гему

Насамперед, синтез гему протікає як в мітохондрії так і в цитоплазми клітини.
Починається все в матриксі мітохондрії, де є субстрати гліцин та сукциніл-КоА.Під дією ферменту дельта-амінолевулінат синтази ці дві речовини об’єднуються між собою і утворюється дельта-амінолевулінова кислота(д-АЛК).При чому кофактором для цього ферменту є піридоксальфосфат(похідне від вітаміну Б₆).Новоутворена д-АЛК покидає матрикс мітохондрії та потрапляє в цитоплазму.

Синтез гему відбувається в двох компартаментах клітини: в матриксі мітохондрії та цитоплазмі клітини.

В цитоплазмі існує фермент д-АЛК дегідратаза, яка об’єднує дві молекули д-АЛК, при цьому від кожної відщеплює по молекулі води(тому і дегідратаза), коферментом являється двохвалентний цинк(Zn⁺⁺).В результаті утворюється порфібіліноген.
Наступним кроком 4 молекули порфобіліногену об’єднуються між собою та утворюють гідрокси(окси)метилбілан, цей процес каталізується порфобіліноген дезамінозою, відповідно до назви ферменту, побічними продуктами реакції є 4 NH₃ групи(дезамінування).
Оксиметилбілан під дією уропорфіриноген ІІІ синтази перетворюється в уропорфіриноген ІІІ.
Далі під дією уропорфіриноген декарбоксилази перетворюється в копропорфіриноген ІІІ, який заходить в матрикс мітохондрії, де під дією ферментів оксидаз перетворюється в протопорфірин IX.
Проторфірин IX об’єднується з залізом під дією ферменту феррохелатази - утворюється гем, який далі тікає з матриксу мітохондрії та використовується для синтезу гем-залежних білків.

Регуляція синтезу гему

Із усіх вище наведених ферментів, ключовим являється лише дельта-амінолевулінат синтаза(д-АЛК синтаза) – ензим, який каталізує першу реакцію синтезу гему.
Є декілька шляхів регуляції активності даного ферменту:

Головним регуляторним ферментом для синтезу гему є д-АЛК синтаза, рівень активності якої регулюється як за допомогою посттрансляційної модифікації(протеїнкіназа А в печінці фосфорилює і таким чином активує), алостеричної регуляції(гем пригнічує роботу ферменту) та на рівні експресії гену самого ферменту(нижче).

• Ковалентна модифікація.
  Коли гормони стресу діють на гепатоцит, то активується аденілатциклазний механізм, в результаті чого активується протеїнкіназа А, яка фосфорилює д-АЛК синтазу, таким чином синтез гему в печінці за стресових умов(голодання, фізичний стрес) підвищується.
• Зворотній негативний зв’язок.
  Так як цей фермент запускає синтезу гему, то коли велика кількість гему накопичується в клітині, то ця речовина просто інгібує цей ензим.Варто зазначити, що в еритроцитах є особлива форма д-АЛК ІІ-го типу(коли інші клітини мають д-АЛК І-го типу).Особливість еритроцитарної форми цього ферменту в тому, що він майже ніяк не регулюється, тобто, він працює чисто за рахунок наявності субстрату.Це логічно, бо еритробласти хочуть насинтезувати якомога більше гему, щоб утворити якомога більше гемоглобіну.
• Білок-репресор.
  Білок-репресор впливає на ділянки ДНК, які кодують д-АЛК синтазу, таким чином або стимулюючи або пригнічуючи експресію цього гену.Коли в клітині мало гему, то цей білок ніяк не діє на ДНК.Коли гему в клітині стає достатньо, то гем з’єднується з цим білком, відбуваються конформаційні зміни останнього, внаслідок чого він набуває властивості фактору транскрипції, прямує в ядро, де пригнічує експресію гену д-АЛК синтази(знову ж таки, це не характерно для еритробластів).
• Ліпофільні лікарські засоби.
  Гепатоцити займаються знешкодженням ксенобіотиків(серед яких є лікарські засоби по типу барбітуратів і т.д).Для цього процесу потрібні ферменти цитохрому, які являються гем-залежними.Відповідно, якщо в гепатоцит потрапляє велика кількість фармакологічних препаратів, то гепатоцит стимулює експресію д-АЛК синтази, щоб утворювати більше гему, відповідно, утворювати більше ферментів цитохрому.
• Гіпоксія. Коли нирки відчувають гіпоксію, то вони виділяють еритропоетин, який в свою чергу стимулює еритропоез, а разом з цим і синтез гему.
• Залізозв’язуючий білок.
  Ось цей механізм регуляції характерний для еритроцитів.Залізозв’язуючий білок, за аналогією з білком супресором, здатен регулювати експресію гену д-АЛК синтази.
  Коли в цитоплазмі еритробласта спостерігається дефіцит заліза, то залізозв’язуючий білок знаходиться в неактивному вигляді, а значить не може стимулювати експресію д-АЛК синтази ІІ-го типу.Це логічно, бо якщо немає заліза, значить не відбудеться завершення синтезу гему(остання реакція), а значить сенсу починати синтез гему також немає.
  Коли в клітині з’являється залізо, то воно зв’язується з цим залізозв’язуючим білком, таким чином активуючи останній, який за аналогією з білком-супресором, змінює свою конформацію та стає фактором транскрипції.Цей білок прямує в ядро, стимулює експресію д-АЛК синтази ІІ-го типу, і як наслідок еритробласт починає утворювати гем.

Порфірії

Порфірія – патологічний стан, який виникає внаслідок порушення синтезу гему.Це відбувається чисто за рахунок мутації певного ферменту(наприклад, гідроксиметилбілан синтази), що призводить, наприклад, до неможливості перетворити порфобіліноген в гідроксиметилбілан – спостерігається накопичення порфобіліногену в клітині.
Виділяють так званні “ранні проміжні продукти синтезу гему” та “пізні проміжні продукти”.Ранні проміжні продукти(д-АЛК, порфобіліноген) можуть проникати через гематоенцефалічний бар’єр та пошкоджувати клітини нейронів та нейральної глії, головним чином викликаючи окислювальний стрес в цих клітинах.Здатність цих речовин проникати через ГЕБ пояснюється тим, що вони мають не таку складну будову, порівняно з пізніми.
В свою чергу, пізні проміжні продукти(уропорфіриноген) при своєму накопичені не так інтенсивно проникають через ГЕБ, але вони як правило, відкладаються в сполучних тканинах(зв’язуються з білками).Тобто, можна умовно сказати, що накопичення ранніх проміжніх продуктів проявляється невропатичними ефектами, коли накопичення пізніх – дерматологічними ефектами. Існує величезна купа порфірій, але ми зараз розберемо дві основні:

• Гостра переміжна порфірія
• Еритропоетична порфірія(хвороба Гюнтера)

Гостра переміжна порфірія

ГПП виникає внаслідок мутації ферменту гідроксиметилбілан синтази.Якщо ми згадаємо, то цей фермент каталізував перетворення порфобіліногену в гідроксиметилбілан.Але тут важливо сказати, що цей фермент працює лише на половину своєї активності, але він як ні як та працює, а це означає, що деяка кількість порфобіліногену все таки буде перетворюватись в гідроксиметилбілан.Так от, в стані спокою печінка синтезує гем з такою інтенсивністю, що гідроксиметилбілан синтаза, не дивлячись на свої недоліки, встигає перетворювати порфобіліноген в гідроксиметилбілан, тому клінічних симптомів особливо не видно.А от якщо людина перейде в стан стресу, що призведе до вивільнення адреналіну, глюкагону та кортизолу в кров, потім ці гормони прямують в печінку, де головним чином активують аденілатциклазний механізм, в результаті чого утворюється цАМФ, активується протеїнкіназа А, яка активує певні фактори транскипції.Так от, під дією активованих факторів транскрипції спостерігається збільшена експресія дельта-амінолевулінат синтази – ключового ферменту для синтезу гему.Якщо активізується цей фермент, то починає утворюватись більше д-АЛК, а значить більше порфобіліногену.І ось тут виникає неприємність: за рахунок збільшеного утворення порфобіліногену, гідроксиметилбліан синтаза не встигає перетворити його в гідроксиметилбілан, що в результаті призводить до накопичення порфобіліногену в гепатоциті.
Порфобіліноген покидає гепатоцит і потрапляє в кров, а за рахунок того, що порфобіліноген являється раннім продуктом синтезу гему, то він може проникати через ГЕБ, спонукаючи появу невропатичних симптомів(іноді навіть можливі судоми, епілептичні припадки).
Порфобіліноген також буде виділятись із сечею.Свіжовиділена сеча буде мати звичайний колір, але якщо її залишити на декілька днів під впливом сонячних променів, то вона трохи потемніє, що обумовлено наявністю там ПБГ. Тобто, ми бачимо, що для появи проявів цього захворювання людині потрібно знаходитись в певних умовах(стрес).Тому деякі люди можуть прожити декілька десятків років і навіть не підозрювати, що в них є це захворювання.

Тепер як це все лікується.
По-перше, якщо пацієнт уже зайшов в стан стресу, і в нього спотерігається серйозна нейротоксичність, то в таких випадках вводять гем в кров.Це спричинить зворотній негативний зв’язок на д-АЛК синтазу, а значить процес синтезу гему буде відбуватись не так інтенсивно.
А якщо людина знає, що в неї є дана мутація, то їй потрібно вживати побільше високовуглеводної їжі, менше алкоголю, наркотиків, ліпофільних ліків(бо все це стимулює синтез гему, описано вище).Високовуглеводна їжа призведе до підвищення інсуліну в крові, а цей гормон являється антагоністом гормонів стресу, тому все зрозуміло.

Еритропоетична порфірія

Еритропоетична порфірія, або ж більш відома як хвороба Гюнтера викликана мутацією ферменту уропорфіриноген ІІІ синтази, внаслідок чого порушується перетворення гідроксиметилбілану(ГМБ) в уропорфіриноген ІІІ.Здавалось би, при цьому захворюванні повинен накопичуватись ГМБ, але чомусь цього не відбувається.
Це пояснюється тим, що за відсутності уропорфіриноген ІІІ синтази, гідроксиметилбілан спонтанно перетворюється в уропорфіриноген І(або ж деякі джерела кажуть, що існує спеціальний фермент уропорфіриноген І синтаза).
Далі уропорфіриноген І може бути перетворитись в копропорфіриноген І, і в теорії, деяка частина копропорфіриногену І може перетворитись в гем, але справа в тому, що цей гем не є таким функціональним, як гем здорової людини.Коли утворюється такий “неправильний гем”, то він бере участь в утворенні гемоглобіну, але знову ж таки, цей гемоглобін не може нормально функціонувати, а значить разом з цим втрачається як форма так і функціональність еритроциту.Більше того, за даної патології в еритроцитах також накопичується уропорфіриноген та копропорфіриноген.
Коли такий еритроцит потрапляє в кров, то він дуже швидко руйнується шляхом або внутрішньосудинного або зовнішньосудинного гемолізу.Так чи інакше, копропорфіриноген, уропорфіриноген та “неправильний гемоглобін” вивільняються в кров.Коли концентрація цих речовин в плазмі підвищується, то спостерігається вихід цих порфіринів в навколишні тканини, зокрема в дерму та слизові оболонки, де відбувається зв’язування порфіринів з білками.І ось за рахунок накопичення цих порфіринів змінюється забарвлення як слизових так і шкіри.Більше того, порфірини являються прозапальними, тому ще одним клінічним проявом є утворення виразок на шкірі під дією сонця.Особливо сприятливими органами для порфіринів є:

• Зуби
• Ясна
• Пальці рук

Тому у пацієнта з даним захворюванням буде спостерігатись: рубцювання шкіри та дерматит, почервоніння ясен та зубів, кровотечі з цих місць, підвищення копропорфірину та уропорфірину в сечі, що призведе до зміни її кольору.
Щоб запобігти прояву цих симптомів: якомога менше з’являтись на сонці(бо порфірини стають дуже сильно агресивними якраз під дією променів сонця), наносити сонцезахисний крем, вживати більше зелені та іншої багатої на антиоксиданти їжі.Виходячи з того, що пацієнт буде перебувати на сонці обмежену кількість часу, йому також варто призначити вітамін Д, щоб запобігти гіпокальціємії.